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:

Мурманский государственный технический университет

Кафедра биологии

Доклад на тему:

«Методы исследования в цитологии»

Выполнил:

Студентка 1-го курса

Технического факультета

Кафедры Биология

Серебрякова Лада Вячеславовна

Проверил:

Мурманск 2001

План:

1. Что изучает цитология.

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

3. Методы исследования, применяемые в цитологии.

4. Фракционирование клеток.

5. Радиоавтография.

6. Определение продолжительности некоторых стадий клеточного цикла методом радиоавтографии.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

G 2-периода .

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

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

Определение продолжительности S -периода .

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

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

Определение времени генерации (общей продолжительности всего клеточного цикла).

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

Литература.

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

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

Ю.С.Ченцов «Общая цитология»

1) Что такое цитология? Предмет и задачи цитологии. Какова роль цитологии в системе биологических знаний и для современной медицины? Роль отечественных ученых в развитии современной цитологии.

Цитология (греч. kytos - ячейка, клетка) - наука о клетке.

Предметом ее изучения является клетка как структурная и функциональная единица жизни. В задачи цитологии входит изучение строения и функционирования клеток, их химического состава, функций отдельных клеточных компонентов, познание процессов воспроизведения

клеток, приспособления к условиям окружающей среды, исследование особенностей строения специализированных клеток, этапов становления их особых функций, развития специфических клеточных структур и др. Для решения этих задач в цитологии используются различные методы.

Р. Вирхов также внес большой вклад, развив и дополнив клеточную теорию; он написал труд «Целлюлярная патология»

Первая кафедра гистологии была открыта в Московском университете в 1864 году профессором Овсянниковым. В это же время кафедра открылась в Военно-медицинской академии, возглавил ее Лавдовский. Только через 13 лет в Росси появился первый учебник Овсянникова и Лавдовского. Москоскую кафедру гистологии возглавил А.И. Бабухин.

П р ед с т а в и т ел и эт и х т р ех ш к ол в с в о и х и с с л ед о в а н и я х п р о в од и л и ч ет к у ю гистофизиологическую позицию, т.е. не только описывали строение, но пытались объяснить

закономерность строения, поэтому физиологическая направленность является приоритетной для отечественной гистологии.

Казанская школа морфологов известна своими трудами в области изучения нервной ткани, в том числе в.н.с. Арнштейн, Смирнов и Догель стали основателями этого направления. Поэтому в России многие вопросы о структуре органов и тканей стали рассматриваться с позиции нервной регуляции. Этому также способствовали работы Боткина, Павлова и Сеченова.

В начале 20 века в гистологии наиболее усиленно стали развиваться эволюционные подходы, основывавшиеся на работах Дарвина и Геккеля. Благодаря работам эмбриологов Вольфа, Пандера и Бэра, в дальнейшем трудам Мечникова и Ковалевского, были продолжены искания в области эмбриологии и поддержаны эволюционные подходы.

Направленность советской гистологической школы была четкой в отношении клиники, поэтому большая часть гистологических работ была направлена на решение клинических задач.

2) Методы исследования в цитологии. Методы изготовления препаратов для световой микроскопии. Значение и методы окраски микропрепаратов. Техника микроскопирования.

Основным методом изучения клеток является световая микроскопия. Человеческий глаз обладает разрешающей способнос-тьюоколо 100мкм(1 мкм = 0,001 мм). Это означает, что две точки, расположенн ые на расстоянии менее чем 100 мкм друг от друга, кажутся одной расплывчатой точкой. Чтобы различить более мелкие структуры, применяют оптические приборы, в частности микроскопы. Разрешающая способность микроскопов составляет 0,13- 0,20 мкм, т. е. примерно в тысячу раз превышает разрешающую способность человеческого глаза. С помощью световых микроскопов, в которых используется солнечный или искусственный свет, удается выявить многие детали внутреннего строения клетки - отдельные

органеллы, клеточную оболочку. Создать световой микроскоп с большим разрешением невозможно, потому что разрешающая способность связана с длиной волны световых лучей, а не только с качеством увеличительных стекол.

Для изучения ультратонкого строения клеточных структур прибегают к методу электронной микроскопии. В электронных микроскопах вместо световых лучей используется пучок электронов. Разрешающая способность современных электронных микроскопов составляет 0,1 нм, поэтому с их помощью выявляют очень мелкие детали. В электронном микроскопе видны

биологические мембраны (толщина 6-10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм), микротрубочки (толщина около 25 нм) и другие структуры.

Для исследования химического состава, выяснения локализации отдельных химических веществ в клетке широко используются методы цито- и гистохимии, основанные на избирательном воздействии реактивов и красителей на определенные химические вещества цитоплазмы. Метод дифференциального (разделительного) центрифугирования позволяет разделить с помощью центрифуги содержимое клетки на отдельные разные по массе составляющие и затем детально изучить их химический состав. Метод рентгеноструктурного анализа дает возможность определять пространственное расположение и физические свойства молекул (например, ДНК, белков), входящих в состав клеточных структур.

Для выявления локализации мест синтеза биополимеров, определения путей переноса веществ в клетке широко используется метод авторадиографии - регистрации веществ, меченых радиоактивными изотопами. Многие процессы жизнедеятельности клеток, в частности деление клетки, фиксируют с помощью кино-и фотосъемки.

Изучение клеток разных органов и тканей растений и животных, процессов деления клетки, их дифференцировки и специализации проводят методом клеточных культур - выращиванием клеток (и целых организмов из отдельных клеток) на питательных средах в стерильных условиях.

При исследовании живых клеток, выяснении функций отдельных органелл применяют методы микрохирургии - оперативного воздействия на клетку, связанного с удалением или имплантированием отдельных органелл, их пересаживанием из клетки в клетку, введением в

клетку крупных макромолекул и т. д.

Витальный способ окраски Для витального (прижизненного) крашения применяют 0,2-0,001 % водные растворы

метиленового и толуоидинового синего, нейтральрот и конго красный, которые добавляют в придавленную или висячую капли культуры. Этим способом выявляют спирохеты, простейшие, определяют подвижность бактерий, иммунное набухание капсулы, но использование его требует строгого соблюдения правил, исключающих лабораторное заражение.

Поствитальные способы окраски Способы окраски фиксированных препаратов (поствитальные) разделяют на простые и

сложные. При простых способах красящие растворы фуксина Пфейффера (экспозиция 1-2 мин), щелочного метиленового синего (3-5 мин) наносят на фиксированный препарат, так, чтобы он полностью покрыл мазок, краситель сливают, препарат промывают струйкой воды, встряхивают, высушивают и микроскопируют.

Простые способы позволяют судить о величине, форме, локализации, взаимном расположении отдельных клеток, но с их помощью нельзя установить структуру микробов и часто их дифференцированное отношение к красителям.

Из сложных способов окрашивания бактерий в основном используют дифференцированный способ Грама, выявление кислотоустойчивости по Цилю - Нельсону, определение волютиновых зёрен по Леффлеру или Нейссеру, дифференцирующий способ Романовского - Гимзы, негативно-позитивный способ определения капсулы по Гинсу - Бурри, выявление спор по Пешкову или Цилю - Нельсону и др.

Для окраски простейших применяют способ Романовского - Гимзы и окраску гематоксилин- эозином.

Грибы исследуют неокрашенными или способами Грама, Циля - Нельсона, Леффлера, Романовского - Гимзы, а также раствором Люголя, лактофуксином и др.

Техника микроскопирования. Прежде чем начать микроскопирование, необходимо установить правильное освещение. Для этого с микроскопа снимают окуляр и, глядя прямо в объектив, устанавливают зеркало так, чтобы источник света (лампа или окно) были видны посредине объектива. После предварительной установки света на предметный столик микроскопа кладут готовый препарат и закрепляют его зажимами. При помощи макрометрического винта опускают тубус почти до соприкосновения с покровным стеклом. Затем, глядя в окуляр, постепенно поднимают тубус до появления изображения. Для наведения резкости пользуются

микрометрическим винтом.

При микроскопиравании следует держать оба глаза открытыми. Смотрят в микроскоп левым глазом.

3) Строение и функции ядра клеток по данным световой и электронной микроскопии. Форма и количество ядер. Основные компоненты ядра. Взаимодействие структур клетки в процессе метаболизма (на примере образования эмали и дентина зуба).

Ядро имеется в клетках всех эукариот за исключением эритроцитов млекопитающих. У некоторых простейших имеются два ядра, но как правило, клетка содержит только одно ядро. Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая состоит из двух мембран: наружной и внутренней, имеющих такое же строение, как и плазматическая мембрана. Между ними находится узкое пространство, заполненное полужидким веществом. Через множество пор в ядерной оболочке осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой (в частности, выход и-РНК в цитоплазму). Внешняя мембрана часто бывает усеяна рибосомами, синтезирующими белок.

Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хроматин – вещество, несущее ДНК, и ядрышки. Ядрышко – это округлая структура внутри ядра, в которой происходит формирование рибосом. Совокупность хромосом, содержащихся в хроматине, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках диплоидное (2n), в отличие от половых клеток, имеющих гаплоидный набор хромосом (n).

Важнейшей функцией ядра является сохранение генетической информации. При делении

клетки ядро также делится надвое, а находящаяся в нём ДНК копируется (реплицируется). Благодаря этому у всех дочерних клеток также имеются ядра.

Из паренхиматозных клеток пульпы на протяжении всей жизни человека формируются новые одонтобласты. Процесс дифференцировки происходит под контролем регуляторных белков. Метаболизм дентина, т.е. построения матрицы, минерализация, ремоделирование, имеет много общего с костной тканью, но эти процессы протекают более медленно. Дентин отличается от костной ткани количественным и качественным белковым составом, а также содержанием минерального компонента. Активность протекания некоторых метаболических процессов также различна.

В обмене органических веществ участвуют одонтобласты, лежащие на границе дентина и пульпы. При повреждении дентина эти клетки способны восстанавливать матрицу и регулировать ее минерализацию. В стоматологии применяют препараты, стимулирующие этот процесс.

В процессе формирования матрицы и ее минерализации (созревание эмали) происходят изменение органического состава ткани и апоптоз амелобластов. Зрелая эмаль – бесклеточная минерализованная ткань и поэтому неспособная к регенерации при повреждениях.

В состав органической составляющей зрелой эмали входят несколько ферментов: сериновые протеазы, металлопротеазы (коллагеназы), фосфатазы, которые участвовали в деградации белков на стадии минерализации и частично сохранились в матриксе. Кроме того, присутствуют свободные аминокислоты (глицин, валин, пролин, гидрок-сипролин), следы гликозилированных, сульфа-тированных, фосфорилированных белков, аналогичных неколлагеновым белкам костной ткани. Анализ углеводсодержащих структур гликопротеинов показал присутствие галактозы, глюкозы, маннозы, глюкуроновой кислоты и следы других моносахаридов. В очень небольших количествах в эмали содержатся цитрат и липиды. Органические вещества находятся между кристаллами апатита в виде пучков, пластинок или веретен, они влияют на биохимические и физические процессы, происходящие в эмали зуба.

4) Органеллы. Определение, классификация, строение и функции. Органоиды общего значения. Органоиды специального значения. Строение и функции по данным световой и электронной микроскопии

Органеллы делятся на две группы: мембранные и немембранные. Мембранные органеллы представлены двумя вариантами: двумембранным и одномембранным.

Двумембранными компонентами являются пластиды, митохондрии и клеточное ядро.

К одномембранным относятся органеллы вакуолярной системы - эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли и др.

К немембранным орга-неллам принадлежат рибосомы и клеточный центр, постоянно присутствующие в клетке.

5) Включения. Определение, классификация, роль в жизнедеятельности.клетки.

Включения цитоплазмы - это необязательные компоненты клетки, появляющиеся и исчезающие в зависимости от интенсивности и характера обмена веществ в клетке и от условий существования организма. Включения имеют вид зерен, глыбок, капель, вакуолей, гранул различной величины и формы. Их химическая природа очень разнообразна. В зависимости от функционального назначения включения объединяют в группы:

трофические;

секреты ;

инкреты ;

пигменты ;

экскреты и др.

специальные включения (гемоглобин)

Среди трофических включений (запасных питательных веществ) важную роль играют жиры и углеводы. Белки как трофические включения используются лишь в редких случаях (в

яйцеклетках в виде желточных зерен).

Пигментные включения придают клеткам и тканям определенную окраску.

Секреты и инкреты накапливаются в железистых клетках, так как являются специфическими продуктами их функциональной активности.

Экскреты - конечные продукты жизнедеятельности клетки, подлежащие удалению из нее.

6. Особенности строения и функций клеточной оболочки по данным световой и электронной микроскопии. Производные клеточной оболочки. Межклеточные соединения и их структурно-функциональная характеристика.

барьер, защищающий клетки, её мы и называем – клеточной мембраной. Она не позволяет компонентам клетки (цитоплазме) вытечь наружу. Главная задача клеточной мембраны - это удерживать клетку в целостности, при этом определять, что может попасть внутрь клетки, а что может оттуда выйти. Клетки любого организма имеют клеточные мембраны, даже клетки бактерий.

Состоит клеточная мембрана из бинарного ряда липидов. Располагаются молекулы липидов в два ряда и каждый ряд точно такой же, как предыдущий. Структуру молекулы липида - эти две части единого целого, как раз и отображают. Ещё эти две части единого целого называют – гидрофобной (водонепроницаемой) и гидрофильной секциями.

Гидрофобная секция не любит воду и подобных воде молекул, благодаря бинарному слою липидов выступает вроде защитного механизма.

Гидрофильная секция напротив способна притягивать воду и подобные воде молекулы, после чего выталкивает их наружу. В итоге получается такая базовая жидкая мозаичная модель.

производные оболочки: цитоплазма с рибосомами и различными включениями, нуклеоид;

временными - капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки, эндоспоры, образующиеся лишь на определенных этапах жизненного цикла бактерий, у некоторых видов они отсутствуют полностью.

Межклеточные контакты - соединения между клетками, образованные при помощи белков. Межклеточные контакты обеспечивают непосредственную связь между клетками. Кроме того, клетки взаимодействуют друг с другом на расстоянии с помощью сигналов (главным образом -

сигнальных веществ), передаваемых через межклеточное вещество.

Строение межклеточных соединений В тех тканях, в которых клетки или их отростки плотно прилежат друг к другу (эпителий,

мышечная ткань и пр.) между мембранами контактирующих клеток формируются связи – межклеточные контакты. Каждый тип межклеточных контактов формируется за счет специфических белков, подавляющее большинство которых - трансмембранные белки. Специальные адапторные белки могут соединять белки межклеточных контактов с цитоскелетом, а специальные «скелетные» белки - соединять отдельные молекулы этих белков в сложную надмолекулярную структуру. Во многих случаях межклеточные соединения разрушаются при удалении из среды ионов Ca2+.

Функции межклеточных соединений Межклеточные соединения возникают в местах соприкосновения клеток в тканях и служат для

межклеточного транспорта веществ и передачи сигналов (межклеточное взаимодействие), а также для механического скрепления клеток друг с другом.

Через щелевые контакты могут передаваться электрические сигналы. Клетки органов и тканей вырабатывают ряд химических веществ, действующих на другие клетки (в том числе через межклеточные контакты) и вызывающих изменения в работе цитоскелета, в интенсивности обмена веществ и процессе синтеза клеткой белков.

7) Митотический цикл. Характеристика всех фаз митоза. Мейоз, его особенности, отличия от митоза. Регенерация и реактивность клеток и их проявления в органах ротовой полости.

Митотический цикл - это жизнедеятельность клетки от деления до следующего деления. Митотический цикл в малодифференцированных клеточных популяциях занимает около суток. Жизненный цикл может быть равен митотическому, но в отличие от него - это более широкое понятие и охватывает постмитотические популяции клеток, потерявших способность к делению с высокой степенью дифференциации.

Если клетка делится и митотический с клеточным циклом равны, то цикл означает многократное повторение некоторой последовательности событий, причем конечное завершается к началу первого следующей последовательности. Митотический цикл заканчивается телофазой с делением клетки, а новый начинается при образовании двух новых клеток. Митотический цикл состоит из митоза и интерфазы. В интерфазе различают последовательные фазы G1, S и G2.

G1-фаза (пресинтетический период) - обычно самая продолжительная и следует за телофазой митоза. Она длится от 10 ч до нескольких суток: у быстро делящихся клеток она более короткая. Во время G1-фазы происходит подготовка к удвоению хромосом, клетка интенсивно синтезирует РНК и белки, растет, увеличивается количество рибосом, митохондрий. Клетка восстанавливает размеры предшественницы. Достигнув определенных размеров, клетка вступает в следующую фазу (синтетический период), но это происходит не всегда. Часть клеток продолжает накапливать структурные элементы и не делится. Тогда G1-фаза затягивается, и клетки могут прекратить делиться, переходя в так называемую G0-фазу.

Клетки могут находиться в G0-фазе длительное время, начинают расти, дифференцироваться, достигая состояния терминальной (окончательной) дифференцировки. Такая клетка обычно теряет способность к делению и в этом случае окончание клеточного периода сопровождается гибелью клетки.

В S-фазу интерфазы (синтетический период) в клетке продолжается синтез белка, но этот процесс не главный. Ведущим процессом является репликация (удвоение) ДНК, которая одновременно идет во многих точках ДНК (репликонах). Начинается также удвоение

центриолей в клеточном центре. В большинстве клеток синтетический период длится 8…12 ч. К окончанию синтетического периода в клетке имеется тетраплоидный набор ДНК и удвоенный набор центриолей.

В G2-фазу интерфазы (постсинтетический период) синтез РНК снижается, продолжается остаточный синтез белка и накапливается энергия для митоза. В этот период синтезируются белки, необходимые для нормального деления клетки, в том числе тубулины - белки микротрубочек. В клетке тетраплоидный набор ДНК. Дочерние центриоли увеличиваются в

размерах и достигают размеров зрелых органелл. Эта фаза длится 2…4 ч.

Принципиальное отличие митоза от мейоза состоит в следующем:

1) в митозе каждый цикл деления ядра связан с одной репродукцией хромосом, в мейозе два деления связаны с одной репродукцией;

2) в митозе каждая хромосома репродуцируется, и в анафазе дочерние хромосомы расходятся к полюсам. При этом гомологичные хромосомы ведут себя независимо. В результате деления каждая дочерняя клетка получает полный набор хромосом с одинаковым содержанием генов. В мейозе в профазе каждая пара гомологичных хромосом конъюгирует, и в дочерних ядрах происходит уменьшение числа хромосом ровно вдвое, соответствующее числу бивалентов. При этом каждая пара гомологов расходится независимо от других пар. В тех случаях, когда по различным причинам утрачивается один из гомологов гомологичных хромосом, одиночные хромосомы, не имеющие гомолога (униваленты), расходятся случайно и попадают лишь в одно из дочерних ядер;

3) в силу отсутствия конъюгации хромосом в митозе и наличия ее в мейозе в последнем имеет место продолжительная и сложно протекающая профаза.

Мейоз с его стадиями и фазами развития половых клеток является лишь одним из этапов процесса полового размножения; после мейоза наступает этап формирования зрелых половых клеток - гамет. Процесс образования зрелых половых клеток называют гаметогенезом.

8). Клетка как основная единица живого. Клеточный цикл (дать характеристику этапам клеточного цикла). Основные положения клеточной теории и ее значении для медицины

Клетка представляет собой наименьшую структурно-функциональную единицу живых организмов, способную к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Клетка - это специализированная система биополимеров, ограниченная клеточной мембраной, обладающей избирательной проницаемостью.

Клетка - это та наименьшая структура, которая обладает всеми основными свойствами живого. Ее части и органеллы не способны по отдельности выполнять все функции и, таким образом, не могут рассматриваться как отдельные (автономные) живые единицы.

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

Период клеточного роста, называемый «интерфаза», во время которого идет синтез ДНК

и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

Периода клеточного деления, называемый «фаза М» (от слова mitosis - митоз ). Интерфаза состоит из нескольких периодов:

G1-фазы (от англ. gap - промежуток), или фазы начального роста, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов;

S-фазы (от англ. synthesis - синтез), во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра, также происходит удвоение центриолей (если они, конечно, есть).

G2-фазы, во время которой идет подготовка к митозу.

У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать G1 фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G0.

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии:

кариокинез (деление клеточного ядра);

цитокинез (деление цитоплазмы).

В свою очередь, митоз делится на пять стадий.

Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатах световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Положения клеточной теории Шлейдена-Шванна

1 Все животные и растения состоят из клеток.

2 Растут и развиваются растения и животные путём возникновения новых клеток. 3 Клетка является самой маленькой единицей живого, а целый организм - это

совокупность клеток.

Основные положения современной клеточной теории 1 Клетка - это элементарная, функциональная единица строения всего живого. (Кроме

вирусов, которые не имеют клеточного строения)

2 Клетка - единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц - органоидов.

3 Клетки всех организмов гомологичны.

4 Клетка происходит только путём деления материнской клетки.

5 Многоклеточный организм представляет собой сложную систему из множества клеток, объединённых и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом.

6 Клетки многоклеточных организмов тотипотентны.

7 Клетка может возникнуть лишь из предшествующей клетки.

Эти положения доказывают единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов.

Клетка - самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками организма. Как элементарная живая система, она лежит в основе строения и развития всех живых организмов. На уровне клетки проявляются такие свойства

жизни, как способность к обмену веществ и энергии, авторегуляция, размножение, рост и развитие, раздражимость.

9. Цитоплазма. Общая морфофункциональная характеристика. Гиалоплазма, ее физико-химическая характеристика и значение в жизнедеятельности клетки.

Цитопла́зма (от греч. κύτος «клетка» и πλάσµα здесь «содержимое») - внутренняя среда живой или умершей клетки, кроме ядра и вакуоли, ограниченная плазматической мембраной. Включает гиалоплазму - основное прозрачное вещество цитоплазмы, находящиеся в ней обязательные клеточные компоненты - органеллы, а также различные непостоянные структуры - включения. Иногда под цитоплазмой понимают только гиалоплазму.

Термин «цитоплазма» ввёл Эдуард Страсбургер в 1882 году.

В состав цитоплазмы входят органические и неорганические вещества многих видов. Основное вещество цитоплазмы - вода. Многие вещества (например, минеральные соли, глюкоза, аминокислоты) образуют истинный раствор, некоторые другие (например, белки) - коллоидный. В ней протекают почти все процессы клеточного метаболизма. Среди прочего, в цитоплазме есть нерастворимые отходы обменных процессов и запасные питательные вещества.

Цитоплазма постоянно движется, перетекает внутри живой клетки, перемещая вместе с собой различные вещества, включения и органоиды. Это движение называется циклозом. Цитоплазма способна к росту и воспроизведению и при частичном удалении может восстановиться. Однако она нормально функционирует только в присутствии ядра. Без него долго существовать цитоплазма обычно не может, как и ядро без цитоплазмы.

Важнейшая роль цитоплазмы - объединение всех клеточных структур (компонентов) и обеспечение их химического взаимодействия. Она выполняет и другие функции, в частности, поддерживает тургор клетки.

Внутри клетки находится цитоплазма. Она состоит из жидкой части - гиалоплазмы (матрикса), органелл и цитоплазматических включений.

Гиалоплазма

Гиалоплазма - основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. Гиалоплазму можно рассматривать как сложную коллоидную систему, способную существовать

в двух состояниях: золеобразном (жидком) и гелеобразном, которые взаимно переходят одно в

другое. В процессе этих переходов осуществляется определенная работа, затрачивается энергия. Гиалоплазма лишена какой-либо определенной организации. Химический состав гиалоплазмы: вода (90%), белки (ферменты гликолиза, обмена сахаров, азотистых оснований, белков и липи-дов). Некоторые белки цитоплазмы образуют субъединицы, дающие начало таким органеллам, как центриоли, микрофиламенты.

Функции гиалоплазмы:

1) образование истинной внутренней среды клетки, которая объединяет все органеллы и обеспечивает их взаимодействие;

2) поддержание определенной структуры и формы клетки, создание опоры для внутреннего расположения органелл;

3) обеспечение внутриклеточного перемещения веществ и структур;

4) обеспечение адекватного обмена веществ как внутри самой клетки, так и с внешней средой.

Включения

Это относительно непостоянные компоненты цитоплазмы. Среди них выделяют:

1) запасные питательные вещества, которые используются самой клеткой в периоды недостаточного поступления питательных веществ извне (при клеточном голоде), - капли жира, гранулы крахмала или гликогена;

2) продукты, которые подлежат выделению из клетки, например, гранулы зрелого секрета в секреторных клетках (молоко в лактоцитах молочных желез);

3) балластные вещества некоторых клеток, которые не выполняют какой-либо конкретной функции (некоторые пигменты, например, липофусцин стареющих клеток).

10. Эмбриологиякак наука о развитии зародыша. Этапы эмбрионального развития, критические периоды в развитии зародыша.

Эмбриология – это наука о развитии и строении зародыша человека.

Задачами медицинской эмбриологии являются изучение: прогенеза, этапов эмбриогенеза (от оплодотворения и до момента рождения), механизмов эмбриогенеза, нарушений эмбрионального развития, возникновение причин нарушения развития, изучение критических периодов, разработка мер профилактики и изучение постнатального развития (т.е. развития после рождения) до периода полного становления всех органов и систем организма.

В развитии выделяют: историческое развитие организма (филогенез) и индивидуальное развитие организма (онтогенез). В онтогенезе выделяют эмбриогенез и постнатальное развитие.

Наиболее ранним методом изучения эмбриологии является описательный метод, затем сравнительный и экспериментальный (это, прежде всего, искусственное оплодотворение) методы.

В эмбриогенезе выделяют периоды:

Оплодотворение;

Дробление;

Гаструляция;

Гистогенез;

Органогенез;

Системогенез;

- формирование организма в целом.

В процессе эмбриогенеза выделяют критические периоды, когда минимальные по силе факторы могут вызвать максимальное изменения в развитии. К таким периодам относятся:

- прогенез (образование половых клеток);

- процесс оплодотворения;

Дробление;

Гаструляция;

Имплантация (7-8 сутки);

Гистогенез;

Органогенез;

Системогенез;

Плацентарный (3-8 неделя);

- процесс рождения ребенка, включающий смену среды от водной к воздушной.

11. Особенности ранних стадий развития человека. Что такое зигота и как она образуется? Типы дробления у позвоночных животных и человека.

Зиго́та (от др.-греч. ζυγωτός - спаренный, удвоенный) - диплоидная (содержащая полный двойной набор хромосом) клетка, образующаяся в результате оплодотворения (слияния яйцеклетки и сперматозоида). Зигота является тотипотентной (то есть, способной породить любую другую) клеткой. Термин ввёл немецкий ботаник Э. Страсбургер.

У человека первое митотическое деление зиготы происходит спустя приблизительно 30 часов после оплодотворения, что обусловлено сложными процессами подготовки к первому делению дробления. Клетки, образовавшиеся в результате дробления зиготы называют бластомерами. Первые деления зиготы называют «делениями дробления» потому, что клетка именно дробится: дочерние клетки после каждого деления становятся всё мельче, а между делениями отсутствует стадия клеточного роста.

Выделяют 2 основных типа дробления: Голобластическое – в процесс дробления вовлекается вся цитоплазма яйцеклетки; Меробластическое – не вся цитоплазма вовлекается. Голобластическому дробления подвергаются олиго- и алицитальные яйца. Голобластическое дробление делят на: радиальное и спиральное. Радиальное характерно для иглокожих, ланцетника и млеков. Спиральное идет как бы по спирали и бластомеры совершают поворот с

плотным складыванием. Это наблюдается у червей, моллюсков. Поверхностное дробление характерно для насекомых с центролицетальным яйцом. Меробластическое дискоидальное, когда дроблению подвергаются только зародышевый диск, расположенный на желтке. У головоногих моллюсков меробластическое билатеральное. Дискоидальное дробление у рыб, рептилий и птиц. У млеков радиальное дробление называют ротационным (круговое) синхронным. После 1-го дробления один делится в радиальной, а другой в экваториальной. Это асинхронное дробление: начиная после стадии 2-х бластомеров один бластомер делится, а второй не делится. У млеков бластомеры расположены рыхло относительно друг друга и процесс завершается компактизацией. Дробление у моллюска: 1) сначала в медиальной плоскости; 2) после 4-го дробления идет не равномерное: нижний ярус делится на 2 неравные клетки (крупные макро - и мелкие микромеры, а над ними мезомеры). С этого дробления закладываются зародышевые листки. У Лягушки первая борозда дробления еще не доходит до вегетативного полюса, а уже формируется 2-я борозда. У анимального полюса образуется небольшая полость – бластоцель. У лягушки имеется серый серп. Наружный слой цитоплазмы более плотный, содержащий гранулы. Когда сперматозоид проникает, то он за собой вовлекает гранулы. Тогда цитоплазма совершает поворот на 30 град. – образуется серый серп. Спиральное дробление: бластомеры могут быть одинакового размера, либо разными. Каждый бластомер на 4-й стадии контактирует друг с другом. Полости внутри не образуется, либо образуется небольшая. Меробластическое билатеральное дробление: правая и передняя сторона симметрична, а верхняя и нижняя разные. У дрозофилы идет процесс с 9-ю этапами. Ядро дробится и ядра по мостикам отходят к периферии. Там каждый бластомер делится 4 раза. Между ними образуется плазматическая мембрана с образованием бластодермы. На стадии 512 бластомеров образуются полярные половые клетки.

13. Гисто- и органогенез на 2-3 неделе развития. Мезенхима, образование, строение и роль в развитии тканей.

На 2 – 3-й неделе, т. е. в процессе второй фазы гаструляции и сразу же после нее, происходит закладка зачатков осевых органов:

1) хорды;

2) нервной трубки;

3) кишечной трубки.

В период между I и II фазами гаструляции, т. е. с 9-х по 14-е сутки формируются внезародышевая мезенхима и три внезародышевых органа – хорион, амнион, желточный мешок

Развитие, строение и функции хориона. В процессе имплантации бластоцисты ее трофобласт по мере внедрения из однослойного становится двухслойным и состоит из цитотрофобласта и симпатотрофобласта. Симпатотрофобласт представляет собой структуру, в которой в единой цитоплазме содержится большое число ядер и клеточных органелл. Образуется он посредствам слияния клеток, выталкиваемых из цитотрофобласта. Таким образом, эмбриобласт, в котором происходит I фаза гаструляции, окружен внезародышевой оболочкой, состоящей из цито– и симпластотрофобласта.

В процессе имплантации из эмбриобласта выселяются в полость бластоцисты клетки, образующие внезародышевую мезенхиму, которая подрастает изнутри к цитотрофобласту.

После этого трофобласт становится трехслойным – состоит из симпластотрофобласта, цитотрофобласта и париентального листка внезародышевой мезенхимы и носит название хориона (или ворсинчатой оболочки). По всей поверхности хориона располагаются ворсины, которые вначале состоят из цито– и симпластотрофобласта и называются первичными. Затем в них врастает изнутри внезародышевая мезенхима, и они становятся вторичными. Однако постепенно на большей части хориона ворсинки редуцируются и сохраняются только в той части хориона, которая направлена к базальному слою эндометрия. При этом ворсинки

разрастаются, в них врастают сосуды, и они становятся третич-ными.

При развитии хориона выделяют два периода:

1) формирование гладкого хориона;

2) формирование ворсинчатого хориона.

Из ворсинчатого хориона в последующем формируется плацента.

Функции хориона:

1) защитная;

2) трофическая, газообменная, экскреторная и другие, в которых хорин принимает участие, будучи составной частью плаценты и которые выполняет плацента.

Развитие, строение и функции амниона. Внезародышевая мезенхима, заполняя полость бластоцисты, оставляет свободными небольшие участки бластоцели, прилежащие к эпибласту и гипобласту. Эти участки составляют мезенхимальные закладки амниотического пузырька и желточного мешка.

Стенка амниона состоит из:

1) внезародышевой эктодермы;

2) внезародышевой мезенхимы (висцерального листка).

Функции амниона – образование околоплодных вод и защитная функция.

Развитие, строение и функции желточного мешка. Из гипобласта выселяются клетки, составляющие внезародышевую (или желточную) энтодерму, и, обрастая изнутри мезенхимальную закладку желточного мешка, образуют вместе с ней стенку желточного мешка. Стенка желточного мешка состоит из:

1) внезародышевой (желточной) энтодермы;

2) внезародышевой мезенхимы.

За последние 4045 лет цитология из описательно-морфологической превратилась в экспериментальную науку ставящую перед собой задачи изучения физиологии клетки ее основных жизненных функций и свойств ее биологии. Другими словами – это физиология клетки. Карнуа Биология клетки вышедшей в 1884 г. Выделим некоторые важные вехи в истории изучения биологии клетки.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция №1

ВВЕДЕНИЕ В ЦИТОЛОГИЮ

Предмет и задачи курса цитологии.

Место цитологии в системе биологических дисциплин

Цитология (от греч. Kytos – ячейка, клетка) – наука о клетке. Современная цитология изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем; исследует функции отдельных клеточных компонентов, процессы воспроизведения клеток, их приспособления к условиям среды и многие другие процессы, позволяющие судить об общих для всех клеток свойствах и функциях.

Цитология рассматривает также особенности специализированных клеток, этапы становления их особых функций и развития специфических клеточных структур.

За последние 40-45 лет цитология из описательно-морфологической превратилась в экспериментальную науку, ставящую перед собой задачи изучения физиологии клетки, ее основных жизненных функций и свойств, ее биологии. Другими словами – это физиология клетки.

Возможность такого переключения интересов исследователей возникла в связи с тем, что цитология тесно сопряжена с научными и методическими достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

Вообще, цитология тесно связана практически со всеми биологическими дисциплинами, так как все живое на Земле (почти все!) имеет клеточное строение, а цитология как раз и занимается изучением клеток во всем их многообразии.

Цитология тесно связана с зоологией и ботаникой, поскольку изучает особенности строения растительных и животных клеток; с эмбриологией при изучении строения половых клеток; с гистологией – строение клеток отдельных тканей; с анатомией и физиологией, так как на основе цитологических знаний изучается строение тех или иных органов и их функционирование.

Клетка имеет богатый химический состав, в ней протекают сложные биохимические процессы – фотосинтез, биосинтез белка, дыхание, а также происходят важные физические явления, в частности, возникновение возбуждения, нервного импульса, поэтому цитология тесно связана с биохимией и биофизикой.

Чтобы понять сложные механизмы наследственности, нужно изучить и понять их материальные носители – гены, ДНК, которые являются составными компонентами клеточных структур. Из этого возникает тесная связь цитологии с генетикой и молекулярной биологией.

Данные цитологических исследований широко используются в медицине, сельском хозяйстве, ветеринарии, в различных отраслях промышленности (пищевая, фармацевтическая, парфюмерная и др.). Важное место также занимает цитология в преподавании биологии в школе (курс общей биологии в старших классах).

Краткий исторический очерк развития цитологии

В целом цитология – наука довольно молодая. Из среды других биологических наук она выделилась немногим более ста лет назад. Впервые обобщенные сведения о строении клеток были собраны в книге Ж.Б. Карнуа «Биология клетки», вышедшей в 1884 г. Появлению этой книги предшествовал длительный и бурный период поисков, открытий, дискуссий, который привел к формулированию так называемой клеточной теории, имеющей огромное общебиологическое значение.

Выделим некоторые важные вехи в истории изучения биологии клетки.

Конец 16 – начало 17 столетия. Изобретателями микроскопа по разным данным являются Захария Янсен (1590 г., Голландия), Галилео Галилей (1610 г., Италия), Корнелиус Дреббель (1619-1620 гг., Голландия). Первые микроскопы были весьма громоздкими и дорогими и использовались знатными людьми для собственного развлечения. Но постепенно они усовершенствовались и стали превращаться из игрушки в инструмент научных исследований.

1665 г. Роберт Гук (Англия), пользуясь микроскопом, сконструированным английским физиком Х. Гюйгенсом, изучал строение пробки и впервые употребил термин «клетка» для описания структурных единиц, из которых состоит эта ткань. Он считал, что клетки пустые, а живое вещество – это клеточные стенки.

1675- 1682 гг. М. Мальпиги и Н. Грю (Италия) подтвердили клеточное строение растений

1674 г. Антонио ван Левенгук (Голландия) открыл одноклеточные организмы, в том числе бактерии (1676 г.). Он же впервые увидел и описал животные клетки – эритроциты крови, сперматозоиды.

1827 г. Долланд резко улучшил качество линз. После этого интерес к микроскопии быстро возрос и распространился.

1825 г. Ян Пуркине (Чехия) первым описывает клеточное ядро в яйцеклетке птиц. Он называет его «зародышевым пузырьком» и закрепляет за ним функцию «производящей силы яйца».

1827 г. Русский ученый Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки. Это открытие показало, что клетка – единица не только строения, но и развития всех живых организмов.

1831 г. Роберт Броун (английский ботаник) впервые описал ядро в растительных клетках. Он придумал название «нуклеус» – «ядро» и впервые заявил, что оно обычная составная часть любой клетки, имеющая некое существенное значение для ее жизни.

1836 г. Габриель Валентин, ученик Пуркине, открывает ядро животных клеток – клеток эпителия конъюнктивы, соединительной оболочки глаза. Внутри этого «нуклеуса» он находит и описывает ядрышко.

С этого момента ядро стали выискивать и находить во всех тканях растений и животных.

1839 г. Теодор Шванн (немецкий физиолог и цитолог) опубликовал книгу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой он обобщил имеющиеся знания о клетке, в том числе результаты исследований немецкого ботаника Матиаса Якоба Шлейдена о роли ядра в клетках растений. Главная идея книги (потрясающая по своей простоте) – жизнь сосредоточена в клетках – вызвала революцию в биологии. Иными словами Т. Шванн и М. Шлейден сформулировали клеточную теорию. Основные ее положения тогда были следующие:

1) как растительные, так и животные организмы состоят из клеток;

2) клетки растительных и животных организмов развиваются аналогично и близки друг к другу по строению и функциональному назначению;

3) каждая клетка способна к самостоятельной жизнедеятельности.

Клеточная теория – одно из выдающихся обобщений биологии XIX в., давшее основу для понимания жизни и раскрытия эволюционных связей между организмами.

1840 г. Ян Пуркине предложил название «протоплазма» для клеточного содержимого, убедившись в том, что именно оно (а не клеточные стенки) представляют собой живое вещество. Позднее был введен термин «цитоплазма».

1858 г. Рудольф Вирхов (немецкий патолог и общественный деятель) показал, что все клетки образуются из других клеток путем клеточного деления. Это положение в дальнейшем также вошло в клеточную теорию.

1866 г. Эрнст Геккель (немецкий биолог, основоположник филогенетического направления дарвинизма) установил, что хранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро.

1866-1888 гг. Подробно изучено клеточное деление и описаны хромосомы.

1880-1883 гг. Открыты пластиды, в частности хлоропласты.

1876 г. Открыт клеточный центр.

1989 г. – Открыт аппарат Гольджи.

1894 г. Открыты митохондрии.

1887-1900 гг. Усовершенствованы микроскоп, а также методы фиксации, окрашивания препаратов и приготовления срезов. Цитология начала приобретать экспериментальный характер. Ведутся эмбриологические исследования, чтобы выяснить, каким образом клетки взаимодействуют друг с другом в процессе роста многоклеточного организма.

1900 г. Вновь открыты законы Менделя, забытые с 1865 г., и это дало толчок развитию цитогенетики, занимающейся изучением роли ядра в передаче наследственных признаков.

Световой микроскоп к этому времени почти достиг теоретического предела разрешения; развитие цитологии естественно замедлилось.

1930-е годы Появился электронный микроскоп.

С 1946 г. и по настоящее время электронный микроскоп получил широкое распространение в биологии, дав возможность исследовать строение клетки гораздо более подробно. Это «тонкое» строение стали называть ультраструктурой.

Роль отечественных ученых в развитии учения о клетке.

Каспар Фридрих Вольф (1733-1794) – член Петербургской АН, выступал против метафизических представлений о развитии как росте уже готового организма, заложенного в половой клетке (теория преформизма).

П.Ф. Горянинов – русский биолог, описавший различные формы клеток и еще до Шванна и Шлейдена высказывавший близкие к ним взгляды.

Вторая половина XIX в. – начало ХХ в.: русский цитолог И.Д. Чистяков впервые описал митоз в спорах плауна; И.Н. Горожанкин изучал цитологические основы оплодотворения у растений; С.Т. Навашин в 1898 г. открыл двойное оплодотворение у растений.

Основные положения современной клеточной теории

1. Клетка как элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению, лежит в основе строения и развития всех живых организмов.

2. Клетки всех организмов построены по единому принципу, сходны (гомологичны) по химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

3. Размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления материнской клетки.

4. В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы и системы органов, которые тесно связаны между собой.

С развитием науки лишь одно положение клеточной теории оказалось не абсолютно верным – первое. Не все живые организмы имеют клеточную организацию. Это стало ясным с открытием вирусов. Это неклеточная форма жизни, но существование и размножение вирусов возможно только при использовании ферментативных систем клеток. Поэтому вирус не является элементарной единицей живой материи.

Клеточная форма организации живого, возникнув однажды, стала основой всего дальнейшего развития органического мира. Эволюция бактерий, простейших, сине-зеленых водорослей и других организмов целиком происходила за счет структурных, функциональных и биохимических преобразований клетки. В ходе этой эволюции было достигнуто поразительное разнообразие клеточных форм, однако общий план строения клетки не претерпел принципиальных изменений.

Возникновение многоклеточности резко расширило возможности прогрессивной эволюции органических форм. Ведущими здесь стали изменения систем более высокого порядка (тканей, органов, индивидов, популяций и т.д.). При этом у тканевых клеток закреплялись особенности, полезные для индивида и вида в целом, независимо от того, как данная особенность сказывается на жизнеспособности и способности к размножению самих тканевых клеток. В результате – клетка стала подчиненной частью целостного организма. Например, функционирование ряда клеток связано с их гибелью (секреторные клетки), утратой способности к размножению (нервные клетки), утратой ядра (эритроциты млекопитающих).

Методы современной цитологии

Цитология возникла как ветвь микроанатомии, и поэтому основной метод, который используют цитологи – это метод световой микроскопии. В настоящее время этот метод нашел целый ряд дополнений и модификаций, что значительно расширило круг задач и вопросов, решаемых цитологией. Революционным моментом в развитии современной цитологии и биологии вообще было применение электронной микроскопии, открывшей необычайно широкие перспективы. С введением электронной микроскопии в ряде случаев уже трудно провести границу между собственно цитологией и биохимией, они объединяются на уровне макромолекулярного изучения объектов (например, микротрубочек, мембран, микрофиламентов и т.д.). Все же главным методическим приемом в цитологии остается визуальное наблюдение объекта. Кроме того, в цитологии применяются многочисленные приемы препаративной и аналитической биохимии, методы биофизики.

Познакомимся с некоторыми методами цитологических исследований, которые для удобства изучения разделим на несколько групп.

I . Оптические методы .

1. Световая микроскопия. Объекты исследования – препараты, которые можно рассматривать в проходящем свете. Они должны быть достаточно прозрачны, тонки и контрастны. Биологические объекты не всегда обладают этими качествами. Для изучения их в биологическом микроскопе необходимо предварительно приготовить соответствующие препараты путем фиксации, обезвоживания, изготовления тонких срезов, окрашивания. Клеточные структуры в таких фиксированных препаратах не всегда соответствуют истинным структурам живой клетки. Их изучение должно сопровождаться изучением живого объекта в темнопольном и фазово-контрастном микроскопах, где контрастность повышается за счет дополнительных устройств к оптической системе.

Предельное разрешение, которое может дать биологический микроскоп при масляной иммерсии, - 1700 Ǻ (0,17 мкм) в монохроматическом свете и 2500 Ǻ (0,25 мкм) в белом свете. Дальнейшее увеличение разрешения может идти лишь за счет уменьшения длины волны света.

2. Темнопольная микроскопия . Метод основан на принципе рассеивания света на границе между фазами с разными показателями преломления. Достигается это в темнопольном микроскопе или в обычном биологическом микроскопе специальным темнопольным конденсором, который пропускает только очень косые краевые лучи источника света. Поскольку краевые лучи имеют сильный наклон, они не попадают в объектив, и поле зрения микроскопа оказывается темным, а объект, освещенный рассеянным светом, кажется светлым. На препаратах клеток обычно содержатся структуры разной оптической плотности. На общем темном фоне эти структуры четко видны благодаря их различному свечению, а светятся они потому, что рассеивают попадающие на них лучи света (эффект Тиндаля).

В темном поле можно изучать живые объекты. Разрешающая способность такого микроскопа большая (меньше 0,2 мкм).

3. Фазово-контрастная микроскопия . Метод основан на том, что отдельные участки прозрачного препарата отличаются от окружающей среды по показателю преломления. Поэтому проходящий через них свет распространяется с различной скоростью, т.е. испытывает смещение фаз, что выражается в изменении яркости. Частицы с показателем преломления, большим показателя преломления среды, дают темные изображения на светлом фоне, с показателем, меньшим показателя среды, - изображения более светлые, чем окружающий фон.

Фазово-контрастная микроскопия позволяет выявить множество деталей и особенностей живых клеток и срезов тканей. Большое значение имеет этот метод для изучения тканей, культивируемых in vitro .

4. Интерференционная микроскопия . Этот метод близок к методу фазово-контрастной микроскопии и дает возможность получить контрастные изображения неокрашенных прозрачных живых клеток, а также вычислить сухой вес клеток. Интерференционный микроскоп устроен так, что пучок параллельных световых лучей от осветителя разделяется на два потока. Один из них проходит через объект и приобретает изменения в фазе колебания, другой идет, минуя объект. В призмах объектива оба потока вновь соединяются и интерферируют между собой. В результате интерференции будет строиться изображение, на котором участки клетки, обладающие разной толщиной или разной плотностью, будут отличаться друг от друга по степени контрастности. В этом приборе, измеряя сдвиги фаз, можно определить концентрацию и массу сухого вещества в объекте.

II . Витальное (прижизненное) изучение клеток.

1. Приготовление препаратов живых клеток. Световой микроскоп позволяет видеть живые клетки. Для кратковременного наблюдения клетки помещают просто в жидкую среду на предметное стекло; если нужно длительное наблюдение за клетками, то используются специальные камеры. В любом из этих случаев клетки изучаются в специально подобранных средах (вода, физиологический раствор, раствор Рингера и др.).

2. Метод клеточных культур . Культивирование клеток и тканей вне организма ( in vitro ) связано с соблюдением определенных условий; подбирается подходящая питательная среда, поддерживается строго определенная температура (около 20 0 для клеток холоднокровных животных и около 37 0 для теплокровных), обязательным является соблюдение стерильности и регулярные пересевы культуры на свежую питательную среду. Сейчас метод культивирования клеток вне организма широко используется не только для цитологических, но и для генетических, вирусологических и биохимических исследований.

3. Методы микрохирургии . Данные методы предполагают оперативное воздействие на клетку. Микрооперации на отдельных клетках мелких размеров стали проводить с начала ХХ столетия, когда был сконструирован прибор, называемый микроманипулятором. С его помощью клетки разрезают, извлекают из них отдельные части, вводят вещества (микроинъекция) и т.д. Микроманипулятор совмещается с обычным микроскопом, в который наблюдают за ходом операции. Микрохирургическими инструментами служат стеклянные крючки, иглы, капилляры, которые имеют микроскопические размеры. Кроме механического воздействия на клетки в микрохирургии в последнее время широко применяют микропучки ультрафиолетового света или лазерные микропучки. Это дает возможность практически моментально инактивировать отдельные участки живой клетки.

4. Методы прижизненной окраски . При изучении живых клеток пытаются их окрашивать с помощью так называемых витальных красителей. Это красители кислой (трипановый синий, литиевый кармин) или основной (нейтральный красный, метиленовый синий) природы, применяемые при очень большом разведении (1:200000), следовательно, влияние красителя на жизнедеятельность клетки минимальное. При окрашивании живых клеток краситель собирается в цитоплазме в виде гранул, а в поврежденных или мертвых клетках происходит диффузное окрашивание цитоплазмы и ядра. Время для окрашивания препаратов сильно варьирует, но для большинства витальных красителей оно равно от 15 до 60 минут.

III . Цитофизические методы

1. Метод поглощения рентгеновских лучей . Метод основан на том, что разные вещества в определенной длине волны по-разному поглощают рентгеновские лучи. Пропуская рентгеновские лучи через препарат ткани, можно по спектру поглощения определить ее химический состав.

2. Флуоресцентная микроскопия . В основу метода положено свойство некоторых веществ флуоресцировать в ультрафиолетовых лучах. Для этих целей используют ультрафиолетовый микроскоп, в конденсоре которого установлен светофильтр, выделяющий из общего светового пучка синие и ультрафиолетовые лучи. Другой светофильтр, помещенный перед глазами наблюдателя, поглощает эти лучи, пропуская лучи флуоресценции, испускаемые препаратом. Источником света служат ртутные лампы и лампы накаливания, дающие сильное ультрафиолетовое излучение в общем световом пучке.

Флуоресцентная микроскопия дает возможность изучать живую клетку. Целый ряд структур и веществ, содержащихся в клетках, обладает собственной (первичной) флуоресценцией (хлорофилл, витамины А, В 1 и В 2 , некоторые гормоны и бактериальные пигменты). Объекты, не обладающие собственной флуоресценцией, могут быть подкрашены специальными флуоресцирующими красителями – флуорохромами . Тогда они просматриваются в ультрафиолете (вторичная флуоресценция). С помощью этого метода можно видеть форму объекта, распределение флуоресцирующих веществ в объекте, содержание этих веществ).

3. Метод радиографии . Метод основан на том, что радиоактивные изотопы, будучи введенными в организм, вступают в общий клеточный обмен и включаются в молекулы соответствующих веществ. Места их локализации определяют по излучению, даваемому изотопами и обнаруживаемому по засвечиванию фотопластинки при наложении ее на препарат. Препарат изготовляется спустя некоторое время после введения изотопа с учетом времени прохождения определенных стадий метаболизма. Этот метод широко применяется для выяснения локализации мест синтеза биополимеров, для определения путей переноса веществ в клетке, для наблюдения за миграцией или свойствами отдельных клеток.

IV . Методы исследования ультраструктуры

1. Поляризационная микроскопия . В основе метода лежит способность различных компонентов клеток и тканей к преломлению поляризованного света. Некоторые клеточные структуры, например нити веретена деления, миофибриллы, реснички мерцательного эпителия и др., характеризуются определенной ориентацией молекул и обладают свойством двойного лучепреломления. Это так называемые анизотропные структуры .

От обычного биологического микроскопа поляризационный отличается тем, что перед конденсором помещается поляризатор, а за препаратом и объективом помещены компенсатор и анализатор, позволяющие детально исследовать двойное лучепреломление в рассматриваемом объекте. Поляризатор и анализатор – это призмы, сделанные из исландского шпата (призмы Николя). Поляризационный микроскоп дает возможность определить ориентировку частиц в клетках и других структурах, четко видеть структуры с двойным лучепреломлением, а при соответствующей обработке препаратов можно сделать наблюдения над молекулярной организацией той или иной части клетки.

2. Метод рентгеноструктурного анализа . В основу метода положено свойство рентгеновских лучей испытывать дифракцию при прохождении через кристаллы. Такую же дифракцию они претерпевают, если вместо кристаллов поставить биологические объекты – сухожилие, целлюлозу и другие. На экране или фотопластинке появляется ряд колец, концентрически расположенных пятен и полос. Угол дифракции определяется расстоянием между группами атомов и молекулами в объекте. Чем больше расстояние между структурными единицами, тем меньше угол дифракции, и наоборот. На экране это соответствует расстоянию между темными зонами и центром. Ориентированные частицы дают на диаграмме круги, серпы, точки; неориентированные частицы в аморфных веществах дают изображение концентрических колец.

Метод рентгеноструктурного анализа применяется для изучения строения молекул белков, нуклеиновых кислот и других веществ, входящих в состав цитоплазмы и ядра клеток. Он дает возможность определить пространственное расположение молекул, точно измерить расстояние между ними и изучить внутримолекулярную структуру.

3. Электронная микроскопия . Рассматривая характеристики светового микроскопа, можно убедиться, что единственным путем увеличения разрешения оптической системы будет использование источника освещения, испускающего волны с наименьшей длиной. Таким источником может быть раскаленная нить, которая в электрическом поле выбрасывает поток электронов, последний можно фокусировать, пропуская через магнитное поле. Это послужило основой для создания в 1933 г. электронного микроскопа. Основное отличие электронного микроскопа от светового заключается в том, что в нем вместо света используется быстрый поток электронов, а стеклянные линзы заменены электромагнитными полями. Изображение дают электроны, прошедшие через объект и не отклоненные им. В современных электронных микроскопах достигнуто разрешение в 1Ǻ (0,1 нм).

Под электронным микроскопом просматриваются неживые объекты – препараты. Живые объекты изучать пока не удается, т.к. объекты помещаются в вакуум, гибельный для живых организмов. В вакууме электроны, не рассеиваясь, попадают на объект.

Объекты, изучаемые под электронным микроскопом, должны иметь очень малую толщину, не больше 400-500 Ǻ (0,04-0,05 мкм), иначе они оказываются непроницаемыми для электронов. Для этих целей применяют ультрамикротомы , принцип работы которых построен на тепловом расширении стержня, подающего нож к объекту или, наоборот, объект к ножу. В качестве ножей используются специально заточенные мелкие алмазы.

Биологические объекты, особенно вирусы, фаги, нуклеиновые кислоты, тонкие мембраны, обладают слабой способностью рассеивать электроны, т.е. низкой контрастностью. Контрастность их увеличивают путем напыления на объект тяжелых металлов (золото, платина, хром), углеродного напыления, с помощью обработки препаратов осмиевой или вольфрамовой кислотами и некоторыми солями тяжелых металлов.

4. Специальные методы электронной микроскопии биологических объектов. В настоящее время методы электронной микроскопии развиваются и совершенствуются.

Метод замораживания – травления – заключается в том, что объект сначала быстро замораживают жидким азотом, а затем при той же температуре переносят в специальную вакуумную установку. Там замороженный объект механическим способом скалывается охлажденным ножом. При этом обнажаются внутренние зоны замороженных клеток. В вакууме часть воды, перешедшей в стекловидную форму, возгоняется («травление»), а поверхность скола последовательно покрывается тонким слоем испаренного углерода, а затем металла. Таким образом получается пленка-слепок, повторяющая прижизненную структуру материала, которую изучают в электронном микроскопе.

Методы высоковольтной микроскопии – сконструированы электронные микроскопы с ускоряющим напряжением 1-3 млн. В. Преимущество этого класса приборов в том, что при высокой энергии электронов, которые меньше поглощаются объектом, можно рассматривать образцы большей толщины (1-10 мкм). Этот метод перспективен и в другом отношении: если при сверхвысокой энергии электронов уменьшается их воздействие с объектом, то в принципе это можно использовать при изучении ультраструктуры живых объектов. Сейчас ведутся работы в этом направлении.

Метод сканирующей (растровой) электронной микроскопии позволяет изучить трехмерную картину поверхности клетки. При этом методе фиксированный и специальным образом высушенный объект покрывается тонким слоем испаренного металла (чаще всего золота), тонкий пучок электронов пробегает по поверхности объекта, отражается от него и попадает в приемное устройство, передающее сигнал на электронно-лучевую трубку. Благодаря огромной глубине фокуса сканирующего микроскопа, которая значительно больше, чем у просвечивающего, получается почти трехмерное изображение исследуемой поверхности.

V . Цито- и гистохимические методы .

Такими методами можно определить содержание и локализацию веществ в клетке с помощью химических реактивов, дающих с выявленным веществом новое вещество специфического цвета. Методы аналогичны методам определения веществ в аналитической химии, но реакция происходит непосредственно на препарате ткани, и именно в том месте, где локализовано искомое вещество.

Количество конечного продукта цитохимической реакции можно определить с помощью метода цитофотометрии. Основу его составляет определение количества химических веществ по поглощению ими света определенной длины волны. Было найдено, что интенсивность поглощения лучей пропорционально концентрации вещества при одной и той же толщине объекта. Следовательно, оценивая степень поглощения света данным веществом, можно узнать его количество. Для такого рода исследований используют приборы – микроскопы-цитофотометры; у них за объективом расположен чувствительный фотометр, регистрирующий интенсивность прошедшего через объектив светового потока. Зная площадь или объем измеряемой структуры и значение поглощения, можно определить как концентрацию данного вещества, так и его абсолютное содержание.

Разработаны приемы количественной флуорометрии, позволяющей по степени свечения определить содержание веществ, с которыми связываются флуорохромы. Так, для выявления специфических белков применяют метод иммунофлуоресценции – иммунохимические реакции с использованием флуоресцирующих антител. Этот метод обладает очень большой специфичностью и чувствительностью. Его можно использовать для выявления не только белков, но и отдельных последовательностей нуклеотидов в ДНК или для определения мест локализации РНК–ДНК-гибридных молекул.

VI . Фракционирование клеток.

В цитологии широко применяют различные методы биохимии, как аналитические, так и препаративные. В последнем случае можно получить в виде отдельных фракций разнообразные клеточные компоненты и изучать их химию, ультраструктуру и свойства. Так, в настоящее время в виде чистых фракций получают практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра, ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли ЭПС, рибосомы, аппарат Гольджи, митохондрии, их мембраны, пластиды, микротрубочки, лизосомы и т.д.

Получение клеточных фракций начинается с общего разрушения клетки, с ее гомогенизации. Затем из гомогенатов уже можно выделять фракции. Одним из основных способов выделения клеточных структур является дифференциальное (разделительное) центрифугирование. Принцип его применения в том, что время для оседания частиц в гомогенате зависит от их размера и плотности: чем больше частица или чем она тяжелее, тем быстрее она осядет на дно пробирки. Полученные фракции, прежде чем их анализировать биохимическими способами, необходимо проверить на чистоту с помощью электронного микроскопа.

Клетка – элементарная единица живого.

Прокариоты и эукариоты

Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся систему. В ней имеется цитоплазма и генетический материал в форме ДНК. ДНК регулирует жизнедеятельность клетки и воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки.

Размеры клеток . Бактерии – диаметр 0,2 мкм. Чаще клетки бывают 10-100 мкм, реже – 1-10 мм. Есть очень крупные: яйцеклетки страусов, пингвинов, гусей – 10-20 см, нервные клетки и млечные сосуды растений – до 1 м и более.

Форма клеток : округлые (клетки печени), овальные (эритроциты земноводных), многогранные (некоторые клетки растений), звездчатые (нейроны, меланофоры), дисковидные (эритроциты человека), веретеновидные (гладкомышечные клетки) и т.д.

Но, несмотря на многообразие форм и размеров, организация клеток всех живых организмов подчинена единым принципам строения: протопласт, состоящий из цитоплазмы и ядра, и плазматическая мембрана. Цитоплазма, в свою очередь, включает в себя гиалоплазму, органоиды (общие органоиды и органоиды специального назначения) и включения.

В зависимости от особенностей строения составных частей все клетки делятся на прокариотические и эукариотические .

Прокариотические клетки характерны для бактерий и сине-зеленых водорослей (цианобактерий). У них нет истинного ядра, ядрышек и хромосом, имеется лишь нуклеоид , лишенный оболочки и состоящий из одной кольцевой молекулы ДНК, связанной с небольшим количеством белка. У прокариот отсутствуют мембранные органеллы – митохондрии, ЭПС, хлоропласты, лизосомы и комплекс Гольджи. Имеются лишь более мелкие, чем у эукариот, рибосомы.

Поверх плазматической мембраны у прокариот имеется жесткая клеточная стенка и, часто, слизистая капсула. Плазматическая мембрана образует впячивания – мезосомы , на мембранах которых располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих прокариот соответствующие пигменты (бактериохлорофилл у бактерий, хлорофилл и фикоцианин – у цианобактерий). Таким образом, эти мембраны выполняют функции митохондрий, хлоропластов и других органелл.

К эукариотам относятся одноклеточные животные (протисты), грибы, растения, животные. У них кроме четко отграниченного двойной мембраной ядра, имеется много других мембранных структур. По количеству мембран органоиды эукариотических клеток можно разделить на три основные группы: одномембранные (ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы), двумембранные (митохондрии, пластиды, ядро), немембранные (рибосомы, клеточный центр). Кроме того, вся цитоплазма разделена внутренними мембранами на реакционные пространства – компартменты (отсеки). В этих отсеках одновременно и независимо друг от друга протекают различные химические реакции.

Сравнительная характеристика различных типов

эукариотических клеток (из Лемеза, Лисов, 1997)

Признаки	Клетки
		протист	грибов	растений	животных
Клеточная стенка Крупная вакуоль Хлоропласты Способ питания Центриоли Резервный питательный углевод	у многих имеется редко бывают часто авто- и гетеротрофное бывают часто крахмал, гликоген, парамил, хризоламинарин	в основном из хитина есть гетеротроф- ное бывают редко гликоген	из целлюлозы есть есть автотрофное только у некоторых мхов и папоротников крахмал	гетеротрофное есть гликоген

Сходство и отличия животных и растительных клеток

Растительные и животные клетки сходны по следующим признакам:

1). Общий план строения клетки – наличие цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, ядра.

2). Единый план строения цитоплазматической мембраны, построенной по жидкостно-мозаичному принципу.

3). Общие органоиды – рибосомы, митохондрии, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы.

4). Общность процессов жизнедеятельности – обмен веществ, размножение, рост, раздражимость и т.д.

В то же время растительные и животные клетки отличаются:

1). По форме: растительные более однообразные, животные – очень разнообразные.

2). По размерам: растительные – более крупные, животные – мелкие.

3). По расположению в тканях: растительные – плотно прилегают друг к другу, животные расположены рыхло.

4). У растительных клеток имеется дополнительная оболочка из целлюлозы.

5). Растительные клетки имеют крупные вакуоли. У животных они если и есть, то маленькие и появляются в процессе старения.

6). Растительные клетки обладают тургором, они упруги. Животные – мягкие.

7). В растительных клетках присутствуют пластиды.

8). Растительные клетки способны к автотрофному питанию, животные – гетеротрофы.

9). У растений нет центриолей (кроме некоторых мхов и папоротников), у животных они есть всегда.

10). Растительные клетки обладают неограниченным ростом.

11). Растительные клетки в качестве запасного питательного вещества накапливают крахмал, животные – гликоген.

12). У животных клеток поверх цитоплазматической мембраны расположен гликокаликс, у растительных его нет.

13). Синтез АТФ в животных клетках происходит в митохондриях, у растительных – в митохондриях и пластидах.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
10475.		ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ГИСТОЛОГИИ, ЦИТОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ. ЦИТОПЛАЗМА. ОРГАНЕЛЛЫ И ВКЛЮЧЕНИЯ КЛЕТКИ. СИМПЛАСТЫ И СИНТИЦИИ. СТРУКТУРА ИЗУЧАЕМОГО ПРЕДМЕТА	18.83 KB
	Гук который при помощи сконструированного им примитивного микроскопа увидел в срезе пробкового дерева клетки 1665 год.Пуркинье обнаружил в клетке цитоплазму в 1833 году Броун увидел в клетке ядро в 1838 году Шванн пришел к заключению что клетки различных организмов имеют сходное строение в 1858 году Вирхов установил что новые клетки образуются в результате деления материнской клетки.
2042.		Управление качеством: предмет и задачи курса	18.79 KB
	Говоря о проблеме качества следует отметить что за этим понятием всегда стоит потребитель. Именно с помощью современных методов менеджмента качества передовые зарубежные фирмы добились лидирующих позиций на различных рынках. Российские предприятия пока еще отстают в области применения современных методов менеджмента качества. Между тем повышение качества несет поистине колоссальные возможности.
7774.		Предмет и задачи курса «Охрана труда»	21.72 KB
	В Республике Беларусь РБ по официальным данным ежегодно изза нарушений требований охраны труда на производстве травмируется свыше 5 тысяч работников из них около 250 погибает свыше 800 человек получает тяжелые травмы. На промышленных предприятиях республики и в сельском хозяйстве во вредных условиях труда занято более 30 работающих. Так в РБ изза травматизма на производстве теряется порядка 180 – 200 тысяч человекодней ежегодно страховые выплаты по обязательному страхованию от несчастных случаев на производстве и профзаболеваний...
10725.		Предмет, цели и задачи курса. Теоретические основы изучения и практического использования закономерностей и механизмов возникновения и развития конфликтов, принципов и технологий управления ими в деятельности ОВД	47.97 KB
	Вопросы: Предмет цели и задачи курса Психология конфликта. Теоретикометодологические основы психологии конфликта. Роль и специфика применения знаний психологии конфликта в деятельности органов внутренних дел. Краткое содержание Актуальность данной темы обусловливается не только тем что она вводит в курс нового предмета для изучения – психологии конфликта но и помогает в нем сориентироваться понять что традиции накопления конфликтологических идей имеют многовековую историю.
10977.		Предмет, цель и задачи курса. История развития психологии, ее основные отрасли и методы. Теоретические основы изучения и практического использования психологических закономерностей в правоохранительной деятельности	30.42 KB
	Методологические основы психологии как науки. Существование психологии как самостоятельной научной дисциплины насчитывает менее полтора веков но основная проблематика занимает философскую мысль с тех пор как существует философия. Психология как наука о сознании. Психология как наука о поведении.
6046.		Правовое обеспечение сервисной деятельности в системе правовых дисциплин	22.92 KB
	Источники сервисного права. Среди ученых рассматривающих сервисное право как самостоятельную отрасль права Гущин В. Сервисное право рассматривает следующие ключевые вопросы: сервисное право как наука и как отрасль права; источники сервисного права...
3862.		Предмет, методология и функции курса «История политических учений Запада»	13.32 KB
	В системе юридических наук и юридического образования история политических и правовых учений является отдельной самостоятельной научной и учебной дисциплиной одновременно исторического и теоретического профилей. Эта ее особенность обусловлена тем что в рамках данной юридической дисциплины исследуется и освещается специфический предмет история возникновения и развития теоретических знаний о государстве праве политике и законодательстве история политических и правовых теорий история теорий права и государства. Под соответствующими...
19978.		Содержание правоотношения его место в правовой системе	40.31 KB
	Может отвечать по своим обязательствам вверенным ему имуществом а также от своего имени приобретать и осуществлять имущественные и личные неимущественные права нести обязанности быть истцом и ответчиком в суде; Действует на определенной территории имеет территориальный масштаб деятельности...
10901.		Предмет изучения институциональной экономики и её место в современной экономической теории	32.33 KB
	Основные течения современной этапа развития институциональной экономики как науки. Онтологически институциональная экономика institutionl economy представляет собой особую подсистему экономической системы общества в свою очередь обладающую системными свойствами что позволяет рассматривать ее как институциональную систему хозяйства – целостную совокупность взаимосвязанных и упорядоченных институтов характеризующуюся эмерджентностью и синергическим эффектом. При этом если в качестве точки отсчета выбрать неоклассическую теорию...
9339.		Место и роль государства в политической системе общества	15.23 KB
	Место и роль государства в политической системе общества. Институты политической системы 9. Основой политической системы общества является политическая власть по поводу использования которой формируются и функционируют многообразные государственные и общественнополитические институты нормы и др. Структура политической системы представляет собой многоуровневое образование состоящее из нескольких подсистем.

Ч. 1

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ГИСТОЛОГИИ, ЦИТОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ

Для прогресса гистологии, цитологии и эмбриологии большое значение имеет внедрение достижений физики и химии, новых методов смежных наук - биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии.

Современные методы исследования не только позволяют изучать ткани как единое целое, но и выделять из них отдельные типы клеток для изучения их жизнедеятельности в течение длительного времени, выделять отдельные клеточные органеллы и составляющие их макромолекулы (например, молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК), исследовать их функциональные особенности.

Такие возможности открылись в связи с созданием новых приборов и технологий - различных типов микроскопов, компьютерной техники, рентге-ноструктурного анализа, применения метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), радиоактивных изотопов и авторадиографии, электрофореза и хроматографии, фракционирования клеточного содержимого с помощью ультрацентрифугирования, разделения и культивирования клеток, получения гибридов; использования биотехнологических методов - получения гибридом и моноклональных антител, рекомбинантных ДНК и др.

Таким образом, биологические объекты можно изучать на тканевом, клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Несмотря на внедрение в естественные науки разнообразных биохимических, биофизических, физических и технологических методов, необходимых для решения многих вопросов, связанных с жизнедеятельностью клеток и тканей, гистология в своей основе остается морфологической наукой с присущим ей набором методов. Последние позволяют охарактеризовать процессы, происходящие в клетках и тканях, их структурные особенности.

Главными этапами цитологического и гистологического анализа являются выбор объекта исследования, его подготовка для изучения под микроскопом, качественный и количественный анализ изображений гистологических элементов.

Объектами исследования служат живые и фиксированные клетки и ткани, их изображения, полученные при использовании световых и элек-

тронных микроскопов или на экране дисплея. Существует ряд методов, позволяющих проводить анализ указанных объектов.

2.1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИРОВАНИЯ ГИСТОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ

Основным методом изучения биологических микрообъектов являются световая и электронная микроскопия, которые широко используются в экспериментальной и клинической практике.

Микроскопирование - главный метод изучения микрообъектов, используемый в биологии более 300 лет. Для изучения гистологических препаратов применяют разнообразные виды световых микроскопов и электронные микроскопы. С момента создания и применения первых микроскопов они постоянно совершенствовались. Современные микроскопы представляют собой сложные оптические системы, обладающие высокой разрешающей способностью. Размер самой маленькой структуры, которую можно видеть с помощью микроскопа, определяется наименьшим разрешаемым расстоянием (d), которое в основном зависит от длины волны света (λ) и длины волн электромагнитных колебаний потока электронов и др. Эта зависимость приближенно определяется формулой d = λ/2. Таким образом, чем меньше длина волны, тем меньше разрешаемое расстояние, и тем меньшие по размерам микроструктуры можно видеть в препарате.

Световая микроскопия. Для изучения гистологических микрообъектов применяют обычные световые микроскопы и их разновидности, в которых используются источники света с волнами различной длины. В обычных световых микроскопах источником освещения служит естественный или искусственный свет (рис. 2.1). Минимальная длина волны видимой части спектра примерно 0,4 мкм. Следовательно, для обычного светового микроскопа наименьшее разрешаемое расстояние приблизительно составляет 0,2 мкм, а общее увеличение (произведение увеличения объектива на увеличение окуляра) может быть 1500-2500.

Таким образом, с помощью светового микроскопа можно увидеть не только отдельные клетки размером от 4 до 150 мкм, но и их внутриклеточные структуры - органеллы, включения. Для усиления контрастности микрообъектов применяют их окрашивание.

Ультрафиолетовая микроскопия. Это разновидность световой микроскопии. В ультрафиолетовом микроскопе используют более короткие ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 0,2 мкм. Разрешаемое расстояние здесь в 2 раза меньше, чем в обычных световых микроскопах, и составляет приблизительно 0,1 мкм. Полученное в ультрафиолетовых лучах невидимое глазом изображение преобразуется в видимое с помощью регистрации на фотопластинке или путем применения специальных устройств (люминесцентный экран, электронно-оптический преобразователь).

Флюоресцентная (люминесцентная) микроскопия. Явления флюоресценции заключаются в том, что атомы и молекулы ряда веществ, поглощая коротко-

Рис. 2.1. Микроскопы для биологических исследований:

а - световой биологический микроскоп «Биолам-С»: 1 - основание; 2 - ту-бусодержатель; 3 - наклонный тубус; 4 - окуляр; 5 - револьвер; 6 - объективы; 7 - столик; 8 - конденсор с ирисовой диафрагмой; 9 - винт конденсора; 10 - зеркало; 11 - микрометрический винт; 12 - макрометрический винт; б - электронный микроскоп ЭМВ-100АК с автоматизированной системой обработки изображений: 1 - колонка микроскопа (с электронно-оптической системой и камерой для образцов); 2 - пульт управления; 3 - камера с люминесцентным экраном; 4 - блок анализа изображений; 5 - датчик видеосигнала; в - конфокальный микроскоп: 1 - световой микроскоп; 2 - регистратор изображения (фотоэлектронный умножитель);

3 - сканирующее устройство для перемещения светового луча по оси X, Y, Z;

4 - блок питания и стойка управления лазерами; 5 - компьютер для обработки изображений

волновые лучи, переходят в возбужденное состояние. Обратный переход из возбужденного состояния в нормальное происходит с испусканием света, но с большей длиной волны. В флюоресцентном микроскопе в качестве источников света для возбуждения флюоресценции применяют ртутные или ксе-ноновые лампы сверхвысокого давления, обладающие высокой яркостью в области спектра 0,25-0,4 мкм (ближние ультрафиолетовые лучи) и 0,4-0,5 мкм (сине-фиолетовые лучи). Длина световой волны флюоресценции всегда больше длины волны возбуждающего света, поэтому их разделяют с помощью светофильтров и изучают изображение объекта только в свете флюоресценции. Различают собственную, или первичную, и наведенную, или вторичную, флюоресценцию. Любая клетка живого организма обладает собственной флюоресценцией, однако она часто бывает чрезвычайно слабой.

Первичной флюоресценцией обладают серотонин, катехоламины (адреналин, норадреналин), содержащиеся в нервных, тучных и других клетках, после фиксации тканей в парах формальдегида при 60-80 °С (метод Фалька).

Вторичная флюоресценция возникает при обработке препаратов специальными красителями - флюорохромами.

Существуют различные флюорохромы, которые специфически связываются с определенными макромолекулами (акридиновый оранжевый, родамин, флюоресцеин и др.). Например, при обработке препаратов акридиновым оранжевым ДНК и ее соединения в клетках имеют ярко-зеленое, а РНК и ее производные - ярко-красное свечение. Существует много красителей, с помощью которых можно выявить белки, липиды, внутриклеточные ионы кальция, магния, натрия и др. Таким образом, спектральный состав излучения несет информацию о внутреннем строении объекта и его химическом составе. Вариант метода флюоресцентной микроскопии, при котором и возбуждение, и излучение флюоресценции происходят в ультрафиолетовой области спектра, получил название метода ультрафиолетовой флюоресцентной микроскопии.

Для повышения контрастности флюорохромированных объектов применяется конфокальный вариант оптического микроскопа (см. рис. 2.1, в). В качестве освещения используется пучок монохроматического света малого диаметра, который создает лазерный источник. В каждый момент времени в фокусе микроскопа находится небольшой участок (объем) клетки. Пучок света перемещается по объекту (сканирует объект по осям X, Y, Z). При каждом перемещении пучка света по одной из линий сканирования получается информация об исследуемой структуре, находящейся в данной точке (объеме) по линии сканирования (оптическом срезе клетки), например о локализации белков в составе микротрубочек в клетке. Вся полученная информация от каждой точки сканирования клетки передается на компьютер, объединяется с помощью специальной программы и выдается на экран монитора в виде контрастного изображения. С помощью данного метода микроскопии получается информация о форме клеток, цитоскеле-те, структуре ядра, хромосом и др. С помощью программы компьютер на основе полученной информации по каждой линии сканирования создает объемное изображение клетки, что позволяет рассматривать клетку под разными углами зрения.

Фазово-контрастная микроскопия. Этот метод служит для получения контрастных изображений прозрачных и бесцветных живых объектов, невидимых при обычных методах микроскопирования. Метод основан на том, что свет, проходя структуры с различным коэффициентом преломления, изменяет свою скорость. Используемая конструкция оптики микроскопа дает возможность преобразовать не воспринимаемые глазом фазовые изменения прошедшего через неокрашенный препарат света в изменения его амплитуды, т. е. яркости получаемого изображения. Метод фазового контраста обеспечивает контрастность изучаемых неокрашенных структур за счет специальной кольцевой диафрагмы, помещаемой в конденсоре, и так называемой фазовой пластинки, находящейся в объективе. Разновидностью метода фазового контраста является метод фазово-темнопольного контраста, дающий негативное по сравнению с позитивным фазовым контрастом изображение.

Микроскопия в темном поле. В темнопольном микроскопе только свет, который дает дифракцию (огибание волнами) структур в препарате, достигает объектива. Происходит это благодаря наличию в микроскопе специального конденсора, который освещает препарат строго косым светом; лучи от осветителя направляются сбоку. Таким образом, поле выглядит темным, а мелкие частицы в препарате отражают свет, который далее попадает в объектив. В клинике этот метод применяют для изучения кристаллов в моче (мочевая кислота, оксалаты), для демонстрации спирохет, в частности Treponema pallidum, вызывающей сифилис, и др.

Интерференционная микроскопия. Разновидностями фазово-контрастного микроскопа являются интерференционный микроскоп, который предназначен для количественного определения массы ткани. Дифференциальный интерференционный микроскоп (с оптикой Номарского) используют для изучения рельефа поверхности клеток и других биологических объектов.

В интерференционном микроскопе пучок света от осветителя разделяется на два потока: один проходит через объект и изменяется по фазе колебания, второй идет, минуя объект. В призмах объектива оба пучка накладываются друг на друга. В результате строится изображение, в котором участки микрообъекта разной толщины и плотности различаются по степени контрастности. Проведя количественную оценку изменений, определяют концентрацию и массу сухого вещества.

Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы позволяют изучать живые клетки. В них используется интерференция, возникающая при комбинации двух наборов волн и создающая изображение микроструктур. Преимуществом фазово-контрастной, интерференционной и темно-польной микроскопии является возможность наблюдать клетки в процессе движения и митоза. При этом регистрация движения клеток может производиться с помощью цейтраферной (покадровой) микровидеосъемки.

Поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп является модификацией светового микроскопа, в котором установлены два поляризационных фильтра: первый (поляризатор) - между пучком света и объектом, а второй (анализатор) - между линзой объектива и глазом. Через первый фильтр свет проходит только в одном направлении, второй фильтр имеет главную ось,

которая располагается перпендикулярно первому фильтру, и он не пропускает свет. Получается эффект темного поля. Структуры, содержащие продольно ориентированные молекулы (коллаген, микротрубочки, микрофиламенты), и кристаллические структуры, обладают свойством вращать ось световых лучей, исходящих из поляризатора. При изменении оси вращения данные структуры проявляются как светящиеся на темном фоне. Способность кристаллов или паракристаллических образований к раздвоению световой волны на обыкновенную и перпендикулярную к ней называется двойным лучепреломлением. Такой способностью обладают фибриллы поперечнополосатых мышц.

Электронная микроскопия. Большим шагом вперед в развитии техники микроскопии было создание и применение электронного микроскопа (см. рис. 2.1). В электронном микроскопе используется поток электронов с волнами более короткими, чем в световом микроскопе. При напряжении 50 000 В длина волны электромагнитных колебаний, возникающих при движении потока электронов в вакууме, равна 0,0056 нм. Теоретически рассчитано, что разрешаемое расстояние в этих условиях может быть около 0,002 нм, или 0,000002 мкм, т. е. в 100 000 раз меньше, чем в световом микроскопе. Практически в современных электронных микроскопах разрешаемое расстояние составляет около 0,1-0,7 нм.

В гистологии используются трансмиссионные (просвечивающие) электронные микроскопы (ТЭМ), сканирующие (растровые) электронные микроскопы (СЭМ) и их модификации. С помощью ТЭМ можно получить лишь плоскостное изображение изучаемого микрообъекта. Для получения пространственного представления о структурах применяют СЭМ, способные создавать трехмерное изображение. Растровый электронный микроскоп работает по принципу сканирования электронным микрозондом исследуемого объекта, т. е. последовательно «ощупывает» остро сфокусированным электронным пучком отдельные точки поверхности. Такое исследование объекта называется сканированием (считыванием), а рисунок, по которому движется микрозонд, - растром. Полученное изображение выводится на телевизионный экран, электронный луч которого движется синхронно с микрозондом.

Главными достоинствами растровой электронной микроскопии являются большая глубина резкости, широкий диапазон непрерывного изменения увеличения (от десятков до десятков тысяч раз) и высокая разрешающая способность. Современными вариантами приборов для изучения поверхности объекта является атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп.

Электронная микроскопия с использованием метода замораживания - скалывания применяется для изучения деталей строения мембран и межклеточных соединений. Для изготовления сколов клетки замораживают при низкой температуре (-160 °С). При исследовании мембраны плоскость скола проходит через середину бислоя липидов. Далее на внутренние поверхности полученных половинок мембран напыляют металлы (платина, палладий, уран), изучают их с помощью ТЭМ и микрофотографии.

Метод криоэлектронной микроскопии. Быстро замороженный тонкий слой (около 100 нм) образца ткани помещают на микроскопическую решетку и исследуют в вакууме микроскопа при -160 °С.

Метод электронной микроскопии «замораживание - травление» применяют для изучения внешней поверхности мембран клеток. После быстрого замораживания клеток при очень низкой температуре блок раскалывают лезвием ножа. Образующиеся кристаллы льда удаляют путем возгонки воды в вакууме. Затем участки клеток оттеняют, напыляя тонкую пленку тяжелого металла (например, платины). Метод позволяет выявлять трехмерную организацию структур.

Таким образом, методы замораживания - скалывания и замораживания - травления позволяют изучать нефиксированные клетки без образования в них артефактов, вызываемых фиксацией.

Методы контрастирования солями тяжелых металлов позволяют исследовать в электронном микроскопе отдельные макромолекулы - ДНК, крупных белков (например, миозин). При негативном контрастировании изучают агрегаты макромолекул (рибосомы, вирусы) либо белковые филаменты (актиновые нити).

Электронная микроскопия ультратонких срезов, полученных методом криоультрамикро-томии. При этом методе кусочки тканей без фиксации и заливки в твердые среды быстро охлаждают в жидком азоте при температуре -196 °С. Это обеспечивает торможение метаболических процессов клеток и переход воды из жидкой фазы в твердую. Далее блоки режут на ультрамикротоме при низкой температуре. Такой метод приготовления срезов обычно используют для определения активности ферментов, а также для проведения иммунохимических реакций. Для выявления антигенов применяют антитела, связанные с частицами коллоидного золота, локализацию которого легко выявить на препаратах.

Методы сверхвысоковольтной микроскопии. Используют электронные микроскопы с ускоряющим напряжением до 3 000 000 В. Преимущество этих микроскопов в том, что они позволяют исследовать объекты большой толщины (1-10 мкм), так как при высокой энергии электронов они меньше поглощаются объектом. Стереоскопическая съемка позволяет получать информацию о трехмерной организации внутриклеточных структур с высоким разрешением (около 0,5 нм).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИКСИРОВАННЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Основным объектом исследования являются гистологические препараты, приготовленные из фиксированных тканей и органов. Препарат может представлять собой мазок (например, мазок крови, костного мозга, слюны, цереброспинальной жидкости и др.), отпечаток (например, селезенки, тимуса, печени), пленку из ткани (например, брюшины, плевры, мягкой оболочки мозга), тонкий срез. Гистологические препараты могут изучаться без специальной обработки, например с применением фазово-контрастного микроскопа. Наиболее часто для световой микроскопии используются срезы ткани или органа с последующей их окраской.

Процесс изготовления гистологического препарата для световой и электронной микроскопии включает следующие основные этапы: 1) взятие материала и его фиксация; 2) уплотнение материала; 3) приготовление срезов; 4) окрашивание или контрастирование срезов. Для световой микроскопии необходим еще один этап - заключение срезов в бальзам или другие

прозрачные среды (5). Фиксация обеспечивает предотвращение процессов разложения, что способствует сохранению целостности структур. Это достигается тем, что взятый из органа маленький образец либо погружают в фиксатор (спирт, формалин, растворы солей тяжелых металлов, осмиевая кислота, специальные фиксирующие смеси), либо подвергают термической обработке. Под действием фиксатора в тканях и органах происходит необратимая коагуляция белков, вследствие которой жизнедеятельность прекращается, а структуры становятся мертвыми, фиксированными.

Уплотнение кусочков, необходимое для приготовления срезов, производится путем обезвоживания спиртами возрастающей концентрации и пропитывания парафином, целлоидином, органическими смолами. Более быстрое уплотнение достигается применением метода замораживания кусочков, например в жидкой углекислоте.

Приготовление срезов производится с помощью специальных приборов - микротомов и замораживающих микротомов, или криостатов (для световой микроскопии) и ультрамикротомов (для электронной микроскопии). Толщина среза для светооптического исследования колеблется от 5 до 20 мкм, а для электронной микроскопии - от 40 до 100 нм. Для сравнения 1 мм равен 1000 мкм и 1 000 000 нм.

Окрашивание срезов (для световой микроскопии) или напыление их солями металлов (для электронной микроскопии) применяют для увеличения контрастности изображения отдельных структур. Методы окраски гистологических структур очень разнообразны и выбираются в зависимости от задач исследования. Гистологические красители подразделяют на кислые, основные и нейтральные. В качестве примера можно привести наиболее известный основной краситель гематоксилин, который окрашивает ядра в фиолетовый цвет, и кислый краситель - эозин, окрашивающий цитоплазму в розово-оранжевый цвет. Избирательное сродство структур к определенным красителям обусловлено их химическим составом и физическими свойствами. Структуры, хорошо окрашивающиеся кислыми красителями, называются оксифильными (ацидофильными, эозинофильными), а окрашивающиеся основными - базофильными. Структуры, воспринимающие как кислые, так и основные красители, являются нейтрофильными (гетерофильными). Существуют структуры клетки, которые окрашиваются в цвет, отличный от цвета используемого красителя. Это явление называется метахромазия. Окрашенные препараты обычно обезвоживают в спиртах возрастающей крепости и просветляют в ксилоле, бензоле, толуоле или некоторых маслах. Для длительного сохранения обезвоженный гистологический срез заключают между предметным и покровным стеклами в канадский бальзам или другие вещества. Готовый гистологический препарат может быть использован для изучения под микроскопом в течение многих лет. Для электронной микроскопии срезы, полученные с помощью ультрамикротома, помещают на специальные сетки, контрастируют солями свинца, кобальта, после чего просматривают в микроскопе и фотографируют. Полученные микрофотографии служат объектом изучения наряду с гистологическими препаратами.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Изучение живых клеток и тканей позволяет получить наиболее полную информацию об их жизнедеятельности - проследить движение, процессы деления, разрушения, роста, дифференцировки и взаимодействия клеток, продолжительность их жизненного цикла, реактивные изменения в ответ на действие различных факторов.

Прижизненные исследования клеток в организме (in vivo). Одним из прижизненных методов исследования является наблюдение структур в живом организме. С помощью специальных просвечивающих микроскопов-иллюминаторов, например, можно изучать в динамике циркуляцию крови в микрососудах. После проведения анестезии у животного объект исследования (например, брыжейка кишки) выводят наружу и рассматривают с помощью микроскопа, при этом ткани должны постоянно увлажняться изотоническим раствором натрия хлорида. Однако длительность такого наблюдения ограничена. Лучшие результаты дает метод вживления прозрачных камер в организм животного.

Наиболее удобным органом для вживления таких камер и последующего наблюдения является ухо какого-либо животного (например, кролика). Участок уха с прозрачной камерой помещают на предметный столик микроскопа и в этих условиях изучают динамику изменения клеток и тканей в течение продолжительного времени. Так могут изучаться процессы выселения лейкоцитов из кровеносных сосудов, различные стадии образования соединительной ткани, капилляров, нервов и другие процессы. В качестве естественной прозрачной камеры можно использовать глаз экспериментальных животных. Клетки, ткани или образцы органов помещают в жидкость передней камеры глаза в угол, образованный роговицей и радужкой, и наблюдение ведут через прозрачную роговицу. Таким образом была проведена трансплантация оплодотворенной яйцеклетки и прослежены ранние стадии развития зародыша. Обезьянам были пересажены небольшие кусочки матки и изучены изменения ее слизистой оболочки в различные фазы менструального цикла.

Широкое применение нашел метод трансплантации клеток крови и костного мозга от здоровых животных-доноров животным-реципиентам, подвергнутым смертельному облучению. Животные-реципиенты после трансплантации оставались живыми вследствие приживления донорских клеток, образующих в селезенке колонии кроветворных клеток. Исследование числа колоний и их клеточного состава позволяет выявлять количество родоначальных кроветворных клеток и различные стадии их дифференцировки. С помощью метода колониеобразования установлены источники развития всех клеток крови.

Витальное и суправитальное окрашивание. При витальном (прижизненном) окрашивании клеток и тканей краситель вводят в организм животного, при этом он избирательно окрашивает определенные клетки, их органеллы или межклеточное вещество. Например, с помощью трипанового синего или литиевого кармина выявляют фагоциты, а с помощью ализарина - новообразованный матрикс кости.

Суправитальным окрашиванием называют окрашивание живых клеток, выделенных из организма. Таким способом выявляют молодые формы эритроцитов - ретикулоциты крови (краситель бриллиантовый крезиловый голубой), митохондрии в клетках (краситель зеленый янус), лизосомы (краситель нейтральный красный).

Исследования живых клеток и тканей в культуре (in vitro). Этот метод является одним из самых распространенных. Выделенные из организма человека или животных клетки, маленькие образцы тканей или органов помещают в стеклянные или пластмассовые сосуды, содержащие специальную питательную среду - плазму крови, эмбриональный экстракт, а также искусственные среды.

Различают суспензионные культуры (клетки взвешены в среде), тканевые, органные и монослойные культуры (эксплантированные клетки образуют на стекле сплошной слой). Обеспечиваются стерильность среды и температура, соответствующая температуре тела. В этих условиях клетки в течение длительного времени сохраняют основные показатели жизнедеятельности - способность к росту, размножению, дифференцировке, движению. Такие культуры могут существовать многие дни, месяцы и даже годы, если обновлять среду культивирования и пересаживать жизнеспособные клетки в другие сосуды. Некоторые виды клеток благодаря изменениям в их геноме могут сохраняться и размножаться в культуре, образуя непрерывные клеточные линии. В разработку методов культивирования клеток и тканей большой вклад внесли А. А. Максимов, А. В. Румянцев, Н. Г. Хлопин, А. Д. Тимофеевский, Ф. М. Лазаренко. В настоящее время получены клеточные линии фибробластов, миоцитов, эпителиоцитов, макрофагов, которые существуют многие годы.

Использование метода культивирования позволило выявить ряд закономерностей дифференцировки, злокачественного перерождения клеток, взаимодействий клеток с вирусами и микробами. Особую значимость метод культивирования тканей имеет для проведения экспериментальных наблюдений. Взятые из организма человека клетки при пункции или биопсии могут в культуре тканей использоваться для определения пола, наследственных заболеваний, злокачественного перерождения, выявления действия ряда токсичных веществ.

Клеточные культуры широко применяются для гибридизации клеток.

Разработаны методы разделения тканей на клетки, выделение отдельных типов клеток и их культивирования. Вначале ткань превращают в суспензию клеток путем разрушения межклеточных контактов и внеклеточного матрикса с помощью протеолитических ферментов (трипсин, коллагеназа) и соединений, связывающих Са 2+ (с помощью ЭДТА - этилендиаминтетраацетата). Далее полученную суспензию разделяют на фракции клеток различных типов с помощью центрифугирования, позволяющего отделить более тяжелые клетки от легких, большие от малых, или путем прилипания клеток к стеклу или пластмассе, способность к которому у различных типов клеток неодинакова. Для обеспечения специфического прилипания клеток к поверхности стекла используют антитела, специфически связывающиеся с клетками одного типа. Прилипшие клетки затем отделяют, разрушая

матрикс ферментами, при этом получают взвесь однородных клеток. Более тонким методом разделения клеток является мечение антителами, связанными с флюоресцирующими красителями. Меченые клетки отделяются от немеченых с помощью сортера (электронного флюоресцентно-активируемого клеточного анализатора). Клеточный анализатор сортирует в 1 секунду около 5000 клеток. Выделенные клетки можно изучать в условиях культивирования.

Метод культивирования клеток позволяет изучать их жизнедеятельность, размножение, дифференцировку, взаимодействие с другими клетками и др.

Культуры обычно готовят из суспензии клеток, полученной вышеописанным методом диссоциации ткани. Большинство клеток не способны расти в суспензии, им необходима твердая поверхность, в качестве которой используют поверхность пластиковой культуральной чашки, иногда с компонентами внеклеточного матрикса, например коллагена. Первичными культурами называют культуры, приготовленные непосредственно после первого этапа фракционирования клеток, вторичными - культуры клеток, пересаженные из первичных культур в новую среду. Можно последовательно перевивать клетки в течение недель и месяцев, при этом клетки сохраняют характерные для них гистогенетические признаки (например, клетки эпителия образуют пласты). Исходным материалом для клеточных культур обычно служат эмбриональные ткани и ткани новорожденных.

В качестве питательных сред используют смеси солей, аминокислот, витаминов, сыворотки крови, экстракт куриных эмбрионов, эмбриональную сыворотку и др. В настоящее время разработаны специальные среды для культивирования различных типов клеток. Они содержат один или несколько белковых факторов роста, необходимых клеткам для жизнедеятельности и размножения. Например, для роста нервных клеток необходим фактор роста нервов.

У большинства клеток в культуре наблюдается определенное число делений (50-100), а затем они погибают. Иногда в культуре появляются мутантные клетки, которые размножаются бесконечно и образуют клеточную линию (фибробла-сты, эпителиоциты, миобласты и др.). Мутантные клетки отличаются от раковых клеток, также способных к непрерывному делению, но клетки растут без прикрепления к твердой поверхности. Раковые клетки в культуральных чашках образуют более плотную популяцию, чем популяции обычных клеток. Аналогичное свойство можно вызвать экспериментально у нормальных клеток путем трансформации их опухолеродными вирусами или химическими соединениями, при этом образуются неопластически трансформированные клеточные линии. Клеточные линии нетрансформированных и трансформированных клеток можно длительно сохранять при низких температурах (-70 °С). Генетическую однородность клеток усиливают клонированием, когда из одной клетки при ее последовательном делении получают большую колонию однородных клеток. Клон - это популяция клеток, происходящих из одной клетки-предшественника.

Клеточные гибриды. При слиянии двух клеток различных типов образуется гетерокарион - клетка с двумя ядрами. Для получения гетерокариона суспензию клеток обрабатывают полиэтиленгликолем или инактивирован-ными вирусами для повреждения плазмолемм клеток, после чего клетки способны к слиянию. Например, неактивное ядро эритроцита курицы становится активным (синтез РНК, репликация ДНК) при слиянии клеток и переносе в цитоплазму другой клетки, растущей в культуре ткани. Гетерокарион способен к митозу, в результате чего образуется гибридная

клетка. Оболочки ядер у гетерокариона разрушаются, и их хромосомы объединяются в одном большом ядре.

Клонирование гибридных клеток приводит к образованию гибридных клеточных линий, которые используются для изучения генома. Например, в гибридной клеточной линии «мышь-человек» установлена роль хромосомы 11 человека в синтезе инсулина.

Гибридомы. Клеточные линии гибридом используют для получения моно-клональных антител. Антитела вырабатываются плазмоцитами, которые образуются из В-лимфоцитов при иммунизации. Определенный вид антител получают при иммунизации мышей конкретными антигенами. Если клонировать такие иммунизированные лимфоциты, то можно получить большое количество однородных антител. Однако время жизни В-лимфоцитов в культуре ограничено. Поэтому производят их слияние с «бессмертными» опухолевыми клетками (В-лимфомы). В результате образуются гибридомы (гибрид-клетка с геномом от двух разных клеток; ома - окончание в названиях опухолей). Такие гибридомы способны размножаться длительно в культуре и синтезировать антитела определенного вида. Каждый клон гибридомы является источником моноклональных антител. Все молекулы антител данного вида обладают одинаковой специфичностью связывания антигенов. Можно получать моноклональные антитела против любого белка, содержащегося в клетке, и использовать их для установления локализации белков в клетке, а также для выделения белка из смеси (очистка белков), что позволяет исследовать структуру и функцию белков. Моноклональные антитела применяют также в технологии клонирования генов.

Антитела можно использовать для изучения функции различных молекул, вводя их через плазмолемму непосредственно в цитоплазму клеток тонкой стеклянной пипеткой. Например, введение антител к миозину в цитоплазму оплодотворенной яйцеклетки морского ежа останавливает разделение цитоплазмы.

Технология рекомбинантных ДНК. Классические генетические методы позволяют изучать функцию генов, анализируя фенотипы мутантных организмов и их потомства. Технология рекомбинантных ДНК дополняет эти методы, позволяет проводить детальный химический анализ генетического материала и получать в больших количествах клеточные белки.

Методы гибридизации широко используют в современной биологии для изучения структуры генов и их экспрессии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МЕТАБОЛИЗМА КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Для изучения химического состава биологических структур - локализации веществ, их концентрации и динамики в процессах метаболизма применяют специальные методы исследования.

Цито- и гистохимические методы. Эти методы позволяют выявлять локализацию различных химических веществ в структурах клеток, тканей и орга-

нов - ДНК, РНК, белков, углеводов, липидов, аминокислот, минеральных веществ, витаминов, активность ферментов. Эти методы основаны на специфичности реакции между химическим реактивом и субстратом, входящим в состав клеточных и тканевых структур, и окрашивании продуктов химических реакций. Для контроля специфичности реакции часто применяют соответствующие ферменты. Например, для выявления в клетках рибонуклеиновой кислоты (РНК) часто используют галлоцианин - краситель с основными свойствами, а наличие РНК подтверждают контрольной обработкой рибонуклеазой, расщепляющей РНК. Галлоцианин окрашивает РНК в сине-фиолетовый цвет. Если срез предварительно обработать рибонуклеазой, а затем окрасить галлоцианином, то отсутствие окрашивания подтверждает наличие в структуре рибонуклеиновой кислоты. Описание многочисленных цито- и гистохимических методов дается в специальных руководствах.

Сочетание гистохимических методов с методом электронной микроскопии привело к развитию нового перспективного направления - электронной гистохимии. Этот метод позволяет изучать локализацию различных химических веществ не только на клеточном, но и на субклеточном и молекулярном уровнях. Для изучения макромолекул клеток используют очень чувствительные методы с применением радиоактивных изотопов и антител, позволяющие обнаружить даже небольшое содержание молекул (менее

Радиоактивные изотопы при распаде ядра испускают заряженные частицы (электроны) или излучение (например, гамма-лучи), которые можно зарегистрировать специальными приборами. Радиоактивные изотопы используют в методе радиоавтографии. Например, с помощью радиоизотопов 3 Н-тимидина исследуют ДНК ядра, с помощью 3 Н-уридина - РНК.

Метод радиоавтографии. Этот метод дает возможность наиболее полно изучить обмен веществ в разных структурах. В основе метода лежит использование радиоактивных элементов (например, фосфора 32 Р, углерода 14 С, серы 35 S, водорода 3 Н) или меченных ими соединений. Радиоактивные вещества в гистологических срезах обнаруживают с помощью фотоэмульсии, которую наносят на препарат и затем проявляют. В участках препарата, где фотоэмульсия соприкасается с радиоактивным веществом, происходит фотореакция, в результате которой образуются засвеченные участки (треки). Этим методом можно определять, например, скорость включения меченых аминокислот в белки, образование нуклеиновых кислот, обмен йода в клетках щитовидной железы и др.

Методы иммунофлюоресцентного и иммуноцитохимического анализа. Применение антител. Антитела - защитные белки, вырабатываемые плаз-моцитами (производными В-лимфоцитов) в ответ на действие чужеродных веществ (антигенов). Количество различных форм антител достигает миллиона. Каждое антитело имеет участки для «узнавания» молекул, вызвавших синтез этого антитела. В связи с высокой специфичностью антител в отношении антигенов они могут быть использованы для выявления любых белков клетки. Метод основан на реакциях антиген-антитело. Каждая клетка организма имеет специфический антигенный состав, который глав-

ным образом определяется белками. Для усиления специфичности реакции применяют моноклональные антитела, образуемые линией клеток, - клонами (одна линия - один клон), полученной методом гибридом из одной клетки. Метод гибридом позволяет получать моноклональные антитела с одинаковой специфичностью и в неограниченных количествах. Антитела можно использовать для изучения антигенов как на световом, так и на ультраструктурном уровнях с помощью электронного микроскопа. В клинической диагностике широкое применение получили методы иммуногистохимии на парафиновых срезах. Предложено большое количество молекулярных маркеров и методов обнаружения белков промежуточных филаментов, пролиферативных, дифференцировочных и апоптозных белков в клетках. Для стандартизации обработки препаратов используется иммуностейнер - устройство, с помощью которого все операции проводятся без вмешательства со стороны исследователя.

Методы иммунофлюоресцентного и иммуногистохимического анализов широко и эффективно используются в научных исследованиях и в лабораторной диагностике. Продукты реакции можно окрашивать флюоресцирующими красителями и выявлять в люминесцентном микроскопе или использовать специальные наборы реактивов, которые окрашивают исследуемые белки, и анализировать препараты с помощью светового микроскопа. Эти методы применяются для изучения процессов дифференцировки клеток, выявления в них специфических химических соединений и структур. Методы позволяют с высокой точностью охарактеризовать функциональное состояние клеток, выявить гистогенетическую принадлежность и трансформацию клетки при онкологических заболеваниях.

Фракционирование клеточного содержимого. Фракционировать структуры и макромолекулы клеток можно различными методами - ультрацентрифугированием, хроматографией, электрофорезом. Подробнее эти методы описаны в учебниках биохимии.

Ультрацентрифугирование. С помощью этого метода клетки можно разделить на органеллы и макромолекулы. Вначале разрушают клетки осмотическим шоком, ультразвуком или механическим воздействием. При этом мембраны (плазмолемма, эндоплазматическая сеть) распадаются на фрагменты, из которых формируются мельчайшие пузырьки, а ядра и органеллы (митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы) сохраняются интактными и находятся в образующей суспензии.

Для разделения вышеуказанных компонентов клетки применяют высокоскоростную центрифугу (80 000-150 000 об./мин). Вначале оседают (седи-ментируются) на дне пробирки более крупные части (ядра, цитоскелет). При дальнейшем увеличении скоростей центрифугирования надосадоч-ных фракций последовательно оседают более мелкие частицы - сначала митохондрии, лизосомы и пероксисомы, затем микросомы и мельчайшие пузырьки и, наконец, рибосомы и крупные макромолекулы. При центрифугировании различные фракции оседают с различной скоростью, образуя в пробирке отдельные полосы, которые можно выделить и исследовать. Фракционированные клеточные экстракты (бесклеточные системы) широ-

ко используют для изучения внутриклеточных процессов, например для изучения биосинтеза белка, расшифровки генетического кода и др.

Хроматография широко используется для фракционирования белков.

Электрофорез позволяет разделить белковые молекулы с различным зарядом при помещении их водных растворов (или в твердом пористом матрик-се) в электрическом поле.

Методы хроматографии и электрофореза применяют для анализа пептидов, получаемых при расщеплении белковой молекулы, и получения так называемых пептидных карт белков. Подробно эти методы описаны в учебниках биохимии.

Изучение химического состава живых клеток. Для изучения распределения веществ и их метаболизма в живых клетках используют методы ядерного магнитного резонанса и микроэлектродную технику.

Ядерный магнитный резонанс позволяет изучать малые молекулы низкомолекулярных веществ. Образец ткани содержит атомы, которые характеризуются способностью поглощать энергию на различных резонансных частотах. Диаграмма поглощения на резонансных частотах для данного образца составит его спектр ЯМР. В биологии сигнал ЯМР от протонов (ядер водорода) широко используется для изучения белков, нуклеиновых кислот и др. Для изучения макромолекул внутри живой клетки часто применяют изотопы 3 Н, 14 С, 32 Р для получения сигнала ЯМР и слежения за его изменением в процессе жизнедеятельности клетки. Так, изотоп фосфора используется для изучения мышечного сокращения - изменений содержания в тканях АТФ и неорганического фосфата. Изотоп углерода позволяет с помощью ЯМР исследовать многие процессы, в которых участвует глюкоза. Использование ЯМР ограничено его низкой чувствительностью: в 1 г живой ткани должно содержаться не менее 0,2 ммоль исследуемого вещества. Преимуществом метода является его безвредность для живых клеток.

Микроэлектродная техника. Микроэлектроды представляют собой стеклянные трубочки, заполненные электропроводящим раствором (обычно раствор КС1 в воде), диаметр конца которых измеряется долями микрометра. Кончик такой трубочки можно вводить в цитоплазму клетки через плазмолемму и определять концентрацию ионов Н+, Na+, К+, С1 - , Са 2 +, Mg 2 +, разность потенциалов на плазмолемме, а также производить инъекцию молекул в клетку. Для определения концентрации конкретного иона используют ионселективные электроды, которые заполняют ионообменной смолой, проницаемой только для данного иона. Микроэлектродную технику применяют для изучения транспорта ионов через специальные ионные каналы (специализированные белковые каналы) в плазмолемме. При этом используют микроэлектрод, который плотно прижимают к соответствующему участку плазмолеммы. Этот метод позволяет исследовать функцию одиночной белковой молекулы. Изменение концентрации ионов внутри клетки можно определить с помощью люминесцирующих индикаторов. Например, для изучения внутриклеточной концентрации Са 2+ используют люминесцентный белок акварин (выделен из медузы), который излучает свет в присутствии ионов Са 2+ и реагирует на изменение концентрации последнего в пределах 0,5-10 мкмоль. Синтезированы также флюоресцентные индикаторы, прочно связывающиеся с Са 2+ . Создание различных новых типов внутриклеточных индикаторов и современных способов анализа изображений позволяет точно и быстро определять внутриклеточную концентрацию многих низкомолекулярных веществ.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ

В настоящее время наряду с качественными методами разработаны и применяются количественные гистохимические методы определения содержания различных веществ в клетках и тканях. Особенность количественных гистохимических (в отличие от биохимических) методов исследования заключается в возможности изучения концентрации химических компонентов в конкретных структурах клеток и тканей.

Цитоспектрофотометрия - метод изучения химического состава клетки, основанный на избирательном поглощении теми или иными веществами лучей с определенной длиной волны. По интенсивности поглощения монохроматического света, которая зависит от концентрации вещества, производится определение его содержания в клетке. Так, например, определяется содержание ДНК в ядре, РНК и суммарного белка в цитоплазме и др.

Цитоспектрофлюориметрия - метод количественного изучения внутриклеточных веществ по спектрам их флюоресценции или по интенсивности флюоресценции при облучении препарата заранее выбранной длиной световой волны (цитофлюориметрия). При этом используются флюорохромы, количественно связывающиеся с веществами клетки (ДНК, РНК, белками и др.).

Современные микроскопы - цитофлюориметры позволяют обнаружить в различных структурах малые количества вещества (до 10 -14 -10 -16 г) и оценить локализацию исследуемых веществ в микроструктурах.

Интерферометрия. Этот метод позволяет оценить сухую массу и концентрацию плотных веществ в живой и фиксированной клетках. С помощью этого метода, например, можно установить суммарное содержание белков в живых и фиксированных клетках.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЯ КЛЕТОЧНЫХ И ТКАНЕВЫХ СТРУКТУР

Полученные изображения микрообъектов в микроскопе, на экране дисплея, на электронных микрофотографиях могут подвергаться специальному анализу - выявлению морфометрических, денситометрических параметров и их статистической обработке. Морфометрические методы позволяют определять с помощью специальных сеток (Е. Вейбеля, А. А. Глаголева, С. Б. Стефанова) число любых структур, площади их сечений, диаметры и др. В частности в клетках могут быть измерены площади ядер, цитоплазмы, их диаметры, ядерно-цитоплазматические отношения и др. Существуют ручная морфометрия и автоматизированная морфометрия, при которой все параметры измеряются и регистрируются в приборе автоматически.

Все большее распространение получают автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз), позволяющие наиболее эффективно реализовать перечисленные выше количественные методы для изучения клеток и тканей. При этом аналитические возможности количественной микроскопии дополняются методами анализа и распознавания образцов, основан-

ными на обработке с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ) информации, извлекаемой из изображений клеток и тканей. По существу можно говорить об устройствах, не только усиливающих оптические возможности зрительного анализатора человека, но и многократно расширяющих его аналитические возможности. Это позволяет получать новую информацию о не выявляемых ранее процессах, моделировать и прогнозировать их развитие в клетках и тканях.

Вместе с тем участие в эксперименте ЭВМ требует от исследователя нового подхода к его проведению, владения навыками составления алгоритмов процесса исследования, точности рассуждений и в конечном итоге повышения научно-методического уровня исследования.

Таким образом, применение новых методов исследований в гистологии, цитологии и эмбриологии позволяет выяснить общие закономерности организации тканей и клеток, структурные основы биохимических процессов, определяющих функцию конкретных структурных компонентов клетки.
ч. 1