КЛЕТОЧНИ ТРАНСПОРТНИ МЕХАНИЗМИ

Клеточните транспортни механизми претставуваат основа за разбирање на физиолошкото функционирање на човечкиот организам. Секоја клетка, без оглед на нејзината структура, големина или функција, постојано разменува материи со својата околина. Преку клеточната мембрана се внесуваат вода, кислород, хранливи материи, јони и други молекули, а се отстрануваат јаглерод диоксид, метаболички отпадни продукти и други супстанции.

Овие процеси овозможуваат одржување на клеточната хомеостаза, создавање и пренесување на електрични сигнали, мускулна контракција, нервна спроводливост, секреција на хормони, апсорпција на хранливи материи и регулација на волуменот и хемискиот состав на телесните течности.

Разбирањето на транспортот низ клеточната мембрана е особено значајно за физиологијата на нервниот, мускулниот, дигестивниот, бубрежниот и ендокриниот систем.

1. КЛЕТОЧНА МЕМБРАНА – СТРУКТУРНА ОСНОВА НА ТРАНСПОРТОТ

Клеточната мембрана, позната и како плазматична мембрана, претставува тенка, динамична и селективно пропустлива структура која ја одделува внатрешноста на клетката од екстрацелуларната средина. Нејзината дебелина изнесува приближно 7–10 nm. Основната структура е фосфолипиден двослој во кој се вградени различни протеини, холестерол и јаглехидратни компоненти.

1.1. Фосфолипиден двослој

Фосфолипидите се амфипатични молекули, што значи дека поседуваат:

• Хидрофилен дел – поларна глава која има афинитет кон водата.
• Хидрофобен дел – две масни киселински опашки кои ја избегнуваат водата.

Фосфолипидите се организирани во два слоја. Хидрофилните глави се ориентирани кон екстрацелуларната и интрацелуларната течност, додека хидрофобните опашки се свртени една кон друга.Оваа организација создава бариера за слободното поминување на многу поларни молекули и јони.

1.2. Мембрански протеини

Мембранските протеини имаат повеќе физиолошки функции:

• Транспортни протеини – овозможуваат преминување на молекули и јони.
• Рецептори – примаат хормонални и други хемиски сигнали.
• Ензими – катализираат биохемиски реакции.
• Адхезивни протеини – овозможуваат поврзување на клетките.
• Структурни протеини – учествуваат во одржување на обликот и стабилноста на клетката.

Транспортните протеини се особено важни бидејќи многу супстанции не можат самостојно да поминат низ хидрофобната средина на липидниот двослој.

1.3. Селективна пропустливост

Клеточната мембрана не е подеднакво пропустлива за сите материи. Мали неполарни молекули, како кислородот и јаглерод диоксидот, релативно лесно минуваат низ липидниот двослој. Водата може да поминува низ мембраната, особено преку специјализирани водни канали наречени аквапорини. Од друга страна, јоните Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Cl⁻, како и големите поларни молекули, најчесто бараат специфични мембрански протеини.

Основна поделба на клеточните транспортни механизми:

Клеточен транспорт

Пасивен транспорт

Без директна потрошувачка на клеточна енергија; транспорт по електрохемискиот градиент.

Дифузија · Осмоза · Олеснета дифузија · Филтрација

Активен транспорт

Транспорт против електрохемискиот градиент, со енергетско поврзување.

Примарен активен · Секундарен активен транспорт

Везикуларен транспорт

Пренос на поголеми молекули и честички преку мембрански везикули.

Ендоцитоза · Пиноцитоза · Фагоцитоза · Егзоцитоза

2. ПАСИВЕН ТРАНСПОРТ

Пасивниот транспорт претставува движење на материи низ клеточната мембрана без директна потрошувачка на ATP (аденозин трифосфат). Движењето се одвива во насока на концентрациониот или електрохемискиот градиент, односно од област со повисок кон област со понизок хемиски потенцијал. Пасивниот транспорт е важен за размена на гасови во белите дробови, транспорт на хранливи материи, движење на вода, одржување на јонската рамнотежа и функционирање на бубрезите.

Главни форми на пасивен транспорт се:

• Проста дифузија.
• Олеснета дифузија.
• Осмоза.
• Филтрација.

3. ДИФУЗИЈА

3.1. Дефиниција

Дифузијата е спонтано движење на молекули или јони од област со повисока кон област со пониска концентрација, како последица на нивното постојано, случајно топлинско движење. Дифузијата продолжува сè додека не се воспостави динамичка рамнотежа. При динамичка рамнотежа, молекулите продолжуваат да се движат во двата правца, но нема нето-пренос на материја.

Пример: ако во чаша со вода се додаде капка мастило, првично бојата е концентрирана на едно место. Со текот на времето молекулите на бојата се распоредуваат низ целата вода. Овој процес е резултат на дифузија.

3.2. Фактори што влијаат врз брзината на дифузија

Брзината на дифузија зависи од повеќе фактори:

1. Концентрационен градиент

Колку е поголема разликата во концентрацијата помеѓу двете страни на мембраната, толку е поголема движечката сила за дифузија.

2. Температура

Зголемувањето на температурата го зголемува кинетичкото движење на молекулите и обично ја забрзува дифузијата.

3. Големина на молекулите

Малите молекули обично дифундираат побрзо од големите молекули.

4. Површина на мембраната

Поголемата површина овозможува поголем број молекули да поминуваат истовремено.

5. Дебелина на мембраната

Колку е мембраната потенка, толку е пократок патот на дифузија и транспортот е побрз.

6. Пропустливост на мембраната

Мембраните со поголема пропустливост за одредена супстанција овозможуваат побрз транспорт.

3.3. Фиков закон за дифузија

Дифузијата може математички да се опише со Фиковиот закон:

dQdt=−DAdCdx\frac{dQ}{dt}=-D A\frac{dC}{dx}dtdQ​=−DAdxdC​

Каде што:

dQ/dtdQ/dtdQ/dt – брзина на пренос на супстанцијата.

DDD – коефициент на дифузија.

AAA – површина низ која се одвива дифузијата.

dC/dxdC/dxdC/dx – концентрационен градиент.

Минусот го означува движењето во насока на намалување на концентрацијата.

Во физиологијата, овој принцип е важен за разбирање на размената на кислород и јаглерод диоксид во белите дробови и ткивата.

3.4. Проста дифузија

Простата дифузија е директно преминување на молекули низ липидниот двослој, без учество на транспортни протеини и без потрошувачка на ATP.

Преку проста дифузија најчесто поминуваат:

• Кислород (O₂).
• Јаглерод диоксид (CO₂).
• Азот. 
• Липофилни молекули, вклучувајќи одредени стероидни хормони. 
• Мали неполарни молекули.

Физиолошки пример: размена на гасови

Во белодробните алвеоли, кислородот дифундира од алвеоларниот воздух кон крвта бидејќи неговиот парцијален притисок е повисок во алвеолите отколку во венската крв што пристигнува во белите дробови.

Истовремено, јаглерод диоксидот дифундира од крвта кон алвеолите, од каде што се издишува.

Во периферните ткива, процесот е обратен за кислородот: тој преминува од крвта во клетките, каде што се користи во клеточното дишење.

3.5. Олеснета дифузија

Олеснетата дифузија е пасивен транспорт при кој молекулите минуваат низ мембраната со помош на специфични мембрански протеини. Овој механизам е потребен за транспорт на материи кои се премногу големи, поларни или електрично наелектризирани за самостојно да поминат низ липидниот двослој.

Постојат два главни механизми:

А. Транспорт преку канални протеини

Каналните протеини создаваат хидрофилни пори низ мембраната.

Преку нив можат да поминуваат: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻

Вода преку аквапорини.

Каналите може да бидат:

Напонски зависни – се отвораат или затвораат при промена на мембранскиот потенцијал.

Лиганд-зависни – се активираат со врзување на одредена хемиска супстанција.

Механосензитивни – реагираат на механичко истегнување или притисок.

Постојано отворени канали – овозможуваат континуирано движење на одредени јони.

Б. Транспорт преку носачи (carrier proteins)

Носачите се мембрански протеини кои се врзуваат за одредена молекула, ја менуваат својата конформација и ја пренесуваат на другата страна на мембраната.

Најзначаен пример се GLUT транспортерите за глукоза.

Глукозата е поларна молекула и не може ефикасно да поминува низ липидниот двослој. Затоа се користат специфични транспортни протеини. GLUT1 овозможува базален внес на глукоза во многу ткива, GLUT2 учествува во транспортот во црниот дроб и други органи, додека GLUT4 е особено важен во скелетните мускули и масното ткиво.

Инсулинот го стимулира преместувањето на GLUT4 од интрацелуларните везикули кон клеточната мембрана, со што се зголемува внесувањето на глукоза во клетките.

Карактеристики на олеснетата дифузија

Не троши директно ATP.

Се одвива по концентрациониот или електрохемискиот градиент.

Покажува специфичност за одредена супстанција.

Може да биде заситлива поради ограничениот број транспортни протеини.

Може да подлежи на конкуренција меѓу молекули со слична структура.

4. ОСМОЗА

4.1. Дефиниција

Осмозата е пасивно движење на водата низ селективно пропустлива мембрана од област со пониска концентрација на осмотски активни честички кон област со повисока концентрација на осмотски активни честички.

Поедноставно кажано, водата се движи кон страната каде што има поголема концентрација на растворени честички кои не можат слободно да ја преминат мембраната.

Осмозата е еден од најважните механизми за регулирање на волуменот на клетките и распределбата на водата во организмот.

4.2. Осмотски притисок

Осмотскиот притисок е притисокот што треба да се примени за да се спречи нето-движењето на водата низ полупропустлива мембрана поради осмоза.

За разредени идеални раствори се применува Вант Хофовиот закон:

π=iCRT\pi=iCRTπ=iCRT

Каде што:

π\piπ – осмотски притисок.

iii – Вант Хофов фактор.

CCC – моларна концентрација на растворената супстанција.

RRR – гасна константа.

TTT – апсолутна температура во келвини.

Колку е поголем бројот на осмотски активни честички во растворот, толку е поголем неговиот осмотски притисок.

4.3. Осмоларност и осмолалност

Осмоларноста претставува број на осмотски активни честички во еден литар раствор, изразена во mOsm/L.

Осмолалноста претставува број на осмотски активни честички во еден килограм растворувач, најчесто вода, изразена во mOsm/kg.

Во клиничката физиологија, осмолалноста на плазмата е особено значајна.

Нормалната плазматска осмолалност кај возрасни лица е приближно 275–295 mOsm/kg, со одредени лабораториски варијации.

Натриумот и неговите придружни анјони се главни детерминанти на ефективната осмолалност на екстрацелуларната течност.

4.4. Тоничност

Тоничноста ја опишува способноста на растворoт да предизвика промена на волуменот на клетката преку осмотско движење на водата.

За разлика од осмоларноста, тоничноста зависи од концентрацијата на ефективно осмотски активните честички, односно честички кои не можат слободно да ја преминат клеточната мембрана во дадените услови.

Постојат три основни типа раствори:

А. Изотоничен раствор

Изотоничен раствор има ефективна осмотска концентрација приближно еднаква на онаа во клетката.

Водата се движи во двата правца со приближно еднаква брзина, без нето-промена на клеточниот волумен.

Пример: 0,9% NaCl е приближно изотоничен со крвната плазма.

Еритроцитите ја задржуваат својата нормална биконкавна форма.

Б. Хипотоничен раствор

Хипотоничниот раствор има пониска ефективна концентрација на растворени честички од интрацелуларната течност.

Водата навлегува во клетката, што предизвикува нејзино зголемување на волуменот.

Кај еритроцитите, прекумерниот внес на вода може да доведе до хемолиза, односно пукање на клеточната мембрана и ослободување на хемоглобинот.

В. Хипертоничен раствор

Хипертоничниот раствор има повисока ефективна концентрација на растворени честички од интрацелуларната течност. Водата излегува од клетката, предизвикувајќи намалување на нејзиниот волумен. Кај еритроцитите се појавува кренација – карактеристичен збрчкан изглед на клетките.

4.5. Осмоза преку аквапорини

Аквапорините се специјализирани мембрански протеини кои овозможуваат брзо и селективно преминување на водата низ клеточната мембрана. Особено се значајни во:

• Бубрежните тубули и собирните каналчиња.
• Еритроцитите.
• Централниот нервен систем.
• Епителните клетки на различни органи.

Во бубрезите, антидиуретскиот хормон (ADH, вазопресин) го зголемува вградувањето на аквапорин-2 во апикалната мембрана на клетките во собирните каналчиња. На тој начин се зголемува реапсорпцијата на вода, се намалува волуменот на урината и се овозможува нејзино концентрирање.

4.6. Физиолошко значење на осмозата

Осмозата е неопходна за:

• Одржување на нормален клеточен волумен.
• Регулација на распределбата на водата меѓу интрацелуларниот и екстрацелуларниот простор.
• Реапсорпција на вода во бубрезите.
• Апсорпција на вода во дигестивниот тракт.
• Одржување на нормалната форма и функција на еритроцитите.
• Регулација на осмолалноста на крвната плазма.

Клинички, нарушувањата на осмотската рамнотежа може да предизвикаат клеточен едем или дехидратација, а особено се значајни за функционирањето на мозочните клетки.

5. ФИЛТРАЦИЈА

5.1. Дефиниција

Филтрацијата е процес на движење на вода и мали растворени материи низ порозна мембрана под дејство на разлика во хидростатскиот притисок. За разлика од дифузијата, која се движи според концентрациониот градиент, филтрацијата е предизвикана од разликата во притисокот. При филтрација, водата може да носи со себе мали растворени молекули, додека поголемите молекули и клетките се задржуваат во зависност од пропустливоста на мембраната.

5.2. Филтрација во капиларите

Во крвните капилари, хидростатскиот притисок на крвта ја поттикнува водата и малите растворени материи да преминуваат од капиларите кон интерстицијалниот простор. Наспроти него дејствува колоидно-осмотскиот притисок, кој главно се создава од плазматските протеини, особено албуминот, и ја задржува водата во крвните садови. Современото разбирање на Старлинговите сили ја вклучува и улогата на ендотелниот гликокаликс и субгликокаликсниот простор во регулацијата на течносната размена.

Поедноставено, движењето на течноста може да се претстави со равенката:

Jv=Kf[(Pc−Pi)−σ(πc−πi)]J_v=K_f[(P_c-P_i)-\sigma(\pi_c-\pi_i)]Jv​=Kf​[(Pc​−Pi​)−σ(πc​−πi​)]

Каде што:

JvJ_vJv​ – нето-проток на течност.

KfK_fKf​ – коефициент на филтрација.

PcP_cPc​ – хидростатски притисок во капиларот.

PiP_iPi​ – интерстицијален хидростатски притисок.

πc\pi_cπc​ – колоидно-осмотски притисок на плазмата.

πi\pi_iπi​ – колоидно-осмотски притисок на интерстицијалната течност.

σ\sigmaσ – коефициент на рефлексија на протеините.

5.3. Филтрација во бубрезите

Гломеруларната филтрација е основен процес во создавањето на урината. Крвта пристигнува во гломерулот преку аферентната артериола. Поради релативно високиот хидростатски притисок во гломеруларните капилари, водата и малите растворени молекули преминуваат низ филтрациската бариера во Боумановата капсула. Филтратот содржи вода, глукоза, аминокиселини, електролити, уреа и други мали молекули, додека крвните клетки и најголемиот дел од плазматските протеини се задржуваат во циркулацијата. Нормалната гломеруларна филтрација кај здрав возрасен човек е приближно 125 mL/min, односно околу 180 L дневно, со варијации зависни од возраста, полот, телесната површина и физиолошката состојба. Поголемиот дел од филтрираната вода и корисните материи повторно се реапсорбираат во бубрежните тубули.

5.4. Разлика меѓу дифузија, осмоза и филтрација

6. АКТИВЕН ТРАНСПОРТ

Активниот транспорт претставува пренос на супстанции низ клеточната мембрана против нивниот концентрационен или електрохемиски градиент, при што процесот е енергетски поврзан со хемиска енергија или со движење на друга супстанција по нејзиниот градиент. За разлика од пасивниот транспорт, активниот транспорт овозможува клетката да создава и одржува концентрациони разлики меѓу интрацелуларната и екстрацелуларната средина. Овие разлики се неопходни за нервната спроводливост, мускулната контракција, клеточниот метаболизам и транспортот на хранливи материи. Постојат два главни вида:

• Примарен активен транспорт.
• Секундарен активен транспорт.

7. ПРИМАРЕН АКТИВЕН ТРАНСПОРТ

7.1. Дефиниција

Примарниот активен транспорт е процес при кој транспортниот протеин директно ја користи енергијата од хидролизата на ATP за пренос на супстанции против нивниот електрохемиски градиент. Овие транспортни протеини се нарекуваат ATP-ази или пумпи.

7.2. Натриум-калиумова пумпа (Na⁺/K⁺-ATPаза)

Натриум-калиумовата пумпа е еден од најзначајните мембрански транспортни механизми во човечкиот организам. Се наоѓа во плазматската мембрана на речиси сите животински клетки. За секоја молекула ATP што се хидролизира, пумпата:

• Пренесува 3 Na⁺ јони од клетката кон екстрацелуларниот простор.
• Внесува 2 K⁺ јони од екстрацелуларниот простор во клетката.

Овој процес се одвива против електрохемиските градиенти на двата јона.

Механизам на дејствување

Три натриумови јони се врзуваат за пумпата од интрацелуларната страна. ATP се хидролизира и пумпата се фосфорилира. Промената на конформацијата овозможува ослободување на Na⁺ надвор од клетката. Два калиумови јони се врзуваат од екстрацелуларната страна. Дефосфорилацијата ја враќа пумпата во почетната конформација. K⁺ се ослободува во цитоплазмата.

7.3. Физиолошки функции на Na⁺/K⁺-ATPазата

1. Одржување на јонските градиенти

Интрацелуларната концентрација на K⁺ е висока, а на Na⁺ ниска, во споредба со екстрацелуларната течност.

2. Одржување на мембранскиот потенцијал

Пумпата е електрогена бидејќи изнесува три позитивни полнежи, а внесува два. Таа директно придонесува за негативноста на внатрешноста на клетката, иако најголем дел од потенцијалот на мирување се должи на селективната пропустливост на мембраната за јони, особено K⁺.

3. Регулација на клеточниот волумен

Со одржување на ниска интрацелуларна концентрација на Na⁺, пумпата го ограничува осмотскиот внес на вода и спречува прекумерно отекување на клетката.

4. Поддршка на секундарниот активен транспорт

Градиентот на Na⁺ создаден од пумпата се користи за внесување на глукоза, аминокиселини и други супстанции.

5. Нервна и мускулна функција

Пумпата ги одржува јонските градиенти неопходни за создавање и обновување на акционите потенцијали.

7.4. Калциумова пумпа (Ca²⁺-ATPаза)

Калциумовите пумпи овозможуваат активно отстранување на Ca²⁺ од цитоплазмата.

Најважни се:

PMCA – пумпа која го исфрла Ca²⁺ од клетката.

SERCA – пумпа која го внесува Ca²⁺ во саркоплазматскиот ретикулум во мускулните клетки.

Во скелетните мускули, SERCA е неопходна за релаксација. По мускулната контракција, Ca²⁺ се враќа во саркоплазматскиот ретикулум, што овозможува прекин на интеракцијата меѓу актинските и миозинските филаменти.

7.5. Протонска пумпа (H⁺/K⁺-ATPаза)

Протонската пумпа во париеталните клетки на желудникот учествува во лачењето на хлороводородна киселина. Таа разменува H⁺ и K⁺ преку апикалната мембрана на клетката. Овој механизам е фармаколошка цел на инхибиторите на протонската пумпа, како омепразол и пантопразол, кои ја намалуваат желудочната секреција на киселина.

8. СЕКУНДАРЕН АКТИВЕН ТРАНСПОРТ

8.1. Дефиниција

Секундарниот активен транспорт е механизам при кој транспортот на една супстанција против нејзиниот електрохемиски градиент е поврзан со движењето на друга супстанција по нејзиниот електрохемиски градиент. За разлика од примарниот активен транспорт, транспортниот протеин не ја хидролизира директно ATP за секој циклус на транспорт. Енергијата потекнува индиректно од градиентот на јони, најчесто Na⁺, кој претходно е создаден со дејството на Na⁺/K⁺-ATPазата.

8.2. Симпорт (котранспорт)

Симпортот претставува истовремено движење на две или повеќе супстанции во иста насока низ мембраната. Пример: натриум-глукозен котранспортер (SGLT).

Во тенкото црево, глукозата се внесува во ентероцитите преку натриум-глукозен котранспортер. Na⁺ се движи во клетката по својот електрохемиски градиент и овозможува истовремен внес на глукоза, дури и кога концентрацијата на глукоза во клетката е повисока. Потоа глукозата излегува од ентероцитот кон крвта преку GLUT транспортери, додека Na⁺ се исфрла преку Na⁺/K⁺-ATPазата. Овој механизам е основа на оралната рехидратациска терапија, при која заедничкото внесување глукоза и натриум ја подобрува апсорпцијата на вода во цревата.

8.3. Антипорт (контратранспорт)

Антипортот претставува транспорт на две супстанции во спротивни насоки преку истиот транспортен протеин. Пример: Na⁺/Ca²⁺-изменувач

Na⁺/Ca²⁺-изменувачот користи влез на Na⁺ по неговиот електрохемиски градиент за да овозможи изнесување на Ca²⁺ од клетката. Во типичниот режим, три Na⁺ јони влегуваат во клетката, додека еден Ca²⁺ јон се исфрла надвор. Овој механизам е особено важен за регулација на концентрацијата на калциум во кардиомиоцитите и другите клетки.

8.4. Разлика меѓу симпорт и антипорт

9. ВЕЗИКУЛАРЕН ТРАНСПОРТ

Везикуларниот транспорт претставува пренос на големи молекули, макромолекуларни комплекси или честички преку мембрански везикули. Овие процеси вклучуваат формирање, движење и спојување на везикули со клеточната мембрана или со интрацелуларни органели. Везикуларниот транспорт бара енергија и учество на специфични мембрански и цитоскелетни протеини.

Главни форми се:

• Ендоцитоза.
• Пиноцитоза.
• Фагоцитоза.
• Рецептор-посредувана ендоцитоза.
• Егзоцитоза.
• Трансцитоза.

10. ЕНДОЦИТОЗА

10.1. Дефиниција

Ендоцитозата е процес на внесување материи во клетката преку вовлекување на плазматичната мембрана и формирање интрацелуларни везикули. При овој процес, дел од клеточната мембрана ја обвиткува материјата што треба да се внесе, потоа се одвојува и формира везикула во цитоплазмата. Ендоцитозата е важна за внесување хранливи материи, одбрана од патогени микроорганизми, рециклирање мембрански рецептори и регулација на клеточната сигнализација.

11. ПИНОЦИТОЗА

11.1. Дефиниција

Пиноцитозата е форма на ендоцитоза при која клетката внесува екстрацелуларна течност и супстанции растворени во неа преку формирање мали мембрански везикули. Називот потекнува од грчките зборови pino – пијам и kytos – клетка, поради што пиноцитозата често се нарекува „клеточно пиење“.

11.2. Механизам

Клеточната мембрана се вовлекува кон цитоплазмата. Се формира вдлабнатина која содржи екстрацелуларна течност. Вдлабнатината се затвора и се одвојува како везикула. Везикулата навлегува во цитоплазмата. Нејзината содржина може да се пренесе до ендозоми или лизозоми за понатамошна обработка.

11.3. Физиолошко значење

Пиноцитозата учествува во:

• Внесување растворени материи.
• Обновување на клеточната мембрана.
• Транспорт на течности и молекули во ендотелните клетки.
• Пренос на одредени макромолекули.
• Клеточна сигнализација и рециклирање на рецептори.

Пиноцитозата може да биде релативно неспецифична, но постојат и селективни форми на внесување течности и растворени материи.

12. ФАГОЦИТОЗА

12.1. Дефиниција

Фагоцитозата е форма на ендоцитоза при која специјализирани клетки внесуваат големи честички, микроорганизми, клеточни остатоци и други цврсти материјали. Се нарекува и „клеточно јадење“.

12.2. Клетки што вршат фагоцитоза

Најважни фагоцитни клетки во човечкиот организам се: макрофаги, неутрофилни гранулоцити, моноцити, одредени дендритични клетки.

12.3. Фази на фагоцитозата

Прва фаза – препознавање и прилепување

Фагоцитната клетка го препознава микроорганизмот или честичката преку рецептори. Процесот може да биде олеснет со опсонизација, при што антитела или компоненти на комплементот се врзуваат за целта.

Втора фаза – опфаќање

Клетката формира цитоплазматски продолжетоци наречени псевдоподии, кои ја опфаќаат честичката.

Трета фаза – формирање фагозом

Честичката се затвора во мембранска везикула наречена фагозом.

Четврта фаза – спојување со лизозом

Фагозомот се спојува со лизозом и формира фаголизозом.

Петта фаза – дигестија

Ензимите и реактивните кислородни соединенија учествуваат во уништување и разградување на внесениот материјал.

Шеста фаза – отстранување на остатоците

Несварените материи може да бидат исфрлени од клетката или дел од нив да бидат обработени и презентирани како антигени.

12.4. Физиолошко значење

Фагоцитозата е основен механизам на вродениот имунитет. Таа овозможува: уништување бактерии и други патогени, отстранување мртви клетки, отстранување клеточни остатоци, учество во воспалителниот одговор. Презентација на антигени и поврзување на вродениот со адаптивниот имунитет.

13. РЕЦЕПТОР-ПОСРЕДУВАНА ЕНДОЦИТОЗА

Рецептор-посредуваната ендоцитоза е селективен механизам за внесување специфични молекули во клетката. Материјата најпрво се врзува за специфичен рецептор на клеточната мембрана, по што се формира мембранска вдлабнатина и везикула. Еден од најпознатите примери е внесувањето на LDL-честичките, кои го пренесуваат холестеролот во крвта.

Механизам на внесување LDL

LDL се врзува за LDL-рецепторот на клеточната мембрана. Комплексот се концентрира во специјализирани мембрански вдлабнатини. Се формира везикула обложена со клатрин. Везикулата се одвојува од мембраната и се пренесува во клетката. LDL се одвојува од рецепторот во ендозомот. Рецепторот може да се рециклира назад кон клеточната мембрана. LDL се насочува кон лизозомите, каде што се разградува и се ослободува холестеролот. Овој механизам е важен за клеточното снабдување со холестерол, кој е неопходен за синтеза на мембрани и стероидни хормони.

14. ЕГЗОЦИТОЗА

14.1. Дефиниција

Егзоцитозата е процес на ослободување материи од клетката преку спојување на интрацелуларни везикули со плазматичната мембрана. При овој процес, мембраната на везикулата се спојува со клеточната мембрана, а нејзината содржина се ослободува во екстрацелуларниот простор. Егзоцитозата е особено важна за секреција на хормони, невротрансмитери, ензими и други биолошки активни супстанции.

14.2. Механизам на егзоцитоза

Процесот опфаќа неколку последователни фази:

• Синтеза и пакување на материјата во секреторни везикули.
• Транспорт на везикулите кон плазматичната мембрана.
• Приближување и докирање на везикулите.
• Подготовка за спојување на мембраните.
• Спојување на мембраните со учество на SNARE-протеини.
• Ослободување на содржината во екстрацелуларниот простор.
• Рециклирање на мембранските компоненти.

Кај регулираната егзоцитоза, зголемувањето на интрацелуларниот Ca²⁺ често претставува непосреден сигнал за спојување на везикулите.

14.3. Видови егзоцитоза

А. Конститутивна егзоцитоза

Се одвива континуирано во многу клетки, без потреба од специфичен надворешен стимул.

Нејзини функции се:

• Обновување на плазматичната мембрана.
• Внесување мембрански протеини и липиди.
• Секреција на компоненти на екстрацелуларниот матрикс.
• Одржување на клеточната површина.

Б. Регулирана егзоцитоза

Се активира како одговор на специфичен сигнал, најчесто зголемување на интрацелуларниот Ca²⁺. Примери: Ослободување невротрансмитери во синапсите, Секреција на инсулин од β-клетките на панкреасот, Ослободување катехоламини од надбубрежната срцевина, Секреција на дигестивни ензими од панкреасот.

14.4. Егзоцитоза и нервна спроводливост

Кога акциониот потенцијал ќе пристигне до пресинаптичниот нервен завршеток, се отвораат напонски зависни Ca²⁺ канали. Калциумот навлегува во нервниот завршеток и ја активира егзоцитозата на синаптичките везикули. Невротрансмитерите се ослободуваат во синаптичката пукнатина, дифундираат до постсинаптичната мембрана и се врзуваат за специфични рецептори. 

На тој начин се овозможува пренос на информацијата од еден неврон на друг или од неврон кон мускулна клетка. Овој процес е основа на функционирањето на нервниот систем.

15. ТРАНСЦИТОЗА

Трансцитозата е процес при кој материите се внесуваат во клетката од едната страна преку ендоцитоза, се пренесуваат низ цитоплазмата во везикули и се ослободуваат на спротивната страна преку егзоцитоза. Овој механизам е значаен кај епителните и ендотелните клетки. Примери:

• Транспорт на одредени протеини преку ендотелот.
• Пренос на антитела преку специјализирани епителни клетки.
• Транспорт на макромолекули низ цревниот епител.
• Пренос на материи преку крвно-мозочната бариера, во рамките на строго регулирани механизми.
• Трансцитозата овозможува пренос на материи низ клетката без тие слободно да поминуваат низ цитоплазмата.

16. ЈОНСКИ КАНАЛИ И НИВНАТА УЛОГА ВО ЕЛЕКТРИЧНАТА АКТИВНОСТ НА КЛЕТКИТЕ

Јонските канали се мембрански протеини кои овозможуваат селективно движење на јони според нивниот електрохемиски градиент. Тие се од суштинско значење за електричната активност на нервните и мускулните клетки.

16.1. Електрохемиски градиент

Движењето на јоните зависи од два фактори:

• Концентрационен градиент – разликата во концентрацијата на јонот од двете страни на мембраната.
• Електричен градиент – привлекување или одбивање на јоните од електричното поле.

Комбинацијата на овие сили се нарекува електрохемиски градиент.

16.2. Мембрански потенцијал на мирување

Мембранскиот потенцијал на мирување е разликата во електричниот потенцијал меѓу внатрешната и надворешната страна на мембраната кога клетката не генерира акционен потенцијал. Кај типичен неврон изнесува приближно −70 mV, додека кај скелетните мускулни влакна е приближно −90 mV. Овој потенцијал е резултат на:

• Нееднаква распределба на јоните.
• Селективна пропустливост на мембраната.
• Пропустливост за K⁺ преку канали за истекување.
• Активноста на Na⁺/K⁺-ATPазата.

16.3. Акционен потенцијал

Акциониот потенцијал е брза, краткотрајна промена на мембранскиот потенцијал која овозможува пренесување на електрични сигнали. Неговите основни фази се:

• Мирување.
• Деполаризација – брз влез на Na⁺ во клетката.
• Реполаризација – излез на K⁺ од клетката.
• Краткотрајна хиперполаризација кај многу клетки.
• Враќање кон потенцијалот на мирување.
• Активноста на јонските канали е непосредно одговорна за овие промени, додека Na⁺/K⁺-ATPазата долгорочно ги одржува концентрационите градиенти.

17. СПОРЕДБА НА СИТЕ ГЛАВНИ ТРАНСПОРТНИ МЕХАНИЗМИ

18.2. Мускулен систем

Во мускулните клетки транспортните механизми овозможуваат:

Внесување на Ca²⁺ во цитоплазмата за започнување на контракцијата.

Враќање на Ca²⁺ во саркоплазматскиот ретикулум за релаксација.

Одржување на јонските градиенти.

Внесување глукоза и други енергетски супстрати.

18.3. Дигестивен систем

Епителните клетки на тенкото црево користат:

Олеснета дифузија за транспорт на одредени хранливи материи.

Секундарен активен транспорт за апсорпција на глукоза и аминокиселини.

Осмоза за движење на вода.

Ендоцитоза за внесување одредени макромолекули.

18.4. Бубрежен систем

Бубрезите се органи во кои речиси сите главни транспортни механизми имаат значајна улога.

Преку филтрација, реапсорпција и секреција се регулираат:

• Водата.
• Натриумот.
• Калиумот.
• Калциумот.
• Бикарбонатите.
• Глукозата.
• Киселинско-базната рамнотежа.

18.5. Ендокрин систем

Егзоцитозата е основен механизам за ослободување на пептидните хормони, како инсулин, глукагон и хормон за раст.

Транспортните протеини и мембранските рецептори, пак, овозможуваат клетките да одговорат на хормоналните сигнали.

19. КЛИНИЧКИ ПРИМЕРИ ЗА НАРУШУВАЊЕ НА КЛЕТОЧНИОТ ТРАНСПОРТ

19.1. Цистична фиброза

Цистичната фиброза е наследно заболување поврзано со мутации во генот CFTR, кој кодира мембрански канал за хлоридни и бикарбонатни јони. Нарушената функција на CFTR доведува до промени во транспортот на јони и вода преку епителните површини, што придонесува за создавање густ секрет во дишните патишта и други органи.

19.2. Орална рехидратациска терапија

Оралната рехидратациска терапија се базира на зачуваната функција на натриум-глукозниот котранспорт во тенкото црево. Дури и при многу форми на дијареја, SGLT1 продолжува да овозможува апсорпција на Na⁺ и глукоза, а водата следи осмотски. Поради тоа, правилно формулираниот раствор за орална рехидратација помага во надоместување на изгубените вода и електролити.

19.3. Нарушување на Na⁺/K⁺-ATPазата

Инхибицијата на натриум-калиумовата пумпа предизвикува нарушување на јонските градиенти, зголемување на интрацелуларниот Na⁺ и промени во транспортот на Ca²⁺. Срцевиот гликозид дигоксин ја инхибира Na⁺/K⁺-ATPазата во кардиомиоцитите, што индиректно ја зголемува интрацелуларната концентрација на Ca²⁺ и ја засилува контрактилноста на срцето.

19.4. Церебрален едем и осмотска рамнотежа

Промените во плазматската осмолалност влијаат врз волуменот на мозочните клетки. Наглото намалување на плазматската осмолалност може да предизвика навлегување вода во клетките и церебрален едем. Од друга страна, изразената хиперосмолалност може да доведе до губење вода од мозочните клетки и нивно смалување. Ова е причина корекцијата на значајни нарушувања на натриумот да се спроведува контролирано, според клиничката состојба.

20. ЗАКЛУЧОК

Клеточниот транспорт претставува фундаментален физиолошки процес кој ја овозможува размената на материи меѓу клетката и нејзината околина. Пасивниот транспорт овозможува движење на молекули и вода според физичките градиенти, без директна потрошувачка на ATP. Активниот транспорт користи енергија за создавање и одржување на концентрациони разлики, додека везикуларниот транспорт овозможува внесување и ослободување на поголеми молекули и честички. Овие механизми не функционираат изолирано. Напротив, тие се тесно поврзани и заеднички ја одржуваат клеточната хомеостаза. Разбирањето на нивните принципи е неопходно за понатамошно изучување на физиологијата на органските системи, патофизиологијата и дејството на многу лекови.

ФИЗИОЛОГИЈА НА КЛЕТКАТА И КЛЕТОЧНА ОРГАНИЗАЦИЈА

1. Вовед во клеточната физиологија

Клетката претставува основна структурна, функционална, генетска и развојна единица на сите живи организми. Таа е најмалата биолошка единица способна самостојно да ги извршува основните животни процеси, вклучувајќи метаболизам, раст, синтеза на биомолекули, одржување на внатрешната средина, одговор на надворешни стимули и размножување.

Човечкиот организам е сложен биолошки систем изграден од трилиони клетки кои меѓусебно комуницираат, соработуваат и се организираат во ткива, органи и органски системи. Иако клетките во организмот имаат различна форма, големина и функција, тие поседуваат заедничка основна организација.

Клеточната физиологија ја проучува функцијата на клетките, механизмите преку кои тие ја одржуваат својата животна активност, размената на материи и енергија, електричните и хемиските процеси, клеточната сигнализација, растот, диференцијацијата и клеточната смрт.

Разбирањето на клеточната физиологија е основа за изучување на физиологијата на ткивата, органите и органските системи. На пример, нервниот импулс е резултат на промените во пропустливоста на клеточната мембрана за јони, мускулната контракција зависи од интеракцијата на актинските и миозинските филаменти, а секрецијата на хормоните е поврзана со активноста на специфични клеточни органели.

Основни карактеристики на живата клетка

Секоја функционална клетка поседува неколку основни својства:

1. Метаболизам – збир на сите хемиски реакции во клетката, вклучувајќи анаболизам и катаболизам.
2. Раздразливост – способност да реагира на физички, хемиски и механички стимули.
3. Хомеостаза – одржување релативно стабилна внатрешна средина.
4. Раст и развој – зголемување на клеточната маса и стекнување специјализирани функции.
5. Репродукција – создавање нови клетки преку клеточна делба.
6. Диференцијација – процес преку кој клетките стекнуваат специфична структура и функција.
7. Клеточна комуникација – размена на информации со други клетки преку хемиски и електрични сигнали.
8. Адаптација – приспособување кон промените во надворешната и внатрешната средина.

2. Клеточна организација

Клетката е организирана во функционално поврзани структурни компоненти кои овозможуваат извршување на сложени биолошки процеси. Типичната човечка еукариотска клетка се состои од:

Клеточна мембрана.

• Цитоплазма.
• Цитозол.
• Клеточни органели.
• Цитоскелет.
• Јадро.
• Генетски материјал – ДНК.

2.1. Клеточна теорија

Клеточната теорија е една од основните теории на современата биологија. Нејзините основни принципи се:

• Сите живи организми се изградени од една или повеќе клетки.
• Клетката е основна структурна и функционална единица на животот.
• Сите клетки настануваат од претходно постоечки клетки преку клеточна делба.
• Наследниот материјал се пренесува од клетка на клетка.
• Основните метаболички процеси се одвиваат во клетките.

Современото разбирање на клеточната теорија ја нагласува и улогата на клетките во преносот на генетските информации, енергетската трансформација и одржувањето на биолошката континуираност.

2.2. Големина и форма на клетките

Повеќето човечки клетки имаат големина од приближно 10 до 30 микрометри (μm), иако постојат значителни разлики. Примери:

• Еритроцит: приближно 7–8 μm во дијаметар.
• Лимфоцит: приближно 7–15 μm.
• Неврон: клеточното тело може да има големина од 10–100 μm, додека неговиот аксон може да достигне должина поголема од еден метар.
• Јајце-клетка: приближно 100–120 μm во дијаметар.
• Скелетно-мускулно влакно: може да биде долго неколку сантиметри.

Формата на клетката е тесно поврзана со нејзината функција. На пример, нервните клетки имаат издолжени продолжетоци за пренос на информации, еритроцитите имаат биконкавна форма за ефикасна размена на гасови, а епителните клетки се приспособени за заштита, апсорпција или секреција.

3. Клеточна мембрана

Клеточната мембрана, позната и како плазматична мембрана, е тенка, динамична и селективно пропустлива структура која ја обвива клетката и ја одделува нејзината внатрешност од екстрацелуларната средина. Нејзината дебелина изнесува приближно 7–10 nm. Мембраната не претставува само пасивна бариера, туку е активна функционална структура која учествува во транспортот на материи, клеточната комуникација, препознавањето на сигнали, одржувањето на мембранскиот потенцијал и регулацијата на клеточната хомеостаза.

3.1. Хемиски состав на клеточната мембрана

Клеточната мембрана е составена од три главни групи молекули: липиди, протеини, јаглехидрати.

А. Фосфолипиди

Фосфолипидите се основните структурни компоненти на мембраната. Тие имаат амфифилна структура, што значи дека содржат: хидрофилен дел – поларна глава која има афинитет кон водата. Хидрофобен дел – две масни киселински опашки кои ја избегнуваат водата. Во водна средина фосфолипидите спонтано формираат двоен липиден слој, при што хидрофилните глави се ориентирани кон екстрацелуларната и интрацелуларната течност, а хидрофобните опашки се свртени една кон друга. Оваа организација создава бариера за слободното поминување на повеќето поларни молекули и јони.

Б. Холестерол

Холестеролот е важна компонента на мембраните на животинските клетки. Тој се вметнува меѓу фосфолипидите и влијае врз: флуидноста на мембраната, механичката стабилност, пропустливоста, организацијата на мембранските микродомени. Холестеролот ја ограничува прекумерната подвижност на фосфолипидите при повисоки температури и спречува прекумерно згуснување на мембраната при пониски температури.

В. Мембрански протеини

Мембранските протеини имаат различни функционални улоги. Интегрални протеини се вградени во липидниот двоен слој. Некои од нив целосно ја преминуваат мембраната и се нарекуваат трансмембрански протеини. Периферни протеини се поврзани со внатрешната или надворешната површина на мембраната.

Функции на мембранските протеини:

• Транспорт на јони и молекули.
• Рецепција на хормони и невротрансмитери.
• Ензимска активност.
• Клеточна адхезија.
• Препознавање на клетки.
• Поврзување со цитоскелетот.
• Пренос на сигнали во клетката.

Г. Мембрански јаглехидрати

Јаглехидратите се поврзани со протеини и липиди, формирајќи гликопротеини и гликолипиди. Тие се наоѓаат претежно на надворешната површина на мембраната и го формираат гликокаликсот. Гликокаликсот учествува во клеточното препознавање, адхезијата, имунолошката идентификација и заштитата на клеточната површина.

3.2. Модел на течен мозаик

Според моделот на течен мозаик, мембраната претставува динамичен липиден двоен слој во кој се вградени различни протеини. Липидите и голем дел од протеините можат да се движат странично во рамките на мембраната. Оваа подвижност овозможува мембраната да биде флексибилна, адаптивна и функционално активна.

3.3. Основни функции на клеточната мембрана

Раздвојување на интрацелуларната и екстрацелуларната средина. Селективна регулација на транспортот на материи. Одржување на јонските концентрации. Создавање и одржување на мембранскиот потенцијал. Примање и пренесување сигнали. Клеточно препознавање. Меѓуклеточна адхезија. Учествување во ендоцитоза и егзоцитоза. Одржување на клеточната форма преку интеракција со цитоскелетот.

4. Транспорт низ клеточната мембрана

Транспортот низ клеточната мембрана е еден од најважните физиолошки процеси. Тој овозможува внесување хранливи материи, кислород и јони, како и отстранување на метаболичките продукти. Транспортните механизми се поделени на пасивен и активен транспорт.

4.1. Пасивен транспорт

Пасивниот транспорт се одвива без директна потрошувачка на клеточна енергија во форма на ATP. Супстанциите се движат според својот концентрационен или електрохемиски градиент.

Проста дифузија

Дифузијата е спонтано движење на молекулите од област со повисока кон област со пониска концентрација. Преку липидниот двоен слој лесно поминуваат: Кислород (O₂), Јаглерод диоксид (CO₂), мали липофилни молекули, одредени стероидни хормони.

Олеснетата дифузија се одвива со посредство на мембрански протеини, без директна потрошувачка на ATP. Таа може да се реализира преку: каналски протеини и носачи (транспортери). Пример е внесувањето гликоза во многу клетки преку GLUT-транспортери.

Осмозата е движење на водата низ селективно пропустлива мембрана во насока кон средина со повисока ефективна концентрација на непроникливи растворени честички. Осмозата е особено важна за регулирање на клеточниот волумен. Кога клетката се наоѓа во хипотонична средина, водата навлегува во неа и таа може да отече. Во хипертонична средина, водата излегува од клетката, што доведува до нејзино смалување.

4.2. Активен транспорт

Активниот транспорт овозможува движење на супстанции спротивно на нивниот концентрационен или електрохемиски градиент. Примарен активен транспорт директно користи енергија од ATP. Најзначаен пример е натриум-калиумовата пумпа (Na⁺/K⁺-ATPаза).

При еден циклус на работа:

• 3 Na⁺ јони се исфрлаат надвор од клетката.
• 2 K⁺ јони се внесуваат во клетката.
• Се хидролизира една молекула ATP.

Оваа пумпа има суштинско значење за:

• Одржување на концентрационите градиенти на Na⁺ и K⁺.
• Одржување на клеточниот волумен.
• Создавање услови за мембранскиот потенцијал.
• Нормална функција на нервните и мускулните клетки.

Секундарен активен транспорт користи енергија складирана во електрохемискиот градиент на друг јон, најчесто Na⁺, кој претходно бил создаден со примарен активен транспорт. Се дели на:

• Симпорт – две супстанции се движат во иста насока.
• Антипорт – две супстанции се движат во спротивни насоки.

Пример е натриум-глукозниот котранспортер во цревниот епител и бубрежните тубули.

4.3. Везикуларен транспорт

Везикуларниот транспорт овозможува пренесување големи молекули, честички и комплекси преку мембраната.

Ендоцитоза – внесување материјал во клетката со формирање мембрански везикули.

Видови:

Фагоцитоза – внесување големи честички, бактерии или клеточни остатоци.

Пиноцитоза – внесување течност и растворени материи.

Рецептор-посредувана ендоцитоза – селективно внесување молекули преку специфични рецептори.

Егзоцитоза – ослободување супстанции од клетката преку спојување на везикулите со плазматичната мембрана.

Примери се ослободувањето на невротрансмитери од нервните завршетоци и секрецијата на инсулин од β-клетките на панкреасот.

5. Цитоплазма

Цитоплазмата е делот од клетката што се наоѓа меѓу плазматичната мембрана и јадрената обвивка. Таа ги опфаќа цитозолот, клеточните органели и цитоскелетот. Цитоплазмата е динамична средина во која се одвиваат голем број метаболички реакции, транспортни процеси, синтеза и разградување на молекули.

5.1. Цитозол

Цитозолот е течниот или гел-сличен дел на цитоплазмата во кој се наоѓаат растворени јони, протеини, метаболити и други молекули. Содржи: вода – главна компонента, јони на Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и Cl⁻, гликоза и други метаболити, аминокиселини, ензими, растворливи протеини, РНК и други биомолекули. Во цитозолот се одвиваат значајни метаболички процеси, како гликолизата, дел од глуконеогенезата и многу реакции на синтеза и разградба на протеини.

5.2. Интрацелуларни инклузии

Во цитоплазмата може да се најдат складирани материи кои не се сметаат за органели. Примери:

• Гликогенски гранули – резервен извор на гликоза.
• Липидни капки – складирање триглицериди.
• Пигменти, како меланин и липофусцин.
• Секреторни гранули.

Овие структури се особено изразени во клетки со специфична метаболичка или секреторна функција.

6. Клеточни органели и нивната физиолошка функција

Клеточните органели се специјализирани структури во цитоплазмата кои извршуваат специфични функции. Тие овозможуваат функционална поделба на клеточните процеси и ја зголемуваат ефикасноста на клеточниот метаболизам.

6.1. Митохондрии

Митохондриите се органели со двојна мембрана кои претставуваат главни места на аеробното производство на ATP во повеќето човечки клетки. Често се нарекуваат „енергетски централи“ на клетката, но нивната улога е многу поширока од производството на енергија.

Митохондријата се состои од:

• Надворешна мембрана.
• Меѓумембрански простор.
• Внатрешна мембрана.
• Кристи – набори на внатрешната мембрана.
• Матрикс.

Внатрешната мембрана содржи протеински комплекси на респираторниот синџир и ATP-синтаза. Митохондриите поседуваат сопствена кружна ДНК, рибозоми и делумно автономен систем за синтеза на протеини. Поголемиот дел од нивните протеини, сепак, се кодирани од нуклеарниот геном.

Функции

• Производство на ATP преку оксидативна фосфорилација.
• Учество во циклусот на лимонска киселина (Кребсов циклус).
• β-оксидација на масните киселини.
• Регулација на клеточната смрт (апоптоза).
• Одржување на клеточната калциумова хомеостаза.
• Создавање реактивни кислородни видови и учество во редокс-сигнализацијата.
• Термогенеза во кафеавото масно ткиво.

Митохондриите се особено бројни во клетки со високи енергетски потреби, како кардиомиоцитите, скелетно-мускулните клетки и многу неврони.

6.2. Ендоплазматичен ретикулум

Ендоплазматичниот ретикулум е мрежа од мембрански канали и цистерни која е функционално и структурно поврзана со јадрената обвивка. Постојат два главни вида: грануларен (рапав) ендоплазматичен ретикулум - на неговата површина се наоѓаат рибозоми, поради што има зрнест изглед. Главни функции:

• Синтеза на протеини наменети за секреција.
• Синтеза на мембрански протеини.
• Синтеза на протеини за лизозомите.
• Почетна модификација и правилно свиткување на протеините.
• Контрола на квалитетот на новосинтетизираните протеини.

Особено е развиен во плазматските клетки, кои создаваат големи количества антитела, и во секреторните клетки на панкреасот.

Агрануларен (мазен) ендоплазматичен ретикулум нема рибозоми на својата површина. Функции:

• Синтеза на липиди и фосфолипиди.
• Синтеза на стероидни хормони.
• Детоксикација на лекови и ксенобиотици.
• Метаболизам на јаглехидрати.
• Складирање и ослободување Ca²⁺.

Во мускулните клетки специјализираната форма на мазниот ендоплазматичен ретикулум се нарекува саркоплазматичен ретикулум. Тој има централна улога во спојувањето на електричната возбуда со мускулната контракција.

6.3. Голџиев апарат

Голџиевиот апарат е мембранска органела составена од сплескани цистерни организирани во функционални групи. Се наоѓа во близина на ендоплазматичниот ретикулум и јадрото. Се разликуваат:

• Cis-страна – прима везикули од ендоплазматичниот ретикулум.
• Медијален регион – врши понатамошна обработка.
• Trans-страна – сортира и испраќа молекули кон нивните целни места.

Функции:

• Модификација на протеините и липидите.
• Гликозилација.
• Сортирање на протеините.
• Пакување во транспортни и секреторни везикули.
• Формирање и функционално насочување на лизозомските ензими.
• Учество во секрецијата.

Голџиевиот апарат е особено развиен во клетките со интензивна секреторна активност.

6.4. Рибозоми

Рибозомите се немембрански клеточни структури составени од рибозомска РНК (rRNA) и протеини. Тие се местото на транслација, односно синтеза на протеини според информацијата содржана во информациската РНК (mRNA). Во човечките клетки цитозолните рибозоми се 80S, составени од: 40S мала субединица и 60S голема субединица. Рибозомите може да бидат: слободни во цитозолот и поврзани со грануларниот ендоплазматичен ретикулум. Слободните рибозоми главно синтетизираат протеини кои функционираат во цитозолот, јадрото, митохондриите и некои други интрацелуларни структури. Рибозомите поврзани со ендоплазматичниот ретикулум синтетизираат протеини наменети за секреција, мембраните и ендомембранскиот систем.

6.5. Лизозоми

Лизозомите се мембрански органели кои содржат хидролитички ензими способни да разградуваат различни биолошки макромолекули. Внатрешноста на лизозомите има кисела средина, со pH приближно 4,5–5, која се одржува со активен транспорт на протони. Функции:

• Разградување на протеини.
• Разградување на липиди и јаглехидрати.
• Разградување на нуклеински киселини.
• Дигестија на внесени микроорганизми.
• Отстранување оштетени клеточни компоненти.
• Автофагија и рециклирање на клеточни структури.

Лизозомите се важни за клеточната одбрана, обновувањето на органелите и одржувањето на интрацелуларната хомеостаза.

6.6. Пероксизоми

Пероксизомите се мали мембрански органели кои содржат оксидативни ензими. Нивните функции вклучуваат:

• β-оксидација на многу долгосинџирни масни киселини.
• Разградување на водороден пероксид (H₂O₂).
• Детоксикација на одредени соединенија.
• Синтеза на плазмалогени, важни компоненти на мембраните, особено во нервното ткиво.

Ензимот каталаза го разградува водородниот пероксид на вода и кислород, со што се ограничува неговото потенцијално штетно дејство.

6.7. Центрозом и центриоли

Центрозомот е главниот центар за организација на микротубулите во многу животински клетки. Обично содржи два центриоли поставени приближно под прав агол еден во однос на друг, опкружени со перицентриоларен материјал. Функции:

• Организација на микротубулите.
• Формирање на делбеното вретено.
• Учествување во правилната распределба на хромозомите при клеточната делба.
• Организација на клеточната поларност.
• Центриолите учествуваат и во формирањето на базалните телца на цилиите и флагелите.

6.8. Цитоскелет

Цитоскелетот претставува динамична мрежа од протеински филаменти која ја одржува клеточната форма и овозможува движење, транспорт и механичка стабилност. Се состои од три главни компоненти:

А. Микрофиламенти

Изградени претежно од актин. Функции:

• Клеточна контракција.
• Клеточно движење.
• Формирање на клеточни продолжетоци.
• Цитокинеза.
• Поддршка на микровилите.

Б. Интермедиерни филаменти

Обезбедуваат механичка цврстина и отпорност на клетките. Примери: кератини во епителните клетки. Дезмин во мускулните клетки. Неврофиламенти во невроните. Ламини во јадрената ламина.

В. Микротубули

Изградени од α- и β-тубулин. Функции:

• Интрацелуларен транспорт.
• Организација на органелите.
• Формирање на делбеното вретено.
• Градба на цилии и флагели.
• Одржување на клеточната организација.
• Моторните протеини кинезин и динеин овозможуваат транспорт на везикули и органели долж микротубулите.

6.9. Цилии и флагели

Цилиите и флагелите се специјализирани клеточни продолжетоци изградени од микротубули. Подвижните цилии овозможуваат движење на течности и честички по површината на клетките. Пример се цилиите на респираторниот епител, кои ја придвижуваат слузта и заробените честички кон фаринксот. Примарната цилија најчесто е неподвижна и функционира како клеточна сензорна структура, учествувајќи во механичка и хемиска сигнализација. Флагелумот кај човекот е присутен кај сперматозоидот и овозможува негово движење.

7. Клеточно јадро

Јадрото е најголемата мембранска органела во повеќето човечки клетки и претставува главен центар за складирање и регулација на генетската информација. Тоа ја содржи најголемата количина од клеточната ДНК и ја контролира експресијата на гените, синтезата на РНК, клеточниот раст, диференцијацијата и делбата. Јадрото најчесто има сферична или овална форма, но неговата морфологија варира зависно од клеточниот тип.

7.1. Структура на јадрото

Јадрото се состои од: јадрена обвивка, јадрени пори, нуклеоплазма, хроматин, јадренце, јадрена ламина.

Јадрената обвивка е составена од две мембрани: надворешна јадрена мембрана и внатрешна јадрена мембрана. Меѓу нив се наоѓа перинуклеарниот простор. Надворешната мембрана е континуирана со мембраната на ендоплазматичниот ретикулум и може да има рибозоми на својата цитоплазматична површина.

Јадрените пори се сложени протеински структури кои ја регулираат размената на молекули меѓу јадрото и цитоплазмата. Преку нив се одвива: излез на mRNA, излез на рибозомски субединици, внесување на нуклеарни протеини, транспорт на регулаторни молекули, размена на протеини вклучени во репликацијата и транскрипцијата. Малите молекули можат да поминуваат преку пасивна дифузија, додека големите молекули користат селективен, рецептор-посредуван транспорт.

7.2. Хроматин и хромозоми

Хроматинот е комплекс од ДНК и протеини, особено хистони. Основната структурна единица на хроматинот е нуклеозомот, составен од ДНК намотана околу хистонски октамер. Постојат два главни функционални типа: еухроматин – помалку кондензиран хроматин, генерално поврзан со поголема транскрипциска активност и хетерохроматин – покондензиран хроматин, генерално поврзан со помала транскрипциска активност. За време на клеточната делба хроматинот се кондензира во хромозоми. Човечките соматски клетки нормално имаат 46 хромозоми, организирани во 23 пара: 22 пара автозоми, 1 пар полови хромозоми.

7.3. Функции на јадрото

• Чување на наследниот материјал.
• Репликација на ДНК.
• Транскрипција на РНК.
• Регулација на генската експресија.
• Контрола на клеточниот циклус.
• Регулација на клеточната диференцијација.
• Координација на клеточниот одговор на сигнали.

Јадрото не функционира изолирано, туку постојано комуницира со цитоплазмата преку јадрените пори и сигналните патишта.

8. Јадренце (нуклеолус)

Јадренцето е густо обоена, немембранска структура во јадрото, која претставува главно место за синтеза и почетна обработка на рибозомската РНК и составување на рибозомските субединици. Во една клетка може да има едно или повеќе јадренца, зависно од клеточниот тип и функционалната активност.

8.1. Структурна организација

Јадренцето се состои од три главни ултраструктурни региони: фибриларен центар, густа фибриларна компонента, грануларна компонента. Овие региони се поврзани со различни фази на создавање и обработка на рибозомската РНК и составувањето на рибозомските субединици.

8.2. Функции на јадренцето

• Транскрипција на гените за рибозомска РНК.
• Обработка и модификација на rRNA.
• Составување на рибозомските субединици.
• Учество во клеточниот одговор на стрес.
• Регулација на одредени процеси поврзани со клеточниот циклус.

Во јадренцето се синтетизираат и обработуваат главните рибозомски РНК, додека 5S rRNA се транскрибира надвор од јадренцето и подоцна се вклучува во составувањето на големата рибозомска субединица. Рибозомските субединици потоа преку јадрените пори преминуваат во цитоплазмата, каде што учествуваат во синтезата на протеините. Физиолошко значење: клетките со интензивна синтеза на протеини обично имаат добро развиено и морфолошки изразено јадренце.

9. Клеточен циклус и клеточна делба

Клеточниот циклус е организиран процес во кој клетката расте, ја удвојува својата ДНК и се дели на две ќерки-клетки.

Клеточниот циклус се состои од:

9.1. Интерфаза

G1-фаза

• Клеточен раст.
• Синтеза на РНК и протеини.
• Зголемување на бројот на органели.
• Подготовка за репликација на ДНК.

S-фаза

• Репликација на ДНК.
• Удвојување на генетскиот материјал.
• Подготовка на хромозомите за следната клеточна делба.

G2-фаза

• Дополнителен клеточен раст.
• Синтеза на протеини потребни за митоза.
• Проверка и поправка на оштетувањата на ДНК.

9.2. М-фаза – митоза

Митозата е процес на поделба на јадрото при кој се создаваат две генетски речиси идентични ќерки-јадра. Фази: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза. По митозата следува цитокинеза, односно поделба на цитоплазмата.

9.3. Мејоза

Мејозата е специјализирана клеточна делба која се одвива во герминативните клетки и е неопходна за создавање хаплоидни гамети. Се одвива преку две последователни делби:

Мејоза I – редукција на бројот на хромозомите.

Мејоза II – раздвојување на сестринските хроматиди.

Мејозата овозможува генетска разновидност преку кросинговер и независна распределба на хромозомите.

10. Видови клетки во човечкиот организам

Човечкиот организам содржи повеќе од 200 различни специјализирани клеточни типови. Тие се разликуваат според морфологијата, генската експресија, метаболичката активност и физиолошката функција. Во основа, клетките може да се поделат на прокариотски и еукариотски, но клетките на човечкото тело се еукариотски.

10.1. Прокариотски и еукариотски клетки

Прокариотска клетка нема мембрански ограничено јадро.

10.2. Епителни клетки

Епителните клетки ги покриваат надворешните и внатрешните површини на организмот и ги обложуваат телесните шуплини и органите. Основни функции: заштита, апсорпција, секреција, екскреција, транспорт, сензорна рецепција. Примери:

• Ентероцити во тенкото црево – апсорпција на хранливи материи.
• Респираторни епителни клетки – заштита и мукоцилијарен транспорт.
• Тубуларни клетки во бубрезите – реапсорпција и секреција.
• Жлезден епител – синтеза и секреција на биолошки активни материи.

10.3. Нервни клетки – неврони

Невроните се специјализирани клетки за примање, обработка и пренесување информации. Основни делови: сома – клеточно тело, дендритите – примање сигнали, аксон – пренос на акциски потенцијал, синаптички завршетоци – комуникација со други клетки. Невроните се возбудливи клетки кои создаваат електрични сигнали преку контролирано движење на јони низ клеточната мембрана. Тие учествуваат во: сензорна перцепција, моторна контрола, рефлексни реакции, учење и меморија, когнитивни функции, регулација на автономните функции. Невроните функционално соработуваат со глијалните клетки, кои обезбедуваат метаболичка, структурна, имунолошка и електрофизиолошка поддршка.

10.4. Мускулни клетки

Мускулните клетки се специјализирани за контракција и создавање сила. Постојат три главни вида: скелетни мускулни клетки, попречно-пругави, долги цилиндрични влакна. Повеќе јадра. Претежно под волева контрола. Овозможуваат движење, одржување на положбата и создавање топлина. Срцеви мускулни клетки се попречно-пругави. Најчесто едно централно јадро. Поврзани преку интеркаларни дискови. Неволева и ритмична активност. Обезбедуваат пумпна функција на срцето. Мазни мускулни клетки имаат вретенеста форма. Едно централно јадро. Немаат видлива попречна испругација. Неволева контракција. Се наоѓаат во крвните садови, дигестивниот тракт, уринарниот систем и други органи.

10.5. Крвни клетки

Крвните клетки се специјализирани за транспорт, имунолошка одбрана и хемостаза.

Еритроцити

Еритроцитите се клетки без јадро кај зрелите форми кај човекот. Содржат хемоглобин и ја пренесуваат главно кислородната, но и дел од јаглерод диоксидната содржина на крвта. Нивната биконкавна форма овозможува голема површина за размена на гасови и деформабилност при минување низ капиларите.

Леукоцити

Леукоцитите се клетки на имунолошкиот систем. Главни групи: неутрофили, еозинофили, базофили, моноцити, лимфоцити. Тие учествуваат во вродениот и стекнатиот имунитет, воспалението, фагоцитозата и специфичното препознавање на антигени.

Тромбоцити

Тромбоцитите се клеточни фрагменти без јадро кои настануваат од мегакариоцитите во кскената срцевина. Учествуваат во: примарната хемостаза, формирање тромбоцитен чеп, коагулација, Заздравување на крвните садови.

10.6. Коскени клетки

Коскеното ткиво содржи три главни функционални клеточни типови:

• Остеобласти – синтеза на органската коскена матрица и учество во минерализацијата.
• Остеоцити – зрели коскени клетки кои ја одржуваат матрицата и учествуваат во механосензорната регулација.
• Остеокласти – големи мултинуклеарни клетки кои ја ресорбираат коската.

Нивната координирана активност овозможува коскено ремоделирање, адаптација на механичко оптоварување и одржување на минералната хомеостаза.

10.7. Масни клетки – адипоцити

Адипоцитите се клетки специјализирани за складирање и метаболизам на липиди. Постојат:

• Бели адипоцити – складираат енергија во форма на триглицериди, обезбедуваат механичка заштита и термичка изолација и лачат адипокини, како лептин и адипонектин.
• Кафеави адипоцити – содржат многу митохондрии и учествуваат во термогенезата преку протеинот UCP1, кој овозможува дисипација на енергијата во форма на топлина.

10.8. Репродуктивни клетки

Сперматозоид е машката гамета е хаплоидна клетка која содржи 23 хромозоми. Се состои од:

• Глава со јадро и акрозом.
• Среден дел богат со митохондрии.
• Опашка која овозможува движење.
• Јајце-клетка

Женската гамета е голема хаплоидна клетка со богата цитоплазма и материи потребни за раниот ембрионален развој. По оплодувањето се формира зигот со диплоиден број хромозоми.

11. Клеточна диференцијација и специјализација

Клеточната диференцијација е процес преку кој неспецијализираните или помалку специјализираните клетки стекнуваат специфична структура и функција. Иако повеќето нуклеирани соматски клетки содржат ист основен геном, тие извршуваат различни функции поради различната регулација на генската експресија. На пример: невроните експресираат протеини потребни за електрична сигнализација. Мускулните клетки експресираат актин, миозин и други контрактилни протеини. Еритроцитите во текот на созревањето акумулираат хемоглобин и го отфрлаат јадрото. Панкреасните β-клетки синтетизираат и лачат инсулин.

Диференцијацијата е основа за формирање на ткивата и органите во текот на ембрионалниот развој, но и за обновување на многу ткива во текот на животот.

12. Физиолошко значење на клеточната организација

Сите клеточни структури функционираат како интегриран систем.

• Клеточна структура
• Главна физиолошка улога
• Клеточна мембрана
• Транспорт, сигнализација, хомеостаза
• Цитозол
• Метаболички реакции
• Митохондрии
• Производство на ATP
• Грануларен ЕР
• Синтеза на секреторни и мембрански протеини
• Мазен ЕР
• Синтеза на липиди, детоксикација, Ca²⁺-складирање
• Голџиев апарат
• Модификација и сортирање на протеини
• Рибозоми
• Синтеза на протеини
• Лизозоми
• Интрацелуларно варење и рециклирање
• Пероксизоми
• Оксидација и детоксикација
• Цитоскелет
• Форма, движење и транспорт
• Јадро
• Чување и регулација на генетската информација
• Јадренце
• Создавање рибозомски субединици
• Центрозом
• Организација на микротубулите и делбеното вретено

Интегративен пример: синтеза и секреција на протеин. Да ја разгледаме синтезата на инсулин во β-клетките на панкреасот. Во јадрото, генот за инсулин се транскрибира во mRNA. mRNA преку јадрените пори преминува во цитоплазмата. Рибозомите на грануларниот ендоплазматичен ретикулум ја преведуваат mRNA во полипептид. Во ендоплазматичниот ретикулум започнува правилното свиткување и обработка на молекулата. Протеинот се транспортира во Голџиевиот апарат. Се врши дополнителна обработка и сортирање. Инсулинот се пакува во секреторни гранули. По соодветна стимулација, гранулите се спојуваат со клеточната мембрана. Инсулинот се ослободува во екстрацелуларната средина преку егзоцитоза. Овој пример покажува дека клеточните органели не функционираат изолирано, туку како координиран систем.

13. Заклучок

Клетката е високоорганизиран и динамичен биолошки систем во кој секоја структура има специфична, но меѓусебно поврзана функција. Клеточната мембрана ја регулира размената на материи и комуникацијата со околината, цитоплазмата претставува средина за бројни метаболички процеси, органелите обезбедуваат функционална специјализација, а јадрото ја чува и ја регулира генетската информација. Различните клеточни типови во човечкиот организам се резултат на процесите на диференцијација и специјализација. Нивната координирана активност овозможува нормално функционирање на ткивата, органите и органските системи. Основниот принцип на клеточната физиологија е дека структурата и функцијата на клетката се неразделно поврзани. Секое нарушување на клеточната мембрана, енергетскиот метаболизам, генетската регулација или клеточната комуникација може да доведе до нарушување на функцијата на ткивата и појава на болест.