Hovedstadier i udviklingen af ​​cytologi

Historien om opdagelsen af ​​cellen

Cytologi ("cytos" - celle, celle) er videnskaben om celler. Moderne cytologiundersøgelser: cellestrukturen, deres dannelse som elementære levende systemer, studerer dannelsen af ​​individuelle cellulære komponenter, processerne for cellereproduktion, reparation, tilpasning til miljøforhold og andre processer. Med andre ord er moderne cytologi cellens fysiologi.

Udviklingen af ​​studiet af cellen er tæt forbundet med opfindelsen af ​​mikroskopet (fra det græske "micros" - lille, "skopeo" - jeg ser på). Dette skyldes, at det menneskelige øje ikke er i stand til at skelne genstande mindre end 0,1 mm, hvilket er 100 mikrometer (forkortet mikron eller µm). Størrelsen af ​​celler (og endnu mere, intracellulære strukturer) er betydeligt mindre.

For eksempel overstiger diameteren af ​​en dyrecelle normalt ikke 20 mikron, en plantecelle - 50 mikron, og længden af ​​kloroplasten af ​​en blomstrende plante - ikke mere end 10 mikron. Ved hjælp af et lysmikroskop kan du skelne genstande med en diameter på tiendedele af en mikron.

Det første mikroskop blev designet i 1610 af Galileo og var en kombination af linser i et blyrør (Fig. 1.1). Og før denne opdagelse i 1590, var de hollandske mestre Jansens engageret i glasproduktion.

Ris. 1.1. Galileo Galilei (1564-1642)

Den engelske fysiker og naturforsker R. Hooke var den første, der brugte et mikroskop til forskning. (Fig. 1.2, 1.4). I 1665 beskrev han første gang korkens cellulære struktur og opfandt udtrykket "celle". (Fig. 1.3). R. Hooke gjorde det første forsøg på at tælle antallet af celler i et bestemt volumen af ​​et stik.

Han formulerede ideen om en celle som en celle, fuldstændig lukket på alle sider, og etablerede kendsgerningen om den cellulære struktur af plantevæv. Disse to hovedkonklusioner bestemte retningen for yderligere forskning på dette område.

Ris. 1.2. Robert Hooke (1635-1703)

Ris. 1.3. Korkceller studeret af Robert Hooke

Ris. 1.4. Robert Hooke mikroskop

I 1674 så den hollandske handelsmand Antonio van Leeuwenhoek, ved hjælp af et mikroskop, første gang "dyr" i en dråbe vand - bevægende levende organismer (encellede organismer, blodceller, sædceller) og rapporterede dette til det videnskabelige samfund (Fig. 1.5, 1.6). Beskrivelser af disse "animalcus" skaffede hollænderen verdensomspændende berømmelse og vakte interesse for studiet af den levende mikroverden.

Ris. 1.5. Antonio van Leeuwenhoek (1632-1723)

Ris. 1.6. Mikroskop af Antonio van Leeuwenhoek

I 1693, under Peter I's ophold i Delphi, demonstrerede A. Leeuwenhoek ham, hvordan blod bevæger sig i finnen på en fisk. Disse demonstrationer gjorde så stort et indtryk på Peter I, at han, da han vendte tilbage til Rusland, skabte et værksted med optiske instrumenter. I 1725 blev Sankt Petersborgs Videnskabsakademi organiseret.

Talentfulde mestre I.E. Belyaev, I.P. Kulibin lavede mikroskoper (Fig. 1.7, 1.8, 1.9), hvor akademikerne L. Euler og F. Epinus deltog.

Ris. 1.7. I.P. Kulibin (1735-1818)

Ris. 1.8. Dvs. Belyaev

Ris. 1.9. Mikroskoper lavet af russiske håndværkere

I 1671–1679 Den italienske biolog og læge Marcello Malpighi gav den første systematiske beskrivelse af planteorganernes mikrostruktur, som lagde grundlaget for planternes anatomi (Fig. 1.10).

Ris. 1.10. Marcello Malpighi (1628-1694)

I 1671–1682 englænderen Nehemiah Grew beskrev i detaljer planters mikrostrukturer; introducerede udtrykket "væv" for at henvise til begrebet en samling af "bobler" eller "poser" (Fig. 1.11). Begge disse forskere (de arbejdede uafhængigt af hinanden) gav utroligt præcise beskrivelser og tegninger. De kom til den samme konklusion vedrørende universaliteten af ​​konstruktionen af ​​plantevæv fra vesikler.

Ris. 1.11. Nehemiah Grew (1641-1712)

I 20'erne af XIX århundrede. De mest betydningsfulde værker inden for undersøgelse af plante- og dyrevæv tilhører de franske videnskabsmænd Henri Dutrochet (1824), Francois Raspail (1827) og Pierre Turpin (1829). De beviste, at celler (sække, vesikler) er de elementære strukturer i alle plante- og dyrevæv. Disse undersøgelser banede vejen for opdagelsen af ​​celleteorien.

En af grundlæggerne af embryologi og komparativ anatomi, akademiker ved St. Petersburg Academy of Sciences Karl Maksimovich Baer viste, at cellen er en enhed af ikke kun strukturen, men også udviklingen af ​​organismer (Fig. 1.12).

Ris. 1.12. K.M. Bær (1792-1876)

I 1759 beviste den tyske anatom og fysiolog Caspar Friedrich Wolf, at cellen er en vækstenhed (Fig. 1.13).

Ris. 1.13. K.F. Ulv (1733-1794)

1830'erne Den tjekkiske fysiolog og anatom J.E. Purkyne (Fig. 1.14), tysk biolog I.P. Muller beviste, at cellulær organisation er universel for alle typer væv.

Ris. 1.14. Ja.E. Purkyne (1787-1869)

I 1833 blev den britiske botaniker R. Brown (Fig. 1.15) beskrev kernen i en plantecelle.

Ris. 1.15. Robert Brown (1773-1858)

I 1837 Matthias Jacob Schleiden (Fig. 1.16) foreslået en ny teori om dannelsen af ​​planteceller, der anerkender cellekernens afgørende rolle i denne proces. I 1842 opdagede han første gang nukleoler i kernen.

Ifølge moderne ideer indeholdt Schleidens specifikke undersøgelser en række fejl: Især mente Schleiden, at celler kunne opstå fra strukturløst stof, og planteembryonet kunne udvikle sig fra et pollenrør (hypotesen om den spontane generering af liv).

Ris. 1.16. Matthias Jacob Schleiden (1804-1881)

Tysk cytolog, histolog og fysiolog Theodor Schwann (Fig. 1.17) stiftede bekendtskab med den tyske botaniker M. Schleidens værker, der beskrev kernens rolle i en plantecelle. Ved at sammenligne disse værker med sine egne observationer udviklede Schwann sine egne principper for cellulær struktur og udvikling af levende organismer.

I 1838 udgav Schwann tre foreløbige rapporter om den cellulære teori, og i 1839 værket "Microscopic studies on the correspondence in the structure and growth of animals and plants", hvor han udgav de grundlæggende principper for teorien om cellestrukturen i levende organismer.

F. Engels hævdede, at skabelsen af ​​celleteori var en af ​​de tre største opdagelser i naturvidenskaben i det 19. århundrede, sammen med loven om energitransformation og evolutionsteori.

Ris. 1.17. Theodor Schwann (1810-1882)

I 1834–1847 Professor ved det medicinsk-kirurgiske akademi i Sankt Petersborg P.F. Goryaninov (Fig. 1.18) formulerede princippet, hvorefter cellen er en universel model for organisering af levende væsener.

Goryaninov opdelte verden af ​​levende væsener i to riger: det formløse eller molekylære og organiske eller cellulære rige. Han skrev, at "...den organiske verden primært er et cellulært kongerige...". Han bemærkede i sine undersøgelser, at alle dyr og planter består af indbyrdes forbundne celler, som han kaldte vesikler, det vil sige, at han udtrykte en mening om den generelle struktur af planter og dyr.

Ris. 1.18. P.F. Goryaninov (1796-1865)

I historien om udviklingen af ​​celleteori kan der skelnes mellem to stadier:

1) perioden med akkumulering af observationer om strukturen af ​​forskellige encellede og flercellede organismer af planter og dyr (ca. 300 år);

2) perioden med generalisering af tilgængelige data i 1838 og formuleringen af ​​celleteoriens postulater;

Under en cytologisk undersøgelse undersøges cellernes struktur for at identificere maligne, godartede tumorer og læsioner af ikke-tumorart. Hovedformålet med undersøgelsen er at bekræfte eller afkræfte kendsgerningen om malignitet af de celler, der tages til analyse.

Cytologiske forskningsmetoder er baseret på at studere strukturen af ​​celler, den cellulære sammensætning af væsker og væv under et mikroskop.

Der er følgende metoder til cytologisk forskning:

• lysmikroskopi;
• elektronmikroskopi;
• centrifugeringsmetode. Det bruges, når det er nødvendigt at adskille cellemembraner fra den generelle struktur;
• tagget atom metode. De bruges til at studere biokemiske processer i celler: til dette formål indføres en mærket radioaktiv isotop i dem;
• livstidsstudie. Denne forskningsmetode gør det muligt at studere de dynamiske processer, der foregår i cellen.

Konklusionen på en cytologisk undersøgelse er baseret på træk ved ændringer i cytoplasmaet, cellekernen, nuklear-cytoplasmatisk forhold, dannelse af komplekser og cellestrukturer.

Cytologisk analyse bruges under en forebyggende undersøgelse for at afklare diagnosen, under operationen, for rettidig påvisning af tilbagefald og for at overvåge behandlingens fremskridt.

Cytologisk undersøgelse af udstrygninger

Følgende materialer bruges til analyse:

• væsker: urin, prostatasekret, sputum, podninger opnået under endoskopi af forskellige organer, udledning fra brystvorter, aftryk og afskrabninger fra ulcerøse og eroderede overflader, sår og fistler, væsker fra serøse og artikulære hulrum;
• punctates: biologiske materialer opnået under en diagnostisk punktering udført med en tynd nål;
• udtværinger fra hulrummet og livmoderhalsen.

De fleste af disse cytologiske undersøgelser af udstrygninger udføres om nødvendigt for at etablere og afklare diagnosen. Men en cytologisk undersøgelse af en cervikal smear (Pap smear) anbefales: en gang om året - for kvinder over 19 år, der er seksuelt aktive; to gange om året - for kvinder, der tager hormonelle præventionsmidler og har haft genital herpes; mere end to gange om året - for kvinder, der lider af infertilitet, livmoderblødninger, overvægt, som ofte skifter seksualpartnere, som tager østrogener, som har vorter på kønsorganerne og har fået konstateret genital herpes.

Cytologisk undersøgelse af livmoderhalsen

Til en cytologisk undersøgelse af livmoderhalsen udtages en udstrygning fra den ydre og indre del af livmoderhalsen og fra skedehvælvingen ved hjælp af en speciel træspatel. Derefter overføres det til glas og fikseres.

En cytologisk undersøgelse af livmoderhalsen udføres for at identificere kræftforandringer i celler, og afslutningsvis angiver lægen et af fem stadier af cellernes tilstand:

• stadie 1. Celler med abnormiteter findes ikke;
• stadie 2. Der er mindre ændringer i strukturen af ​​celler forårsaget af betændelse i de indre kønsorganer. Denne tilstand af cellerne giver ikke anledning til bekymring, men kvinden anbefales at gennemgå yderligere undersøgelse og behandling;
• stadie 3. Der blev fundet et lille antal celler med abnormiteter i strukturen. I dette tilfælde anbefales det at tage en smear igen eller foretage en histologisk undersøgelse af det ændrede væv;
• stadie 4. Der findes individuelle celler med maligne forandringer. En endelig diagnose stilles ikke, en yderligere undersøgelse er ordineret;
• stadie 5. Der findes et stort antal kræftceller i udstrygningen.

Pålideligheden af ​​en sådan cytologisk undersøgelse er høj, men den kan kun give information om det område, hvorfra cellerne blev taget til analyse. For at vurdere tilstanden af ​​æggeledere, æggestokke og livmoder bør du gennemgå en omfattende undersøgelse.

De vigtigste metoder til cytologiske undersøgelser er lys- og elektronmikroskopi, dvs. brugen af ​​lys- og elektronmikroskoper til at se de ydre og indre strukturer af celler.

Lysmikroskoper gør det også muligt at observere levende celler (normalt bruges encellede organismer, blodceller, til dette). Opløsningen af ​​lysmikroskoper er dog ikke så høj som for elektroniske mikroskoper. Opløsningen af ​​en forstørrelsesanordning er den mindste afstand mellem to separat synlige punkter. For lysmikroskoper måles denne afstand i hundredvis af nanometer, og for elektroniske mikroskoper måles den i tiere og enheder af nanometer. Hvis førstnævnte bruger en lysstrøm (opløsningen er omvendt proportional med bølgelængden), så bruger sidstnævnte en elektronstrøm.

Der er to typer elektronmikroskoper - transmission og scanning. Opløsningen af ​​førstnævnte er noget højere, men ved hjælp af sidstnævnte kan du få et tredimensionelt billede. Til transmissionsmikroskoper fremstilles meget tynde snit, hvorigennem en stråle af elektroner passerer. I scanningsmikroskoper reflekteres en elektronstråle fra et objekt.

Bruges også i cytologiske undersøgelser fluorescensmikroskopi metode, som består i at tilføje visse farvestoffer til levende celler, som, når de kombineres med forskellige komponenter i cellen, begynder at gløde. Det er således muligt at observere cellulære strukturer (chloroplaster, mikrotubuli osv.) ved hjælp af et lysmikroskop.

Ud over mikroskopi bruger moderne cytologi også andre forskningsmetoder. Cytokemisk metode giver dig mulighed for at studere den kemiske sammensætning af celler. Denne metode er baseret på kemiske reaktioner af visse stoffer. Ved at tilføje reagenser til celler er det muligt at påvise tilstedeværelsen af ​​DNA, visse proteiner osv. i dem, samt bestemme deres mængde.

Autoradiografi metode involverer indførelsen af ​​et stof indeholdende mærkede (radioaktive) atomer. Efter nogen tid inkorporeres de mærkede molekyler i cellens biopolymerer, og de kan bruges til at spore forløbet af metaboliske processer i cellen.

Siden 20'erne af det 20. århundrede, sådan en metode til cytologisk forskning som centrifugering (eller metode til fraktionering af cellestrukturer). Det er baseret på det faktum, at cellulære strukturer har forskellige masser og, under centrifugering, sedimenterer med forskellige hastigheder. Således, hvis cellerne ødelægges, vil blandingen efter centrifugen blive opdelt i fraktioner med tungere strukturer i bunden (normalt cellekerner) og lettere i toppen.

Relativt nyt er celledyrkningsmetode, som tillader uden for kroppen, under specielt skabte forhold, at dyrke identiske celler (kolonier) fra en eller flere originale. Denne metode giver dig mulighed for at studere egenskaberne af dets celler adskilt fra kroppen, udføre cytologiske, genetiske og andre undersøgelser.

En ny metode til cytologisk forskning er mikrokirurgisk metode. Ved hjælp af en mikromanipulator forbundet til et mikroskop fjernes eller tilføjes forskellige komponenter fra celler, og stoffer indføres.

Cellulært niveau af livsorganisation

§ 16. Cellestudiets historie. Metoder til cytologisk forskning.

Historien om studiet af celler.

Cellernes verden forblev fuldstændig ukendt indtil midten af ​​det 17. århundrede, hvor folk lærte at slibe linser og bruge dem til at forbedre synet.

En af de første skabere af mikroskopet var Robert Hooke fysiker, meteorolog, biolog, ingeniør, arkitekt. I 1665 han udgav et album med tegninger kaldet "makrografi", som præsenterede hans observationer under et mikroskop.

En af Hookes begavede samtidige var hollænderen Anthony van Leeuwenhoek, som skabte 200 mikroskoper af sit eget specielle design. Leeuwenhoek opnåede en 270-dobling af genstande og gjorde enestående opdagelser.

Robert Brown i 1833 opdagede kernen i en celle. Efter 1825 Jan Purkinje udviklet effektive metoder til klargøring og farvning af præparater til mikroskopisk udstyr.

Celle teori foreslået for planter i 1837 tysk botaniker Matthias Schleiden, og blev udvidet til dyreverdenen af ​​sin ven, fysiologen Theodor Schwann. Lidt senere blev det suppleret Rudolf Virchow, som i 1885 formulerede påstanden "Hver celle kommer fra en celle."

I midten af ​​1800-tallet. celleteori blev generelt accepteret og grundlaget for cellevidenskab - cytologi. I slutningen af ​​det 19. århundrede. mange komponenter af celler blev opdaget. Forskere har beskrevet dem og givet dem navne.

Men i 1945 Cytologer kiggede ind i celler for første gang ved hjælp af et elektronmikroskop og så mange hidtil ukendte strukturer. Så den afgørende rolle i udviklingen af ​​cytologi hører til nye opdagelser i andre videnskaber, især inden for fysik.

Metoder til cytologisk forskning.

Hovedmetoden er lysmikroskopi metode. Det involverer brug af et lysmikroskop, men kun specialfremstillede cytologiske præparater kan undersøges under et lysmikroskop.

Til forberedelse af præparater bruger cytologer glasglas og specielt forberedte genstande, der kan undersøges.

Oftest er disse strukturer farveløse, så de skal males med specielle farvestoffer, forskellige hver gang, afhængigt af hvilke strukturer du vil se.

Der er to metoder: en metode til at forberede trykpræparater - genstanden under undersøgelse knuses simpelthen i et lag mellem et objektglas og et dækglas, og en metode til at forberede tynde sektioner bestående af et enkelt lag celler.

Bruges til at studere levende celler fasekontrast mikroskopi metode. Det er baseret på det faktum, at individuelle sektioner af en gennemsigtig celle adskiller sig fra hinanden i tæthed og lysbrydning.

Når de studerer levende celler, bruger de også fluorescensmikroskopimetode. Dens betydning ligger i, at en række stoffer har evnen til at gløde, når de absorberer lysenergi. For eksempel, hvis du undersøger planteceller gennem et fluorescerende mikroskop, så vil du på den mørkeblå krop se røde korn, der lyser klart – det er kloroplaster.

Der er en metode, der bruger mærkede isotoper - autoradiografi metode- registrering af stoffer mærket med isotoper. Ved hjælp af denne metode kan man se, hvilke dele af cellen, der modtager stoffer mærket med radioaktive isotoper.

Elektronmikroskopi metode Cytologen opdagede de cellestrukturer, der har dimensioner mindre end lysets bølgelængde. Takket være denne metode blev det muligt at undersøge vira og organeller, hvorpå der sker proteinsyntese (ribosomer).

Cytologer kan også få og studere forskellige komponenter af celler ved hjælp af cellefraktionering. Cellen ødelægges først, og derefter isoleres de cellulære strukturer ved hjælp af en speciel enhed - en centrifuge.

Metode til anvendelse af cellekultur er en metode til langtidsopbevaring og dyrkning i særlige næringsmedier af celler, væv, små organer eller deres dele isoleret fra menneske-, dyre- eller plantekroppen. En vigtig fordel ved denne metode er evnen til at observere den vitale aktivitet af celler ved hjælp af et mikroskop.

Betydningen af ​​cytologiske metoder i diagnosticering og behandling af menneskelige sygdomme.

1) Cytologiske metoder bruges i medicin til at studere den fysiologiske tilstand af den menneskelige krop baseret på at studere strukturen af ​​celler. De bruges til at identificere blodsygdomme, genkende ondartede og godartede tumorer, mange sygdomme i luftvejene, fordøjelse, vandladning, nervesystemet og deres behandling.

2) Stamcelle er en umoden celle, der er i stand til selvfornyelse og udvikling til specialiserede celler i kroppen. I den voksne krop findes stamceller hovedsageligt i knoglemarven og i meget små mængder i alle organer og væv. De kan bruges til at behandle mange sygdomme.

§ 17. Strukturen af ​​prokaryote og eukaryote celler.

Enhed af cellestruktur.

Indholdet af enhver celle er adskilt fra det ydre miljø af en speciel struktur - plasmamembran (plasmalemma). Denne isolation giver dig mulighed for at skabe et meget specielt miljø inde i cellen, i modsætning til hvad der omgiver den. Derfor kan processer, der ikke forekommer andre steder, forekomme i cellen; de kaldes livsprocesser.

Det indre miljø i en levende celle, afgrænset af plasmamembranen, kaldes cytoplasma. Det omfatter hyaloplasma(grundlæggende gennemsigtigt stof) og celleorganeller, samt forskellige ikke-permanente strukturer - indeslutninger. Organeller, der er til stede i enhver celle, omfatter også ribosomer, hvor det sker proteinsyntese.

Strukturen af ​​eukaryote celler.

Eukaryoter- Det er organismer, hvis celler har en kerne. Kerne- dette er selve organellet i den eukaryote celle, hvori den arvelige information, der er registreret i kromosomerne, er lagret, og hvorfra den arvelige information er transskriberet. Kromosom er et DNA-molekyle integreret med proteiner. Kernen indeholder nukleolus- det sted, hvor andre vigtige organeller, der er involveret i proteinsyntesen, dannes - ribosomer. Men ribosomer dannes kun i kernen, og de arbejder (dvs. syntetiserer protein) i cytoplasmaet. Nogle af dem er frie i cytoplasmaet, og nogle er knyttet til membraner og danner et netværk, som kaldes endoplasmatisk.

Ribosomer- ikke-membranorganeller.

Endoplasmatisk retikulum er et netværk af membranbundne tubuli. Der er to typer: glat og granuleret. Ribosomer er placeret på membranerne af det granulære endoplasmatiske reticulum, så proteiner syntetiseres og transporteres dertil. Og det glatte endoplasmatiske retikulum er stedet for syntese og transport af kulhydrater og lipider. Der er ingen ribosomer på den.

Syntesen af ​​proteiner, kulhydrater og fedt kræver energi, som produceres i den eukaryote celle af cellens "energistationer" - mitokondrier.

Mitokondrier- dobbeltmembranorganeller, hvori processen med cellulær respiration finder sted. Organiske forbindelser oxideres på mitokondriemembraner, og kemisk energi akkumuleres i form af specielle energimolekyler (ATP).

Der er også et sted i cellen, hvor organiske forbindelser kan ophobes, og hvorfra de kan transporteres - det er Golgi apparater, system af flade membranposer. Det er involveret i transporten af ​​proteiner, lipider og kulhydrater. Golgi-apparatet producerer også organeller til intracellulær fordøjelse - lysosomer.

Lysosomer- enkeltmembranorganeller, karakteristisk for dyreceller, indeholder enzymer, der kan nedbryde proteiner, kulhydrater, nukleinsyrer og lipider.

En celle kan indeholde organeller, der ikke har en membranstruktur, såsom ribosomer og et cytoskelet.

Cytoskelet- dette er cellens muskuloskeletale system, omfatter mikrofilamenter, cilia, flageller, cellecentret, som producerer mikrotubuli og centrioler.

Der er organeller, der kun er karakteristiske for planteceller - plastider. Der er: kloroplaster, kromoplaster og leukoplaster. Processen med fotosyntese forekommer i kloroplaster.

Også i planteceller vakuoler- affaldsprodukter fra cellen, som er reservoirer af vand og forbindelser opløst i den. Eukaryote organismer omfatter planter, dyr og svampe.

Strukturen af ​​prokaryote celler.

Prokaryoter- encellede organismer, hvis celler ikke har en kerne.

Prokaryote celler er små i størrelse og opbevarer genetisk materiale i form af et cirkulært DNA-molekyle (nukleoid). Prokaryote organismer omfatter bakterier og cyanobakterier, som tidligere blev kaldt blågrønalger.

Hvis processen med aerob respiration forekommer i prokaryoter, bruges specielle fremspring af plasmamembranen til dette - mesosomer. Hvis bakterier er fotosyntetiske, sker fotosynteseprocessen på fotosyntetiske membraner - thylakoider.

Proteinsyntese i prokaryoter sker kl ribosomer. Prokaryote celler har få organeller.

Hypoteser om oprindelsen af ​​organeller af eukaryote celler.

Prokaryote celler dukkede op på Jorden tidligere end eukaryote celler.

1) symbiotisk hypotese forklarer mekanismen for fremkomsten af ​​nogle organeller i den eukaryote celle - mitokondrier og fotosyntetiske plastider.

2) Intussusception hypotese- angiver, at oprindelsen af ​​den eukaryote celle kommer fra, at stamformen var en aerob prokaryot. Organellerne i det opstod som et resultat af invagination og løsrivelse af dele af skallen, efterfulgt af funktionel specialisering i kernen, mitokondrier, kloroplaster af andre organeller.

§ 18. Cellemembraner. Transport af stoffer over membraner. Cellens overfladeapparat, dens funktioner.

Cellemembraner.

Biologiske membraner- disse er tynde tilstødende strukturer af molekylær størrelse placeret på overfladen af ​​celler og subcellulære dele, såvel som tubuli og vesikler, der trænger ind i protoplasmaet. Biologiske membraners funktion er at regulere transporten af ​​ioner, sukkerarter, aminosyrer og andre stofskifteprodukter.

Grundlaget for enhver membran er et dobbeltlag af fosfolipider.

Bilipidlaget er dog ikke en færdiglavet membran, men kun dens basis. Proteiner kaldes membranproteiner. Det er membranproteiner, der bestemmer mange af membranernes egenskaber. Kulhydrater er også en del af membraner og danner komplekser med proteiner eller lipider. Membranen består af et bilipidlag, hvori proteinmolekyler flyder (eller er fikseret), og danner en slags mosaik i den.

Membranens struktur svarer til dens funktioner: transport, barriere og receptor.

1) Barrierefunktion. Membranen er en barriere, der forhindrer, at forskellige kemikalier og andre midler trænger ind i cellerne.

2) Receptorfunktioner. Membranoverfladen har et stort sæt receptorer, der muliggør specifikke reaktioner med forskellige midler.

3) Transportfunktion. Transport af ioner og stoffer sker gennem membranen.

Ved at dække cellen og adskille den fra miljøet sikrer biologiske membraner integriteten af ​​celler og organeller. Det opretholder en ujævn fordeling af kalium, natrium, klor og andre ioner mellem protoplasma og miljøet.

En særlig vigtig membran i cellen er plasmalemma- overflademembran. Det udfører barriere-, transport-, receptor-, signalfunktioner.

Transport af stoffer over membraner.

Der er to aktive processer: exocytose og endocytose.

Stoffer fjernes fra cellen ved eksocytose- fusion af intracellulære vesikler med plasmamembranen. Stoffer kan trænge ind i cellen igennem endocytose. Under endocytoseprocessen danner plasmamembranen konkaviteter og vokser, som derefter skaller af og bliver til vesikler eller vakuoler.

Der er to typer endocytose:

- Pinocytose- absorption af flydende og opløste stoffer ved hjælp af små bobler;

- Fagocytose- absorption af store partikler såsom mikroorganismer eller cellerester.

Ved fagocytose dannes der store bobler, som kaldes vakuoler.

Molekyler passerer gennem membraner gennem processerne: simpel diffusion, lettet diffusion, aktiv transport.

Enkel diffusion- Dette er et eksempel på passiv transport, der går fra et område med en højere koncentration af molekyler til et område med en lavere koncentration. Ved simpel diffusion trænger ikke-polære (hydrofobe) stoffer opløselige i lipider og små uladede molekyler (for eksempel vand) ind i cellen. De fleste stoffer transporteres dog over membranen ved hjælp af transportproteiner indlejret i den. Der er to adresseformer: lettet diffusion og aktiv transport.

Faciliteret diffusion er bestemt af en koncentrationsgradient, og molekyler bevæger sig i henhold til denne gradient. Imidlertid er molekylet ladet, dets transport påvirkes af både koncentrationsgradienten og membranpotentialet.

Aktiv transport er transport af opløste stoffer mod en koncentrationsgradient ved hjælp af energien fra ATP. Energi er nødvendig, fordi stof skal bevæge sig, i modsætning til dets naturlige tendens til at bevæge sig ved diffusion, i den modsatte retning. Et eksempel er natrium-kalium pumpen. Ifølge diffusionslovene bevæger Na-ioner sig konstant ind i cellen, og K+-ioner bevæger sig ud af cellen. Overtrædelse af den nødvendige koncentration af disse ioner fører til celledød.

Cellens overfladeapparat.

En række prokaryote og eukaryote celler består af dele: overfladeapparat, cytoplasma, nukleart apparat.

Overflade apparat celler udfører tre funktioner, der er universelle for alle typer celler: barriere, transport, receptor. Det kan også udføre en række specifikke funktioner (for eksempel den mekaniske turgorfunktion af cellevæggen i planteceller). Cellernes overfladeapparat består af systemer: plasmamembranen, supramembrankomplekset og det submembrane (dvs. submembrane) muskuloskeletale apparat.

plasma membran, eller plasmalemma, er overfladeapparatets hovedsystem, universelt for alle celler. Under det er et submembransystem, som er involveret i transmembran transport og modtagelse og er en del af cytoplasmaet.

Supramembran struktur Overfladeapparatet interagerer mellem celler og det ydre miljø eller med andre celler. I dyreceller er supramembrankomplekset eller glykokalyx, spiller en vigtig rolle i cellernes receptorfunktion. Glykokalyxen består af kulhydrater og er forholdsvis tynd og elastisk.

Det tilhører de afledte supramembranstrukturer cellevæg. Det skal produceres af celler fra planter, svampe og bakterier. Planters cellevæg indeholder cellulose, svampe - kitin, bakterier - murein. Den er ret stiv og krymper ikke. Vand, salte og molekyler af mange organiske stoffer passerer gennem cellevæggen. Fænomenet plasmolyse og deplasmolyse i planteceller.

Plasmolyse- dette er adskillelsen af ​​cytoplasmaet fra membranen, når cellen er nedsænket i hypertonisk, dvs. koncentreret udefra, opløsning. Hvis dyreceller nedsænkes i en hypertonisk opløsning, krymper de. Nogle gange forbliver plasmolyserede celler i live. Hvis sådanne celler nedsænkes i vand, hvor koncentrationen af ​​salte er lavere end i cellen, opstår deplasmolyse.

Deplasmolyse- dette er tilbagevenden af ​​plantecellers cytoplasma fra en tilstand af plasmolyse til dens oprindelige tilstand.

Murmansk State Technical University

Biologisk Institut

Beretning om emnet:

"Forskningsmetoder i cytologi"

Fuldført:

1. års elev

Det Tekniske Fakultet

Institut for Biologi

Serebryakova Lada Vyacheslavovna

Tjekket:

Murmansk 2001

Plan:

1. Hvad studerer cytologi?

2. Ideen om, at organismer er lavet af celler.

3. Forskningsmetoder anvendt i cytologi.

4. Cellefraktionering.

5. Autoradiografi.

6. Bestemmelse af varigheden af ​​nogle stadier af cellecyklussen ved hjælp af autoradiografi.

Cytologi er videnskaben om celler. Det opstod fra andre biologiske videnskaber for næsten 100 år siden. For første gang blev generaliseret information om cellernes struktur samlet i en bog af J.-B. Carnoy's Biology of the Cell, udgivet i 1884. Moderne cytologi studerer strukturen af ​​celler, deres funktion som elementære levende systemer: funktionerne af individuelle cellulære komponenter, processerne for cellereproduktion, deres reparation, tilpasning til miljøforhold og mange andre processer studeres, hvilket gør det muligt at bedømme egenskaberne og funktionerne fælles for alle celler. Cytologi undersøger også de strukturelle træk ved specialiserede celler. Med andre ord er moderne cytologi cellens fysiologi. Cytologi er tæt forbundet med videnskabelige og metodiske resultater inden for biokemi, biofysik, molekylærbiologi og genetik. Dette tjente som grundlag for en dybdegående undersøgelse af cellen fra disse videnskabers synspunkt og fremkomsten af ​​en vis syntetisk videnskab om cellen - cellebiologi eller cellebiologi. I øjeblikket falder udtrykkene cytologi og cellebiologi sammen, da deres emne for undersøgelse er cellen med sine egne mønstre for organisation og funktion. Disciplinen "Cellebiologi" refererer til de grundlæggende sektioner af biologi, fordi den studerer og beskriver den eneste enhed af alt liv på Jorden - cellen.

En lang og omhyggelig undersøgelse af cellen som sådan førte til formuleringen af ​​en vigtig teoretisk generalisering, der har generel biologisk betydning, nemlig fremkomsten af ​​celleteorien. IXVIIV. Robert Hooke, en fysiker og biolog, kendetegnet ved stor opfindsomhed, skabte et mikroskop. Da han undersøgte et tyndt stykke kork under sit mikroskop, opdagede Hooke, at det var bygget af små tomme celler adskilt af tynde vægge, der, som vi nu ved, består af cellulose. Han kaldte disse små celler celler. Senere, da andre biologer begyndte at undersøge plantevæv under et mikroskop, viste det sig, at de små celler, som Hooke opdagede i en død, vissen prop, også var til stede i levende plantevæv, men de var ikke tomme, men hver indeholdt en lille gelatinøse. legeme. Efter at dyrevæv var blevet underkastet mikroskopisk undersøgelse, viste det sig, at de også bestod af små gelatinøse legemer, men at disse legemer kun sjældent var adskilt fra hinanden af ​​vægge. Som et resultat af alle disse undersøgelser formulerede Schleiden og Schwann uafhængigt celleteorien i 1939, som siger, at celler er de elementære enheder, hvorfra alle planter og alle dyr i sidste ende er bygget. I nogen tid forårsagede den dobbelte betydning af ordet celle stadig nogle misforståelser, men så blev det fast etableret i disse små gelélignende kroppe.

Den moderne forståelse af cellen er tæt forbundet med tekniske fremskridt og forbedringer i forskningsmetoder. Ud over konventionel lysmikroskopi, som ikke har mistet sin rolle, har polarisering, ultraviolet, fluorescens og fasekontrastmikroskopi fået stor betydning i de sidste par årtier. Blandt dem indtager elektronmikroskopi et særligt sted, hvis opløsning gjorde det muligt at trænge ind og studere cellens submikroskopiske og molekylære struktur. Moderne forskningsmetoder har gjort det muligt at afsløre et detaljeret billede af cellulær organisation.

Hver celle består af en kerne og cytoplasma, adskilt fra hinanden og fra det ydre miljø af membraner. Komponenterne i cytoplasmaet er: membran, hyaloplasma, endoplasmatisk retikulum og ribosomer, Golgi-apparat, lysosomer, mitokondrier, indeslutninger, cellecenter, specialiserede organeller.

En del af en organisme, der udfører en særlig funktion, kaldes et organ. Ethvert organ - lunge, lever, nyre, for eksempel - har hver sin særlige struktur, takket være hvilken den spiller en bestemt rolle i kroppen. På samme måde er der særlige strukturer i cytoplasmaet, hvis ejendommelige struktur giver dem mulighed for at udføre visse funktioner, der er nødvendige for cellens metabolisme; disse strukturer kaldes organeller ("små organer").

Belysning af arten, funktionen og fordelingen af ​​cytoplasmatiske organeller blev først mulig efter udviklingen af ​​metoder til moderne cellebiologi. De mest nyttige i denne henseende var: 1) elektronmikroskopi; 2) cellefraktionering, ved hjælp af hvilken biokemikere kan isolere relativt rene fraktioner af celler, der indeholder visse organeller, og således studere individuelle metaboliske reaktioner af interesse for dem; 3) autoradiografi, som gjorde det muligt direkte at studere individuelle metaboliske reaktioner, der forekommer i organeller.

Metoden, hvorved organeller isoleres fra celler, kaldes fraktionering. Denne metode viste sig at være meget frugtbar og gav biokemikere mulighed for at isolere forskellige celleorganeller i en relativt ren form. Det gør det også muligt at bestemme den kemiske sammensætning af organeller og de enzymer, de indeholder, og baseret på de opnåede data at drage konklusioner om deres funktioner i cellen. Som et første trin ødelægges cellerne ved homogenisering i et eller andet passende medium, der bevarer organellerne og forhindrer deres aggregering. Meget ofte bruges en saccharoseopløsning til dette. Selvom mitokondrier og mange andre cellulære organeller forbliver intakte, desintegrerer membranstrukturer såsom det endoplasmatiske reticulum og plasmamembranen i fragmenter. Imidlertid lukker de resulterende membranfragmenter sig ofte om sig selv, hvilket resulterer i runde vesikler af forskellig størrelse.

På det næste trin udsættes cellehomogenatet for en række centrifugeringer, hvis hastighed og varighed øges hver gang; denne proces kaldes differentiel centrifugering. Forskellige celleorganeller aflejres i bunden af ​​centrifugerør ved forskellige centrifugeringshastigheder, hvilket afhænger af organellernes størrelse, tæthed og form. Det resulterende bundfald kan opsamles og undersøges. Større, tættere strukturer såsom kerner er de hurtigste til at sætte sig, mens mindre, mindre tætte strukturer såsom endoplasmatiske retikulum-vesikler kræver højere hastigheder og længere tid til at sætte sig. Derfor sedimenteres kernerne ved lave centrifugeringshastigheder, mens andre cellulære organeller forbliver i suspension. Ved højere hastigheder udfældes mitokondrier og lysosomer, og ved langvarig centrifugering og meget høje hastigheder udfældes selv små partikler som ribosomer. Præcipitater kan undersøges ved hjælp af et elektronmikroskop for at bestemme renheden af ​​de resulterende fraktioner. Alle fraktioner er til en vis grad forurenet med andre organeller. Hvis det ikke desto mindre er muligt at opnå tilstrækkelig renhed af fraktionerne, underkastes de derefter biokemisk analyse for at bestemme den kemiske sammensætning og enzymatiske aktivitet af de isolerede organeller.

For nylig blev der skabt en anden metode til cellefraktionering - tæthedsgradientcentrifugering; I dette tilfælde udføres centrifugering i et reagensglas, hvori saccharoseopløsninger med stigende koncentrationer og følgelig stigende tæthed først lægges oven på hinanden. Under centrifugering er organellerne i homogenatet placeret i et centrifugerør på samme niveauer som saccharoseopløsninger svarende til dem i densitet. Denne metode giver biokemikere mulighed for at adskille organeller af samme størrelse, men forskellige tætheder (fig. 1.).

Autoradiografi er en relativt ny metode, der har udvidet mulighederne for både lys- og elektronmikroskopi enormt. Dette er en meget moderne metode, der skyldes dens oprindelse til udviklingen af ​​kernefysik, som gjorde det muligt at opnå radioaktive isotoper af forskellige grundstoffer. Autoradiografi kræver især isotoper af de grundstoffer, der bruges af cellen eller kan binde til stoffer, der anvendes af cellen, og som kan indgives til dyr eller tilsættes kulturer i mængder, der ikke forstyrrer normal cellulær metabolisme. Fordi en radioaktiv isotop (eller stoffet mærket med den) deltager i biokemiske reaktioner på samme måde som dens ikke-radioaktive modstykke og samtidig udsender stråling, kan isotopers vej i kroppen spores ved hjælp af forskellige metoder til påvisning af radioaktivitet . En måde at detektere radioaktivitet på er baseret på dens evne til at virke som lys på fotografisk film; men den radioaktive stråling trænger igennem det sorte papir, der bruges til at beskytte filmen mod lys og har samme effekt på filmen som lys.

For at strålingen fra radioaktive isotoper kan detekteres på præparater, der er beregnet til undersøgelse ved hjælp af lys- eller elektronmikroskoper, belægges præparaterne i et mørkt rum med en speciel fotografisk emulsion og efterlades derefter i nogen tid i mørket. Derefter udvikles præparaterne (også i mørke) og fikseres. Områder af lægemidlet, der indeholder radioaktive isotoper, påvirker den underliggende emulsion, hvor mørke "korn" vises under påvirkning af den udsendte stråling. Således opnås radioautografer (fra græsk.radio - udstråle,biler – sig selv oggrafo - skriv).

I begyndelsen havde histologer kun nogle få radioaktive isotoper; for eksempel brugte mange tidlige autoradiografiundersøgelser radioaktivt fosfor. Senere begyndte man at bruge meget flere af disse isotoper; Den radioaktive isotop af brint, tritium, har fundet særlig udbredt anvendelse.

Autoradiografi var og er stadig meget udbredt til at studere, hvor og hvordan visse biokemiske reaktioner opstår i kroppen.

Kemiske forbindelser mærket med radioaktive isotoper, der bruges til at studere biologiske processer, kaldes forstadier. Forstadier er normalt stoffer, der ligner dem, kroppen får fra mad; de tjener som byggesten til vævskonstruktion og er inkorporeret i komplekse komponenter af celler og væv på samme måde som umærkede byggesten er inkorporeret i dem. Den vævskomponent, som den mærkede precursor er inkorporeret i, og som udsender stråling, kaldes produktet.

Celler dyrket i kultur, selvom de tilhører den samme type, vil være på forskellige stadier af cellecyklussen på et givet tidspunkt, medmindre der tages særlige forholdsregler for at synkronisere deres cyklusser. Men ved at indføre tritium-thymidin i celler og derefter lave autoradiografier kan varigheden af ​​de forskellige stadier af cyklussen bestemmes. Tidspunktet for indtræden af ​​et stadium - mitose - kan bestemmes uden mærket thymidin. For at gøre dette holdes en prøve af celler fra kulturen under observation i et fasekontrastmikroskop, som gør det muligt direkte at overvåge mitoseforløbet og bestemme dens timing. Varigheden af ​​mitosen er normalt 1 time, selvom det i nogle celletyper tager op til 1,5 time.

G 2-periode .

For at bestemme varigheden af ​​G 2-perioden, en metode kendt sompuls tag: Mærket thymidin tilsættes cellekulturen, og efter kort tid udskiftes dyrkningsmediet med frisk for at forhindre yderligere optagelse af mærket thymidin i cellerne. I dette tilfælde er mærket kun inkluderet i de celler, der under et kort ophold i et medium med tritium-thymidin var iS-periode af cellecyklussen. Andelen af ​​sådanne celler er lille, og kun en lille del af cellerne vil modtage mærket. Derudover vil alle celler, der indeholder mærket, være i interfase - fra celler, der knap er kommet indS-periode, til dem, der næsten afsluttede det under eksponering for tritium-thymidin. I en prøve taget umiddelbart efter fjernelse af mærket thymidin er mærket kun indeholdt i interfasekerner, der tilhører celler, der var iS-periode; de samme celler, der var i en tilstand af mitose i denne periode, forbliver umærkede.

Hvis du derefter fortsætter med at tage prøver fra kulturen med bestemte intervaller og laver en autoradiograf for hver efterfølgende prøve, så kommer der et øjeblik, hvor etiketten begynder at dukke op imitotisk d -kromosomer . Mærker vil blive inkluderet i alle de celler, der var i nærvær af tritium-thymidin i mediet.S-periode, og blandt disse celler vil der være dem, der lige er kommet indS-periode, og næsten sluttede det. Det er helt indlysende, at disse sidstnævnte vil være de første blandt de mærkede celler, der gennemgår mitose, og derfor vil mærket blive påvist i deres mitotiske kromosomer. Således vil intervallet mellem 1) tidspunktet, hvor mærket thymidin blev fjernet fra kulturen og 2) tidspunktet for fremkomsten af ​​mærkede mitotiske kromosomer svare til varighedenG2 perioder af cellecyklussen.

Bestemmelse af varighed S -periode .

Da de celler, der er til allersidst, når etiketten indføres i medietS-perioden vil være den første til at gå ind i mitose, så følgelig i de celler, hvoriS-perioden begynder umiddelbart før etiketten fjernes; mærkede mitotiske kromosomer vises sidst. Derfor, hvis vi kunne bestemme intervallet mellem tidspunktet for indtræden i mitose af cellerne markeret først og cellerne markeret sidst, ville vi fastslå varighedenS-periode. Men selvom tidspunktet, hvor mærkede mitotiske kromosomer først vises, er let at bestemme, kan tidspunktet, hvor de sidst mærkede celler går ind i mitose, ikke bestemmes (dette hæmmes af det meget store antal mærkede delende celler i de sidstnævnte prøver). Derfor varighedenS-perioder skal bestemmes på en anden måde.

Når man undersøger autoradiografier af successive prøver af celler taget med regelmæssige intervaller, opdages det, at andelen af ​​celler, der bærer mærket i deres mitotiske kromosomer, gradvist stiger, indtil bogstaveligt talt alle delende celler er mærket. Men efterhånden som cellerne fuldfører mitosen én efter én, bliver de mærkede interfaseceller. De første til at fuldføre mitosen er dem af de mærkede celler, der kom først ind i den; og følgelig af cellerne med mærkede mitotiske kromosomer er de sidste til at fuldføre mitose dem, der kom senere ind i den end alle. Da mitosens varighed altid er den samme, så hvis vi derfor kunne bestemme intervallet mellem: 1) tidspunktet for afslutningen af ​​mitosen i de celler, der først tændte på mærket, og 2) tidspunktet for afslutningen af ​​mitosen. mitose i cellerne, der drejede på mærket sidst, ville vi fastslå varighedenS-periode. VarighedS-periode kan let bestemmes ved at bestemme intervallet mellem: 1) det tidspunkt, hvor 50 % af de mitotiske celler i kulturen bærer mærket, og 2) det tidspunkt, hvorefter kulturen ikke længere indeholder 50 % af mærkede celler.

Bestemmelse af generationstid (samlet varighed af hele cellecyklussen).

Hvis du fortsætter med at tage celleprøver fra kulturen, kan du opdage, at de markerede mitotiske figurer helt forsvinder på et tidspunkt, og så dukker op igen. Sådanne delende celler er datterceller afledt af de moderceller, der tændte etiketten, mens de blev udsat for tritium-thymidinS-periode. Disse moderceller gik ind iS-periode, delt, og derefter gennemgik en anden interfase og en anden division, det vil sige, de gik gennem en hel cyklus og en del af den næste. Den tid, der kræves for at gennemføre en komplet cellecyklus, kaldes tidgeneration. Det svarer til intervallet mellem to på hinanden følgende toppe af mærkeinkorporering og svarer sædvanligvis til segmentet mellem de punkter af på hinanden følgende stigende kurver, hvor 50 % af de mitotiske figurer indeholder mærket.

Litteratur.

A. Ham, D. Cormack "Histology", bind 1 Moskva "MIR" 1982;

M.G. Abramov "Clinical Cytology" Moskva "MEDICINE" 1974;

Y.S.Chentsov "Generel cytologi"