Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1327 вузов, 5487 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
asman00000@mail.ru Работаю на МРТ, учусь на стоматолога,делитесь со мной файлами в ТГ ozzii05 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Медицинский Университет "РЕАВИЗ"
Предмет:
Биология
Файл:
Тейлор, Грин, Стаут 1 том [2013].pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
05.09.2026
Размер:
28 Мб
Скачать
☆
►Содержание►
170 Глава 5
А
Б
Рис. 5.1. А. Обобщенная животная клетка, какой она видна в световом микроскопе. Б. Клетки эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность щек челове ка. Видны структуры, характерные для животной клетки. В каждой клетке имеется ядро, окруженное цитоплазмой, в которой содержится много различных органелл, например митохондрии (u400).
Рис. 5.2. Обобщенная растительная клетка, какой она видна в световом микроскопе. Звездочкой отмечены струк туры, характерные для растительных клеток и отсутствующие в животных.
Клетки 171
1) относительно жесткая клеточная стенка, покрывающая снаружи плазматическую мембрану; сквозь поры в клеточной стенке проходят тонкие нити, так называемые плазмодесмы, которые связывают цито плазму соседних клеток в единое целое;
2) хлоропласты, в которых протекает фото синтез;
3) крупная центральная вакуоль; в животных клетках имеются лишь небольшие вакуо ли, с помощью которых осуществляется, например, фагоцитоз.
О том, как пользоваться световым микроско
пом, читатель узнает в разд. 5.11.

5.3. Прокариоты и эукариоты

В гл. 2 мы уже говорили о двух типах клеток — прокариотических и эукариотических, — разли чия между которыми носят фундаментальный характер. В прокариотических клетках ДНК сво бодно лежит в цитоплазме, в зоне, называемой нуклеоидом; это ненастоящее ядро. У эукариоти ческих клеток ДНК находится в ядре, окружен ном ядерной оболочкой, состоящей из двух мемб ран. Соединяясь с белком, ДНК образует хромо сомы. О различиях между прокариотическими и эукариотическими клетками более подробно го ворится в гл. 2 (табл. 2.2 и разд. 2.3.).

5.4. Компартменты клеток и разделение труда

Эукариотические клетки крупнее прокариоти ческих и более сложно устроены, в них больше различных органелл. Нередко эукариотические клетки сравнивают с фабрикой, где каждая ма шина и каждый рабочий выполняют свою рабо ту, но все это вместе служит некой единой цели. Более высокая эффективность достигается здесь за счет «разделения труда». В клетке каждая орга нелла выполняет свою особую функцию, опре деляемую ее структурой и ее биохимическими потенциями. Митохондрии, например, играют роль «силовых станций клетки» — они поставля ют энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ), который синтезируется в процессе дыха ния. Специфическое строение митохондрий позволяет им делать это весьма эффективно. Клетка, будучи единым целым, тем не менее фактически разделена на отдельные отсеки, или
компартменты. Нередко такую компартментализа цию обеспечивают клеточные мембраны. Боль
шинство органелл окружено мембранами. Эти мембраны выполняют ту же функцию, что и плазматическая мембрана, регулирующая обмен химическими веществами между клеткой и ее окружением; благодаря этим мембранам в каж дой органелле сохраняется свой собственный уникальный набор химических веществ и проте кают особые, свойственные только ей химиче ские реакции. Электронный микроскоп предо ставил возможность ознакомиться с более тон кой структурной организацией клетки, о чем мы будем говорить в разд. 5.8.

5.5. Единицы измерения

Прежде чем перейти к рассмотрению отдельных структур клетки, полезно вспомнить, что клетки чрезвычайно малы, и перечислить те единицы измерения, которыми мы будем пользоваться при их описании. Наиболее часто употребляе мые для этой цели единицы измерения сведены в табл. 5.2. На рис. 5.3 изображены бактерии на кончике булавки, диаметр которого составляет около 100 мкм (мкм — буквенное обозначение микрометра). Нижний предел того, что еще в со стоянии различить невооруженный глаз челове ка, — 50–100 мкм. Самый тонкий волос на теле человека имеет диаметр около 30 мкм. Размер эукариотических клеток очень сильно колеблет ся (самые крупные клетки водорослей достигают в диаметре 50 мм!), но в среднем диаметр жи
Таблица 5.2. Единицы измерения, используемые в биологии клетки
Единица Буквенное Доля метра
обозначение
Миллиметр мм одна
Микрометр мкм
Нанометр нм одна
1
Обозначается также Pm (P — греч. буква «мю»). Метр (буквенное обозначение «м») по международному со глашению является основной единицей длины.
1
тысячная,
3
10
м одна миллионная, или: одна 106м тысячная
миллиардная, или: одна
9
10
м тысячная
миллиметра
микрометра
172 Глава 5
Рис. 5.3. Микрофотография бактериальных клеток на кончике булавки, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.
вотных клеток равен приблизительно 20, а рас тительных — 40 мкм. Средний диаметр митохон дрий и бактерий равен 1 мкм (это полезно запом нить как удобную меру для сравнения). Мель чайшие клеточные органеллы рибосомы — име ют в диаметре около 20 нм. Диаметр нити ДНК равен 2 нм, а самого маленького атома (атома во дорода) — 0,04 нм.

5.6. Электронная микроскопия

5.6.1. Электронный микроскоп
К началу 1900х годов дальнейшее продвижение в изучении структуры клетки приостановилось, потому что даже самый совершенный световой микроскоп не мог обеспечить увеличение свыше
1500. Ограничение определялось самой приро дой света. Свет — это одна из форм электромаг нитного излучения (рис. 5.4), способного рас пространяться в виде последовательности волн. Глаз человека воспринимает электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 400 нм (фио летовый цвет) до 700 нм (красный цвет). Этот ви димый свет составляет, однако, лишь небольшую часть полного электромагнитного спектра, включа ющего излучения с разной длиной волны (рис. 5.4). Излучения с любой длиной волны рас пространяются со скоростью света, но чем мень ше длина волны, тем большую энергию она не сет. Нельзя разглядеть объект размером меньше половины длины волны используемого излуче ния, потому что объект должен быть достаточно велик, чтобы препятствовать прохождению волн. Мельчайший объект, который можно увидеть, используя видимый свет, должен быть поэтому не менее 200 нм в диаметре (половина длины вол ны в фиолетовой области спектра). Учитывая размеры некоторых клеток и клеточных органелл (о них мы говорили выше), легко понять, что, на
Рис. 5.4. Электромагнитный спектр. Видимый свет составляет лишь небольшую его часть. (Длины волн даны не в масштабе.)
Клетки 173
пример, митохондрии (1 мкм, или 1000 нм) долж ны выглядеть в световом микроскопе просто как какието мелкие гранулы внутри клеток. Рибосо мы же в нем вообще не видны. Следовательно, световой микроскоп не позволяет познакомиться с детальной структурой митохондрий, рибосом и других клеточных компонентов.
Отдавая себе отчет в этих ограничениях све тового микроскопа, ученые предпринимали по пытки сконструировать микроскоп, в котором использовалось бы излучение со значительно меньшей длиной волны. Вначале для этого по пытались использовать рентгеновские лучи, но вскоре выяснилось, что наилучшие результаты способен дать электронный микроскоп. В нем вместо светового излучения используется пучок электронов. Электроны — это отрицательно за ряженные частицы, обращающиеся вокруг ядер атомов. При определенных условиях они ведут себя как волны. В сравнении с видимым светом они обладают двумя важными преимуществами. Вопервых, у них чрезвычайно малая длина вол ны, почти такая же, как у рентгеновских лучей (рис. 5.4), и, вовторых, поскольку они несут от рицательные заряды, их можно сфокусировать с помощью электромагнитных линз (электромаг нитов). Электромагнитные линзы направляют пучок электронов точно так же, как стеклянные линзы направляют пучок световых лучей.
Электронный микроскоп дает возможность получить для биологических объектов увеличе ние порядка 250 000. С некоторыми материалами удается достичь еще большего увеличения и те перь иногда получают даже изображения отдель ных атомов.
А
Б
5.6.2. Разрешающая способность
и увеличение
Разрешающей способностью называют способность прибора отобразить раздельно два мелких макси мально близко расположенных объекта. Ниже предела разрешения эти объекты будут воспри ниматься как один объект. Разрешающая способ ность и увеличение — это не одно и то же. Как бы мы не увеличивали фотографию, мы никогда не сможем разглядеть на ней отдельные атомы. Воз растает увеличение, но разрешение остается на фотографии прежним. Мы увеличиваем фото графию, чтобы лучше видеть изображение, но ес ли продолжать ее увеличивать, то в конце концов изображение распадется на ряд отдельных рас плывающихся пятен. Понять, в чем заключается
Рис. 5.5. Фотографии одних и тех же растительных клеток, сделанные с помощью светового (А) и элект ронного (Б) микроскопов при одном и том же увеличе нии (около u2500).
174 Глава 5
различие между увеличением и разрешением, можно также, сравнив изображения клетки, по лученные в световом и в электронном микроско пе при одном и том же увеличении (рис. 5.5). На рис. 5.5 хорошо видно, что два эти изображения весьма сильно различаются по своей детализиро ванности. В электронном микроскопе разреше ние намного больше, поскольку у электронов длина волны намного меньше, чем у видимого света.
Предел разрешения в электронном микроско пе составляет на практике около 0,5 нм, тогда как для светового микроскопа он равен 200 нм. Это не значит, что электронный микроскоп лучше. Два эти микроскопа предназначены для разных це лей. Световой микроскоп попрежнему незаме ним как прибор, позволяющий составить общее представление о клетках и тканях. К тому же и подготовить для него материал можно намного быстрее и проще. Он также позволяет наблюдать живые объекты, что совершенно невозможно сде лать с помощью электронного микроскопа.
5.6.3. Принцип действия и ограничения
электронного микроскопа
Электронные микроскопы появились в 1930х годах и вошли в повсеместное употребление в 1950х.
Рис. 5.6. Современный трансмиссионный электронный микроскоп.
Рис. 5.7. Траектория пучка электронов в трансмисси онном электронном микроскопе.
На рис. 5.6 изображен современный транс миссионный (просвечивающий) электронный микроскоп, а на рис. 5.7 показан путь электрон ного пучка в этом микроскопе. В трансмиссион ном электронном микроскопе электроны, преж де чем сформируется изображение, проходят сквозь образец. Такой электронный микроскоп был сконструирован первым.
Электронный микроскоп перевернут «вверх дном» по сравнению со световым микроскопом. Излучение подается на образец сверху, а изобра жение формируется внизу. Принцип действия электронного микроскопа в сущности тот же, что и светового микроскопа. Электронный пу чок направляется конденсорными линзами на образец, а полученное изображение затем увели чивается с помощью других линз. В табл. 5.3 сум мированы некоторые сходства и различия между световым и электронным микроскопами. В верх ней части колонны электронного микроскопа находится источник электронов — вольфрамовая нить накала, сходная с той, какая имеется в обыч ной электрической лампочке. На нее подается высокое напряжение (например, 50 000 В), и нить накала излучает поток электронов. Электромаг ниты фокусируют электронный пучок. Внутри
Таблица 5.3. Сравнение светового и электронного микроскопов
Трансмиссионный Световой микроскоп электронный микроскоп
Излучение Электроны Свет Длина волны ~0,005 нм 400–700 нм Максимальное разрешение 0,5 нм 200 нм на практике Максимально полезное увеличение u250 000 (на экране) u1500 Линзы Электромагнитные Стеклянные Объект Неживой, обезвоженный, Живой или неживой
относительно маленький или тонкий
Удерживается на маленькой Обычно лежит на предметном стекле медной сетке в вакууме
Распространенные красители Содержат тяжелые металлы, Цветные красители
которые отражают электроны
Изображение Чернобелое Обычно цветное
Клетки 175
колонны создается глубокий вакуум. Это необ ходимо для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов изза столкновения их с частицами воздуха. Для изучения в электронном микроскопе можно использовать только очень тонкие срезы или частицы, так как более круп ными объектами электронный пучок почти пол ностью поглощается. Части объекта, отличаю щиеся относительно более высокой плотностью, поглощают электроны и потому на сформиро вавшемся изображении кажутся более темными. Для окрашивания образца с целью увеличения контраста используют тяжелые металлы, такие как свинец и уран.
Электроны невидимы для человеческого гла за, поэтому они направляются на флуоресциру ющий экран, который воспроизводит видимое (чернобелое) изображение. Чтобы получить фо тоснимок, экран убирают и направляют электро ны непосредственно на фотопленку. Получен ный в электронном микроскопе фотоснимок на зывается электронной микрофотографией.
Преимущество:
1) высокое разрешение (0,5 нм на практике)
Недостатки:
1) подготовленный к исследованию матери ал должен быть мертвым, так как в процес се наблюдения он находится в вакууме;
2) трудно быть уверенным, что объект вос производит живую клетку во всех ее дета
лях, поскольку фиксация и окрашивание исследуемого материала могут изменить или повредить ее структуру;
3) дорого стоит и сам электронный микро скоп и его обслуживание;
4) подготовка материала для работы с микро скопом отнимает много времени и требует высокой квалификации персонала;
5) исследуемые образцы под действием пуч ка электронов постепенно разрушаются. Поэтому, если требуется детальное изуче ние образца, необходимо его фотографи ровать.
5.6.4. Сканирующий электронный микроскоп
Еще один тип электронного микроскопа — это сканирующий электронный микроскоп, в кото ром пучок электронов последовательно переме щается от точки к точке по поверхности объекта, а отраженные от поверхности электроны соби раются и формируют изображение наподобие того, какое возникает на экране телевизора.
Преимущества:
1) видны детали строения поверхности;
2) детали видны с большей глубиной рез кости, т. е. б'ольшая часть образца одно временно находится в фокусе. Это создает удивительный эффект трехмерности (рис. 5.8);
176 Глава 5
Рис. 5.8. Микрофотография головы паука, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.
3) можно работать с образцами большего размера, чем в трансмиссионном элект ронном микроскопе.
Недостаток:
1) разрешающая способность (5–20 нм) ни же, чем у трансмиссионного электронного микроскопа (0,5 нм).
g
g
g
Рис. 5.9. Фракционирование клеточных компонентов с помощью центрифуги. Развиваемые центрифугой центробежные ускорения измеряются числом g (g — ускорение силы тяжести).
жения высоких скоростей требуется особая цен трифуга, ее называют ультрацентрифугой.

5.7. Фракционирование клеток

Микроскопическая техника вносит огромный вклад в изучение клетки. Однако, когда речь идет о выявлении функций отдельных органелл, не обходимы еще и различные другие методы ис следования. Обычно, для того чтобы определить функцию той или иной органеллы, нужно отде лить данную органеллу от других клеточных компонентов и заставить ее выполнять эту фун кцию in vitro. Для этого клетки разрушают (гомо генизируют), поместив их в подходящую среду (с надлежащим pH, ионным составом и температу рой). Проделать это можно с помощью обычно го миксера. Полученную смесь подвергают цен трифугированию. Чем больше число оборотов центрифуги, тем более мелкие частицы осажда ются (рис. 5.9). Центрифугирование проводят в несколько приемов, постепенно увеличивая ско рость. После каждого центрифугирования над осадочную жидкость отделяют от осадка, чтобы вновь подвергнуть ее центрифугированию. Каж дый последующий осадок содержит все более мелкие органеллы. Такая методика известна как дифференциальное центрифугирование. Для дости

5.8. Ультраструктура животных и растительных клеток

Тонкая структура клетки, выявляемая при помо щи электронного микроскопа, называется ульт раструктурой. На рис. 5.10 и 5.11 представлена ультраструктура обобщенных клеток, животной и растительной, а на рис. 5.12 и 5.13 электрон ные микрофотографии типичной животной и типичной растительной клеток. Приведена и ха рактеристика всех показанных здесь компонен тов клеток.
5.1. Сопоставьте рис. 5.1 и 5.2 с рис. 5.10 и 5.11. Какие новые структуры выявляет электронный микроскоп в сравнении со световым микроскопом?
5.2. Сравнив рис. 5.1. и 5.2 с рис. 5.10 и 1.11, отметьте, какие структуры а) имеются в растительных клетках и отсутствуют в животных и б) имеются в животных клетках и отсутствуют в растительных?
«»
ая а
Рис. 5.10. Ультраструктура обобщенной животной клетки, выявляемая при помощи электронного микроскопа. Для простоты показана лишь часть гранулярного эндоплазматического ретикулума с присоединенными к нему ри босомами и некоторое количество свободных рибосом.
Рис. 5.11. Ультраструктура обобщен ной растительной клетки, выявляемая при помощи электронного микроскопа.
с
. 5.12. Электронная микрофотография тонкого среза типичной животной клетки из печени крысы — гепато
а (u9600).
«»
полисому
Соседние файлы в предмете Биология
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности