Цитология

Цитология Цитология наука о клетке. Наука о клетке на зывается цитологией (греч. <цитос>-клетка, <логос>-наука) . Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных орга низмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные в одоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функци и внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и расте ний, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окр ужающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самы е тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, з оологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название <клетка> в сер едине XVII в. применил Р. Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микро скопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток. Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных зна ний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838) . Он обобщил имевш иеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны п о своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами е динства происхождения всех живых организмов, единство всего органичес кого мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоят ельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни. Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно хим ические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов схо дны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз под твердили единство всего органического мира. Современная клеточная - теория включает следующие положения: клетка осн овная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая еди ница живого; клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов схо дны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проя влениям жизнедеятельности и обмену веществ; размножение клеток происх одит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате дел ения исходной (материнской) клетки; в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нер вным и гуморальным системам регуляции. Исследования клетки имеют большое значение для разгадки заболеваний. И менно в клетках начинают развиваться патологические изменения, привод ящие к возникновению заболеваний. Чтобы понять роль клеток в развитии за болеваний, приведем несколько примеров. Одно из серьезных заболеваний ч еловека - сахарный диабет. Причина этого заболевания - недостаточная дея тельность группы клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон и нсулин, который участвует в регуляции сахарного обмена организма. Злока чественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникаю т также на уровне клеток. Возбудители кокцидиоза - опасного заболевания кроликов, кур, гусей и уток - паразитические простейшие - кокцидии проника ют в клетки кишечного эпителия и печени, растут и размножаются в них, полн остью нарушают обмен веществ, а затем разрушают эти клетки. У больных кок цидиозом животных сильно нарушается деятельность пищеварительной сис темы, и при отсутствии лечения животные погибают. Вот почему изучение ст роения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеят ельности клеток необходимо не только в биологии, но также в медицине и ве теринарии. Изучение клеток разнообразных одноклеточных и многоклеточных организ мов с помощью светооптического и электронного микроскопов показало, чт о по своему строению они разделяются на две группы. Одну группу составля ют бактерии и сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболее прост ое строение клеток. Их называют доеденными (прокариотами) , так как у них н ет оформленного ядра (греч. <картон>-ядро) и нет многих структур, которые на зывают органоидами. Другую группу составляют все остальные организмы: о т одноклеточных зеленых водорослей и простейших до высших цветковых ра стений, млекопитающих, в том числе и человека. Они имеют сложно устроенны е клетки, которые называют ядерными (эукариотическими) . Эти клетки имеют ядро и органоиды, выполняющие специфические функции. Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы, изучением которых за нимается вирусология. Строение и функции оболочки клетки Клетка любого организма, представля ет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанн ых между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуще ствляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодейс твие с соседними клетками (в многоклеточных организмах) . Оболочка клеток. Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя. У растени й, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности кле ток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства ра стений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, о беспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проход ит вода, соли, молекулы многих органических веществ. Наружный слой поверхности клеток животных в отличие от клеточных стено к растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и со стоит из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слой живо тных клеток получил название гликокаликс. Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи кле ток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея н езначительную толщину (меньше 1 мкм) , наружный слой клетки животных не вып олняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкам растений. Обра зование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток. Плазматическая мембрана. Под гликокаликсом и клеточной стенкой растен ий расположена плазматическая мембрана (лат. "мембрана>-кожица, пленка) , г раничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембр аны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью э лектронного микроскопа. В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядочено расположены и соединены друг с другом химическими взаимодействиями. По современным представлениям молекулы липидов в плазматической мембран е расположены в два ряда и образуют сплошной слой. Молекулы белков не обр азуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в нег о на разную глубину. Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспечивает динамичность плазм атической мембраны. Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых зав идят жизнедеятельность клеток. Одна из таких функций заключается в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Но между клетками и внешней средой постоянно происходи т обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Он и проникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся продукты, образованные в клетке. Транспорт ве ществ- одна из главных функций плазматической мембраны. Через плазматич ескую мембрану из клети выводятся продукты обмена, а также вещества, син тезированные в клетке. К числу их относятся разнообразные белки, углевод ы, гормоны, которые вырабатываются в клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду в форме мелких капель. Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани (эпит елиальную, мышечную и др.) , соединяются друг с другом плазматической мемб раной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может обра зовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую прочн ость. Соединение клеток растений обеспечивается путем образования тонких ка налов, которые заполнены цитоплазмой и ограничены плазматической мемб раной. По таким каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной кл етки в другую поступают питательные вещества, ионы, углеводы и другие со единения. На поверхности многих клеток животных, например, различных эпителиев, на ходятся очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытые плазматическ ой мембраной, микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинок нахо дится на поверхности клеток кишечника, где происходит интенсивное пере варивание и всасывание переваренной пищи. Фагоцитоз. Крупные молекулы органических веществ, например белков и пол исахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путем фагоцита (гр еч. "фагео" пожирать) . В фагоците непосредственное участие принимает плаз матическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в "мембранной упаковке" погружает ся внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль и в ней переварива ются поступившие в клетку органические вещества. Цитоплазма. Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, ц итоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток. В цит оплазму эукариотических клеток располагаются ядро и различные органои ды. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В ней сосредоточе ны и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли , а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. В составе о сновного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекаю т основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и вс е органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как ед иной целостной живой системы. Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена мно гочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляю т собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной . Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получивш ую название эндоплазматической сети. Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два е е типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярн ой сети располагается множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой эндоплазматическ ой сети не несут рибосом на своей поверхности. Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. Основн ая функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белк а, который осуществляется в рибосомах. На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидо в и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются н каналах и полост ях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где потребля ются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений. Энд оплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки. Рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопи ческие тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в ц итоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синте з белка. Синтез белка сложный процесс, который осуществляется не одной р ибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенн ых рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные бе лки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сет и, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потре бляютя. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембран ах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки бел ков. Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содер жатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. <митос> - нить, <хондрион> - зерн о, гранула) . Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп, с помощью которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитать количество. Внутреннее ст роение митохондрий изучено с помощью электронного микроскопа. Оболочк а митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная м ембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлен ы в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами ( лат. <криста> - гребень, вырост) Число крист неодинаково в митохондриях раз ных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, при чем особенно много крист в митохондриях активно функционирующих клето к, например мышечных. Митохондрии называют <силовыми станциями> клеток> так как их основная фу нкция синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) . Эта кислота синтезируе тся в митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универс альный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизн едеятельности клетки и целого организма. Новые митохондрии образуются делением уже существующих в клетке митох ондрий. Пластиды. В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. В клетка х животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типа пластид: зе леные - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты. Хлоропласт. Эти органоиды содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлороплас тов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. У высших растений в одн ой клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов. Зеленый цвет х лоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Xлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т.е . образование органических веществ (углеводов) из неорганических (СО2 и Н2О ) при использовании энергии солнечного света. По строению хлоропласты сходны с митохондриями. От цитоплазмы хлоропла ст отграничен двумя мембранами - наружной и внутренней. Наружная мембран а гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует много складчаты х выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласт а сосредоточено большое количество мембран, образующих особые структу ры - граны. Они сложены наподобие стопки монет. В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здес ь происходит фотосинтез. В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутр енними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК и рибосомы. Следовате льно, в хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтез белка , необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаю тся делением. Хромопласты находятся в цитоплазме клеток разных частей растений: в цве тках, плодах, стеблях, листьях. Присутствием хромопластов объясняется же лтая, оранжевая и красная окраска венчиков цветков, плодов, осенних лист ьев. Лейкопласты. находятся в цитоплазме клеток неокрашенных частей растен ий, например в стеблях, корнях, клубнях. Форма лейкопластов разнообразна. Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны клетка взаимному пере ходу. Так при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хло ропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля. Аппарат Гольджи. Во многих клетках животных, например, в нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клетках растений и прос тейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной ил и палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клетках растит ельных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы. В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мембранами и рас положенные группами (по 5-10) ; крупные и мелкие пузырьки, расположенные на ко нцах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс. Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. По каналам эндоплазмат ической сети к нему транспортируются продукты синтетической деятельно сти клетки - белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаютс я, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму и либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо вывод ятся из нее и используются в организме. Например, в клетках поджелудочно й железы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которы е накапливаются в полостях органоида. Затем образуются пузырьки, наполн енные ферментами. Они выводятся из клеток в проток поджелудочной железы , откуда перетекают в полость кишечника. Еще одна важная функция этого ор ганоида заключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов (полисахаридов) , которые используются в клетке и которые вхо дят в состав мембран. Благодаря деятельности аппарата Гольджи происход ят обновление и рост плазматической мембраны. Лизосомы. Представляют собой небольшие округлые тельца. От Цитоплазмы к аждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферме нты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, сливаютс я с ней, и образуется одна пищеварительная вакуоль, внутри которой наход ится пищевая частица, окруженная ферментами лизосом. Вещества, образова вшиеся в результате переваривания пищевой частицы, поступают в цитопла зму и используются клеткой. Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизос омы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности част ей клеток, целых клеток и органов. Образование новых лизосом происходит в клетке постоянно. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие друг ие белки синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты пост упают по каналам эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются лизосомы. В таком виде лизосомы поступают в цитопл азму. Клеточный центр. В клетках животных вблизи ядра находится органоид, кото рый называют клеточным центром. Основную часть клеточного центра соста вляют два маленьких тельца - центриоли, расположенные в небольшом участк е уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм. Центриоли играют важную роль при делении клетки; они участвуют в образовании веретена деления. Клеточные включения. К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и б елки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клет ке и используются в процессе обмена веществ. Ядро. Каждая клетка одноклеточных и многоклеточных животных, а также рас тений содержит ядро. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клет ок. В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клетки называют одноя дерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, с несколькими десятками и даже сотнями ядер. Это многоядерные клетки. Ядерный сок - полужидкое вещество, которое находится под ядерной оболочк ой и представляет внутреннюю среду ядра. Химический состав клетки. Неорганические вещества Атомный и молекуляр ный состав клетки. В микроскопической клетке содержится несколько тыся ч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химич еские процессы, протекающие в клетке, - одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования. Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органиче ского мира. Содержание химических элементов в клетке 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 0,15-0,4 Медь 0,0002 Сера 0,15-0,2 Йод 0,0001 Хлор 0,05-0,1 Фтор 0,0001 В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов пери одической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их бол ьшинство. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислор ода, углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98% всего содер жимого клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержани е которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это се ра, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составля ют 1.9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых к оличествах (меньше 0,01%) Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных э лементов, характерных только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы. На атомном уровне различий между химич еским составом органического и не органического мира нет. Различия обна руживаются на более высоком уровне организации - молекулярном.