Лекція № 5

Тема: Цитологія – наука про будову і функції клітин.

Мета: навчальна: розглянути основні методи цитологічних досліджень та загальний план будови клітин, сформувати поняття про основні органели клітини, про їхні функції та їх значення;

розвиваюча: розвивати у студентів уміння порівнювати, аналізувати, робити висновки та узагальнення;

виховна: виховати інтерес до пізнання живої природи.

План

1. Історія вивчення клітини. Методи цитологічних досліджень.

2. Загальний план будови клітин. Будова клітин прокаріотів і еукаріотів.

3. Ядро. Будова і функції ядра клітин еукаріотів.

1. Історія вивчення клітини. Методи цитологічних досліджень.

Будову і процеси життєдіяльності клітини вивчає цитологія (від грец. китос – клітина). Безумовно, вивчати клітини без застосування оптичних приладів неможливо, тому зародження і становлення цитології тісно пов'язане з винаходом мікроскопа (від грец. мікрос - маленький та скопео – дивлюся).

На жаль, точно невідомо, хто саме винайшов перший мікроскоп. Одні дослідники вважають, що цей винахід належить батьку і сину Янсенсам (кінець XVI століття), інші - відомому вченому Ґалілео Ґалілею (початок XVII століття).

Термін «клітина» запропонував 1665 року англійський дослідник Роберт Гук. Вивчаючи за допомогою сконструйованого ним мікроскопа зріз корка, він відкрив клітинну будову рослинних тканин. Однак, у даному випадку він мав справу не з живими клітинами, а лише з їхніми стінками.

Сучасник Р. Гука, Голландець Антоні ван Левенгук також за допомогою мікроскопів власної конструкції відкрив і описав одноклітинних тварин (зокрема, інфузорій), бактерій, а також еритроцити і сперматозоїди хребетних тварин.

• У 1825 році чеський дослідник Ян Пуркіне вперше спостерігав ядро в яйцеклітині курки, а

• В 1831—1833 роках англійський ботанік Роберт Броун описав ядра в клітинах рослин, згодом-

• У 1838-1839 роках, німецький зоолог Теодор Шванн описав ядра і в клітинах тварин. Так було доведено, що ядро є обов'язковим компонентом клітин рослин і тварин. Ці відкриття, а також накопичена на початок XIX століття інформація про будову клітин різних типів сприяли створенню клітинної теорії, яка істотно вплинула на подальший розвиток не лише цитології, а й усієї біології.

• У 1839 році Т. Шванн, спираючись на результати досліджень іншого німецького вченого — ботаніка Матіаса Шлейдена, сформулював основні положення клітинної теорії:

- Всі організми складаються з клітин; - клітини тварин і рослин подібні за будовою.

Крім . Шванна і М. Шлейдена, співавторами клітинної теорії вважають німецького вченого Рудольфа Вірхова й естонського вченого Карла Бера. Зокрема, Р. Вірхов довів, що клітини утворюються не з безструктурної міжклітинної речовини, як тоді вважалося, а розмножуються поділом. А К. Бер відкрив яйцеклітину птахів і ссавців і довів, що ці тварини розвиваються з однієї клітини - заплідненої яйцеклітини. Отже, було з'ясовано, що клітина є не лише одиницею будови, а й одиницею розвитку багатоклітинних організмів.

Які положення обґрунтовує клітинна теорія на сучасному етапі розвитку цитології? На сучасному етапі розвитку цитології клітинна теорія включає такі положення:

- клітина - елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;

- клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за походженням, будовою, хімічним складом, основними процесами життєдіяльності;

- кожна нова клітина утворюється тільки в результаті розмноження материнської клітини;

- у багатоклітинних організмів, які розвиваються з однієї клітини (спори, зиготи тощо), різні типи клітин формуються завдяки їхній спеціалізації протягом індивідуального розвитку особини і утворюють тканини;

- із тканин формуються органи, які тісно пов'язані між собою.

Методи цитологічних досліджень

Як досліджують клітини? Як вам уже відомо, першим приладом, за допомогою якого вивчають клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп. Раніше ви вже мали змогу ознайомитися з будовою і правилами роботи з цим приладом.

Ц итологія виникла як гілка мікроанатомії і тому основний метод, який використовують цитологи, - це метод світлової мікроскопії, за допомогою якого можна вивчати загальний план будови клітин та їхні органели, розміром не менш ніж 200 нм. Сучасні світлові мікроскопи можуть забезпечувати збільшення об'єктів у 2-3 тис. разів. У наш час цей метод знайшов цілий ряд доповнень і модифікацій, що значно розширило коло задач і питань, які вирішує цитологія.

Революційним моментом у розвитку сучасної цитології і біології загалом було застосування електронної мікроскопії, яка відкрила надзвичайно широкі перспективи. Електронний мікроскоп здатний збільшувати зображення об'єктів дослідження до 500.000 разів і більше. Завдяки йому були відкриті ті структури клітини, які мають розміри, менші за довжину світлової хвилі; з'явилася можливість розглянути віруси і рибосоми - органели, на яких відбувається біосинтез білка.

Для вивчення живих клітин використовують метод прижиттєвого вивчення. За допомогою даного методу можна вивчати певні процеси життєдіяльності клітини (рух цитоплазми, процес поділу тощо).

Також при вивченні живих клітин широко використовують флуоресцентні барвники і метод флуоресцентної мікроскопії. Суть його полягає в тому, що ціла низка речовин має здатність світитися при поглинанні ними світлової енергії. Спектр флуоресценції завжди зміщений в бік довгих хвиль по відношенню до збуджуваного флуоресценцією опромінення. Так, наприклад, виділений хлорофіл при освітленні в ультрафіолетових променях буде світитися червоним кольором. Цей принцип використовується в флуоресцентній мікроскопії: розгляд флуоресцентних об'єктів у зоні короткохвильових хвиль. Зазвичай у таких мікроскопах застосовуються фільтри, які дають освітлення в синьо-фіолетовій гамі. Існують також ультрафіолетові люмінесцентні мікроскопи.

В арсеналі біологів протягом чималого часу був білок лише одного кольору - зеленого. А для одночасного вивчення внутрішньоклітинних процесів бажано мати набір різнокольорових білків. Як знайти нові кольори? Пробували вирощувати мутантні форми гена GFP. Але, на жаль, нові білки мало відрізнялися за кольором від вихідного.

Сергій Лук'янов, зайнявшись пошуком нових кольорових білків, задумався про біологічної еволюції і припустив, що існують GFP-подібні білки, шукати які слід, зокрема, у морських коралів. Спочатку був виявлений GFP у корала Anemonia victoria, а потім з інших коралів були виділені самі різні «кольорові» білки - від жовтого до малинового.

Стаття в журналі Nature Biotechnology, що вийшла в 1999 році, визначила пріоритет російських учених у відкритті «різнокольорових» білків. На сьогоднішній день лабораторія молекулярних технологій для біології та медицини, очолювана членом-кореспондентом РАН Сергієм Лук'яновим, - один з визнаних світових центрів отримання нових «кольорових» білків. А російська інноваційна компанія «Евроген» - один з провідних постачальників кольорових білків на світовому ринку.

З а допомогою методу фракціонування клітин цитологи можуть також отримувати і вивчати різні компоненти клітини. При цьому клітини попередньо подрібнюють і в особливих пробірках уміщують у центрифугу – прилад, здатний розвивати швидкі колові оберти. Оскільки різні клітинні структури мають неоднакову щільність, вони під час роботи центрифуги осідатимуть неодночасно й утворюватимуть шари: щільніші – швидше, і тому опиняться внизу, а менш щільні – повільніше, вони розташовуються зверху. Шари, що утворилися, розділяють і досліджують окремо.

Є метод, у якому використовуються мічені ізотопи – метод авторадіографії – реєстрації речовин, мічених ізотопами. За допомогою цього методу можна побачити, в які частини клітини потрапляють речовини, мічені радіоактивними ізотопами. Це важливо для з'ясування особливостей функціонування клітини. Даний метод – один із основних методів, який дає можливість вивчати динаміку синтетичних процесів, порівнювати їх інтенсивність у різних клітинах на одному і тому ж апараті. Так, наприклад, за допомогою даного методу при використанні мічених попередників РНК було показано, що вся РНК синтезується тільки в інтерфазному ядрі, а наявність цитоплазматичної РНК є результатом міграції синтезованих молекул із ядра.

Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок про багатство арсеналу методів у цитології, який дає можливість дати точний аналіз, починаючи від форми, загального вигляду і розміру клітини, закінчуючи молекулярною композицією її окремих частин.