Кіріспе

Жасушаларды зерттейтін биологияның саласы. Жасуша биологиясы (сонымен қатар жасушалық биология немесе цитология) – жасушалардың құрылымын, қызметін және мінез-құлқын зерттейтін биологияның саласы. Барлық тірі организмдер жасушалардан тұрады. Жасуша – организмдердің тіршілігі мен жұмыс істеуіне жауапты негізгі бірлік. Дегенмен, зерттелген жасушалар өлі болып шықты және жасушаның нақты құрамдас бөліктері туралы мәлімет бермеді. Бірнеше жыл өткен соң, 1674 жылы Антон Ван Леувенхук балдырларды зерттеу кезінде алғаш рет тірі жасушаларды талдады. Көп жылдардан кейін, 1831 жылы Роберт Браун ядроны ашты. Бұл жасуша теориясының қалыптасуына дейін болды, ол барлық тірі организмдер жасушалардан тұрады және жасушалар организмдердің функционалдық және құрылымдық бірліктері екенін айтады. Өсімдік ғалымы Маттиас Шлейден 19 жылдан кейін бұл тұжырымға келді, ал Рудольф Вирхов жасуша теориясын одан әрі дамытып, барлық жасушалар бұрыннан бар жасушалардың бөлінуінен пайда болады деген қосымша пікір енгізді.

Техникалар

Жасушалық биология зерттеулері тірі организмнен тыс жасушаларды өсірудің және манипуляциялаудың әртүрлі жолдарын қарастырады, бұл адам анатомиясы мен физиологиясын одан әрі зерттеуге, сондай-ақ дәрі-дәрмектер алуға мүмкіндік береді. Жасушаларды зерттеу әдістері де дамыды. Микроскопиядағы жетістіктер мен технологиялар ғалымдарға жасушалардың құрылымы мен функциясын жақсырақ түсінуге мүмкіндік берді. Жасуша биологиясын зерттеу үшін жиі қолданылатын көптеген әдістер төменде келтірілген:
Жасуша өсіру: Белгілі бір жасуша түрінің көп мөлшерін және жасушаларды зерттеудің тиімді әдісін қамтамасыз ететін ортада жылдам өсетін жасушаларды пайдалану. Жасуша мәдениеті – жасушалық және молекулалық биологияда қолданылатын негізгі құралдардың бірі, ол жасушалардың қалыпты физиологиясы мен биохимиясын (мысалы, метаболизмді зерттеу, қартаю), дәрі-дәрмектердің және уытты қосылыстардың жасушаларға тигізетін әсерін, мутагенезді және канцерогенезді зерттеу үшін тамаша модельдік жүйелерді ұсынады. Ол сондай-ақ дәрі-дәрмектерді тексеру және әзірлеуде, сондай-ақ биологиялық қосылыстарды (мысалы, вакциналар, терапиялық ақуыздар) ірі көлемде өндіруде қолданылады. Флуоресценттік микроскопия: GFP сияқты флуоресценттік маркерлер жасушаның белгілі бір компонентін белгілеу үшін қолданылады. Содан кейін, флуоресценттік маркерді қоздыру үшін белгілі бір жарық толқын ұзындығы қолданылады, одан кейін оны көруге болады. Жасушаны фракциялау: Бұл процесте жасуша жоғары температурада немесе сонда бұзылып, содан кейін центрифугалау арқылы жасушаның бөліктерін бөліп, жеке-жеке зерттеуге мүмкіндік береді. Прокариоттық жасушалар эукариоттық жасушалардан әлдеқайда кішкентай, сондықтан олар тіршіліктің ең кішкентай түрі болып табылады. Прокариоттық жасушаларға бактериялар мен археялар жатады, оларда жабық жасушалық ядро жоқ. Эукариоттық жасушалар өсімдіктерде, жануарларда, саңырауқұлақтарда және протостарда кездеседі. Олардың диаметрі 10-ден 100 мкм-ға дейін жетеді, ал олардың ДНК-сы мембраналық ядроның ішінде орналасқан. Эукариоттар – эукариоттық жасушаларды қамтитын организмдер. Төрт эукариоттық патшалық: Animalia, Plantae, Fungi және Protista. Олардың екеуі де бинарлық бөліну арқылы көбейеді. Бактериялардың ең көп таралған түрі бірнеше түрлі пішінге ие, бірақ көпшілігі шар немесе таяқша тәрізді болады. Бактериялар жасуша қабырғасының құрамына байланысты грам-оң немесе грам-теріс деп жіктеледі. Грам-оң бактериялар грам-теріс бактерияларға қарағанда қалың пептидогликан қабатына ие. Бактериялық құрылымның ерекшеліктері: жасушаның қозғалуына көмектесетін жарақша, РНК-ны белокке аударатын рибосомалар.

Жасушалық метаболизм

Жасушалық метаболизм жасушаның энергия өндіруі және оның тірі қалуы үшін қажет, ол көптеген жолдарды қамтиды, сондай-ақ ядро, митохондрия, жасушалық мембрана сияқты негізгі жасушалық органеллаларды қамтамасыз етеді. Жасушалық тыныс алу үшін, глюкоза қолжеткілі болғанда, пируватты өндіру үшін гликолиз жасушаның цитозолінде жүреді. Пируват көпферменттік кешенді пайдаланып декарбоксилденуге ұшырайды, нәтижесінде ацетил-КоА түзіледі, оны ТСА циклында NADH және FADH2 өндіру үшін қолдануға болады. Бұл өнімдер электрондық тасымалдау тізбегіне қатысып, ішкі митохондриялық мембранада протондық градиентті құрайды. Бұл градиент окистеу фосфорилирлеу кезінде АТФ өндірісін қамтамасыз етеді. Өсімдік жасушаларындағы метаболизм фотосинтезді қамтиды, ол тыныс алудың кері процесі болып табылады, себебі ол глюкоза молекулаларын өндіреді.

Ұялы байланыс

Жасушалық сигнализация немесе жасушалық байланыс жасушалық реттеу үшін және жасушалардың қоршаған ортадан ақпаратты өңдеуі және оған сәйкес жауап беруі үшін маңызды. Сигнал беру тікелей жасушалық байланыс, сондай-ақ эндокриндік, паракриндік және автокриндік сигнализация арқылы жүзеге асуы мүмкін. Тікелей жасушалық байланыс – бір жасушадағы рецептордың басқа жасушаның мембранасына бекітілген молекуламен байланысуы. Эндокриндік сигнализация қан ағынына бөлінетін молекулалар арқылы жүзеге асады. Паракриндік сигнализация екі жасуша арасында диффузияланатын молекулаларды пайдаланады. Автокриндік – жасушаның өзіне сигнал жіберуі, өзінің бетіндегі рецептормен байланысатын молекулаларды бөліп шығаруы. Коммуникацияның түрлері:
Иондық каналдар: кернеуге немесе лигандқа сезімтал иондық каналдар сияқты түрлі болуы мүмкін. Олар молекулалар мен иондардың кіруіне және шығуына мүмкіндік береді. G протеинімен байланысқан рецептор (GPCR): жеті трансмембраналық доменнен тұратыны белгілі. Лиганд клеткадан тыс доменге байланысады, ал лиганд байланысқаннан кейін гуанин алмасу факторы GDP-ні GTP-ге айналдырып, Gα суббірлігін белсендіреді. Gα аденоилциклаза немесе фосфолипаза C сияқты басқа белоктарға бағыттала алады, олар cAMP, Ip3, DAG және кальций сияқты екінші реттік хабаршыларды құрайды. Бұл екінші реттік хабаршылар сигналдарды күшейтеді және иондық каналдарға немесе басқа ферменттерге әсер ете алады. Сигналды күшейтудің бір мысалы – реттеуші суббірліктерді алып тастау және каталитикалық суббірлікті босату арқылы PKA-ға байланысу және оны белсендіру. Каталитикалық суббірлікте ядролық локализация тізбегі болады, ол оны ядроға енгізіп, гендік белсенділікті басу немесе белсендіру үшін басқа белоктарды фосфорилеттеуге итермелейді.

Эукариоттық жасуша циклі

Жасушалар – барлық организмдердің негізі және өмірдің құрылымдық бірліктері. Жасушалардың өсуі мен дамуы ағзаның сақталуы және тіршілік етуі үшін маңызды. Бұл процестің ішінде жасуша циклы мен даму кезеңдері бар, олар жасушаның өсуі, ДНҚ көшірмесін жасауы, жасушаның бөлінуі, жаңаруы және жасушаның өлімінен тұрады. Жасуша циклі төрт бөлікке бөлінеді: G1, S, G2 және M. Жасуша өсу фазасы болып табылатын G фазасы циклдің шамамен 95% құрайды. Жасушалардың көбеюіне пролифераторлар ықпал етеді. Барлық жасушалар бастапқыда бірдей болып келеді және кез келген жасуша түріне айналуы мүмкін. Индукция сияқты жасушалық сигналдар жақын жасушаларға олардың қандай жасушаға айналатынын анықтауға көмектеседі. Сонымен қатар, бұл бірдей жасушалардың жиналып, тіндер, содан кейін мүшелер және жүйелер құруына мүмкіндік береді. G1, G2 және S фазалары (ДНҚ көшірмесін жасау, зақымдану және жөндеу) циклдің интерфаза бөлігін құрайды, ал M фазасы (митоз) – жасушаның бөліну бөлігін. Митоз профаза, метафаза, анафаза, телофаза және цитокинез сияқты көптеген кезеңдерден тұрады. Митоздың соңғы нәтижесі – екі бірдей қыз жасушаның пайда болуы. Жасуша циклі жасуша циклының бақылау бекеттерінде циклиндер, циклинге тәуелді киназалар және p53 сияқты сигналдық факторлар мен кешендер арқылы реттеледі. Жасуша өсу процесін аяқтағаннан кейін және егер ол зақымдалған немесе өзгерген болып табылса, ол ағзаның тіршілік етуіне қауіп тудырмау үшін апоптоз немесе некроз арқылы өліміне ұшырайды.

Жасушалық өлім, жасушалық өлімсіздігі

Қазіргі кездегі әрбір жасушаның тегі, шамамен 3 миллиард жылдан бері үзілмей келген, өмірдің пайда болуына дейінгі жасушалық тізбекке дейін жетеді. Шын мәнінде, өлмейтін – жеке жасушалар емес, көп буынды жасушалық тізбектер. Жасушалық тізбектің өлмейтін болуы жасушаның бөліну қабілетін сақтап қалуға байланысты. Бұл қабілет кез келген тізбекте жасуша зақымдануы, жүйке жасушаларында кездесетін толық дифференциациялану немесе даму кезіндегі бағдарламаланған жасуша өлімі (апоптоз) салдарынан жоғалуы мүмкін. Тізбектердің кезекті буындарында жасушаның бөліну қабілетін сақтау, жасушалық зақымдануды, әсіресе ДНК зақымдануын болдырмау және оны дәл жөндеуге байланысты. Жыныстық организмдерде, ұрпақтардың жалғасуы ДНК зақымдануын болдырмау және туындаған ДНК зақымдануын жөндеу процестерінің тиімділігіне байланысты. Эукариоттарда да, прокариоттарда да жыныстық процестер гомологтық рекомбинация арқылы ұрпақ жасушаларындағы ДНК зақымдануын тиімді жөндеуге мүмкіндік береді.

Жасуша циклінің фазалары

Жасуша циклы – жасушаның дамуы мен бөліну барысында өтетін төрт кезеңді процесс. Оған Gap 1 (G1), синтез (S), Gap 2 (G2) және митоз (M) кіреді. Жасуша циклді G1 фазасынан қайта бастай алады немесе циклді аяқтағаннан кейін G0 фазасына өтіп, циклден шығады. Жасуша G0 фазасынан соңғы дифференциация арқылы дами алады. Интерфаза – бір митоз бен келесі митоз арасындағы жасуша циклының фазаларын қамтиды, оған G1, S және G2 кіреді.

G1 кезеңі

Жасушаның мөлшері ұлғаяды. Жасуша ішіндегілер көбейтіледі.

G2 кезеңі

Жасуша көбейеді. Жасуша бөлінуіне дайындалу үшін органеллалар мен ақуыздар қалыптасады.

G0 кезеңі

Бұл жасушалар G1 фазасын қысып, G0 фазасына – тоқтау фазасына өтеді. G0 фазасындағы жасуша бөлінуге белсенді дайындалмай, өзінің қызметін атқарады.

Патология

Жасушалық деңгейде ауруларды зерттейтін және диагностикалайтын ғылым саласы цитопатология деп аталады. Цитопатология көбінесе бос жасушалар немесе тіндік фрагменттердің үлгілерінде қолданылады, ал гистопатология толыққанды тіндерді зерттейді. Цитопатология денедегі әртүрлі аймақтарды қамтитын ауруларды зерттеу үшін жиі қолданылады, көбінесе қатерлі ісіктерді диагностикалауға, сондай-ақ кейбір жұқпалы аурулар мен қабыну жағдайларын анықтауға көмектеседі. Мысалы, цитопатологияның кең таралған қолданысы – Пап-тест, ол жатыр мойны қатерлі ісігін және оған алып келуі мүмкін жатыр мойнының алдын-ала зақымдануларын анықтауға қолданылатын скринингтік тест.

Ұяшық циклінің бақылау пункттері және ДНК зақымдануын қалпына келтіру жүйесі

Жасуша циклі бірнеше рет реттелген, тізбектей келетін сатыздан тұрады, нәтижесінде жасуша бөлінеді. Жасушалардың келесі сатызға көшуі үшін алдыңғысы толық аяқталуы керек – бұл жасуша циклын реттеудің маңызды элементі. Жасуша циклының бақылау бекеттері – жасуша циклы мен бөлінудің дұрыс бақылануын қамтамасыз ететін тиімді стратегия. Cdk-лар, олармен байланысты циклиндер, белок киназалары мен фосфатазалар жасушаның өсуін және бір сатыздан екінші сатызға бөлінуін реттейді. Жасуша циклы циклиндермен өзара әрекеттесу, белгілі бір белок киназаларымен фосфорилдану және Cdc25 фосфатазалары отбасымен дефосфорилдану арқылы реттелетін Cdk-лардың уақытша белсенділігімен бақыланады. ДНК зақымдалған жағдайда, жасушаның ДНК жөндеу реакциясы – бұл бақылау бекеттерін қосатын, ДНК-дағы жөндеу механизмін, жасуша циклының өзгеруін және апоптозды реттейтін сигналдық жолдардың тізбегі. ДНК-дағы зақымды анықтайтын көптеген биохимиялық құрылымдар мен процестер – бұл ДНК жөндеу бақылау бекеттерін тудыратын ATM және ATR. Жасуша циклі – жасуша органеллаларының дубликациялануы және одан кейін қыз жасушаларға дәл бөлінуінен тұратын іс-әрекеттер тізбегі. Жасуша циклы кезінде маңызды оқиғалар орын алады. Жасуша циклындағы процестерге жасушаның дамуы, хромосомалардың көшірмеленуі және бөлінуі жатады. Жасуша циклының бақылау бекеттері – жасуша циклының тұтастығын, дұрыстығын және уақытын қадағалайтын бақылау жүйелері. Әр бақылау бекеті жасуша циклының баламалы соңғы нүктесі болып табылады, онда жасушаның параметрлері тексеріледі және жасуша циклі тек қажетті сипаттамалар орындалғанда ғана әртүрлі сатыздар арқылы өтеді. Жасуша циклының мақсаты – әр организмнің ДНК-сын дәл көшіру, содан кейін жасуша мен оның құраушыларын екі жаңа жасуша арасында тең бөлу. Эукариоттарда төрт негізгі сатыз болады. G1 фазасында жасуша әдетте белсенді болып, қарқынды өседі, ал G2 фазасында белок молекулалары бөлінуге дайын болғанда жасушаның өсуі жалғасады. Бұл демалыс уақыты емес, бұл жасушалардың массасын жинау, өсу факторларының рецепторларын біріктіру, көшірмеленген геномды құру және хромосомалардың бөлінуіне дайындық кезеңі. ДНК көшірмеленуі эукариоттарда жеке Синтез фазасында жүзеге асады, ол S фазасы деп те аталады. Митоз кезінде, яғни M фазасында хромосомалардың бөлінуі орын алады. ДНК, басқа молекулалар сияқты, көптеген химиялық реакцияларға қабілетті. Алайда, ДНК тізбегінің өзгеруі РНК немесе белоктар сияқты басқа жасушалық құраушылардың өзгеруіне қарағанда әлдеқайда маңызды әсер етеді, өйткені ДНК жасуша геномының тұрақты көшірмесі болып табылады. ДНК көшірмеленуі кезінде қате нуклеотидтер енгізілгенде мутациялар пайда болуы мүмкін. ДНК зақымдарының көп бөлігі ақаулы негіздерді алып тастап, содан кейін кемітілген аймақты қайта синтездеу арқылы түзетіледі. Дегенмен, кейбір ДНК зақымдарын кері қайтару арқылы қалпына келтіруге болады, бұл ДНК зақымдарының жиі кездесетін түрлерін емдеудің тиімді әдісі болуы мүмкін. Осы тәсілмен ДНК зақымдарының тек бірнеше түрі ғана жөнделеді, соның ішінде ультракүлгін (UV) сәулесінің әсерінен пайда болған пиримидин димерлері, пурин сақинасының O6 позициясына метил немесе этил топтарын енгізу арқылы өзгертіледі.

Митохондриялық мембрананың динамикасы

Митохондриялар көбінесе жасушаның "қуат станциялары" деп аталады, өйткені олар жасушалық гомеостаз бен метаболизмді сақтау үшін өте қажетті АТФ-ты тиімді өндіреді. Сонымен қатар, зерттеушілер митохондрияның жасуша биологиясындағы маңыздылығын жақсырақ түсінді, себебі митохондриялар жасуша сигнализация жолдарын ашты, олар жасуша функцияларын реттеудегі маңызды платформалар болып табылады, мысалы апоптоз. Оның физиологиялық бейімделуі митохондриялық мембрана динамикасы деп аталатын механизмдер арқылы жасуша митохондриялық каналының үнемі қайта құрылуымен тығыз байланысты, оған эндомембраналық бірігу және фрагментация (бөліну), сондай-ақ ультрақұрылымдық мембрана өзгерістері кіреді. Нәтижесінде, митохондриялық динамика жасушалық метаболизмді ғана емес, сонымен қатар жасушалық плюрипотентті дің жасушаларының көбеюі, жетілуі, қартаюы және өлімі сияқты күрделі жасушалық сигнализация процестерін де реттейді және көбінесе үйлестіреді. Митохондриялық аппараттың посттрансляциялық өзгерістері және митохондриялар мен басқа құрылымдар арасындағы трансмембраналық контактілік орындардың қалыптасуы, екеуі де митохондриялық мембрана динамикасына күшті әсер ететін әртүрлі жолдардан сигналдарды байланыстыруға мүмкіндік береді. Автофагияның үш негізгі түрі бар: макроавтофагия, микроавтофагия және шаперонмен қадағаланатын автофагия. Макроавтофагия іске қосылғанда, бір бөлік цитоплазманы қамтитын оқшаулау мембранасы пайда болады, нәтижесінде ерекше қос мембраналы органелла – автофагосома қалыптасады. Автофагосома лизосомамен бірігіп, автолизосоманы құрайды, онда лизосомалық ферменттер құраушыларын ыдыратады. Микроавтофагияда лизосома немесе вакуола цитозолды немесе органеллаларды қоршау үшін лизосомалық мембрананы ішке қарай жиыру арқылы немесе сыртқа қарай итеру арқылы цитоплазманың бір бөлігін жұтады. Шаперонмен қадағаланатын автофагия (CMA) стрестік жағдайларда тотыққан және өзгерген ақуыздарды ыдырату арқылы ақуыздық сапаны қамтамасыз етеді және аминқышқылдарын ақуыз денатурациясы арқылы жеткізеді. Автофагия – пептидтер, майлар, көмірсулар және басқа жасушалық құрылымдар үшін негізгі ішкі ыдырау жүйесі. Физиологиялық және стрестік жағдайларда бұл жасушалық процестер дұрыс жасушалық тепе-теңдікті сақтау үшін маңызды. Автофагияның тұрақсыздығы жасушалардың тұтастығын бақылаудағы рөліне байланысты қабыну, биохимиялық бұзылыстар, қартаю және нейродегенеративті аурулар сияқты әртүрлі ауру белгілеріне әкеледі. Автофагия-лизосомалық желілердің өзгеруі көптеген неврологиялық және бұлшықет ауруларының ерекше белгісі болып табылады. Осыған байланысты, автофагия әртүрлі аурулардың алдын алу және емдеудің перспективті стратегиясы ретінде қарастырылады. Көптеген аурулар тамақтану арқылы полифенолдарды тұтыну арқылы алдын алуға болады немесе жақсартуға болады. Сондықтан, автофагия механизмін өзгерте алатын табиғи қосылыстар әлеуетті емдік құрал ретінде қарастырылады. Макроавтофагияның алғашқы қадамы – ядролық құрылым деп аталатын қос мембрананың (фагофордың) қалыптасуы. Фагофорлық процесте жасушалық мембранадан, Голги аппаратынан, эндоплазмалық тордан және митохондриядан келген реттелмеген полипептидтер немесе бұзылған органеллалар көрінеді. Автофагоцит аяқталғанда фагофордың кеңеюі тоқтатылады. Автофагосома лизосомалық везикулалармен бірігіп, капсулаланған заттарды ыдырататын автолизосоманы құрайды, бұл процеске фагоцитоз деп аталады.