Методы цитологии. Цитологическое исследование: когда его назначают и зачем оно нужно? Цитология и ее методы

План:

1. Что изучает цитология.

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

3. Методы исследования, применяемые в цитологии.

4. Фракционирование клеток.

5. Радиоавтография.

6. Определение продолжительности некоторых стадий клеточного цикла методом радиоавтографии.

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

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

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

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

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

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

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

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

В учебнике излагается материал по всем разделам цитологии, включая историю и современные методы изучения клеток, понятия: дифференцировка и стволовые клетки, классические представления цитологии дополнены современными данными, полученными в этой области в последнее десятилетие, разбираются проблемы патологии клетки, в частности, современные взгляды на процессы некроза, апоптоза, рассматривается биология раковых клеток. В учебнике представлена глава «Руководство к практическим занятиям по цитологии», где кратко изложен материал 18 практических занятий. Учебник предназначен для бакалавров биологических факультетов вузов и учителей биологии.

Глава 2. Методы современной цитологии

Цитохимия

Развитие микротехники активно способствовало накоплению данных о тонком клеточном строении. В конце XIX в., благодаря развитию методов специального окрашивания клеточных структур на световом уровне микроскопирования, были выявлены и описаны в клетках сетчатый аппарат Гольджи и митохондрии. Ближе к середине XX в. появились объемные научные издания, обобщающие достижения в этой области. Область цитологии, которая изучает содержание и распределение химических соединений внутри клетки, динамику их превращений в процессе жизнедеятельности, в том числе при патологии, стали называть цитохимией. Цитохимия широко используется и в настоящее время. Разработано громадное количество окрасочных приемов, выявляющих конкретные химические соединения в клетке, особенно с использованием люминесцентных микроскопов.

Методы цитохимии подразделяют на две большие категории. К первой категории относятся методы, основанные на использовании специфических красителей, взаимодействующих с конкретными химическими соединениями. Например, при окрашивании Суданом черным в клетках выявляются жиры в виде черных капель, тогда как ядра и структуры цитоплазмы останутся бесцветными (рис. 2.1).

Вторая категория методов цитохимии основана на проведении химической реакции непосредственно на срезе на предметном стекле. Суть реакции состоит в том, чтобы гидролизовать изучаемое химическое соединение так, чтобы образовались специфические реакционные группы, взаимодействующие с определенным красителем. Условия гидролиза для каждого соединения подбираются индивидуально. Например, обесцвеченное основание фуксина, взаимодействуя с альдегидными группами, образует прочное соединение, которое в присутствии сернистой кислоты окрашивается в красный цвет.

Рис. 2.1 . Выявление жира в клетках печени аксолотля при окраске Суданом черным.

Классическим примером является реакция Фельгена на выявление ДНК. В этом случае гидролиз проводится в 1М соляной кислоте при длительном нагревании препарата. В результате реакции от молекулы ДНК отщепляются пуриновые азотистие основания – аденин и гуанин. На их месте на дезоксирибозе образуются свободные альдегидные группы, способные вступить в реакцию с красителем. Препарат после реакции помещают в раствор красителя. Связывание фуксина происходит строго количественно. После отмывания препарата в слабом растворе сернистой кислоты места локализации ДНК окрашиваются в красный цвет (рис. 2.2а). Такие препараты можно использовать для количественного определения ДНК в клетке.

Для выявления полисахарида гликогена, мономером которого является глюкоза, предметное стекло с тонкими срезами ткани помещают в раствор периодата калия (KIO 4) и проводят гидролиз при комнатной температуре. Такая обработка приводит к разрушению гликогена в клетках с активацией альдегидных групп в молекуле глюкозы. Затем препарат окрашивают так же, как описано для реакции на ДНК. В этом случае окрасятся участки клеток, содержащие гликоген. Специфическим в данном случае является не краситель, а подбор соответствующей химической реакции, которая проводится непосредствено на цитологическом препарате (рис. 2.2б).

Рис. 2.2. Выявление ДНК по Фельгену (а) и гликогена после гидролиза в периодате (б) с помощью обесцвеченного основания фуксина. Клетки печени аксолотля.

С помощью цитохимических цветных реакций в клетках выявляют разнообразные полисахариды, специфические аминокислоты в белках, нуклеиновые кислоты, жиры, липиды и множество ферментов, участвующих в метаболических процессах обмена и превращения веществ. Ферменты обычно выявляют по наличию продуктов их активности.

В настоящее время широко используются флюоресцентные красители для специфического окрашивания биологических полимеров или клеточных органелл. Известны флюорохромы для выявления ДНК, РНК, липидов, миотохондрий и т. д. Флюоресцентная цитохимия активно развивается.

Вопросы

1. Что такое цитохимия?

2. Как можно окрасить ДНК в клетках?

3. Как выявляется в клетках гликоген? Жир?

Иммуноцитохимия

Ближе к концу XX в. цитохимия перешла на новый качественный уровень. Стало успешно развиваться новое направление цитохимии – иммуноцитохимия, которая в настоящее время является одним из самых передовых методов клеточной биологии. Для этого метода применяются люминесцентные микроскопы и красители флюорохромы.

При использовании для иммуноцитохимии флюорохромы химическим путем «сшивают» (конъюгируют) с антителами. Антитела имеют специфичность к определенному белку, который служит антигеном, и взаимодействуют не с любыми клеточными структурами, а только с теми участками клеток, где находится изучаемый белок. Таким образом, с помощью метода цитохимии можно изучать, какие специфические белки локализованы в тех или иных клеточных структурах.

Антитела, используемые в иммуноцитохимии, могут быть маркированы, помимо люминесцентных красителей, ферментами или электронно-плотными частицами. В такой модификации метода выявление специфических белков осуществляется с помощью электронного микроскопа.

С помощью метода иммуноцитохимии изучены состав и расположение элементов цитоскелета клеток растений и животных, характерные особенности цитоскелета опухолевых клеток. С помощью этого метода научились выявлять индивидуальность хромосом человека, что необходимо при изучении развития патологий, а также в судебной медицине. Метод иммуноцитохимии позволил выявить на поверхности разнообразных клеток индивидуальные маркеры, что облегчило понимание многих патологических процессов, позволило выяснить, какие клеточные типы являются отправной точкой в развитии ряда болезней. Например, показана роль макрофагов и гладкомышечных клеток кровеносных сосудов в развитии атеросклероза.

Вопросы

1. Для чего используется метод иммуноцитохимии?

2. В чем суть метода?

3. Что вы знаете о люминесцентном микроскопе?

Электронная микроскопия

Во второй половине XX в. стал активно использоваться новый метод микроскопирования, дающий в 100 раз большее разрешение биологических объектов по сравнению со световой микроскопией, – электронная микроскопия.

В электронном микроскопе изображение строится с помощью узкого пучка электронов, с высокой скоростью проходящего через срез ткани и взаимодействующего с ним. Электроны могут поглощаться срезом или отклоняться от исходного направления, в результате чего узкий пучок электронов будет рассеиваться. В качестве устройств, формирующих и фокусирующих поток электронов до взаимодействия со срезом ткани и после этого, используются мощные кольцевые электромагниты. Напряжение в колонне электронного микроскопа достигает 100 000 вольт. Изображение строится на люминесцентном экране, который дает свечение при взаимодействии с электронами. Вместо отображения объекта на светящемся экране его изображение можно зафиксировать на фотопластинке, что дает возможность получить фотоснимок. Для изучения биологических объектов пришлось разрабатывать новые методы приготовления препаратов.

Фиксируют ткани для электронной микроскопии глутаровым альдегидом, который «сшивает» белковые молекулы, и дофиксируют тетраоксидом осмия, который стабилизирует двуслойные липидные мембраны и дополнительно фиксирует тканевые белки. Для получения срезов образцы ткани пропитывают полимерными смолами, которые затвердевают, образуя твердый пластмассовый блок. С него на специальном приборе ультрамикротоме стеклянными или алмазными ножами делают очень тонкие срезы толщиной 50–100 нм; с одной клетки можно приготовить 100–200 срезов. Затем срезы пропитывают солями тяжелых металлов (урана, свинца, фосфорно-вольфрамовой кислоты) для увеличения контрастности изображения. Готовые срезы помещают на тонкую медную сеточку, ячейки которой покрыты прозрачной полимерной пленкой, и просматривают в электронном микроскопе.

Кроме срезов, под электронным микроскопом изучают крупные биологические молекулы, структуру мембран, белковые глобулы, поверхность клеточных органоидов. При изучении поверхности органоидов или молекулярных комплексов добиваются контрастного изображения различными приемами. Обычно она достигается за счет напыления под углом к поверхности объекта тонкого слоя золота или платины. Толщина слоя золота на поверхности соответствует структурным особенностям объекта. Некоторые участки объекта будут иметь более толстый слой напыления, в других местах напыление будет отсутствовать из-за образования теневой зоны. Поток электронов в микроскопе направлен перпендикулярно к поверхности объекта, что обеспечит выявление светлых и темных участков на изучаемой поверхности, так как в зависимости от толщины слоя напыления металла степень поглощения электронов будет изменяться.

Электронная микроскопия обусловила значительный прогресс в развитии цитологии. Была описана тонкая структура ядра, всех цитоплазматических органоидов: эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, всевозможных вакуолей, митохондрий, пластид, центриолей (рис. 5.1). Именно с помощью электронной микроскопии было показано, что двуспиральная молекула ДНК, выделенная из бактерий, имеет форму кольца.

Электронная микроскопия, в которой изображение строится с помощью потока электронов, проходящих через объект, называется трансмиссионной. Ее разрешающая способность для биологических объектов 2 нм при увеличении ×100 000, что примерно соответствует диаметру двойной спирали ДНК.

Помимо трансмиссионной электронной микроскопии существует растровая (сканирующая) электронная микроскопия, когда изображение строится с помощью электронного луча, отраженного с поверхности изучаемого объекта. Такие электронные микроскопы называются сканирующими. В микроскопе образец сканируется узким пучком электронов. Когда луч электронов попадает на образец, то поверхность образца, на которую нанесен тонкий слой золота, испускает «вторичные электроны». Они регистрируются прибором и преобразуются в изображение на телевизионном экране. Максимальное разрешение сканирующего микроскопа меньше, чем трансмиссионного, и составляет 10 нм для биологических объектов, а увеличение ×20 000. С помощью сканирующих микроскопов изучают внутренние поверхности кровеносных сосудов, поверхности клеток и небольших структур. Сканирующий микроскоп дает объемное изображение.

Вопросы

1. Какие типы электронных микроскопов вы знаете? Каково их разрешение?

2. Какие структуры можно увидеть в ядре и цитоплазме с помощью трансмиссионного электронного микроскопа?

3. В чем состоит принцип построения изображения в электронном микроскопе?

4. В чем особенности приготовления препаратов для электронной микроскопии?

Метод авторадиографии используют для выяснения, в каких местах в клетке идет синтез тех или иных полимерных молекул, для изучения, куда переносятся синтезированные вещества. Иначе метод называют радиоавтографией. Он может использоваться применительно и к световой, и к электронной микроскопии. Метод позволяет обнаруживать в клетке биологические полимерные молекулы, меченые радиоактивными изотопами. Ядра радиоактивных изотопов нестабильны, подвергаются распаду, испуская заряженные частицы или γ-лучи. Экспериментатор регистрирует этот радиоактивный распад на фотопленке.

Обычно в кровь животному вводится мономер биополимера, в котором один из атомов водорода замещен на радиоактивный тритий. Например, в состав молекулы ДНК входит нуклеотид тимидин. В молекуле тимидина один из атомов водорода замещают на тритий. Тимидин, распространяясь с кровью, будет включаться в те клетки, где в данный момент идет репликация ДНК. На окрашенных срезах тканей можно будет выявить клетки, находящиеся в S-фазе клеточного цикла. Для этого на окрашенный срез в темноте наносят обычную фотоэмульсию, которая при хранении препаратов засвечивается под действием энергии, излучаемой изотопами. После проявления фотоэмульсии над клетками, находящимися в S-фазе клеточного цикла, появляются черные гранулы восстановленного серебра, образующиеся в фотоэмульсии.

Именно так в 60-е гг. XX в. было показано, что в составе нейронов головного мозга, в некоторых его отделах, возможна репликация ДНК. Но в то время было трудно представить, что в головном мозге млекопитающих присутствуют стволовые клетки, способные к делению. Тогда предположили, что репликация ДНК в нейронах головного мозга связана с процессом памяти.

Именно методом авторадиографии было показано, что ДНК всегда находится в ядре и никуда оттуда не выходит. РНК, напротив, синтезируется в ядре, а затем выходит в цитоплазму. Белок никогда не синтезируется в ядре. Место синтеза белка – рибосомы цитоплазмы. Отсюда белок может перемещаться и в ядро, и внутрь органелл цитоплазмы.

В заключение следует отметить, что каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Исследователь должен использовать несколько взаимодополняющих методов, чтобы сделать окончательный вывод.

Вопросы

2. В чем суть метода?

3. Какие результаты получены с помощью этого метода?

Фракционирование клеток

С середины XX в. цитологи получили возможность исследовать не только целые клетки, но и отдельные органоиды, выделенные из клеток в жизнеспособном состоянии. Для этого используется метод фракционирования клеток, основанный на дифференциальном центрифугировании.

Для получения образцов органоидов фрагменты ткани разрушают таким образом, чтобы клеточные структуры остались неповрежденными. С этой целью подбирают подходящие условия гомогенизации, т. е. разрушения клеток, подходящую среду для выделения клеточных структур, буфер для поддержания определенного рН, в процессе выделения поддерживают низкую температуру, близкую к нулю. В результате получают суспензию клеточных органоидов, которая содержит ядра, митохондрии, лизосомы, аппарат Гольджи, фрагменты эндоплазматического ретикулума, рибосомы и обрывки клеточных мембран. Суспензию начинают центрифугировать на специальных приборах – центрифугах. Разные органоиды осаждаются на дно пробирки при разных скоростях центрифугирования. Скорость оседания зависит от размера частицы и ее плотности. При низких скоростях центрифугирования в первую очередь осаждаются ядра. Получив осадок ядер, оставшуюся суспензию переливают в другую пробирку для следующего этапа центрифугирования. Осадок, состоящий из клеточных ядер, размешивают и используют в экспериментальной работе. Так повторяют несколько раз, увеличивая скорость и продолжительность центрифугирования. Самые высокие скорости центрифугирования необходимы для получения самых маленьких органелл – рибосом. Ядра осаждаются на дно пробирки при центрифугировании в течение двух минут с ускорением 2000 g. Осадок митохондрий получают через 30 минут центрифугирования с ускорением 15 000 g, а рибосомы собирают через 3 часа центрифугирования с ускорением 40 000 g.

С помощью этого метода впервые в клетках были открыты лизосомы – небольшие вакуоли, содержащие гидролитические ферменты и выполняющие пищеварительные функции в клетках. После открытия лизосом методом фракционирования, их обнаружили на срезах клеток под световым и электронным микроскопом с помощью метода цитохимии, выявив работу специфических ферментов.

Возможность получения чистых фракций отдельных органоидов позволила изучить их химический состав, набор ферментов и, в конечном итоге, понять, как работает та или иная клеточная структура.

Вопросы

1. Что такое гомогенизация клеток?

2. Почему разные органоиды клетки при центрифугировании осаждаются на дно не одновременно?

3. Какие клеточные органоиды были открыты именно с помощью метода фракционирования клеток?

Метод клеточных культур

Обычно лаборатории, занимающиеся изучением биологии клетки, имеют в своем арсенале несколько методов. Метод клеточных культур обязательно есть в их числе.

В начале XX в. французский ученый А. Каррель установил, что в асептических условиях клетки многоклеточного организма могут расти в искусственной питательной среде в течение длительного времени. В настоящее время известно, что большинство видов клеток растений и животных в благоприятных условиях способны не только жить и размножаться вне организма, но и дифференцироваться, приобретая важные черты специализации. Например, клетки сердечной мышцы в клеточной культуре могут сокращаться.

Для получения клеточной культуры небольшие кусочки ткани диссоциируют на отдельные клетки, используя ферментативную и механическую обработку, и получают суспензию клеток. Затем клетки помещают в специальные сосуды с плоским дном: стеклянные или пластиковые, и заливают искусственной питательной средой. Для каждого типа клеток среда индивидуальна. Для большинства животных клеток питательная среда имеет в своем составе глюкозу, незаменимые аминокислоты, витамины и небольшой процент сыворотки крови. Важно поддерживать нейтральную реакцию среды, оптимальную температуру, не допускать инфекционного заражения. В таких условиях клетки осаждаются на дно сосуда культивирования, прикрепляются к стеклу, распластываются на нем, приобретают характерную для них форму и начинают делиться. Через несколько суток вся поверхность дна сосуда становится заполненной клетками. Наступает момент контактного торможения, клетки прекращают делиться. Нормальные клетки могут в течение некоторого времени сохранять жизнеспособность в таком покоящемся состоянии. Для дальнейшего культивирования их собирают из первого сосуда и переносят в несколько других сосудов в тех же условиях. Цикл повторяется заново. Так получают перевиваемые клеточные культуры.

Именно с помощью метода клеточных культур впервые были описаны особенности опухолевых клеток. Первая особенность – способность к бесконечному делению. В 50-е гг. XX в. была получена перевиваемая клеточная культура раковых клеток опухоли молочной железы. Культура получила название HeLa по первым буквам имени оперированной пациентки. Эти клетки живы до сих пор, и с ними работают во многих лабораториях мира. За прошедшие годы ученые вырастили тонны этих клеток, хотя самой пациентки давно уже нет в живых.

Другая особенность раковых клеток: они не прекращают делиться, заполняя всю поверхность сосуда. Клетки наползают друг на друга, могут образовывать второй и третий слой.

Нетрансформированные нормальные клетки могут делиться ограниченное количество раз. Такую культуру нельзя поддерживать бесконечно долго. После нескольких пересевов клетки перестают делиться и погибают.

Работа с клеточными культурами дает большие возможности для исследователей. На ранних этапах развития цитологии клеточные культуры использовали для визуального наблюдения за живыми клетками. Изучали процессы митоза, движения клеток, образования контактов между клетками. Сейчас на клеточных культурах изучают процессы дифференцировки, получают перевиваемые клеточные линии стволовых эмбриональных клеток. Клеточные культуры используют для моделирования различных патологических состояний: ишемии, химического или гормонального стресса, для переноса чужеродной генетической информации и т. д. Клеточные культуры находят широкое практическое применение для получения специфических антител, ферментов, факторов регуляции жизнедеятельности клеток, их используют при разработке вакцин.

Из клеточных культур растений можно вырастить целые организмы, поэтому их используют для создания новых сортов растений, обладающих важными для человека свойствами.

Вопросы

1. Как получают перевиваемые клеточные культуры?

2. Какие особенности раковых клеток были изучены в клеточной культуре?

3. Для чего используются клеточные культуры?

Конфокальная микроскопия

Широкий интерес к конфокальной микроскопии появился в конце XX в. благодаря бурному развитию компьютерной и лазерной технологий. Конфокальный микроскоп – это оптико-электронный прибор. В его основе лежит люминесцентный микроскоп, где объект освещается лазерным лучом и полученное изображение обрабатывается с использованием памяти компьютера. За счет такого приема можно воссоздать объемное изображение объекта при исследовании серии оптических срезов. Изображение создается на экране компьютера. Разрешение микроскопа увеличивается по сравнению с обычным люминесцентным микроскопом примерно в 1,5 раза. Основное достоинство конфокального микроскопа – не рост разрешающей способности, а существенное увеличение контрастности изображения.

Конфокальный микроскоп дает две неоценимые возможности: он позволяет исследовать ткани на клеточном уровне в состоянии физиологической жизнедеятельности, а также оценивать результаты исследований в четырех измерениях: высота, ширина, глубина и время.

В таком микроскопе используются принципы люминесцентной микроскопии и иммуноцитохимии с применением специальных флюорохромов для конфокальных микроскопов. Помимо флюоресцентного конфокального изображения, в микроскопе можно получить соответствующее ему изображение образца в проходящем свете.

Использование конфокального микроскопа позволяет локализовать отдельные гены в структуре интерфазного ядра; изучать одновременно два или более белков, помеченных разными антителами, чтобы понять существует ли функциональная связь между ними; исследовать динамические процессы в клетке, в том числе и транспорт веществ через мембраны.

Благодаря использованию научно-технических достижений XX и XXI вв. в цитологии были разработаны новые методы, позволившие перейти на новый молекулярный уровень исследований с возможностью изучения не только структур клетки, но и молекул, выполняющих разнообразные функции.

Вопросы

1. Опишите принцип устройства конфокального микроскопа.

2. Каково его разрешение?

3. Для чего используется конфокальный микроскоп?

Клеточный уровень организации жизни

§ 16. История изучения клетки. Методы цитологических исследований.

История изучения клетки.

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

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

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

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

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

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

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

Методы цитологических исследований.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Значение цитологических методов в диагностике и лечении заболеваний человека.

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

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

§ 17. Строение клеток прокариот и эукариот.

Единство строения клеток.

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

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

Строение клеток эукариот.

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

Рибосомы - немембранни органеллы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Строение клеток прокариот.

Прокариоты - одноклеточные организмы, в клетках которых нет ядра.

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

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

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

Гипотезы происхождения органелл эукариотических клеток.

Прокариотические клетки появились на Земле раньше, чем эукариотические.

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

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

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

Клеточные мембраны.

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

В основе любой мембраны лежит двойной слой фосфолипидов.

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

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

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

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

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

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

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

Транспортировки веществ через мембраны.

Существуют два активных процесса: экзоцитоз и эндоцитоз.

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

Различают два типа эндоцитоза:

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

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

В случае фагоцитоза образуются большие пузыри, которые называются вакуолями.

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

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

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

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

Поверхностный аппарат клетки.

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

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

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

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

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

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

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

Мурманскийгосударственный технический университет

Кафедра биологии

Доклад на тему:

«Методыисследования в цитологии»

Выполнил:

Студентка 1-го курса

Технического факультета

Кафедры Биология

Серебрякова ЛадаВячеславовна

Проверил:

Мурманск2001

План:

1.Что изучает цитология.

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

3.Методы исследования, применяемые в цитологии.

4.Фракционирование клеток.

5.Радиоавтография.

6.Определение продолжительности некоторых стадий клеточного цикла методомрадиоавтографии.

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

Длительное и пристальноеизучение клетки как таковой привело к формулированию важного теоретическогообобщения, имеющего общебиологическое значение, а именно к появлению клеточнойтеории. В XVII в. Роберт Гук,физик и биолог, отличавшийся большой изобретательностью, создал микроскоп.Рассматривая под своим микроскопом тонкий срез пробки, Гук обнаружил, что онапостроена из малюсеньких ничем не заполненных ячеек, разделенных тонкимистенками, которые, как это нам теперь известно, состоят из целлюлозы. Он назвалэти маленькие ячейки клетками. В дальнейшем, когда другие биологи началиисследовать под микроскопом растительные ткани, оказалось, что маленькиеячейки, обнаруженные Гуком в мертвой иссохшей пробке, имеются и в живыхрастительных тканях, но у них они не пустые, а содержат каждая по маленькомустуденистому тельцу. После того, как микроскопическому исследованию подверглиживотные ткани, было установлено, что они также состоят из мелких студенистыхтелец, но что эти тельца лишь в редких случаях отделены друг от друга стенками.В результате всех этих исследований в 1939 г. Шлейден и Шванн независимо другот друга сформулировали клеточную теорию, гласящую, что клетки представляютсобой элементарные единицы, из которых в конечном счете построены все растенияи все животные. В течение какого-то времени двоякий смысл слова клетка ещевызывал некоторые недоразумения, но затем он прочно закрепился за этимималенькими желеобразными тельцами.

Современное представление оклетке тесно связано с техническими достижениями и усовершенствованиями методовисследования. Помимо обычной световой микроскопии, не утратившей своей роли, впоследние несколько десятилетий большое значение приобрели поляризационная,ультрафиолетовая, флюоресцентная, фазовоконтрастная микроскопия. Среди них особоеместо занимает электронная микроскопия, разрешающая способность которойпозволила проникнуть и изучить субмикроскопическую и молекулярную структуруклетки. Современные методы исследования позволили вскрыть детальную картинуклеточной организации.

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

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

Выяснениеприроды, функции и распределения органелл цитоплазмы стало возможным лишь послеразвития методов современной биологии клетки. Наиболее полезными в этом отношении оказались: 1) электронная микроскопия; 2) фракционирование клеток, спомощью которого биохимики могут выделять относительно чистые фракции клеток,содержащие определенные органеллы, и изучать, таким образом, отдельныеинтересующие их метаболические реакции; 3) радиоавтография, сделавшая возможнымнепосредственное изучение отдельных метаболических реакций, протекающих в органеллах.

Метод, с помощьюкоторого органеллы выделяют из клеток, называют фракционированием. Этот методоказался очень плодотворным, дав биохимикам возможность выделять разныеорганеллы клетки в относительно чистом виде. Он позволяет, кроме того,определять химический состав органелл и содержащиеся в них ферменты и наосновании получаемых данных делать выводы об их функциях в клетке. В качествепервого шага клетки разрушают путем гомогенизации в какой-нибудь подходящейсреде, которая обеспечивает сохранность органелл и предотвращает их агрегацию.Очень часто для этого используют раствор сахарозы. Хотя митохондрии и многиедругие клеточные органеллы остаются при этом неповрежденными, такие мембранныепереплетения, как эндоплазматический ретикулум, а также плазматическаямембрана, распадаются на фрагменты. Однако образующиеся фрагменты мембраннередко замыкаются сами на себя, в результате чего получаются округлые пузырькиразличных размеров.

На следующемэтапе клеточный гомогенат подвергают ряду центрифугирований, скорость ипродолжительность которых всякий раз возрастает; этот процесс называетсядифференциальным центрифугированием. Разные органеллы клетки осаждаются на днецентрифужных пробирок при различных скоростях центрифугирования, что зависит отразмеров, плотности и формы органелл. Образующийся осадок можно отобрать иисследовать. Быстрее всех осаждаются такие крупные и плотные структуры, какядра, а для осаждения более мелких и менее плотных структур, таких, какпузырьки эндоплазматического ретикулума, требуются более высокие скорости иболее длительное время. Поэтому при низких скоростях центрифугирования ядраосаждаются, а другие клеточные органеллы остаются в суспензии. При болеевысоких скоростях осаждаются митохондрии и лизосомы, а при длительном центрифугированиии очень высоких скоростях в осадок выпадают даже такие мелкие частицы, какрибосомы. Осадки можно исследовать с помощью электронного микроскопа, чтобыопределить чистоту полученных фракций. Все фракции до некоторой степенизагрязнены другими органеллами. Если тем не менее удается добиться достаточнойчистоты фракций, то их подвергают затем биохимическому анализу, чтобыопределить химический состав и ферментативную активность выделенных органелл.

Сравнительнонедавно был создан другой метод фракционирования клеток – центрифугирование вградиенте плотности; при этом центрифугирование производят в пробирке, вкоторой предварительно наслаивают друг на друга растворы сахарозы всевозрастающей концентрации, а следовательно, и возрастающей плотности. Прицентрифугировании содержащиеся в гомогенате органеллы располагаются вцентрифужной пробирке на тех уровнях, на которых находятся растворы сахарозы,соответствующие им по плотности. Этот метод дает биохимикам возможностьразделять органеллы одинаковых размеров, но разной плотности (рис. 1.).

Радиоавтография– сравнительно новый метод, безмерно расширивший возможности как световой, таки электронной микроскопии. Это в высшей степени современный метод, обязанныйсвоим возникновением развитию ядерной физики, которое сделало возможнымполучение радиоактивных изотопов различных элементов. Для радиоавтографиинеобходимы, в частности, изотопы тех элементов, которые используются клеткойили могут связываться с веществами, используемыми клеткой, и которые можновводить животным или добавлять к культурам в количествах, не нарушающихнормального клеточного метаболизма. Поскольку радиоактивный изотоп (илипомеченное им вещество) участвует в биохимических реакциях так же, как егонерадиоактивный аналог, и в то же время испускает излучение, путь изотопов ворганизме можно проследить с помощью различных методов обнаружениярадиоактивности. Один из способов обнаружения радиоактивности основан на ееспособности действовать на фотопленку подобно свету; но радиоактивное излучениепроникает сквозь черную бумагу, используемую для того, чтобы защититьфотопленку от света, и оказывает на пленку такое же действие, как свет.

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

Вначале гистологи располагалилишь несколькими радиоактивными изотопами; так, например, во многих раннихисследованиях с применением радиоавтографии использовался радиоактивный фосфор.Позднее стали использовать значительно больше таких изотопов; особенно широкоеприменение нашел радиоактивный изотоп водорода – тритий.

Радиоавтографияимела и имеет до сих пор очень широкое применение для изучения того, где и какв организме протекают те или иные биохимические реакции.

Химическиесоединения, меченые радиоактивными изотопами, которые используются дляисследования биологических процессов, называют предшественниками.Предшественники – это обычно вещества, подобные тем, которые организм получаетиз пищи; они служат строительными блоками для построения тканей и включаются всложные компоненты клеток и тканей таким же образом, как в них включаютсянемеченые строительные блоки. Компонент ткани, в который включается меченыйпредшественник и который испускает излучение, называется продуктом.

Клетки,выращиваемые в культуре, хотя и принадлежат к одному и тому же типу, в любойданный момент времени будут находиться на разных стадиях клеточного цикла, еслине принять специальных мер для синхронизации их циклов. Тем не менее, путемвведения в клетки тритий-тимидина и последующего изготовления радиоавтографовможно определить продолжительность различных стадий цикла. Время наступленияодной стадии – митоза – можно определить и без меченого тимидина. Для этоговыборку клеток из культуры держат под наблюдением в фазово-контрастноммикроскопе, который дает возможность непосредственно следить за течением митозаи устанавливать его сроки. Продолжительность митоза обычно равна 1 ч, хотя вклетках некоторых типов он занимает до 1.5 ч.

Определениепродолжительности G 2-периода .

Для определенияпродолжительности G 2–периода применяют метод, известный под названием импульснойметки: к культуре клеток добавляют меченый тимидин, а спустя короткоевремя заменяют культуральную среду свежей, с тем, чтобы предотвратитьдальнейшее поглощение клетками меченого тимидина. При этом метку включаюттолько в те клетки, которые в течение кратковременного пребывания в среде с тритий-тимидином находились в S-периоде клеточного цикла. Доля такихклеток невелика и лишь небольшая часть клеток получит метку. Кроме того, всеклетки, включающие метку, будут находиться в интерфазе – от клеток, едвавступивших в S-период, дотаких, которые почти закончили его за время воздействия тритий-тимидина. Впробе, взятой сразу после удаления меченого тимидина, метка содержится только винтерфазных ядрах, принадлежащих клеткам, которые в период воздействия меткинаходились в S-периоде; те жеклетки, которые в этот период находились в состоянии митоза, остаютсянемечеными.

Если затем продолжать отбиратьиз культуры пробы через определенные промежутки времени и изготовлять длякаждой последовательной пробы радиоавтограф, то наступит момент, когда метканачнет появляться в митотических d -хромосомах . Метки будутвключаться во все те клетки, которые в период наличия в среде тритий-тимидинанаходились в S-периоде, причемсреди этих клеток будут как только что вступившие в S-период, так ипочти закончившие его. Совершенно очевидно, что эти последние первыми средимеченых клеток проделают митоз и, следовательно, в их митотических хромосомахобнаружится метка. Тем самым промежуток между 1) временем, когда из культурыбыл удален меченый тимидин, и 2) временем появления меченых митотическиххромосом будет соответствовать продолжительности G 2–периодаклеточного цикла.

Определениепродолжительности S -периода .

Поскольку клетки, находящиесяв момент введения в среду метки в самом конце S-периода,первыми вступят в митоз, то, следовательно, в тех клетках, у которых S-периодначинается непосредственно перед удалением метки, меченые митотическиехромосомы появятся в последнюю очередь. Поэтому, если бы нам удалось определитьпромежуток между временем вступления в митоз клеток, помеченных первыми, иклеток, помеченных последними, мы установили бы продолжительность S-периода. Однако,хотя время, когда впервые появляются меченые митотические хромосомы, установитьлегко, время вступления в митоз клеток, помеченных последними, определитьневозможно (этому препятствует очень большое количество меченых делящихсяклеток в последних пробах). Поэтому продолжительность S-периодаприходится определять другим способом.

При исследованиирадиоавтографов последовательных проб клеток, отбираемых через одинаковыепромежутки времени, обнаруживается, что доля клеток, несущих метку в своихмитотических хромосомах, постепенно возрастает, пока мечеными не окажутсябуквально все делящиеся клетки. Однако, по мере того как клетки одна за другойзавершают митоз, они превращаются в меченые интерфазные клетки. Первымизавершают митоз те из меченых клеток, которые вступили в него первыми; исоответственно из клеток с мечеными митотическими хромосомами последнимизавершают митоз те, которые вступили в него позже всех. Посколькупродолжительность митоза всегда одинакова, то, следовательно, если бы мы моглиопределить промежуток между: 1) временем окончания митоза в клетках, включившихметку первыми, и 2) временем окончания митоза в клетках, включивших меткупоследними, мы установили бы продолжительность S-периода.Продолжительность S-периода нетрудно установить, определив промежутокмежду: 1) моментом времени, когда 50% митотических клеток в культуре несутметку, и 2) моментом времени, после которого культура уже не содержит 50%меченых клеток.

Определениевремени генерации (общей продолжительности всего клеточного цикла).

Продолжая отбирать из культурыпробы клеток, можно обнаружить, что меченые фигуры митоза в какой-то моментсовершенно исчезают, а затем появляются вновь. Такие делящиеся клеткипредставляют собой дочерние клетки, происходящие от тех материнских клеток,которые включили метку, находясь в момент воздействия тритий-тимидина в S-периоде. Этиматеринские клетки перешли в S-период, разделились, а затем прошличерез вторую интерфазу и второе деление, то есть проделали один полный цикл ичасть следующего. Время, необходимое для прохождения полного клеточного цикла,называется временем генерации. Оно соответствует промежутку между двумяпоследовательными пиками включения метки и обычно соответствует отрезку междутеми точками последовательных восходящих кривых, в которых 50% фигур митозасодержат метку.

Литература.

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

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

Ю.С.Ченцов«Общая цитология»

Главная особенность морфо-функционального метода к изучению клетки — стремление по-нять структурную основу биохимических процессов, определяю-щих данную функцию, т. е. связать эти процессы с конкретными клеточными структурами.

Конечная цель при таком методе идентична цели, пресле-дуемой молекулярной биологией и клеточной структурной био-химией. Однако методы, используемые этими науками для ре-шения общей задачи, принципиально различны. Если в моле-кулярной биологии и структурной биохимии непременным усло-вием является разрушение клетки и выделение изучаемой струк-туры в виде более или менее чистой фракции, то в цитологиче-ских исследованиях предпосылкой, наоборот, служит сохране-ние целостности клетки. В данном случае необходимо стре-миться к тому, чтобы свести внешнее вмешательство до мини-мума, и стараться исследовать структурно-биохимическую орга-низацию тех или иных компонентов именно в пределах целост-ной клеточной системы.

Исследования морфофункционального направления бурно развивались в течение последних десятилетий. В это время было разработано большое количество принципиально новых методов качественного и количественного анализа клеточных структур. Такой подход тесно связан с новыми разделами био-логических наук и, в частности, с молекулярной биологией, что и обусловливает весьма значительный вклад подобных иссле-дований в прогресс наших знаний об общих закономерностях организации клетки.

Электронная микроскопия

Одним из наиболее распространенных, ставшим классиче-ским методом, применяемым при структурно-биохимических исследованиях, является метод электронной микроскопии в раз-личных его модификациях. Эти модификации обусловлены как различными подходами к анализу изучаемых структур, так и особенностями подготовки клеток для ультраструктурных ис-следований. Высокие разрешения обычных трансмиссионных (просвечивающих) микроскопов позволяют анализировать не только все органоиды ядерного и цитоплазматического аппара-тов, но и некоторые структуры, находящиеся на надмолекуляр-ном уровне организации, например опорные и сократимые мик-рофибриллы, микротрубочки , некоторые мультиэнзимные ком-плексы. В настоящее время для исследования клеток на систем-ном и субсистемном уровнях их организации все чаще с успе-хом применяется метод высоковольтной электронной микроско-пии. Благодаря намного большей по сравнению с просвечиваю-щим электронным микроскопом энергии проникающего пучка электронов этот метод позволяет изучать под микроскопом «толстые» срезы или даже целые распластанные клетки, что позволяет, например, анализировать в целом сложную систему субмембранных фибрилл поверхностного аппарата клетки .

В исследовании функции поверхностного аппарата клетки, взаимосвязи отдельных субсистем поверхностного аппарата ядра и ряда других вопросов общей цитологии существенное значение приобретает метод сканирующей электронной микро-скопии, дающий возможность объемного изучения поверхности объекта.

Метод замораживания-скалывания

Особое и принципиально важное место в цитологиче-ских исследованиях морфобиохимического направления зани-мает метод замораживания-скалывания. Он является наибо-лее щадящим методом подготовки биологических объектов для ультраструктурного анализа, т. е. вызывает минимальные изме-нения клеточных структур по сравнению с их нативным состоя-нием. Суть метода заключается в следующем. Объект помещают в атмосферу жидкого азота, что моментально прекращает все метаболические процессы. Затем с замороженного объекта де-лают сколы. С поверхности сколов получают реплики путем нанесения на них металлической пленки. Эти пленки в дальней-шем исследуют под электронным микроскопом. Преимущество метода замораживания-скалывания заключается в том, что плоскость скола обычно проходит по гидрофобной фазе мем-браны, и это позволяет изучать на сколах количество, размеры и характер расположения интегральных белков мембраны, т. е. непосредственно внутреннюю морфобиохимическую организа-цию мембран. Метод дал очень ценные результаты при исследо-вании разного рода мембранных структур и специальных обра-зований, например некоторых типов клеточных контактов.

Цитохимический метод

Для основной задачи структурно-биохимического аспекта цитологических исследований — выяснения функционального значения структур через анализ их биохимической организа-ции-исключительно важную роль играют цитохимические ме-тоды. В настоящее время они непрерывно совершенствуются как в смысле точной качественной идентификации химических со-единений в изучаемых структурах, так и в смысле их количе-ственной оценки. С помощью специальных приборов, позволяю-щих проводить количественную цитоспектрофотометрию, можно определить содержание данного вещества, например РНК и ДНК, не только в клетке в целом, но и на уровне ядерных или цитоплазматических структур. Благодаря интерференционной микроскопии можно оценить общее количество белка в клетке и его изменения в процессе ее жизнедеятельности.

Существует метод цитохимической идентифи-кации ферментов, который позволяет судить не только о локализации и коли-честве того или иного соединения в клеточных структурах, но и о процессах синтеза и внутриклеточного транспорта этих соеди-нений.

Цитохимия ферментов основана на принципе субстрат-ферментного взаимодействия с использованием маркерных соеди-нений, выпадающих при этом в осадок. Определяя локализа-цию, а в некоторых случаях и активность ферментативных си-стем, мы можем судить о локализации тех или иных биохимиче-ских процессов в клеточных структурах.

Авторадиография

Метод авторадиографии, так же, как и цитохимия ферментов, открывает возможность исследования внутриклеточного синтеза и транспорта, но при этом имеет еще более широкие возможности. Метод автора-диографии основывается на использовании меченых искусственными изотопами (3 Н, 14 С, 35 S и др.) радиоактивных предшественников синтеза макромолекул. Он позволяет не только локализовать места син-теза тех или иных макромолекул, но и проследить конкретные пути внутриклеточного транспорта этих соединений, дать отно-сительную количественную оценку интенсивности синтеза и ско-рости перемещения макромолекул в клеточных структурах. Таким путем, в частности, было впервые показано перемещение РНК из ядра в цитоплазму клеток, детально прослежены лока-лизация синтеза и внутриклеточный транспорт секрета в секре-торных клетках и выявлены многие другие важные для общей цитологии факты. По своей сути этот метод — один из наиболее типичных методов, характерных для структурно-биохимического направления исследований, поскольку он позволяет непосред-ственно изучать процессы метаболизма во внутриклеточных структурах в целостной, неразрушенной (как в биохимических исследованиях) клетке. Суть этого метода основана на обнару-жении маркированных искусственным изотопом молекул с по-мощью фотоэмульсии, которой покрываются срезы клеток и тканей, фиксированных в разные сроки после введения меченого предшественника.

Иммуноцитохимический метод

В настоящее время возможен и очень точный качественный анализ индивидуальных белков клеточных структур в пределах целостной клеточной системы. Такой анализ производится с по-мощью иммуноцитохимических методов. Суть этих методов за-ключается в том, что конкретный белок служит антигеном , к которому в организме каких-либо млекопитающих вырабатываются специфические антитела. Последние соединяются с флюоресци-рующим красителем или другим маркером. Затем сывороткой с маркированными антителами обрабатывается изучаемая клет-ка. Специфические маркированные антитела связываются при этом строго избирательно со структурами, содержащими иссле-дуемые белки. С помощью этого метода, в частности, была вы-явлена локализация основных и вспомогательных сократимых белков актин-миозиновой системы в субмембранном фибрилляр-ном аппарате клеток, показана модификация их распределения при формировании митотического аппарата и в процессе цито-томии. Этот же метод был с успехом применен для доказатель-ства справедливости жидкостно-мозаичной модели организации мембран.

Комплексные методы исследования клетки

В последнее время особенно большие успехи в изучении структурно-биохимической организации клеток достигнуты при комплексном использовании методов ультраструктурного ана-лиза и методов цитохимии и авторадиографии. Эти успехи обус-ловлены в основном разработкой специальных методов цито-химии и авторадиографии на ультраструктурном уровне, позво-ляющих непосредственно проанализировать процессы метабо-лизма на названном уровне организации клеток, «структуриро-вать» биохимические процессы, выяснить конкретное значение тех или иных клеточных структур в отдельных звеньях сложных процессов внутриклеточного метаболизма. В таком плане на-коплен обширный материал о роли различных разновидностей мембранной фазы цитоплазмы в синтетических анаболических процессах и процессах внутриклеточного катаболизма .

Крупные успехи достигнуты, в частности, в изучении орга-низации и функционирования лизосомного аппарата клеток. Важные новые факты получены при исследовании ядерного аппа-рата клеток. С помощью цитохимических методов удается иден-тифицировать рибонуклеопротеиды (РНП) и дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) на ультраструктурном уровне и тем самым значительно продвинуться вперед в изучении организации тран-скрипции, созревания и внутриядерного транспорта различных типов РНП в клетках эукариот, а использование метода элек-тронной авторадиографии позволило детализировать роль отдельных клеточных структур в этих процессах. Например, удалось подробно изучить функцию ядрышка и конкретно струк-турировать в нем процессы образования рибосомальной РНК.

Такой синтез молекулярно-биологических и структурно-био-химических аспектов и методов весьма характерен и для разра-ботки многих других важных вопросов о тонкой организации отдельных компонентов клеток. При этом тесная связь молеку-лярно-биологического и морфобиохимического цитологического анализа проявляется не только в синтезе конечных результатов, но и в их взаимодействии в процессе самого исследования. Подобное взаимодействие осуществляется либо путем проведе-ния комплексных работ с использованием как биохимических, так и цитологических методов специалистами биохимиками и цитологами, либо путем применения специальных комплексных методов, находящихся на границе биохимического и цитологи-ческого анализа клеточных структур.

Примером первого рода является сочетание методов биохи-мического выделения компонентов клетки с их тонким ультраструктурным анализом. Таким путем впервые получены фото-графии работающих генов с идентификацией на них ДНК, РНКполимераз и транскрибируемых молекул РНК. Усовершен-ствование этого метода позволяет сейчас в некоторых случаях проводить учет интенсивности транскрипции путем прямого под-счета количества РНКполимеразных комплексов. С помощью электронного микроскопа можно непосредственно изучать кар-тины репликации ДНК на выделенных биохимическим методом, кольцевых или линейных молекулах ДНК. Методы ультраструктурного анализа широко используются также при иммуноцитохимическом исследовании локализации индивидуальных белков, в субчастицах рибосом, при изучении различных уровней орга-низации ДНП и во многих других случаях.

Типичным примером специально разработанных комплекс-ных методов является гибридизация ДНК и РНК на срезах. Суть его заключается в следующем. ДНК, находящаяся в со-ставе ДНП целостной клетки, подвергается денатурации, а за-тем обрабатывается фракциями РНК, меченой радиоактивными, изотопами. В результате этого на ДНК авторадиографически выявляются участки, комплементарные данным фракциям РНК, т. е. места транскрипции последних, иначе говоря, создается возможность точно установить локализацию определенных генов.

В рамках экспериментального метода функциональная организация клетки в целом или ее отдельных компонентов изучается путем изменения ее состоя-ния с помощью внешнего воздействия. Наблюдая затем измене-ния жизнедеятельности клетки или ее компонентов, можно сде-лать выводы о тех или иных свойствах исследуемых механизмов. Подобного рода метод получил сейчас в некоторых разделах цитологии весьма широкое распространение, а в отдельных ее областях цитофизиологический аспект анализа клеточных структур занимает пока доминирующее положение.

Именно таково состояние проблемы о транспортной функции поверхностного аппарата клетки. С одной стороны, в изучении этого вопроса достигнуты значительные успехи: на основании результатов цитофизиологического анализа удалось выявить разновидности трансмембранного транспорта веществ, охаракте-ризовать различные свойства транспортных систем. С другой стороны, окончательное решение вопроса о механизмах транс-мембранного транспорта возможно лишь при условии выясне-ния конкретной организации липидно-белковой системы мем-бран и точного знания свойств и роли остальных компонентов мембранных транспортных систем, т. е. на уровне структурно-биохимического анализа плазматической мембраны и всего по-верхностного аппарата клетки.

Ограниченность возможностей цитофизиологического иссле-дования трансмембранного транспорта отчетливо проявляется на примере состояния вопроса об организации ионных каналов, играющих основную роль во многих важных процессах, таких, например, как распространение нервного импульса. С помощью целого арсенала разнообразных цитофизиологических методов было показано, что в плазматической мембране существуют осо-бые каналы для ионов Na, К, Сl, различающиеся по своим свой-ствам. Однако конкретные знания их структурной организации ограничиваются пока косвенными данными об их белковой при-роде. Таким образом, решение вопроса об организации ионных каналов в частности и транспортных систем мембраны вообще переходит, по-видимому, в руки ученых, владеющих структурно-биохимическими методами, ибо в данном случае многочислен-ные и весьма ценные факты, добытые в цитофизиологических исследованиях, представляют собой лишь первый феноменоло-гический этап в анализе этих общеклеточных механизмов. Тем не менее в определенных аспектах изучения клетки цитофизиологический подход может дать очень много.

В настоящее время разнообразие приемов цитофизиологиче-ских исследований определяется как все возрастающим арсена-лом агентов, появляющихся у цитологов, так и использованием тонких методов анализа тех изменений, которые происходят в результате действия этих агентов на клетку. Если раньше для анализа изменений клеток под действием внешних агентов при-менялись такие привычные для физиологов методы, как реги-страция электрических потенциалов, оценка клеточного дыхания по поглощению кислорода, количественная оценка сорбции кра-сителей, регистрация качественных изменений окрашиваемости клеток и т. д., то сейчас в подобных целях все чаще исполь-зуются методы, характерные для структурно-функционального направления: электронно-микроскопическое изучение ультраструктурных изменений, авторадиографический анализ синте-тических процессов и т. д.

Среди агентов, применяемых в экспериментальных исследо-ваниях, можно выделить две основные группы. Первую группу составляют вещества, «точка приложения» которых внутри клетки более или менее известна, — это вещества, блокирующие отдельные звенья внутриклеточного метаболизма (например, актиномицин D, ингибирующий транскрипцию, или пуромицин, блокирующий синтез белка, 2,4-динитрофенол, разобщающий дыхание и окислительное фосфорилирование), вещества, изби-рательно разрушающие те или иные клеточные структуры (на-пример, колхицин, разрушающий микротрубочки, или цитохалазин В, действующий на микрофибриллы). Вторую группу со-ставляют агенты так называемого комплексного действия, из-меняющие клеточный метаболизм вообще, — температура, осмо-тическое давление, pH и т. д. Использование таких агентов, как, например, 2,4-динитрофенол, позволило выяснить ряд вопросов, касающихся сопряжения дыхания и фосфорилирования в ды-хательной цепи митохондрий; применение ингибиторов синтеза РНК и белка дало возможность изучить некоторые звенья син-теза белка в рибосомах и процессов транскрипции; с помощью колхицина и цитохалазина выяснена роль микротрубочек и микрофиламентов в процессах внутриклеточного транспорта.

Агенты второй группы (комплексного действия) обладают тем преимуществом, что они являются для клеток как бы более естественными, ибо клетки в природных условиях сталкиваются с подобными изменениями во внешней среде. В то же время они влияют практически на все стороны клеточного метабо-лизма, затрудняя анализ происходящих при этом изменений. Тем не менее исследование действия на клетку подобных аген-тов имеет самостоятельное значение и абсолютно необходимо для изучения механизмов адаптации клеток к меняющимся фак-торам внешней среды, решения вопроса о соотношении специ-фических и неспецифических процессов в реакции клеток на внешнее воздействие и других аналогичных задач, играющих важную роль в разработке проблемы клеточной интеграции.

В исследовании функциональной организации клеток огром-ное значение имеет анализ механизмов взаимодействия отдель-ных систем клетки. Во многих случаях такую задачу можно разрешить путем создания специальных экспериментальных моделей. Наиболее типичными примерами подобного рода яв-ляются пересадки ядер у разных объектов (простейшие, яйце-клетки амфибий); гибридизация соматических клеток; пере-садки частей клеток у простейших; исследования с применением целого ряда других микрохирургических приемов, проводимые на протозоологических объектах и культивируемых in vitro клетках млекопитающих.

С помощью подобных моделей были изучены важнейшие общецитологические вопросы. Например, результаты опытов по пересадке ядер дифференцированных клеток амфибий в лишен-ную собственного ядра яйцеклетку явились одним из наиболее убедительных аргументов в пользу теории дифференциальной активности генов. Суть последней заключается в констатации структурной идентичности геномов дифференцированных клеток многоклеточного организма. Из этого следует принципиально важное положение о том, что процесс дифференцировки про-исходит не путем необратимых изменений наследственного аппа-рата клеток, а путем регуляции активности одинакового для всех клеток данного организма набора генов.

Весьма интересные факты были обнаружены на эксперимен-тальной модели для изучения процесса дедифференцировки гибридной клетки — куриного эритроцита и раковой клетки мле-копитающих. Своеобразие этого гетерокариона заключается в том, что при слиянии куриного эритроцита с раковой клеткой происходит гемолиз гемоглобина и нормальное, почти полностью инактивированное ядро эритроцита оказывается в цитоплазме раковой клетки. Таким образом, здесь осуществляется пере-садка дифференцированного ядра в необычные условия актив-ной цитоплазмы. Тщательные наблюдения за изменением струк-турной организации этих ядер показали, что в новых условиях происходит значительное увеличение их объема. Существенную роль в набухании ядер играют поступающие из цитоплазмы белки. Эти внешние изменения в ядерном аппарате эритроцита отражают глубокие процессы перестройки его внутренней орга-низации, результатом чего является возобновление транскрип-ции «куриных» информационных РНК. Однако реализация со-держащейся в ней информации в виде синтеза «куриных» бел-ков не происходит до тех пор, пока в ядерном аппарате куриных эритроцитов не сформируется ядрышко и не начнется синтез рибосомальных РНК. Таким образом, тщательный анализ экспе-риментальных моделей показал наличие сложного цитоплазма-тического контроля над деятельностью ядерного аппарата.

С помощью экспериментальных моделей удалось решить и ряд других важных общецитологических вопросов. Например, вопрос о механизмах перемещения анафазных хромосом был с успехом исследован на нативном митотическом аппарате, вы-деленном из дробящихся бластомеров морского ежа и рабо-тающем вне клетки. Преимущественно на экспериментальных моделях удалось установить широко распространенную общую закономерность организации клеток, а именно отсутствие во взаимосвязи сложных внутриклеточных процессов жесткого причинно-следственного принципа. Оказалось, что такие много-компонентные процессы, как репродукция клеток, процессы син-теза и внутриклеточного транспорта высокополимерных соеди-нений и т. д., состоят из отдельных, относительно автономных этапов, не связанных жесткой причинно-следственной зависи-мостью. Выяснение этой закономерности, с одной стороны, соз-дает предпосылки для понимания механизмов удивительной пластичности клеточной организации. С другой стороны, эта же закономерность является основой для изучения механизмов интеграции таких процессов в целостной клеточной системе в нормальных условиях.

В настоящее время все увеличивается количество и разно-образие экспериментальных моделей, предназначенных для решения тех или иных конкретных общецитологических проблем. Это значительно способствует прогрессу наших знаний в отно-сительно слабо изученной области цитологии — механизмах взаимодействия и интеграции работы субклеточных систем.

Необходимо подчеркнуть, что спецификой исследований, про-водящихся в рамках экспериментального подхода к анализу закономерностей организации клетки, является все большее и большее углубление критериев и признаков, по которым ведется анализ интегрирующих механизмов и конкретных функций от-дельных клеточных структур При этом становится ясным, что успешное решение стоящих перед такими исследованиями за-дач возможно лишь при широком внедрении в практику мето-дов структурно-функционального подхода.

Суть сравнительно-цитологического метода исследова-ний в общей цитологии — выяснение общих закономерностей организации клеток с использованием всего многообразия их разновидностей, предоставляемого ученому живой природой. Сравнительный метод имеет два аспекта. С одной стороны, он по традиции применяется для выявления родственных взаимо-отношений между отдельными разновидностями клеток (особен-но для одноклеточных организмов). На основе созданной таким путем и проведенной с использованием тонких цитологических критериев филогенетической систематики прокариотных и низ-ших и высших эукариотных клеток возникает возможность про-следить становление и отдельных частных клеточных систем, и общих механизмов регуляции и интеграции клетки как це-лостной системы В качестве примера подобного рода примене-ния сравнительно-цитологического анализа в исследованиях клеток можно привести интересные данные по тонкой организа-ции ядерного аппарата у прокариотных, низших и высших эука-риотных клеток

Принципиальными особенностями организации ядерного аппарата эукариотных клеток являются наличие у них слож-ного поверхностного аппарата ядра, значительно большее по сравнению с прокариотными клетками количество ДНК, сосре-доточенной в хромосомах, и, наконец, своеобразная упаковка ДНК с помощью основных белков — гистонов Сравнительно-цитологический анализ ядерных аппаратов низших эукариот позволил выявить среди них клетки, которые по строению ядра занимают промежуточное положение между про- и эукариотными клетками. Панцирные жгутиконосцы обладают типичным поверхностным аппаратом ядра, но при этом их хромосомы, как и в случае прокариот, образованы кольцевидными молеку-лами ДНК, которые организованы в компактные структуры без участия гистонов, характерных для всех эукариот

В последнее время в связи с открытием принципиальных осо-бенностей в организации генома про- и эукариотных клеток сопоставление процессов транскрипции и созревания РНК у этих организмов, а также у мезокариот и клеток низших эукариот приобретает важное значение В результате таких сопоставле-ний, возможно, будут внесены существенные изменения в наши традиционные представления о родственных взаимоотношениях в основных группах организмов и, в частности, взаимоотноше-ниях про- и эукариотных клеток.

Вторым примером традиционного применения эволюционного подхода к цитологическим проблемам могут быть попытки пред-ложить гипотезу усложнения механизмов равнонаследственного распределения хромосом между дочерними клетками в процессе эволюции, разработанную на основании сравнительного анализа многочисленных вариантов расхождения хромосом у простейших и у низших растений . В этих случаях активное участие в про-цессах расхождения хромосом принимают мембраны ядерной оболочки, что позволяет проводить известную гомологию с клет-ками прокариот, у которых мембране клетки принадлежит ве-дущая роль в равномерном распределении сестринских хромо-сом между дочерними клетками.

Наконец, третьим примером традиционного эволюционного подхода к общецитологическим проблемам может служить ши-роко распространенная симбиотическая гипотеза происхождения митохондрий и хлоропластов. Суть ее заключается в предполо-жении о том, что эти важные органоиды энергетического обмена возникли из внедрившихся в эукариотные клетки прокариотных организмов на относительно раннем этапе эволюции эукариот.

Несмотря на важное значение подобного рода общебиологи-ческих построений для развития общей цитологии, традиционный исторический подход к разработке общецитологических проблем имеет сейчас все же довольно ограниченное применение. Одной из основных причин такого положения является наличие специ-фических и все еще недостаточно изученных особенностей эво-люционного процесса на клеточном и субклеточном уровнях организации, что крайне затрудняет определение родственных отношений между отдельными группами одноклеточных орга-низмов, а следовательно, и построение обоснованных эволюцион-ных гипотез в области общей цитологии.

В настоящее время более широко распространен другой аспект использования сравнительно-цитологического метода, не преследующий цели прямого выяснения исторической обуслов-ленности той или иной клеточной структуры или процесса. В современной общей цитологии такой аспект применения срав-нительного метода претерпел несколько видоизменений.

На первом этапе, в период внедрения в практику цитологи-ческого анализа принципиально новых морфобиохимических методов, выбор объекта исследования определялся следующими соображениями. Во-первых, имело значение удобство того или иного объекта для применения используемого метода. Во-вто-рых, большую роль играла степень выраженности данного при-знака у исследуемой клетки. Так, для изучения общих законо-мерностей организации клеток эукариот излюбленным объектом были клетки печени млекопитающих с их гармонично развитой системой мембранных органоидов Классические работы по ана-лизу процессов внутриклеточного транспорта и созревания сек-рета были выполнены на клетках поджелудочной железы и сли-зистых бокаловидных клетках млекопитающих.

Для комплексных цитологических и молекулярно-биологиче-ских исследований организации клеток прокариот широко использовалась кишечная палочка; моделями для изучения организации низших эукариот являлись дрожжи и плесневой гриб . При этом оказалось, что установленные на данных объектах закономерности имеют универсальное значение, по-скольку они во многих случаях принципиально сходны у всех эукариотных или у всех прокариотных клеток. Более того, ряд закономерностей субклеточной организации, особенно на моле-кулярном и надмолекулярном уровнях, оказался универсаль-ным для клеток и про-, и эукариотного типа (организация мем-бран, принцип строения рибосом и т. д.), несмотря на то, что названные типы клеток по некоторым признакам принципиально различаются между собой. Это обстоятельство породило пред-ставления о том, что можно разрабатывать основные общецито-логические проблемы на ограниченном круге объектов, удобных в методическом отношении, а затем распространять установ-ленные закономерности на другие клетки в силу их принци-пиально сходной организации.

Однако в последние годы такое упрощенное использование сравнительного подхода начало подвергаться критике по мере внедрения современных цитологических методов в специальные биологические науки о клетке — частную цитологию, протозоо-логию, ботанику низших растений. Морфобиохимический анализ, примененный в этих областях науки, позволил установить факты, свидетельствующие об огромном разнообразии конкрет-ной реализации того или иного общего признака организации клетки, разнообразии значительно большем, чем следовало из результатов, полученных ранее на «модельных» объектах. Осо-бенно велико это многообразие на высших субсистемных и си-стемных уровнях организации клетки. Характерно оно и для столь сложных и многокомпонентных процессов, как процессы внутриклеточного метаболизма и транспорта или равнонаслед-ственного распределения генетического материала при делении клеток.

Обобщение большого сравнительно-цитологического мате-риала, полученного на уровне современных методических воз-можностей, заставило отказаться от упомянутого выше упро-щенного представления о роли сравнительного метода. В связи с этим в общей цитологии (особенно в отношении эукариотных клеток) доминирующее положение приобретают представления о необходимости использовать сравнительный метод для ана-лиза отдельных аналогичных по функциональной деятельности клеточных систем или процессов во всем многообразии их проявлений у конкретных клеток При таком подходе особый инте-рес вызывают не «типичные», «средние» клетки, а, напротив, клетки, резко уклоняющиеся от среднего типа организации, клетки, в которых гипертрофированы те или иные признаки.

Наибольшее число таких «уклоняющихся» вариантов встре-чается среди клеток высших многоклеточных организмов, где развита далеко заходящая специализация клеток в составе от-дельных тканевых систем. Случаи «уклонения» от среднего типа широко распространены также среди высших простейших, ко-торые подвергались эволюции, сохраняя при этом одноклеточ-ный уровень организации. Именно при исследовании такого рода нетипичных клеток удалось выявить большое количество новых интересных фактов, значительно углубляющих наши пред-ставления и об общих закономерностях клеточной организации, и об ее эволюционной пластичности, которая и обусловливает наблюдаемое многообразие клеточных систем. При этом, как уже отмечалось выше, в случае частных наук наибольший инте-рес вызывает именно специфика проявления у различных объ-ектов общих признаков, характерных для всех клеток.

В отличие от специальных наук при общецитологическом подходе вопрос этот ставится несколько в другой плоскости, ибо исследователь стремится выяснить, насколько широко распро-странена у разных клеток специфика проявлений данного при-знака, какой комбинацией общих механизмов и каких именно она обусловлена. Так, например, протозоологам удалось обна-ружить весьма интересную динамику формирования макронук-леуса после конъюгации у брюхоресничных инфузорий. В фор-мирующемся макронуклеусе происходит значительное увеличе-ние количества ДНК, а затем наблюдается резкая редукция наследственного материала (вплоть до 93%). Такой процесс редукции генетического материала имеет место и в соматиче-ских клетках ряда групп многоклеточных животных (некоторые насекомые, нематоды). Оставшаяся ДНК, небольшая по общему количеству, но содержащая всю необходимую для функциони-рования макронуклеуса информацию, многократно реплици-руется. В результате создается дефинитивный макронуклеус, который отличается от микронуклеуса не только по количеству ДНК, но и по ее качественному составу. Здесь отсутствует по-давляющая часть нефункционирующих генов, в то время как функционирующие локусы представлены значительным количе-ством копий.

Эти факты представляют большой общецитологический ин-терес именно потому, что, как правило, наблюдаемые здесь явления выступают не просто в качестве парадоксальных, свой-ственных лишь высшим одноклеточным организмам признаков. Так, процессы политенизации, избирательной репликации отдельных участков ДНК хромосом и, наконец, избирательная редукция значительных участков генома — все эти явления имеют место и у специализированных клеток многоклеточных организмов. Они и осуществляются, вероятно, на базе общих элементарных механизмов. А специфика сложного процесса изменений ядерного аппарата при формировании макронуклеуса у брюхоресничных инфузорий обусловлена в основном свое-образной комбинацией общих, универсальных для эукариотных клеток элементарных механизмов. Такого рода представления получают сейчас в общей цитологии широкое распространение. Они чрезвычайно стимулируют направленные сравнительно- цитологические исследования, посвященные выяснению важных общецитологических проблем. Материал с сайта

Примером целенаправленного сравнительно-цитологического исследования может служить изучение вопроса о механизмах равнонаследственного распределения хромосом во время митоза у эукариот путем анализа митоза разных видов диатомовых водорослей: на этих объектах в отличие от типичных митозов метазойных клеток удается четко морфологически проследить сложные изменения микротрубочкоорганизующих центров, фор-мирование и взаимное расхождение микротрубочковых полуверетен, расхождение хромосом к полюсам клетки с помощью формирования в метафазе своеобразной структуры — ворот-ничка.

В свете последних данных о ведущей роли тубулин-динеиновой механохимической системы в анафазном перемещении хромосом у метазойных клеток весьма вероятно предположить, что эта система присутствует и у диатомовых водорослей , т. е. и здесь имеет место лишь своеобразная комбинация элементар-ных механизмов, общих для всех клеток и обусловливающих механохимические процессы при митозе.

Очевидно, что для анализа этих механизмов, выяснение ко-торых представляет одну из весьма актуальных проблем общей цитологии, перспективным было бы наличие такого объекта, где они четко дифференцированы и морфологически выражены.

Количество подобного рода примеров непрерывно растет. Это обусловлено, с одной стороны, все расширяющимся внедре-нием комплексных современных методов в практику частноци-тологических, протозоологических и ботанических исследований, с другой стороны, накоплением в самих сравнительно-цитологи-ческих исследованиях фактов, которые приобретают все боль-шее значение для общей цитологии и оказываются в центре ее внимания. А все это, в свою очередь, приводит к тому, что срав-нительно-цитологический анализ начинает занимать в цитоло-гии исключительно важное место.

Краткая характеристика основных направлений и аспектов современных общецитологических исследований показывает, что на данном этапе развития цитологии существует как достаточно четкое разграничение отдельных направлений, так и их синтез. Разграничение имеет место и в методическом отношении, и в отношении логики решения конкретных задач, поставленных в пределах каждого из направлений и подходов. В морфофунк-циональном аспекте цитологических исследований доминирует дискретный подход к анализу клеточных структур. Одной из наиболее важных особенностей экспериментального подхода к изучению закономерностей клеточной организации является его ориентация на анализ общих интегрирующих механизмов организации клеточных систем и целостной клетки. При этом, как уже подчеркивалось выше, решение стоящих перед такими исследованиями задач невозможно без широкого использования методов, присущих морфофункциональному подходу. Экспери-ментальный анализ дает феноменологическую характеристику свойств тех или иных клеточных механизмов и внутриклеточ-ных процессов, создавая тем самым необходимую базу для при-менения богатого арсенала структурно-биохимических методов.

Таким образом, на современном этапе развития общей цито-логии имеются предпосылки для весьма тесного объединения этих двух аспектов цитологических исследований. Это и есте-ственно, так как в конечном итоге оба подхода преследуют одну цель — выяснение функциональной организации клеточ-ных структур и механизмов регуляции процессов в целостной клеточной системе.

Сравнительно-цитологический подход к анализу общецитоло-гических проблем занимает в современной общей цитологии особое положение. Сравнительно-цитологический анализ про-водится на основе данных, получаемых на базе морфофункцио-нального и экспериментального подходов, т. е. в методическом отношении все главные аспекты цитологических исследований оказываются тесно связанными друг с другом.

Спецификой сравнительно-цитологического подхода, специ-фикой, обусловливающей его особое положение, является целе-направленное использование разнообразных объектов живой природы для исследования общих закономерностей организации отдельных клеточных структур, внутриклеточных процессов и интегрирующих механизмов во всем многообразии их проявле-ний у различных типов клеток.

Итак, как видно из вышеизложенного, основные направления цитологических исследований в значительной мере определяют специфику современного этапа развития общей цитологии и обусловливают ее тесную взаимосвязь со смежными биологи-ческими науками. Одной из наиболее характерных особенностей этого этапа является тесная взаимосвязь всех важнейших на-правлений цитологических исследований в методическом отно-шении. Больше того, такое методическое комплексирование часто выходит уже за рамки общей цитологии.

В цитологических работах широко используются чисто био-химические и молекулярно-биологические методы, и наоборот, в биохимических и молекулярно-биологических исследованиях широко применяются цитологические морфологические методы. Методическое комплексирование смежных наук и единство их конечных целей обусловили формирование новой синтетической науки о клетке — биологии клетки . Она объединяет цитологию, структурную биохимию, молекулярную биологию, молекулярную генетику и частные биологические науки о клеточном уровне организации. Такое объединение смежных наук, несомненно, прогрессивное явление. Однако, несмотря на подобный синтез, каждая из наук сохраняет и свою методическую специфику, и специфику в постановке и способах разработки проблем орга-низации клеток. В настоящее время доминирующее положение в этой синтетической науке принадлежит исследованиям моле-кулярно-биологического и молекулярно-генетического направле-ний. Такое положение обусловлено бурным прогрессом наших знаний о низших уровнях организации клеток, но оно пред-ставляет собой лишь временное явление.

По сути дела ведущее место в новой синтетической науке о клетке должна занять общая цитология — наука об общих за-кономерностях клеточного уровня организации живой материи. Из современных биологических наук, занимающихся этим уров-нем организации живой материи, общая цитология, расширяя целенаправленный сравнительно-цитологический подход, бази-рующийся на структурно-биохимических методах, наиболее под-готовлена к глубокому общебиологическому обобщению огром-ного фактического материала по дискретному анализу отдель-ных клеточных структур в многочисленных разновидностях кле-ток. Ведущее положение должна занять общая цитология и в анализе общеклеточных интегрирующих механизмов. Важной предпосылкой к этому является бурная разработка новых экспе-риментальных моделей. Их углубленный анализ современными методами и широкое внедрение экспериментальных моделей в целенаправленные сравнительно-цитологические исследования должны обеспечить прогресс в решении одной из основных про-блем организации клеток — проблемы клеточной интеграции.

По мере накопления фактического материала об элементар-ных универсальных механизмах интеграции клетки и размахе их модификаций именно перед общей цитологией стоит задача провести глубокий анализ исторической обусловленности орга-низации частных клеточных систем и клеточной организации в целом, а также специфики эволюционного процесса на клеточ-ном и субклеточном уровнях организации живой материи. Реше-нию этой задачи способствует отчетливо проступающая сейчас в общецитологических исследованиях тенденция к сочетанию дискретного анализа отдельных компонентов клетки с изуче-нием ее кг. к целостной системы.

На этой странице материал по темам: