Способы изучения клетки кратко

Способы изучения клетки кратко

«Биология отрицает законы математики: при делении происходит умножение» Валерий Красовский

Методы изучения клетки

Основными методами изучения клетки являются: микроскопия, центрифугирование (ультрацентрифугирование), культивирование клеток, метод рекомбинантных ДНК, метод меченных атомов, хроматография, электрофорез.

Также в цитологии используют:

— рентгеноструктурный анализ — дает возможность определять пространственное расположение и физические свойства молекул;

— кино- и фотосъемки — помогает изучить процессы жизнедеятельности клетки, такие как деление;

— микрохирургия — заключается в удалении или имплантировании отдельных органоидов, пересаживании их из клетки в клетку

Теоретический вопрос ДНЯ

Советы, которые помогут эффективно подготовиться к ЕГЭ по БИОЛОГИИ

1. Познакомься с актуальными демоверсией, спецификацией, кодификатором на официальном сайте, чтобы четко понимать, что тебя ждет и какие требования предъявляются к уровню подготовки.

2. Определись, сколько баллов ты хотел бы получить.

3. Составь расписание своих занятий и старайся максимально его соблюдать. Регулярность занятий очень важна.

4. Используй несколько источников для подготовки: школьные учебники, пособия для поступающих в ВУЗы, видео уроки и т.п.

5. Главное – понимание! Старайся разобраться в теме, а потом можно зазубрить некоторые понятия.

6. Учись внимательно читать и понимать задание.

7. Начинай с легкого и постепенно усложняй материал. Но не бойтесь сложных заданий, если хочешь высокий балл.

8. Постоянно повторяй пройденный материал, решай тесты, задачи и теоретические вопросы.

Повторять рекомендуется сразу в течение 15-20 минут, через 8-9 часов и через 24 часа. Полезно повторять материал за 15-20 минут до сна и утром, на свежую голову.

9. Систематизируй материал, создай целостную и структурированную систему знаний.

10. И не забывай высыпаться, сбалансированно питаться и вести здоровый образ жизни. Это хорошо влияет на память:)

Источник

Современные общие методы исследования клетки

1. Метод дифференциального центрифугирования. При быстром вращении в ультрацентрифуге органоиды клеток располагаются слоями в соответствии со своей плотностью и массой. Более плотные органеллы осаждаются при более низких скоростях, а менее плотные — при более высоких скоростях. Далее исследователи эти слои отделяют и изучают. Данный метод позволяет наблюдать свойства и структуру каждого органоида или макромолекулы клетки.

2. Рентгеноструктурный анализ позволяет определить атомную структуру вещества. Рентгеновские лучи короче ультрафиолетовых.

3. Авторадиография (радиоавтография) — метод изучения распределения радиоактивных веществ в исследуемом объекте, при котором эти вещества как бы сами себя фотографируют. Например, при изучении фотосинтеза биологи с помощью этого метода могут увидеть след радиоактивного диоксида углерода.

4. Световые микроскопы появились еще в XIX веке, они дают увеличение до 1350 раз. Разрешающая способность 0,25 мкм (2,5*10 –7 ). С их помощью можно увидеть ядро, большинство органоидов, хромосомы и деление клеток.

5. Электронный микроскоп дает увеличение в миллион раз (10 –6 ). Появился он в середине XX века. Разрешающая способность 2 нм (2*10 –9 ).

6. Флуоресцентная микроскопия. В ультрафиолетовом свете (его лучи короче лучей видимого света) клеточные компоненты могут светиться. Также они могут светиться при добавлении специальных красителей. С использованием данного метода можно видеть места, где скапливаются нуклеиновые кислоты, жиры, витамины и др.

Физико-химические методы исследования клеток

1. Метод меченых атомов. Используется для изучения биохимических процессов в живых клетках. Чтобы отследить превращения вещества из его предшественника, один из атомов заменяют соответствующим изотопом (водорода, фосфора, углерода). Радиоактивное излучение позволяет наблюдать за соединением, установить этапы его превращения, их продолжительность, зависимость от внешних условий.

2. Хроматография. Метод основан на разнице скорости движения растворенных веществ через адсорбент. Вещества имеют разную молекулярную массу и поэтому с разной скоростью двигаются через волокна фильтровальной бумаги, порошок целлюлозы, другие пористые вещества. Изучаемые вещества, например, основные пигменты экстракта листьев — ксантофилы, каротин, хлорофиллы а, b.

3. Электрофорез. Разделение смеси веществ в растворе обеспечивает электрический ток (в геле). Это помогает разделить смеси веществ в клетке, выделить качественный и количественный состав веществ.

4. Цитохимические методы. Этими методами исследуют препараты костного мозга, крови, различных органов и новообразований. Они основаны на использовании специфических химических цветных реакций для определения в клетках различных веществ. Под действием специально подобранных реактивов происходит окрашивание тех или иных веществ в цитоплазме, а по степени и характеру окраски судят о количестве или активности исследуемых веществ.

В чем разница между цитохимическими методами и хроматографией?

При цитохимических методах ведут цветные химические реакции с помощью специальных реактивов, и по окрашиванию веществ определяют их свойства. В хроматографии выводы о свойствах веществ делают по тому, с какой скоростью они двигаются через пористые вещества.

Методы разделения клеток и их культивирования

1. Методы культуры клеток и тканей. Клетки и ткани выращивают, исследуют, наблюдая за ростом, размножением вне организма, изучают влияние различных веществ, получают гибриды.

2. Метод рекомбинантных ДНК. Вырезают ДНК из клетки, встраивают ее в ДНК бактерий, вирусов, изучают механизм наследственности, мутагенез.

Источник

Методы изучения клетки [исследования]

Морфофункциональные методы

Главная особенность морфо­функционального метода к изучению клетки — стремление по­нять структурную основу биохимических процессов, определяю­щих данную функцию, т. е. связать эти процессы с конкретными клеточными структурами.

Конечная цель при таком методе идентична цели, пресле­дуемой молекулярной биологией и клеточной структурной био­химией. Однако методы, используемые этими науками для ре­шения общей задачи, принципиально различны. Если в моле­кулярной биологии и структурной биохимии непременным усло­вием является разрушение клетки и выделение изучаемой струк­туры в виде более или менее чистой фракции, то в цитологиче­ских исследованиях предпосылкой, наоборот, служит сохране­ние целостности клетки. В данном случае необходимо стре­миться к тому, чтобы свести внешнее вмешательство до мини­мума, и стараться исследовать структурно-биохимическую орга­низацию тех или иных компонентов именно в пределах целост­ной клеточной системы.

Исследования морфофункционального направления бурно развивались в течение последних десятилетий. В это время было разработано большое количество принципиально новых методов качественного и количественного анализа клеточных структур. Такой подход тесно связан с новыми разделами био­логических наук и, в частности, с молекулярной биологией, что и обусловливает весьма значительный вклад подобных иссле­дований в прогресс наших знаний об общих закономерностях организации клетки.

Электронная микроскопия

Одним из наиболее распространенных, ставшим классиче­ским методом, применяемым при структурно-биохимических исследованиях, является метод электронной микроскопии в раз­личных его модификациях. Эти модификации обусловлены как различными подходами к анализу изучаемых структур, так и особенностями подготовки клеток для ультраструктурных ис­следований. Высокие разрешения обычных трансмиссионных (просвечивающих) микроскопов позволяют анализировать не только все органоиды ядерного и цитоплазматического аппара­тов, но и некоторые структуры, находящиеся на надмолекуляр­ном уровне организации, например опорные и сократимые мик­рофибриллы, микротрубочки, некоторые мультиэнзимные ком­плексы. В настоящее время для исследования клеток на систем­ном и субсистемном уровнях их организации все чаще с успе­хом применяется метод высоковольтной электронной микроско­пии. Благодаря намного большей по сравнению с просвечиваю­щим электронным микроскопом энергии проникающего пучка электронов этот метод позволяет изучать под микроскопом «толстые» срезы или даже целые распластанные клетки, что позволяет, например, анализировать в целом сложную систему субмембранных фибрилл поверхностного аппарата клетки.

В исследовании функции поверхностного аппарата клетки, взаимосвязи отдельных субсистем поверхностного аппарата ядра и ряда других вопросов общей цитологии существенное значение приобретает метод сканирующей электронной микро­скопии, дающий возможность объемного изучения поверхности объекта.

Метод замораживания-скалывания

Особое и принципиально важное место в цитологиче­ских исследованиях морфобиохимического направления зани­мает метод замораживания-скалывания. Он является наибо­лее щадящим методом подготовки биологических объектов для ультраструктурного анализа, т. е. вызывает минимальные изме­нения клеточных структур по сравнению с их нативным состоя­нием. Суть метода заключается в следующем. Объект помещают в атмосферу жидкого азота, что моментально прекращает все метаболические процессы. Затем с замороженного объекта де­лают сколы. С поверхности сколов получают реплики путем нанесения на них металлической пленки. Эти пленки в дальней­шем исследуют под электронным микроскопом. Преимущество метода замораживания-скалывания заключается в том, что плоскость скола обычно проходит по гидрофобной фазе мем­браны, и это позволяет изучать на сколах количество, размеры и характер расположения интегральных белков мембраны, т. е. непосредственно внутреннюю морфобиохимическую организа­цию мембран. Метод дал очень ценные результаты при исследо­вании разного рода мембранных структур и специальных обра­зований, например некоторых типов клеточных контактов.

Цитохимический метод

Для основной задачи структурно-биохимического аспекта цитологических исследований — выяснения функционального значения структур через анализ их биохимической организа­ции-исключительно важную роль играют цитохимические ме­тоды. В настоящее время они непрерывно совершенствуются как в смысле точной качественной идентификации химических со­единений в изучаемых структурах, так и в смысле их количе­ственной оценки. С помощью специальных приборов, позволяю­щих проводить количественную цитоспектрофотометрию, можно определить содержание данного вещества, например РНК и ДНК, не только в клетке в целом, но и на уровне ядерных или цитоплазматических структур. Благодаря интерференционной микроскопии можно оценить общее количество белка в клетке и его изменения в процессе ее жизнедеятельности.

Существует метод цитохимической идентифи­кации ферментов, который позволяет судить не только о локализации и коли­честве того или иного соединения в клеточных структурах, но и о процессах синтеза и внутриклеточного транспорта этих соеди­нений.

Цитохимия ферментов основана на принципе субстрат-ферментного взаимодействия с использованием маркерных соеди­нений, выпадающих при этом в осадок. Определяя локализа­цию, а в некоторых случаях и активность ферментативных си­стем, мы можем судить о локализации тех или иных биохимиче­ских процессов в клеточных структурах.

Авторадиография

Метод авторадиографии, так же, как и цитохимия ферментов, открывает возможность исследования внутриклеточного синтеза и транспорта, но при этом имеет еще более широкие возможности. Метод автора­диографии основывается на использовании меченых искусственными изотопами ( 3 Н, 14 С, 35 S и др.) радиоактивных предшественников синтеза макромолекул. Он позволяет не только локализовать места син­теза тех или иных макромолекул, но и проследить конкретные пути внутриклеточного транспорта этих соединений, дать отно­сительную количественную оценку интенсивности синтеза и ско­рости перемещения макромолекул в клеточных структурах. Таким путем, в частности, было впервые показано перемещение РНК из ядра в цитоплазму клеток, детально прослежены лока­лизация синтеза и внутриклеточный транспорт секрета в секре­торных клетках и выявлены многие другие важные для общей цитологии факты. По своей сути этот метод — один из наиболее типичных методов, характерных для структурно-биохимического направления исследований, поскольку он позволяет непосред­ственно изучать процессы метаболизма во внутриклеточных структурах в целостной, неразрушенной (как в биохимических исследованиях) клетке. Суть этого метода основана на обнару­жении маркированных искусственным изотопом молекул с по­мощью фотоэмульсии, которой покрываются срезы клеток и тканей, фиксированных в разные сроки после введения меченого предшественника.

Иммуноцитохимический метод

В настоящее время возможен и очень точный качественный анализ индивидуальных белков клеточных структур в пределах целостной клеточной системы. Такой анализ производится с по­мощью иммуноцитохимических методов. Суть этих методов за­ключается в том, что конкретный белок служит антигеном, к которому в организме каких-либо млекопитающих вырабатываются специфические антитела. Последние соединяются с флюоресци­рующим красителем или другим маркером. Затем сывороткой с маркированными антителами обрабатывается изучаемая клет­ка. Специфические маркированные антитела связываются при этом строго избирательно со структурами, содержащими иссле­дуемые белки. С помощью этого метода, в частности, была вы­явлена локализация основных и вспомогательных сократимых белков актин-миозиновой системы в субмембранном фибрилляр­ном аппарате клеток, показана модификация их распределения при формировании митотического аппарата и в процессе цито­томии. Этот же метод был с успехом применен для доказатель­ства справедливости жидкостно-мозаичной модели организации мембран.

Комплексные методы исследования клетки

В последнее время особенно большие успехи в изучении структурно-биохимической организации клеток достигнуты при комплексном использовании методов ультраструктурного ана­лиза и методов цитохимии и авторадиографии. Эти успехи обус­ловлены в основном разработкой специальных методов цито­химии и авторадиографии на ультраструктурном уровне, позво­ляющих непосредственно проанализировать процессы метабо­лизма на названном уровне организации клеток, «структуриро­вать» биохимические процессы, выяснить конкретное значение тех или иных клеточных структур в отдельных звеньях сложных процессов внутриклеточного метаболизма. В таком плане на­коплен обширный материал о роли различных разновидностей мембранной фазы цитоплазмы в синтетических анаболических процессах и процессах внутриклеточного катаболизма.

Крупные успехи достигнуты, в частности, в изучении орга­низации и функционирования лизосомного аппарата клеток. Важные новые факты получены при исследовании ядерного аппа­рата клеток. С помощью цитохимических методов удается иден­тифицировать рибонуклеопротеиды (РНП) и дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП) на ультраструктурном уровне и тем самым значительно продвинуться вперед в изучении организации тран­скрипции, созревания и внутриядерного транспорта различных типов РНП в клетках эукариот, а использование метода элек­тронной авторадиографии позволило детализировать роль отдельных клеточных структур в этих процессах. Например, удалось подробно изучить функцию ядрышка и конкретно струк­турировать в нем процессы образования рибосомальной РНК.

Такой синтез молекулярно-биологических и структурно-био­химических аспектов и методов весьма характерен и для разра­ботки многих других важных вопросов о тонкой организации отдельных компонентов клеток. При этом тесная связь молеку­лярно-биологического и морфобиохимического цитологического анализа проявляется не только в синтезе конечных результатов, но и в их взаимодействии в процессе самого исследования. Подобное взаимодействие осуществляется либо путем проведе­ния комплексных работ с использованием как биохимических, так и цитологических методов специалистами биохимиками и цитологами, либо путем применения специальных комплексных методов, находящихся на границе биохимического и цитологи­ческого анализа клеточных структур.

Примером первого рода является сочетание методов биохи­мического выделения компонентов клетки с их тонким ультраструктурным анализом. Таким путем впервые получены фото­графии работающих генов с идентификацией на них ДНК, РНКполимераз и транскрибируемых молекул РНК. Усовершен­ствование этого метода позволяет сейчас в некоторых случаях проводить учет интенсивности транскрипции путем прямого под­счета количества РНКполимеразных комплексов. С помощью электронного микроскопа можно непосредственно изучать кар­тины репликации ДНК на выделенных биохимическим методом, кольцевых или линейных молекулах ДНК. Методы ультраструктурного анализа широко используются также при иммуноцитохимическом исследовании локализации индивидуальных белков, в субчастицах рибосом, при изучении различных уровней орга­низации ДНП и во многих других случаях.

Типичным примером специально разработанных комплекс­ных методов является гибридизация ДНК и РНК на срезах. Суть его заключается в следующем. ДНК, находящаяся в со­ставе ДНП целостной клетки, подвергается денатурации, а за­тем обрабатывается фракциями РНК, меченой радиоактивными, изотопами. В результате этого на ДНК авторадиографически выявляются участки, комплементарные данным фракциям РНК,, т. е. места транскрипции последних, иначе говоря, создается возможность точно установить локализацию определенных генов.

Экспериментальные методы изучения клетки

В рамках экспериментального метода функциональная организация клетки в целом или ее отдельных компонентов изучается путем изменения ее состоя­ния с помощью внешнего воздействия. Наблюдая затем измене­ния жизнедеятельности клетки или ее компонентов, можно сде­лать выводы о тех или иных свойствах исследуемых механизмов. Подобного рода метод получил сейчас в некоторых разделах цитологии весьма широкое распространение, а в отдельных ее областях цитофизиологический аспект анализа клеточных структур занимает пока доминирующее положение.

Именно таково состояние проблемы о транспортной функции поверхностного аппарата клетки. С одной стороны, в изучении этого вопроса достигнуты значительные успехи: на основании результатов цитофизиологического анализа удалось выявить разновидности трансмембранного транспорта веществ, охаракте­ризовать различные свойства транспортных систем. С другой стороны, окончательное решение вопроса о механизмах транс­мембранного транспорта возможно лишь при условии выясне­ния конкретной организации липидно-белковой системы мем­бран и точного знания свойств и роли остальных компонентов мембранных транспортных систем, т. е. на уровне структурно­биохимического анализа плазматической мембраны и всего по­верхностного аппарата клетки.

Ограниченность возможностей цитофизиологического иссле­дования трансмембранного транспорта отчетливо проявляется на примере состояния вопроса об организации ионных каналов, играющих основную роль во многих важных процессах, таких, например, как распространение нервного импульса. С помощью целого арсенала разнообразных цитофизиологических методов было показано, что в плазматической мембране существуют осо­бые каналы для ионов Na, К, Сl, различающиеся по своим свой­ствам. Однако конкретные знания их структурной организации ограничиваются пока косвенными данными об их белковой при­роде. Таким образом, решение вопроса об организации ионных каналов в частности и транспортных систем мембраны вообще переходит, по-видимому, в руки ученых, владеющих структурно-биохимическими методами, ибо в данном случае многочислен­ные и весьма ценные факты, добытые в цитофизиологических исследованиях, представляют собой лишь первый феноменоло­гический этап в анализе этих общеклеточных механизмов. Тем не менее в определенных аспектах изучения клетки цитофизиологический подход может дать очень много.

В настоящее время разнообразие приемов цитофизиологиче­ских исследований определяется как все возрастающим арсена­лом агентов, появляющихся у цитологов, так и использованием тонких методов анализа тех изменений, которые происходят в результате действия этих агентов на клетку. Если раньше для анализа изменений клеток под действием внешних агентов при­менялись такие привычные для физиологов методы, как реги­страция электрических потенциалов, оценка клеточного дыхания по поглощению кислорода, количественная оценка сорбции кра­сителей, регистрация качественных изменений окрашиваемости клеток и т. д., то сейчас в подобных целях все чаще исполь­зуются методы, характерные для структурно-функционального направления: электронно-микроскопическое изучение ультраструктурных изменений, авторадиографический анализ синте­тических процессов и т. д.

Среди агентов, применяемых в экспериментальных исследо­ваниях, можно выделить две основные группы. Первую группу составляют вещества, «точка приложения» которых внутри клетки более или менее известна, — это вещества, блокирующие отдельные звенья внутриклеточного метаболизма (например, актиномицин D, ингибирующий транскрипцию, или пуромицин, блокирующий синтез белка, 2,4-динитрофенол, разобщающий дыхание и окислительное фосфорилирование), вещества, изби­рательно разрушающие те или иные клеточные структуры (на­пример, колхицин, разрушающий микротрубочки, или цитохалазин В, действующий на микрофибриллы). Вторую группу со­ставляют агенты так называемого комплексного действия, из­меняющие клеточный метаболизм вообще, — температура, осмо­тическое давление, pH и т. д. Использование таких агентов, как, например, 2,4-динитрофенол, позволило выяснить ряд вопросов, касающихся сопряжения дыхания и фосфорилирования в ды­хательной цепи митохондрий; применение ингибиторов синтеза РНК и белка дало возможность изучить некоторые звенья син­теза белка в рибосомах и процессов транскрипции; с помощью колхицина и цитохалазина выяснена роль микротрубочек и микрофиламентов в процессах внутриклеточного транспорта.

Агенты второй группы (комплексного действия) обладают тем преимуществом, что они являются для клеток как бы более естественными, ибо клетки в природных условиях сталкиваются с подобными изменениями во внешней среде. В то же время они влияют практически на все стороны клеточного метабо­лизма, затрудняя анализ происходящих при этом изменений. Тем не менее исследование действия на клетку подобных аген­тов имеет самостоятельное значение и абсолютно необходимо для изучения механизмов адаптации клеток к меняющимся фак­торам внешней среды, решения вопроса о соотношении специ­фических и неспецифических процессов в реакции клеток на внешнее воздействие и других аналогичных задач, играющих важную роль в разработке проблемы клеточной интеграции.

В исследовании функциональной организации клеток огром­ное значение имеет анализ механизмов взаимодействия отдель­ных систем клетки. Во многих случаях такую задачу можно разрешить путем создания специальных экспериментальных моделей. Наиболее типичными примерами подобного рода яв­ляются пересадки ядер у разных объектов (простейшие, яйце­клетки амфибий); гибридизация соматических клеток; пере­садки частей клеток у простейших; исследования с применением целого ряда других микрохирургических приемов, проводимые на протозоологических объектах и культивируемых in vitro клетках млекопитающих.

С помощью подобных моделей были изучены важнейшие общецитологические вопросы. Например, результаты опытов по пересадке ядер дифференцированных клеток амфибий в лишен­ную собственного ядра яйцеклетку явились одним из наиболее убедительных аргументов в пользу теории дифференциальной активности генов. Суть последней заключается в констатации структурной идентичности геномов дифференцированных клеток многоклеточного организма. Из этого следует принципиально важное положение о том, что процесс дифференцировки про­исходит не путем необратимых изменений наследственного аппа­рата клеток, а путем регуляции активности одинакового для всех клеток данного организма набора генов.

Весьма интересные факты были обнаружены на эксперимен­тальной модели для изучения процесса дедифференцировки гибридной клетки — куриного эритроцита и раковой клетки мле­копитающих. Своеобразие этого гетерокариона заключается в том, что при слиянии куриного эритроцита с раковой клеткой происходит гемолиз гемоглобина и нормальное, почти полностью инактивированное ядро эритроцита оказывается в цитоплазме раковой клетки. Таким образом, здесь осуществляется пере­садка дифференцированного ядра в необычные условия актив­ной цитоплазмы. Тщательные наблюдения за изменением струк­турной организации этих ядер показали, что в новых условиях происходит значительное увеличение их объема. Существенную роль в набухании ядер играют поступающие из цитоплазмы белки. Эти внешние изменения в ядерном аппарате эритроцита отражают глубокие процессы перестройки его внутренней орга­низации, результатом чего является возобновление транскрип­ции «куриных» информационных РНК. Однако реализация со­держащейся в ней информации в виде синтеза «куриных» бел­ков не происходит до тех пор, пока в ядерном аппарате куриных эритроцитов не сформируется ядрышко и не начнется синтез рибосомальных РНК. Таким образом, тщательный анализ экспе­риментальных моделей показал наличие сложного цитоплазма­тического контроля над деятельностью ядерного аппарата.

С помощью экспериментальных моделей удалось решить и ряд других важных общецитологических вопросов. Например, вопрос о механизмах перемещения анафазных хромосом был с успехом исследован на нативном митотическом аппарате, вы­деленном из дробящихся бластомеров морского ежа и рабо­тающем вне клетки. Преимущественно на экспериментальных моделях удалось установить широко распространенную общую закономерность организации клеток, а именно отсутствие во взаимосвязи сложных внутриклеточных процессов жесткого причинно-следственного принципа. Оказалось, что такие много­компонентные процессы, как репродукция клеток, процессы син­теза и внутриклеточного транспорта высокополимерных соеди­нений и т. д., состоят из отдельных, относительно автономных этапов, не связанных жесткой причинно-следственной зависи­мостью. Выяснение этой закономерности, с одной стороны, соз­дает предпосылки для понимания механизмов удивительной пластичности клеточной организации. С другой стороны, эта же закономерность является основой для изучения механизмов интеграции таких процессов в целостной клеточной системе в нормальных условиях.

В настоящее время все увеличивается количество и разно­образие экспериментальных моделей, предназначенных для решения тех или иных конкретных общецитологических проблем. Это значительно способствует прогрессу наших знаний в отно­сительно слабо изученной области цитологии — механизмах взаимодействия и интеграции работы субклеточных систем.

Необходимо подчеркнуть, что спецификой исследований, про­водящихся в рамках экспериментального подхода к анализу закономерностей организации клетки, является все большее и большее углубление критериев и признаков, по которым ведется анализ интегрирующих механизмов и конкретных функций от­дельных клеточных структур При этом становится ясным, что успешное решение стоящих перед такими исследованиями за­дач возможно лишь при широком внедрении в практику мето­дов структурно-функционального подхода.

Сравнительно-цитологический метод изучения клетки

Суть сравнительно-цитологического метода исследова­ний в общей цитологии — выяснение общих закономерностей организации клеток с использованием всего многообразия их разновидностей, предоставляемого ученому живой природой. Сравнительный метод имеет два аспекта. С одной стороны, он по традиции применяется для выявления родственных взаимо­отношений между отдельными разновидностями клеток (особен­но для одноклеточных организмов). На основе созданной таким путем и проведенной с использованием тонких цитологических критериев филогенетической систематики прокариотных и низ­ших и высших эукариотных клеток возникает возможность про­следить становление и отдельных частных клеточных систем, и общих механизмов регуляции и интеграции клетки как це­лостной системы В качестве примера подобного рода примене­ния сравнительно-цитологического анализа в исследованиях клеток можно привести интересные данные по тонкой организа­ции ядерного аппарата у прокариотных, низших и высших эука­риотных клеток

Принципиальными особенностями организации ядерного аппарата эукариотных клеток являются наличие у них слож­ного поверхностного аппарата ядра, значительно большее по сравнению с прокариотными клетками количество ДНК, сосре­доточенной в хромосомах, и, наконец, своеобразная упаковка ДНК с помощью основных белков — гистонов Сравнительно­цитологический анализ ядерных аппаратов низших эукариот позволил выявить среди них клетки, которые по строению ядра занимают промежуточное положение между про- и эукариотными клетками. Панцирные жгутиконосцы обладают типичным поверхностным аппаратом ядра, но при этом их хромосомы, как и в случае прокариот, образованы кольцевидными молеку­лами ДНК, которые организованы в компактные структуры без участия гистонов, характерных для всех эукариот

В последнее время в связи с открытием принципиальных осо­бенностей в организации генома про- и эукариотных клеток сопоставление процессов транскрипции и созревания РНК у этих организмов, а также у мезокариот и клеток низших эукариот приобретает важное значение В результате таких сопоставле­ний, возможно, будут внесены существенные изменения в наши традиционные представления о родственных взаимоотношениях в основных группах организмов и, в частности, взаимоотноше­ниях про- и эукариотных клеток.

Вторым примером традиционного применения эволюционного подхода к цитологическим проблемам могут быть попытки пред­ложить гипотезу усложнения механизмов равнонаследственного распределения хромосом между дочерними клетками в процессе эволюции, разработанную на основании сравнительного анализа многочисленных вариантов расхождения хромосом у простейших и у низших растений. В этих случаях активное участие в про­цессах расхождения хромосом принимают мембраны ядерной оболочки, что позволяет проводить известную гомологию с клет­ками прокариот, у которых мембране клетки принадлежит ве­дущая роль в равномерном распределении сестринских хромо­сом между дочерними клетками.

Наконец, третьим примером традиционного эволюционного подхода к общецитологическим проблемам может служить ши­роко распространенная симбиотическая гипотеза происхождения митохондрий и хлоропластов. Суть ее заключается в предполо­жении о том, что эти важные органоиды энергетического обмена возникли из внедрившихся в эукариотные клетки прокариотных организмов на относительно раннем этапе эволюции эукариот.

Несмотря на важное значение подобного рода общебиологи­ческих построений для развития общей цитологии, традиционный исторический подход к разработке общецитологических проблем имеет сейчас все же довольно ограниченное применение. Одной из основных причин такого положения является наличие специ­фических и все еще недостаточно изученных особенностей эво­люционного процесса на клеточном и субклеточном уровнях организации, что крайне затрудняет определение родственных отношений между отдельными группами одноклеточных орга­низмов, а следовательно, и построение обоснованных эволюцион­ных гипотез в области общей цитологии.

В настоящее время более широко распространен другой аспект использования сравнительно-цитологического метода, не преследующий цели прямого выяснения исторической обуслов­ленности той или иной клеточной структуры или процесса. В современной общей цитологии такой аспект применения срав­нительного метода претерпел несколько видоизменений.

На первом этапе, в период внедрения в практику цитологи­ческого анализа принципиально новых морфобиохимических методов, выбор объекта исследования определялся следующими соображениями. Во-первых, имело значение удобство того или иного объекта для применения используемого метода. Во-вто­рых, большую роль играла степень выраженности данного при­знака у исследуемой клетки. Так, для изучения общих законо­мерностей организации клеток эукариот излюбленным объектом были клетки печени млекопитающих с их гармонично развитой системой мембранных органоидов Классические работы по ана­лизу процессов внутриклеточного транспорта и созревания сек­рета были выполнены на клетках поджелудочной железы и сли­зистых бокаловидных клетках млекопитающих.

Для комплексных цитологических и молекулярно-биологиче­ских исследований организации клеток прокариот широко использовалась кишечная палочка; моделями для изучения организации низших эукариот являлись дрожжи и плесневой гриб. При этом оказалось, что установленные на данных объектах закономерности имеют универсальное значение, по­скольку они во многих случаях принципиально сходны у всех эукариотных или у всех прокариотных клеток. Более того, ряд закономерностей субклеточной организации, особенно на моле­кулярном и надмолекулярном уровнях, оказался универсаль­ным для клеток и про-, и эукариотного типа (организация мем­бран, принцип строения рибосом и т. д.), несмотря на то, что названные типы клеток по некоторым признакам принципиально различаются между собой. Это обстоятельство породило пред­ставления о том, что можно разрабатывать основные общецито­логические проблемы на ограниченном круге объектов, удобных в методическом отношении, а затем распространять установ­ленные закономерности на другие клетки в силу их принци­пиально сходной организации.

Однако в последние годы такое упрощенное использование сравнительного подхода начало подвергаться критике по мере внедрения современных цитологических методов в специальные биологические науки о клетке — частную цитологию, протозоо­логию, ботанику низших растений. Морфобиохимический анализ, примененный в этих областях науки, позволил установить факты, свидетельствующие об огромном разнообразии конкрет­ной реализации того или иного общего признака организации клетки, разнообразии значительно большем, чем следовало из результатов, полученных ранее на «модельных» объектах. Осо­бенно велико это многообразие на высших субсистемных и си­стемных уровнях организации клетки. Характерно оно и для столь сложных и многокомпонентных процессов, как процессы внутриклеточного метаболизма и транспорта или равнонаслед­ственного распределения генетического материала при делении клеток.

Обобщение большого сравнительно-цитологического мате­риала, полученного на уровне современных методических воз­можностей, заставило отказаться от упомянутого выше упро­щенного представления о роли сравнительного метода. В связи с этим в общей цитологии (особенно в отношении эукариотных клеток) доминирующее положение приобретают представления о необходимости использовать сравнительный метод для ана­лиза отдельных аналогичных по функциональной деятельности клеточных систем или процессов во всем многообразии их проявлений у конкретных клеток При таком подходе особый инте­рес вызывают не «типичные», «средние» клетки, а, напротив, клетки, резко уклоняющиеся от среднего типа организации, клетки, в которых гипертрофированы те или иные признаки.

Наибольшее число таких «уклоняющихся» вариантов встре­чается среди клеток высших многоклеточных организмов, где развита далеко заходящая специализация клеток в составе от­дельных тканевых систем. Случаи «уклонения» от среднего типа широко распространены также среди высших простейших, ко­торые подвергались эволюции, сохраняя при этом одноклеточ­ный уровень организации. Именно при исследовании такого рода нетипичных клеток удалось выявить большое количество новых интересных фактов, значительно углубляющих наши пред­ставления и об общих закономерностях клеточной организации, и об ее эволюционной пластичности, которая и обусловливает наблюдаемое многообразие клеточных систем. При этом, как уже отмечалось выше, в случае частных наук наибольший инте­рес вызывает именно специфика проявления у различных объ­ектов общих признаков, характерных для всех клеток.

В отличие от специальных наук при общецитологическом подходе вопрос этот ставится несколько в другой плоскости, ибо исследователь стремится выяснить, насколько широко распро­странена у разных клеток специфика проявлений данного при­знака, какой комбинацией общих механизмов и каких именно она обусловлена. Так, например, протозоологам удалось обна­ружить весьма интересную динамику формирования макронук­леуса после конъюгации у брюхоресничных инфузорий. В фор­мирующемся макронуклеусе происходит значительное увеличе­ние количества ДНК, а затем наблюдается резкая редукция наследственного материала (вплоть до 93%). Такой процесс редукции генетического материала имеет место и в соматиче­ских клетках ряда групп многоклеточных животных (некоторые насекомые, нематоды). Оставшаяся ДНК, небольшая по общему количеству, но содержащая всю необходимую для функциони­рования макронуклеуса информацию, многократно реплици­руется. В результате создается дефинитивный макронуклеус, который отличается от микронуклеуса не только по количеству ДНК, но и по ее качественному составу. Здесь отсутствует по­давляющая часть нефункционирующих генов, в то время как функционирующие локусы представлены значительным количе­ством копий.

Эти факты представляют большой общецитологический ин­терес именно потому, что, как правило, наблюдаемые здесь явления выступают не просто в качестве парадоксальных, свой­ственных лишь высшим одноклеточным организмам признаков. Так, процессы политенизации, избирательной репликации отдельных участков ДНК хромосом и, наконец, избирательная редукция значительных участков генома — все эти явления имеют место и у специализированных клеток многоклеточных организмов. Они и осуществляются, вероятно, на базе общих элементарных механизмов. А специфика сложного процесса изменений ядерного аппарата при формировании макронуклеуса у брюхоресничных инфузорий обусловлена в основном свое­образной комбинацией общих, универсальных для эукариотных клеток элементарных механизмов. Такого рода представления получают сейчас в общей цитологии широкое распространение. Они чрезвычайно стимулируют направленные сравнительно- цитологические исследования, посвященные выяснению важных общецитологических проблем. Материал с сайта http://wiki-med.com

Примером целенаправленного сравнительно-цитологического исследования может служить изучение вопроса о механизмах равнонаследственного распределения хромосом во время митоза у эукариот путем анализа митоза разных видов диатомовых водорослей: на этих объектах в отличие от типичных митозов метазойных клеток удается четко морфологически проследить сложные изменения микротрубочкоорганизующих центров, фор­мирование и взаимное расхождение микротрубочковых полуверетен, расхождение хромосом к полюсам клетки с помощью формирования в метафазе своеобразной структуры — ворот­ничка.

В свете последних данных о ведущей роли тубулин-динеиновой механохимической системы в анафазном перемещении хромосом у метазойных клеток весьма вероятно предположить, что эта система присутствует и у диатомовых водорослей, т. е. и здесь имеет место лишь своеобразная комбинация элементар­ных механизмов, общих для всех клеток и обусловливающих механохимические процессы при митозе.

Очевидно, что для анализа этих механизмов, выяснение ко­торых представляет одну из весьма актуальных проблем общей цитологии, перспективным было бы наличие такого объекта, где они четко дифференцированы и морфологически выражены.

Количество подобного рода примеров непрерывно растет. Это обусловлено, с одной стороны, все расширяющимся внедре­нием комплексных современных методов в практику частноци­тологических, протозоологических и ботанических исследований, с другой стороны, накоплением в самих сравнительно-цитологи­ческих исследованиях фактов, которые приобретают все боль­шее значение для общей цитологии и оказываются в центре ее внимания. А все это, в свою очередь, приводит к тому, что срав­нительно-цитологический анализ начинает занимать в цитоло­гии исключительно важное место.

Краткая характеристика основных направлений и аспектов современных общецитологических исследований показывает, что на данном этапе развития цитологии существует как достаточно четкое разграничение отдельных направлений, так и их синтез. Разграничение имеет место и в методическом отношении, и в отношении логики решения конкретных задач, поставленных в пределах каждого из направлений и подходов. В морфофунк­циональном аспекте цитологических исследований доминирует дискретный подход к анализу клеточных структур. Одной из наиболее важных особенностей экспериментального подхода к изучению закономерностей клеточной организации является его ориентация на анализ общих интегрирующих механизмов организации клеточных систем и целостной клетки. При этом, как уже подчеркивалось выше, решение стоящих перед такими исследованиями задач невозможно без широкого использования методов, присущих морфофункциональному подходу. Экспери­ментальный анализ дает феноменологическую характеристику свойств тех или иных клеточных механизмов и внутриклеточ­ных процессов, создавая тем самым необходимую базу для при­менения богатого арсенала структурно-биохимических методов.

Таким образом, на современном этапе развития общей цито­логии имеются предпосылки для весьма тесного объединения этих двух аспектов цитологических исследований. Это и есте­ственно, так как в конечном итоге оба подхода преследуют одну цель — выяснение функциональной организации клеточ­ных структур и механизмов регуляции процессов в целостной клеточной системе.

Сравнительно-цитологический подход к анализу общецитоло­гических проблем занимает в современной общей цитологии особое положение. Сравнительно-цитологический анализ про­водится на основе данных, получаемых на базе морфофункцио­нального и экспериментального подходов, т. е. в методическом отношении все главные аспекты цитологических исследований оказываются тесно связанными друг с другом.

Спецификой сравнительно-цитологического подхода, специ­фикой, обусловливающей его особое положение, является целе­направленное использование разнообразных объектов живой природы для исследования общих закономерностей организации отдельных клеточных структур, внутриклеточных процессов и интегрирующих механизмов во всем многообразии их проявле­ний у различных типов клеток.

Итак, как видно из вышеизложенного, основные направления цитологических исследований в значительной мере определяют специфику современного этапа развития общей цитологии и обусловливают ее тесную взаимосвязь со смежными биологи­ческими науками. Одной из наиболее характерных особенностей этого этапа является тесная взаимосвязь всех важнейших на­правлений цитологических исследований в методическом отно­шении. Больше того, такое методическое комплексирование часто выходит уже за рамки общей цитологии.

В цитологических работах широко используются чисто био­химические и молекулярно-биологические методы, и наоборот, в биохимических и молекулярно-биологических исследованиях широко применяются цитологические морфологические методы. Методическое комплексирование смежных наук и единство их конечных целей обусловили формирование новой синтетической науки о клетке — биологии клетки. Она объединяет цитологию, структурную биохимию, молекулярную биологию, молекулярную генетику и частные биологические науки о клеточном уровне организации. Такое объединение смежных наук, несомненно, прогрессивное явление. Однако, несмотря на подобный синтез, каждая из наук сохраняет и свою методическую специфику, и специфику в постановке и способах разработки проблем орга­низации клеток. В настоящее время доминирующее положение в этой синтетической науке принадлежит исследованиям моле­кулярно-биологического и молекулярно-генетического направле­ний. Такое положение обусловлено бурным прогрессом наших знаний о низших уровнях организации клеток, но оно пред­ставляет собой лишь временное явление.

По сути дела ведущее место в новой синтетической науке о клетке должна занять общая цитология — наука об общих за­кономерностях клеточного уровня организации живой материи. Из современных биологических наук, занимающихся этим уров­нем организации живой материи, общая цитология, расширяя целенаправленный сравнительно-цитологический подход, бази­рующийся на структурно-биохимических методах, наиболее под­готовлена к глубокому общебиологическому обобщению огром­ного фактического материала по дискретному анализу отдель­ных клеточных структур в многочисленных разновидностях кле­ток. Ведущее положение должна занять общая цитология и в анализе общеклеточных интегрирующих механизмов. Важной предпосылкой к этому является бурная разработка новых экспе­риментальных моделей. Их углубленный анализ современными методами и широкое внедрение экспериментальных моделей в целенаправленные сравнительно-цитологические исследования должны обеспечить прогресс в решении одной из основных про­блем организации клеток — проблемы клеточной интеграции.

По мере накопления фактического материала об элементар­ных универсальных механизмах интеграции клетки и размахе их модификаций именно перед общей цитологией стоит задача провести глубокий анализ исторической обусловленности орга­низации частных клеточных систем и клеточной организации в целом, а также специфики эволюционного процесса на клеточ­ном и субклеточном уровнях организации живой материи. Реше­нию этой задачи способствует отчетливо проступающая сейчас в общецитологических исследованиях тенденция к сочетанию дискретного анализа отдельных компонентов клетки с изуче­нием ее кг. к целостной системы.

Источник