Клеточная теория. Основные положения современной клеточной теории.

КЛЕТКА – СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЕДИНИЦА

ЖИВОГО

1. Цитология как наука (предмет, задачи, методы, практическое значение и применение).

2. Клеточная теория. Основные положения клеточной теории.

3. Строение клетки.

4. Биологические мембраны. Цитоплазматическая мембрана: строение, свойства, функции

5. Способы транспорта через мембрану: диффузия, облегченная диффузия, активный мембранный перенос, транспорт в мембранной упаковке, эндоцитоз, экзоцитоз.

6. Цитоплазма, строение и химический состав.

7. Органоиды клетки, их строение и функции.

8. Строение и функции ядра. Хроматин. Хромосомы (строение метафазной хромосомы, типы хромосом). Кариотип, его видовая специфичность. Правила хромосом.

9. Особенности строения прокариотической и эукариотической, растительной и животной клеток (таблицы).

 

Цитология как наука.

История цитологии тесно связана с изобретением, использованием и усовершенствованием микроскопа. Это обусловлено с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм). Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.

Примечание. 1 миллиметр (мм) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем (Å). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.

 

Первые оптические приборы (простые линзы, очки, лупы) были созданы еще в XII веке. Но сложные оптические трубки, состоящие из двух и более линз, появляются только в конце XVI века. В изобретении светового микроскопа принимали участие Галилео Галилей, отец и сын Янсены, физик Дрюбель и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов.

· 1665 г.: Р. Гук, наблюдая впервые под микроскопом тонкий срез пробкового дерева, обнаружил пустые ячейки, которые назвал целлюли, или клетки; фактически Р. Гук наблюдал только оболочки растительных клеток; в дальнейшем Р. Гук изучал срезы живых стеблей и обнаружил в них аналогичные ячейки, которые, в отличие от мертвых клеток пробки, были заполнены «питательным соком». Свои наблюдения Р. Гук изложил в своем труде «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших телец при помощи увеличительных стекол» (1665);

· 1671 г.: Марчелло Мальпиги (Италия) и Неемия Грю (Англия), изучая анатомическое строение растений, пришли к выводу, что все растительные ткани состоят из пузырьков-клеток. Термин «ткань» («кружево») впервые употребил Н. Грю. В работах Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю клетка рассматривается как элемент, как составная часть ткани. Клетки разделены между собой общими перегородками и поэтому не могут быть мыслимы вне ткани, вне организма;

· 1674 г.: голландский микроскопист–любитель Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы – «анималькули» (инфузории, саркодовые, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды);

В этот период главной частью клетки считалась ее стенка, и лишь спустя двести лет стало ясно, что главное в клетке не стенка, а внутреннее содержимое. В XVIII в. фундаментальные наблюдения простейших провел немецкий натуралист-любитель Мартин Ледермюллер. Однако в этот период новые сведения о клетке накапливались медленно, причем в области зоологии медленнее, чем в ботанике, поскольку настоящие клеточные стенки, которые служили главным предметом исследования, свойственны только растительным клеткам. По отношению к животным клеткам ученые не решались применить этот термин и отождествить их с растительными клетками.

В дальнейшем по мере усовершенствования микроскопа и техники микроскопирования накапливались и сведения о клетках животных и растений. Постепенно формировались представления о клетке как элементарном организме: в дальнейшем немецкий физиолог Эрнст фон Брюкке (1861) называл клетку элементарным организмом. К 30-м годам 19 века накопилось много сведений по морфологии клетки, и было установлено, что цитоплазма и ядро являются ее обязательными компонентами.

· 1802, 1808 гг.: Ш. Бриссо-Мирбе установил факт, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток.

· 1809 г.: Ж. Б. Ламарк распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животных.

· 1825 г.: Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетках птиц.

· 1831 г.: Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений.

· 1833 г.: Р. Броун пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки.

· 1839 г.: Я. Пуркине обнаружил протоплазму (гр. протос - первый и плазма вылепленный, оформленный) – полужидкое студенистое содержимое клеток.

· 1839 г.: Т. Шванн обобщил все накопленные к этому времени данные и сформулировал клеточную теорию.

· 1858 г.: Р. Вирхов доказал, что все клетки образуются из других клеток путем деления.

· 1866 г.: Геккель установил, что сохранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро.

· 1866-1898 гг.: описаны основные компоненты клетки, которые можно увидеть под оптическим микроскопом. Цитология приобретает характер экспериментальной науки.

· 1872 г.: профессор Дерптского (Тартусского) университета Э. Руссов,

· 1874 г.: русский ботаник И.Д. Чистяков впервые наблюдали деление клетки.

· 1878 г.: В. Флеминг ввел термин «митоз» и описал стадии деления клетки.

· 1884г.: В. Ру, О. Гертвиг, Э. Страсбургер выдвинули ядерную теорию наследственности, согласно которой информация о наследственных признаках клетки заключена в ядре.

· 1888г.: Э. Страсбургер установил явление редукции числа хромосом при мейозе.

· 1900 г.: за появлением генетики начинает развиваться цитогенетика, изучающая поведение хромосом во время деления и оплодотворения.

· 1946 г.: в биологии началось использование электронного микроскопа, что позволило изучить ультраструктуры клеток.

Цитология – наука, изучающая строение, химический состав и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Предмет цитологии – клетки одно- и многоклеточных прокариотических и эукариотических организмов.

Задачи цитологии:

1. Изучение строения и функций клеток и их компонентов (мембран, органоидов, включений, ядра).

2. Изучение химического состава клеток, биохимических реакций, протекающих в них.

3. Изучение взаимоотношения клеток многоклеточного организма.

4. Изучение деления клеток.

5. Изучение возможности приспособления клеток к изменениям окружающей среды.

Для решения поставленных задач в цитологии используются различные методы.

Микроскопические методы:

Открытие и дальнейшее изучение клетки стало возможным только после изобретения микроскопа. Это связано с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм).

Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм. С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.

Примечание: 1 миллиметр (мм) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем (Å). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.

Микроскопические методы позволяют изучить структуру клетки и ее компонентов с помощью микроскопов (светового, фазово-контрастного, люминесцентного, ультрафиолетового, электронного); световое микроскопирование основано на потоке света; изучает клетки и их крупные структуры; электронное микроскопирование – изучение мелких структур (мембраны, рибосомы и др.) в пучке электронов с длиной волны меньше, чем у видимого света. Фазово-контрастная микроскопия — метод получения изображений в оптических микроскопах, при котором сдвиг фазэлектромагнитной волны

трансформируется в контраст интенсивности. Фазово-контрастную микроскопию изобрёл Фриц Цернике, за что получил Нобелевскую премию за 1953 год. Предназначена для изучения живых, не окрашенных объектов. Для исследования объемных объектов используют стереоскопическую микроскопию. Конструкция стереоскопических микроскопов позволяет видеть объект исследования правым и левым глазом под разными углами. Исследуют непрозрачные объекты при относительно небольшом увеличении (до 120 раз). Стереоскопическая микроскопия находит применение в микрохирургии, в патоморфологии при специальном изучении биопсийного, операционного и секционного материала, в судебно-медицинских лабораторных исследованиях.

Цито- и гистохимические методы – основаны на избирательном действии реактивов и красителей на определенные вещества цитоплазмы; используется для установления химического состава и локализации различных компонентов (белков, ДНК, РНК, липидов и т.п.) в клетках.

Гистологический метод – это метод приготовления микропрепаратов из нативных и фиксированных тканей и органов. Нативный материал замораживается, а фиксированный объект проходит этапы уплотнения, заливки в парафин. Затем из исследуемого материала изготавливают срезы, окрашивают и заключают в канадский бальзам.

Биохимические методы позволяют изучить химический состав клеток и протекающие в них биохимические реакции.

Метод дифференциального центрифугирования (фракционирования): основан на разной скорости оседания компонентов клетки;сначала клетки разрушают до однородной (гомогенной) массы, которую переносят в пробирку с раствором сахарозы или хлорида цезия и подвергают центрифугированию; выделяет отдельные компоненты клетки (митохондрии, рибосомы и др.) для последующего изучения другими методами.

Метод рентгеноструктурного анализа: после введения в клетку атомов металла исследуется пространственная конфигурация (пространственнаое расположение атомов и группировок атомов) и некоторые физические свойства макромолекул (белок, ДНК).

Метод авторадиографии – введение в клетку радиоактивных (меченых) изотопов – чаще всего изотопы водорода (³Н), углерода (¹⁴С) и фосфора (³²Р); изучаемые молекулы по радиоактивным меткам обнаруживают с помощью счетчика радиоактивных частиц или по способности засвечивать фотопленку, а затем изучают их включения в вещества, синтезируемые клеткой; позволяет изучить процессы матричного синтеза и деления клеток.

Метод замедленной киносъемки и фотосъемки позволяет проследить и зафиксировать процессы деления клеток через мощные световые микроскопы. Замедленная киносъёмка — киносъёмка с частотой, меньшей стандартной частоты съёмки и проекции, составляющей в кинематографе 24 кадра в секунду^[1]. Когда полученное изображение проецируется с нормальной частотой, движение объектов съёмки на экране выглядит ускоренным^[2].

Микрохирургические методы – оперативное воздействие на клетку: удаление или имплантирование компонентов клеток (органоиды, ядро) из одной клетки в другую с целью изучения их функций, микроинъекции различных веществ и др.

 

Метод культуры клеток – выращивание отдельных клеток многоклеточных организмов на питательных средах в стерильных условиях; дает возможность изучать деление, дифференцировку и специализацию клеток, получать клоны растительных организмов.

Знание основ химической и структурной организации, принципов функционирования и механизмов развития клетки исключительно важно для понимания сходных черт, присущих сложно устроенным организмам растений, животных и человека. Разработка метода ЭКО – пример практического применения цитологических знаний.

 

 

Клеточная теория. Основные положения современной клеточной теории.

Клеточная теория – научное обобщение в биологии, согласно которому, клетка признана общей структурной единицей живых организмов, утверждается сходство животных и растительных клеток в строении, функциях и развитии. Строение самых сложных живых существ клеточная теория сводит к строению клеток, их развитие – к размножению, росту и развитию клеток.