Основные этапы развития цитологии

История открытия клетки

Цитология («cytos» - ячейка, клетка) наука о клетке. Современная цитология изучает: строение клеток, их формирование как элементарных живых систем, исследует формирование отдельных клеточных компонентов, процессы воспроизведения клеток, репарации, приспособления к условиям среды и другие процессы. Другими словами, современная цитология – это физиология клетки.

Развитие учения о клетке тесно связано с изобретением микроскопа (от греческого «микрос» – небольшой, «скопео» – рассматриваю). Это связано 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.

Первый микроскоп был сконструирован в 1610 г. Галилеем и представлял собой сочетание линз в свинцовой трубке (рис. 1.1). А до этого открытия в 1590 г. изготовлением стекол занимались голландские мастера Янсены.

Рис. 1.1. Галилео Галилей (1564-1642)

Впервые микроскоп для исследований применил английский физик и естествоиспытатель Р. Гук (рис. 1.2, 1.4). В 1665 г. он впервые описал клеточное строение пробки и ввел термин «клетка»(рис. 1.3). Р. Гук сделал первую попытку подсчитать количество клеток в определенном объеме пробки.

Он сформулировал представление о клетке как о ячейке, полностью замкнутой со всех сторон и установил факт клеточного строения растительных тканей. Эти два основных вывода и определили направление дальнейших исследований в этой области.

Рис. 1.2. Роберт Гук (1635-1703гг)

Рис. 1.3. Клетки пробки, которые изучал Роберт Гук

Рис. 1.4. Микроскоп Роберта Гука

В 1674 году голландский торговец Антонио ван Левенгук с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы (одноклеточные организмы, форменные элементы крови, сперматозоиды) и сообщил об этом научному обществу (рис. 1.5, 1.6) . Описания этих «анималькусов» снискали голландцу мировую известность, пробудили интерес к изучению живого микромира.

Рис. 1.5. Антонио ван Левенгук (1632-1723)

Рис. 1.6. Микроскоп Антонио ван Левенгука

В 1693 г. во время пребывания Петра I в Дельфе А. Левенгук продемонстрировал ему, как движется кровь в плавнике рыбы. Эти демонстрации произвели на Петра I такое большое впечатление, что вернувшись в Россию, он создал мастерскую оптических приборов. В 1725 году организована Петербургская академия наук.

Талантливые мастера И.Е. Беляев, И.П. Кулибин изготавливали микроскопы (рис. 1.7, 1.8, 1.9) , в конструировании которых принимали участие академики Л.Эйлер, Ф. Эпинус.

Рис. 1.7. И.П. Кулибин (1735-1818)

Рис. 1.8. И.Е. Беляев

Рис. 1.9. Микроскопы, изготовленные русскими мастерами

В 1671–1679 гг. итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги дал первое систематическое описание микроструктуры органов растений, положившее начало анатомии растений (рис. 1.10) .

Рис. 1.10. Марчелло Мальпиги (1628-1694)

В 1671–1682 гг. англичанин Неемия Грю подробно описал микроструктуры растений; ввел термин «ткань» для обозначения понятия совокупности «пузырьков», или «мешочков» (рис. 1.11) . Оба эти исследователя (они работали независимо друг от друга) дали изумительные по точности описания и рисунки. Они пришли к одному и тому же выводу относительно всеобщности построения растительной ткани из пузырьков.

Рис. 1.11. Неемия Грю (1641-1712)

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 подготовили почву для открытия клеточной теории.

Один из основоположников эмбриологии и сравнительной анатомии, академик Петербургской академии наук Карл Максимович Бэр показал, что клетка – единица не только строения, но и развития организмов (рис. 1.12) .

Рис. 1.12. К.М. Бэр (1792-1876гг)

В 1759 г немецкий анатом и физиолог Каспар Фридрих Вольф доказал, что клетка есть единица роста (рис. 1.13) .

Рис. 1.13. К.Ф. Вольф (1733–1794)

1830-е гг. чешский физиолог и анатом Я.Э. Пуркине (рис. 1.14) , немецкий биолог И.П. Мюллер доказали, что клеточная организация является универсальной для всех видов тканей.

Рис. 1.14. Я.Э. Пуркине (1787-1869)

В 1833 г. британский ботаник Р. Броун (рис. 1.15) описал ядро растительной клетки.

Рис. 1.15. Роберт Броун (1773-1858)

В 1837 году Маттиас Якоб Шлейден (рис. 1.16) предложил новую теорию образования растительных клеток, признавая решающую роль в этом процессе клеточного ядра. В 1842 он впервые обнаружил ядрышки в ядре.

Согласно современным представлениям, конкретные исследования Шлейдена содержали ряд ошибок: в частности, Шлейден считал, что клетки могут зарождаться из бесструктурного вещества, а зародыш растения - развиваться из пыльцевой трубки (гипотеза самозарождения жизни).

Рис. 1.16. Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881гг)

Немецкий цитолог, гистолог и физиолог Теодор Шванн (рис. 1.17) ознакомился с трудами немецкого ботаника М. Шлейдена, которые описывали роль ядра в растительной клетке. Сопоставляя эти работы с собственными наблюдениями, Шванн разработал собственные принципы клеточного строения и развития живых организмов.

В 1838 году Шванн опубликовал три предварительных сообщения клеточной теории, а в 1839 году - труд «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», где опубликовал основные принципы теории клеточного строения живых организмов.

Ф. Энгельс утверждал, что создание клеточной теории было одним из трёх величайших открытий в естествознании XIX века, наряду с законом превращения энергии и эволюционной теории.

Рис. 1.17. Теодор Шванн (1810- 1882гг)

В 1834–1847 гг. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге П.Ф. Горянинов (рис. 1.18) 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 …». Он отметил в своих исследованиях, что все животные и растения состоят из соединенных между собой клеток, которые он назвал пузырьками, то есть высказал мнение об общем плане строения растений и животных.

Рис. 1.18. П.Ф. Горянинов (1796-1865)

В истории развития клеточной теории можно выделить два этапа:

1) период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных (около 300 лет);

2) период обобщения имеющихся данных в 1838 году и формулирование постулатов клеточной теории;

В ходе цитологического исследования изучают структуру клеток для выявления злокачественных, доброкачественных опухолей и поражений неопухолевой природы. Основное назначение исследования – подтверждение или опровержение факта злокачественности взятых для анализа клеток.

Методы цитологического исследования основаны на изучении под микроскопом строения клеток, клеточного состава жидкостей и тканей.

Различают такие методы цитологических исследований:

• световая микроскопия;
• электронная микроскопия;
• метод центрифугирования. Его используют, когда необходимо отделить мембраны клеток от общей структуры;
• метод меченых атомов. Применяют для изучения биохимических процессов в клетках: для этого в них вводят меченый радиоактивный изотоп;
• прижизненное изучение. Этот метод исследования позволяет изучить динамические процессы, происходящие в клетке.

Заключение цитологического исследования основывается на особенностях изменения цитоплазмы, ядра клетки, ядерно-цитоплазменного соотношения, образования комплексов и структур клеток.

Применяют цитологический анализ при профилактическом осмотре, для уточнения диагноза, во время операции, для своевременного выявления рецидивов, контроля над ходом лечения.

Цитологическое исследование мазков

В качестве материалов для анализа используют:

• жидкости: мочу, секрет предстательной железы, мокроту, смывы, полученные при эндоскопии разных органов, выделения из сосков, отпечатки и соскобы с язвенных и эрозированных поверхностей, ран и свищей, жидкости из серозных и суставных полостей;
• пунктаты: биологические материалы, полученные при диагностической пункции, проводимой тонкой иглой;
• мазки из полости и шейки матки.

Большинство из указанных цитологических исследований мазков проводится при необходимости, для постановки и уточнения диагноза. Но цитологическое исследование мазка из шейки матки (мазок Папаниколау) рекомендуется проходить: один раз в год – женщинам после 19 лет, ведущим половую жизнь; два раза в год – женщинам, которые принимают гормональные контрацептивы, переболели генитальным герпесом; чаще чем два раза в год – женщинам, которые страдают бесплодием, маточными кровотечениями, ожирением, которые часто меняют половых партнеров, принимают эстрогены, у которых есть бородавки на гениталиях, выявлен генитальный герпес.

Цитологическое исследование шейки матки

Для цитологического исследования шейки матки мазок берут с наружной и внутренней частей шейки и со сводов влагалища с помощью специального деревянного шпателя. Потом его переносят на стекло и фиксируют.

Цитологическое исследование шейки матки проводят для выявления раковых изменений клеток, и в заключении врач указывает одну из пяти стадий состояния клеток:

• стадия 1. Клетки с отклонениями не найдены;
• стадия 2. Есть незначительные изменения в структуре клеток, вызванные воспалением внутренних половых органов. Опасение такое состояние клеток не вызывает, но женщине рекомендуют пройти дополнительное обследование и лечение;
• стадия 3. Найдено небольшое количество клеток с отклонениями в структуре. В этом случае рекомендуется сдать мазок повторно или провести гистологическое исследование измененной ткани;
• стадия 4. Найдены отдельные клетки со злокачественными изменениями. Окончательный диагноз не ставят, назначают дополнительное обследование;
• стадия 5. В мазке обнаружено большое количество раковых клеток.

Достоверность такого цитологического исследования высока, но информацию оно может дать только об участке, из которого брали клетки для анализа. Для того чтобы оценить состояние маточных труб, яичников, матки следует пройти комплексное обследование.

Основными методами цитологических исследований являются световая и электронная микроскопия , т. е. использование световых и электронных микроскопов, позволяющих увидеть внешнее и внутреннее строения клеток.

Световые микроскопы позволяют в том числе наблюдать и за живыми клетками (обычно для этого используются одноклеточные организмы, клетки крови). Однако разрешающая способность световых микроскопов не так велика как у электронных. Разрешающая способность увеличительного прибора - это минимальное расстояние между двумя видимыми отдельно точками. У световых микроскопов это расстояние измеряется сотнями нанометров, а у электронных - десятками и единицами нанометров. Если в первых используется световой поток (разрешающая способность обратнопропорционально зависит от длины волны), то во вторых - поток электронов.

Существует два вида электронных микроскопов - просвечивающие и сканирующие. Разрешающая способность первых несколько выше, однако с помощью вторых можно получить объемное изображение. Для просвечивающих микроскопов готовят очень тонкие срезы, через которые проходит пучок электронов. В сканирующих микроскопах пучок электронов отражается от объекта.

В цитологических исследованиях также используется метод флуоресцентной микроскопии , который заключается в том, что к живым клеткам добавляются определенные красящие вещества, которые, соединяясь с различными компонентами клетки, начинают светиться. Таким образом, можно в световой микроскоп наблюдать клеточные структуры (хлоропласты, микротрубочки и др.).

Кроме микроскопии в современной цитологии используются и другие методы исследования. Цитохимический метод позволяет изучать химический состав клеток. Данный метод базируется на химических реакциях определенных веществ. Добавляя реагенты к клеткам, можно выявить наличие в них ДНК, определенных белков и др., а также определить их количество.

Метод радиоавтографии предполагает введение вещества, содержащего меченые (радиоактивные) атомы. Меченые молекулы через некоторое время включаются в биополимеры клетки, и по ним можно отследить протекание метаболических процессов в клетке.

С 20-х годов XX века хорошо известен такой метод цитологических исследований как центрифугирование (или метод фракционирования клеточных структур) . Он основан на том, что клеточные структуры имеют разную массу и при центрифугировании осаждаются с разной скоростью. Таким образом, если разрушить клетки, то после центрифуги смесь разделится на фракции, где внизу будут находиться более тяжелые структуры (обычно это клеточные ядра), а вверху - более легкие.

Относительно новым является метод клеточных культур , позволяющий вне организма в специально созданных условиях выращивать одинаковые клетки (колонии) из одной или нескольких исходных. Данный метод позволяет отдельно от организма изучать свойства его клеток, проводить цитологические, генетические и другие исследования.

Новым методом цитологических исследования является метод микрохирургии . С помощью микроманипулятора, соединенного с микроскопом, из клеток извлекают или вносят различные компоненты, вводят вещества.

Клеточный уровень организации жизни

§ 16. История изучения клетки. Методы цитологических исследований.

История изучения клетки.

Мир клеток оставался полностью неизвестным до середины XVII в., пока люди не научились шлифовать линзы и использовать их для расширения возможностей зрения.

Одним из первых создателей микроскопа был Роберт Гук физик, метеоролог, биолог, инженер, архитектор. В 1665 г. он издал альбом рисунков под названием «макрография», в котором были представлены его наблюдения под микроскопом.

Одним из одаренных современников Гука был голландец Антони ван Левенгук, который создал 200 микроскопов собственной особой конструкции. Левенгук добился увеличения объектов в 270 раз и сделал выдающиеся открытия.

Роберт Броун в 1833 г. открыл в клетке ядро. После 1825 г. Ян Пуркинье разработал эффективные методики приготовления и окраски препаратов для микроскопической техники.

Клеточную теорию предложил для растений в 1837 г. немецкий ботаник Матиас Шлейден, а распространил на животный мир его друг, физиолог Теодор Шванн. Несколько позже ее дополнил Рудольф Вирхов, который в 1885 г. сформулировал положение «Каждая клетка происходит из клетки».

В середине XIX в. клеточная теория стала общепризнанной и основой для науки о клетке - цитологии. К концу XIX в. было открыто много компонентов клеток. Ученые описали их и дали им названия.

Но в 1945 г. цитологи впервые заглянули в клетки с помощью электронного микроскопа и увидели много неизвестных ранее структур. Итак, решающая роль в развитии цитологии принадлежит новым открытием в других науках, в частности в физике.

Методы цитологических исследований.

Основным методом является метод световой микроскопии. Он предусматривает применение светового микроскопа, но рассмотреть под световым микроскопом можно только специально приготовленные цитологические препараты.

Для приготовления препаратов цитологи используют предметные стекла и специально подготовленные объекты, которые можно рассматривать.

Чаще всего эти структуры бесцветные, поэтому их необходимо красить специальными красителями, каждый раз разными, в зависимости от того, какие структуры желательно увидеть.

Существуют два метода: метод приготовления давлений препаратов - исследуемый объект просто раздавливается в один слой между предметным и накрывным стеклом, и метод приготовления тонких срезов, состоящие из одного слоя клеток.

Для изучения живых клеток применяют метод фазово-контрастной микроскопии. Он базируется на том, что отдельные участки прозрачной клетки отличаются друг от друга по плотности и светопреломления.

Изучая живые клетки, применяют также метод флуоресцентной микроскопии. Смысл его заключается в том, что целый ряд веществ обладают способностью светиться при поглощении ими световой энергии. Например, если в флуоресцентный микроскоп рассматривать клетки растений, то на темно-синем теле будет видно красные зерна, ярко светятся, - это хлоропласты.

Существует метод, в котором используются меченые изотопы - метод авторадиографии - регистрации веществ, меченных изотопами. С помощью этого метода можно увидеть, к каким частям клетки попадают вещества, меченные радиоактивными изотопами.

Метод электронной микроскопии открыл цитолог те структуры клетки, которые имеют размеры, меньше длины световой волны. Благодаря этому методу появилась возможность рассмотреть вирусы и органеллы, на которых происходит синтез белка (рибосомы).

Цитологи могут также получать и изучать различные компоненты клеток с помощью фракционирования клеток. Клетку сначала разрушают, а затем выделяют клеточные структуры, используя специальное устройство - центрифугу.

Метод использования культуры клеток является методом длительного хранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животного или растения. Важным преимуществом этого метода является возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа.

Значение цитологических методов в диагностике и лечении заболеваний человека.

1) Цитологические методы применяются в медицине для исследования физиологического состояния организма человека на основе изучения строения клеток. Они используются для выявления заболеваний крови, распознавания злокачественных и доброкачественных опухолей, многих заболеваний органов дыхания, пищеварения, мочевыделения, нервной системы и их лечение.

2) Стволовая клетка - это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма. Во взрослом организме стволовые клетки содержатся в основном в костном мозге и в очень небольшом количестве во всех органах и тканях. Их можно использовать для лечения многих заболеваний.

§ 17. Строение клеток прокариот и эукариот.

Единство строения клеток.

Содержание любой клетки отделен от внешней среды особой структурой - плазматической мембраной (плазмалемма). Эта обособленность позволяет создавать внутри клетки совсем особая среда, не похоже на то, что его окружает. Поэтому в клетке могут происходить те процессы, которые не происходят нигде, их называют процессами жизнедеятельности.

Внутренняя среда живой клетки, ограниченное плазматической мембраной, называется цитоплазмой. Она включает гиалоплазму (основную прозрачную вещество) и клеточные органеллы, а также различные непостоянные структуры - включения. К органелл, которые есть в любой клетке, относятся также рибосомы, на которых происходит синтез белка.

Строение клеток эукариот.

Эукариоты - это организмы, клетки которых имеют ядро. Ядро - это самая органеллы эукариотической клетки, в которой хранится и из которой переписывается наследственная информация, записанная в хромосомах. Хромосома - это молекула ДНК, интегрированная с белками. В ядре содержится ядрышко - место, где образуются другие важные органеллы, участвующих в синтезе белка - рибосомы. Но рибосомы только формируются в ядре, а работают они (т.е. синтезируют белок) в цитоплазме. Часть из них находится в цитоплазме свободно, а часть прикрепляется к мембран, образуют сетку, которая получила название эндоплазматической.

Рибосомы - немембранни органеллы.

Эндоплазматическая сеть - это сеть канальцев, ограниченных мембранами. Существует два типа: гладкая и гранулярная. На мембранах гранулярной эндоплазматической сети расположены рибосомы, поэтому в ней происходит синтез и транспортировки белков. А гладкая эндоплазматическая сеть - это место синтеза и транспортировки углеводов и липидов. На ней рибосом нет.

Для синтеза белков, углеводов и жиров необходима энергия, которую в эукариотической клетке производят «энергетические станции» клетки - митохондрии.

Митохондрии - двомембранни органеллы, в которых осуществляется процесс клеточного дыхания. На мембранах митохондрий окисляются органические соединения и накапливается химическая энергия в виде особых энергетических молекул (АТФ).

В клетке также есть место, где органические соединения могут накапливаться и откуда они могут транспортироваться, - это аппарат Гольджи, система плоских мембранных мешочков. Он участвует в транспортировке белков, липидов, углеводов. В аппарате Гольджи образуются также органеллы внутриклеточного пищеварения - лизосомы.

Лизосомы - одномембранни органеллы, характерные для клеток животных, содержат ферменты, которые могут расщеплять белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды.

В клетке могут быть органеллы, не имеющие мембранной строения, например рибосомы и цитоскелет.

Цитоскелет - это опорно-двигательная система клетки, включает микрофиламенты, реснички, жгутики, клеточный центр, который производит микротрубочки и центриоли.

Существуют органеллы, характерные только для клеток растений, - пластиды. Бывают: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. В хлоропластах происходит процесс фотосинтеза.

В клетках растений также вакуоли - продукты жизнедеятельности клетки, являющиеся резервуарами воды и растворенных в ней соединений. В эукариотических организмов относятся растения, животные и грибы.

Строение клеток прокариот.

Прокариоты - одноклеточные организмы, в клетках которых нет ядра.

Прокариотические клетки малы по размерам, сохраняют генетический материал в форме кольцевой молекулы ДНК (нуклеоидом). В прокариотических организмов относятся бактерии и цианобактерии, которые раньше называли сине-зелеными водорослями.

Если в прокариот происходит процесс аэробного дыхания, то для этого используются специальные выпячивание плазматической мембраны - мезосомы. Если бактерии фотосинтезирующие, то процесс фотосинтеза происходит на фотосинтетических мембранах - тилакоидов.

Синтез белка в прокариот происходит на рибосомах. В прокариотических клетке мало органелл.

Гипотезы происхождения органелл эукариотических клеток.

Прокариотические клетки появились на Земле раньше, чем эукариотические.

1) симбиотические гипотеза объясняет механизм возникновения некоторых органоидов эукариотической клетки - митохондрий и фотосинтезирующих пластид.

2) Инвагинацыонная гипотеза - утверждает, что происхождение эукариотической клетки исходит из того, что предковой формы был аэробный прокариот. Органеллы в нем возникли в результате впячивания и отслоение частей оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрии, хлоропласты других органелл.

§ 18. Клеточные мембраны. Транспортировки веществ через мембраны. Поверхностный аппарат клетки, его функции.

Клеточные мембраны.

Биологические мембраны - это тонкие смежные структуры молекулярных размеров, расположенные на поверхности клеток и субклеточных частей, а также канальцев и пузырьков, пронизывающих протоплазму. Функция биологических мембран - регулирование транспортировки ионов, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ.

В основе любой мембраны лежит двойной слой фосфолипидов.

Однако билипидный слой - это еще не готова мембрана, а лишь ее основа. С билипидного слоем должны связаться белки, называемые мембранными белками. Именно мембранные белки определяют многие свойства мембран. Входят в состав мембран и углеводы, образуют комплексы с белками или липидами. Мембрана состоит из слоя билипидив, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нем своеобразную мозаику.

Строение мембраны соответствует ее функциям: транспортной, барьерной и рецепторной.

1) Барьерная функция. Мембрана является барьером, который предотвращает поступление в клетки различных химических веществ и других агентов.

2) Рецепторные функции. Поверхность мембраны имеет большой набор рецепторов, делающих возможными специфические реакции с различными агентами.

3) Транспортная функция. Через мембрану идет транспорт ионов и веществ.

Покрывая клетку и отделяя ее от окружающей среды, биологические мембраны обеспечивают целостность клеток и органелл. Она поддерживает неравномерное распределение ионов калия, натрия, хлора и других ионов между протоплазмой и окружающей средой.

Особенно важной мембраной в клетке является плазмалемма - поверхностная мембрана. Она выполняет барьерную, транспортную, рецепторную, сигнальную функции.

Транспортировки веществ через мембраны.

Существуют два активных процесса: экзоцитоз и эндоцитоз.

Из клетки вещества выводятся с помощью экзоцитоза - слияние внутриклеточных пузырьков с плазматической мембраной. В клетку вещества могут попадать посредством эндоцитоза. В процессе эндоцитоза плазматическая мембрана образует вогнутости и вырасти, которые потом, отслаивая, превращаются в пузырьки или вакуоли.

Различают два типа эндоцитоза:

- Пиноцитоз - поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью небольших пузырьков;

- Фагоцитоз - поглощение крупных частиц, таких как микроорганизмы или остатки клеток.

В случае фагоцитоза образуются большие пузыри, которые называются вакуолями.

Молекулы проходят через мембраны благодаря процессам: простой диффузии, облегченной диффузии, активному транспортировке.

Простая диффузия - это пример пассивного транспортировки, проходит из зоны с большей концентрацией молекул в зону с меньшей концентрацией. Путем простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах, и мелкие незаряженные молекулы (например, вода). Однако большинство веществ переносится через мембрану с помощью погруженных в нее транспортных белков. Различают две формы обращения: облегченная диффузия и активное транспортировки.

Облегченная диффузия обусловлена ​​градиентом концентрации, и молекулы движутся согласно этому градиента. Однако молекула заряжена, то на ее транспортировку влияет как градиент концентрации, так и мембранный потенциал.

Активное транспортировки - это перенос растворенных веществ против градиента концентрации с использованием энергии АТФ. Энергия необходима потому, что вещество должно двигаться, вопреки своему естественному стремлению двигаться по диффузией, в противоположном направлении. Примером может служить натрий-калиевый насос. По законам диффузии ионы Nа постоянно движутся внутрь клетки, а ионы К + - из клетки. Нарушение необходимой концентрации этих ионов влечет за-гибель клетки.

Поверхностный аппарат клетки.

Разновидность клеток прокариот и эукариот состоит из частей: поверхностного аппарата, цитоплазмы, ядерного аппарата.

Поверхностный аппарат клетки выполняет три функции, универсальные для всех видов клеток: барьерную, транспортную, рецепторную. Он может осуществлять и ряд специфических функций (например, механическая тургорного функция клеточной стенки в растительных клетках). Поверхностный аппарат клеток состоит из систем: плазматической мембраны, надмембранный комплекса и субмембранного (т.е. пидмембранного) опорно-сократительного аппарата.

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, - это основная, универсальная для всех клеток система поверхностного аппарата. Под ней расположена субмембранна система, которая участвует в трансмембранному транспортировке и рецепции и является частью цитоплазмы.

Надмембранная структура поверхностного аппарата осуществляют взаимодействие клеток с внешней средой или с другими клетками. У клеток животных надмембранный комплекс, или гликокаликс, играет важную роль в рецепторной функции клеток. Гликокаликс состоит из углеводов, он сравнительно тонкий и эластичный.

К производным надмембранным структурам принадлежит клеточная стенка. Ее должны клетки растений, грибов и бактерий. Клеточная стенка растений содержит целлюлозу, грибов - хитин, бактерий - муреин. Она достаточно жесткая, не сжимается. Через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ. Явление плазмолиза и деплазмолиза в клетках растений.

Плазмолиз - это отделение цитоплазмы от оболочки при погружении клетки в гипертонический, т.е. концентрированные извне, раствор. Если животные клетки погрузить в гипертонический раствор, то они сжимаются. Иногда плазмолизованые клетки остаются живыми. Если погрузить такие клетки в воду, в которой концентрация солей ниже, чем в клетке, происходит деплазмолиз.

Деплазмолиз - это возвращение цитоплазмы клеток растений из состояния плазмолиза в исходное состояние.

Мурманский государственный технический университет

Кафедра биологии

Доклад на тему:

«Методы исследования в цитологии»

Выполнил:

Студентка 1-го курса

Технического факультета

Кафедры Биология

Серебрякова Лада Вячеславовна

Проверил:

Мурманск 2001

План:

1. Что изучает цитология.

2. Представление о том, что организмы состоят из клеток.

3. Методы исследования, применяемые в цитологии.

4. Фракционирование клеток.

5. Радиоавтография.

6. Определение продолжительности некоторых стадий клеточного цикла методом радиоавтографии.

Цитология – наука о клетке. Из среды других биологических наук она выделилась почти 100 лет назад. Впервые обобщенные сведения о строении клеток были собраны в книгу Ж.-Б. Карнуа «Биология клетки», вышедшей в 1884 году. Современная цитология изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем: исследуются функции отдельных клеточных компонентов, процессы воспроизведения клеток, их репарации, приспособление к условиям среды и многие другие процессы, позволяющие судить об общих для всех клеток свойствах и функциях. Цитология рассматривает также особенности строения специализированных клеток. Другими словами, современная цитология – это физиология клетки. Цитология тесно сопряжена с научными и методическими достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики. Это послужило основанием для углубленного изучения клетки уже с позиций этих наук и появления некой синтетической науки о клетке – биологии клетки, или клеточной биологии. В настоящее время термины цитология и биология клетки совпадают, так как их предметом изучения является клетка с ее собственными закономерностями организации и функционирования. Дисциплина «Биология клетки» относится к фундаментальным разделам биологии, потому что она исследует и описывает единственную единицу всего живого на Земле – клетку.

Длительное и пристальное изучение клетки как таковой привело к формулированию важного теоретического обобщения, имеющего общебиологическое значение, а именно к появлению клеточной теории. В XVII в. Роберт Гук, физик и биолог, отличавшийся большой изобретательностью, создал микроскоп. Рассматривая под своим микроскопом тонкий срез пробки, Гук обнаружил, что она построена из малюсеньких ничем не заполненных ячеек, разделенных тонкими стенками, которые, как это нам теперь известно, состоят из целлюлозы. Он назвал эти маленькие ячейки клетками. В дальнейшем, когда другие биологи начали исследовать под микроскопом растительные ткани, оказалось, что маленькие ячейки, обнаруженные Гуком в мертвой иссохшей пробке, имеются и в живых растительных тканях, но у них они не пустые, а содержат каждая по маленькому студенистому тельцу. После того, как микроскопическому исследованию подвергли животные ткани, было установлено, что они также состоят из мелких студенистых телец, но что эти тельца лишь в редких случаях отделены друг от друга стенками. В результате всех этих исследований в 1939 г. Шлейден и Шванн независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию, гласящую, что клетки представляют собой элементарные единицы, из которых в конечном счете построены все растения и все животные. В течение какого-то времени двоякий смысл слова клетка еще вызывал некоторые недоразумения, но затем он прочно закрепился за этими маленькими желеобразными тельцами.

Современное представление о клетке тесно связано с техническими достижениями и усовершенствованиями методов исследования. Помимо обычной световой микроскопии, не утратившей своей роли, в последние несколько десятилетий большое значение приобрели поляризационная, ультрафиолетовая, флюоресцентная, фазовоконтрастная микроскопия. Среди них особое место занимает электронная микроскопия, разрешающая способность которой позволила проникнуть и изучить субмикроскопическую и молекулярную структуру клетки. Современные методы исследования позволили вскрыть детальную картину клеточной организации.

Каждая клетка состоит из ядра и цитоплазмы, отделенных друг от друга и от внешней среды оболочками. Компонентами цитоплазмы являются: оболочка, гиалоплазма, эндоплазматическая сеть и рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, включения, клеточный центр, специализированные органеллы.

Часть организма, выполняющая какую-то особую функцию, называют органом. Любой орган – легкое, печень, почка, например – имеет каждый свою особую структуру, благодаря которой он играет определенную роль в организме. Точно так же в цитоплазме имеются особые структуры, своеобразное строение которых дает им возможность нести определенные функции, необходимые для метаболизма клетки; эти структуры называют органеллами («маленькими органами»).

Выяснение природы, функции и распределения органелл цитоплазмы стало возможным лишь после развития методов современной биологии клетки. Наиболее полезными в этом отношении оказались: 1) электронная микроскопия; 2) фракционирование клеток, с помощью которого биохимики могут выделять относительно чистые фракции клеток, содержащие определенные органеллы, и изучать, таким образом, отдельные интересующие их метаболические реакции; 3) радиоавтография, сделавшая возможным непосредственное изучение отдельных метаболических реакций, протекающих в органеллах.

Метод, с помощью которого органеллы выделяют из клеток, называют фракционированием. Этот метод оказался очень плодотворным, дав биохимикам возможность выделять разные органеллы клетки в относительно чистом виде. Он позволяет, кроме того, определять химический состав органелл и содержащиеся в них ферменты и на основании получаемых данных делать выводы об их функциях в клетке. В качестве первого шага клетки разрушают путем гомогенизации в какой-нибудь подходящей среде, которая обеспечивает сохранность органелл и предотвращает их агрегацию. Очень часто для этого используют раствор сахарозы. Хотя митохондрии и многие другие клеточные органеллы остаются при этом неповрежденными, такие мембранные переплетения, как эндоплазматический ретикулум, а также плазматическая мембрана, распадаются на фрагменты. Однако образующиеся фрагменты мембран нередко замыкаются сами на себя, в результате чего получаются округлые пузырьки различных размеров.

На следующем этапе клеточный гомогенат подвергают ряду центрифугирований, скорость и продолжительность которых всякий раз возрастает; этот процесс называется дифференциальным центрифугированием. Разные органеллы клетки осаждаются на дне центрифужных пробирок при различных скоростях центрифугирования, что зависит от размеров, плотности и формы органелл. Образующийся осадок можно отобрать и исследовать. Быстрее всех осаждаются такие крупные и плотные структуры, как ядра, а для осаждения более мелких и менее плотных структур, таких, как пузырьки эндоплазматического ретикулума, требуются более высокие скорости и более длительное время. Поэтому при низких скоростях центрифугирования ядра осаждаются, а другие клеточные органеллы остаются в суспензии. При более высоких скоростях осаждаются митохондрии и лизосомы, а при длительном центрифугировании и очень высоких скоростях в осадок выпадают даже такие мелкие частицы, как рибосомы. Осадки можно исследовать с помощью электронного микроскопа, чтобы определить чистоту полученных фракций. Все фракции до некоторой степени загрязнены другими органеллами. Если тем не менее удается добиться достаточной чистоты фракций, то их подвергают затем биохимическому анализу, чтобы определить химический состав и ферментативную активность выделенных органелл.

Сравнительно недавно был создан другой метод фракционирования клеток – центрифугирование в градиенте плотности; при этом центрифугирование производят в пробирке, в которой предварительно наслаивают друг на друга растворы сахарозы все возрастающей концентрации, а следовательно, и возрастающей плотности. При центрифугировании содержащиеся в гомогенате органеллы располагаются в центрифужной пробирке на тех уровнях, на которых находятся растворы сахарозы, соответствующие им по плотности. Этот метод дает биохимикам возможность разделять органеллы одинаковых размеров, но разной плотности (рис. 1.).

Радиоавтография – сравнительно новый метод, безмерно расширивший возможности как световой, так и электронной микроскопии. Это в высшей степени современный метод, обязанный своим возникновением развитию ядерной физики, которое сделало возможным получение радиоактивных изотопов различных элементов. Для радиоавтографии необходимы, в частности, изотопы тех элементов, которые используются клеткой или могут связываться с веществами, используемыми клеткой, и которые можно вводить животным или добавлять к культурам в количествах, не нарушающих нормального клеточного метаболизма. Поскольку радиоактивный изотоп (или помеченное им вещество) участвует в биохимических реакциях так же, как его нерадиоактивный аналог, и в то же время испускает излучение, путь изотопов в организме можно проследить с помощью различных методов обнаружения радиоактивности. Один из способов обнаружения радиоактивности основан на ее способности действовать на фотопленку подобно свету; но радиоактивное излучение проникает сквозь черную бумагу, используемую для того, чтобы защитить фотопленку от света, и оказывает на пленку такое же действие, как свет.

Чтобы на препаратах, предназначенных для изучения с помощью светового или электронного микроскопов, можно было обнаружить излучение, испускаемое радиоактивными изотопами, препараты покрывают в темном помещении особой фотоэмульсией, после чего оставляют на некоторое время в темноте. Затем препараты проявляют (тоже в темноте) и фиксируют. Участки препарата, содержащие радиоактивные изотопы, воздействуют на лежащую над ними эмульсию, в которой под действием испускаемого излучения возникают темные «зерна». Таким образом, получают радиоавтографы (от греч. радио – лучевидный, аутос – сам и графо – писать).

Вначале гистологи располагали лишь несколькими радиоактивными изотопами; так, например, во многих ранних исследованиях с применением радиоавтографии использовался радиоактивный фосфор. Позднее стали использовать значительно больше таких изотопов; особенно широкое применение нашел радиоактивный изотоп водорода – тритий.

Радиоавтография имела и имеет до сих пор очень широкое применение для изучения того, где и как в организме протекают те или иные биохимические реакции.

Химические соединения, меченые радиоактивными изотопами, которые используются для исследования биологических процессов, называют предшественниками. Предшественники – это обычно вещества, подобные тем, которые организм получает из пищи; они служат строительными блоками для построения тканей и включаются в сложные компоненты клеток и тканей таким же образом, как в них включаются немеченые строительные блоки. Компонент ткани, в который включается меченый предшественник и который испускает излучение, называется продуктом.

Клетки, выращиваемые в культуре, хотя и принадлежат к одному и тому же типу, в любой данный момент времени будут находиться на разных стадиях клеточного цикла, если не принять специальных мер для синхронизации их циклов. Тем не менее, путем введения в клетки тритий-тимидина и последующего изготовления радиоавтографов можно определить продолжительность различных стадий цикла. Время наступления одной стадии – митоза – можно определить и без меченого тимидина. Для этого выборку клеток из культуры держат под наблюдением в фазово-контрастном микроскопе, который дает возможность непосредственно следить за течением митоза и устанавливать его сроки. Продолжительность митоза обычно равна 1 ч, хотя в клетках некоторых типов он занимает до 1.5 ч.

G 2-периода .

Для определения продолжительности G 2–периода применяют метод, известный под названием импульсной метки: к культуре клеток добавляют меченый тимидин, а спустя короткое время заменяют культуральную среду свежей, с тем, чтобы предотвратить дальнейшее поглощение клетками меченого тимидина. При этом метку включают только в те клетки, которые в течение кратковременного пребывания в среде с тритий-тимидином находились в S -периоде клеточного цикла. Доля таких клеток невелика и лишь небольшая часть клеток получит метку. Кроме того, все клетки, включающие метку, будут находиться в интерфазе – от клеток, едва вступивших в S -период, до таких, которые почти закончили его за время воздействия тритий-тимидина. В пробе, взятой сразу после удаления меченого тимидина, метка содержится только в интерфазных ядрах, принадлежащих клеткам, которые в период воздействия метки находились в S -периоде; те же клетки, которые в этот период находились в состоянии митоза, остаются немечеными.

Если затем продолжать отбирать из культуры пробы через определенные промежутки времени и изготовлять для каждой последовательной пробы радиоавтограф, то наступит момент, когда метка начнет появляться в митотических d -хромосомах . Метки будут включаться во все те клетки, которые в период наличия в среде тритий-тимидина находились в S -периоде, причем среди этих клеток будут как только что вступившие в S -период, так и почти закончившие его. Совершенно очевидно, что эти последние первыми среди меченых клеток проделают митоз и, следовательно, в их митотических хромосомах обнаружится метка. Тем самым промежуток между 1) временем, когда из культуры был удален меченый тимидин, и 2) временем появления меченых митотических хромосом будет соответствовать продолжительности G 2–периода клеточного цикла.

Определение продолжительности S -периода .

Поскольку клетки, находящиеся в момент введения в среду метки в самом конце S -периода, первыми вступят в митоз, то, следовательно, в тех клетках, у которых S -период начинается непосредственно перед удалением метки, меченые митотические хромосомы появятся в последнюю очередь. Поэтому, если бы нам удалось определить промежуток между временем вступления в митоз клеток, помеченных первыми, и клеток, помеченных последними, мы установили бы продолжительность S -периода. Однако, хотя время, когда впервые появляются меченые митотические хромосомы, установить легко, время вступления в митоз клеток, помеченных последними, определить невозможно (этому препятствует очень большое количество меченых делящихся клеток в последних пробах). Поэтому продолжительность S -периода приходится определять другим способом.

При исследовании радиоавтографов последовательных проб клеток, отбираемых через одинаковые промежутки времени, обнаруживается, что доля клеток, несущих метку в своих митотических хромосомах, постепенно возрастает, пока мечеными не окажутся буквально все делящиеся клетки. Однако, по мере того как клетки одна за другой завершают митоз, они превращаются в меченые интерфазные клетки. Первыми завершают митоз те из меченых клеток, которые вступили в него первыми; и соответственно из клеток с мечеными митотическими хромосомами последними завершают митоз те, которые вступили в него позже всех. Поскольку продолжительность митоза всегда одинакова, то, следовательно, если бы мы могли определить промежуток между: 1) временем окончания митоза в клетках, включивших метку первыми, и 2) временем окончания митоза в клетках, включивших метку последними, мы установили бы продолжительность S -периода. Продолжительность S -периода нетрудно установить, определив промежуток между: 1) моментом времени, когда 50% митотических клеток в культуре несут метку, и 2) моментом времени, после которого культура уже не содержит 50% меченых клеток.

Определение времени генерации (общей продолжительности всего клеточного цикла).

Продолжая отбирать из культуры пробы клеток, можно обнаружить, что меченые фигуры митоза в какой-то момент совершенно исчезают, а затем появляются вновь. Такие делящиеся клетки представляют собой дочерние клетки, происходящие от тех материнских клеток, которые включили метку, находясь в момент воздействия тритий-тимидина в S -периоде. Эти материнские клетки перешли в S -период, разделились, а затем прошли через вторую интерфазу и второе деление, то есть проделали один полный цикл и часть следующего. Время, необходимое для прохождения полного клеточного цикла, называется временем генерации. Оно соответствует промежутку между двумя последовательными пиками включения метки и обычно соответствует отрезку между теми точками последовательных восходящих кривых, в которых 50% фигур митоза содержат метку.

Литература.

А.Хэм, Д.Кормак «Гистология», том 1 Москва «МИР» 1982;

М.Г.Абрамов «Клиническая цитология» Москва «МЕДИЦИНА» 1974;

Ю.С.Ченцов «Общая цитология»