Цитология – наука о клетке

В 1865 было установлено, что мужская половая клетка (сперматозоид, или спермий) представляет собой полноценную, хотя и высокоспециализированную клетку, а спустя 10 лет О.Гертвиг проследил путь сперматозоида в процессе оплодотворения яйцеклетки. И наконец, в 1884 Э. ван Бенеден показал, что в процессе образования как сперматозоида, так и яйцеклетки происходит модифицированное клеточное деление (мейоз), в результате которого они получают по одному набору хромосом вместо двух. Таким образом, каждый зрелый сперматозоид и каждая зрелая яйцеклетка содержат лишь половинное число хромосом по сравнению с остальными клетками данного организма, и при оплодотворении происходит просто восстановление нормального числа хромосом. В итоге оплодотворенная яйцеклетка содержит по одному набору хромосом от каждого из родителей, что является основой для наследования признаков и по отцовской, и по материнской линии. Кроме того, оплодотворение стимулирует начало дробления яйцеклетки и развитие нового индивида.

Представление о том, что хромосомы сохраняют свою идентичность и поддерживают генетическую непрерывность от одного поколения клеток к другому, окончательно сформировалось в 1885 (Рабль). Вскоре было установлено, что хромосомы качественно отличаются друг от друга по своему влиянию на развитие (Т.Бовери, 1888). Начали появляться также экспериментальные данные в пользу высказанной ранее гипотезы В.Ру (1883), согласно которой даже отдельные части хромосом влияют на развитие, структуру и функционирование организма.

Таким образом, еще до конца 19 в. было сделано два важных заключения. Одно состояло в том, что наследственность есть результат генетической непрерывности клеток, обеспечиваемой клеточным делением. Другое — что существует механизм передачи наследственных признаков, который находится в ядре, а точнее — в хромосомах. Было установлено, что благодаря строгому продольному расщеплению хромосом дочерние клетки получают совершенно такую же (как качественно, так и количественно) генетическую конституцию, как исходная клетка, от которой они произошли.

Законы наследственности. Второй этап в развитии цитологии как науки охватывает 1900-1935. Он наступил после того, как в 1900 были вторично открыты основные законы наследственности, сформулированные Г.Менделем в 1865, но не привлекшие к себе внимания и надолго преданные забвению. Цитологи, хотя и продолжали заниматься изучением физиологии клетки и такими ее органеллами, как центросома, митохондрии и аппарат Гольджи, основное внимание сосредоточили на строении хромосом и их поведении. Проводившиеся в это же время эксперименты по скрещиванию быстро увеличивали объем знаний о способах наследования, что привело к становлению современной генетики как науки. В результате возник "гибридный" раздел генетики — цитогенетика.

1.1.3. Развитие современной цитологии

С 50-х гг. 20 в. цитология вступила в современный этап своего развития. Разработка новых методов исследования и успехи смежных дисциплин дали толчок бурному развитию цитологии и привели к стиранию чётких границ между цитологией, биохимией, биофизикой и молекулярной биологией. Использование электронного микроскопа (его разрешающая способность достигает 2—4  , предел разрешения светового микроскопа около 2000  ) привело к созданию субмикроскопической морфологии клетки и приблизило визуальное изучение клеточных структур к макромолекулярному уровню. Были обнаружены неизвестные до этого детали строения ранее открытых клеточных органоидов и ядерных структур; открыты новые ультрамикроскопические компоненты клетки: плазматическая, или клеточная, мембрана, отграничивающая клетку от окружающей среды, эндоплазматический ретикулум (сеть), рибосомы (осуществляющие синтез белка), лизосомы (содержащие гидролитические ферменты), пероксисомы (содержащие ферменты каталазу и уриказу), микротрубочки и микрофиламенты (играющие роль в поддержании формы и в обеспечении подвижности клеточных структур); в растительных клетках обнаружены диктиосомы — элементы комплекса Гольджи. Наряду с общеклеточными структурами выявляются ультрамикроскопические элементы и особенности, присущие специализированным клеткам. С помощью электронной микроскопии показано особое значение мембранных структур в построении различных компонентов клетки. Субмикроскопические исследования дали возможность все известные клетки (и соответственно все организмы) разделить на 2 группы: эукариоты (тканевые клетки всех многоклеточных организмов и одноклеточные животные и растения) и прокариоты (бактерии, сине-зелёные водоросли, актиномицеты и риккетсии). Прокариоты — примитивные клетки — отличаются от эукариотов отсутствием типичного ядра, лишены ядрышка, ядерной оболочки, типичных хромосом, митохондрий, комплекса Гольджи.

Усовершенствование методов изоляции клеточных компонентов, использование методов аналитической и динамической биохимии применительно к задачам цитологии (меченные радиоактивными изотопами предшественники, авторадиография, количественная цитохимия с использованием цитофотометрии, разработка цитохимических методик для электронной микроскопии, применение антител, меченных флуорохромами, для обнаружения под флуоресцентным микроскопом локализации индивидуальных белков; метод гибридизации на срезах и мазках радиоактивных ДНК и РНК для идентификации нуклеиновых кислот клетки и т.д.) привело к уточнению химической топографии клеток и расшифровке функционального значения и биохимической роли многих составных частей клетки. Это потребовало широкого объединения работ в области цитологии с работами по биохимии, биофизике и молекулярной биологии. Для изучения генетических функций клеток большое значение имело открытие содержания ДНК не только в ядре, но и в цитоплазматических элементах клетки — митохондриях, хлоропластах, а по некоторым данным, и в базальных тельцах. Для оценки роли ядерного и цитоплазматического генного аппарата в определении наследственных свойств клетки используется пересадка ядер и митохондрий. Гибридизация соматических клеток становится перспективным методом изучения генного состава отдельных хромосом. Установлено, что проникновение веществ в клетку и в клеточные органоиды осуществляется с помощью особых транспортных систем, обеспечивающих проницаемость биологических мембран. Электронно-микроскопические, биохимические и генетические исследования увеличили число сторонников гипотезы симбиотического происхождения митохондрий и хлоропластов, выдвинутой в конце 19 в.

Основные задачи современной цитологии — дальнейшее изучение микроскопических и субмикроскопических структур и химической организации клеток; функций клеточных структур и их взаимодействий; способов проникновения веществ в клетку, выделения их из клетки и роли мембран в этих процессах; реакций клеток на нервные и гуморальные стимулы макроорганизма и на стимулы окружающей среды; восприятия и проведения возбуждения; взаимодействия между клетками; реакций клеток на повреждающие воздействия; репараций повреждения и адаптации к факторам среды и повреждающим агентам; репродукции клеток и клеточных структур; преобразований клеток в процессе морфофизиологической специализации (дифференцировки); ядерного и цитоплазматического генетического аппарата клетки, его изменений при наследственных заболеваниях; взаимоотношений клеток с вирусами; превращений нормальных клеток в раковые (малигнизация); процессов поведения клеток; происхождения и эволюции клеточной системы. Наряду с решением теоретических вопросов цитологии участвует в разрешении ряда важнейших биологических, медицинских и с.-х. проблем. В зависимости от объектов и методов исследования развивается ряд разделов цитологии: цитогенетика, кариосистематика, цитоэкология, радиационная цитология, онкологическая цитология, иммуноцитология и т.д.

1.2. Биология клетки – молекулярные  механизмы функционирования клеток

Для того, чтобы понять, как устроены и как функционируют живые организмы, необходимо прежде всего знать, из каких веществ они построены, как эти вещества образуются и как молекулы этих веществ объединяются, чтобы образовать те или иные части живого организма.

Органические соединения, входящие в состав живого, исключительно многообразны, а многие из них очень сложны. Даже в таких простых существах, как бактерии, содержится более 5 тыс. органических веществ, из них около 4 тыс. составляют различные белки и нуклеиновые кислоты. В сложных многоклеточных организмах количество этих веществ на два порядка больше.

Все органические вещества могут быть разделены на две группы: низкомолекулярные вещества и полимеры. Однако такие вещества построены из многократно повторяющихся единиц – мономеров, разнообразие которых не очень велико, что значительно упрощает их образование в клетке.

Количество мономеров в молекуле полимера может варьировать от нескольких штук до десятков миллионов. Полимер может состоять из одинаковых мономеров (гомополимеры), Например, крахмал и целлюлоза. Однако большая часть биологических полимеров построена из нескольких типов мономеров. Они носят название гетерополимеров. Мономеры, входящие в состав гетерополимеров, относятся, как правило, к одному классу веществ и соединяются одинаковыми связями. Важно заметить, что образование полимеров в живых клетках не связано с выделением воды, что делает возможным синтез полимеров в водной среде живой клетки. Наиболее часто в биополимерах встречаются сложноэфирная, гликозидная (ацетальная) и пептидная (амидная) связи.

Еще одной характеристикой полимеров является их разветвленность. Если каждый мономер образует две связи с соседними мономерами, то получается линейный полимер. Такими полимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, многие полисахариды. Если же к мономеру присоединяется три или более других мономера, то образуется разветвленная структура. Примерами разветвленных полисахаридов являются крахмал и гликоген.

Мономерами, из которых построены биополимеры, являются, как правило, обычные для живых организмов низкомолекулярные вещества. Поэтому часто мономеры и образующиеся из них полимеры объединяют в отдельные классы биологических веществ. Наиболее важными являются четыре таких класса: 1) углеводы; 2) липиды; 3) аминокислоты и белки; 4) нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

Углеводы делятся на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы, или полисахариды. Моносахариды, обычно встречающиеся в живых организмах, содержат 5 или 6 атомов углерода. Моносахариды хорошо растворимы в воде, образуют кристаллы и имеют сладкий вкус. Молекулы моносахаридов могут образовывать связи между собой с потерей молекулы воды. В результате образуются полисахариды. Полисахариды нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. В живых организмах наиболее широко распространены полимеры глюкозы – крахмал, гликоген и целлюлоза.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер, содержащий примерно 10 тыс. остатков глюкозы. Целлюлоза встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок. В форме целлюлозы у растений находится до 50% углеводов. Близок по строению к целлюлозе хитин. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих.

Крахмал, как и целлюлоза, состоит только из остатков глюкозы. Крахмал служит основным запасным веществом у растений. У животных и грибов эту функцию выполняет гликоген – полисахарид, похожий на амилопектин, но отличающийся большей разветвленностью. Крахмал и гликоген накапливаются в клетках в виде гранул.

У животных встречаются также внеклеточные регулярные гетерополисахариды, такие как гиалуроновая кислота, хондроитины, дерматаны и гепарины. Они составляют значительную часть хрящей, сухожилий и других видов соединительной ткани.

Липидами называются вещества биологического происхождения, растворимые в органических растворителях и не растворимые в воде. В связи со столь расплывчатым определением, в эту группу входят вещества, довольно сильно различающиеся по химическим свойствам. Наиболее важны три группы этих веществ: триглицериды, фосфолипиды и стероиды.

Аминокислоты – соединения, содержащие кислотную карбоксильную группу и основную аминогруппу. В живых организмах обнаружено несколько сотен различных аминокислот, однако большинство из них встречается лишь в некоторых видах растений и не входит в состав белков. В белках встречается 20–30 видов аминокислот. При биосинтезе в белок включается 20 видов аминокислот, а остальные образуются в результате химических модификаций в составе белка.

Наличие большого числа мономеров и большая длина полимера приводят к возможности образования огромного количество различных полипептидов. Так, из 20 аминокислот может получиться 202 = 400 различных дипептидов, 203 = 8000 трипептидов и т.д. Поскольку средний белок содержит несколько сотен мономеров, разнообразие белков практически не ограничено. Если рассматривать полимер из 100 аминокислот, то возможно 20100 х10130 видов полимеров. Если взять по одной молекуле каждого вида полимера, то их суммарная масса составит 10110 т, что значительно больше массы видимой части Вселенной.

По-видимому, все возможные полипептиды такой длины на Земле не могли образоваться за всю ее историю. Однако даже реально существующее в настоящее время многообразие белков крайне велико. Одноименные белки в разных видах организмов обычно отличаются друг от друга хотя бы по одной аминокислоте в последовательности. По современным оценкам каждый вид имеет от 4 до 60 тыс. различных белков. Если принять среднее значение 30 тыс. и общее число видов около 2 млн, то на Земле существует около 60 млрд различных белков.

1.3. Место цитологии среди других  биологических дисциплин

Цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин, так как клеточные структуры лежат в основе строения, функционирования и индивидуального развития всех живых существ, и, кроме того, она является составной частью гистологии животных, анатомии растений, протистологии и бактериологии.

По мере дальнейшего раскрытия тайн клетки возможности практического использования полученных данных будут неизмеримо возрастать, что позволит в будущем управлять процессами индивидуального развития и регенерацией, разрабатывать надежные рекомендации по вопросам профилактики и лечения самых разнообразных заболеваний, а также по вопросам преодоления тканевой несовместимости, лечения лучевых поражений.

1.4. Связь цитологии с молекулярной  биологией, генетикой, эмбриологией, физиологией  и биохимией

Цитология относится к фундаментальным разделам биологии, так как исследует и описывает единственную единицу всего живого на Земле – клетку. Познание клетки имеет важное значение для развития множества других биологических наук, таких как физиология, генетика, молекулярная биология, эмбриология, биохимия и др., так как дает им как бы субстрат, материал для изучения отдельных свойств именно клеток: все функциональные отправления организмов имеют клеточную основу.