Что исследует наука цитология. Основы цитологии

История цитологии тесно связана с изобретением, использованием и усовершенствованием микроскопа. Это обусловлено с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм). Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной - 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения - не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.

Примечание. 1 миллиметр (мм) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем (Å). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.

Первые оптические приборы (простые линзы, очки, лупы) были созданы еще в XII веке. Но сложные оптические трубки, состоящие из двух и более линз, появляются только в конце XVI века. В изобретении светового микроскопа принимали участие Галилео Галилей, отец и сын Янсены, физик Дрюбель и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов.

· 1665 г.: Р. Гук, наблюдая впервые под микроскопом тонкий срез пробкового дерева, обнаружил пустые ячейки, которые назвал целлюли , или клетки; фактически Р. Гук наблюдал только оболочки растительных клеток; в дальнейшем Р. Гук изучал срезы живых стеблей и обнаружил в них аналогичные ячейки, которые, в отличие от мертвых клеток пробки, были заполнены «питательным соком». Свои наблюдения Р. Гук изложил в своем труде «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших телец при помощи увеличительных стекол» (1665);

· 1671 г.: Марчелло Мальпиги (Италия) и Неемия Грю (Англия), изучая анатомическое строение растений, пришли к выводу, что все растительные ткани состоят из пузырьков-клеток. Термин «ткань» («кружево») впервые употребил Н. Грю. В работах Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю клетка рассматривается как элемент, как составная часть ткани. Клетки разделены между собой общими перегородками и поэтому не могут быть мыслимы вне ткани, вне организма;

· 1674 г.: голландский микроскопист-любитель Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы - «анималькули» (инфузории, саркодовые, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды);

В этот период главной частью клетки считалась ее стенка, и лишь спустя двести лет стало ясно, что главное в клетке не стенка, а внутреннее содержимое. В XVIII в. фундаментальные наблюдения простейших провел немецкий натуралист-любитель Мартин Ледермюллер. Однако в этот период новые сведения о клетке накапливались медленно, причем в области зоологии медленнее, чем в ботанике, поскольку настоящие клеточные стенки, которые служили главным предметом исследования, свойственны только растительным клеткам. По отношению к животным клеткам ученые не решались применить этот термин и отождествить их с растительными клетками.

В дальнейшем по мере усовершенствования микроскопа и техники микроскопирования накапливались и сведения о клетках животных и растений. Постепенно формировались представления о клетке как элементарном организме: в дальнейшем немецкий физиолог Эрнст фон Брюкке (1861) называл клетку элементарным организмом. К 30-м годам 19 века накопилось много сведений по морфологии клетки, и было установлено, что цитоплазма и ядро являются ее обязательными компонентами.

· 1802, 1808 гг.: Ш. Бриссо-Мирбе установил факт, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток.

· 1809 г.: Ж. Б. Ламарк распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животных.

· 1825 г.: Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетках птиц.

· 1831 г.: Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений.

· 1833 г.: Р. Броун пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки.

· 1839 г.: Я. Пуркине обнаружил протоплазму (гр. протос - первый и плазма вылепленный, оформленный) - полужидкое студенистое содержимое клеток.

· 1839 г.: Т. Шванн обобщил все накопленные к этому времени данные и сформулировал клеточную теорию.

· 1858 г.: Р. Вирхов доказал, что все клетки образуются из других клеток путем деления.

· 1866 г.: Геккель установил, что сохранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро.

· 1866-1898 гг.: описаны основные компоненты клетки, которые можно увидеть под оптическим микроскопом. Цитология приобретает характер экспериментальной науки.

· 1872 г.: профессор Дерптского (Тартусского) университета Э. Руссов,

· 1874 г.: русский ботаник И.Д. Чистяков впервые наблюдали деление клетки.

· 1878 г.: В. Флеминг ввел термин «митоз» и описал стадии деления клетки.

· 1884г.: В. Ру, О. Гертвиг, Э. Страсбургер выдвинули ядерную теорию наследственности, согласно которой информация о наследственных признаках клетки заключена в ядре.

· 1888г.: Э. Страсбургер установил явление редукции числа хромосом при мейозе.

· 1900 г.: за появлением генетики начинает развиваться цитогенетика, изучающая поведение хромосом во время деления и оплодотворения.

· 1946 г.: в биологии началось использование электронного микроскопа, что позволило изучить ультраструктуры клеток.

Цитология - наука, изучающая строение, химический состав и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Предмет цитологии - клетки одно- и многоклеточных прокариотических и эукариотических организмов.

Задачи цитологии :

1. Изучение строения и функций клеток и их компонентов (мембран, органоидов, включений, ядра).

2. Изучение химического состава клеток, биохимических реакций, протекающих в них.

3. Изучение взаимоотношения клеток многоклеточного организма.

4. Изучение деления клеток.

5. Изучение возможности приспособления клеток к изменениям окружающей среды.

Для решения поставленных задач в цитологии используются различные методы.

Микроскопические методы : позволяют изучить структуру клетки и ее компонентов с помощью микроскопов (светового, фазово-контрастного, люминесцентного, ультрафиолетового, электронного); световое микроскопирование основано на потоке света; изучает клетки и их крупные структуры; электронное микроскопирование - изучение мелких структур (мембраны, рибосомы и др.) в пучке электронов с длиной волны меньше, чем у видимого света. Фазово-контрастная микроскопия — метод получения изображений в оптических микроскопах, при котором сдвиг фазэлектромагнитной волны трансформируется в контраст интенсивности. Фазово-контрастную микроскопию изобрёл Фриц Цернике, за что получил Нобелевскую премию за 1953 год. Предназначена для изучения живых, не окрашенных объектов.

Цито- и гистохимические методы - основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определенные вещества цитоплазмы; используется для установления химического состава и локализации различных компонентов (белков, ДНК, РНК, липидов и т.п.) в клетках.

Гистологический метод - это метод приготовления микропрепаратов из нативных и фиксированных тканей и органов. Нативный материал замораживается, а фиксированный объект проходит этапы уплотнения, заливки в парафин. Затем из исследуемого материала изготавливают срезы, окрашивают и заключают в канадский бальзам.

Биохимические методы позволяют изучить химический состав клеток и протекающие в них биохимические реакции.

Метод дифференциального центрифугирования (фракционирования) : основан на разной скорости оседания компонентов клетки;сначала клетки разрушают до однородной (гомогенной) массы, которую переносят в пробирку с раствором сахарозы или хлорида цезия и подвергают центрифугированию; выделяет отдельные компоненты клетки (митохондрии, рибосомы и др.) для последующего изучения другими методами.

Метод рентгеноструктурного анализа: после введения в клетку атомов металла исследуется пространственная конфигурация (пространственнаое расположение атомов и группировок атомов) и некоторые физические свойства макромолекул (белок, ДНК).

Метод авторадиографии - введение в клетку радиоактивных (меченых) изотопов - чаще всего изотопы водорода (3 Н), углерода (14 С) и фосфора (32 Р); изучаемые молекулы по радиоактивным меткам обнаруживают с помощью счетчика радиоактивных частиц или по способности засвечивать фотопленку, а затем изучают их включения в вещества, синтезируемые клеткой; позволяет изучить процессы матричного синтеза и деления клеток.

Метод замедленной киносъемки и фотосъемки позволяет проследить и зафиксировать процессы деления клеток через мощные световые микроскопы.

Микрохирургические методы - оперативное воздействие на клетку: удаление или имплантирование компонентов клеток (органоиды, ядро) из одной клетки в другую с целью изучения их функций, микроинъекции различных веществ и др.

Метод культуры клеток - выращивание отдельных клеток многоклеточных организмов на питательных средах в стерильных условиях; дает возможность изучать деление, дифференцировку и специализацию клеток, получать клоны растительных организмов.

Знание основ химической и структурной организации, принципов функционирования и механизмов развития клетки исключительно важно для понимания сходных черт, присущих сложно устроенным организмам растений, животных и человека. Разработка метода ЭКО - пример практического применения цитологических знаний.

) или многих (многоклеточные).

Определение 1

Наука, изучающая строение, химический состав, процессы жизнедеятельности и размножения клеток, называется цитология (от греч. сytos – клетка, logos – наука).

Предметом цитологии является клетка многоклеточных грибов, растений и животных, а также одноклеточные организмы (бактерии, одноклеточные грибы и водоросли, простейшие).

Цитология занимается изучением строения, химического состава и функций клеток, функций внутриклеточных структур, размножения и развития клеток, приспособление клеток к условиям внешней среды.

Современная цитология – комплексная наука. Она очень тесно связаны с другими биологическими науками: физиологией, ботаникой, зоологией, физиологией, эволюционным учением.

Существует общая и частная цитология.

Предметом исследования общей цитологии являются общие для большинства клеток элементы: их структура, функции, процессы метаболизма, реакция на повреждения и патологические изменения, приспособление к окружающим условиям.

В частной цитологии исследует особенности каждого типа клеток в зависимости от их специализации (многоклеточные организмы) или эволюционной адаптации к внешней среде (бактерии).

Чёткие грани между цитологией, биохимией, биологией развития, молекулярной биологией и молекулярной биофизикой стёрлись благодаря новым методам изучения компонентов клетки, развитию и усовершенствованию исследований цитохимии, особенно ферментов, использованию при изучении процессов синтеза макромолекул клетки радиоактивных изотопов, внедрению методов электронной цитохимии, применению для изучения локализации индивидуальных белков клетки с помощью люминесцентного анализа меченых флюорохромами антител, методам препаративного и аналитического цинтрифугирования.

Современная цитология из суто морфологической науки смогла развиться в экспериментальную дисциплину, изучающую основные принципы деятельности клетки и, соответственно, основы жизни организмов.

При диагностике заболеваний человека и животных существенное значение имеют именно цитологические исследования.

Благодаря разработке Б.Гердоном методов пересадки ядер в клетки, соматической гибридизации клеток Х. Харрисом, Дж.Барски и Б. Эфрусси стало возможным изучение закономерностей реактивации генов, определение локализации многих генов в хромосомах человека. Стало также возможным приблизиться к решению ряда практических заданий медицины и народного хозяйства (создание новых сельскохозяйственных культур). Методом гибридизации клеток создано технологию получения стационарных антител гибридных клеток, вырабатывающих специфические антитела (моноклональные антитела). Они используются с целью определения ряда теоретических вопросов микробиологии, иммунологии, и вирусологии.

Замечание 1

Сейчас стали примененять эти клоны для усовершенствования диагностики и лечения заболеваний человека. Цитологический анализ клеток больных (часто после их культивирования вне организма) важен при диагностировании некоторых наследственных болезней (пигментная ксеродерма, гликогенозы) и изучения их природы. В перспективе предвидится так же использование цитологических достижений при лечении генетических заболеваний человека, профилактике наследственной патологии, созданияи новых высокопродуктивных штаммов бактерий, повышении урожайности растений.

Благодаря многогранности проблем исследования клетки, специфике и разнообразию методов её изучения, в цитологии сформировались шесть основных направлений:

• Цитоморфологии , которая изучает особенности структурной организации клетки, основными методами исследования которой являются различные способы микроскопии, как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная), так и живой клетки (темнопольний конденсор, фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия);
• Цитофизиологии , которая изучает жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие её внутренних структур; для решения этих заданий используют различные экспериментальные приёмы вместе с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъёмки;*
• Цитохимии , которая исследует молекулярную организацию клетки и химические изменения во время процессов обмена веществ и функционирования клетк. Проводят цитохимические исследования светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами ультрафиолетовой и интерференционной микроскопии, цитофотометрии, фракционного центрифугирования.
• Цитогенетики , которая изучает функциональную и структурную и организацию хромосом эукариотов;
• Цитоэкологии , которая исследует реакции клетки на влияние факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним;
• Цитопатологии , которая изучает патологические процессы в клетке.*

Наряду с традиционными направлениями цитологии развиваются и новые, такие как цитопатология вирусов, ультраструктурная патология клеток, цитофармакология, онкологическая цитология и др.

Цитология преподаётся как самостоятельный раздел в курсе гистологии и биологии в медицинских и других высших учебных заведениях.

История развития учения о клетке

Цитология относится к молодым биологическим наукам, её возраст – около 100 лет. А возраст термина «клетка» - более 300 лет.

История изучения клетки связана с именами таких учёных, как Роберт Гук (впервые применил микроскоп для исследования тканей и на срезе пробки и сердцевины бузины увидел ячейки, которые назвал клетками), Антони ван Левенгук (впервые увидел клетки при увеличении в 270 раз и открыл одноклеточные организмы), Матиас Шлейден и Теодор Шванн (они стали творцами клеточной теории).

Клеточная теория получила дальнейшее развитие в работах учёных второй половины ХІХ столетия. Было открыто деление клетки и сформулировано положение о том, что каждая новая клетка образуется от такой же начальной клетки в результате её деления (Рудольф Вирхов, 1858). Академик Российской Академии наук Карл Бер открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многочисленные организмы начинают своё развитие из одной клетки и этой клеткой является зигота. Открытие К. Бера показало, что клетка – не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов.

После работ Роберта Гука микроскоп начали широко использовать для научных исследований в биологии.

Исторически развитие цитологии тесно связано с созданием микроскопа и его усовершенствованием, развитием гистологических методов исследования.

В ХVII ст. наблюдения Р. Гука подтвердились и были развиты М. Мальпиги, Н. Грю, А. Левенгуком.

В процессе научно-технической революции середины ХХ ст. цитология бурно развивалась и ряд её представлений были пересмотрены.

Электронная микроскопия дала возможность изучить строение и много в чём раскрыть функции уже известных ранеее органоидов клетки. Связаны эти открытия с именами К. Портера, Дж. Пелейда, Х. Риса, В. Бернхарда, К. де Дюва и других известных учёных.

В результате изучения ультраструктуры клетки весь живой органический мир был разделён на прокариот и эукариот. Исследования молекулярной биологии показали единство для всех организмов (включая вирусы) механизмов синтеза белка и генетического кода.

Замечание 2

Изучение химической организации клетки привело к заключению, что в основе её жизни лежат именно химические процессы, что клетки всех организмов подобны по химическому составу, у них однотипно происходят основные процессы обмена веществ. Единство всего органического мира подтвердили данные о подобности химического состава клеток.

Лекция1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Планлекции

1. Предмет, цели и задачи курса. Место цитологии в системе биологических наук.

2. История открытия клетки.

3. Теория возникновения клеток-мешочков К. Вольфа.

4. Клеточная структура животных тканей.

5. Первые описания содержимого клетки.

Предмет, цели и задачи курса. Место цитологии в системе биоло-

гических наук. Цитология – это наука о развитии, строении и жизнедеятельности клеток. В связи с этим цитология без преувеличения занимает ключевую позицию в биологии, так как в основе всех функций организма лежат процессы, протекающие на клеточном уровне. Цитология – это комплексная биологическая дисциплина, в которой изучаются различные стороны учения о клетке.

Академик А. А. Заварзин, биолог-эволюционист, писал, что в те рмине «клетка» соединяются два понятия: «Когда говорят о клетке вообще, то подразумевают элементарную организацию живого вещества, вне которого нет жизненного процесса; когда же говорят об определенной клетке, например, о нервной или мышечной, то подразумевают не только клеточную отдельность со всеми ее общими свойствами, но и совершенно конкретную ее форму: нейрон или мышечное веретено» .

Клод Бернар определял клетку как «первого представителя жизни» ; Рудольф Вирхов – как «последний морфологический элемент всего живого» .

В. Я. Александров считал, что «клетка – это элементарная живая система, состоящая из двух частей – цитоплазмы и ядра – и являющаяся основой строения, развития и жизнедеятельности всех животных и растительных организмов» .

Следовательно, клетка – это элементарная самовоспроизводящаяся единица структуры и функции всех живых существ. Клеточная организация присуща как одноклеточным микроорганизмам, так и многоклеточным макрообъектам. Несмотря на различия между отдельными клетками, в каждой из

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

них можно выделить четыре основные структурно-функциональные подсистемы (рис. 1.1 ):

1. Все клетки окружены плоскими двухслойными мембранами, структурную основу которых составляют амфифильные молекулы липидов; в подобные мембраны «вмонтированы» различные белки, определяющие особенности их функционирования.

2. Наследственная информация во всех клетках хранится в виде двуспиральной молекулы ДНК, где она записана в виде линейного текста из триплетных кодонов, состоящих из четырех типов дезоксирибонуклеотидов: А, Т, Г, Ц.

3. Во всех клетках имеется принципиально одинаково устроенный аппарат биосинтеза белков, центральную роль в котором играют РНК.

4. Для всех клеток характерно существование еще одной подсистемы – ограниченной мембраной цитоплазмы с локализованными в ней фермента-

ми .

Рис. 1.1. Основные структурно-функциональные подсистемы клетки

Взаимоотношение между организмом и клеткой на различных уровнях организации живой материи существенно меняется. У бактерий и простейших организм представляет в то же время клетку; в многоклеточном целостном организме развитие и жизнедеятельность клеток регулируются системой интеграционных механизмов. Поэтому одной из важнейших задач цитологии является изучение способов регулирующего воздействия макроорганизма на тканевые клетки.

По мнению А. А. Заварзина, современный этап развития биологии характеризуется как углубляющейся дифференциацией наук, так и их синтезом на основе разностороннего анализа универсальных закономерностей организации биологических систем.

Данная тенденция особенно проявляется в развитии наук о клеточном уровне организации живой материи. Поэтому важно определить роль каждой

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

науки в формирующемся синтетическом системном подходе к изучению процессов, протекающих на рассматриваемом уровне организации. Общая цитология – наука о клетке, наука о клеточном уровне организации живой материи. Предметом общецитологических исследований являются конкретные разновидности клеток (клетки про- и эукариот, клетки животных и растительных одноклеточных и многоклеточных организмов, а в пределах последних – клетки различных направлений специализации). Эти же объекты находятся в центре внимания таких наук, как частная цитология, гистология, эмбриология, микробиология, физиология и т. д. Но и в этих науках уделяется особое внимание специфическим особенностям данного типа клеток. В общей же цитологии при исследовании конкретных разновидностей клеток целью является выяснение общих закономерностей организации клеточных структур и внутриклеточных процессов, универсальных для всех клеток, а также общих закономерностей организации регуляторных интегративных механизмов целостной клетки.

Несмотря на различные конечные задачи специальных наук и общей цитологии, они тесно связаны между собой. С одной стороны, для понимания общих закономерностей организации клеток необходимо выяснить конкретные проявления этих закономерностей, т. е. всего спектра общих признаков, свойственных конкретным разновидностям клеток. С другой стороны, полное выяснение специфических особенностей конкретного типа клеток требует знания тех общих механизмов, на основе которых и появляется та или иная специфическая особенность.

В организации любой клетки выделяют следующие уровни:

молекулярный;

надмолекулярный;

органоидный;

субсистемный;

системный.

Низшие уровни организации клетки находятся в центре внимания таких наук, как органическая химия, биохимия, молекулярная биология. На органоидном, субсистемном и системном уровнях доминирующее значение имеют уже цитологические науки. При анализе клеточных структур широко используются биохимические, молекулярно-биологические методы. Благодаря этому интересы цитологов, биохимиков, биофизиков, физиологов, молекулярных биологов, генетиков во многих случаях совпадают. Особенностью общей цитологии является и ее тесная связь с науками, которые изучают механизмы организации живой материи на ее низших уровнях. Глубокое знание закономерностей молекулярного и надмолекулярного уровней организации необходимо цитологам для успешного анализа высших уровней организации клетки. Прогрессивное развитие цитологии во многом обусловлено внедрением в практику некоторых принципиально новых методов, оказавших существенное влияние на разработку ее основных проблем.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

История открытия клетки. Развитие учения о клетке тесно связано с изобретением микроскопа (от греческого «микрос» – небольшой, «скопео» – рассматриваю). Первый микроскоп был сконструирован в 1610 г. Галилеем и представлял собой сочетание линз в свинцовой трубке.

Впервые микроскоп применил Р. Гук. В 1665 г. он впервые описал клеточное строение пробки, стеблей и др. и ввел термин «клетка». Р. Гук сделал первую попытку подсчитать количество клеток в определенном объеме пробки. Он, во-первых, сформулировал представление о клетке как о ячейке, полностью замкнутой со всех сторон. Во-вторых, Р. Гук установил факт широкого распространения клеточного строения растительных тканей.

Эти два основных вывода и определили направление дальнейших исследований в этой области.

В 1671–1679 гг. итальянец Марчелло Мальпиги дал первое систематическое описание микроструктуры органов растений, положившее начало анатомии растений.

В 1671–1682 гг. англичанин Неемия Грю также очень подробно описал микроструктуры растений; ввел термин «ткань» для обозначения понятия совокупности «пузырьков», или «мешочков».

Оба эти исследователя (они работали независимо друг от друга) дали изумительные по точности описания и рисунки (рис. 1.2 ). Они пришли к одному и тому же выводу относительно всеобщности построения растительной ткани из пузырьков.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Рис. 1.2. Рисунки М. Мальпиги срезов различных растительных тканей (Из книги «Анатомия растений», 1679 г.)

После исследований Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю факт существования клеток-ячеек в растительных тканях не вызывал сомнений. О клетках упоминали различные авторы, но должного значения им не придавалось, и они рассматривались как одна из структур, обнаруживаемая при изучении растительных тканей под микроскопом. Рассматривая и описывая клетки, исследователи начала XVIII в. не ставили вопроса об их возникновении.

Теория возникновения клеток-мешочков К.Вольфа. В 1759 г. пе-

тербургский академик Каспар Фридрих Вольф создал первую теорию клеткообразования в растительных тканях. Вольф изучал эмбриональное развитие организмов. Он говорил о клетке в связи с явлениями роста или распределения вещества в организме. Считал, что молодые органы растений состоят из гомогенной, вязкой или студневидной массы. Их рост осуществляется таким образом, что в них из более старых частей выпадают капли жидкого вещества, пограничный слой которого загустевает и капля превращается в ячейку-клетку. Если капля движется в основном вязком веществе медленно, то ее стенки успевают затвердевать, так возникает трубочка-сосуд. По мере того как все новые и новые капли вдвигаются между уже возникшими, создается обычная пузыристая структура растительной ткани. Вольф считал, что не клетки образуют сосуды, а сосуды – клетки.

Клеточная структура животных тканей. Изучение животной клетки значительно отставало; это связано с тем, что клетки животных увидеть в микроскоп значительно труднее, так как они намного мельче растительной клетки и не имеют столь резко выраженных границ.

В 1676–1719 гг. Антон ван Левенгук открыл мир микроскопических животных, впервые описал красные кровяные клетки и сперматозоиды.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

В 1781 г. Феликс Фонтана первый увидел и нарисовал клетки животных с ядрами (рис. 1.3 ).

Рис. 1.3. Рисунки Феликса Фонтана, изображающие слущившийся кусочек кожи угря (слева) и две клетки крови (справа), 1787 г.

Таким образом, в XVII–XVIII вв. клеточная структура описывалась отдельными учеными неоднократно. В отношении растительных тканей был накоплен значительный фактический материал. Однако клеточному строе-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

нию не придавали принципиального значения. Клетка как элементарная живая единица еще никем не рассматривалась. Единственной попыткой понять возникновение клетки была теория Вольфа.

Большую роль в развитии науки о клетке сыграли исследования французского ботаника Бриссо де Мирбеля. В 1801 г. Мирбель положил начало сравнительному изучению клеток растений. Однако он защищал все тот же взгляд на природу клеток как на пузырьки, разделенные общей стенкой. Против этой точки зрения выступили многие немецкие исследователи. Данный вопрос привлек к себе настолько большое внимание, что Геттингенская академия в 1804 г. объявила денежную премию за ее разрешение. Эта премия была поделена между ботаниками Г. Линком и К. Рудольфи. Они разрешили вопрос о природе клеток. Пришли к заключению об обособленности клеток и о наличии у них собственных мембран, окружающих их со всех сторон. Тот же вывод был сделан Л.Х. Тревиранусом.

В 1812 г. И. Мольденгауер окончательно доказал индивидуальность клеток путем их изоляции. Он показал, что каждая из клеток имеет свою собственную оболочку.

Линк добился полного выделения клеток из тканей путем их длительного кипячения.

Было создано новое представление о клетке. Наиболее четко оно было сформулировано в 1830 г. Францем Мейеном. Он написал первую сводку по анатомии растений и сформулировал представление о клетке. «Клетка растительного организма представляет собой пространство, вполне замкнутое вегетативной мембраной» .

Данный период – это период собирания материала, накопления многочисленных сведений о тончайшей структуре растений.

Первые сведения о животной клетке были получены Левенгуком и Фонтана. Изучать животные клетки было трудно, так как техника того времени не позволяла получать тонкие срезы через мягкие ткани животных, не был известен метод фиксации и уплотнения органов, животные клетки относительно очень мелкие, границы клеток весьма неотчетливы.

Не случайно, что животные клетки были обнаружены и изучены не сразу. Анри Мильн-Эдвардс имел хороший микроскоп, но он готовил препараты, раздавливая ткани между двумя стеклами, в силу этого наряду с настоящими клетками он на рисунках изображал капельки жира, отдельные яд-

ра и т. д., принимая и их за клетки.

Анри Дютроше описал ряд клеток из животных тканей.

В 1830–1845 гг. Ян Пуркиня и его ученики усовершенствовали микроскопическую технику и правильно описали клетки в многочисленных органах животных. Во всех тканях они обнаружили клетки, однако называли их зернами или шариками. Ими был открыт реснитчатый эпителий, описано движение ресничек. Они изучили нервные клетки и дали их рисунки (рис. 1.4 ).

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Рис. 1.4. Рисунки Я. Пуркиня, изображающие «зернышки» (клетки), из которых состоят ткани органов животных

Первые описания содержимого клетки. В конце 18 в., в 1774 г., Бо-

навентура Корти видел и описал активное движение жидкого содержимого

в растительной клетке.

В 1811 г. более подробно были изучены протоплазматические токи

Тревиранусом.

В клеточном содержимом было обнаружено наличие слизи, клееобразных веществ, сахара, хлорофилловых зерен, различных кристаллов, зерен крахмала и т. д.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Планлекции

1. Основные даты развития клеточной теории.

2. Клеточная теория Шванна – Вирхова.

3. Основные постулаты современной клеточной теории.

Основные даты развития клеточной теории. Развитие микроскопии привело к пониманию того, что клетка из себя представляет. Клеткам стали приписывать значение простейших органических структурных элементов. Искали элементарную биологическую единицу. Впервые Лоренц Окен таковыми стал считать клетки. Он в 1809 г. создал умозрительную теорию строения и развития организмов, в которой элементами являлись «инфузории» – клетки. Считал, что сложные организмы – это сумма элементарных организмов, которые, войдя в его состав, живут общей жизнью целого, но в то же время пр о- должают оставаться независимыми. Эти элементарные организмы – пузырьки с плотной оболочкой и жидким содержимым; «в философском смысле они могут быть названы инфузориями» [ 22 ]. Л. Окен сформулировал принцип сведения строения сложных организмов к элементарным единицам, во всей этой концепции выражена эволюционная идея, хотя он развития во времени не признавал.

В 1834–1847 гг. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге П. Ф. Горянинов сформулировал принцип, согласно которому клетка является универсальной моделью организации живых существ. Горянинов делил мир живых существ на два царства: царство бесформенное, или молекулярное, и органическое, или клеточное. Он писал, что «…органический мир есть прежде всего клеточное царство …» . Развивал представление

о возникновении живых существ из неорганического мира. Считал, что зерна слизи, скученные вокруг первичного маленького пузырька, образуют ядро, или цитобласт, которое способно развиваться в клетку. Так возникают наиболее просто организованные тела. П.Ф. Горянинов связал проблему возникновения жизни с происхождением клетки.

В 20-х г. XIX в. наиболее значительные работы в области изучения растительных и животных тканей принадлежат французским ученым Анри Дютроше (1824 г.), Франсуа Распайлю (1827 г.), Пьеру Тюрпену (1829 г.). Они доказывали, что клетки (мешочки, пузырьки) являются элементарными структурами всех растительных и животных тканей.

Эти исследования подготавливали почву для клеточной теории. Большую трудность для формирования клеточной теории представляла

неизученность микроскопической анатомии животных. Гистология животных уже существовала. Она была разработана Яном Пуркиня и его учениками.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Он первым применил окраску, ввел просветляющие среды для препаратов. Его ученик Ошатц сконструировал первый микротом. В 1837 г. Пуркиня в докладе обществу естествоиспытателей в Праге высказал теорию «ядросодержащих зернышек» (клеток). Он говорил об аналогии «клеток» растений и «зернышек» животных. Выдвинул положение построения тела животных из клеток.

Иоганнес Мюллер на основании изучения ткани хорды высказал представление о соответствии в клеточном строении растений и животных (1838 г.).

Матиас Шлейден изучал возникновение клеток в процессе роста различных частей растений. Он писал «… как для физиологии растений, так и для общей физиологии жизнедеятельность отдельных клеток является главнейшей и совершенно неизбежной основой, и поэтому, прежде всего, встает вопрос, как же собственно возникает этот маленький своеобразный организм клетка» . Его теория клеткообразования была им позднее названа теорией цитогене-

Матиас Шлейден (1804–1881) зиса (1838 г.); существенным является то обстоятельство, что она впервые связала

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

вопрос возникновения клетки с ее содержимым и (в первую очередь) с ядром.

Возникновение клеток по Шлейдену представлено на рис. 1.5 .

Рис. 1.5. Схема процесса возникновения клеток по представлению М. Шлейдена (1838 г.)

Тело клетки Шлейден обозначил термином цитобластема (этот термин принадлежит Шванну, цитос – клетка, бластео – образовывать).

Таким образом, по его теории новая клетка может образовываться в старых, центр ее возникновения – ядро. Теория цитогенеза, а именно общность происхождения клеток, явилась фундаментом для клеточной теории Шванна.

Клеточная теория Шванна – Вирхова. В 1839 г. Теодор Шванн, ис-

ходя из генетического принципа, обосновал клеточную теорию всех организмов. Постулаты его теории:

все ткани состоят из клеток;

общий принцип развития этих структур;

самостоятельная жизнедеятельность каждой отдельной клетки. Вальдейер (1909 г.) считал, что «заслуга Шванна заключается не в том,

что он открыл клетки как таковые, а в том, что он научил исследователей понимать их значение» .

В клеточной теории Шванна впервые была дана обоснованная обобщающая и ведущая идея трактовки строения организма . Она стала общепризнанной и вызвала большой интерес к детальному изучению строения ор-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

ганизмов. Карл Рейхерт писал, что «…интерес к ней стал всеобщим и разносторонним после того, как открытие клетки дало основание к планомерному развитию микроскопической анатомии …». Однако эндогенная теория возникновения клеток сыграла отрицательную роль в развитии эмбриологии. Ряд исследователей стали допускать возникновение целых органов прямо из бесструктурной массы. Большая заслуга в выяснении клеточной природы ряда тканей и в доказательстве процесса деления как единственного пути размножения клетки принадлежит Роберту Ремаку.

Окончательный удар теории цитогенеза был нанесен Рудольфом Вирховым. В 1859 г. Р. Вирхов, основываясь на исследованиях Ремака, пересмотрел и развил клеточную теорию, заменив представление о цитогенезе законом: «всякая клетка от клетки».

В последней трети XIX в. был сделан ряд крупнейших открытий, обогативших цитологическую науку.

В 1871 г. И.Д. Чистяков обнаружил хромосомы, описал способы деления ядра. А дату появления его классического труда о растительной клетке – 1874 г. – следует считать началом развития цитологии в России [ 17 ].

1875 г. – Страсбургер подробно описал деление ядра. 1898 г. – В.И. Беляев описал редукционное деление.

1898 г. – С.Г. Навашин открыл явление двойного оплодотворения у покрытосеменных и т. д.

Основные постулаты современной клеточной теории. Основные по-

ложения клеточной теории Шванна – Вирхова сохранили свое значение и на сегодняшний день.

Основные постулаты современной клеточной теории следующие: 1. Клетка – элементарная единица живого: вне клетки нет жизни.

Живому свойствен ряд совокупных признаков: способность к воспроизведению (репродукции), использование и трансформация энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость.

Такую совокупность признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Из клетки можно выделить отдельные ее компоненты, даже молекулы, многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Вне клетки работают многие ферменты, выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок и т. д. Все эти клеточные компоненты, структуры обладают лишь частью набора свойств живого. Только клетка как таковая является наименьшей единицей, обладающей всеми взятыми свойствами, отвечающими определению «живое».

Клетки имеют различную морфологию, величину. Встречаются два типа организации клеток: прокариотические – доядерные и эукариотические – собственно ядерные (рис. 1.6 , 1.7 ). Несмотря на морфологические отличия про – и эукариотические клетки имеют много общего, что позволяет отнести их к одной, клеточной, системе организации живого (одеты плазматической мембраной, обладающей сходной функцией переноса веществ из клетки

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

и внутрь ее; синтез белка происходит на рибосомах; сходны процессы синтеза РНК, репликация ДНК; похожи биоэнергетические процессы).

Рис. 1.6. Комбинированная схема прокариотической клетки: 1 – клеточная стенка; 2

– плазматическая мембрана; 3 – ДНК нуклеоида; 4 – полирибосомы цитоплазмы; 5 – мезосома; 6 – ламеллярные структуры; 7 – впячивания плазмалеммы; 8 – скопления хроматофоров; 9 – вакуоли с включениями; 10 – бактериальные жгутики; 11 – пластинчатые тилакоиды

а б

Рис. 1.7. Комбинированная схема строения эукариотической клетки: а – клетка животного; б – растительная клетка; 1 – ядро с хроматином и ядрышками; 2 – цитоплазматическая мембрана; 3 – клеточная стенка; 4 – поры в клеточной стенке, через которые сообщается цитоплазма соседних клеток; 5 – шероховатая эндоплазматическая сеть; 6 – гладкая эндоплазматическая сеть; 7– пиноцитозная вакуоль; 8 – аппарат Гольджи; 9 – лизосомы; 10 – жировые включения; 11 – клеточный центр; 12 – митохондрия; 13 – рибосомы и полирибосомы; 14 – вакуоль; 15 – хлоропласт

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Ю. С. Ченцов считает, что клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом, т. е. клетка – это самоподдерживающаяся и самовоспроизводящаяся система биополимеров.

2. Клетка – единая система, включающая множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц – органелл или органоидов.

Клетка содержит множество типов внутриклеточных структур, выполняющих разнообразные функции, каждый из которых специализирован на выполнении определенных функций. Каждая из функций обязательна, без выполнения ее клетка не может существовать. Клетку можно «разложить» на ряд компонентов, выполняющих свои функции, но каждая из них представляет собой новую систему или подсистему. Например: ядро – система хранения, воспроизведения и реализации генетической информации и т. д.

3. Клетки гомологичны по строению и по основным свойствам.

Разные клетки растений и животных сходны. Гомологичность строения клеток наблюдается внутри каждого из типов клеток (рис. 1.6 , 1.7 ). Гомологичность в строении клеток определяется сходством общеклеточных функций, направленных на поддержание жизни самих клеток и на их размножение. Разнообразие же в строении клеток многоклеточных организмов – это результат функциональной специализации. Например, в нервной клетке кроме общеклеточных компонентов имеются специфические: наличие длинных и разветвленных клеточных отростков, оканчивающихся специальными структурами, передающими нервные импульсы; в цитоплазме – тигроид; в клеточных отростках – большое количество микротрубочек. Все эти особенности нервной клетки связаны с ее специализацией – передачей нервного импульса.

4. Клетка увеличивается в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала (ДНК): клетка от клетки.

Размножение прокариотических и эукариотических клеток происходит путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала.

У эукариотических клеток единственно полноценный способ деления – митоз или мейоз при образовании половых клеток. При этом образуется клеточное веретено, с помощью которого равномерно по двум дочерним клеткам распределяются хромосомы.

У прокариотических клеток также имеется специальный аппарат разделения клеток.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 2 КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

5. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных

в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).

Клетка в многоклеточном организме – это единица функционирования и развития. Первоосновой всех реакций целостного организма является клетка.

Рост организма, увеличение его биомассы есть результат размножения клеток и выработки ими разнообразных продуктов.

Поражение клеток, изменение их свойств – это основа для развития заболеваний.

6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, то есть обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – к дифференцировке.

Индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного организма – это результат последовательного, избирательного включения работы разных генных участков хромосомы в различных клетках. Это приводит

к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, т.е. к процессу дифференцировки.

Дифференцировка – это результат избирательной активности разных генов в клетке по мере развития многоклеточного организма.

Следовательно, любая клетка тотипотентна. Тотипотентность ядер клеток организма представлена на рис. 1.8 .

Рис. 1.8. Тотипотентность ядер клеток организма: а – ядро, выделенное из клетки кишечника головастика Xenopus laevis; б – яйцеклетка, лишенная ядра путем облучения; 1 – выделение ядра из соматической клетки; 2 – облучение ооцита; 3 – пересадка ядра; 4 – дробящаяся яйцеклетка; 5 – личинка

Однако в разных клетках одни и те же гены могут находиться или в активном, или в репрессированном состоянии.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Планлекции

1. Световая микроскопия. Фазово-контрастная микроскопия. Поляризационная микроскопия. Интерференционная микроскопия. Микроскопия в темном поле. Ультрафиолетовая микроскопия. Флуоресцентная микроскопия.

2. Витальное изучение клеток. Метод культуры тканей. Микрохирургия. Прижизненное окрашивание. Изучение фиксированных клеток и тканей. Химическая фиксация. Леофилизация ткани. Окрашивание. Цитохимические методы. Цитофотометрия. Авторадиография. Контрастирование корпускулярных объектов. Ультрамикротомия.

3. Специальные методы электронной микроскопии биологических объектов: метод трансмиссионной, высоковольтной, сканирующей электронной микроскопии.

Световая микроскопия. Развитие цитологии тесно связано с усовершенствованием микроскопов и методов микроскопического исследования. Даже сейчас, несмотря на бурное развитие электронной микроскопии, световая микроскопия не теряет своего значения, в первую очередь для прижизненного изучения клеток.

Световой микроскоп – это оптическая система, состоящая из конденсора, объектива и окуляра (рис. 1.9 ). Пучок света от источника освещения собирается в конденсоре, направляется на объект; пройдя через объект, лучи света попадают в систему линз объектива, они строят первичное изображение, которое увеличивается с помощью линз окуляра. В современных микроскопах объективы сменные.

Рис. 1.9. Виды световой микроскопии

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность.

Разрешающая способность – это минимальное расстояние между двумя точками, при котором они еще раздельно изображаются данной оптической системой.

Разрешающая сила микроскопа (d ) определяется его объективом, так как окуляр дает только вторичное увеличение изображения, отбрасываемого объективом, и вычисляется по формуле

d = (0,61 · λ)/(n · sinα),

где d – минимальное разрешаемое расстояние; λ – длина волны применяемого света; n – коэффициент преломления среды; α – угол между оптической осью объектива и наиболее отклоняющимся лучом, попадающим в объектив

(рис. 1.10 ).

Знаменатель этой дроби зависит от конструкции объектива и является для каждого объектива величиной постоянной и носит название численной апертуры объектива (А ).

А = n · sinα.

Чем больше апертура объектива, тем выше разрешение микроскопа. Численную апертуру можно увеличить двумя путями:

1. Можно увеличить угол зрения объектива (α), что и делается в объективах с большим увеличением. Однако угол α не может быть больше 90°, а sinα – больше 1.

2. Можно увеличить преломление среды, находящейся между препаратом

и объективом. Поэтому наиболее сильные объективы делаются иммерсионными, так как n иммерсионного масла равно 1,515, воды– 1,33, а воздуха– 1.

Численная апертура сухих систем на практике не превосходит 0,95, наиболее высокая апертура у масляноиммерсионных объективов и равна 1,4.

Разрешающая способность микроскопа зависит не только от апертуры, но и от длины волны света.

С применением длины волны света 550 нм наименьший диаметр видимых частиц составит 0,24 микрона, для ультрафиолетового света (260–280 нм) d = 0,13–0,14 микрон.

Обычно в световых микроскопах используются источники освещения в видимой области спектра (400–700 нм), поэтому максимальная разрешающая способность микроскопа не может быть выше 0,2–0,3 микрон. Все, что может дать световой микроскоп как вспомогательный прибор к нашему глазу, – это повысить d примерно в 1000 раз.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Рис. 1.10. Угол входного отверстия объектива

Обычный световой микроскоп используется везде, где структуры объекта достаточно контрастны и хорошо различимы.

Контрастность изображения зависит от амплитуды световых колебаний, если объект поглощает часть света, то амплитуда колебаний снижается и объект воспринимается глазом как более темный. Если объект избирательно поглощает лучи определенных длин волн, создается цветовой контраст. Однако большинство живых клеток недостаточно контрастны: структуры внутри них прозрачны и поэтому видны плохо. Для изучения таких объективов были разработаны специальные виды световой микроскопии.

Фазово-контрастная микроскопия широко используется для наблюдений за живыми клетками, позволяет резко повысить контрастность изображения объекта.

Принцип метода состоит в выявлении сдвигов фазы световых колебаний, которые возникают, когда свет проходит через структуру, хотя и не поглощающую, но имеющую показатель преломления, отличный от такового окружающей его среды.

Однако фазовые сдвиги глазом непосредственно не улавливаются. В объектив фазово-контрастного микроскопа вмонтирована специальная пластинка, проходя через которую луч света испытывает дополнительный сдвиг

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

фазы колебаний. При построении изображения взаимодействуют лучи, находящиеся в одной фазе либо в противофазе, но обладающие разной амплитудой. Создается светло-темное контрастное изображение объекта.

Поляризационная микроскопия применяется в цитологии для специальных целей. Позволяет выявить структуры с упорядоченным расположением молекул (например: кристаллы или фибриллярные белки, волокна веретена деления, миофибриллы и т. д.), то есть изучаются объекты, обладающие изотропией. Такие структуры обладают двойным лучепреломлением (анизотропией). Проходящий через них световой луч разделяется на два, распространяющихся с различной скоростью и в различных направлениях.

У поляризационного микроскопа перед конденсором помещается поляризатор, который пропускает световые волны с определенной плоскостью поляризации. После препарата и объектива помещается анализатор, который может пропускать свет с той же плоскостью поляризации. Поляризатор и анализатор – это призмы, сделанные из исландского шпата (призмы Николя). Если вторую призму (анализатор) повернуть на 90° по отношению к первой, то свет проходить не будет. В том случае, когда между такими скрещенными призмами будет находиться объект, обладающий анизотропией, то есть обладающий способностью поляризовать свет, он будет виден как яркосветящийся на темном поле.

При интерференционной микроскопии пучок параллельных световых лучей от осветителя разделяется на два потока. Один из них проходит через объект и приобретает изменения в фазе колебания, другой идет мимо объекта. В призмах объектива оба потока вновь соединяются и интерферируют между собой, то есть происходит преобразование сдвига фазы в изменение амплитуды (т. е. яркости).

В результате интерференции будет строиться изображение, на котором участки клетки разной толщины или разной плотности будут отличаться друг от друга по степени контрастности, то есть величина фазового сдвига непосредственно связана с плотностью структуры, т.е. с количеством в ней сухого вещества.

Следовательно, измерив величину фазового сдвига, а также размер клетки или ее структуры, можно определить ее сухой вес.

Микроскопия в темном поле (ультрамикроскопия) основана на том, что подобно пылинкам в луче света (эффект Тиндаля) мельчайшие частицы, лежащие за пределами разрешающей способности микроскопа, становятся видимыми в лучах, идущих под таким большим углом, что в объектив они непосредственно не попадают.

В объектив попадает только свет, отраженный от этих частиц, и они выглядят светящимися точками на темном фоне.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Этот метод является ценным при изучении живых клеток, живых коллоидов протоплазмы.

Ультрафиолетовая микроскопия. Поскольку стекло непрозрачно для УФ-лучей, вся оптика здесь делается или кварцевой, или зеркальной (отражательной). Изображение рассматривается на флуоресцирующем экране визуально и фотографируется.

Ценность метода состоит в том, что некоторые важные компоненты клетки, например, нуклеиновые кислоты, совершенно не поглощающие видимый свет, обладают специфическим поглощением УФ-лучей с определенной длиной волны. Микроскопирование объектов в этих случаях позволяет выявить такие вещества без всякого окрашивания.

Флуоресцентная микроскопия позволяет изучать как собственную (первичную) флуоресценцию ряда веществ, так и вторичную флуоресценцию, вызванную окрашиванием клеточных структур специальными красителями – флуорохромами.

Принцип метода заключается в том, что некоторые вещества при световом облучении сами начинают светиться, причем длина волны испускаемого ими света всегда больше, чем длина волны света, возбуждающего флуоресценцию. Для возбуждения флуоресценции пользуются или синим светом, или УФ-светом.

Собственно флуоресценцией обладают некоторые пигменты, витамины, гормоны. Можно использовать флуорохромы, они избирательно связываются с определенными структурами клетки, вызывая их вторичную флуоресценцию.

Витальное изучение клеток. Световой микроскоп позволяет видеть живые клетки. Для изучения же живых клеток, органов, тканей используют ряд методов.

Метод культуры тканей был разработан Гаррисоном, Каррелем, Берроузом, А. А. Максимовым. Суть метода: в камеру, наполненную питательной средой, помещают небольшой кусочек живой ткани. Через некоторое время на периферии такого кусочка начинается деление и рост клеток. В другом случае – вырезанный кусочек ткани обрабатывают раствором фермента, что приводит к полному разобщению клеток друг от друга. Затем взвесь отмытых клеток помещают в сосуд с питательной средой, где они опускаются на дно, прикрепляются к стеклу, начинают размножаться, образуя сначала колонию, а затем сплошной клеточный пласт.

Микрохирургия позволяет с помощью специальных микроманипуляторов выполнять различные операции на клетке и ее органоидах. С помощью микроманипулятора клетки разрезают, извлекают из них части, вводят вещества (микроинъекции) и т. д. Микроманипулятор совмещают с обычным микроскопом, в который наблюдают за ходом операции. При микроманипу-

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

ляциях клетки помещают в специальные камеры, в которых и делается операция. Широко применяют микропучки УФ-света или лазерные микропучки.

Прижизненное окрашивание – окрашивание живых клеток витальными красителями в диапазоне концентраций, не вызывающих токсического эффекта, широко используется в цитологии и гистологии. По своему химическому строению витальные красители относятся к органическим соединениям ароматического ряда. Они представляют собой электролиты, которые могут быть разделены на кислотные и основные. Большинство из них являются индикаторными. На этом основано их применение для определения концентрации водородных ионов.

Многие витальные красители могут легко переходить из окисленной формы в восстановленную и обратно. Это используют для определения уровня окислительно-восстановительных процессов в клетке. При окрашивании клеток витальными красителями последние проникают в клетку, собираются в цитоплазме в виде гранул, ядро не окрашивается.

Большая часть сведений о клетке была получена на стабильном фиксированном материале.

Задачи фиксации – убить клетку, прекратить активность внутриклеточных ферментов, предотвратить распад клеточных компонентов, избежать потери структур и веществ, препятствовать появлению артефактных структур. Химическая фиксация заключается в быстрой обработке ткани растворами с целью убить клетки, сохранив их структуру по возможности неизменными.

Леофилизация ткани, при которой происходит быстрое замораживание ткани при температуре жидкого азота, затем высушивание в вакууме, позволяет избежать многих недостатков химической фиксации, обеспечивает мгновенную остановку всех процессов жизнедеятельности.

Окрашивание позволяет выявить большинство клеточных органоидов и структур. Применяют натуральные и синтетические красители. Натуральные красители употребляют в сочетании с протравами (окислы различных металлов), с которыми они образуют комплексные соединения. Синтетические красители бывают кислые и основные. В зависимости от этого они могут окрашивать различные участки клеток в разные цвета и тем самым повышать контрастность клеточных и внеклеточных компонентов.

Имеется ряд специфических приемов окрашивания, с помощью кот о- рых можно определить специфические химические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, аминокислоты и т. д. Это цитохимические методы. Существует целая группа цитохимических реакций, связанная с обнаружением ферментов.

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Цитофотометрия позволяет определить количество вещества в клетке и их составных элементов по поглощению ими световых лучей определенной длины волны.

Этот метод дает возможность измерять или собственное поглощение лучей химическими компонентами клетки, или количество красителя, образовавшегося в ходе цитохимической реакции в данном месте клетки. Важно, чтобы данная реакция носила количественный характер, т. е. количество окрашиваемого продукта было бы пропорционально количеству определяемого вещества.

D = lgT 0 / T ,

где D – оптическая плотность структуры; T 0 – количество света, прошедшего через пустое место препарата; T – количество света, прошедшего через поглощающую структуру.

Для определения концентрации вещества используют микроскопыцитофотометры; для определения нуклеиновых кислот и белков – ультрафиолетовую цитометрию; применяют также иммунохимические реакции с использованием флуоресцирующих антител.

Авторадиография – регистрация веществ, меченных изотопами. Используется фотографическая регистрация излучения изотопов. С помощью этого метода можно проследить динамику различных биосинтезов в конкретных морфологических структурах, определить длительность существования веществ цитоплазмы в неизменном виде, он используется для определения расположения определенных типов нуклеиновых кислот или отдельных нуклеотидных последовательностей в составе клеточных ядер или хромосом. Суть метода – обнаружение маркированных искусственным изотопом молекул с помощью фотоэмульсии, которой покрываются срезы клеток и тканей, фиксированных в разные сроки после введения меченого предшественника.

Контрастирование корпускулярных объектов широко применяется для контрастирования вирусов, рибосом, молекул нуклеиновых кислот. Одним из распространенных методов является оттенение металлами. Для контрастирования оттенением используются платина, палладий, их сплавы, уран. При негативном контрастировании объектов растворами солей тяжелых металлов применяют молибденовокислый аммоний, уранилацетат, фосфорно-вольфра- мовую кислоту. Соли тяжелых металлов используют при позитивном контрастировании.

Ультрамикротомия позволяет получать ультратонкие срезы (0,05–

МОДУЛЬ 1 ЦИТОЛОГИЯ КАК НАУКА

Лекция 3 МЕТОДЫ ЦИТОЛОГИИ И ГИСТОЛОГИИ

Специальные методы электронной микроскопии биологических объектов. Одним из распространенных, ставшим классическим методом, применяемом при структурно-биохимических исследованиях, является метод электронной микроскопии в различных его модификациях. Эти модификации обусловлены как различными подходами к анализу изучаемых структур, так и особенностями подготовки клеток для ультраструктурных исследований.

Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия позволяет анализировать не только все органоиды ядерного и цитоплазматического аппаратов, но и некоторые структуры, находящиеся на надмолекулярном уровне организации, например: опорные и сократительные микрофибриллы, микротрубочки и т. д.

Метод высоковольтной электронной микроскопии применяют на системном и субсистемном уровнях организации. Данный метод позволяет изучать «толстые» срезы или даже целые распластанные клетки, что дает возможность анализировать в целом сложную систему субмембранных фибрилл поверхностного аппарата клетки.

Метод сканирующей электронной микроскопии используется в исследовании функции поверхностного аппарата клетки, взаимосвязи отдельных субсистем поверхностного аппарата ядра и ряда других вопросов общей цитологии. Этот метод дает возможность объемного изучения поверхности объекта.

Большое значение в цитологических исследованиях имеет метод замораживания – скалывания. Это щадящий метод подготовки биологических объектов для ультраструктурного анализа. Суть метода: объект помещают в атмосферу жидкого азота. Моментально прекращаются все метаболические процессы. С замороженного объекта делают сколы. С поверхности сколов получают реплики путем нанесения на них металлической пленки. Эти пленки в дальнейшем исследуют под микроскопом.

Электронный микроскоп по принципу конструкции сходен с оптическим: источник освещения – катод электронной пушки, конденсорная система – конденсорная магнитная линза, объектив – объективная магнитная линза, окуляр – проекционные магнитные линзы, но вместо глаза электроны попадают на люминисцирующий экран или на фотопластинку. У электронного микроскопа достигнуто разрешение в 1Ао (0,1 нм). На экранах или фотопленках электронного микроскопа можно получить увеличение до 500000 раз. В дальнейшем при фотопечати можно получить еще 10-кратное увеличение.

Основы цитологии

Клетка. Клеточная теория.

Клетка - мельчайшая структура, способная к самовоспроизведению. Термин «клетка» был введен Р. Гуком в 1665 г. (он изучал с помощью микроскопа срез стебля бузины - сердцевину и пробку; хотя сам Гук видел не клетки, а их оболочки). Совершенствова­ние микроскопической техники позволило выявить разнообразие форм клеток, сложность строения ядра, процесс деления клеток и др. Микроскоп был усовершенствован Антони ван Левенгуком (его микроскопы давали увеличение в 270-300 раз).

Другие ме­тоды исследования клетки:

1. дифференцированное центрифугирование - основано на том, что различные клеточные структуры имеют разную плотность. При очень быстром вращении в приборе (ультрацентрифуге) органеллы тонко измельченных клеток выпадают в осадок из раствора, располагаясь слоями в соответствии со своей плотностью. Эти слои разделяют и изучают.
2. электронная микроскопия - используется с 30-х годов 20-го века (когда был изобретен электронный микроскоп - он дает увеличение до 10 6 раз); с помощью этого метода изучают строение мельчайших структур клетки, в т.ч. отдельных органелл и мембран.
3. авторадиография - метод, позволяющий анализировать локализацию в клетках веществ, меченных радиоактивными изотопами. Так выявляют места синтеза веществ, состав белков, пути внутриклеточного транспорта.
4. фазово-контрастная микроскопия - используется для исследования прозрачных бесцветных объектов (живых клеток). При прохождении через такую среду световые волны смещаются на величину, определяемую толщиной материала и скоростью проходящего через него света. Фазово-контрастный микроско­п преобразует эти сдвиги в черно-белое изображение.
5. рентгеноструктурный анализ - изучение клетки с помощью рентгеновских лучей.

В 1838-1839 гг. ботаником Матиасом Шлейденом и физиологом Теодором Шванном была создана клеточная теория . Ее суть заключалась в том, что основным структурным элементом всех живых организмов (растений и животных) является клетка.

1. клетка - элементарная живая система; основа строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития организмов.
2. клетки различных тканей организма и клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу.
3. новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.
4. рост и развитие любого многоклеточного организма есть следствие роста и размножения одной или нескольких исходных клеток.

Молекулярный состав клетки.

Химические элементы, входящие в состав клеток и выполняющие какие-либо функции, называются биогенными . По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делятся на три группы:

1. макроэлементы - составляют основную массу клетки - 99%. Из них 98% приходится на 4 элемента: С, О, Н и N. Также к этой группе относятся К, Мg, Са, Р, С1, S, Na, Fe.
2. микроэлементы - к ним относятся в основном ионы, входящие в состав ферментов, гормонов и др. веществ. Их концентрация от 0,001 до 0,000001 % (В, Си, Zn. Br, I, Mo и т.д.).
3. ультрамикроэлементы - их концентрация не превышает 10 -6 %, а физиологическая роль не выявлена (Аи, Аg, U, Ra).

Химические компоненты живого делятся на неорганические (вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины).

Вода. За небольшим исключением (кость и эмаль зубов), вода является преобладающим компонентом клеток - в среднем 75-85%. В клетке вода находится в свободном и связанном состоянии. Молекула воды представляет собой диполь - на одном конце отрицательный заряд, на другом - положительный, но в целом молекула электронейтральна. Вода имеет высокую теплоемкость и относительно высокую для жидкостей теплопроводность.

Биологическое значение воды: универсальный растворитель (для полярных веществ, неполярные вещества в воде не растворяются); среда для реакций, участник реакций (расщепление белков), участвует в поддержании теплового равновесия клетки; источник кислорода и водорода при фотосинтезе; основное средство передвижения веществ в организме.

Ионы и соли. Соли входят в состав костей, панцирей, раковин и т.п., т.е. выполняют опорную и защитную функции, а также участвуют в минеральном обмене. Ионы входят в состав различных веществ (железо - гемоглобин, хлор - соляная кислота в желудке, магний - хлорофилл) и участвуют в регуляторных и иных процессах, а также в поддержании гомеостаза.

Белки. По содержанию в клетке занимают первое место из органических веществ. Белки - это нерегулярные полимеры, состоящие из аминокислот. В состав белков входят 20 разных аминокислот. Аминокислота:

NH 2 -CH-COOH | R

Соединение аминокислот происходит следующим образом: аминогруппа одной кислоты соединяется с карбоксильной группой другой, при этом выделяется молекула воды. Образовавшаяся связь называется пептидной (разновидность ковалентной), а само соединение - пептидом . Соединение из большого числа аминокислот называется полипептидом . Если белок состоит только из аминокислот, то его называют простым (протеином ), если в него входят другие вещества, то сложным (протеидом ).

Пространственная организация белков включает 4 структуры:

1. Первичная (линейная) - полипептидная цепь, т.е. нить аминокислот, соединенных ковалентными связями.
2. Вторичная - белковая нить закручивается в спираль. В ней возникают водородные связи.
3. Третичная - спираль далее свертывается, образуя глобулу (клубок) или фибриллу (вытянутая структура). В ней возникают гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также ковалентные дисульфидные -S-S- связи.
4. Четвертичная - соединение нескольких макромолекул белка вместе.

Разрушение структуры белка называется денатурацией . Она бывает необратимой (если повреждается первичная структура) или обратимой (если повреждаются другие структуры).

Функции белков:

1. ферменты - это биологически активные вещества, они катализируют химические реакции. Известно более 2000 ферментов. Свойства ферментов: специфичность действия (каждый действуют только на определенное вещество - субстрат), активность только в определенной среде (каждый фермент имеет свой оптимальный диапазон рН) и при определенной температуре (при повышении температуры увеличивается вероятность денатурации, поэтому активность фермента снижается), большая эффективность действия при малом их содержании. Любой фермент имеет активный центр - это особый участок в структуре фермента, к которому присоединяется молекула субстрата. В настоящее время на основании строения ферменты делят на две основные группы: полностью белковые ферменты и ферменты, состоящие из двух частей: апофермента (белковая часть) и кофермента (небелковая часть; это ион или молекула, связывающаяся с белковой частью, образуя при этом каталитически активный комплекс). Коферментами являются ионы металлов, витамины. Без кофермента апофермент не функционирует.
2. регуляторные - гормоны.
3. транспортные - гемоглобин.
4. защитные - иммуноглобулины (антитела).
5. движение - актин, миозин.
6. строительная (структурная).
7. энергетическая - крайне редко, только после того, когда закончились углеводы и липиды.

Углеводы - органические вещества, в состав которых входит С, О и Н.Общая формула: С n (Н 2 О) n , где n не менее 3-х. Они делятся на 3 класса: моносахариды, дисахариды (олигосахариды) и полисахариды.

Моносахариды (простые углеводы) - состоят из одной молекулы, это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, имеющие сладкий вкус. Рибоза и дезоксирибоза (С 5) - входят в состав ДНК и РНК. Глюкоза (С 6 Н 12 О 6) - входит в состав полисахаридов; основной первичный источник энергии в клетке. Фруктоза и галактоза - изомеры глюкозы.

Олигосахариды - состоят из 2, 3 или 4-х остатков моносахаридов. Наиболее важны дисахариды - они состоят из 2 остатков; хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Сахароза (С 12 Н 22 О 11) - состоит из остатков глюкозы и фруктозы; широко распространена в растениях. Лактоза (молочный сахар) - состоит из глюкозы и галактозы. Важнейший источник энергии для детенышей млекопитающих. Мальтоза - состоит из 2-х молекул глюкозы. Это основной структурный элемент крахмала и гликогена.

Полисахариды - высокомолекулярные вещества, состоящие из большого числа остатков моносахаридов. Плохо растворимы в воде, не имеют сладкого вкуса. Крахмал - представлен двумя формами: амилоза (состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь) и амилопектин (состоит из остатков глюкозы, линейные и разветвленные цепи). Гликоген - полисахарид животных и грибов. По структуре напоминает крахмал, но сильнее разветвлен. Клетчатка (целлюлоза) ­ - главный структурный полисахарид растений, входит в состав клеточных стенок. Это линейный полимер.

Функции углеводов:

1. энергетическая - 1 г при полном распаде дает 17,6 кДж.
2. Структурная.
3. Опорная (у растений).
4. Запас питательных веществ (крахмал и гликоген).
5. Защитная - вязкие секреты (слизи) богаты углеводами и предохраняют стенки полых органов.

Липиды - объединяют жиры и жироподобные вещества - липоиды . Жиры - это сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая (насыщенные), олеиновая (ненасыщенная). Растительные жиры богаты ненасыщенными кислотами, поэтому они легкоплавкие, при комнатной температуре - жидкие. Животные жиры содержат в основном насыщенные кислоты, поэтому они более тугоплавкие, при комнатной температуре - твердые. Все жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных растворителях; плохо проводят тепло. К жирам относятся фосфолипиды (это основной компонент мембран клеток) - в их состав входит остаток фосфорной кислоты. К липоидам относятся стероиды, воска и др.

Функции липидов:

1. структурная
2. энергетическая - 1 г при полном распаде дает 38,9 кДж.
3. Запас питательных веществ (жировая ткань)
4. Терморегуляция (подкожный жир)
5. Поставщики эндогенной воды - при окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды (принцип верблюда)
6. Защита внутренних органов от повреждения
7. Гормоны (эстрогены, андрогены, стероидные гормоны)
8. Простагландины - регуляторные вещества, поддерживают тонус сосудов и гладких мышц, участвуют в иммунных реакциях.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, используется для работы в клетках не сразу, а сначала запасается в форме высокоэнергетического соединения - АТФ. АТФ состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы (моносахарид) и аденина (остаток азотистого основания). При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ, а если отщепляется два остатка - то АМФ. Реакция отщепления каждого остатка сопровождается освобождением 419 кДж/моль. Такая фосфорно-кислородная связь в АТФ называется макроэргической . АТФ имеет две макроэргические связи. АТФ образуется в митохондриях из АМФ, которая присоединяет сначала один, затем второй остаток фосфорной кислоты с поглощением 419 кДж/моль энергии (или из АДФ с присоединением одного остатка фосфорной кислоты).

Примеры процессов, требующих больших затрат энергии: биосинтез белка.

Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Впервые описаны в 19-ом веке (1869 г.) швейцарцем Фридрихом Мишером. Существует две разновидности нуклеиновых кислот.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

Содержание в клетке строго постоянно. В основном находится в ядре (где образует хромосомы, состоящие из ДНК и двух видов белков). ДНК - это нерегулярный биополимер, мономером которого является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и моносахарида дезоксирибозы. В ДНК существует 4 разновидности нуклеотидов: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). А и Г относятся к пуриновым основаниям, Ц и Т - к пиримидиновым. При этом в ДНК число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых, а также А=Т и Ц=Г (правило Чаргаффа).

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая спираль состоит из полинуклеотидной цепи; цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси, каждый виток спирали содержит 10 пара нуклеотидов. Цепи удерживаются вместе водородными связями, возникающими между основаниями (между А и Т - две, между Ц и Г - три связи). Полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу: напротив аденина в одной цепи всегда находится тимин другой и наоборот (А-Т и Т-А); напротив цитозина - гуанин (Ц-Г и Г-Ц). Этот принцип строения ДНК называется принципом дополнения или комплементарности.

Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Две цепи в молекуле ДНК расположены в противоположном направлении, т.е. антипараллельно.

Основная функция ДНК - хранение и передача наследственной информации.

РНК (рибонуклеиновая кислота)

1. и-РНК (информационная РНК) - содержится в ядре и цитоплазме. Ее функция - перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка.
2. т-РНК (транспортная РНК) - в основном в цитоплазме клетки. Функция: перенос молекул аминокислот к месту синтеза белка. Это самая маленькая РНК.
3. р-РНК (рибосомная РНК) - участвует в образовании рибосом. Это самая крупная РНК.

Строение клетки.

Основными компонентами клетки являются: наружная клеточная мембрана, цитоплазма и ядро.

Мембрана. В состав биологической мембраны (плазмалеммы ) входят липиды, составляющие основу мембраны и высокомолекулярные белки. Молекулы липидов полярные и состоят из несущих заряд полярных гидрофильных головок и неполярных гидрофобных хвостов (жирные кислоты). В основном в мембране содержатся фосфолипиды (они имеют в своем составе остаток фосфорной кислоты). Белки мембраны могут быть поверхностными , интегральными (пронизывают мембрану насквозь) и полуинтегральными (погружены в мембрану).

Совре­менная модель биологической мембраны получила название «универсальная жидкостно-мозаичная модель» , согласно которой глобулярные белки погружены в двойной липидный слой, при этом одни белки пронизывают его насквозь, другие - частично. Считается, что интегральные белки амфифильны, их неполярные участки погружены в двойной липидный слой, а полярные выступают наружу, образуя гидрофильную поверхность.

Субмембранная система клетки (подмембранный комплекс). Представляет собой специализированную периферическую часть цитоплазмы и занимает пограничное положение между рабочим метаболическим аппаратом клетки и плазматической мембраной. В субмембранной системе поверхностного аппарата можно выделить две части: периферическую гиалоплазму , где сосредоточены ферментативные системы, связанные с процессами трансмембранного транспорта и рецепции, и структурно оформленную опорно-сократимую систему . Опорно-сократимая система состоит из микрофибрилл, микротрубочек и ске­летных фибриллярных структур.

Надмембранные структуры клеток эукариот можно разделить на две большие категории.

1. Собственно надмембранный комплекс , или гликокаликс толщиной 10-20 нм. В его состав входят периферические белки мембраны, углеводные части гликолипидов и гликопротеинов. Гликокаликс играет важную роль в рецепторной функции, обеспечивает «индивидуализацию» клетки - в его составе сосредоточены рецепторы тканевой совместимости.
2. Производные надмембранных структур . К ним относятся специфические химические соединения, не производящиеся самой клеткой. Наиболее изучены они на микроворсинках клеток кишечного эпителия млекопитающих. Здесь ими являются гидролитические ферменты, адсорбирующиеся из полости кишки. Их переход из взвешенного в фиксированное состояние создает базу для качественно иного типа пищеварения, так называемого пристеночного пищеварения. Последнее по своей сути занимает промежуточное положение между полостным и внутриклеточным.

Функции биологической мембраны:

1. барьерная;
2. рецепторная;
3. взаимодействие клеток;
4. поддержание формы клетки;
5. ферментативная активность;
6. транспорт веществ в клетку и из нее.

Мембранный транспорт:

1. Для микромолекул. Выделяют активный и пассивный транспорт.

   К пассивному относятся осмос, диффузия, фильтрация. Диффузия - транспорт вещества в сторону меньшей концентрации. Осмос - движение воды в сторону раствора с большей концентрацией. С помощью пассивного транспорта двигаются вода, жирорастворимые вещества.

   К активному транспорту относятся: перенос веществ с участием ферментов-переносчиков и ионные насосы. Фермент-переносчик связывает переносимое вещество и «протаскивает» его внутрь клетки. Механизм ионного насоса рассматривается на примере работы калиево-натриевого насоса : во время его работы происходит перенос трех Nа+ из клетки на каждые два К+ в клетку. Насос действует по принципу открывающихся и закрывающихся каналов и по своей химической природе является белком-ферментом (расщепляет АТФ). Белок связывается с ионами натрия, изменяет свою форму, и внутри него образуется канал для прохождения ионов натрия. После прохождения этих ионов белок снова меняет форму и открывается канал, через который идут ионы калия. Все процессы энергозависимы.

   Принципиальное отличие активного транспорта от пассивного заключается в том, что он идет с затратами энергии, а пассивный - без них.

2. Для макромолекул. Происходит с помощью активного захвата мембраной клетки веществ: фагоцитоза и пиноцитоза. Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (например, уничтожение патогенных микроорганизмов макрофагами организма человека). Впервые описан И.И. Мечниковым. Пиноцитоз - процесс захвата и поглощения клеткой капель жидкости с растворенными в ней веществами. Оба процесса происходят по сходному принципу: на поверхности клетки вещество окружается мембраной в виде вакуоли, которая перемещается внутрь. Оба процесса связаны с затратой энергии.

Цитоплазма. В цитоплазме различают основное вещество (гиалоплазму, матрикс), органеллы (органоиды) и включения.

Основное вещество заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Она образует внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие друг с другом. Цитоплазма ведет себя как коллоид, способный переходить из состояния ге­ля в золь и обратно. Золь - это состояние вещества, характеризующееся низкой вязкостью и лишенное сшивок между микрофиламентами. Гель - это состояние вещества, характеризующееся высокой вязкостью и наличием связей между микрофиламентами. Наружный слой цитоплазмы, или эктоплазма, отличается более высокой плотностью и лишена гранул. Примеры процессов, осуществляющихся в матриксе: гликолиз, распад веществ до мономеров.

Органеллы - структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке специфические функции.

Органеллы бывают:

1. мембранные (одно- и двумембранные (митохондрии и пластиды)) и немембранные.
2. органеллы общего значения и специальные. К первым относятся: ЭПС, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы и полисомы, лизосомы, клеточный центр, микротельца, микротрубочки, микрофиламенты. Органеллы специаль­ного назначения (присутствуют в клетках, выполняющих специализированные функции): реснички и жгутики (движение клетки), микроворсинки, синаптические пузырьки, миофибриллы.

Клеточные включения - это непостоянные образования, то возникающие, то исчезающие в процессе жизнедеятельности клетки, т.е. это продукты клеточного метаболизма. Чаще всего находятся в цитоплазме, реже в органеллах или в ядре. Включения представлены главным образом гранулами (полисахариды: гликоген у животных, крахмал у растений; реже белки - в цитоплазме яйцеклеток), каплями (липиды) и кристаллами (оксалат кальция). К клеточным включениям относятся также некоторые пигменты - желтый и коричневый липофусцин (накапливается в процессе старения клеток), ретинин (входит в состав зрительного пигмента), гемоглобин, меланин и т.п.

Ядро. Основная функция ядра - хранение наследственной информации. Компонентами ядра являются ядерная оболочка, нуклеоплазма (ядерный сок), ядрышко (одно или два), глыбки хроматина (хромосомы). Ядерная оболочка эукариотической клетки обособляет наследственный материал (хромосомы) от цитоплаз­мы, в которой осуществляются многообразные метаболические реакции. Ядерная оболочка состоит из 2-х биологических мембран. Через определенные интервалы обе мембраны сливаются друг с другом, образуя поры - это отверстия в ядерной мембране. Через них происходит обмен веществ с цитоплазмой.

Основу нуклеоплазмы составляют белки, в том числе и фибриллярные. Она содержит ферменты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и рибосом. Также в ядерном соке содержится РНК.

Ядрышки - это место сборки рибосом, это непостоянные структуры ядра. Они исчезают в начале деления клетки и вновь появляются к его концу. В ядрышке различают аморфную часть и ядрышковую нить. Обе составляющие построены из филаментов и гранул, состоящие из белков и РНК.

Хромосомы. Хромосомы состоят из ДНК, которая окружена белками двух типов: гистоновыми (основными) и негистоновыми (кислыми). Хромосомы могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: спирализованном и деспирализованном . Частично или полностью деконденсированное (деспирализованное) состояние называется рабочим, т.к. в этом состоянии происходят процессы транскрипции и редупликации. Неактивное состояние - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсации, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

В интерфазе хромосомы представлены клубком тонких нитей, который различим только под электронном микроскопом. Во время деления хромосомы укорачиваются и утолщаются, они спирализованы и хорошо видны под микроскопом (лучше всего в стадии метафазы). В это время хромосомы состоят из двух хроматид, связанных первичной перетяжкой, которая делит каждую хроматиду на два участка - плеча.

По месту расположения первичной перетяжки выделяют несколько видов хромосом:

1. метацентрические или равноплечие (оба плеча хромосомы имеют одинаковую длину);
2. субметацентрические или неравноплечие (плечи хромосомы несколько отличаются по размеру);
3. акроцентрические (одно плечо очень короткое).

Метаболизм клетки.

Это одно из основных свойств живого. Метаболизм возможен благодаря тому, что живые организмы являются открытыми системами, т.е. между организмом и окружающей средой постоянно происходит обмен веществ и энергией. Метаболизм протекает во всех органах, тканях и клетках, обеспечивая самообновление морфологических структур и химического состава цитоплазмы.

Метаболизм складывается из двух процессов: ассимиляции (или пластиче­ского обмена) и диссимиляции (или энергетического обмена). Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность всех процессов биосинтеза, проходящих в живых организмах. Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность всех процессов распада сложных веществ на простые с выделением энергии, проходящих в живых организмах.

По способу ассимиляции и в зависимости от вида используемой энергии и исходных веществ, организмы делятся на автотрофов (фотосинтетики и хемосинтетики) и гетеротрофов. Автотрофы - это организмы, самостоятельно синтезирующие органические вещества, используя для этого энергию Солнца (фотоавтотрофы ) или энергию окисления неорганических веществ (хемоавтотрофы ). К автотрофам относят растения, бактерии, сине-зеленые. Гетеротрофы - это организмы, получающие готовые органические вещества вместе с пищей. К ним относятся животные, грибы, бактерии.

Роль автотрофов в круговороте веществ огромна: 1) они трансформируют энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ, которая используется всеми остальными живыми существами нашей планеты; 2) насыщают атмосферу кислородом (фотоавтотрофы), который необходим большинству гетеротрофов для получения энергии путем окисления органических веществ. Гетеротрофы также играют важную роль в круговороте веществ: они выделяют неорганические вещества (углекислый газ и вода), используемые автотрофами.

Диссимиляция. Все гетеротрофные организмы получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, т.е. таких, в которых электроны переносятся от доноров электронов-восстановителей к акцепторам электронов - окислителям.

Энергетический обмен у аэробных организмов складывается из трех этапов:

1. подготовительного , который проходит в желудочно-кишечном тракте или в клетке под действием ферментов лизосом. Во время этого этапа происходит распад всех биополимеров до мономеров: белки распадаются сначала до пептидов, затем - до аминокислот; жиры - до глицерина и жирных кислот; углеводы - до моносахаридов (до глюкозы и ее изомеров).
2. бескислородного (или анаэробного), который проходит в матриксе цитоплазмы. Этот этап называют гликолизом . Под действием ферментов глюкоза расщепляется до двух молекул ПВК. При этом выделяется 4 атома Н, которые акцептируются веществом под названием НАД + (никотинамидадениндинуклеотид). При этом НАД + восстанавливается в НАД*Н (эта запасенная энергия в дальнейшем будет использоваться для синтеза АТФ). Также за счет распада глюкозы образуется 4 молекулы АТФ из АДФ. При этом 2 молекулы АТФ расходуется во время химических реакций гликолиза, поэтому суммарный выход АТФ после гликолиза составляет 2 молекулы АТФ.
3. кислородного , который проходит в митохондриях. Две молекулы ПВК поступают на ферментативный кольцевой «конвейер», который называют циклом Кребса или циклом трикарбоновых кислот. Все ферменты этого цикла находятся в митохондриях.

Попадая в митохондрии, ПВК окисляется и превращается в богатое энергией вещество - ацетил коэнзим А (это производное уксусной кислоты). Далее это вещество реагирует с ЩУК, образуя лимонную кислоту (цитрат), коэнзим А, протоны (акцептируются НАД + , который превращается в НАД*Н) и углекислый газ. В дальнейшем лимонная кислота окисляется и вновь превращается в ЩУК, которая реагирует с новой молекулой ацетил коэнзима А, и весь цикл повторяется заново. Во время этого процесса накапливается энергия в виде АТФ и НАД*Н.

Следующая стадия - превращение энергии, запасенной в НАД*Н, в энергию связей АТФ. В ходе этого процесса электроны от НАД*Н перемещаются по многоступенчатой цепи переноса электронов к конечному акцептору - молекулярному кислороду. При переходе электронов со ступени на ступень выделяется энергии, которая используется для превращения АДФ в АТФ. Поскольку в этом процессе окисление сопряжено с фосфорилированием, то весь процесс называют окислительным фосфорилированием (этот процесс был открыт русским ученым В.А. Энгельгардтом; он происходит на внутренней мембране митохондрий). В конце этого процесса образуется вода. Во время кислородного этапа образуется 36 молекул АТФ.

Таким образом, конечными продуктами распада глюкозы являются углекислый газ и вода. При полном распаде одной молекулы глюкозы выделяется 38 молекул АТФ. При нехватке кислорода в клетке происходит окисление глюкозы с образованием молочной кислоты (например, при интенсивной работе мышц - бег и т.п.). В результате этого образуется только две молекулы АТФ.

Необходимо отметить, что источником энергии могут служить не только молекулы глюкозы. Жирные кислоты также окисляются в клетке до ацетил коэнзима А, поступающий в цикл Кребса; при этом также происходит восстановление НАД + в НАД*Н, который участвует в окислительном фосфорилировании. При острой нехватке в клетке глюкозы и жирных кислот окислению подвергаются многие аминокислоты. Их них также образуется ацетил коэнзим А или органические кислоты, участвующие в цикле Кребса.

При анаэробном способе диссимиляции отсутствует кислородный этап, и энергетический обмен у анаэробов получил название «брожение». Конечные продукты диссимиляции при брожении - молочная кислота (молочно-кислые бактерии) или этиловый спирт (дрожжи). При таком типе обмена из одной молекулы глюкозы выделяется 2 молекулы АТФ.

Т.о., аэробное дыхание почти в 20 раз энергетически более выгодно, чем анаэробное.

Фотосинтез. Жизнь на Земле полностью зависит от фотосинтеза растений, поставляющих органическое вещество и О 2 всем организмам. При фотосинтезе происходит преобразование световой энергия в энергию химических связей.

Фотосинтез - это образование органических веществ из неорганических при участии солнечной энергии. Этот процесс был открыт К.А. Тимирязевым в 19-ом веке. Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

Фотосинтез осуществляется в растениях, имеющих пластиды - хлоропласты . Хлоропласты имеют две мембраны, внутри - матрикс. У них хорошо развита внутренняя мембрана, имеющая складки, между которыми находятся пузырьки - тилакоиды . Часть тилакоидов собрано наподобие стопки в группы, называемые гранами . В гранах находятся все фотосинтетические структуры; в строме, окружающей тилакоиды, находятся ферменты, восстанавливающие углекислый газ до глюкозы. Основной пигмент хлоропластов - хлорофилл , по строению напоминающий гем человека. В состав хлорофилла входит атом магния. Хлорофилл поглощает синие и красные лучи спектра и отражает зеленые. Также могут присутствовать другие пигменты: желтые каротиноиды и красные или синие фикобилины. Каротиноиды маскируются хлорофиллом; они поглощают свет, не доступный для других пигментов и передают его хлорофиллу.

В составе хлоропластов есть две фотосистемы разного строения и состава: фотосистема I и II. Фотосистема I имеет реакционный центр, представляющий собой молекулы хлорофилла в комплексе с особым белком. Этот комплекс поглощает свет с длиной волны 700 нм (поэтому его называют фотохимическим центром Р700). В фотосистеме II также имеется реакционный центр - фотохимический центр Р680.

Фотосинтез имеет две стадии: световую и темновую.

Световая стадия. Энергия света поглощается хлорофиллом и переводит его в возбужденное состояние. Электрон в составе фотохимического центра Р700 поглощает свет, перемещается на более высокий энергетический уровень и переносится на НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), восстанавливая его в НАДФ*Н. В молекуле хлорофилла фотосистемы I остаются «дыры» - незаполненные места для электронов. Эти «дыры» заполняются электронами, пришедшими из фотосистемы II. Под действием света электрон хлорофилла в фотохимическом центре Р680 также приходит в возбужденное состояние и начинает перемещаться по цепи переносчиков электронов. В конечном итоге этот электрон приходит в фотосистему I, заполняя в ней свободные места. При этом электрон теряет часть энергии, которая расходуется на образование АТФ из АДФ.

Также в хлоропластах под действием солнечного света происходит расщепление воды - фотолиз , при котором образуются электроны (поступают в фотосистему II и занимают место электронов, ушедших в цепь переносчиков), протоны (акцептируются НАДФ +) и кислород (как побочный продукт):

2Н 2 О = 4Н + + 4е – + О 2

Таким образом, в результате световой стадии происходит накопление энергии в виде АТФ и НАДФ*Н, а также образование кислорода.

Темновая стадия. Не требует наличия света. Молекула углекислого газа при помощи ферментов реагирует с 1,5 рибулезодифосфатом (это производное рибозы). Образуется промежуточное соединение С 6 , которое разлагается водой на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (С 3). Из этих веществ путем сложных реакций синтезируется фруктоза, которая далее превращается в глюкозу. Для этих реакций требуется 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н. Из глюкозы в растениях образуется крахмал и целлюлоза. Фиксация СО 2 и превращение его в углеводы носит циклический характер и называется циклом Кальвина .

Значение фотосинтеза для сельского хозяйства велико - именно от него зависит урожай сельскохозяйственных культур. При фотосинтезе растение использует лишь 1-2% солнечной энергии, поэтому имеется огромная перспектива повышения урожайности благодаря селекции сортов с более высокой эффективностью фотосинтеза. Для повышения эффективности фотосинтеза применяют: искусственное освещение (дополнительная подсветка лампами дневного света в пасмурные дни или весной и осенью) в теплицах; отсутствие затенения культурных растений, соблюдение необходимых расстояний между растениями и т.п.

Хемосинтез . Это процесс образования органических веществ из неорганических при использовании энергии, полученной при окислении неорганических веществ. Эта энергия запасается в виде АТФ. Хемосинтез открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 19-ом веке (1889-1890 гг.). Этот процесс возможен у бактерий: серобактерии (окисляют сероводород до серы и даже до серной кислоты); нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до азотной кислоты).

Репликация ДНК (удвоение ДНК). В результате этого процесса образуется две двойные спирали ДНК, которые ничем не отличаются от исходной (материнской). Сначала с помощью особого фермента (геликаза) двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы происходит синтез дочерних цепей ДНК. На одной из цепей процесс идет непрерывно - эта цепь называется лидирующей. Вторая цепь ДНК синтезируется короткими фрагментами (фрагментами Оказаки ), которые «сшиваются» вместе с помощью специальных ферментов. Эта цепь называется отстающей или запаздывающей.

Участок между двумя точками, в которых начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном . У эукариот в ДНК имеется много репликонов, у прокариот только один репликон. В каждом репликоне можно видеть репликативную вилку - ту часть молекулы ДНК, которая уже расплелась.

Репликация основана на ряде принципов:

1. комплементарности (А-Т, Ц-Г) антипараллельности. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию: один конец несет ОН-группу, присоединенную к 3"-углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты в 5"-положении сахара. Две цепи ДНК ориентированы в противоположных направлениях, т.е. антипараллельно. Фермент ДНК-полимераза может передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении: от их 3"-концов к 5"-концам. Поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно.
2. полуконсервативности. Образуются две дочерние спирали, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК
3. прерывистости. Чтобы новые нити ДНК могли образоваться, материнские цепи должны быть полностью раскручены и вытянуты, что невозможно; поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах.

Биосинтез белка. Примером пластического обмена у гетеротрофных организмов является биосинтез белка. Все основные процессы в организме связаны с белками, причем в каждой клетке постоянно происходит синтез белков, свойственных данной клетке и необходимых в данный период жизни клетки. Информация о молекуле белка зашифрована в молекуле ДНК с помощью триплетов или кодонов.

Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в и-РНК.

Свойства кода:

1. Триплетность - каждая аминокислота зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов. Эта последовательность называется триплетом или кодоном.
2. Вырожденность или избыточность - каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от 2 до 6). Исключение составляют метионин и триптофан - каждая из них кодируются одним триплетом.
3. Однозначность - каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.
4. Между генами имеются «знаки препинания» - это три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых не кодирует аминокислоты. Эти триплеты находятся в конце каждого гена. Внутри гена «знаков препинания» нет.
5. Универсальность - гентический код един для всех живых существ планеты Земля.

В биосинтезе белка различают три этапа - транскрипцию, посттранскрипционные процессы и трансляцию.

Транскрипция - это процесс синтеза и-РНК, осуществляемый ферментом РНК-полимера-зой. Происходит в ядре. Транскрипция осуществляется по правилу комплементарности. По длине и-РНК соответствует одному или нескольким генам. В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:

1. связывание РНК-полимеразы с промотором (это участок для прикрепления фермента).
2. инициация - начало синтеза.
3. элонгация - рост цепи РНК; последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды нити ДНК. Ее скорость - до 50 нуклеотидов в секунду.
4. терминация - завершение синтеза пре-и-РНК.

Посттранскрипционные процессы. После образования пре-и-РНК начинается созревание или процессинг и-РНК. При этом из молекулы РНК удаляются интронные участки с последующим соединением экзонных участков (этот процесс называют сплайсингом ). После этого зрелая и-РНК выходит из ядра и направляется к месту синтеза белка (к рибосомам).

Трансляция - это синтез полипептидных цепей белков, выполняемый по матрице и-РНК в рибосомах.

Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосомы с помощью т-РНК. Молекула транспортной РНК имеет форму листа клевера, на вершине которого имеется последовательность из трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в и-РНК. Эта последовательность называется антикодоном . Фермент (кодаза) опознает т-РНК и присоединяет к ней соответствующую аминокислоту (тратится энергия одной молекулы АТФ).

Биосинтез белка начинается с того (у бактерий), что кодон АУГ, расположенный на первом месте в копии с каждого гена, занимает место на рибосоме в донорном участке и к нему присоединяется т-РНК, несущая формилметионин (это измененная форма аминокислоты метионина). После завершения синтеза белка формилметионин отщепляется от полипептидной цепочки.

На рибосоме имеются два участка для связывания двух молекул т-РНК: донорный и акцепторный . В акцепторный участок поступает т-РНК с аминокислотой и присоединяется к своему кодону и-РНК. Аминокислота этой т-РНК присоединяет к себе растущую цепь белка, между ними возникает пептидная связь. т-РНК, к которой присоединен растущий белок, перемещается вместе с кодоном и-РНК в донорный участок рибосомы. В освободившийся акцепторный участок приходит новая т-РНК с аминокислотой, и все повторяется заново. Когда на рибосоме оказывается один из знаков препинания, ни одна из т-РНК с аминокислотой не может занять акцепторный участок. Полипептидная цепь отрывается и покидает рибосому.

Клетки разных тканей организма продуцируют разные белки (амилаза - клетки слюнных желез; инсулин - клетки поджелудочной железы и т.п.). При этом все клетки организма образовались из одной оплодотворенной яйцеклетки путем многократного деления с помощью митоза, т.е. имеют одинаковый генетический набор. Эти отличия связаны с тем, что в разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, т.е. образуются разные и-РНК, по которым и синтезируются белки. Специализация клетки определяется не всеми генами, а только теми, с которых информация была прочтена и реализована в белки. Т.о., в каждой клетке реализуется только часть наследственной информации, а не вся информация целиком.

Регуляции генной активности при синтезе отдельных белков на примере бактерий (схема Ф.Жакоба и Ж Моно).

Известно, что пока в питательной среде, где обитают бактерии, не добавят сахар, в клетке бактерий нет ферментов, необходимых для его расщепления. Но через несколько секунд после добавления сахара в клетке синтезируются все необходимые ферменты.

Ферменты, участвующие в одной цепи превращения субстрата в конечный продукт, закодированы в расположенных друг за другом структурных генах одного оперона. Оперон - это группа генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Между структурными генами и промотором (место посадки РНК-полимеразы) есть участок, называемый оператором . Он так называется, потому что именно с него начинается синтез и-РНК. С оператором взаимодействует специальный белок - репрессор (подавитель) . Пока репрессор находится на операторе, синтез и-РНК не может начаться.

Когда в клетку попадает субстрат, для расщепления которого нужны белки, закодированные в структурных генах данного оперона, одна из молекул субстрата взаимодействует с репрессором. Репрессор теряет способность взаимодействовать с оператором и отходит от него; начинается синтез и-РНК и образование соответствующих белков на рибосоме. Как только последняя молекула субстрата будет преобразована в конечное вещество, освобожденный репрессор возвратится на оператор и заблокирует синтез и-РНК.

Использованная литература:

1. Ю. Ченцов «Введение в клеточную биологию» (2006)
2. В.Н. Ярыгин (редактор) «Биология» (в двух томах, 2006)
3. О.В. Александровская и др. «Цитология, гистология и эмбриология» (1987)
4. А.О. Рувимский (редактор) «Общая биология» (учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии) - на мой взгляд, это один из лучших учебников по общей биологии для абитуриентов, хотя и не без недостатков.

Большая медицинская энциклопедия

Цитология – наука о строении, функциях и развитии клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий.

Этимология термина цитология: (греч. язык) kytos - вместилище, клетка + logos учение.

Цитологические исследования имеют существенное значение для диагностики заболеваний человека и животных.

Различают общую и частную цитологию.

Общая цитология (биология клетки) изучает общие для большинства типов клеток структуры, их функции, метаболизм, реакции на повреждение, патологические изменения, репаративные процессы и приспособление к условиям среды.

Частная цитология исследует особенности отдельных типов клеток в связи с их специализацией (у многоклеточных организмов) или эволюционной адаптацией к среде обитания (у протистов и бактерий).

Развитие цитологии исторически связано с созданием и усовершенствованием микроскопа и гистологических методов исследования. Термин «клетка» впервые был применен B. Hooke (1665 год), описавшим клеточное строение (точнее – целлюлозные оболочки клеток) ряда растительных тканей. В XVII веке наблюдения Гука были подтверждены и развиты М. Мальпиги и N. Grew, (1671 год), A. Левенгуком. В 1781 году F. Fontana опубликовал рисунки животных клеток с ядрами.

В первой половине XIX веке начало формироваться представление о клетке как об одной из структурных единиц организма. В 1831 г. R. Brown обнаружил в клетках растений ядро, дал ему наименование «nucleus» и предположил о наличии этой структуры у всех растительных и животных клеток. В 1832 г. В. С. Dumortier, а в 1835 г. H. Mohl наблюдали деление растительных клеток. В 1838 г. М. Шлейден описал ядрышко в ядрах растительных клеток.

Распространённость клеточного строения в животном царстве была показана исследованиями R. J. Н. Dutrochet (1824), F. V. Raspail (1827), школ Я. Пуркинье и И. Мюллера. Я. Пуркинье первым описал ядро животной клетки в 1825 году, разработал способы окраски и просветления клеточных препаратов, применил термин «протоплазма», был одним из первых, кто попытался сопоставить структурные элементы животных и растительных организмов (1837).

В 1838-1839 гг. Т. Шванн сформулировал клеточную теорию, в которой клетка рассматривалась как основа строения, жизнедеятельности и развития всех животных и растений. Концепция Т. Шванна о клетке как о первой ступени организации, обладающей всем комплексом свойств живого, сохранила свое значение и в паст настоящее время.

Превращению клеточной теории в универсальное биологическое учение способствовало раскрытие природы простейших. В 1841-1845 гг. С. Th. Siebold сформулировал понятие об одноклеточных животных и распространил на них клеточную теорию.

Важным этапом в развитии цитологии было создание Р. Вирховом учения о целлюлярной патологии. Он рассматривал клетки как материальный субстрат болезней, что привлекло к их изучению не только анатомов и физиологов, но и патологов. Р. Вирхов также постулировал происхождение новых клеток только из предсуществующих. В значительной мере под влиянием трудов Р. Вирхова и его школы начался пересмотр взглядов на природу клеток. Если ранее важнейшим структурным элементом клетки считалась её оболочка, то в 1861 г. М. Schultze дал новое определение клетки как «комочка протоплазмы, внутри которого лежит ядро»; то есть ядро окончательно было признано обязательной составной частью клетки. В том же 1861 г. Е. W. Brucke показал сложность строения протоплазмы.

Обнаружение органоидов клетки – клеточного центра, митохондрий, комплекса Гольджи, а также открытие в клеточных ядрах нуклеиновых кислот способствовали установлению представлений о клетке как о сложной многокомпонентной системе. Изучение процессов митоза [Е. Strasburger (1875); П. И. Неремежко (1878); В. Флемминг (1878)] привело к открытию хромосом, установлению правила видового постоянства их числа (К. Rabl, 1885] и созданию теории индивидуальности хромосом (Th. Boveri, 1887). Эти открытия наряду с изучением процессов оплодотворения, биологическую сущность которого выяснил О. Гертвиг (1875), фагоцитоза, реакций клеток на раздражители способствовали тому, что в конце 19 в. цитология становится самостоятельным разделом биологии. J. В. Carnoy (1884) впервые ввел понятие «биология клетки» и сформулировал представление о цитологии как науке, изучающей форму, структуру, функцию и эволюцию клеток.

Большое влияние на развитие цитологию оказало установление Г. Менделем законов наследования признаков и последующая трактовка их, данная в начале 20 в. Эти открытия привели к созданию хромосомной теории наследственности и формированию в цитологии нового направления – цитогенетики, а также кариологии.

Крупным событием в науке о клетке стала разработка метода культуры тканей и его модификаций – метода однослойных культур клеток, метода органных культур фрагментов ткани на границе питательной среды и газовой фазы, метода культуры органов или их фрагментов на оболочках куриных эмбрионов, в тканях животных или в питательной среде. Они дали возможность в точение длительного времени наблюдать за жизнедеятельностью клеток вне организма, детально изучать их движение, деление, дифференцировку и др. Особенно широкое распространение получил метод однослойных клеточных культур , сыгравший большую роль в развитии не только цитологии, но и вирусологии, а также в получении ряда противовирусных вакцин. Прижизненному изучению клеток в большой степени способствует микрокиносъемка, фазово-контрастная микроскопия, люминесцентная микроскопия, микрургия, витальная окраска. Эти методы позволили получить много новых сведений о функциональном значении ряда клеточных компонентов.

Введение в цитологию количественных методов исследования привело к установлению закона видового постоянства размеров клеток , уточненного впоследствии Е. М. Вермелем и известного как закон постоянства минимальных клеточных размеров. W. Jacobi (1925) обнаружил феномен последовательного удвоения объема ядер клеток, что во многих случаях соответствует удвоению числа хромосом в клетках. Были выявлены также изменения размеров ядер, связанные с функциональным состоянием клеток как в нормальных условиях , так и при патологии (Я. Е. Хесип, 1967).

Методы химического анализа в цитологии начал применять ещё в 1825 г. Распай. Однако решающее значение для развития цитохимии имели работы L. Lison (1936), D. Glick (1949), A. G. Е. Реаrse (1953). Большой вклад в развитие цитохимии внесли также Б. В. Кедровский (1942, 1951), А. Л. Шабадаш (1949), Г. И. Роскин и Л. Б. Левинсон (1957).

Разработка методов цитохимического выявления нуклеиновых кислот, в частности реакции Фейльгена и метода Эйнарсопа, в сочетании с цитофотометрией позволили в значительной мере уточнить представления о трофике клеток, о механизмах и биологическом значении полиплоидизации (В. Я. Бродский, И. В. Урываева, 1981).

В первой половине 20 в. начинает выясняться функциональная роль внутриклеточных структур. В частности, работами Д. Н. Насонова (1923) было установлено участие комплекса Гольджи в формировании секреторных гранул. G. Ноgeboom в 1948 году доказал, что митохондрии являются центрами клеточного дыхания. Н. К. Кольцов впервые сформулировал представление о хромосомах как носителях молекул наследственности, а также ввел в цитологию понятие «цитоскелет».

Научно-техническая революция середины XX века привела к бурному развитию цитологии и пересмотру ряда её представлений. С помощью электронной микроскопии было изучено строение и во многом раскрыты функции ранее известных органоидов клеток, открыт целый мир субмикроскопических структур. Эти открытия связаны с именами К. R. Porter, Н. Ris, W. Bernhard и других выдающихся ученых. Изучение ультраструктуры клеток позволило разделить весь живой органический мир на эукариот и прокариот.

Развитие молекулярной биологии показало принципиальную общность генетического кода и механизмов синтеза белка на матрицах нуклеиновых кислот для всего органического мира, включая царство вирусов. Новые методы выделения и изучения клеточных компонентов, развитие и усовершенствование цитохимических исследований, особенно цитохимии ферментов, применение радиоактивных изотопов для изучения процессов синтеза клеточных макромолекул, внедрение методов электронной цитохимии, применение меченных флюорохромами антител для изучения с помощью люминесцентного анализа локализации индивидуальных клеточных белков, методы препаративного и аналитического центрифугирования значительно расширили границы цитологии и привели к стиранию чётких граней между цитологией, биологией развития, биохимией, молекулярной биофизикой и молекулярной биологией.

Из чисто морфологической науки недавнего прошлого современная цитология развилась в экспериментальную дисциплину, постигающую основные принципы деятельности клетки и через нее – основы жизни организмов. Разработка методов пересадки ядер в энуклеированные клетки J. В. Gurdon (1974), соматической гибридизации клеток G. Barsk (1960), Н. Harris (1970), В. Ephrussi (1972) дала возможность изучить закономерности реактивации генов, определить локализацию многих генов в хромосомах человека и приблизиться к решению ряда практических задач медицины (например, к анализу природы малигнизации клеток), а также народного хозяйства (например, получение новых сельскохозяйственных культур и др.). На базе методов гибридизации клеток была создана технология получения стационарных антител гибридных клеток, продуцирующих антитела заданной специфичности (моноклональные антитела). Их уже используют для решения ряда теоретических вопросов иммунологии, микробиологии и вирусологии. Начинается применение этих клонов для усовершенствования диагностики и лечения ряда болезней человека, изучения эпидемиологии инфекционных болезней и др. Цитологический анализ взятых у больных клеток (нередко после их культивирования вне организма) имеет значение для диагностики некоторых наследственных болезней (например, пигментной ксеродермы, гликогенозов) и изучения их природы. Намечаются также перспективы применения достижений цитологии для лечения генетических болезней человека, профилактики наследственной патологии, создания новых высокопродуктивных штаммов бактерий, повышения урожайности растений.

Многогранность проблем исследования клетки, специфика и разнообразие методов её изучения обусловили в настоящее время формирование в цитологии шести основных направлений:

1. Цитоморфологии , изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования которой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (темнопольный конденсор, фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия).
2. Цитофизиологии , изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие её внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приёмы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии.
3. Цитохимии , исследующей молекулярную организацию клетки и её отдельных компонентов, а также химические изменения, связанные с процессами обмена веществ и функциями клетки; цитохимические исследования проводят светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами цитофотометрии, ультрафиолетовой и интерференционной микроскопии, авторадиографии и фракционного центрифугирования с последующим химическим анализом различных фракций.
4. Цитогенетики , изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов.
5. Цитоэкологии , исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним.
6. Цитопатологии , предметом которой является изучение патологических процессов в клетке.

Наряду с традиционными в нашей стране развиваются и такие новые направления цитологии как ультраструктурная патология клетки, вирусная цитопатология, цитофармакология – оценка действия лекарственных препаратов методами цитологии на культурах клеток, онкологическая цитология, космическая цитология, изучающая особенности поведения клеток в условиях космических полетов.

Большая медицинская энциклопедия 1979 г.