6. Методы цитологии
• Микроскопический метод
• Метод электронной микроскопии
• Методы гистохимии, основанные на избирательном действии реактивов и красителей на вещества цитоплазмы
• Метод дифференциального центрифугирования, который позволяет исследовать химический состав органоидов клетки после их разделения с помощью центрифуги
• Метод рентгеноструктурного анализа дает возможность определить пространственное расположение, физические свойства молекул
• Метод авторадиографии основан на введении в клетку меченых радиоактивных атомов
• Метод замедленной киносъемки (наблюдают деление клетки)
• Генная и клеточная инженерия
Немецкий зоолог Т. Ш в а н н (1810-1882) в 1839 г. опубликовал труд «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В этой классической работе были заложены основы клеточной теории. Шванн выдвинул основные положения клеточной теории:
1) клетка является главной структурной единицей всех организмов (растительных и животных);
2) процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку растительных и животных тканей.
В 1858 г. вышел в свет основной труд немецкого патолога Р. В и р хо в а (1821-1902) «Целлюлярная патология», в котором он выдвинул положение «каждая клетка от клетки».
7. Положения клеточной теории
1. Все растительные и животные организмы состоят из клеток.
2. Клетки растений и животных гомологичны по своему строению.
3. Каждая клетка от клетки. Новые клетки появляются путем деления исходной материнской клетки.
4. Клетки в многоклеточном организме теряют свою самостоятельность. Они подчиняются единой нейрогуморальной регуляции.
Литература
Р.Г.Заяц, И.В. Рачковская и др. Биология для абитуриентов. Минск, «Юнипресс», 2009г., с. 3-7.
Л.Н. Песецкая. Биология. Минск, «Аверсэв», 2007г., с.4-14
Н.Д. Лисов, Н.А. Лемеза и др. Биология. Минск, «Аверсэв», 2009г, с.4-12
Е.И. Шепелевич, В.М. Глушко, Т.В. Максимова. Биология для школьников и абитуриентов. Минск, «УниверсалПресс», 2007г., с.5-7, 58-60.
Лекция 2. Структурная организация клетки
Вопросы:
1. Структурные компоненты клетки.
2. Наружная клеточная мембрана, ее строение и роль в обмене веществ.
3. Цитоплазма и органоиды.
4. Ядро, хромосомы. Понятие о кариотипе и генотипе.
1. Типичная клетка состоит из плазматической мембраны, цитоплазмы с различными органеллами и ядра. Растительные клетки, кроме того, имеют и вакуоли, хорошо оформленную клеточную стенку и пластиды.
2. По другой классификации ядро относят к самым крупным органеллам клетки.
Клеточные мембраны играют важную роль:
1) отделяют клеточное содержимое от внешней среды;
2) регулируют обмен между клеткой и средой и делят клетки на отсеки;
3) некоторые химические реакции протекают на мембранах (световые реакции фотосинтеза в мембранах гран хлоропластов или окислительное фосфорилирование в митохондриях);
4) здесь же располагаются и рецепторные участки для распознавания внешних стимулов, поступающих из окружающей среды.
С конца прошлого века известно, что клеточные мембраны ведут себя не так, как полупроницаемые мембраны. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью — одни вещества пропускают, а другие не пропускают.
Ранние работы по проницаемости мембран показали, что органические растворители — спирт, эфир или хлороформ — проникают сквозь мембрану быстрее, чем вода. Это говорит о том, что в мембранах есть неполярная часть — липиды. Позже выяснилось: мембраны состоят из белков и липидов.
Липиды в мембранах представлены фосфолипидами, гликолипидами и стеролами. У фосфолипидов (соединений, содержащих фосфатную группу) молекулы состоят из полярной и неполярной части — полярной головы и двух неполярных хвостов. Гликолипиды — продукт соединения липидов с углеводами. Они тоже состоят из полярной головы и неполярных хвостов. Стеролами называют спирты, относящиеся к классу стероидов. Наиболее распространен среди них холестерол. Его молекулы полностью неполярны и в этом его отличие от фосфолипидов и гликолипидов.
Давсон и Даниелли в 1935 г. высказали предположение, что в клеточных мембранах имеется липидный слой, заключенный между двумя слоями белка. В 1959 г. Робертсон, объединив имеющиеся в то время данные, выдвинул гипотезу о строении «элементарной мембраны»:
а) все мембраны имеют толщину около 7,5 нм;
б) в электронном микроскопе они представляются трехслойными;
в) центральный липидный бислой заключен между двумя слоями белка.
В настоящее время наибольшее признание получила жидкостно-мозаичная модель организации мембраны, предложенная Зингером и Николсом в 1972 г., согласно которой белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нем как бы своеобразную мозаику (рис. 2).
Рис. 2. Схема жидкостно-мозаичной модели мембраны
Белки представлены: интегральными белками /, которые пронизывают всю толщу мембраны; полуинтегральными белками 2, молекулы которых наполовину погружены в мембрану, выступая с внешней или внутренней ее стороны; периферическими белками 3, которые располагаются на поверхности билипидного слоя и связаны с «головками» липидных молекул 4.
Предполагается, что в белковых молекулах или между соседними белковыми молекулами имеются гидрофильные каналы, или поры. Эти поры пронизывают мембрану, так что по ним сквозь мембрану могут проходить полярные молекулы, которые без таких пор пройти бы не могли — липидный компонент мембраны не пропустил бы их в клетку. Некоторые белки действуют как переносчики. В мембранах содержатся ферментные белки, специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, участвующие в фотосинтезе и дыхании.
Кроме того, в мембранах имеются гликопротеины. У них на свободных поверхностях находятся гликозильные группы — разветвленные олигосахаридные цепи 5, напоминающие антенны. Эти «антенны» состоят из нескольких моносахаридных остатков. Функция «антенн» связана с распознаванием внешних сигналов, которое важно для клеток по многим причинам. Распознающие участки двух соседних клеток могут связываться друг с другом, обеспечивая сцепление клеток. Благодаря этому клетки правильно ориентируются и образуют ткани в процессе дифференцировки. С распознаванием связана и деятельность различных регулятор-ных систем, а также иммунный ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов. Распознающие участки имеются и у некоторых молекул, находящихся в растворе, благодаря чему они избирательно поглощаются клетками с комплементарными распознающими участками. Присоединение углеводных участков к белкам осуществляется в аппарате Гольджи. Сахара, таким образом, могут функционировать как информационные молекулы, т. е. в этом смысле их можно сравнивать с белками и нуклеиновыми кислотами.
Жизнедеятельность клетки как открытой системы зависит от проникновения внутрь необходимых ей веществ и выделения продуктов обмена из клетки. Вещества могут поступать в клетку через мембрану следующими путями:
I — пассивная диффузия — по градиенту концентрации (молекулы воды и другие небольшие молекулы);
II — облегченная диффузия, когда транспорту способствует белок-переносчик (сахар, аминокислоты, нуклеотиды, гормоны);
III — активный транспорт — перенос против градиента концентрации через специальные каналы, для чего необходима энергия АТФ (натрий—калиевый насос);
IV — эндоцитоз (фаго- и пиноцитоз) — поступление крупных молекул и воды вместе с участками плазмолеммы, образующими эндосому.
Сравнительно недавно выяснилось, что у большей части клеток в плазматической мембране действует натриевый насос активно выкачивающий натрий из клетки. Обычно, хотя и не всегда, натриевый насос сопряжен с калиевым насосом, активно поглощающим ионы калия из внешней среды и переносящим их в клетку. Такой объединенный насос называют натрий-калиевым насосом (Na\ К-насос). О его физиологическом значении свидетельствует тот факт, что более трети АТФ, потребляемого животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на перекачивание натрия и калия. Это необходимо для сохранения клеточного объема (осмо-регуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках и для активного транспорта некоторых других веществ (сахаров, аминокислот). Высокие концентрации калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и для некоторых других жизненно важных процессов. Насос— это особый белок, локализующийся в мембране таким образом, что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны мембраны к нему поступают натрий и АТФ, а с наружной — калий. На каждые два поглощенных иона калия из клетки выводится три иона натрия. Выкачиваемый из клетки натрий обычно пассивно диффундирует в клетку. Однако мембрана мало проницаема для натрия. Для ионов калия мембраны приблизительно в 100 раз более проницаемы.
3. Цитоплазма состоит из:
• жидкого содержимого — гиалоплазмы;
• органоидов;
• включений.
Гиалоплазма — гетерогенный коллоидный раствор, обеспечивающий взаимосвязь всех органоидов клетки и процессы ее жизнедеятельности. Гиалоплазма обеспечивает клетке вязкость, эластичность, сократимость, внутреннее движение. В ней расположены микротрубочки — особые белковые структуры, выполняющие опорную функцию клетки;
Органоиды — специализированные постоянные компоненты цитоплазмы, которые обладают определенным строением и выполняют ту или иную функцию жизнедеятельности клетки. Делятся на две группы:
• органоиды общего назначения (митохондрии, комплекс Гольджи, пластиды, клеточный центр, вакуоли, эндоплазматическая сеть (ЭС), рибосомы, лизосомы);
• органоиды специального назначения (реснички, жгутики, нейрофибриллы, миофибриллы).
Цитоплазматические включения — это непостоянные структуры в цитоплазме, представляющие собой продукты жизнедеятельности клеток. По своему биологическому значению включения могут быть условно разделены на три основные группы:
а) трофические — запасные питательные вещества (крахмал и белковые зерна, капли жира в растительных клетках; гликоген и жир — в животных клетках);
б) секреторные — продукты жизнедеятельности железистых клеток (гормоны, ферменты, секреты);
в) экскреторные — конечные продукты обмена растительных и животных клеток (кристаллы оксалата кальция, гипса, мочевой кислоты).
Органоиды немембранного строения — рибосомы и клеточный центр. Рибосомы — ультрамикроскопические органеллы, состоящие из двух частей — субъединиц, состоящих из белка и рРНК. Субъединицы образуются в ядрышке. Это универсальные органеллы всех клеток животных и растений. Находятся в цитоплазме и на мембранах ЭС. В рибосомах синтезируются белки.
Клеточный центр состоит из двух центриолей. Каждая имеет цилиндрическую форму, стенки образованы девятью триплетами микротрубочек, а в середине находится однородное вещество. Центриоли расположены перпендикулярно друг другу. Клеточный центр принимает участие в делении клеток животных и низших растений.
Органоиды, имеющие двухмембранное строение, — это митохондрии и пластиды. У митохондрий внешняя мембрана гладкая, внутренняя образует различной формы выросты — кристы. В матриксе митохондрий (полужидком веществе) находятся ферменты, рибосомы, ДНК, РНК. Это — дыхательный и энергетический центр, где на кристах идет синтез АТФ.
Пластиды (лейкопласты, хлоропласта, хромопласта) — это органоиды различной окраски и функций, характерные только для растений. Лейкопласты — бесцветны, служат местом отложения запасных питательных веществ. Хлоропласта имеют зеленую окраску благодаря хлорофиллу, который располагается в мембранах тилакоидов гран. Здесь осуществляется фотосинтез, т. е. эти органеллы способны из С02 и Н20 при наличии световой энергии создавать органические вещества — углеводы и свободный кислород. Хромопласты имеют красную, оранжевую, желтую окраску. Придают окраску цветам, осенним листьям, плодам.
Органоиды одномембранного строения: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы. ЭС — ультрамикроскопическая система мембран, образующих трубочки, канальцы, цистерны, пузырьки. Гранулярная ЭС несет рибосомы, гладкая — лишена их. Обеспечивает транспорт веществ, гранулярная ЭС несет рибосомы и участвует в синтезе белка. В каналах ЭС образуются сложные молекулы белка, синтезируются жиры, транспортируется АТФ.
Аппарат Гольджи обнаружен в 1898 г., состоит из стопочки плоских цистерн, по краям которых ответвляются трубочки, отделяющие мелкие пузырьки. В цистернах накапливаются продукты синтеза, распада и вещества, поступившие в клетку, а также вещества, которые выводятся из клетки. В растительной клетке пузырьки Гольджи участвуют в построении клеточной стенки.
Лизосомы — органоиды округлой формы. В них находятся лизирующие (растворяющие) ферменты, синтезированные на рибосомах. Они переваривают пищу, попавшую в животную клетку, в клетках любых организмов осуществляют автолиз (саморастворение органелл). Например, у лягушонка рассасывается хвост.