1. Цитология — наука о клетке (cytos — ячейка, клетка; logos — учение, наука). Она исследует строение, жизнедеятельность и воспроизведение клеток — элементарных живых систем, строение и функции отдельных клеточных компонентов, изучает как общие свойства большинства клеток, так и работу специфических клеточных структур в норме и при патологических изменениях.

Объектом исследования цитологии является клетка как наименьшая структурная и функциональная единица жизни, а предметом – наиболее общие свойства и проявления жизнедеятельности клеток.

Клетка — это элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию; основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений.

2. 1590 г. (Г. и 3. Янсен), 1609 (Г. Галилей), 1611 (И.Кеплер) – создание микроскопа.

1655 – Роберт Гук использовал микроскоп для изучения тонких срезов пробки, в ходе которого обнаружил ячеистое строение пробки; отдельные ячейки названы им «клетками».

1671 г. Марчело Мальпиги, итальянский ученый-натуралист и Неемия Грю (1682), английский ботаник и врач, под¬твердили наблюдения Гука и показали, что разнообразные части растений состоят из «пузырьков» и «мешочков». Грю ввел понятие ткань.

1674 – Антони ванн Левенгук сообщил об открытии им одноклеточных организмов. Спустя 9 лет он впервые увидел бактерии. В 1676иг. Он описал хлоропласты и хромопласты (хроматофоры). Левенгук также впервые наблюдал животные клетки – эритроциты и сперматозоиды.

1781 г. – Ф.Фюнтане впервые увидел и зарисовал ядро животных клетках.

3. 1825 г. – Ян Пуркинье, чешский биолог открыл ядро в яйце птиц.

1827 – Карл Максимович Бэр обнаружил яйцеклетку млекопитающих и предположил, что все организмы развиваются из одной клетки.

1830г. Ян Пуркинье и его ученики разработали методы микроскопической техники (изобретение микротома, окраска и просветление тонких срезов) и описали клетки тканей животных (спинной мозг, мозжечок, железы желудка, миокард, кости и хрящ). Главным стало считаться содержимое клетки, а не ее оболочка.

1831 г. Роберт Броун, английский ботаник, в наблюдениях над орхи¬деями описал ядро растительной клетки как ее постоянный компонент.

1838 г. Маттиас Шлейден, немецкий ботаник, сделал вывод о том, что клетка является основной структурой растительных орга¬низмов. Он также привлек внимание к ядру, считая его цитобластом — образователем клетки.

1839 г. Теодор Шванн, немецкий физиолог и цитолог, опубликовал сочинение «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», тем самым сфор¬мулировав суть клеточной теории. Так было положено начало клеточной биологии.

1858 г. Рудольф Вирхов, немецкий врач и патологоанатом, в книге «Целлюлярная патология» показал, что причину патологиче¬ских изменений в организме следует искать в клетке. Он также обратил внимание на ведущую роль ядра в клетке и провоз¬гласил принцип образования клеток путем деления «omnis cellula a cellula» — каждая клетка от клетки, дополнив им клеточную теорию Шванна.

Клеточная теория включает четыре основных положения, или постулата.

1. Клетка — это элементарная живая система, способная к само-стоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию; основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений.

2. Клетки организмов разных царств гомологичны по своему строению и аналогичны по своему функциональному значению.

3. Клетки образуются путем деления предшествующих материнских клеток

4. В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани. Из тканей формируются органы и системы органов

1854 г. – Крюгер открыл лейкопласты.

1865 г. – немецкий ботаник Юлиус фон Захс описал хлоропласты.

1872 г. – Эдмунд Руссов описал деление клеток; в 1873 деление клеток на дробящихся яйцах прямокишечной турбеллярии описал нем. зоолог А.Шнейдер, в 1874 г. описание митоза дал русский ученый И.Д.Чистяков, в 1875 – нем. ученый Э.Страсбургер. В 1878 г. украинский ученый Петр Иванович Перемежко описал фазы митоза, а нем. гистолог Вальтер Флемминг (1879) детализировал описание этого процесса и дал название основным фазам митоза, которые сохранились до настоящего времени.

1873 – немецкий ученый Ф.Шнейдер открыл хромосомы.

1882 г. немецкий гистолог Вальтер Флемминг, а в 1894 г. немецкий гистолог Рихард Альтман описали митохондрии.

1883 г. – немецкий цитолог и гистолог Теодор Бовери открыл клеточный центр.

1883 г. российский ботаник Иван Николаевич Горожанкин открыл оплодотворение у голосеменных, а в 1898 г. русский ботаник Сергей Гаврилович Навашин открыл двойное оплодотворение у покрытосеменных.

1892 г. – издана книга немецкого зоолога Оскара Гертвига «Клетки и ткани», в которой были обобщены биологические явления исходя из особенностей строения и функционирования клетки. Гертвиг показал, что решение различных проблем биологии может быть осуществлено только на основе знания процессов, происходящих в клетке(Цитология как наука).

4. 1932 г – Е. Руске, М. Кноль, немецкие ученые сконструировали электронный микросокоп.

1945 г. – Кейт Портер, Альберт Клод и Е.Фулман открыли ЭПС.

1949 г. – Кристиан де Дюв, бельгийский ученый открыл лизосомы и пероксисомы, используя метод дифференциального центрифугирования.

1953 г. – А.Далтон, Е.Феликс, Ф.С.Шестранд, Ц.Нансон детально изучили КГ.

1955 г. – Джордж Эмиль Палладе, американский специалист в области клеточной биологии открыл рибосомы.

В задачи современной цитологии входит дальнейшее изучение: микроскопических и субмикроскопических структур и химической организации клеток; функций клеточных структур и их взаимодействий; способов проникновения веществ в клетку, выделения их из клетки и роли мембран в этих процессах; реакций клеток на нервные и гуморальные стимулы организма и на стимулы окружающей среды; восприятия и проведения возбуждения; взаимодействия между клетками; реакций клеток на повреждающие воздействия; репараций повреждения и адаптации к факторам среды и повреждающим агентам; репродукции клеток и клеточных структур; преобразований клеток в процессе морфофизиологической специализации (дифференциации); ядерного и цитоплазматического генетического аппарата клетки, его изменений при наследственных заболеваниях; взаимоотношений клеток с вирусами; превращений нормальных клеток в раковые (малигнизация); процессов поведения клеток; происхождения и эволюции клеточной системы.

5. Световая микроскопия. Предел разрешения светового микроскопа зависит от длины све¬товой волны, которая для видимого света лежит в диапазоне 0,4 (фиолетовый цвет) — 0,7 мкм (темно-красный). Отсюда следует, что самыми мелкими объектами, которые можно наблюдать в све¬товой микроскоп, являются бактерии и митохондрии (0,5 мкм).

Большинство клеточных компонентов прозрачны и коэффициент преломления у них почти такой же, как у воды. Для улучшения видимости часто используют красители, имеющие разное сродство к различным клеточным компонентам. Окрашивание применяют также для изучения химии клетки. Например, некоторые красители связываются преимущественно с нуклеиновыми кислотами и тем самым выявляют их локализацию в клетке. Небольшая часть красителей – их называют прижизненными – может быть использована для окраски живых клеток, но обычно клетки должны быть предварительно зафиксированы (с помощью веществ, коагулирующих белок) и только после этого могут быть окрашены.

Дифференцирован¬ное окрашивание клеток существенно улучша¬ет возможность наблюдения клеточных струк¬тур. Однако окрашивание живой клетки применимо лишь в ограниченных случаях. Поэтому для приготовле¬ния постоянного микроскопического препарата необхо¬дим ряд процедур в строго определенной последовательности:

• фиксация клеток, заключение клеточного материала в под¬держивающую среду;

• изготовление микротомных срезов;

• окрашивание срезов;

• заключение окрашенных срезов в сохраняющую среду.

Помимо обычной световой микроскопии разработаны и другие оптические методы изучения клетки: флуоресцентная микроскопия, фазово-контрастная микроскопия, спектроскопия и рентгеноструктурный анализ.

Для изучения клеток используют и другие методы: методы гистохимии, УФ- микроскопию, цитофотометрию, электронную микроскопию, авторадиографию, культуру клеток, микрохирургию, слияние клеток и др.

6.

7.

8.

9.

10. . В состав эукариотической клетки входит три структурных компонента: поверхностный аппарат, цитоплазма, ядерный аппарат.

Поверхностный аппарат включает цитоплазматическую мембрану (плазмалемму) надмембранные и субмембранные структуры.

Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма)) – это биологическая мембрана, покрывающая клетку и отграничивающая её живое содержимое от внешней среды. Надмембранный комплекс - клеточная оболочка и гликокаликс. В животных клетках клеточная оболочка отсутствует. Субмембранный комплекс представлен пелликулой, ресничками, жгутиками, образованиями клеточного кортекса.

Цитоплазма – это часть живой клетки (протопласта) без цитоплазматической мембраны и ядра. В состав цитоплазмы входят: цитоплазматический матрикс (гиалоплазма, или цитозоль), цитоскелет, органоиды и включения. Органоиды клетки делятся на немембранные, одномембранные и двумембранные.

Немембранные: рибосомы и клеточный центр. В клетках большинства одноклеточных организмов и подавляющего большинства высших (наземных) растений центриоли отсутствуют.

Одномембранные: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, сферосомы, вакуоли и др. Все одномембранные органоиды связаны между собой в единую вакуолярную систему клетки.

Двумембранные: митохондрии и пластиды. Эти органоиды являются полуавтономными, поскольку обладают собственной ДНК и собственным белоксинтезирующим аппаратом.

Включения – это непостоянные компоненты клетки. Они подразделяются на:

трофические: лецитин в яйцеклетках; гликолген; липиды;

секреторные: секреторные гранулы в секретирующих клетках (зимогенные гранулы в ацинозных клетках поджелудочной железы); секреторные гранулы в эндокринных железах и другие;

экскреторные: вещества, подлежащие удалению из организма (например, гранулы мочевой кислоты в эпителии почечных канальцев);

пигментные: меланин; гемоглобин; липофусцин; билирубин и другие, которые имеют определенный цвет и придают окраску всей клетке (меланин - черный или коричневый, гемоглобин - желто-красный и так далее). Пигментные включения характерны только для определенных типов клеток (меланин содержится в меланоцитах, гемоглобин - в эритроцитах). Однако липофусцин может накапливаться во многих типах клеток обычно при их старении. Его наличие в клетках свидетельствует о их старении и функциональной неполноценности.

Ядро – это место хранения, воспроизведения и начальной реализации наследственной информации. Ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышка и ядерного матрикса. В прокариотических клетках оформленное ядро отсутствует; в клетках прокариод ядерный аппрарат представлен бактериальной хромосомой.

Элементарными структурами клетки являются: грануллярные, микротубулярные, фибриллярные и мембранные образования.

11. Структура клеточных мембран по данным электронной микроскопии, их химический состав. Молекулярная организация мембран. Модели биомембран

На основе анализа данных электронной микроскопии Робертсон (1959 г.) предложил гипотезу единой элементарной унитарной мембраны.

Согласно жидкостно-мозаичной модели, основу всех биологических мембран составляет фосфолипидный бислой толщиной 7...10 нм, основным компонентом которого являются фосфолипиды (глицеролипиды и сфинголипиды) и, частично, холестерин. В каждой молекуле фосфолипидов различают две части: гидрофильную головку и гидрофобные хвосты. Гидрофильные головки билипидного слоя соприкасаются с внешней или внутренней средой. Белковые молекулы встроены в билипидный слой мембраны локально и не образуют сплошного слоя. В состав мембран входят разнообразные белки. Они представлены простыми и сложными белками: интегральные (пронизывают всю толщу билипидного слоя); полуинтегральные, включающиеся только в монослой липидов (наружный или внутренний); периферические, прилежащие к мембране, но не встроенные в нее. По выполняемой функции белки плазмалеммы подразделяются на: структурные, транспортные, рецепторные и ферментные. Мембраны разных клеток и внутриклеточных образований отличаются по количеству и качеству встроенных в них белков.

В состав мембран входят углеводы (в виде гликопротеинов и гликолипидов). Основная часть углеводов плазмалеммы расположена на ее внешней стороне и образует гликолипопротеиновый слой – гликокаликс. Гликокаликс обеспечивает информационный обмен между клеткой и внеклеточной средой. В организме высших позвоночных животных гликокаликс приобретает антигенные свойства, то есть способен регулировать синтез антител. Значительная часть поверхностных гликопротеидов и гликолипидов выполняют рецепторные функции, воспринимают гормоны и другие биологически активные вещества. Такие клеточные рецепторы передают воспринимаемые сигналы на внутриклеточные ферментные системы, усиливая или угнетая обмен веществ, и тем самым оказывают влияние на функции клеток. Клеточные рецепторы, а возможно и другие мембранные белки, благодаря своей химической и пространственной специфичности, придают специфичность данному типу клеток данного организма.

Биологические мембраны характеризуются высокой устойчивостью и, в то же время, пластичностью. Отдельные молекулы мембраны способны перемещаться относительно друг друга. При повреждениях мембраны она способна к самовосстановлению.

12-14. Функции цитоплазматической мембраны: барьерная, функция «монтажной платы, или матрицы», механическая, транспортная, рецепторная и др.

Транспортная функция плазмалеммы: обеспечивает обмен клетки с окружающей средой. Различают следующие способы транспорта веществ:

пассивный транспорт – диффузия и облегченная диффузия веществ через плазмалемму (перенос ионов, некоторых низкомолекулярных веществ) по градиенту концентрации без затраты энергии;

активный транспорт веществ с помощью белков-переносчиков с затратой энергии против градиента концентрации (например, калий-натриевый насос);

транспорт в мембранной упаковке (посредство везикул, или пузырьков), который подразделяется на эндоцитоз - транспорт веществ в клетку, и экзоцитоз - транспорт веществ из клетки.

15. Межклеточные контакты. В тех тканях, в которых клетки или их отростки плотно прилежат друг к другу (эпителиальная, гладкомышечная и другие) между плазмалеммами контактирующих клеток формируются связи - межклеточные контакты. Типы межклеточных контактов: простой контакт; десмосомный контакт; плотный контакт; щелевидный или нексус; синаптический контакт или синапс.

Наличие толстых клеточных оболочек у грибов и растений затрудняет контакт между клетками. Поэтому клеточные оболочки обычно пронизаны порами, через которые проходят своеобразны коммуникатиные контакты – плазмодесмы, соединяющие соседние клетки.

16. Клеточная оболочка — плотная много¬слойная структура, жестко ограничивающая растительные клет¬ки.

Возникновение новой оболочки происходит между дочерними клетками в результате клеточного деления.

У растений различают первичную и вторичную оболочку клетки. Оболочки растительных клеток состоят из нескольких соеди¬нений, которые можно разделить на группы. Это волокнистое ске¬летное вещество (целлюлоза) и основное вещество оболочек, или матрикс (пектин, гемицеллюлоза).

17.

18. Молодые клеточные стенки состоят только из первичной оболоч¬ки. Первичные клеточные оболочки растений могут разли¬чаться в деталях своей организации, но все они построены по единому принципу: длинные волокна, обеспечивающие прочность при растяжении, удерживаются вместе сетью из белка и полиса¬харидов, придающей устойчивость к сжатию. Этот инженерный принцип используется в строительных конструкциях (так делают стеклопластик и бетон).

В первичных оболочках основное вещество составляет около 60 % сухой массы, целлюлоза — около 30 %. В древесине содержание целлюлозы 50 %, в волосках хлопчатника — 90 %.

Целлюлоза – линейный неветвящий¬ся полимер глюкозы, содержащий не менее 500 остатков глюко¬зы, ковалентно соединенных друг с другом. Смежные молекулы целлюлозы соединяются водородными связями, скрепляя их в параллельно лежащие тяжи. Пучки из 60 — 70 цепей с упорядоченной структурой большой длины — это микрофибриллы целлюлозы толщиной до 35 нм. Микрофибриллы формируют макрофиб-риллы толщиной около 0,5 мкм и длиной до 4 мкм.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов с разветвленными мо¬лекулами, которые прочно связываются с поверхностью целлюлозной фибриллы и друг с другом с помощью водородных свя¬зей, объединяя эти два компонента в сложную сеть. Пектины — полисахариды с разветвленными молекулами; в их составе много отрицательно заряженных остатков галактуроновой кислоты. Бла¬годаря своему отрицательному заряду пектины удерживают много воды и связывают катионы. Ионы кальция Са2+ сшивают молекулы пектинов с образованием по¬лутвердого геля (именно поэтому фруктовые соки с пектином дают желе). Благодаря сшиванию ионами кальция компоненты клеточ¬ной стенки объединяются.

19-20. Вторичная оболочка образуется за счет наложения дополни¬тельных слоев целлюлозы на первичную оболочку

Кроме пектинов, гемицеллюлоз и целлюлозы, непосредственно включенных в состав клеточных оболочек, существуют инкрустирую¬щие соединения, которые пропитывают оболочку клетки и делают ее более прочной. К таким соединениям относится лигнин, вызывающий одревеснение, и суберин, вызывающий опробковение.

В отдельных случаях особые ве¬щества откладываются на ее наружной поверхности. Например, клетки эпидермиса, покрывающие наружную поверхность расте-ния, с внешней стороны имеют утолщенную кутикулу. Основное вещество кутикулы — кутин — полимер, состоящий из жирных кислот. Родственным ему веществом является суберин — вещество пробки. Часто кутин пропитывается восками, спорополленином. Эти вещества придают особые свойства оболочке клетки, в частности, делают ее непроницаемой для воды. Спорополленин относится к числу самых устойчивых орга-нических соединений. Оболочки пыльцевых зерен, содержащие спорополленин, сохраняются в течение сотен веков в отложениях на поверхности Земли.

Клеточная оболочка растений представляет собой внешний защитный каркас клетки и выполняет транспортные функции бла¬годаря плазмодесмам. Она предохраняет клетку от излишнего набуха¬ния в результате поступления воды. Из¬быточное гидростатическое давление внутри клетки называют тургорным. При падении этого давления растение увядает. Тургор имеет для растительной клетки жизненноважное зна¬чение. Это главная сила, растягивающая клетку в период ее роста. Когда клеточная оболочка уступает внутреннему тургорному давле¬нию и растягивается, объем клетки необратимо увеличивается и клетка растет.