2.3 Клеточные формы жизни Клеточная теория и ее значение для медицины
Клеточная теория – одно из наиболее важных биологических обобщений, согласно которому все организмы имеют клеточное строение. Клеточная теория наряду с законом превращения энергии и эволюционной теории Чарльза Дарвина является одним из трех великих открытий естествознания XIX века.
Клеточное строение впервые наблюдал Р. Гук (1665) у растений и впервые применил термины «клетка». Значительный вклад в изучении клетки внес Антон Левенгук, открывший в 1874 г одноклеточные организмы – инфузории, амебы, бактерии. Он также наблюдал эритроциты крови и сперматозоиды. В начале XIX века целенаправленно изучается внутреннее содержимое клетки.
В 1825 г. Ян Пуркине открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831 г Р.Броун впервые описал ядро в клетках растений, а в 1833 г он пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки. М. Шлейден в 1838 г установил, что тело растений состоит из клеток, обязательными компонентами которых является ядро. Томас Шванн в 1839 г сделал ряд выводов, которые легли в основу клеточной теории.
Основные положения клеточной теории т. Шванна:
Все ткани растений и животных состоят из клеток;
Все клетки образуются и растут по одним и тем же законам;
Общий принцип развития для элементарных частей организма – клеткообразование.
Клеточная теория получила дальнейшее развитие в работах Р.Вирхова (1858), который предположил:
- клетки образуются из предшествующих материнских клеток;
- вне клетки нет жизни.
И.Д. Чистяков (1874) и Э. Страсбург (1875) открыли деление клетки – митоз, и таким образом, подтвердили предположение Р. Вирхова.
Еще до появления клеточной теории Т.Шванна, К.Бер (1827) открыл яйцеклетку млекопитающих и показал, что многоклеточные организмы начинают свое развитие с одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Следовательно, клетка – не только единица строения, но и единица развития живых организмов.
Основые положения современной клеточной теории:
Клетка – наименьшая структурно-функциональная единица живого;
Все клетки сходны по строению, химическому составу и обмену веществ
«каждая клетка из клетки», т.е. новая клетка образуется исключительно
из исходной материнской путем деления;
Клетка – единица развития живых организмов, так как многие организмы
развиваются из одной клетки – зиготы, споры;
В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой
функции и образуют ткани: из тканей образуются органы, которые тесно
связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам
регуляции.
Значение клеточной теории для медицыны
Создание клеточной теории стало одним из решающих доказательств единства живой природы и дало мощный толчок для развития живой природы на клеточном уровне. В связи с этим клеточная теория сыграла огромную мобилизирующую роль в развитии биологии как науки, а также послужила фундаментом для развития таких дисциплин как эмбриология, гистология и физиология.
Клеточная теория стала важной веткой в развитии не только биологии, но и медицины.
В 1858 г вышла в свет работа немецкого ученого Р. Вирхова «Целлюлярная патология». В этой работе Р.Вирхов впервые высказал новые взгляды на причину патологических процессов в организме человека. Он отбросил традиционные представления о том, что причиной болезней является изменение жидкостей организма, борьба нематериальных сил и противопоставил этим представлениям идею о том, что причиной всех патологических процессов является изменения в строении и функции клетки.
Исследования Р.Вирхова знаменовали появлению новой науки – патологии, которая является основой теоретической и клинической медицины
Идея Р.Вирхова о клеточной патологии как первопричине болезненного состояния организма получила полное экспериментальное подтверждение, дальнейшее развитие. По большому счету, если отбросить представление об автономии клетки, то она не потеряла своего значения и в настоящее время.
Уже давно ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что клетка не только единица строения, но и основное звено патологического процесса. Практически все врожденные и приобретенные болезни связаны с нарушением структуры и функции клеток. Широко распространенными причинами болезней являются нарушения в структуре и функции лизосом, митохондрий, плазматических мембран, рецепторов, наследственного аппарата клетки.
Изучение этих причин с использованием современных методов исследования дает материал для понимания механизма патологического процесса, разработки методов диагностики, лечения и профилактики болезней человека.
Для врача – в его практической деятельности очень важно всегда помнить о том, что процессы, которые происходят в клетке, нельзя рассматривать оторвано от организма как целостной системы с ее нервной и гуморальной регуляцией и всегда уметь выделять основные факторы риска для здоровья, которым подвергается организм больного в повседневной жизни и работе.
Клетка (CELLULA, CYTOS) – СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЕДИНИЦА ЖИЗНИ, СПОСОБНАЯ К САМООБНОВЛЕНИЮ, САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ И РАЗВИТИЮ.
Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейших, некоторые грибы, водоросли) и в составе многоклеточных организмов.
Размеры клеток варьируют в пределах 0,1- 0,23мкм (некоторые бактерии) до 155мм (яйцо страуса в скорлупе). Средние размеры клеток 10-100мкм.
Различают округлые, овальные, многогранные, звездочные, дисковидные и другие формы клеток (рис. 2.2.)
Рис.2.2. Различные формы клеток одноклеточных и многоклеточных организмов: а-бактерии (1-кокки, 2-диплококки, 3-стрептококки, 4-вибрионы, 5-спириллы, 6-бактерии со джгутиками); б-одноклеточные ядерные организмы (7-хлорклла, 8-хламидомонада, 9-стаурастум); в-животные клетки (10-эпителия трахеи, 11-эритроциты, 12-нервная клетка сетчатки глаза с отростками); г-растительная клетка (13-эпидермальная клетка чешуи лука).
По наличию или отсутствию ядра выделяют прокариотические и эукариотические клетки. Этот термин происходит от греческого слова karion, что означает ядро. Соответственно этому, все живые организмы разделяют на две основные группы: эукариоты и прокариоты.
Прокариоты – это древнейшие одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра (рис. 2.3.). К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Большинство прокариот имеет размер 1-5 мкм. Из внутриклеточных органелл имеются рибосомы, но меньших размеров, чем у эукариот. Мембрана клетки образует выпячивания плазмолеммы (мезосомы), выполняющие функции мембранных органоидов. На них расположены ферменты, обеспечивающие протекание процессов обмена веществ и энергии (ассимиляции и диссимиляции). Генетический материал прокариотических клеток (нуклеоид) представлен в виде кольцевой молекулы ДНК, связанный с небольшим количеством негистоновых белков. ДНК прокариот часто называют хромосомой, хотя структурно она существенно отличается от хромосом эукариот. В цитоплазме бактерий могут содержаться автономные генетические элементы – плазмиды. Размножаются прокариоты путем деления.
Рис. 2.3. Строение прокариотической клетки.
Эукариоты – все организмы, кроме бактерий и цианобактерий. Они обладают, в отличии от прокариот, оформленным клеточным ядром, ограниченной от цитоплазмы ядерной оболочкой (рис 2.4.).
Рис. 2.4. Строение эукариотической клетки
В цитоплазме эукариотических клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть и др.). Размножаются они митотическим или мейотическим делением (в последнем случае при образовании половых клеток или при образовании спор у растений). Средний размер эукариотических клеток порядка 23мкм.
Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток представлена в таблице 2.1.
Не смотря на многообразие форм, все клетки имеют сходный химический состав и единый принцип организации, они обладают всеми свойствами живой системы. Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Поэтому ей пренадлежит роль структурной и функциональной единицы жизни.
Таблица 2.1.. Отличительные признаки про- и эукариотических клеток
Признак |
Прокариоты |
Эукариоты |
цитоплазматическая мембрана |
есть |
есть |
клеточная стенка |
есть |
у животных нет, у растений есть |
ядро |
нет |
есть |
хромосомы |
нуклеотид (кольцевая молекула ДНК) |
Есть (ДНК+белок) |
митохондрии |
нет |
есть |
комплекс Гольджи |
нет |
есть |
эндоплазматичесая сеть |
нет |
есть |
лизосомы |
нет |
есть |
рибосомы |
есть |
есть |
мезосомы |
есть |
нет |
способ размножения |
простое деление |
непрямое деление |
Глава ІІІ
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
Клетка обладает всеми свойствами живой системы: она осуществляет обмен веществ и энергии, растет, размножается и передает по наследству свои признаки, способна к саморегуляции и самообновлению, реагирует на внешние сигналы (раздражители). Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Поэтому ей принадлежит роль структурной и функциональной единицы жизни.
Цитология – наука о строении, химическом составе, функционирование и развитии клеток.
3.1.Методы цитологических исследований
Основными методами изучения клеток является световая микроскопия (рис 3.1.).
Рис. 3.1. Строение светового микроскопа
С помощью светового микроскопа изучают общий план строения клетки и ее органелл, размеры которых не меньше 200 нм( 1мкм = 0,001мм, 1 нм = 0,001мкм).
Для изучения ультратонкого строения клеточных структур применяют электронные микроскопы в которых вместо световых лучей используют пучок электронов. Разрешающая способность современных электронных микроскопов 0,1 нм. В электронном микроскопе видны биологические мембраны (толщина 6-10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм), микротрубочки (диаметр около 25 нм) и другие структуры.
Для изучения химического состава и локализации веществ в клетке используют методы цито- и гистохимии, основанные на избирательном воздействии красителей и реактивов на определенные химические вещества цитоплазмы.
Метод дифференциального (разделительного) центрифугирования – позволяет разделить содержимое клетки на отдельные разные по массе компоненты и затем детально изучить их химический состав.
Метод рентгеноструктурного анализа дает возможность определить пространственное расположение и физические свойства молекул (например, ДНК и белков).
Метод авторадиографии используют для регистрации путей миграции и биохимической активности веществ в клетке, меченных радиоактивными изотопами.
Многие процессы жизнедеятельности клеток, в частности деления клетки, изучают с помощью кино- и фотосъемки.
При исследовании строения и функции отдельных органелл клетки, применяют методы – микрохирургии- оперативного удаления отдельных органелл клетки, их пересаживание из клетки в клетку.