Principales étapes du développement de la cytologie

Histoire de la découverte de la cellule

La cytologie (« cytos » - cellule, cellule) est la science des cellules. La cytologie moderne étudie : la structure des cellules, leur formation en tant que systèmes vivants élémentaires, étudie la formation de composants cellulaires individuels, les processus de reproduction cellulaire, de réparation, d'adaptation aux conditions environnementales et à d'autres processus. En d’autres termes, la cytologie moderne est la physiologie de la cellule.

Le développement de l'étude de la cellule est étroitement lié à l'invention du microscope (du grec « micros » - petit, « skopeo » - je regarde). En effet, l'œil humain est incapable de distinguer les objets de taille inférieure à 0,1 mm, soit 100 micromètres (en abrégé microns ou µm). La taille des cellules (et plus encore des structures intracellulaires) est nettement plus petite.

Par exemple, le diamètre d'une cellule animale ne dépasse généralement pas 20 microns, une cellule végétale - 50 microns et la longueur du chloroplaste d'une plante à fleurs - pas plus de 10 microns. À l'aide d'un microscope optique, vous pouvez distinguer des objets d'un diamètre de dixièmes de micron.

Le premier microscope a été conçu en 1610 par Galilée et était une combinaison de lentilles dans un tube en plomb. (Fig. 1.1). Et avant cette découverte en 1590, les maîtres hollandais Jansens se livraient à la production de verre.

Riz. 1.1. Galilée Galilée (1564-1642)

Le physicien et naturaliste anglais R. Hooke fut le premier à utiliser un microscope pour la recherche. (Fig. 1.2, 1.4). En 1665, il décrit pour la première fois la structure cellulaire du liège et invente le terme « cellule ». (Fig. 1.3). R. Hooke a fait la première tentative de compter le nombre de cellules dans un certain volume d'un bouchon.

Il a formulé l'idée d'une cellule comme une cellule, complètement fermée de tous côtés, et a établi le fait de la structure cellulaire des tissus végétaux. Ces deux conclusions principales ont déterminé l’orientation des recherches ultérieures dans ce domaine.

Riz. 1.2. Robert Hooke (1635-1703)

Riz. 1.3. Cellules de liège étudiées par Robert Hooke

Riz. 1.4. Microscope Robert Hooke

En 1674, le commerçant néerlandais Antonio van Leeuwenhoek, à l'aide d'un microscope, aperçut pour la première fois des « animaux » dans une goutte d'eau - des organismes vivants en mouvement (organismes unicellulaires, cellules sanguines, spermatozoïdes) et en fit part à la communauté scientifique. (Fig. 1.5, 1.6). Les descriptions de ces « animalcus » ont valu au Néerlandais une renommée mondiale et ont suscité un intérêt pour l'étude du micromonde vivant.

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

Riz. 1.6. Microscope d'Antonio van Leeuwenhoek

En 1693, lors du séjour de Pierre Ier à Delphes, A. Leeuwenhoek lui montra comment le sang circule dans la nageoire d'un poisson. Ces démonstrations ont fait une telle impression sur Pierre Ier qu'à son retour en Russie, il a créé un atelier d'instruments d'optique. En 1725, l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg fut organisée.

Maîtres talentueux I.E. Belyaev, I.P. Kulibin a fabriqué des microscopes (Fig. 1.7, 1.8, 1.9), à la conception duquel ont participé les académiciens L. Euler et F. Epinus.

Riz. 1.7. I.P. Koulibine (1735-1818)

Riz. 1.8. C'EST À DIRE. Belyaev

Riz. 1.9. Microscopes fabriqués par des artisans russes

En 1671-1679 Le biologiste et médecin italien Marcello Malpighi a donné la première description systématique de la microstructure des organes végétaux, qui a jeté les bases de l'anatomie végétale. (Fig. 1.10).

Riz. 1.10. Marcello Malpighi (1628-1694)

En 1671-1682 l'Anglais Nehemiah Grew a décrit en détail les microstructures des plantes ; introduit le terme « tissu » pour désigner le concept d'un ensemble de « bulles » ou de « sacs » (Fig. 1.11). Ces deux chercheurs (ils ont travaillé indépendamment l’un de l’autre) ont donné des descriptions et des dessins incroyablement précis. Ils sont arrivés à la même conclusion concernant l’universalité de la construction de tissus végétaux à partir de vésicules.

Riz. 1.11. Néhémie grandit (1641-1712)

Dans les années 20 du XIXème siècle. Les travaux les plus importants dans le domaine de l'étude des tissus végétaux et animaux appartiennent aux scientifiques français Henri Dutrochet (1824), François Raspail (1827) et Pierre Turpin (1829). Ils ont prouvé que les cellules (sacs, vésicules) sont les structures élémentaires de tous les tissus végétaux et animaux. Ces études ont ouvert la voie à la découverte de la théorie cellulaire.

L'un des fondateurs de l'embryologie et de l'anatomie comparée, l'académicien de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg Karl Maksimovich Baer a montré que la cellule est une unité non seulement de structure, mais aussi de développement des organismes. (Fig. 1.12).

Riz. 1.12. K.M. Baer (1792-1876)

En 1759, l'anatomiste et physiologiste allemand Caspar Friedrich Wolf démontra que la cellule est une unité de croissance. (Fig. 1.13).

Riz. 1.13. K.F. Loup (1733-1794)

années 1830 Physiologiste et anatomiste tchèque J.E. Purkyné (Fig. 1.14), biologiste allemand I.P. Muller a prouvé que l'organisation cellulaire est universelle pour tous les types de tissus.

Riz. 1.14. Ya.E. Purkyne (1787-1869)

En 1833, le botaniste britannique R. Brown (Fig. 1.15) décrit le noyau d'une cellule végétale.

Riz. 1.15. Robert Brun (1773-1858)

En 1837 Matthias Jacob Schleiden (Fig. 1.16) a proposé une nouvelle théorie de la formation des cellules végétales, reconnaissant le rôle décisif du noyau cellulaire dans ce processus. En 1842, il découvrit pour la première fois les nucléoles dans le noyau.

Selon les idées modernes, les études spécifiques de Schleiden contenaient un certain nombre d'erreurs : en particulier, Schleiden croyait que les cellules pouvaient naître de la matière sans structure et que l'embryon végétal pouvait se développer à partir d'un tube pollinique (hypothèse de la génération spontanée de vie).

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

Cytologue, histologue et physiologiste allemand Theodor Schwann (Fig. 1.17) a fait la connaissance des travaux du botaniste allemand M. Schleiden, qui a décrit le rôle du noyau dans une cellule végétale. En comparant ces travaux avec ses propres observations, Schwann a développé ses propres principes de structure cellulaire et de développement des organismes vivants.

En 1838, Schwann publia trois rapports préliminaires sur la théorie cellulaire et en 1839, l'ouvrage « Études microscopiques sur la correspondance dans la structure et la croissance des animaux et des plantes », dans lequel il publia les principes de base de la théorie de la structure cellulaire de les organismes vivants.

F. Engels a soutenu que la création de la théorie cellulaire était l'une des trois plus grandes découvertes des sciences naturelles du XIXe siècle, avec la loi de la transformation énergétique et la théorie de l'évolution.

Riz. 1.17. Théodor Schwann (1810-1882)

En 1834-1847 Professeur de l'Académie médico-chirurgicale de Saint-Pétersbourg P.F. Goryaninov (Fig. 1.18) a formulé le principe selon lequel la cellule est un modèle universel d'organisation des êtres vivants.

Goryaninov a divisé le monde des êtres vivants en deux règnes : le règne informe, ou moléculaire, et le règne organique, ou cellulaire. Il a écrit que « ... le monde organique est avant tout un règne cellulaire … ». Il a noté dans ses études que tous les animaux et plantes sont constitués de cellules interconnectées, qu'il a appelées vésicules, c'est-à-dire qu'il a exprimé une opinion sur la structure générale des plantes et des animaux.

Riz. 1.18. P.F. Gorianinov (1796-1865)

Dans l'histoire du développement de la théorie cellulaire, deux étapes peuvent être distinguées :

1) la période d'accumulation d'observations sur la structure de divers organismes unicellulaires et multicellulaires de plantes et d'animaux (environ 300 ans) ;

2) la période de généralisation des données disponibles en 1838 et la formulation des postulats de la théorie cellulaire ;

Lors d'une étude cytologique, la structure des cellules est étudiée pour identifier les tumeurs malignes, bénignes et les lésions de nature non tumorale. L'objectif principal de l'étude est de confirmer ou d'infirmer le fait de malignité des cellules prélevées pour analyse.

Les méthodes de recherche cytologique reposent sur l'étude de la structure des cellules, de la composition cellulaire des fluides et des tissus au microscope.

Il existe les méthodes de recherche cytologique suivantes :

• microscopie optique;
• microscopie électronique;
• méthode de centrifugation. Il est utilisé lorsqu'il est nécessaire de séparer les membranes cellulaires de la structure générale ;
• méthode des atomes balisés. Ils sont utilisés pour étudier les processus biochimiques dans les cellules : à cet effet, un isotope radioactif marqué y est introduit ;
• étude de toute une vie. Cette méthode de recherche permet d'étudier les processus dynamiques se déroulant dans la cellule.

La conclusion d'une étude cytologique repose sur les caractéristiques des modifications du cytoplasme, du noyau cellulaire, du rapport nucléaire-cytoplasmique, de la formation de complexes et des structures cellulaires.

L'analyse cytologique est utilisée lors d'un examen préventif, pour clarifier le diagnostic, lors d'une intervention chirurgicale, pour détecter à temps les rechutes et pour suivre l'évolution du traitement.

Examen cytologique des frottis

Les matériaux suivants sont utilisés pour l'analyse :

• liquides : urine, sécrétions de la prostate, crachats, prélèvements obtenus lors de l'endoscopie de divers organes, écoulements de mamelons, empreintes et grattages de surfaces ulcéreuses et érodées, plaies et fistules, liquides provenant de cavités séreuses et articulaires ;
• ponctués : matériel biologique obtenu lors d'une ponction diagnostique réalisée avec une aiguille fine ;
• frottis de la cavité et du col de l'utérus.

La plupart de ces études cytologiques de frottis sont réalisées si nécessaire, pour établir et préciser le diagnostic. Mais un examen cytologique d'un frottis cervical (test Pap) est recommandé : une fois par an - pour les femmes de plus de 19 ans sexuellement actives ; deux fois par an - pour les femmes qui prennent des contraceptifs hormonaux et qui ont eu de l'herpès génital ; plus de deux fois par an - pour les femmes qui souffrent d'infertilité, de saignements utérins, d'obésité, qui changent souvent de partenaire sexuel, qui prennent des œstrogènes, qui ont des verrues sur les organes génitaux et qui ont reçu un diagnostic d'herpès génital.

Examen cytologique du col

Pour un examen cytologique du col de l'utérus, un frottis est prélevé sur les parties externe et interne du col et sur le dôme vaginal à l'aide d'une spatule spéciale en bois. Ensuite, il est transféré sur verre et fixé.

Un examen cytologique du col de l'utérus est effectué pour identifier les modifications cancéreuses des cellules et, en conclusion, le médecin indique l'une des cinq étapes de l'état des cellules :

• stade 1. Les cellules présentant des anomalies ne sont pas trouvées ;
• stade 2. Il existe des changements mineurs dans la structure des cellules provoqués par une inflammation des organes génitaux internes. Cet état des cellules n'est pas préoccupant, mais il est recommandé à la femme de subir un examen et un traitement complémentaires ;
• stade 3. Un petit nombre de cellules présentant des anomalies de structure ont été trouvées. Dans ce cas, il est recommandé de refaire un frottis ou de procéder à un examen histologique du tissu modifié ;
• stade 4. Des cellules individuelles présentant des modifications malignes sont trouvées. Un diagnostic définitif n'est pas posé, un examen complémentaire est prescrit ;
• stade 5. Un grand nombre de cellules cancéreuses sont trouvées dans le frottis.

La fiabilité d'une telle étude cytologique est élevée, mais elle ne peut fournir que des informations sur la zone dans laquelle les cellules ont été prélevées pour analyse. Afin d'évaluer l'état des trompes de Fallope, des ovaires et de l'utérus, vous devez subir un examen complet.

Les principales méthodes d'études cytologiques sont la microscopie optique et électronique, c'est-à-dire l'utilisation de microscopes optiques et électroniques pour voir les structures externes et internes des cellules.

Les microscopes optiques permettent également d'observer des cellules vivantes (on utilise généralement pour cela des organismes unicellulaires, les cellules sanguines). Cependant, la résolution des microscopes optiques n’est pas aussi élevée que celle des microscopes électroniques. La résolution d'un appareil grossissant est la distance minimale entre deux points visibles séparément. Pour les microscopes optiques, cette distance est mesurée en centaines de nanomètres, et pour les microscopes électroniques, elle est mesurée en dizaines et unités de nanomètres. Si le premier utilise un flux lumineux (la résolution est inversement proportionnelle à la longueur d'onde), alors le second utilise un flux d'électrons.

Il existe deux types de microscopes électroniques : à transmission et à balayage. La résolution du premier est un peu plus élevée, mais avec l'aide du second, vous pouvez obtenir une image en trois dimensions. Pour les microscopes à transmission, on prépare des coupes très fines à travers lesquelles passe un faisceau d'électrons. Dans les microscopes à balayage, un faisceau d'électrons est réfléchi par un objet.

Également utilisé dans les études cytologiques méthode de microscopie à fluorescence, qui consiste à ajouter certains colorants aux cellules vivantes qui, lorsqu'ils sont combinés avec divers composants de la cellule, commencent à briller. Ainsi, il est possible d'observer des structures cellulaires (chloroplastes, microtubules, etc.) à l'aide d'un microscope optique.

En plus de la microscopie, la cytologie moderne utilise également d'autres méthodes de recherche. Méthode cytochimique vous permet d'étudier la composition chimique des cellules. Cette méthode est basée sur des réactions chimiques de certaines substances. En ajoutant des réactifs aux cellules, il est possible d'y détecter la présence d'ADN, de certaines protéines, etc., ainsi que d'en déterminer la quantité.

Méthode d'autoradiographie implique l’introduction d’une substance contenant des atomes marqués (radioactifs). Après un certain temps, les molécules marquées sont incorporées dans les biopolymères de la cellule et peuvent être utilisées pour suivre la progression des processus métaboliques dans la cellule.

Depuis les années 20 du 20e siècle, une méthode de recherche cytologique telle que centrifugation (ou méthode de fractionnement des structures cellulaires). Elle est basée sur le fait que les structures cellulaires ont des masses différentes et, lors de la centrifugation, sédimentent à des vitesses différentes. Ainsi, si les cellules sont détruites, après la centrifugation, le mélange sera divisé en fractions, avec des structures plus lourdes en bas (généralement des noyaux cellulaires) et des structures plus légères en haut.

Relativement nouveau est méthode de culture cellulaire, qui permet à l'extérieur du corps, dans des conditions spécialement créées, de faire croître des cellules identiques (colonies) à partir d'une ou plusieurs cellules originales. Cette méthode vous permet d'étudier les propriétés de ses cellules séparément du corps, de mener des études cytologiques, génétiques et autres.

Une nouvelle méthode de recherche cytologique est méthode de microchirurgie. À l’aide d’un micromanipulateur connecté à un microscope, divers composants sont retirés ou ajoutés des cellules et des substances sont introduites.

Niveau cellulaire d'organisation de la vie

§ 16. Histoire de l'étude des cellules. Méthodes de recherche cytologique.

Histoire de l'étude des cellules.

Le monde des cellules est resté complètement inconnu jusqu’au milieu du XVIIe siècle, lorsque les gens ont appris à meuler des lentilles et à les utiliser pour améliorer leur vision.

L'un des premiers créateurs du microscope fut Robert hooke physicien, météorologue, biologiste, ingénieur, architecte. DANS 1665 il publie un album de dessins intitulé « macrographie », qui présente ses observations au microscope.

L'un des contemporains doués de Hooke était le Néerlandais Anthony van Leeuwenhoek, qui a créé 200 microscopes de sa propre conception. Leeuwenhoek a multiplié par 270 le nombre d'objets et fait des découvertes exceptionnelles.

Robert Brown en 1833 découvert le noyau d'une cellule. Après 1825 Jan Purkinje développé des méthodes efficaces pour préparer et colorer les préparations pour équipements microscopiques.

Théorie cellulaire proposée pour les plantes de 1837 Botaniste allemand Matthias Schleiden, et fut étendu au monde animal par son ami le physiologiste Théodore Schwann. Un peu plus tard, il a été complété Rudolf Virchow, qui dans 1885 a formulé la proposition « Chaque cellule vient d’une cellule ».

Au milieu du 19ème siècle. la théorie cellulaire est devenue généralement acceptée et constitue la base de la science cellulaire - cytologie. Vers la fin du 19ème siècle. de nombreux composants des cellules ont été découverts. Les scientifiques les ont décrits et leur ont donné des noms.

Mais en 1945 Les cytologues ont examiné pour la première fois les cellules à l’aide d’un microscope électronique et ont découvert de nombreuses structures jusqu’alors inconnues. Ainsi, le rôle décisif dans le développement de la cytologie appartient aux nouvelles découvertes d'autres sciences, notamment en physique.

Méthodes de recherche cytologique.

La méthode principale est méthode de microscopie optique. Cela implique l'utilisation d'un microscope optique, mais seules les préparations cytologiques spécialement préparées peuvent être examinées au microscope optique.

Pour préparer les préparations, les cytologues utilisent des lames de verre et des objets spécialement préparés qui peuvent être examinés.

Le plus souvent, ces structures sont incolores, elles doivent donc être peintes avec des colorants spéciaux, différents à chaque fois, en fonction des structures que l'on souhaite voir.

Il existe deux méthodes : une méthode de préparation de préparations sous pression - l'objet étudié est simplement écrasé en une seule couche entre une lame et un verre de protection, et une méthode de préparation de coupes minces constituées d'une seule couche de cellules.

Utilisé pour étudier les cellules vivantes méthode de microscopie à contraste de phase. Il est basé sur le fait que les sections individuelles d'une cellule transparente diffèrent les unes des autres en termes de densité et de réfraction de la lumière.

Lors de l'étude des cellules vivantes, ils utilisent également méthode de microscopie à fluorescence. Sa signification réside dans le fait qu'un certain nombre de substances ont la capacité de briller lorsqu'elles absorbent l'énergie lumineuse. Par exemple, si vous regardez les cellules végétales à travers un microscope fluorescent, vous verrez sur le corps bleu foncé des grains rouges qui brillent vivement - ce sont des chloroplastes.

Il existe une méthode qui utilise des isotopes marqués - méthode d'autoradiographie- enregistrement des substances marquées avec des isotopes. Grâce à cette méthode, vous pouvez voir quelles parties de la cellule reçoivent des substances marquées par des isotopes radioactifs.

Méthode de microscopie électronique Le cytologiste a découvert des structures cellulaires dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière. Grâce à cette méthode, il est devenu possible d'examiner les virus et les organites sur lesquels s'effectue la synthèse protéique (ribosomes).

Les cytologues peuvent également obtenir et étudier divers composants des cellules en utilisant fractionnement cellulaire. La cellule est d'abord détruite, puis les structures cellulaires sont isolées à l'aide d'un appareil spécial - une centrifugeuse.

Méthode d'utilisation de la culture cellulaire est une méthode de stockage et de culture à long terme dans des milieux nutritifs spéciaux de cellules, de tissus, de petits organes ou de leurs parties isolées du corps humain, animal ou végétal. Un avantage important de cette méthode est la possibilité d'observer l'activité vitale des cellules à l'aide d'un microscope.

L'importance des méthodes cytologiques dans le diagnostic et le traitement des maladies humaines.

1) Méthodes cytologiques sont utilisés en médecine pour étudier l'état physiologique du corps humain sur la base de l'étude de la structure des cellules. Ils sont utilisés pour identifier les maladies du sang, reconnaître les tumeurs malignes et bénignes, de nombreuses maladies du système respiratoire, de la digestion, de la miction, du système nerveux et leur traitement.

2) Cellule souche est une cellule immature capable de s’auto-renouveller et de se développer en cellules spécialisées du corps. Dans le corps adulte, les cellules souches se trouvent principalement dans la moelle osseuse et en très faible quantité dans tous les organes et tissus. Ils peuvent être utilisés pour traiter de nombreuses maladies.

§ 17. La structure des cellules procaryotes et eucaryotes.

Unité de structure cellulaire.

Le contenu de toute cellule est séparé de l'environnement extérieur par une structure spéciale - membrane plasmique (plasmalemme). Cet isolement permet de créer un environnement très particulier à l’intérieur de la cellule, contrairement à ce qui l’entoure. Par conséquent, des processus qui ne se produisent nulle part ailleurs peuvent se produire dans la cellule ; ils sont appelés processus de la vie.

L'environnement interne d'une cellule vivante, délimité par la membrane plasmique, est appelé cytoplasme. Il comprend hyaloplasme(substance transparente basique) et les organites cellulaires, ainsi que diverses structures non permanentes - inclusions. Les organites présents dans n'importe quelle cellule comprennent également les ribosomes, où ça se passe synthèse des protéines.

La structure des cellules eucaryotes.

Eucaryotes- Ce sont des organismes dont les cellules possèdent un noyau. Cœur- c'est l'organite même de la cellule eucaryote dans lequel est stockée l'information héréditaire enregistrée dans les chromosomes et à partir de laquelle l'information héréditaire est transcrite. Chromosome est une molécule d'ADN intégrée à des protéines. Le noyau contient nucléole- le lieu où se forment d'autres organites importants impliqués dans la synthèse des protéines - ribosomes. Mais les ribosomes ne se forment que dans le noyau et travaillent (c’est-à-dire synthétisent des protéines) dans le cytoplasme. Certains d'entre eux sont libres dans le cytoplasme et d'autres sont attachés aux membranes, formant un réseau appelé endoplasmique.

Ribosomes- des organites non membranaires.

Réticulum endoplasmique est un réseau de tubules délimités par une membrane. Il en existe deux types : lisse et granuleux. Les ribosomes sont situés sur les membranes du réticulum endoplasmique granulaire, c'est pourquoi les protéines y sont synthétisées et transportées. Et le réticulum endoplasmique lisse est le site de synthèse et de transport des glucides et des lipides. Il n'y a pas de ribosomes dessus.

La synthèse des protéines, des glucides et des graisses nécessite de l'énergie, qui est produite dans la cellule eucaryote par les « stations énergétiques » de la cellule - mitochondries.

Mitochondries- des organites à double membrane dans lesquels se déroule le processus de respiration cellulaire. Les composés organiques sont oxydés sur les membranes mitochondriales et l'énergie chimique est accumulée sous forme de molécules énergétiques spéciales (ATP).

Il existe également un endroit dans la cellule où les composés organiques peuvent s'accumuler et d'où ils peuvent être transportés : c'est Appareil de Golgi, système de sacs à membrane plate. Il participe au transport des protéines, des lipides et des glucides. L'appareil de Golgi produit également des organites pour la digestion intracellulaire - lysosomes.

Lysosomes- les organites monomembranaires, caractéristiques des cellules animales, contiennent des enzymes capables de dégrader les protéines, les glucides, les acides nucléiques et les lipides.

Une cellule peut contenir des organites qui n'ont pas de structure membranaire, comme des ribosomes et un cytosquelette.

Cytosquelette- c'est le système musculo-squelettique de la cellule, comprenant les microfilaments, les cils, les flagelles, le centre cellulaire, qui produit les microtubules et les centrioles.

Il existe des organites caractéristiques uniquement des cellules végétales - plastes. Il existe : les chloroplastes, les chromoplastes et les leucoplastes. Le processus de photosynthèse se produit dans les chloroplastes.

Dans les cellules végétales également vacuoles- les déchets de la cellule, qui sont des réservoirs d'eau et de composés qui y sont dissous. Les organismes eucaryotes comprennent les plantes, les animaux et les champignons.

La structure des cellules procaryotes.

Procaryotes- les organismes unicellulaires dont les cellules ne possèdent pas de noyau.

Les cellules procaryotes sont de petite taille et stockent le matériel génétique sous la forme d'une molécule d'ADN circulaire (nucléoïde). Les organismes procaryotes comprennent les bactéries et les cyanobactéries, autrefois appelées algues bleu-vert.

Si le processus de respiration aérobie se produit chez les procaryotes, des saillies spéciales de la membrane plasmique sont utilisées à cet effet - mésosomes. Si les bactéries sont photosynthétiques, le processus de photosynthèse se produit sur les membranes photosynthétiques - thylakoïdes.

La synthèse des protéines chez les procaryotes se produit à ribosomes. Les cellules procaryotes ont peu d'organites.

Hypothèses sur l'origine des organites des cellules eucaryotes.

Les cellules procaryotes sont apparues sur Terre plus tôt que les cellules eucaryotes.

1) hypothèse symbiotique explique le mécanisme d'émergence de certains organites de la cellule eucaryote - les mitochondries et les plastes photosynthétiques.

2) Hypothèse d'intussusception- précise que l'origine de la cellule eucaryote vient du fait que la forme ancestrale était un procaryote aérobie. Les organites qu'il contient sont le résultat d'une invagination et d'un détachement de parties de la coquille, suivis d'une spécialisation fonctionnelle dans le noyau, les mitochondries et les chloroplastes d'autres organites.

§ 18. Membranes cellulaires. Transport de substances à travers les membranes. L'appareil superficiel de la cellule, ses fonctions.

Membranes cellulaires.

Membranes biologiques- ce sont de fines structures adjacentes de taille moléculaire situées à la surface des cellules et des parties subcellulaires, ainsi que des tubules et vésicules qui pénètrent dans le protoplasme. La fonction des membranes biologiques est de réguler le transport des ions, des sucres, des acides aminés et d'autres produits métaboliques.

La base de toute membrane est une double couche de phospholipides.

Cependant, la couche bilipidique n'est pas une membrane toute faite, mais seulement sa base. Des protéines appelées protéines membranaires. Ce sont les protéines membranaires qui déterminent de nombreuses propriétés des membranes. Les glucides font également partie des membranes et forment des complexes avec des protéines ou des lipides. La membrane est constituée d'une couche bilipide dans laquelle flottent (ou se fixent) des molécules de protéines, formant une sorte de mosaïque.

La structure de la membrane correspond à ses fonctions : transport, barrière et récepteur.

1) Fonction barrière. La membrane est une barrière qui empêche l’entrée de divers produits chimiques et autres agents dans les cellules.

2) Fonctions du récepteur. La surface de la membrane possède un large éventail de récepteurs qui rendent possibles des réactions spécifiques avec divers agents.

3) Fonction de transport. Le transport des ions et des substances s'effectue à travers la membrane.

En recouvrant la cellule et en la séparant de l’environnement, les membranes biologiques assurent l’intégrité des cellules et des organites. Il maintient une répartition inégale du potassium, du sodium, du chlore et d’autres ions entre le protoplasme et l’environnement.

Une membrane particulièrement importante dans la cellule est plasmalemme- membrane superficielle. Il remplit des fonctions de barrière, de transport, de récepteur et de signalisation.

Transport de substances à travers les membranes.

Il existe deux processus actifs : exocytose et endocytose.

Les substances sont éliminées de la cellule par exocytose- fusion des vésicules intracellulaires avec la membrane plasmique. Les substances peuvent pénétrer dans la cellule par endocytose. Au cours du processus d'endocytose, la membrane plasmique forme des concavités et se développe, qui se décollent ensuite et se transforment en vésicules ou vacuoles.

Il existe deux types d'endocytose :

- Pinocytose- absorption de substances liquides et dissoutes à l'aide de petites bulles ;

- Phagocytose- absorption de grosses particules telles que des micro-organismes ou des débris cellulaires.

Dans le cas de la phagocytose, de grosses bulles se forment, appelées vacuoles.

Les molécules traversent les membranes à travers les processus : diffusion simple, diffusion facilitée, transport actif.

Diffusion simple- Il s'agit d'un exemple de transport passif, passant d'une zone à plus forte concentration de molécules vers une zone à plus faible concentration. Par simple diffusion, des substances apolaires (hydrophobes) solubles dans les lipides et de petites molécules non chargées (par exemple l'eau) pénètrent dans la cellule. Cependant, la plupart des substances sont transportées à travers la membrane grâce aux protéines de transport qui y sont intégrées. Il existe deux formes d'adresse : diffusion et transport actif facilités.

Diffusion facilitée est déterminé par un gradient de concentration et les molécules se déplacent selon ce gradient. Cependant, la molécule est chargée, son transport est affecté à la fois par le gradient de concentration et par le potentiel membranaire.

Transport actif est le transport de solutés contre un gradient de concentration en utilisant l'énergie de l'ATP. L'énergie est nécessaire car la matière doit se déplacer, contrairement à sa tendance naturelle à se déplacer par diffusion, dans la direction opposée. Un exemple est la pompe sodium-potassium. Selon les lois de la diffusion, les ions Na pénètrent constamment dans la cellule et les ions K + sortent de la cellule. La violation de la concentration requise de ces ions entraîne la mort cellulaire.

Appareil superficiel de la cellule.

Une variété de cellules procaryotes et eucaryotes se compose de plusieurs parties : appareil de surface, cytoplasme, appareil nucléaire.

Appareil de surface les cellules remplissent trois fonctions universelles pour tous les types de cellules : barrière, transport, récepteur. Il peut également remplir un certain nombre de fonctions spécifiques (par exemple, la fonction de turgescence mécanique de la paroi cellulaire des cellules végétales). L'appareil de surface des cellules est constitué de systèmes : la membrane plasmique, le complexe supramembranaire et l'appareil musculo-squelettique sous-membranaire (c'est-à-dire sous-membranaire).

membrane plasma, ou plasmalemme, est le système principal de l'appareil de surface, universel pour toutes les cellules. En dessous se trouve un système sous-membranaire qui participe au transport et à la réception transmembranaires et fait partie du cytoplasme.

Structure supramembranaire L'appareil de surface interagit entre les cellules et l'environnement extérieur ou avec d'autres cellules. Dans les cellules animales, le complexe supramembranaire, ou glycocalice, joue un rôle important dans la fonction réceptrice des cellules. Le glycocalice est constitué de glucides et est relativement fin et élastique.

Il appartient aux structures supra-membranaires dérivées paroi cellulaire. Il doit être produit par les cellules des plantes, des champignons et des bactéries. La paroi cellulaire des plantes contient de la cellulose, des champignons - chitine, des bactéries - muréine. Il est assez rigide et ne rétrécit pas. L'eau, les sels et les molécules de nombreuses substances organiques traversent la paroi cellulaire. Le phénomène de plasmolyse et de déplasmolyse dans les cellules végétales.

Plasmolyse- c'est la séparation du cytoplasme de la membrane lorsque la cellule est immergée en hypertonique, c'est-à-dire concentré de l'extérieur, solution. Si les cellules animales sont immergées dans une solution hypertonique, elles rétrécissent. Parfois, les cellules plasmolysées restent vivantes. Si ces cellules sont immergées dans de l'eau dans laquelle la concentration en sels est inférieure à celle de la cellule, une déplasmolyse se produit.

Déplasmolyse- c'est le retour du cytoplasme des cellules végétales d'un état de plasmolyse à son état originel.

Université technique d'État de Mourmansk

Département de biologie

Rapport sur le sujet :

"Méthodes de recherche en cytologie"

Complété:

Étudiant de 1ère année

Faculté de technologie

Départements Biologie

Serebryakova Lada Viatcheslavovna

Vérifié:

Mourmansk 2001

Plan:

1. Qu'étudie la cytologie ?

2. L’idée selon laquelle les organismes sont constitués de cellules.

3. Méthodes de recherche utilisées en cytologie.

4. Fractionnement cellulaire.

5. Autoradiographie.

6. Détermination de la durée de certaines étapes du cycle cellulaire par autoradiographie.

La cytologie est la science des cellules. Elle a émergé d’autres sciences biologiques il y a près de 100 ans. Pour la première fois, des informations généralisées sur la structure des cellules ont été recueillies dans un livre de J.-B. Biologie de la cellule de Carnoy, publié en 1884. La cytologie moderne étudie la structure des cellules, leur fonctionnement en tant que systèmes vivants élémentaires : les fonctions des composants cellulaires individuels, les processus de reproduction cellulaire, leur réparation, leur adaptation aux conditions environnementales et bien d'autres processus sont étudiés, permettant de juger des propriétés et des fonctions. commun à toutes les cellules. La cytologie examine également les caractéristiques structurelles des cellules spécialisées. En d’autres termes, la cytologie moderne est la physiologie de la cellule. La cytologie est étroitement associée aux réalisations scientifiques et méthodologiques de la biochimie, de la biophysique, de la biologie moléculaire et de la génétique. Cela a servi de base à une étude approfondie de la cellule du point de vue de ces sciences et à l'émergence d'une certaine science synthétique sur la cellule - la biologie cellulaire, ou biologie cellulaire. Actuellement, les termes cytologie et biologie cellulaire coïncident, puisque leur sujet d’étude est la cellule avec ses propres schémas d’organisation et de fonctionnement. La discipline « Biologie cellulaire » fait référence aux sections fondamentales de la biologie, car elle étudie et décrit la seule unité de toute vie sur Terre : la cellule.

Une étude longue et minutieuse de la cellule en tant que telle a conduit à la formulation d'une généralisation théorique importante qui a une signification biologique générale, à savoir l'émergence de la théorie cellulaire. DANSXVIIIeV. Robert Hooke, physicien et biologiste, caractérisé par une grande ingéniosité, a créé un microscope. En examinant une fine section de liège au microscope, Hooke a découvert qu'elle était constituée de minuscules cellules vides séparées par de fines parois qui, comme nous le savons maintenant, sont constituées de cellulose. Il a appelé ces petites cellules des cellules. Plus tard, lorsque d'autres biologistes ont commencé à examiner les tissus végétaux au microscope, il s'est avéré que les petites cellules découvertes par Hooke dans un bouchon mort et flétri étaient également présentes dans les tissus végétaux vivants, mais elles n'étaient pas vides, mais chacune contenait une petite substance gélatineuse. corps. Après examen microscopique des tissus animaux, il s'est avéré qu'ils étaient également constitués de petits corps gélatineux, mais que ces corps n'étaient que rarement séparés les uns des autres par des parois. À la suite de toutes ces études, en 1939, Schleiden et Schwann ont formulé indépendamment la théorie cellulaire, selon laquelle les cellules sont les unités élémentaires à partir desquelles toutes les plantes et tous les animaux sont finalement construits. Pendant quelque temps, le double sens du mot cellule a encore suscité quelques malentendus, mais il s'est ensuite solidement ancré dans ces petits corps gélatineux.

La compréhension moderne de la cellule est étroitement liée aux progrès techniques et aux améliorations des méthodes de recherche. Outre la microscopie optique conventionnelle, qui n'a pas perdu son rôle, les microscopies de polarisation, d'ultraviolet, de fluorescence et de contraste de phase ont acquis une grande importance au cours des dernières décennies. Parmi elles, la microscopie électronique occupe une place particulière, dont la résolution a permis de pénétrer et d'étudier la structure submicroscopique et moléculaire de la cellule. Les méthodes de recherche modernes ont permis de révéler une image détaillée de l'organisation cellulaire.

Chaque cellule est constituée d'un noyau et d'un cytoplasme, séparés les uns des autres et du milieu extérieur par des membranes. Les composants du cytoplasme sont : la membrane, l'hyaloplasme, le réticulum endoplasmique et les ribosomes, l'appareil de Golgi, les lysosomes, les mitochondries, les inclusions, le centre cellulaire, les organites spécialisés.

Une partie d’un organisme qui remplit une fonction particulière est appelée un organe. Tout organe - poumon, foie, rein, par exemple - possède chacun sa propre structure particulière, grâce à laquelle il joue un certain rôle dans l'organisme. De la même manière, il existe des structures spéciales dans le cytoplasme, dont la structure particulière leur donne la possibilité de remplir certaines fonctions nécessaires au métabolisme de la cellule ; ces structures sont appelées organites (« petits organes »).

L'élucidation de la nature, de la fonction et de la distribution des organites cytoplasmiques n'est devenue possible qu'après le développement de méthodes de biologie cellulaire moderne. Les plus utiles à cet égard étaient : 1) la microscopie électronique ; 2) le fractionnement cellulaire, à l'aide duquel les biochimistes peuvent isoler des fractions relativement pures de cellules contenant certains organites, et ainsi étudier les réactions métaboliques individuelles qui les intéressent ; 3) l'autoradiographie, qui a permis d'étudier directement les réactions métaboliques individuelles se produisant dans les organites.

La méthode par laquelle les organites sont isolés des cellules est appelée fractionnement. Cette méthode s'est avérée très fructueuse, donnant aux biochimistes la possibilité d'isoler divers organites cellulaires sous une forme relativement pure. Cela permet également de déterminer la composition chimique des organites et des enzymes qu'ils contiennent et, sur la base des données obtenues, de tirer des conclusions sur leurs fonctions dans la cellule. Dans un premier temps, les cellules sont détruites par homogénéisation dans un milieu approprié qui préserve les organites et empêche leur agrégation. Très souvent, une solution de saccharose est utilisée à cet effet. Bien que les mitochondries et de nombreux autres organites cellulaires restent intacts, les structures membranaires telles que le réticulum endoplasmique et la membrane plasmique se désintègrent en fragments. Cependant, les fragments de membrane qui en résultent se referment souvent sur eux-mêmes, donnant naissance à des vésicules rondes de différentes tailles.

A l'étape suivante, l'homogénat cellulaire est soumis à une série de centrifugations dont la vitesse et la durée augmentent à chaque fois ; ce processus est appelé centrifugation différentielle. Différents organites cellulaires sont déposés au fond des tubes à centrifuger à différentes vitesses de centrifugation, qui dépendent de la taille, de la densité et de la forme des organites. Le précipité résultant peut être collecté et examiné. Les structures plus grandes et plus denses telles que les noyaux sont les plus rapides à se déposer, tandis que les structures plus petites et moins denses telles que les vésicules du réticulum endoplasmique nécessitent des taux plus élevés et des temps plus longs pour se déposer. Par conséquent, à faible vitesse de centrifugation, les noyaux sédimentent, tandis que les autres organites cellulaires restent en suspension. À des vitesses plus élevées, les mitochondries et les lysosomes précipitent, et avec une centrifugation prolongée et des vitesses très élevées, même les petites particules telles que les ribosomes précipitent. Les précipités peuvent être examinés à l'aide d'un microscope électronique pour déterminer la pureté des fractions résultantes. Toutes les fractions sont contaminées dans une certaine mesure par d'autres organites. Si néanmoins il est possible d'obtenir une pureté suffisante des fractions, celles-ci sont ensuite soumises à une analyse biochimique pour déterminer la composition chimique et l'activité enzymatique des organites isolés.

Plus récemment, une autre méthode de fractionnement cellulaire a été créée : la centrifugation sur gradient de densité ; Dans ce cas, la centrifugation est effectuée dans un tube à essai dans lequel des solutions de saccharose de concentrations croissantes et, par conséquent, de densité croissante, sont d'abord superposées les unes sur les autres. Lors de la centrifugation, les organites contenus dans l'homogénat se situent dans un tube à centrifuger aux mêmes niveaux que les solutions de saccharose leur correspondant en densité. Cette méthode donne aux biochimistes la possibilité de séparer des organites de même taille mais de densités différentes (Fig. 1.).

L'autoradiographie est une méthode relativement nouvelle qui a considérablement élargi les capacités de la microscopie optique et électronique. Il s'agit d'une méthode très moderne, qui doit son origine au développement de la physique nucléaire, qui a permis d'obtenir des isotopes radioactifs de divers éléments. L'autoradiographie nécessite en particulier des isotopes des éléments utilisés par la cellule ou pouvant se lier à des substances utilisées par la cellule, et pouvant être administrés aux animaux ou ajoutés aux cultures en quantités ne perturbant pas le métabolisme cellulaire normal. Parce qu'un isotope radioactif (ou la substance qui y est marquée) participe aux réactions biochimiques de la même manière que son homologue non radioactif et émet en même temps un rayonnement, le cheminement des isotopes dans le corps peut être retracé à l'aide de diverses méthodes de détection de la radioactivité. . Une façon de détecter la radioactivité repose sur sa capacité à agir comme la lumière sur un film photographique ; mais le rayonnement radioactif pénètre dans le papier noir utilisé pour protéger le film de la lumière et a le même effet sur le film que la lumière.

Afin que le rayonnement émis par les isotopes radioactifs puisse être détecté sur les préparations destinées à être étudiées au microscope optique ou électronique, les préparations sont enduites dans une chambre noire d'une émulsion photographique spéciale, puis laissées pendant un certain temps dans l'obscurité. Ensuite, les préparations sont développées (également dans l'obscurité) et fixées. Les zones du médicament contenant des isotopes radioactifs affectent l'émulsion sous-jacente, dans laquelle des « grains » sombres apparaissent sous l'influence du rayonnement émis. Ainsi, des radioautographes sont obtenus (du grec.radio – rayonner,automobiles – lui-même etgraphiste - écrire).

Au début, les histologistes ne disposaient que de quelques isotopes radioactifs ; par exemple, de nombreuses premières études d'autoradiographie utilisaient du phosphore radioactif. Plus tard, beaucoup plus de ces isotopes ont commencé à être utilisés ; L'isotope radioactif de l'hydrogène, le tritium, a trouvé une utilisation particulièrement répandue.

L'autoradiographie était et est encore très largement utilisée pour étudier où et comment certaines réactions biochimiques se produisent dans le corps.

Les composés chimiques marqués avec des isotopes radioactifs utilisés pour étudier les processus biologiques sont appelés précurseurs. Les précurseurs sont généralement des substances similaires à celles que l’organisme obtient à partir des aliments ; ils servent d'éléments de base pour la construction des tissus et sont incorporés dans des composants complexes de cellules et de tissus de la même manière que des éléments de base non marqués y sont incorporés. Le composant tissulaire dans lequel le précurseur marqué est incorporé et qui émet un rayonnement est appelé le produit.

Les cellules cultivées, bien qu'appartenant au même type, se trouveront à des stades différents du cycle cellulaire à un moment donné, à moins que des mesures spéciales ne soient prises pour synchroniser leurs cycles. Cependant, en introduisant du tritium-thymidine dans les cellules puis en réalisant des autoradiographies, il est possible de déterminer la durée des différentes étapes du cycle. Le moment du début d’une étape – la mitose – peut être déterminé sans thymidine marquée. Pour ce faire, un échantillon de cellules de la culture est maintenu sous observation dans un microscope à contraste de phase, ce qui permet de suivre directement la progression de la mitose et de déterminer son timing. La durée de la mitose est généralement d'une heure, bien que dans certains types de cellules, elle puisse prendre jusqu'à une heure et demie.

g 2 périodes .

Pour déterminer la durée de la période G 2, une méthode diteétiquette d'impulsion : De la thymidine marquée est ajoutée à la culture cellulaire et, peu de temps après, le milieu de culture est remplacé par un milieu frais afin d'empêcher une absorption ultérieure de la thymidine marquée par les cellules. Dans ce cas, l'étiquette est incluse uniquement dans les cellules qui, lors d'un court séjour dans un milieu contenant du tritium-thymidine, étaient enS-période du cycle cellulaire. La proportion de ces cellules est faible et seule une petite partie des cellules recevra le marquage. De plus, toutes les cellules qui incluent le label seront en interphase - des cellules qui sont à peine entréesS-période, à ceux qui ont failli y mettre fin lors de l'exposition au tritium-thymidine. Dans un échantillon prélevé immédiatement après le retrait de la thymidine marquée, le marqueur est contenu uniquement dans les noyaux en interphase appartenant à des cellules qui étaient enS-période; les mêmes cellules qui étaient en état de mitose pendant cette période restent non étiquetées.

Si vous continuez ensuite à prélever des échantillons de culture à certains intervalles et à faire une autoradiographie pour chaque échantillon successif, alors un moment viendra où l'étiquette commencera à apparaître dansmitotique d -chromosomes . Des étiquettes seront incluses dans toutes les cellules qui étaient en présence de tritium-thymidine dans le milieu.S-période, et parmi ces cellules il y aura ceux qui viennent d'entrerS-période, et y a presque mis fin. Il est bien évident que ces dernières seront les premières parmi les cellules marquées à subir une mitose et, par conséquent, le marqueur sera détecté dans leurs chromosomes mitotiques. Ainsi, l'intervalle entre 1) le moment où la thymidine marquée a été retirée de la culture et 2) le moment d'apparition des chromosomes mitotiques marqués correspondra à la duréeg2 périodes du cycle cellulaire.

Déterminer la durée S -période .

Puisque les cellules qui se trouvent tout au bout lorsque le marqueur est introduit dans le milieuS-période sera la première à entrer en mitose, puis, par conséquent, dans les cellules dans lesquellesS-la période commence juste avant le retrait du marqueur ; les chromosomes mitotiques marqués apparaîtront en dernier. Ainsi, si l’on pouvait déterminer l’intervalle entre le moment de l’entrée en mitose des cellules marquées en premier et celui des cellules marquées en dernier, on établirait la duréeS-période. Cependant, bien que le moment où les chromosomes mitotiques marqués apparaissent pour la première fois soit facile à déterminer, le moment auquel les dernières cellules marquées entrent en mitose ne peut pas être déterminé (cela est entravé par le très grand nombre de cellules en division marquées dans ces derniers échantillons). Donc la duréeS-les périodes doivent être déterminées d'une manière différente.

En examinant des autoradiographies d'échantillons successifs de cellules prélevés à intervalles réguliers, on découvre que la proportion de cellules portant le marqueur dans leurs chromosomes mitotiques augmente progressivement jusqu'à ce que littéralement toutes les cellules en division soient marquées. Cependant, à mesure que les cellules terminent la mitose une par une, elles deviennent des cellules d’interphase marquées. Les premières à terminer la mitose sont celles des cellules marquées qui y sont entrées en premier ; et par conséquent, parmi les cellules dotées de chromosomes mitotiques marqués, les dernières à terminer la mitose sont celles qui y sont entrées plus tard que toutes. Puisque la durée de la mitose est toujours la même, alors, si nous pouvions déterminer l'intervalle entre : 1) l'heure de la fin de la mitose dans les cellules qui ont activé la marque en premier, et 2) l'heure de la fin de la mitose. mitose dans les cellules qui ont allumé la marque en dernier, nous établirions la duréeS-période. DuréeS-la période peut être facilement établie en déterminant l'intervalle entre : 1) le moment où 50 % des cellules mitotiques de la culture portent le marqueur, et 2) le moment après lequel la culture ne contient plus 50 % du cellules marquées.

Détermination du temps de génération (durée totale de tout le cycle cellulaire).

En continuant à prélever des échantillons de cellules de la culture, vous constaterez que les figures mitotiques marquées disparaissent complètement à un moment donné, puis réapparaissent. Ces cellules en division sont des cellules filles dérivées de ces cellules mères qui ont activé l'étiquette lorsqu'elles ont été exposées au tritium-thymidine.S-période. Ces cellules mères sont passées dansS-période, divisée, puis traversèrent une deuxième interphase et une deuxième division, c'est-à-dire qu'ils passèrent par un cycle complet et une partie du suivant. Le temps nécessaire pour terminer un cycle cellulaire complet est appelé tempsgénération. Il correspond à l'intervalle entre deux pics successifs d'incorporation de marqueur et correspond généralement au segment entre les points des courbes ascendantes successives où 50 % des figures mitotiques contiennent le marqueur.

Littérature.

A. Ham, D. Cormack « Histologie », volume 1 Moscou « MIR » 1982 ;

M.G. Abramov « Cytologie clinique » Moscou « MÉDECINE » 1974 ;

Y.S.Chentsov « Cytologie générale »