Цитология
гр.cytos - клетка + logos – учение) – наука о строении, развитии и функциях клеток животных и растительных клеток. Теоретическим основанием цитологии является клеточная теория
Цели
1. Изучение общих закономерностей организации клеточных структур и внутриклеточных процессов2. Изучение общих закономерностей внутриклеточных регуляторных механизмов целостной клетки
Задачи
установить, как построена живая клетка и как она выполняет свои нормальные функции. Изучением клеток занимаются также патоморфологи, но их интересуют изменения, происходящие в клетках во время болезни или после смерти. Только в 1839 были сформулированы основные концепции клеточной теории и началось развитие современной цитологии.
Предмет цитологии
клетки про- и эукариот, клетки животных и растительных одноклеточных и многоклеточных организмов.
Методы исследования
микроскопия с применением гистологической техники
гистохимические методы
цитохимические методы
Истоком цитологии следует считать середину XVII века. Открытие и дальнейшее изучение клетки стало возможным только после изобретения микроскопа.
Развитие цитологии и гистологии
1609 год Галилео Галилей.В 1624 усовершенствовал его так, что им можно было пользоваться. Он увеличивал в 40 раз.
Эванджелиста Торричелли, (1608-1647), В 1646г. им была сделана линза диаметром 83 мм, которая и сейчас относится к классу современной точной оптики. Торричелли занимался конструированием простых микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы.
Роберт Гук (1635-1703)
Английский естествоиспытатель Р.Гук, используя микроскоп, наблюдал строение пробки бузины, и обнаружил, что она пронизана порами, и они были названы им cell- “клетка”. «...вещество пробки, в общем, наполнено воздухом... этот воздух полностью заключен в небольших коробках, или клетках, отделенных друг от друга». Им была открыта человеческая клетка.
Микроскописты XVII в.
Марчело Мальпиги и Неемия Грю (1671 г.), опредилили что ткани растений имеют определенное строение, характеризующееся наличием в различных частях растений пузырьков, мешочков, пор или клеток. Т.е. клетка - замкнутая структура, обладающая некоторой самостоятельностью. Клетки разделены между собой общими перегородками и поэтому не могут быть мыслимы вне ткани, вне организма.
Мартин Ледермюллер 1719-1769
Немецкий нотариус.Труд “Микроскопические развлечения для души и глаз”. Изображения плесневых грибков следует за картиной движения крови в капиллярах лягушки. Чешуйки бабочек-разноформенные и разноокрашенные – чередуются с сильно увеличенными изображениями блохи, головки вши и кошенили.
Бэр Карл Эрнст
Естествоиспытатель, основатель эмбриологии, один из учредителей Русского географического общества, Открыл яйцеклетку у млекопитающих, описал стадию бластулы; изучил эмбриогенез цыпленка. Установил сходство эмбрионов высших и низших животных, последовательное появление в эмбриогенезе признаков типа, класса, отряда и т. д.; описал развитие всех основных органов позвоночных. Исследовал Новую Землю, Каспийское море. Редактор серии изданий по географии России.
Камилло Гольджи
Итальянский гистолог, нейропатолог Разработал метод окрашивания отдельных нервов и клеток, названный «чёрной реакцией».В 1898 году описал пластинчатый комплекс. Открыл глиальные клетки и мышечные веретена. Доказал, что разные формы малярии вызываются разными возбудителями. Работы по выяснению работы почек.
Человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, что составляет 100 микрометров (сокращ. микрон или мкм).
Размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной – 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения – не более 10 мкм.
С помощью светового микроскопа можно различать объекты диаметром в десятые доли микрона. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.
Примечание. 1 миллиметр (мм) = 1.000 микрометров (мкм) = 1.000.000 нанометров (нм). 1 нанометр = 10 ангстрем (Å). Одному ангстрему примерно соответствует диаметр атома водорода.
Методы освещения и наблюдения (микроскопия).
Структуру препарата можно различить лишь тогда, когда разные его частицы по-разному поглощают или отражают свет либо отличаются одна от другой (или от окружающей среды) показателем преломления. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, прошедших через различные участки препарата, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения выбираются в зависимости от характера и свойств изучаемых объектов.
Методы микроскопирования
1. Обычная световая микроскопия
Фазово-контрастная
Интерференционная
Темнопольная
Люминесцентная (флюоресцентная)
Поляризационная
2. Электронная микроскопия
Просвечивающий ЭМ
Сканирующий ЭМ
Метод светлого поля в проходящем свете
применяется при исследовании прозрачных препаратов с включенными в них абсорбирующими (поглощающими свет) частицами и деталями. Таковы, например, тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, В отсутствие препарата пучок света из конденсора, проходя через объектив, даёт вблизи фокальной плоскости окуляра равномерно освещенное поле. Если в препарате имеется абсорбирующий элемент, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет, что и обусловливает появление изображения.
Метод темного поля
Применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов. В темнопольном микроскопе лучи от осветителя и зеркала направляются сбоку на препарат конденсором специальной конструкции По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса и не попадает в объектив. Изображение в М. создаётся лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами находящегося на предметном стекле препарата внутрь конуса и прошедшими через объектив.
Клетка выглядит как освещенный объект на темном поле.
Фазово-контрастная и интерференционная микроскопия
При прохождении света через живую клетку фаза световой волны меняется согласно коэффициенту рефракции клетки: свет, проходящий через относительно тонкие или относительно толстые участки клетки, такие, как ядро, задерживается, и его фаза соответственно сдвигается по отношению к фазе света, проходящего через относительно тонкие участки цитоплазмы.
Метод ФК основан на том, что даже при очень малых различиях в показателях преломления разных элементов препарата световая волна, проходящая через них, претерпевает разные изменения по фазе (приобретает т. н. фазовый рельеф). Эти фазовые изменения, не воспринимаемые непосредственно ни глазом, ни фотопластинкой, с помощью специального оптического устройства преобразуются в изменения амплитуды световой волны, т. е. в изменения яркости («амплитудный рельеф»), которые уже различимы глазом. Т.е. в получаемом видимом изображении распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит фазовый рельеф.
Метод интерференционного контраста состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается; один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, а второй — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви М. В окулярной части М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей
люминесцентная микроскопия, или флуоресцентная микроскопия
Метод исследования в свете люминесценции заключается в наблюдении под М. зелено-оранжевого свечения микрообъектов, которое возникает при их освещении сине-фиолетовым светом или не видимыми глазом ультрафиолетовыми лучами. При этом методе в оптическую схему микроскопа вводятся два cветофильтра. Первый из них пропускает от источника-осветителя излучение только тех длин волн, которые возбуждают люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальных красителей, введённых в препарат и поглощённых его частицами (вторичная люминесценция). Второй светофильтр, пропускает к глазу наблюдателя только свет люминесценции
Частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ излучение определённых длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ изображениях. Пуриновые основания, пиримидиновые основания, большинство витаминов, аминокислоты, некоторые липиды, тироксин и др.);
экспресс-диагностика бактериальных, вирусных, протозойных и других инфекций антигенного состава (например, хламидиоза);
фенотипический анализ клеток периферической крови, костного мозга и тканей по наличию поверхностных
антигенов с помощью моноклональных антител;
оценка функциональной активности фагоцитирующих клеток крови;
электро́нная микроско́пия
Электронно-оптический прибор, в котором для наблюдения и фотографирования многократно увеличенного (до 106 раз) изображения объектов используется пучок электронов, ускоренных до больших энергий в условиях глубокого вакуума. При этом используются волновые свойства электрона, длина волны которого примерно в 50 000 раз короче световой.
В отличие от оптического, в электронном микроскопе вместо световых лучей используют ускоренные электроны, а вместо стеклянных линз – электромагнитные катушки (электронные линзы) или электростатические линзы. Источником электронов служит электронная пушка.
Рентгеновская микроскопия
совокупность методов исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения. В рентгеновской микроскопии используют специальные приборы — рентгеновские микроскопы. Разрешающая способность достигает 100 нм, что в 2 раза выше, чем у оптических микроскопов (200нм).
Электрохимическая импедансная микроскопия (electrochemical impedance microscopy, EIM).
В ходе визуализации биологических процессов фиксируются изменения электрического сопротивления исследуемых материалов. Этот метод не требует применения красителей и флуоресцентных меток.
Этот метод совмещен с методом поверхностного плазмонного резонанса (surface plasmon resonance, SPR). заключающийся в измерении показателей преломления поляризованного света, проходящего через исследуемый материал.
C помощью EIM получают изображение процессов гибели клеток (апоптоза) и образования пор в клеточной мембране под воздействием электрического поля (электропорация). Для изучения процессов внутриклеточного транспорта лекарственных веществ и других активных молекул.
Гистохимические методы
Позволяют установить локализацию определенных
веществ или биохимических процессов в тканевых и
клеточных структурах.
В основе большинства гистохимических реакций лежат общие принципы.
1.Определенные химические группировки окрашиваются тем или иным красителем.
2.Краситель растворяется в определенном субстрате, входящем в состав клеточных структур.
3. Некоторые химические компоненты клеток, такие, как ДНК, полисахариды, неспособны реагировать с красителями. В таких случаях прибегают к превращению их химических группировок в реакционно-активное состояние (гидролиз ДНК хлористоводородной кислотой, окисление полисахаридов йодной кислотой).
Прижизненное окрашивание
При изучении живых объектов, особенно обладающих небольшими размерами, нередко применяется окрашивание витальными красителями, т. е. такими, которые в известных концентрациях окрашивают объект, не убивая его. Различают основные и кислые витальные красители, причем при зоологических работах чаще применяются первые.
Гистохимия ферментов
При выявлении локализации ферментов клетки прибегают к многоступенчатым промежуточным реакциям и переводу неокрашенного продукта реакции в окрашенный.
Цитохимические методы исследования мазков крови
красители специфически реагируют с определенными включениями или компонентами клеток;.
1. Для выявления характера анемии
2. для выявления функциональных изменений свойств клеток, изучения процессов внутриклеточного метаболизма к особенностей распределения различных веществ в клетках.
3. для выявления миелоидных клеточных элементов (дифференциальная диагностика острых лейкозов).
Для определения агрегации, адгезии и реакции освобождения.
Иммуногистохимия
метод морфологической диагностики, в основе которого лежит визуализация и оценка результатов реакции антиген-антитело в срезах биоптата. В качестве антигена выступают компоненты клеточных структур
1. уточнение гистогенеза опухолей;
3. уточнение вероятного источника метастазирования;
4. оценка функционального состояния клеток опухоли;
5. иммунофенотипирование опухолей кроветворной и лимфоидной тканей;
6. диагностика иммунокомплексных и аутоиммунных заболеваний;
7. поиск инфекционных агентов (токсоплазма, микобактерии, хламидии, вирусы и др.)
FISH
— флюоресцентная гибридизация in situ - цитогенетический метод, который применяют для детекции и определения положения специфической последовательности ДНК на хромосомах. Используют флюоресцентные метки, которые связываются только с определенными участками хромосом.
Культивирование
Клеточная культура – содержит суспензию клеток. Культивирование проводят в стеклянной посуде, поверхность которых покрыта внеклеточным матриксом. Культивируемые клетки формируют монослой или клеточные колонии – клоны.
Тканевая, органные культуры. Культивируют фрагменты тканей или органов. Используют для исследования механизмов эмбриональной дифференцировки
Цитофотометрия
Метод предназначен для количественного определения различных веществ и их локализации в клетке.
Определяют количество нуклеиновых кислот, белка, ферментов
Радиоавтография
введение в организм веществ, содержащих радиоактивные изотопы химических элементов. Эти вещества включаются в обменные процессы в клетках. Локализацию, дальнейшие перемещения этих веществ в органах определяются на гистопрепаратах по излучению, которое улавливается фотоэмульсией, нанесенной на препарат.
Синтез макромолекул Синтез субклеточных структур
Генетические маркеры
Ген, детерминирующий отчетливо выраженный фенотипический признак, используемый для генетического картирования и индивидуальной идентификации организмов или клеток. Также в качестве генетических маркеров могут служить целые (маркерные) хромосомы.
ДНК-маркеры
Хромосомные маркеры
Клонированные гены
Дефекты гена
Рентгентоструктурный анализ - позволяет определить количество химических элементов в клетках, изучить молекулярную структуру биологических микрообьектов. = Морфометрия - измерение размеров биол. структур на клеточном и субклеточном уровне. = Микроургия - проведение очень тонких операций микроманипулятором под микроскопом (пересадка ядер, введение в клетки различных веществ, измерение биопотенциалов и т.д.) = Ультрацентрофугирование - фракционирование клеток или субклеточных структур путем центрофугирования в растворах различной плотности. = Метод трансплантации тканей и органов.
Общая морфология клеток
Про- и эукариоты
Формы организации живой материи:
I. Доклеточная: 1) вирусы: а. ДНК-содержащие б. РНК-содержащие Основу составляет ДНК или РНК, окруженная оболочкой. В окружающей среде могут сохраниться определенное время, но самостоятельно в окружающей среде размножаться не могут – размножение только в клетке-хозяине. 2) бактериофаги
II. Клеточная форма:
1) Прокариоты ("доядерные"): а) бактерии - одноклеточные организмы. Наследственный материал не обособлен, диффузно разбросан по всей цитоплазме - т.е. ядра еще нет = доядерные. б) сине-зеленые водоросли - сходны с бактериями. 2) Эукариоты ("хорошое ядро") - клетки имеют хорошо выраженное , обособленное ядро;
III.Неклеточная и постклеточная формы:
1) межклеточное вещество соединительных тканей (волокна, основное вещество).
2) синцитий - клетки соединены цитоплазматическими мостиками или щелевыми контактами, по которым из цитоплазмы одной клетки можно перейти в другую клетку.
3) симпласт - это огромная единая масса цитоплазмы, где разбросаны сотни тысяч ядер и органоидов.
Клетка– это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.
(таблица)
Общие свойства про- и эукариот
1.Раздражимость 2. Проводимость3. Сократимость4. Поглощение и усвоение 5. Секреция6. Экскреция 7. Дыхание.8. Рост и размножение. 9. Регенерация 10. Адаптация
Размеры прокариот
- Самая маленькая бактерия - 0,1 мкм –паразитическая микоплазма (живет внутри клеток эукариот).
Самые большие представители – 70-80 мкм. Спирохета - 250 мкм.
Типичный представитель прокариот имеет размер 0,5 мкм в ширину и 2 мкм в ширину.
Строение клетки прокариот
Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особенностей, касающихся как ее ультраструктурной, так и химической организации.
Структуры, расположенные снаружи от цитоплазматической мембраны (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки) - поверхностные или надмембранные структуры.
ЦПМ вместе с цитоплазмой называется протопластом.
Надмембранные структуры
Надмембранные структуры бактерий представлены клеточной стенкой. На нее приходится от 5-до 50% сухого вещества.
Основное вещество клеточной стенки – муреин (класс пептидогликанов, гетерополимер, цепочка, состоящая из остатков N-ацетилглюкозаминов и N-ацетил мурамовой кислоты), которые соединяются пептидными связями, образуя муреиновый мешок. Является каркасом клетки.
По различию в строении клеточной стенки различают грам+ и грам- микроорганизмы. В основе различий лежит различие в окрашивании по методу Грама.
Грам ”+” -фиолетовые,
Грам ”-” розовые
(рис, различия грамм+,-, функции)
Капсулы, слизистые слои, чехлы
Капсула - слизистое образование, обволакивающее клетку, сохраняющее связь с клеточной стенкой и имеющее аморфное строение. Микрокапсула меньше 0,2 мкм Макрокапсула больше 0,2 мкм.
Слизистый слой - если вещество имеет аморфный, бесструктурный вид и легко отделяется от поверхности прокариотной клетки
Чехлы - имеют тонкую структуру. В них обнаруживают несколько слоев с разным строением. Чехлы ряда бактерий, метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений металлов, часто инкрустированы их окислами.
(Функции)
Жгутики
Обычная толщина жгутика — 10—20 нм, длина — от 3 до 15 мкм. У некоторых бактерий длина жгутика может на порядок превышать диаметр клетки. Жгутик представляет собой относительную жесткую спираль, обычно закрученную против часовой стрелки. Вращение жгутика также осуществляется против часовой стрелки с частотой от 40 до 60 об/с. Поскольку клетка намного массивнее жгутика, она вращается со значительно меньшей скоростью — порядка 12—14 об/мин. Вращательное движение жгутика преобразуется также в поступательное движение клетки, скорость которого в жидкой среде для разных видов бактерий составляет от 16 до 100 мкм/с.
Ворсинки
К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся ворсинки (фимбрии, пили). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка — пилина — и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Они тоньше жгутиков (диаметр — 5—10 нм, длина 0,2–2,0 мкм). ворсинки общего типа и половые.
Ворсинки общего типа придают бактериям свойство гидрофобности, обеспечивают их прикрепление к клеткам растений, грибов и неорганическим частицам, принимают участие в транспорте метаболитов. Через ворсинки в клетку могут проникать вирусы.
Половые, или F-пили, принимают участие в половом процессе бактерий. F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом и в качестве конъюгационного тоннеля, по которому происходит передача ДНК.
Мембраны
Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ) — обязательным структурным элементом любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8—15% сухого вещества клеток.
Химический состав мембран.
ЦПМ — белково-липидный комплекс, в котором белки составляют 50–75%, липиды — от 15 до 45%. Кроме того, в составе мембран обнаружено небольшое количество углеводов. Как правило, липиды и белки составляют 95% и больше вещества мембран. Главным липидным компонентом бактериальных мембран являются фосфолипиды
Функции ЦПМ прокариот
Барьерная функция клеточной мембраны через мембрану осуществляется избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов.
В ней локализованы ферменты, катализирующие конечные этапы синтеза мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и некоторых других веществ.
Превращение клеточной энергии. ЦПМ принимает участие в репликации и последующем разделении хромосомы прокариотной клетки.
Внутреннее строение
Мезосомы - локальные впячивания ЦПМ, для усиления определенных клеточных функций, увеличивая общую "рабочую" поверхность мембран.
Усиление энергетического метаболизма клеток.
Мезосомы играют роль в репликации хромосомы и ее последующем расхождении по дочерним клеткам
Участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при клеточном делении.
Для некоторых грамположительных бактерий обнаружено участие мезосом в секреторных процессах
Компартментализация прокариотной клетки
Цитоплазма
Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, получила название цитозоля. Другая часть цитоплазмы представлена разнообразными структурными элементами: внутрицитоплазматическими мембранами (если они есть), генетическим аппаратом, рибосомами и включениями разной химической природы и функционального назначения.
Рибосомы
Рибосомы — место синтеза белка. Их количество в клетке зависит от интенсивности процессов белкового синтеза и колеблется от 5000 до 90 000. Общая масса рибосом может составлять примерно 1/4 клеточной массы. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S, Они построены из двух неодинаковых субчастиц: 305- и 50S-субъединиц.
Генетический материал
Представлен ДНК (Нуклеоид)
компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной. Довольно четко отграничен от цитоплазмы, занимает в ней, как правило, центральную область и заполнен нитями ДНК диаметром около 2 нм. Имеет форму ковалентно замкнутого кольца.
В прокариотной клетке ДНК может находиться и вне бактериальной хромосомы — в плазмидах, но последние не являются обязательными клеточными компонентами.
Внутрицитоплазматические включения
хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. В этих структурах локализованы пигменты, поглощающие кванты света и передающие их в реакционные центры, т. е. выполняющие роль антенны
магнитосомы и газовые вакуоли, или аэросомы имеющих приспособительное значение, обнаруженны у водных прокариот.
Запасные вещества
Представлены полисахаридами, липидами, полипептидами, полифосфатами, отложениями серы.
Из полисахаридов в клетках откладываются гликоген, крахмал. В неблагоприятных условиях они используются в качестве источника углерода и энергии
Отложение липидов в клетке происходит в условиях, когда среда богата источником углерода и бедна азотом. Липиды служат для клетки хорошим источником углерода и энергии.
полифосфаты, содержащиеся в гранулах, называемых волютиновыми, или метахроматиновыми, зернами. Используются клетками как источник фосфора.
Для прокариот, метаболизм которых связан с соединениями серы, характерно отложение в клетках молекулярной серы. Служит источником энергии, а для анаэробных фотосинтезирующих серобактерий она является донором электронов.
ЭУКАРИОТЫ
Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток
3 основных компонента
плазматическая мембрана - отделяет содержимое клетки от внеклеточной среды,
ядро - содержит наследственный материал (ДНК), связанный с ядерными белками
цитоплазма - включает гомогенную гиалоплазму и многочисленные цитоплазматические структуры.
Цитоплазма.Гиалоплазма
а) Гиалоплазма - это матрикс цитоплазмы, в котором находятся её структуры.
б) Представляет собой водный раствор
неорганических ионов, органических метаболитов, биополимеров (белков, полисахаридов, транспортных РНК и т.д.).
в) Некоторые макромолекулы могут объединяться (путём самосборки) в те или иные комплексы и структуры.
Химический состав
86 постоянно присутствующих химических элементов, из них7 необходимы абсолютно18 полезны
Элементы |
Количество (в %) |
Элементы |
Количество (в %) |
Кислород |
65-75 |
Кальций |
0,04-2,00 |
Углерод |
15-16 |
Магний |
0,02-0,03 |
Водород |
8-10 |
Натрий |
0,02-0,03 |
Азот |
1,5-3,0 |
Железо |
0,01-0,015 |
Фосфор |
0,2-1,0 |
Цинк |
0,0003 |
Калий |
0,15-0,3 |
Медь |
0,0002 |
Сера |
0,15-0,2 |
Йод |
0,0001 |
Хлор |
0,05-0,07 |
Фтор |
0,0001 |
Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.
Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах входит в клетках содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.
Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).
Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митофондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регуляруя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создание буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.
Микроэлементы — от 0,001 % до 0,000001 % — (ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк (инсулин щитовидной железы) и др.)
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении. Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.
Ультрамикроэлементы — меньше 0,000001 % — золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультромикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания.
В клетку входят
Неорганические вещества.
- вода 70-80%. - соли,- кислоты,- ионы - основания.
органические вещества
- белки(15-20%), - жиры (липиды) 1-6%,- углеводы до 3%, - нуклеиновые кислоты до 2%
Белки
Белки-Ферменты – катализируют химические реакции в миллионы раз.
Двигательные белки – белки, отвечающие за движение клеток, при помощи специальных структур.
Транспортные белки – транспорт веществ в, по и из клетки.
Защитные белки – иммуноглобулины.
Энергетические белки
Регуляторная функция - факторы транскрипции
Сигнальная функция -гормоны, цитокины, факторы роста
Запасная (резервная) функция белков - овальбумины
Рецепторная функция -G-белки
Структурные белки -белки цитоскелета, кератин
Липиды
Структурная функция источник энергии-триглицериды,теплоизоляция, Регуляторная-витамины, стероиды,кофакторы Защитная (амортизационная),Увеличение плавучести
Углеводы
Глюкоза и пентоза (моносахариды),гликоген у животных и крахмал, целлюлоза, пектин у растений (полисахариды). источник энергии.участвуют в узнавании и взаимодействии клеток.
Нуклеиновые кислоты
образованы нуклеотидами, каждый из которых состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот ДНК и РНК
Морфология
Организм взрослого человека состоит примерно из 1013 клеток, которые подразделяют более чем на 200 типов, существенно различающихся своими структурными и функциональными особенностями. Вместе с тем, клетки всех типов характеризуются сходством общей организации и строения важнейших компонентов.
Размеры эукариот
Эритроциты - 7-8 мкм
Макрофаги - 20 мкм
Жировая клетка -120 мкм
Яйцеклетка от 200мкм
ГМК - 10 мм
Мышечное волокно 40 мм
Форма
Шаровидные Симпласт
Овоидные Синцитий
Веретенообразные Пластинки
Плоские
Кубические
Полигональные
Пирамидальные
Звездчатые
Отростчатые
Амебовидные
Плазматическая мембрана
Собственно мембрана
Надмембранный слой (гликокаликс)
Субмембранный слой (цитоскелет)
Цитоплазма
Гиалоплазма
Органеллы
Одномембранные
Двумембранные
Немембранные
Включения
Ядерный аппарат
Нуклеолемма
Хроматин
Ядрышко
Ядерный матрикс
Ядерный сок
Цитологические методы
1. Цитологическое исследование пункционного материала.
Цитологическое исследование пунктатов, полученных тонкой иглой (тонкоигольная биопсия) из опухолей, опухолеподобных образований уплотнений любой локализации: головы, шеи, молочной, щитовидной железы, лимфатических узлов, костей, мягких тканей конечностей, кожи, легких, средостения, органов брюшной полости и забрюшинного пространства,
2. Цитологическое исследование эксфолиативного материала.
Цитологическое исследование секретов, экскретов, отделяемого и соскобов с поверхности эрозий, язв, ран, свищей, мокроты, промывных вод, экссудатов, транссудатов.
3. Цитологическое исследование эндоскопического материала.
Исследование материала, полученного при бронхоскопии, катетеризации бронхов, эзофаго-, гастро-, дуодено-, лаборо-, ректоромано-, колоно-, цистоскопии и других видов эндоскопического обследования при любой локализации патологического процесса.
4. Цитологическое исследование биопсийного и операционного материала
Цитологическое исследование мазков - отпечатков, соскобов с биопсийных кусочков и операционного материала.
Выбор способа взятия материала определяется характером поражения, локализацией, возможностью проведения инструментальных исследований. Желательно использование в комплексе всех доступных методов взятия материала. В частности, при поражениях мочевого пузыря для цитологического исследования может быть использована нативная моча (эффективность цитологической диагностики 40-50%), спиртовой смыв (эффективность цитологической диагностики 60-65%), мазки-отпечатки с кусочков опухоли, взятых при цистоскопии (эффективность цитологической диагностики около 90%). При комплексном обследовании эффективность цитологической диагностики составляет около 100%
Эксфолиативная цитология
где анализу подвергаются:
отделяемое различных органов (молочная железа, бронхи и др.). Для приготовления препарата капля отделяемого наносится на стекло и готовится мазок. Можно также делать отпечатки с места выделения (выходное отверстие свища). Отделяемое бронхов обычно в виде мокроты собирается в сосуд.
жидкости и содержимое кист получают путем пункции полостей (брюшной, плевральной и др.) и кист. Если материала мало, то он наносится на стёкла и распределяется в виде тонкого мазка. Значительные количества жидкости предварительно центрифугируются и затем мазки готовят из осадка.
отпечатки со слизистых и кожных покровов, если это доступно, можно делать непосредственно на стекло. В других случаях мазки готовят из соскобов шпателем, с тампонов.
Пункционная цитология
один из наиболее частых видов исследования в клинической цитологии.
Пункция опухолевых образований производится тонкой иглой. Для получения полноценного материала необходимо соблюдать ряд условий. Для пункции богато васкулизированных образований (щитовидная железа, сосудистые опухоли, кость и др.), необходимо использовать иглу с мандреном, последний извлекается после введения иглы в место, из которых предполагается получить материал. Пункции осуществляют под контролем рентгена, ультразвука или компьютерной томографии.
3. Мазки-отпечатки с биопсийного и операционного материала
Использование их для цитологического исследования значительно повышает эффективность цитологической диагностики. Для приготовления препарата необходимо соскоб со среза биоптата или операционного материала распределить тонким мазком на стекле. Отпечатки со среза биоптата или кусочка оперативно удаленной ткани наносятся прикосновением поверхности среза к стеклу. Если отпечатки делают с ткани богатой кровью (печень, селезенка и др.), с поверхности среза необходимо снять кровь на фильтровальную бумагу и лишь затем производить отпечатки на стекло.
Эндоскопическая техника
С развитием эндоскопической техники обязательное цитологическое исследование стало более доступным. В современных эндоскопических приборах имеются специальные приспособления для взятия материала на морфологическое исследование.
Эндоскопическое исследование: а) бронхоскопия — мазки щеточкой, трансбронхиальные пунктаты, мазки из материала щипковых биопсий, промывные воды,
б) гастроскопия — мазки щеточкой, отпечатки с щипковых биопсий,
в) колоноскопия, ректоскопия — мазки с ватного тампона, щеточные мазки, отпечатки с биопсий,
г) цистоскопия — нативная моча, спиртовый смыв, отпечатки, с биопсийных кусочков.
д) ларингоскопия — мазки с участков поражения и отпечатки с кусочков,
е) кожа и слизистые оболочки — мазки соскобов с участков поражения, при опухоли — пункция тонкой иглой.
Мягкие ткани, молочная железа, лимфатические узлы, щитовидная железа — пункция тонкой иглой.
Подготовка препаратов для световой микроскопии
Гистологический препарат любой формы должен отвечать следующим требованиям:
сохранять прижизненное состояние структур;
быть достаточно тонким и прозрачным для изучения его под микроскопом в проходящем свете;
быть контрастным, то есть изучаемые структуры должны под микроскопом четко определяться;
препараты для световой микроскопии должны долго сохраняться и использоваться для повторного изучения.
Эти требования достигаются при приготовлении препарата.
Выделяют следующие этапы приготовления гистологического препарата.
Взятие материала (кусочка ткани или органа) для приготовления препарата. При этом учитываются следующие моменты:
-забор материала должен проводиться как можно раньше после смерти или забоя животного, а при возможности от живого объекта (биопсия), чтобы лучше сохранились структуры клетки, ткани или органа;
-забор кусочков должен производиться острым инструментом, чтобы не травмировать ткани;
-толщина кусочка не должна превышать 5 мм, чтобы фиксирующий раствор мог проникнуть в толщу кусочка;
обязательно производится маркировка кусочка (указывается наименование органа, номер животного или фамилия человека, дата забора и так далее).
Фиксация
Фиксация материала необходима для остановки обменных процессов и сохранения структур от распада. Фиксация достигается чаще всего погружением кусочка в фиксирующие жидкости, которые могут быть простыми спирты и формалин и сложными раствор Карнуа, фиксатор Цинкера и другие. Фиксатор вызывает денатурацию белка и тем самым приостанавливает обменные процессы и сохраняет структуры в их прижизненном состоянии. Фиксация может достигаться также замораживанием (охлаждением в струе СО2, жидким азотом и другие). Продолжительность фиксации подбирается опытным путем для каждой ткани или органа
заливка в гистологической технике
способ приготовления гистологических препаратов путем пропитывания кусочков тканей уплотняющей средой - парафином, целлоидином, желатиной или некоторыми другими веществами. Или замораживание для последующего изготовления тонких срезов
Приготовление срезов на специальных приборах (микротоме или ультрамикротоме) с помощью специальных ножей. Срезы для микроскопического исследования приготавливают с помощью санного или роторного микротомов. Сверхтонкие срезы (толщиной от 90—100 до 5—15 нм), необходимые для электронно-микроскопических исследований, готовят на ультратоме. Ультратомы используют и в световой микроскопии для получения полутонких срезов. Срезы для световой микроскопии приклеиваются на предметные стекла, а для электронной микроскопии - монтируются на специальные сеточки
Окраска срезов
или их контрастирование (для электронной микроскопии). Перед окраской срезов удаляется уплотняющая среда (депарафинизация). Приготовленные срезы окрашивают для четкого выделения структур клеток и тканей, которые по-разному воспринимают красители. Красители подразделяются на основные, кислые и нейтральные.
Основные красители — красящие основания и их соли (метиленовый синий, толуидиновый синий, азуры, гематоксилин, бисмарк коричневый) — окрашивают так называемые базофильные структуры (ядра клеток, основное вещество соединительной ткани). Кислые красители — красящие кислоты и их соли (пикриновая кислота, эозин, эритрозин) — окрашивают ацидофильные, или оксифильные, структуры (цитоплазму клеток, коллагеновые, эластические волокна).
Импрегнация — специальный метод, основанный на способности определенных участков клеток и тканей восстанавливать тяжелые металлы (например, серебра, золота, осмия) из их солей и за счет этого приобретать интенсивную окраску.
Консервация
Приготовление гистологического препарата завершается заключением его в среды, обеспечивающие сохранность структур объекта, его окраски и прозрачности. Наиболее часто для этих целей применяют органические смолы, например канадский бальзам.
Мембранная система клетки
Плазматическая мембрана
Внутренние мембраны
Мембраны ядерной оболочки (кариолеммы)
Эндоплазматический ретикулум
Пластинчатый комплекс
Лизосомы
Пероксисомы
Везикулы и др.
Наружные мембраны митохондрий и пластид
Сопрягающие мембраны митохондрий и пластид
Общая характеристика клеточных мембран
1. Разные типы мембран различаются по своей толщине, но в большинстве случаев толщина мембран составляет 6-10 нм;
2. Мембраны - это липопротеиновые структуры (липид 25-60%, + белок 40-75%. ). На внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты 2-10%(гликозильные группы).
3. Липиды спонтанно образуют бислой, т.к.молекулы имеют полярные головки и неполярные хвосты.
4. Способность к слиянию и смыканию фрагментов с образованием замкнутых пузырьков
5. Мембранные белки выполняют разнообразные функции.
6. Гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
7. Мембрана асимметрична
8. Неспособность возникать в клетке de novo без участия уже существующих мембранных образований.
Модели биологических мембран
1902г. немецкий учёный Э. Овертон изучал проницаемость клеточных мембран
1926 американские биологи Э. Гортер и Ф. Грендел выделили из гемолизированных эритроцитов человека липиды
Поверхностное натяжение клеточной мембраны меньше натяжения слоя чистого липида и близко к поверхностному натяжению белков.
1935 г. модель Даниэля Доусона унитарная модель биомембран. Липидный бислой – структурная основа. Наружный и внутренний слои – глобулярные белки. Симметричная модель.
(структура «сэндвича»).
Модель Робертсона (середина 60х г). Мембрана представляет собой 3-х слойную структуру, средний слой из липидов. Белковые молекулы развернуты на поверхности двойного липидного слоя вследствие электростатических взаимодействий заряженными головками фосфолипидов. Модель Робертсона ассимметрична, так как на наружной поверхности мембраны – гликопротеиды.
1970 Д.Е. Грин сохраняется концепция липидного бислоя, однако этот слой прирастается участками симметрично расположенных белков, они жестко фиксированны пространственно за счет дальнодействующих белок-белковых свойств.
60-70 г. Модель Сингера и Николсона. Основа – липидный бислой, в который включены молекулы интегральных и периферических белков. Жидкомозаичная модель. С ее помощью объясняется проницаемость и текучестьмембран.
Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны
Жидкостность – способность мембраны находится подвижном состоянии и выполнять поддержку для структур (липиды)
Мозаичность – погружение структур на разные уровни в жидкую поддерживающую фазу (белки)
Биохимический состав биологических мембран
Липиды мембран
В составе мембран может входить более 1500 различных липидов. Лишь около 30 из них встречаются в значительных количествах.
Большая часть их принадлежит к
фосфолипидам ( от 40 до 90%),
гликолипидам
нейтральным липидам, в том числе стероидам (холестерол).
Минорные липидные составляющие весьма вариабельны. В эту группу входят убихинон, токоферолы, полипрениловые спирты, каротиноиды, лизолипиды, свободные ЖК.
Первый элементный анализ Л. выполнен в нач. 19 в. А. Лавуазье, а первые исследования по выяснению хим. строения Л. принадлежат К. Шееле и М. Шеврёлю. Впервые синтезы триглицеридов осуществили М. Бертло в 1854 и Ш. Вюрц в 1859. Фосфолипиды выделены М. Гобли в 1847, а затем получены в более чистом виде Ф. А. Хоппе-Зейлером в 1877. К этому времени уже было установлено строение ряда важнейших жирных кислот. Дальнейшую историю изучения Л. можно разделить на три периода, различающиеся по методич. уровню исследований. На первом этапе (1880-1950) Л. исследовали традиционными методами орг. химии, второй этап (1950-1970) характеризуется широким применением методов хроматографии, а последний (70-80-е гг.) - использованием таких физ.-хим. методов, как масс-спектрометрия, оптич. спектроскопия и радиоспектроскопия, флуоресцентный анализ и др.
Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутренней среды. Однако можно модифицировать состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевой рацион.
Липидный состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности, температуры и рН.
Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста.
У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина.
Липидный бислой
Липиды мембран имеют в структуре две различные части: неполярный гидрофобный "хвост" и полярную гидрофильную "голову". Такую двойственную природу соединений называют амфифильной. Липиды мембран образуют двухслойную структуру. Каждый слой состоит из сложных липидов, расположенных таким образом, что неполярные (не несущие зарядов) гидрофобные "хвосты" молекул находятся в тесном контакте друг с другом. Так же контактируют гидрофильные части молекул. Все взаимодействия имеют нековалентный характер. Два монослоя ориентируются "хвост к хвосту" так, что образующаяся структура двойного слоя имеет внутреннюю неполярную часть и две полярные поверхности.
Полярные головки несут на себе отрицательные заряды
Представление о том, что в основе клеточных мембран лежит двойной липидный слой, было получено еще в 20-х гг. Было найдено, что если экстрагировать липиды из оболочки эритроцитов, а затем поместить липиды на поверхность водного мениска, то можно рассчитать площадь, занимаемую образовавшимся монослоем липидов. Оказалось, что эта площадь вдвое больше площади, занимаемой поверхностью эритроцитов, из которых были экстрагированы липиды. Было сделано предположение, что в мембранах эритроцитов липиды располагаются в два слоя.
Фосфолипиды
представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами и с фосфорной кислотой, которая в свою очередь может быть связана с различными химическими группами (холин, серин, инозит, этаноламин и др.). Так, например, в структуру наиболее часто встречающегося в мембранах фосфолипида лецитина входят участки двух жирных кислот, глицерина, фосфорной кислоты и холина.
Основное же количество фосфолипидов мембран приходится, как правило, на фосфатидилхолин (ФХ) и фосфатидилэтаноламин (ФЭА)
И специфические липиды
фосфатидилсерин (ФС), сфингомиелин (СМ), фосфатидилинозитол (ФИ), фосфатидилглицерол (кардиолипин) (ФГ).
Функции
структурная
транспорт ионов и метаболитов,
влияют на активность мембраносвязанных ферментов,
межклеточные взаимодействия и
рецепция.
дипальмитоиллецитин является основным элементом сурфактанта (ПАВ) легких
Фосфолипиды, содержащие инозитол , являются предшественниками вторых посредников при действии гормонов,
алкилфосфолипид - тромбоцит-активирующим фактором (ФАТ).
Гликолипиды
В молекулах гликолипидов моно- и олигосахариды присоединены взамен фосфатных групп.
Наиболее распространен-ными из гликолипидов являются: у животных – производные сфингозина,
у растений – глицерола (по большей части галактозил-диглицериды).
У бактерий встречаются в основном глицерогликолипиды.
Функции
1) участвуют в межклеточных взаимодействиях,
2) являются рецепторами бактериальных токсинов , например холерного токсина,
3) рецепторы или корецепторы гормонов,
4) являются соединениями, определяющими группы крови (система АВО).
Холестерол
Жесткие молекулы холестерола погружены в мембрану между молекул фосфолипидов. Гидрофобное четырехчленное стероидное кольцо молекулы холестерола взаимодействует с цепями остатков жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов мембраны. В эукариотических клетках холестерол ограничивает текучесть мембраны при температуре 370 С. при более низких температурах он, наоборот, способствует поддержанию текучести мембраны, препятствуя слипанию углеводородных цепей.
Доля, приходящаяся на стеролы, может достигать 17 – 20% по весу.
В миелиновых мембранах – до 50% от веса всех липидов.
холестерола много в плазматических мембранах животных,
у высших растений преобладающими стероидами плазмолеммы являются ситостерол и стигмостерол,
у грибов – эргостерол.
Придает механическую прочность бислою, заполняя свободное пространство,
большую текучесть, способен свободно перетекать из слоя в слой, обеспечивая изменение формы мембран при сжатии и растяжении.
Холестерол в некоторых мембранах может занимать до 25% по массе.
Мембраны прокариотических клеток не содержат холестерол.
Особенности липидного состава мембран различного функционального назначения
Наиболее изменчив липидный состав плазматической мембраны, поскольку количество холестерола, обилием которого она отличается, в значительной степени зависит от особенностей питания организма.
Миелиновые мембраны имеют необычно высокую концентрацию сфинголипидов и гликосфинголипидов.
Мембраны ядра и ЭПР, содержат, фосфоглицеролы и, в меньшем количестве, сфинголипиды и холестерол.
ПК по этому показателю занимает промежуточное положение между ЭПС и плазмолеммой, характеризуясь меньшим содержанием фосфоглицеролов и большим – холестерола.
Особняком стоят мембраны митохондрий: если наружная мембрана отличается от мембраны ЭПС только появлением ФГ, то внутренняя обеднена СМ и обогащена ФГ.
Жирные кислоты липидов мембран
Свойства
Тканеспецифичность
В мембране никогда не находятся в свободном состоянии, Длина углеродной цепи всегда в пределах 12-22 атома углерода
ЖК мембран животных чётное количество атомов углерода. У растений, у прокариот, нечётное
Молекулы ЖК, как правило, линейны, Углеводородная часть ЖК может быть как насыщенной, так и ненасыщенной, содержащей одну (мононенасыщенные ЖК) или несколько (полиненасыщенные ЖК) двойных связей
Асимметрия мембран
Свойством мембран является диспропорциональное распределение отдельных сортов фосфолипидов между двумя монослоями липидного бислоя
Наружный монослой плазматической мембраны обогащён ФХ либо СМ, тогда как внутренний – ФЭА и ФС.
Жидкостность
Два состояния липидного бислоя - твердое и жидкое. В обоих случаях сохраняется бимолекулярная структура липидной фазы, а молекулы фосфолипидов имеют плотную гексагональную упаковку в плоскости мембраны, но ее плотность в твердом и жидком состоянии неодинаковая и зависит от структуры жирных кислот. Например, молекула фосфатидилхолииа в твердом состоянии бислоя занимает площадь 0,46 - 0,48 нм2, а в жидком - 0,6 - 0,8 нм2. Соответственно изменяется и толщина бислоя. БЛМ в указанных состояниях различаются вязкостью липидной фазы и растворимостью в ней веществ. Молекулярную основу данных различий составляют конформации жирно-кислотных цепей. Отдельная жирно-кислотная цепь может принимать множество конформаций благодаря вращению вокруг одинарных С - С-связей.
Подвижность
Диапазон движений, происходящих в мембране, весьма широк: от молекулярных колебаний с частотой порядка 1014с до трансмембранного флип-флоп-переноса липидов, характерное время которого может достигать несколько суток
Подвижность мембранных липидов: Вращательное движение.Латеральное движение.Флип-флоп
Белки мембран
-интегральные (полностью пронизывающие мембрану),
-полуинтегральные (погруженные в липиды частично)
-периферические (ассоциированные с мембраной и взаимодействующие с полярными головками фосфолипидов).
Интегральные белки