Ультраструктура клетки

В первые три десятилетия XX века усилия учёных направлены были на выяснение свойств и функциональной роли клеточных структур, открытых в последней четверти XIX века. Однако на этом пути они часто обнаруживали новые, ранее не обнаруживаемые органоиды клетки.

Изучение сетчатого аппарата, т.е. комплекса Гольджи, показало его участие в выработке секретов и других веществ в гранулярной форме (советский учёный Д. Н. Насонов, 1923).

Была установлена чрезвычайно высокая лабильность клеточных гранул (митохондрий) и их подверженность влиянию ряда физиологических и патологических факторов. Тем не менее, их функции оставались неясными. Отто Варбург (Гейдельбергский университет и Институт физиологии клетки в Берлине), изучавший спектроскопическими методами вещества, участвующие в клеточном дыхании, в 1913 году выдвинул гипотезу о связи дыхания с клеточными гранулами, однако эта гипотеза в то время не нашла отклика у цитологов.

Описаны частные органоиды специализированных клеток, опорные элементы в ряде клеток (Н. К. Кольцов, 1903—1911), исследованы структурные изменения при различной клеточной деятельности (секреция, сократительная функция, деление клеток, морфогенез структур и т.д.). В растительных клетках прослежено развитие вакуолярной системы, образование крахмала в пластидах (французский учёный А. Гийермон, 1911). Установлена видовая специфичность числа и формы хромосом, что в дальнейшем было использовано для систематики растений и животных, а также для выяснения филогенетического родства в пределах более низких таксономических единиц (кариосистематика). Обнаружено, что в тканях имеются разные классы клеток, отличающихся кратным отношением размеров ядер (немецкий учёный В. Якоби, 1925). Кратное увеличение размера ядер сопровождается соответствующим увеличением (путём эндомитоза) числа хромосом (австрийский учёный Л. Гейтлер, 1941). Исследования действия агентов, нарушающих механизм деления и хромосомный аппарат клеток (проникающее излучение, колхицин, ацетонафтен, трипофлавин и др.), привели к разработке методов искусственного получения полиплоидных форм, что дало возможность вывести ряд ценных сортов культурных растений.

С помощью вновь разработанных цитохимических реакций на гистологических препаратах была установлена локализация в клетке ряда ферментов. Реакция Фёльгена позволила положительно решить спорный вопрос о наличии гомолога ядра, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту у бактерий (советский учёный М. А. Пешков, 1939—1943, французский учёный В. Делапорт, 1939, английский учёный С. Робиноу, 1942) и сине-зелёных водорослей (советские учёные Ю. И. Полянский и Ю. К. Петрушевский, 1929).

Занимаясь дифференциальным центрифугированием клеточных гомогенатов, Альбер Клод на каждом этапе идентифицировал осаждаемые объекты, наблюдая их под микроскопом. Первоначально удалось выделить только несколько основных фракций, подлежащих дальнейшему анализу. Самая крупная фракция субклеточных фрагментов — ядра, пластиды и митохондрии. Исследования Клода подтвердили, что с клеточными гранулами (митохондриями) связаны процессы окисления. Проведя биохимические эксперименты, он открыл в составе митохондрий некоторые из дыхательных ферментов.

Дальнейшее изучение митохондрий американским биохимиком Дэвидом Эзрой Грином обнаружило, что именно в них идут реакции цикла Кребса. Оказалось, что типичная клетка печени содержит около тысячи митохондрий, каждая около пятитысячной миллиметра длиной. Альбером Клодом в самой мелкой последней фракции после центрифугирования были найдены обрывки эндоплазматической сети частично с многочисленными, не идентифицированными гранулами, получившие сборное название цитоплазматических частиц. Затем было выяснено, что в состав этой группы входят образования, различающиеся как по своей ультраструктуре, так и по функции. Для обозначения фракции мелких гранул 1949 году А. Клод ввел термин «микросомы».

В 1949 году американский биохимик Альберт Лестер Ленинджер связал накопленные знания об АТФ, как энергетической «валюте» клетки, с данными цитологии. Он показал, что окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях, которые отделены мембраной от цитоплазмы. Эти органоиды катализируют трансформацию энергии и служат местом локализации окислительных ферментов. Вместе с тем было установлено, что они обладают осмотической, сократительной, регуляторной и генетической функциями. Однако существенные успехи в расшифровке функций клеточных структур достигнуты лишь в современный период развития цитологии уже во второй половине XX века.