Введение в цитологию

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ЦИТОЛОГИЮ Ранние этапы развития цитологии Любая наука начинает активно развиваться, когда появляются методы, с помощью которых можно изучать необходимые объекты. Цитология наука о клетках – мельчайших живых структурах, имеющих обмен веществ и способных к размножению. Название цитология происходит от греческого слова kytos, что означает ячейка, клетка. У большинства организмов размеры клеток так малы, что их невозможно различить невооруженным глазом. Поэтому цитология начала развиваться с появлением и усовершенствованием световой микроскопии. Первые клетки наблюдал английский естествоиспытатель Роберт Гук в 1665г под микроскопом собственной конструкции. Это были клетки коры пробкового дуба. Первая книга, которая дает начало цитологии как науке о форме, структуре, функции и эволюции клеток, вышла в свет в 1884 году. Ее автор Ж.- Б. Карнуа. Он назвал сою книгу «Биология клетки». Таким образом, начиная с первого описания клетки, понадобилось больше 200 лет, прежде чем разрозненные знания о клетке сложились в систему и дали начало новой науке – цитологии. Современная цитология – это наука, которая изучает особенности строения, делении и жизнедеятельности клеток, присущие всем клеткам организма. Ученые выделяют частную цитологию. Эта наука изучает клетки конкретных тканей и органов в связи с уникальностью их функций. Первые шаги в развитии новой науки сопровождались усовершенствованием светового микроскопа и развитием новых методов микротехники – методов приготовления окрашенных препаратов, на которых под микроскопом можно увидеть не только границы клетки, но и структуры внутри нее: ядро, живую протоплазму, хлоропласты, синцитий – структуру из делящихся клеток, соединенных цитоплазматическими мостиками, кроме того и изучить процессы деления клеток. Называя свою книгу «Биология клетки», Ж. – Б. Карнуа опередил время. Все чаще в современной биологии с конца ХХ века употребляется именно такое название науки цитология, которая является описательной морфологической наукой. Биология клетки – это современная экспериментальная наука, которая изучает физиологию клетки на молекулярном уровне, регуляцию ее работы, адаптацию к изменяющимся условиям окружающей среды. В основе биологии клетки лежат знания, полученные учеными - цитологами на протяжении полутора веков. Основные вехи в описании клеточных структур с помощью световой микроскопии 1665г – Р. Гук описал небольшие структуры в срезах коры пробкового дуба и назвал их клетками. 1674г – А. Левенгук открыл одноклеточные организмы, клеточной состав крови. Спустя 9 лет, увидел бактерии. 1833г – Р. Броун в клетках орхидей описал ядра. 1838г – Т. Шванн сформулировал клеточную теорию, используя обобщения М. Шлейдена о клеточном строении растений. 1846г – 1852г – Вводится термин «протоплазма» для обозначения тела живой клетки. 1855г – 1858г – Р. Вирхов установил, что клетки не могут образовываться из бесклеточного вещества, всякая клетка происходит только из клетки путем деления. 1876г – 1879г – Э. Страсбургером описан митоз в растительных клетках. 1876г – Е. Ван Бенеден открыл клеточный центр. 1882г – В. Флеминг описал поведение хромосом в митозе животной клетки. 1875г – 1884г – Открыто, что при оплодотворении сливаются ядра половых клеток, как у растений, так и у животных (Э. Страсбургер, Е. Ван Бенеден, О. Гертвиг). 1882г – В. Флеминг описал мейоз в клетках животных. 1888г – Э. Страсбургер описал мейоз в клетках растений. 1894г – Открытие биобластов Р. Альтманом, в 1897 г эти структуры были названы митохондриями. 1898г – Открыт аппарат Гольджи итальянским ученым К.Гольджи. Описанием клеточных структур цитология не заканчивается. После описания клеточных структур с помощью световой микроскопии начинается изучение их функций, проводится исследование сложных процессов деления и оплодотворения, выясняется биологическое значение этих процессов. Эти исследования проводятся с начала ХХ века, когда в цитологии начинают использоваться совершенно новые методы – методы культивирования клеток вне организма, цитохимии, а с середины ХХ века методы авторадиографии, фракционирования клеток и электронной микроскопии. Вопросы 1. Почему цитология, как наука, начала активно развиваться только к концу XIX века? 2. Назовите имена ученых, которые внесли значительный вклад в становление цитологии. Микротехника Размеры клеток имеют величины, выраженные в микрометрах (мкм). Микрометр – это тысячная доля миллиметра, т.е. 1мм = 1000мкм. Большинство клеточных структур составляют десятые доли микрометра. Такие структуры можно увидеть только с помощью микроскопов. Первые простейшие микроскопы были изобретены в конце XVI века и представляли систему линз над предметным столиком. С помощью такого микроскопа нельзя было увидеть клетки, он не давал достаточного увеличения. В XVII веке микроскоп был усовершенствован, и его использовали в своих наблюдениях Роберт Гук и Антуан Левенгук, делая простейшие открытия о клеточном строении коры дерева, крови, мужского эякулята, о наличии одноклеточных существ в водном настое сены. В XVIII веке стали накапливаться данные о клеточном строении растений и некоторых животных. Клетки описывались как прозрачные ячейки, имеющие оболочку. В начале XIX века появляются зачатки микроскопической техники – способы приготовления тонких срезов тканей животных. Так, чешский исследователь Я. Пуркинье и его ученики разработали и использовали микротом для приготовления тонких срезов спинного мозга, мозжечка и других тканей, окраску срезов, в результате чего было описано живое содержимое клетки – протоплазма. Использование специальных красителей делает внутреннюю структуру клетки более контрастной, что позволило в тридцатые годы XIX века сформировать представление о наличии ядра в клетках растительного и животного происхождения. Во второй половине XIX века световой микроскоп был еще раз усовершенствован, была изменена его конструкция. Освещение препарата стали производить снизу через систему линз конденсора. За счет применения объективов и окуляров повысилась разрешающая способность микроскопов, появилась возможность различать в клетке не только ядро и протоплазму, но и другие более мелкие структуры. Конструкция современных световых микроскопов, которые студенты используют на своих занятиях, мало чем отличается от совершенных микроскопов второй половины XIX века. Любой современный световой микроскоп имеет в своем составе три оптические системы, работающие совместно: конденсор, объектив и окуляр (рис.1). Конденсор представляет собой систему линз, которые позволяют сфокусировать источник освещения и осветить объект снизу, так, чтобы лучи света проходили через тонкий срез. Конденсор имеет диафрагму, которая позволяет регулировать интенсивность освещения, делая его ярче или слабее. Лучи света, пройдя через срез, фокусируются объективом. Именно объектив создает первичное увеличение объекта, дает его разрешение, позволяет увидеть мельчайшие структуры клетки. Окуляр увеличивает изображение, построенное объективом, и направляет его в глаз исследователя. Разрешение объекта остается таким, каким его сделал объектив. Общее увеличение объекта будет равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра. На занятиях по цитологии чаще всего используется объектив с увеличением Х40, а окуляр, дающий увеличение в 15 раз, тогда общее увеличение будет записываться: 40Х15. Нетрудно посчитать, что это увеличение в 600 раз. Принято записывать увеличение препарата 40 Х 15, такая запись показывает разрешение объекта, какие детали должны быть выявлены на препарате, объектив с каким увеличением использовался для анализа препарата. Световой микроскоп имеет важную характеристику – разрешающую способность. Это минимальное расстояние между двумя точками, которые видны раздельно. Для современных световых микроскопов разрешающая способность равна 0,2 мкм, что соответствует средним размерам митохондрий. То есть под световым микроскопом при максимальном его разрешении, митохондрии будут видны в виде точек с минимальными размерами. Примерно также будут выглядеть и многие другие органеллы цитоплазмы животной клетки. В растительной клетке есть более крупные структуры – хлоропласты и другие пластиды, которые имеют размер несколько микрометров. Причиной того, что мелкие структуры клетки видны в световой микроскоп нечетко, является эффект оптической дифракции. В микроскопе яркая точка будет увеличена и выглядит как яркое пятно. Два близлежащих точечных объекта дают перекрывающиеся изображения пятен, которые сливаются и дают одно пятно. Живые клетки бесцветны и прозрачны. Их показатель преломления близок к показателю преломления окружающего раствора. Поэтому трудно рассматривать неокрашенные клетки под микроскопом. В начале XIX века ученые стали использовать цветные красители, которые делали клеточные структуры более контрастными и видимыми в световой микроскоп. Сейчас красителей очень много. Некоторые из них окрашивают преимущественно определенные клеточные органеллы. Наиболее часто используемые красители для выявления общей морфологии клеток – гематоксилин и эозин. Гематоксилин имеет сродство к отрицательно заряженным молекулам, поэтому выявляет распределение в клетках дезоксирибонуклеиновой кислоты и кислых белков. Окрашивание клеток гематоксилином приводит к выявлению структур ядра: хроматина, хромосом, ядрышка. Эти структуры окрашиваются в сине-фиолетовые цвета. После окрашивания гематоксилином препарат помещают в раствор эозина, который окрашивает все остальные структуры клетки в розовый цвет. На розовом фоне цитоплазмы будет четко выявляться контрастная фиолетовая структура ядра. Наибольшие успехи в описательной цитологии были достигнуты, когда в XIX веке научились делать постоянные, длительно хранящиеся окрашенные препараты клеток и тканей. Приготовление таких препаратов трудоемко и включает ряд этапов. Первый этап – взятие материала для исследования и фиксация небольшого кусочка ткани (0,5 см3). Цель этого процесса быстро убить клетки, но предотвратить распад клеточных структур. Чаще всего в качестве фиксаторов для световой микроскопии используют формалин, спирт, пикриновую кислоту, смеси формальдегида с этиловым спиртом, хотя известны сложные смеси многокомпонентных фиксаторов. После фиксации из кусочка ткани нужно приготовить тонкие срезы толщиной 5 – 10 мкм на специальном приборе микротоме с помощью очень острого металлического ножа (лезвия). Чтобы срезы получились тонкими, кусочек ткани после фиксации обезвоживают с помощью серии спиртов повышающейся концентрации и ксилола, затем пропитывают расплавленным парафином при 560С. При комнатной температуре парафин застывает, и кусочек ткани становится твердым, он готов для приготовления срезов. Приготовленные срезы помещают на предметное стекло, растворяют парафин ксилолом, постепенно замещают ксилол водной средой с помощью растворов этилового спирта убывающей концентрации. Затем препарат окрашивают в водном растворе красителя. После окрашивания препарат опять обезвоживают и заключают в каплю канадского бальзама под покровное стекло. Такой препарат может храниться очень долго, на протяжении нескольких лет. Совокупность приемов и методов приготовления и анализа с помощью световой микроскопии называется микротехникой. В ХХ веке были разработаны световые микроскопы, позволяющие более детально изучать живые неокрашенные клетки. Это – интерференционная микроскопия, поляризационная микроскопия, разнообразные приставки к обычному световому микроскопу – фазово-контрастная микроскопия и метод темного поля. Вопросы написать в тетрадь для домашних работ 1. Какой размер имеют клетки? 2. Перечислите компоненты микроскопа, принимающие участие в построении изображения. Какую функцию они выполняют? 3. Для чего используется фиксация? Приведите примеры фиксаторов. 4. Перечислите этапы приготовления постоянных препаратов. Клеточная теория Развитие световой микроскопии и техники приготовления препаратов позволило в тридцатых годах XIX века сформировать представление о таких клеточных компонентах, как протоплазма и ядро. Впервые это обсуждается в работах Я. Пуркинье и Р. Броуна. Чуть позже немецкий ботаник М. Шлейден обобщил накопленные данные о сходстве строения клеток растений. Он высказал гипотезу о том, что все растения состоят из клеток, но клетки растений образуются путем кристаллизации жидкости вокруг ядра, и появление клеточной структуры растения связано с его жизнедеятельностью. В 1838 г Т. Шванн обобщил данные о клеточном строении и растений, и животных и сформулировал представление о клетке, как структурной единице всех живых организмов. Он писал: «Клетки – это организмы, а растения и животные представляют собой агрегаты этих организмов, построенные по определенным законам». Вместе с тем и Шлейден, и Шванн считали, что клетки могут образовываться из бесструктурного вещества, и главной структурой, которая обеспечивает особенности клетки, является клеточная оболочка. По мере развития техники микроскопирования накапливались данные о развитии живых организмов, и во второй половине XIX века утрачивается представление о возможности образования клеток из бесструктурного вещества. Наоборот, утверждается представление немецкого микроскописта и патологоанатома Р. Вирхова о том, что всякая клетка происходит из клетки путем деления. Рост организма происходит за счет деления клеток. Таким образом, в 50-е годы XIX века клеточная теория была представлена тремя положениями: 1) клетка – элементарная минимальная единица жизни, 2) каждая клетка происходит из себе подобных, 3) организм представляет собой совокупность клеток. К концу XIX века в связи с усовершенствованием микроскопов и микроскопической техники складывается представление о сложной организации клеток, о двух процессах клеточного деления – митозе и мейозе, об особенностях и значении этих процессов, закладываются знания о процессе оплодотворения. В ХХ веке в руках исследователей появляются совершенно новые методы исследования, которые позволяют изучать не только морфологию клеток, но и сложные этапы метаболизма. При помощи этих методов удалось связать структуру органоидов клетки с функцией, которую они выполняют. Это методы специфического окрашивания различных классов крупных клеточных молекул, методы слежения за структурными компонентами биополимеров в метаболических путях клетки. Развиваются биохимические подходы, активно изучается метаболизм клетки. В 30-е годы ХХ века на разных объектах растительного и животного происхождения показывается общность метаболических путей. И в эти годы формируется представление о том, что единство клеточных структур основано не только на морфологии, но и на единстве химической организации, и единстве всех процессов метаболизма. И, наконец, в период между 1953 и 1966 годами была раскрыта природа и пути передачи наследственной информации, доминирующая роль ДНК в этом процессе. На основе этих открытий сформулировано основное положение клеточной биологии: во всех клетках ДНК является носителем наследственной информации, на ней, как на матрице синтезируются молекулы РНК, которые играют главную роль в реализации наследственной информации в процессе биосинтеза белка. Это положение характерно как для клеток прокариот, так и для клеток эукариот. Таким образом, в настоящее время описаны структуры почти всех клеточных органоидов, определены их основные функции, ученые вплотную подходят к изучению регуляции всего многообразия клеточных процессов и в норме, и в условиях патологии – болезни клетки. На современном уровне клеточная теория формулируется следующим образом: клетка – элементарная единица всего живого; клетки различных организмов гомологичны между собой, то есть имеют общее происхождение и общие черты организации; каждая клетка образуется путем деления из исходной клетки, рост организма осуществляется за счет деления клеток митозом; многоклеточные организмы представляют собой сложные клеточные системы, объединенные в ткани и органы, связанные между собой тремя формами регуляции: межклеточными взаимодействиями, гуморальными и нервными. Клеточная теория – это основной закон биологии, он подчеркивает общность организации всех клеток и единство происхождения всего живого на Земле. Кроме того, этот закон имеет и практическое значение. Поскольку в нем говорится о гомологии всех клеток, то информация, полученная для одних клеточных типов, может быть использована для общей характеристики других классов клеток. Так, очень много информации о функциях клеток человека было получено при изучении менее сложных организмов, например, клеток дрожжей. Их легко выращивать в лаборатории, с ними легко ставить эксперименты. Эукариотические клетки дрожжей стали моделью для изучения процессов секреции и регуляции клеточного деления. Беспозвоночные организмы: небольшая нематода (Caenorhabditis elegans) и плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster), служат прекрасными моделями для изучения программируемой клеточной смерти и процессов специализации клеток. Чем лучше ученые понимают работу простых клеточных систем, тем больше узнают о клетках человека. Вопросы написать в тетрадь для домашних работ 1. В какое время было сформулировано представление о клетке, как единице всего живого? Какие учение внесли вклад в формирование этой гипотезы? 2. В какое время накопились знания о сложной организации клеток, о процессах клеточного деления? 3. Дайте современную формулировку клеточной теории. 4. В чем теоретическое и практическое значение клеточной теории? Клетки прокариот и эукариот Живые клетки появились на Земле, видимо, около 3,5 – 4 миллиардов лет тому назад. Одно из наиболее удивительных свидетельств общности происхождения всех клеток и совместной ранней эволюции – это универсальность генетического кода: организация триплетов нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот, которые кодируют аминокислоты, входящие в состав белков. Генетический код почти не отличается у всех современных организмов, следовательно, такой способ кодирования генетической информации появился и закрепился на ранних стадиях эволюции. Ранние этапы клеточной эволюции связаны с распространением в разных средах обитания небольших клеток размером 1 – 2 мкм с простой внутренней организацией. Это клетки прокариот. Форма клеток может быть сферической, удлиненной или более сложной (извилистой). Они имеют плазматическую мембрану, которая служит барьером для транспорта молекул между внутренней средой клетки и ее окружением. В клетке имеется цитоплазма, в центральной части клетки находится одна двуспиральная молекула ДНК, обычно замкнутая в кольцо. В цитоплазме расположены рибосомы, мельчайшие органоиды, способные синтезировать белок из аминокислот по заданной программе, записанной в матричных РНК (мРНК). В цитоплазме таких клеток могут храниться вещества запаса, чаще всего представленные нерастворимыми гранулами гликогена. Отличительной особенностью клеток прокариот является наличие сложной, объемной (до 30 % сухого веса), защитной оболочки, которая иначе называется клеточной стенкой (рис.2). Поскольку в этих клетках происходят активные синтетические процессы, требующие больших затрат энергии, то клетке необходимы молекулы – носители энергии. Такими молекулами являются АТФ. В процессе дыхания молекулы АТФ образуются на складчатых выростах плазматической мембраны, направленных внутрь клетки, называемых мезосомами. К прокариотам относятся бактерии, синезеленые водоросли, иначе их называют цианобактериями, и микоплазмы. Бактерии – это наиболее простые одноклеточные организмы, обнаруженные в самых разнообразных средах обитания. Они легко приспосабливаются к окружающей среде, очень быстро размножаются. Каждые 20 – 30 минут после удвоения кольцевой молекулы ДНК клетка делится надвое, если в среде обитания достаточно веществ, способных обеспечить все процессы энергией. Бактерии живут на Земле дольше других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток. В настоящее время хорошо изучен генетический материал бактериальных клеток, и показано, что в составе кольцевой ДНК находится около 5000 генов, кодирующих разнообразные белки бактерий. Цианобактерии, в ботанической литературе их называют синезелеными водорослями, сходны по простоте организации с бактериями, обитают в водной среде. Они имеют клеточную стенку, сходную по химическому составу с бактериями, аналогично бактериям у них организован генетический аппарат и все клеточные структуры. Цианобактерии в несколько раз крупнее обычных бактериальных клеток. Главная их особенность – способность к фотосинтезу, который происходит на особых мембранных образованиях внутри прокариотической клетки. Микоплазмы – мельчайшие клеточные организмы прокариотического типа. Их размер примерно 0,3 мкм, что соответствует среднему размеру митохондрий, имеющихся в эукариотической клетке. Чаще всего микоплазмы являются паразитами, обитающими в растительных или животных клетках. Паразитический образ жизни привел к упрощению организации этих клеток. Они утратили клеточную стенку, границей этих клеток служит плазматическая мембрана. Их молекула ДНК в несколько раз меньше ДНК обычной бактериальной клетки. В ней закодировано всего несколько сот белков, обеспечивающих жизнедеятельность микоплазм. Большинство необходимых молекул микоплазмы получают из клетки, в которой они паразитируют. Примером может служить микоплазма, паразитирующая в эпителиальных клетках половых путей человека, являясь причиной хронических воспалений половых путей. На эволюционном пути клеточного развития имеется важная веха. Приблизительно 1,5 миллиарда лет тому назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой организацией – прокариот, к большим по размерам и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам – клеткам растений, грибов и животных. Главные отличия эукариотических клеток: 1.Эукариотические клетки имеют оформленное ядро со сложной структурой организации. 2.Они гораздо крупнее прокариотических клеток, их средний размер несколько десятков микрометров. 3.В цитоплазме имеются органоиды, окруженные мембраной, и цитоскелет белковой природы, обеспечивающий движение органелл и самой клетки. 4.Деление эукариотических клеток – это сложный процесс, связанный с образованием хромосом, веретена деления и распределением хромосом между дочерними клетками. Основной тип деления эукариотической клетки – митоз. 5.Оболочки эукариотических клеток отличаются по химическому составу и строению от клеточной стенки прокариот. Рассмотрим схему строения растительной и животной клетки с учетом данных электронной микроскопии (рис.3).Анализ схемы показывает, как много общего между этими клетками: организация и структура ядра, наличие плазматической мембраны, цитоплазмы, органоидов цитоплазмы, таких как эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы, микротрубочки. Следовательно, даже если рассматривать только морфологию растительной и животной клетки, не учитывая функции органоидов, можно говорить о гомологии этих клеток. Однако в организации этих клеток есть и различия. Различия объясняются, прежде всего, тем, что растительные и животные клетки характеризуются разным типом питания. Животные клетки являются гетеротрофами, они получают большинство органических молекул из окружающей среды в процессе питания, это – сахара, аминокислоты, органические кислоты. Растительные клетки – автотрофы. Они могут аккумулировать солнечную энергию, превращая ее в энергию химических связей. За счет фотосинтеза в растительной клетке образуются сахара, аминокислоты, жиры, белки и углеводы. Для этого в растительной клетке есть специальные органоиды – хлоропласты, которые функционально связаны и с другими пластидами. Синтезируя питательные вещества, растительная клетка может не передвигаться, поэтому у нее присутствует прочная твердая оболочка поверх плазматической мембраны. Особенности жизненной организации привели к образованию большой центральной вакуоли, которая является резервуаром для воды, обеспечивает напряженность клетки и является местом отложения продуктов обмена веществ. Особенности жизнедеятельности растительной клетки объясняют и небольшие особенности в организации цитоскелета. Анализ сходства и различия в организации эукариотических и прокариотических клеток показал, что эти клетки устроены по-разному. Но, тем не менее, можно говорить о гомологии и между этими клетками. Общие черты их организации состоят в следующем: все типы клеток имеют плазматическую мембрану, цитоплазму, наследственная информация однотипно закодирована в молекулах ДНК, реализация наследственной информации происходит в процессе синтеза белка на рибосомах с помощью молекул РНК, носителем энергии во всех типах клеток являются молекулы АТФ. Таким образом, первое положение клеточной теории, говорящее о том, что клетка – это элементарная единица всего живого, и все клетки гомологичны между собой, опирается на единство происхождения и основу принципов организации клеток прокариот и эукариот. Вопросы написать в тетрадь для домашних работ 1. Приведите примеры представителей прокариот. 2. Опишите организацию прокариотической клетки. 3. В чем особенности организации цианобактерий и микоплазм? 4. Какие размеры имеет прокариотическая клетка? 5. Чем эукариотические клетки отличаются от прокариотических? 6. Что общего между клетками растений и животных? 7. Какие особенности есть в организации растительной клетки и с чем это связано? 8. Почему мы говорим о гомологии всех типов клеток? Ключевые понятия цитологии: дифференцировка, стволовые клетки, тотипотентность клеток и ядер Дифференцировка клеток. В организме человека сегодня различают более 200 разнообразных клеточных типов, выполняющих разные функции и имеющих особенности организации. Вспомним простые примеры дифференцированных клеток: клетки эпителия, нервной, мышечной и соединительной ткани (рис.4). Среди них есть и безъядерные клетки – эритроциты млекопитающих, в том числе и человека. Эти эукариотические клетки в процессе созревания утратили ядро, а с ним и способность к делению. Разнообразие клеток многоклеточных организмов связано с тем разнообразием специфических функций, которые выполняют клетки. Процесс, который приводит к образованию узко специализированных клеток со специфическими структурами, называется дифференцировкой. Дифференцировка – это сложный и часто длительный процесс. Клетка постепенно меняет форму, в ней изменяется состав органоидов, некоторые органоиды могут размножаться, например, митохондрии. Другие органоиды в процессе дифференцировки могут утрачиваться. Например, в цитоплазме зрелого эритроцита остаются только рибосомы, поэтому на препаратах под световым микроскопом в цитоплазме этих клеток отсутствует зернистость. В мышечных клетках постепенно исчезает кажущаяся хаотичность расположения клеточных структур, органоиды ориентируются правильными рядами. В процессе дифференцировки может изменяться поверхность клеток. Плазматические мембраны соседних клеток могут образовывать специализированные клеточные контакты, например, синаптические контакты между нейронами. Как же возникают разнообразные клеточные типы в многоклеточном организме? За редким исключением все клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор генов, однотипную генетическую информацию. Например, у человека в каждой клетке присутствуют около 30000 генов. На современном этапе развития клеточной и молекулярной биологии, генетики, эмбриологии считается, что индивидуальное развитие от одной оплодотворенной яйцеклетки до многоклеточного организма с большим разнообразием клеток – результат сложного взаимодействия клеток и регуляции работы генов. Обычно в дифференцированной клетке работает 15 – 20% генов, характерных для клеток с конкретной специализацией. Остальные гены находятся в неактивном состоянии, молчат. В организме присутствуют механизмы, регулирующие работу генов. Если научиться управлять ими, можно регулировать процесс дифференцировки. Современная наука близка к этому. Стволовые клетки. Очень часто процесс дифференцировки приводит к тому, что клетки утрачивают способность делиться. Дифференцированные клетки функционируют какое-то время, потом погибают, причем их гибель происходит по заданной программе, которая тоже регулируется генетически. Например, продолжительность жизни эритроцитов человека около 120 суток, а эпителиальных клеток тонкого кишечника не более двух недель. Есть клетки, продолжительность жизни которых соответствует жизни индивидуума, например, нейроны. Но, как теперь стало известно, при травмах и патологических состояниях, хотя бы частично, состав нейронов тоже может пополняться. Таким образом, в каждом органе, в каждом типе ткани присутствуют недифференцированные или мало дифференцированные клетки, которые способны к делению. За счет таких клеток ткань или орган обновляются в течение всей жизни. Родоначальные клетки в обновляющихся тканях животных называются стволовыми клетками. Стволовые клетки индивидуальны для каждого типа ткани. Их особенность не только в том, что они не дифференцированы, но и в том, что они самоподдерживаются. После деления стволовой клетки митозом образуются две идентичные клетки, одна из них остается в популяции стволовых клеток, а другая начинает дифференцироваться. Благодаря такому механизму, популяция стволовых клеток в каждом типе ткани сохраняется в течение всей жизни. Название «стволовые (родоначальные) клетки» было предложено русским ученым А.А. Максимовым в 1909 г. Большую роль в исследовании стволовых клеток сыграли работы российских ученых – А.Я. Фриденштейна, Н.Г. Хрущева и сотрудников. Принято разделять стволовые клетки на эмбриональные стволовые клетки (выделяют из эмбрионов на ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки, которые выделяют из органов взрослых особей или органов эмбрионов более поздних стадий. У растений обновление тканей и органов происходит иначе – за счет меристемы, которая закладывается на эмбриональной стадии развития и сохраняется в различных частях растения в течение его жизни. Кроме того, у растений способность к делению сохраняют мало дифференцированные клетки большинства живых зрелых тканей. Полипотентность и тотипотентность клеток. Обычно в составе ткани или органа функционируют несколько клеточных типов. Вспомним хотя бы клеточный состав крови: эритроциты, лимфоциты, лейкоциты, тромбоциты. Все эти разнообразные клетки образуются в процессе дифференцировки из одной стволовой кроветворной клетки, которая находится в красном костном мозге плоских и трубчатых костей. Таким образом, стволовая клетка – родоначальница клеток крови может дифференцироваться в разных направлениях. В таких случаях говорят, что стволовые клетки полипотентны, то есть они могут дифференцироваться в нескольких направлениях. Другой пример полипотентности - нейрональные стволовые клетки, обнаруженные недавно в некоторых отделах головного мозга, они могут превращаться в клетки, входящие в состав ткани головного мозга: нейроны, астроциты и олигодендроциты. Не все стволовые клетки обладают таким свойством. Клетки предшественники поперечно-полосатых мышечных клеток проходят дифференцировку только в одном направлении, они сливаются и преобразуются в гигантские сократительные мышечные волокна. Существуют стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в любом направлении. Из таких стволовых клеток могут получиться и нейроны, и эпителиальные, и мышечные, и любые другие типы клеток. О таких стволовых клетках говорят, что они тотипотенты. Тотипотентные стволовые клетки называются эмбриональными стволовыми клетками и находятся в определенных участках развивающегося эмбриона. Ученые разработали методы получения таких клеток и выращивания их в перевиваемой клеточной культуре. Клеточные культуры тотипотентных эмбриональных стволовых клеток служат прекрасной моделью для изучения процесса дифференцировки. Предполагается, что в перспективе эмбриональные стволовые клетки можно будет использовать для лечения больных, получивших тяжелые травмы головного и спинного мозга, перенесших инфаркты и другие тяжелые заболевания, связанные с поражением тканей, которые при обычном лечении очень плохо восстанавливаются. Во всех ядрах, даже дифференцированных клеток, хранится генетическая информация, которая должна обеспечить специализацию клеток в любом направлении. Но ядро находится под воздействием цитоплазмы, гормонов, разнообразных сигнальных молекул и определенного клеточного окружения. Это приводит к тому, что большая часть генетической информации присутствует, но не функционирует, находится в неактивном состоянии. Ученые исследуют, каким образом можно активировать гены, находящиеся в ядре, создавая определенные искусственные условия. Широко известным примером успешных шагов в этом направлении может служить клонированная овца по кличке Долли. Ее вырастили из неоплодотворенной яйцеклетки, у которой ее собственное ядро заменили на ядро высоко дифференцированной клетки эпителиального происхождения из молочной железы другой овцы. Подобных экспериментов было проведено много с разнообразными представителями домашних животных. Все эти исследования показывают, что ядра дифференцированных клеток обладают свойством тотипотентности, но проявляться это свойство может в искусственно созданных экспериментальных условиях. Репродуктивное клонирование встречается с множеством этических, религиозных, юридических проблем, которые в настоящее время еще не имеют решения. В некоторых государствах работы по репродуктивному клонированию запрещены на законодательном уровне. Вопросы написать в тетрадь для домашних работ 1. Что такое дифференцировка? 2. Приведите примеры дифференцированных клеток. Почему вы считаете, что это дифференцированные клетки? 3. Что такое стволовые клетки? В чем их особенность? 4. Объясните понятия: полипотентность и тотипотентность клеток. Приведите примеры. Клеточный цикл Рост многоклеточного организма осуществляется за счет деления клеток. Основным типом клеточного деления является митоз. Клетки, которые делятся через некоторые промежутки времени, находятся в клеточном цикле. Клеточный цикл отражает череду событий в клетке от начала митоза до следующего деления. Промежуток времени между двумя последовательными митозами называется интерфазой. Таким образом, клеточный цикл подразделяется на митоз и интерфазу (рис.5). Митоз происходит в течение 1,5 – 2 часов, интерфаза во много раз более продолжительна. В это время клетка очень активна. И в ядре, и в цитоплазме происходят синтетические процессы. Синтезируются нуклеиновые кислоты, белки, клеточные мембраны, образуются разнообразные органоиды. Однако, все процессы происходят не хаотично, а определенной последовательности. В связи с этим, интерфазу подразделяют на три периода: G1, S, G2 (рис.5). Первый период - G1, он наступает после окончания митоза. Этот период называют также периодом роста клетки, постмитотическим, или пресинтетическим. Дело в том, что в результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние. Они меньше исходной материнской клетки, следовательно, им нужно подрасти и достичь определенного размера. Это возможно только в результате активных процессов синтеза. Для того чтобы клетка могла подготовиться к следующему делению, должна удвоиться ее генетическая информация, а для этого необходимы специальные ферменты. Ферменты, работающие в процессе репликации ДНК, тоже синтезируются в G1 периоде. Следующий период называется синтетическим, или S – периодом. В это время происходит удвоение всех молекул ДНК в ядре, иначе этот процесс называется репликацией (рис.6). Это длительный период, обычно он продолжается в течение 9 – 10 часов. Клетка очень надежная система. Каждый процесс обязательно имеет точку контроля. Поэтому в S – периоде обязательно происходит проверка правильности репликации ДНК. Если какие-то участки ДНК имеют дефекты, то вступают в работу ферменты репарации. Они могут найти неправильно спаренные нуклеотиды в двойной спирали ДНК, удалить небольшой участок одной из нитей, и восстановить правильную структуру. После многократных проверок и устранения всех дефектов в структуре молекулы ДНК клетка может окончательно готовиться к митозу. Непосредственная подготовка к митозу происходит в G2 – периоде. Иначе этот период называют постсинтетическим, или премитотическим. Обычно, это наиболее короткий период интерфазы. В это время изменяется набор белков в цитоплазме и ядре. Синтезируются белки, необходимые для построения веретена деления. Образуются белки, обеспечивающие перестройку хроматина, так как в митозе из хроматина образуются хромосомы. Продолжительность клеточного цикла зависит от особенности клеток. В настоящее время показано, что суммарная длительность S – периода и G2 – фазы величина относительно постоянная, для многих эукариот – это 10 – 15 часов. Время G1 – периода может очень сильно изменяться у разных клеточных типов одного и того же организма. Например, у мыши в разных типах эпителиальных клеток длительность G1 – периода изменяется от 3 часов в волосяных фолликулах до 528 часов в эпидермисе уха. Как разбиралось ранее, по мере того как клетка дифференцируется, она утрачивает способность к делению, то есть клетка выходит из клеточного цикла. Выход из клеточного цикла сложный процесс, который регулируется специальными белками. Клетка не может выйти из клеточного цикла в любой момент. Она может это сделать только в определенной точке. Чаще всего это происходит в конце G1 – периода, реже – в G2 – фазе до начала митоза. Период жизни клетки, когда она находится вне клеточного цикла и не может делиться называется G0 – фазой. Существуют клетки, которые пребывают в G0 – фазе в течение всей жизни индивидуума. Это – нейроны, мышечные клетки сердца, клетки хрусталика глаза. Клетки печени человека могут в течение нескольких месяцев находиться в G0 – периоде, а потом опять войти в клеточный цикл и начать делиться. Фибробласты соединительной ткани – мало дифференцированные клетки. Они активно размножаются при зарастании раны, а до этого могут длительное время находиться вне клеточного цикла в G0 – фазе. Стволовые клетки постоянно находятся в клеточном цикле. Но их клеточный цикл очень длительный за счет увеличения фазы G1. Регуляция клеточного цикла, переход из одного периода в другой очень сложный процесс. В нем участвуют как внутриклеточные белки, так и активные молекулы, выделяемые соседними клетками, а также гормоны, выделяемые в кровь железами внутренней секреции. Широко известно, что в качестве допинга спортсмены часто используют эритропоэтин. Это биологически активное вещество, стимулирующее деление клеток, своеобразный фактор роста. Факторы роста могут синтезировать и выделять из клеток многие клеточные типы. Известны факторы роста эпителиальных клеток, фибробластов, тромбоцитов и даже нервных клеток. Все они могут принимать участие в регуляции клеточного деления на уровне организма в целом. Вопросы написать в тетрадь для домашних работ 1 Дайте определение клеточного цикла. 2 Что такое интерфаза? Что происходит с клеткой в интерфазе? 3 Перечислите периоды клеточного цикла, в течение которых происходит транскрипция в ядре. 4 В каком периоде клеточного цикла происходит репликация? 5 Какова продолжительность митоза, S + G2 периодов? 6 Продолжительность какого периода наиболее изменчива? Приведите примеры. 7 Что происходит с клеткой в G0 фазе? 8 Дайте характеристику клеточного цикла стволовых клеток. 9 Как осуществляется регуляция клеточного цикла?