Лекции Хомича Цитология

хідно видалити ущільнюючі речовини. З цією метою використовують розчинники парафіну або целоїдину.

Фарбування проводять за спеціальними прописами і залежно від мети досліджень використовують різні барвники. Їх ділять за походженням на натуральні (гематоксилін, кармін) і синтетичні (еозин, фуксин). Натуральні барвники можуть бути рослинного (гематоксилін) і тваринного походження (кармін). За спроможністю певних структур сприймати барвники останні також ділять на основні (ядерні), кислі (цитоплазматичні), нейтральні та індиферентні. Основні барвники – це основи або їх солі (гематоксилін, кармін). Вони фарбують структури, які містять кислотні залишки. Здатність певних структур сприймати основні барвники називають базофілією. Кислі барвники за хімічною природою – це кислоти або їх солі (еозин, фуксин). Вони фарбують структури клітин і міжклітинної речовини, до складу яких входять основи. Структури, які фарбуються кислими барвниками називають ацидофільними (оксифільними). Нейтральні барвники являють собою суміші, які містять основні і кислі барвники (фарба Романовського – Гімза). Індиферентні барвники здатні розчинятися тільки в певних речовинах, виявляючи їх (судани).

Існує багато методів фарбування препаратів за допомогою яких, виявляють певні структури клітин і тканин, що залежить від мети досліджень. Слід відмітити, що є і прижиттєві методи фарбування клітин.

Зафарбовані зрізи обезводнюють, потім просвітлюють у ксилолі та заводять у спеціальне середовище. Мета заведення зрізів у середовище – збереження препаратів у доступному для світлової мікроскопії вигляді. У якості середовища найчастіше використовують бальзам. При заведенні зрізи накривають накривним скельцем.

Крім гістологічних препаратів, для виготовлення яких використовують тонкі зрізи тканин і органів, є і інші види цих препаратів. До складу їх входять мазки (крові, секретів залоз тощо), відбитки (тимуса, лімфовузлів, печінки, слизових оболонок тощо) плівкові препарати (серозних оболонок, волокнистої сполучної тканини, м`якої мозкової оболонки) і тотальні препарати (зародки ранніх стадій розвитку).

Виготовлені препарати вивчають за допомогою світлового мікроскопа – світлова мікроскопія. Існує багато типів і моделей світлових мікроскопів, але всі вони мають єдиний план будови. До їх складу входять три частини: механічна, оптична і освітлювальна. Роздільна здатність світлового мікроскопа – це мінімальна відстань між двома точками на гістопрепараті, які можна розрізнити як окремі.

13

За допомогою сучасних світлових мікроскопів можна розглядати структури більш ніж 0,2 мкм.

Крім описаного вище основного (класичного) методу досліджень у цитології та гістології, використовують і багато інших спеціальних методів.

Гістохімічний метод дає можливість виявити у клітинах і міжклітинній речовині певні речовини (білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти тощо). Цей метод ґрунтується на здатності речовин клітин і міжклітинної речовини реагувати з хімічними реактивами і утворювати зафарбовані продукти реакції.

Авторадіографічним методом вивчають міграцію і локалізацію речовин та їх сполук, які були попередньо помічені радіоактивними ізотопами. У гістологічних зрізах ці речовини виявляють за допомогою фотоемульсії, якою накривають препарат, а потім її проявляють. Після проявлення, у місцях контакту фотоемульсії з радіоактивними речовинами, виявляються засвічені ділянки – треки.

Імуногістологічні методи використовують для ідентифікації окремих видів клітин та речовин, синтезованих у них. Ці методи базуються на реакціях антиген – антитіло.

За допомогою цитоспектрофотометричного методу можна визначити кількісний вміст речовин у клітинах на основі вивчення спектрів поглинання ними світлових променів.

Для дослідження незафарбованих об`єктів використовують фазовоконтрастну, темнопольову і люмінесцентну мікроскопію.

Фазовоконтрастна мікроскопія дає змогу виявити структури,

які мають різні показники заломлення світла.

При темнопольовій мікроскопії застосовують темнопольовий конденсор. Завдяки цьому на темному тлі помітні сріблясті контури об`єктів.

За допомогою люмінісцентної мікроскопії виявляють живі структури на основі люмінісценції – здатності світитися при поглинанні променів короткохвильової частини спектра (первинна люмінісценція). Зазвичай вона слабка. Для її посилення використовують спеціальні барвники (вторинна люмінісценція).

Для дослідження реакцій живих клітин на вилучення або пошкодження її складових застосовують методи мікрургії клітин. При цьому, за допомогою спеціальних мікроманіпуляторів із них вилучають ядро, ядерце, окремі хромосоми тощо.

Крім світлової мікроскопії є ще й електронна мікроскопія. Її ділять на трансмісійну (просвічуючу) і сканувальну. За допомогою сканувального мікроскопа отримують об`ємне зображення об`єкта до-

14

сліджень. Підготовка препаратів для електронної мікроскопії включає такі ж етапи як і для світлової мікроскопії, але вони мають значні особливості. За допомогою електронного мікроскопа можна розглянути структури клітин і міжклітинної речовини менші ніж 0,2 мкм.

Запитання для самоконтролю

1. Які розділи включає дисципліна „Цитологія, гістологія, ембріологія”? 2. Що вивчають цитологія, загальна гістологія, спеціальна гістологія і ембріологія ? 3. З якими дисциплінами пов`язані цитологія, гістологія і ембріологія? 4. Які періоди виділяють у розвитку цитології, гістології та ембріології і чим вони характеризуються? 5. Хто і коли вперше сконструював світловий мікроскоп? 6. Назвіть методи досліджень, які використовують у цитології, гістології та ембріології. 7. Назвіть по порядку етапи виготовлення постійного гістологічного препарату. 8. Назвіть найбільш вживані фіксуючі речовини. 9. Які є критерії класифікації барвників? 10. Які частини входять до складу світлового мікроскопа?

15

ЦИТОЛОГІЯ

Лекція 2. Клітинна теорія. Хімічний склад і загальна характеристика клітин

Клітинна теорія. Види клітин. Визначення еукаріотної клітини. Хімічний склад і фізико-хімічні властивості протоплазми. Загальна характеристика еукаріотних клітин. Клітинні мембрани.

Однією із характерних ознак сучасної біології є бурхливий розвиток цитології – науки про клітину. Не можна назвати хоча б одну біологічну дисципліну, в якій би не розглядалися питання, щодо цитології. Такий інтерес до цієї науки не є випадковим. Це пов`язано з тим, що вона вивчає будову і функції клітин, їх реакції на дію різних факторів внутрішнього та зовнішнього середовища, а також патологічні зміни, які можуть виникати в них. Знання цих особливостей клітин, які є елементарними живими структурними одиницями багатоклітинних організмів, дають можливість глибше зрозуміти їх будову і функції в нормі та при патології.

Першим виявив клітини англійський фізик Роберт Гук у 1665 р. Він розглядав під мікроскопом зрізи кори пробкового дуба і помітив, що вона складається з окремих комірок, які він назвав клітинами (лат. cellula). Р.Гук вважав, що клітини – це пустоти або пори між волокнами рослин. Пізніше М.Мальпігі (1671–1675), Н.Грю (1671), Ф.Фонтана (1671), спостерігаючи рослинні об’єкти під мікроскопом, підтвердили дані Р.Гука, назвавши клітини “міхурцями” й “пухирцями”.

Значний внесок у розвиток мікроскопічних досліджень рослинних і тваринних організмів зробив мікроскопіст-аматор А.Левенгук (1632–1723). Дані своїх спостережень він опублікував у книзі “Таємниці природи” (1695). Ілюстрації до цієї книги чітко демонструють клітинні структури рослинних і тваринних організмів. Однак А.Левенгук не уявляв собі описані морфологічні структури як клітинні утвори. Його дослідження мали випадковий, не систематизований характер.

Упродовж XVII–XVIIІ століть та в першій половині XIX ст. було накопичено численні розрізнені відомості про клітинну будову рослинних і тваринних організмів.

16

Г.Лінк, Г.Травенаріус і К.Рудольф на початку ХІХ століття своїми дослідженнями показали, що клітини – це не пустоти, а самостійні обмежені стінками утвори.

Було встановлено, що клітини мають вмістиме, яке Я.Пуркіньє (1830) назвав протоплазмою. Р.Броун (1831) описав ядро, як постійну частину клітин.

Найвагоміший внесок у розвиток цитології в першій половині ХІХ ст. зробили представники наукових шкіл, які очолювали Я.Пуркіньє і І.Мюллер (1801–1858). Учень І.Мюллера Т.Шванн (1810– 1882) проаналізував дані літератури про клітинну будову рослин і тварин, зіставив їх з власними дослідженнями і опублікував результати в праці “Мікроскопічні дослідження про відповідність у структурі та рості тварин і рослин” (1839). У ній Т.Шванн показав, що клітини є елементарними живими структурними одиницями рослинних і тваринних організмів. Вони мають загальний план будови і виникають єдиним шляхом. Ці тези стали основою клітинної теорії, яка до цього часу є одним із найвизначніших відкриттів у біології. Клітинна теорія докорінно вплинула на розвиток біології. Вона довела єдність живої природи і показала структурну одиницю цієї єдності, якою є клітина.

Інтенсивний розвиток цитології в ХІХ і ХХ століттях підтвердив основні положення клітинної теорії і збагатив її новими даними про будову та функції клітин. У цей період було відкинуто окремі неправильні тези клітинної теорії Т.Шванна, а саме, що окрема клітина багатоклітинного організму може функціонувати самостійно, що багатоклітинний організм є простою сукупністю клітин, а розвиток клітин відбувається з неклітинної “бластеми”. Наукові дані, отримані цитологами, ембріологами та фізіологами, показали, що клітини багатоклітинних організмів є його складниками, вони мають загальні принципи будови, проте вони не однакові, а різні. Їх різноманітність зумовлена специфікою виконуваних ними функцій. Життєдіяльність окремої клітини багатоклітинного організму за його межами неможлива, оскільки діяльність окремих клітин та їхніх угруповань підпорядкована єдиному цілому. Було встановлено, що клітини розмножуються шляхом поділу.

У сучасному вигляді клітинна теорія включає такі основні положення:

1. Клітина є найменшою одиницею живого, якій притаманні всі властивості, що відповідають визначенню “живого”. Це обмін речовин і енергії, рух, ріст, подразливість, адаптація, мінливість, репродукція,

17

старіння і смерть. Усі неклітинні структури, з яких крім клітин побудований багатоклітинний організм, є похідними клітин.

2.Клітини різних організмів мають загальний план будови, який зумовлений подібністю загальноклітинних функцій, спрямованих на підтримання життя власне клітин та їх розмноження. Різноманітність форм клітин є результатом специфічності виконуваних ними функцій.

3.Розмноження клітин відбувається шляхом поділу вихідної клітини з попереднім відтворенням її генетичного матеріалу.

4.Клітини є частинами цілісного організму, їхні розвиток, особливості будови та функції залежать від усього організму, що є наслідком взаємодії у функціональних системах тканин, органів, апаратів і систем органів.

Клітини поділяють на ядерні – еукаріотні і без’ядерні – прокаріотні. Тваринні організми побудовані з еукаріотних клітин. Тільки червоні клітини крові ссавців – еритроцити не мають ядер. Вони втрачають їх у процесі свого розвитку.

Визначення клітини змінювались залежно від пізнання їх будови та функції. За сучасними даними, клітина – це обмежена активною

оболонкою, структурно впорядкована система біополімерів, які утворюють ядро і цитоплазму, беруть участь у єдиній сукупності процесів метаболізму і забезпечують підтримання та відтворення системи в цілому.

Хімічний склад протоплазми. Речовину, яка утворює клітину, називають протоплазмою. До її складу входить більшість відомих хімічних елементів. З них 99,9% – макроелементи і 0,1 % – мікрота ультрамікроелементи. Основними макроелементами протоплазми є C, H, O і N. Вони становлять 96% усіх макроелементів. У зв`язку з цим їх часто називають органогенними хімічними елементами. 3,9% макроелементів – це S, P, K, Ca, Na, Cl, Fe та ін. До мікро- і ультрамікроеле-

ментів належать Cu, Co, Zn, Mn, Ni, Sr, Ba, Be, I, Pb, Zi, F та ін.

Окремі клітини, тканини та органи різняться між собою складом і кількістю елементів. Так, у кістках багато Са і Р, у щитоподібній залозі – I, в крові – Fe, в печінці – Cu, в шкірі – Sr. Ці відмінності визначають і особливості їхньої будови та функції.

Усі елементи, з яких побудована протоплазма, потрапляють в організм із зовнішнього середовища в результаті обміну речовин. Однак їх кількість у протоплазмі здебільшого не відповідає кількості та поширенню цих елементів в окремих зонах земної кори. В останній, як відомо, переважають О, Si, Al, Na, Ca, Fe, Mg і P.

Хімічні елементи, що входять до складу протоплазми, утворюють складні органічні та неорганічні речовини, які взаємодіють між

18

собою і беруть участь у біологічних процесах. Пізнання будови цих речовин, їх взаємодії та взаємодії структур, які вони утворюють, є ключем до розкриття таємниць життєвих процесів клітини.

Органічні речовини – це переважно, біополімери. Їхні молекули мають велику молекулярну масу. Вони складаються з простих речовин, які називають мономерами. Останні, сполучаючись у певній послідовності один з одним, формують довгі ланцюги, на яких відбуваються складні хімічні реакції. Зміна послідовності сполучених мономерів та просторового розміщення полімерних ланцюгів призводить до зміни властивостей протоплазми.

До основних органічних речовин належать білки, нуклеїнові кислоти, нуклеотиди, ліпіди та вуглеводи.

Білки становлять 10–20% сирої маси протоплазми. За хімічним складом вони є сполуками С (50%), О (25%), N (16%), Н (8%), S (0,3– 2,5%). До складу окремих білків можуть входити й деякі інші макрота мікроелементи. Більшість білків складаються лише з амінокислот. Такі білки називають простими, або протеїнами. До них належать альбуміни, глобуліни, молочний казеїн, еластин, фібриноген, колаген, міозин, актин та ін. Якщо до складу білків крім амінокислот входять небілкові структури, їх називають складними, або протеїдами. Останні поділяють на глікопротеїди – сполуки білків з вуглеводами (глікозаміноглікани); нуклеопротеїди – сполуки білків з нуклеїновими кислотами; фосфопротеїди – сполуки білків із залишками фосфатної кислоти (казеїноген, вітеленін, вітелін, пепсин); ліпопротеїди – сполуки білків з ліпідами (елементарна біологічна мембрана) і хромопротеїди

– сполуки білків з пігментними речовинами (гемоглобін, родопсин, міоглобін).

Залежно від форми білки поділяють на глобулярні та фібрилярні. Глобулярні білки мають кулясту, овальну або еліпсоподібну форму молекул (білки молока, антитіла, ферменти). Для фібрилярних білків характерна ниткоподібна форма молекул (міозин, кератин волосся).

Білки виконують численні функції в організмі тварин. Основними з них є структурна, обмінна, захисна та акцепторно-транспортна. Структурна функція білків зумовлена тим, що вони є складовими частинами всіх компонентів клітини. З білків побудований скоротливий апарат клітин (актин, міозин, тубулін). Білки входять до складу ферментів, що є каталізаторами реакцій, які забезпечують обмін речовин. З білків глобулінів побудовані антитіла, які формують загальний імунітет. Білки, що входять до складу гемоглобіну й міоглобіну, здатні

19

приєднувати і переносити Оксиген. В окремих випадках білки можуть бути джерелом енергії (глюконеогенез).

Нуклеїнові кислоти – це ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота). ДНК входить до складу хроматину ядра клітин. Невелика її кількість міститься також у мітохондріях. ДНК є носієм генетичної інформації. Вона реалізує цю інформацію, створюючи апарат білкового синтезу. РНК здійснює синтез білка. Вона міститься в ядрі, цитоплазмі і поділяється на інформаційну, транспортну та рибосомну. Всі види РНК синтезуються на молекулах ДНК.

Нуклеїнові кислоти побудовані з нуклеотидів. До складу нуклеотидів входять вуглеводи, азотисті основи та залишок фосфорної кислоти. Вуглеводи в молекулі ДНК представлені дезоксирибозою, в РНК – рибозою. До складу ДНК і РНК входять чотири нуклеотиди. Кожен з них включає крім вуглеводів та залишків фосфорної кислоти одну з чотирьох азотистих основ: двох пуринових – аденіну (А) і гуаніну (Г) і двох піримідинових – тиміну (Т) і цитозину (Ц). У РНК замість цитозину до складу одного з нуклеотидів входить азотиста основа урацил (У). Під час утворення молекули нуклеїнових кислот нуклеотиди сполучаються один з одним за допомогою вуглеводів і залишків фосфорної кислоти, утворюючи ланцюги.

Молекула ДНК складається з двох спіральних ланцюгів, нуклеотиди яких сполучаються один з одним через азотисті основи (рис. 1). При цьому аденін сполучається тільки з тиміном, а гуанін – з цитозином. Такі зв’язки називають комплементарними.

В окремі періоди життєвого циклу клітин ДНК може самовідтворюватись, або бути матрицею, на якій формуються молекули РНК. Процес самовідтворення починається з розриву зв’язків між азотистими основами ланцюгів, внаслідок чого подвійний ланцюг молекули ДНК ділиться. До кожного з ланцюгів на основі комплементарних зв’язків приєднуються вільні нуклеотиди з оточуючого середовища. У результаті цього утворюються дві однакові молекули. Цей процес називають редуплікацією. Він лежить в основі збереження генетичної інформації та її передавання під час поділу клітин.

РНК складається тільки з одного ланцюга нуклеотидів, які мають негативний заряд. Її молекула має вигляд витягнутого ланцюга, який може збиратися в складки. Утворення молекул РНК починається після роз’єднання подвійного ланцюга молекули ДНК. До нуклеотидів одинарного ланцюга ДНК з оточуючого середовища за правилом комплементарності приєднуються вільні нуклеотиди, тільки до аденіну замість тиміну приєднується урацил. Між приєднаними нуклеотидами формується зв’язок, після чого сформована молекула РНК відділяєть-

20

ся від ДНК. Вона несе в собі інформацію про послідовність сполучення нуклеотидів і бере участь у синтезі білка.

У протоплазмі крім нуклеотидів, з яких утворюються молекули нуклеїнових кислот є нуклеотиди, що містять кілька залишків фосфорної кислоти. До них належать адено-

зинтрифосфорна кислота (АТФ). Під дією ферментів від АТФ відщеплюються окремі залишки фосфорної кислоти. Цей процес супроводжується виділенням енергії, яка використовується для забезпечення всіх фізіологічних процесів клітин. Таким чином, АТФ є акумулятором і переносником енергії.

Крім АТФ, таку функцію виконують також інші нуклеотиди: трифосфати уридину, цитидину та гуанозину (УТФ, ЦТФ, ГТФ).

Ліпіди становлять 2–3% сирої маси протоплазми і за хімічною природою є сполуками Карбону, Оксигену і Гідрогену (С, О і Н). Вони складаються з гліцерину і жирних кислот. До їх складу можуть входити й інші речовини. Ліпіди виконують структурну функцію. Вони входять до складу елементарних біологічних мембран клітин і стероїдних гормонів. Крім того, ліпіди є важливим енергетичним матеріалом. Під час їх окиснення утворюється значна кількість енергії.

Вуглеводи становлять 1–1,5% сирої маси протоплазми. Вони, як і жири, є сполуками Карбону, Оксигену і Гідрогену. В живій речовині вуглеводи містяться у вигляді моноцукридів (глюкоза, галактоза, фруктоза) та їх сполук: олігоцукридів (цукроза, мальтоза, лактоза) та поліцукридів (глікоген). Вуглеводи є енергетичним матеріалом. Вони

21

виконують також структурну функцію, входячи до складу оболонки клітин, міжклітинної речовини, нуклеїнових кислот, секрету багатьох залоз, утворюють окремі біологічно активні речовини (гепарин).

Неорганічними речовинами протоплазми є вода і мінеральні речовини.

Вода становить 70–80% сирої маси протоплазми. У живій речовині вона перебуває у вільному і зв’язаному стані. Вода у вільному стані є розчинником. У вигляді розчинів у клітину надходять різні речовини і виділяються з неї продукти обміну. Вільна вода є середовищем, у якому відбуваються численні біохімічні реакції. Вона ж запобігає перегріванню клітин. Зв’язана вода утворює сольватні оболонки макромолекул різних речовин. Втрата води живою речовиною призводить до зниження і припинення біологічних процесів, які в ній відбуваються.

Мінеральні речовини становлять 5–6% сирої маси протоплазми. Разом з іншими речовинами вони беруть участь в обміні речовин. Найпоширеніші в організмі тварин солі фосфатної, сульфатної, карбонатної (вугільної) та хлоридної (соляної) кислот. Мінеральні речовини у вигляді розчинів підтримують кислотно-лужний стан, що визначає реакцію середовища, в якому відбуваються життєві процеси в клітинах. Вони зумовлюють осмотичний тиск, від якого залежить транспорт речовин із навколишнього середовища в клітину і навпаки, а також їх переміщення в клітині. Мінеральні речовини впливають на колоїдний стан протоплазми. Вони входять до складу багатьох органічних сполук (фосфоліпіди, нуклеопротеїди) і ферментів. У кістковій тканині мінеральні речовини виконують механічну функцію, надаючи їй міцності.

Фізико-хімічні властивості протоплазми. Протоплазма – без-

барвна речовина з густиною 1,03. Її фізико-хімічні властивості визначаються станом речовин, з яких вона утворена. Більшість речовин протоплазми перебувають у стані колоїдних розчинів, тільки окремі речовини – у стані істинних розчинів. Колоїдний розчин є двофазною системою, що складається з розчинника – дисперсійного середовища і колоїдних часточок – дисперсної фази. Дисперсійне середовище утворює вода, а дисперсну фазу – макромолекули органічної речовини. Останні мають здатність до полімеризації й агрегації. Агрегація молекул відбувається в результаті адсорбції, що лежить в основі багатьох життєвих процесів, які відбуваються в клітині, зокрема в процесах дихання та живлення клітин. В адсорбованому стані виявляється дія й більшості ферментів. Колоїдні часточки називають міцелами. Вони мають однойменний заряд і сольватну оболонку.

22