Наука про клітині (цитологія)
Наука про клітині (цитологія)
Живий організм являє собою складну, постійно розвивається цілісну систему. Організм багатоклітинного тваринного складається з клітин і міжклітинної речовини.
Клітина - це елементарна жива система. Вона є основою будови, розвитку та життєдіяльності всіх тварин і рослинних організмів. Вперше це показав в 1839 р основоположник клітинної теорії німецький учений Т. Шванн. Клітинна теорія є теоретичною основою науки про тканини - гістології. До сих пір клітинна теорія залишається одним з найглибших узагальнень біологічної науки, що допомагає розуміти єдність органічного світу і його еволюційний розвиток. Клітини дуже різноманітні за формою, величиною, внутрішньою будовою та функції. Розміри клітин людини і ссавців коливаються від 7 (лімфоцити) до 200 (яйцеклітина) мікрометрів (мкм). Розмножуються клітини поділом. Якщо клітина в зв'язку зі спеціалізацією втрачає ядро (наприклад, червона кров'яна клітина - еритроцит), вона втрачає здатність до розмноження. Фізико-хімічні властивості клітини дуже складні. До складу її входять білки, вуглеводи, ліпіди (жирові речовини), солі, ферменти і вода.
У клітці виділяють цитоплазму і ядро. Цитоплазма містить у собі гіалоплазму, що знаходяться в ній обов'язкові клітинні компоненти - органели, а також непостійні структури, включення. До органел відносяться мітохондрії, внутрішній сітчастий апарат, клітинний центр (цітоцентр), зерниста і незерністие ендоплазматична сітка, лізосоми та ін. (Рис. 1).
Мал. 1. Будова клітини (схема). 1 - цитолемма (оболонка клітини); 2 - цитоплазма; 3, 4 - мембрани ендоплазматичної мережі; 5 - рибосоми; 6 - мітохондрії; 7 - сітчастий апарат; 8 - цітоцентр (клітинний) г 9 - центросфери; 10, 11 - непостійні включення (вакуолі, гранули); 12 - внутрішньоклітинні нитки; 13 - ядро; 14 - ядерна оболонка; 15 - пори в ядерній оболонці; 16 - ядерце
Ядро (nucleus) розташовується, як правило, в центрі клітини і відокремлене від цитоплазми оболонкою. Воно має найчастіше кулясту або витягнуту форму. Оболонка ядра (каріолемми) пронизана дуже дрібними отворами, помітними лише за допомогою електронного мікроскопа. Через ці отвори відбувається, мабуть, обмін великими молекулами і їх частинами між ядром і цитоплазмою. Вміст ядра рідке. Воно складається з одного або декількох щільних тілець - ядерець, які не мають оболонок, і однорідної каріоплазми. У фіксованих препаратах виявляються зернятка і грудочки, що володіють здатністю інтенсивно фарбуватися. Вони отримали назву хроматину. Нитки, які виявляються в фіксованих і забарвлених ядрах, називаються ядерної мережею. При електронній мікроскопії в полісом виявляється зернистість, що складається з зерен рібонуклеінопротеідной природи - рибосом. Основну масу ядра утворюють складні ядерні білки - нуклеопротеїни, причому ядерце містить рібонуклеопротєїди, а каріоплазма - головним чином дезоксірібонуклеопротеіди. Ядро бере участь в синтезі білка, процесах секреції, регуляції формообразовательних процесів і інші функції клітини.
Цитоплазма (cytoplasmа) відмежована клітинною оболонкою від навколишнього середовища і ядерної оболонкою - від вмісту ядра. До складу цитоплазми входять клітинна оболонка і органели.
Клітинна оболонка (cytolemma) складається з білкових і ліпідних молекул, що забезпечують можливість проходження в клітку і виходу з неї в навколишнє середовище речовин, розчинних у воді і жирах.
Органели - це постійні спеціальні частини клітини, за допомогою яких вона здійснює свої функції.
Ендоплазматична мережа утворена подвійними мембранами і являє собою різного виду канальці і порожнини, на стінках яких розташовуються дрібні тільця - рибосоми. Функціональне значення цієї мережі полягає в тому, що в ній відбувається синтез білка; особливу роль в цих процесах відіграють рибосоми. Вони є центрами синтезу білка і можуть розташовуватися вільно в цитоплазмі або бути пов'язаними з мембранами цитоплазматичної мережі.
Мітохондрії мають добре виражену оболонку, що складається з двох мембран. Від внутрішньої мембрани відходять перегородки, розгороджують вміст мітохондрії на ряд порожнин, сполучених між собою. Вміст порожнин називається матриксом. Мітохондрії складаються з ліпопротеїдів і багаті ферментами. Мітохондрії вважають енергетичною системою клітини. Оьта дуже чутливі до зовнішніх впливів: реакції середовища, осмотичного тиску, температури і ін.
Комплекс Гольджі, або внутрішній сітчастий апарат, вперше описаний Гольджі в 1898 р в нервових клітинах спинномозкових вузлів. Він знаходиться у всіх клітинах організму і при спеціальній обробці клітини має вигляд кошики або сітки, сплетеної з тонких ниток. Внутрішньоклітинний сітчастий апарат, мабуть, бере участь в видільної функції клітини, однак функціональне значення його остаточно не з'ясовано.
Цітоцентр, або клітинний центр, складається з кулястого щільного тіла - центросфери, всередині якої лежать два щільних тільця - центріолі, пов'язані між собою перемичкою. У деяких клітинах від центріолей розходяться тонкі тяжі, що утворюють променисту сферу. Клітинний центр розташовується на деякій відстані від ядра. Він бере участь в діленні клітини.
Лізосоми - овальні або округлі освіти з електронно щільним тонкозернистим вмістом. Вони оточені мембраною і мають гидролитической активністю. Їх пов'язують з травної (фагоцитарної) активністю клітини.
Гіалоплазма - основна плазма цитоплазми, є істинною внутрішньої середовищем клітини.
Внутрішньоклітинні включення пов'язані з гиалоплазмой. Розрізняють трофічні включення - білки, жири, глікоген, вітаміни, пігментні і екскреторні (підлягають виділенню) включення.
Клітка має основними життєвими властивостями: обміном речовин, чутливістю і здатністю до розмноження. Клітка багатоклітинного організму живе в середовищі, яку називають внутрішнім середовищем організму. До неї відносяться кров, лімфа і тканинна рідина. З цього середовища через оболонку в кліткунадходять речовини, з яких будується тіло клітини, неорганічні солі, вода, вітаміни, гормони і кисень, необхідний для одного з основних енергетичних процесів в клітині - окислення. Другий енергетичний процес в клітці - гліколіз (гідролітичні розщеплення вуглеводів) - протікає без участі кисню. З клітини через оболонку виводяться продукти її життєдіяльності. Проникність оболонки клітини вибіркова і змінюється під впливом різних факторів. Нормальна життєдіяльність клітини здійснюється при певній концентрації солей у навколишньому середовищі (осмотичний тиск). Для клітин людини і ссавців ця концентрація дорівнює приблизно 0,9% (концентрація ізотонічного розчину хлориду натрію). При підвищенні концентрації солей (гіпертонічна середа) вода виходить з клітки і клітина стискається, при зниженні (гіпотонічна середа) вода спрямовується в клітку і відбувається її набрякання. Клітка може захоплювати також великі частки (бактерії, фрагменти клітин) шляхом фагоцитозу, а макромолекули і розчини - шляхом піноцитозу. Фагоцитоз, або внутрішньоклітинне травлення, був вперше описаний І. І. Мечникова. Він полягає в захопленні частинок виростами цитоплазми - псевдоподиями (ложноножки). Надійшли в клітку частки піддаються дії ферментів. Особливі клітини сполучної тканини, що володіють здатністю до фагоцитозу, макрофаги - виводять з тканин кінцеві продукти розпаду і речовини, що потрапили з їжею або через шкіру.
Одним з основних проявів життєдіяльності клітин є секреція. Кошти, виділені клітинами слизоподібні речовини (муцин і мукоїди) захищають тканини від механічних пошкоджень і беруть участь у формуванні міжклітинної речовини. Білкові секрети, до яких відносяться травні ферменти і деякі гормони, беруть участь в обміні речовин в організмі.
Властивість клітини відповідати специфічними проявами життєдіяльності на вплив зовнішнього середовища називається подразливістю. М'язова, нервова і залозиста тканини володіють вищим ступенем дратівливості - збудливістю. У нервової, м'язової і залозистої тканинах у відповідь на роздратування виникає збудження.
Рух клітин може здійснюватися по-різному. Найбільш поширеним є амебоидние вид руху: утворюються випинання - ложноножки, спрямовані в бік руху. Такий вид рухливості властивий білим кров'яним клітинам - лейкоцитам і блукаючим клітин сполучної тканини - макрофагів (гістіоцити). При регенерації (відновлення) тканин здатність до такого виду руху набувають майже всі клітини тварин і людини. Другий вид руху - ковзний - здійснюється без освіти ложноножек. Такий вид руху відзначається у клітин сполучної тканини - фібробластів. Більш висока швидкість руху досягається за допомогою виростів тіла клітини - джгутиків, або війок. У людини жгутиковий тип руху зберігся у чоловічих статевих клітин - сперматозоонів (спермий).
Всі клітини багатоклітинних тварин і людини мають здатність рости. Для більшості клітин нашого тіла характерно сталість розмірів протягом усього життя. При різних патологічних процесах можливе збільшення розміру клітин - гіпертрофія.
Розподіл клітин в тваринному організмі буває трьох видів: непряме (мітоз, каріокінез), мейоз (при утворенні статевих клітин) і пряме (амитоз). Непряме, митотическое, поділ клітин відбувається подібно в клітках рослинних і тваринних організмів (рис. 2). Воно забезпечує рівномірний розподіл ядерного речовини (хроматину) між двома дочірніми клітинами. Це досягається тим, що до початку поділу весь хроматин ядра концентрується в особливих структурах - хромосомах, які потім розщеплюються на дві половини. Половини хромосом розходяться по двох дочірнім клітинам і формують хроматин їх ядер.
Мал. 2. Мітотичний поділ клітин (схема). 1 - клітина (интерфаза); 2 - профаза; 3, 4 - метафаза; 5, 6 - анафаза; 7 - телофаза; 8 - дві клітини, що утворилися в результаті поділу
У мітотичного ділення виділяють чотири фази: профазу, метафазу, анафазу і телофазу. Профаза характеризується формуванням в ядрі хромосом у вигляді паличковидних або округлих тілець. Клітинний центр збільшується в розмірах і локалізується близько ядра. Його центриоли віддаляються один від одного і розташовуються на периферії центросфери. Профаза закінчується формуванням хромосом і зникненням ядерця. У метафазі відбуваються розщеплення хромосом, зникнення ядерної оболонки, в результаті чого хромосоми вільно лежать у цитоплазмі. Клітинний центр перетворюється в веретенообразную фігуру (веретено поділу), що розташовується уздовж осі клітини, перпендикулярно площині її майбутнього ділення. Хромосоми утворюють на екваторі веретена так звану екваторіальну пластинку, що займає площину майбутнього ділення клітини. Метафаза закінчується появою на кожній хромосомі поздовжньої щілини. У анафазе дочірні хромосоми, що виникли при розщепленні материнських хромосом, розходяться до полюсів - центріолі веретена, утворюючи два однакових комплексу. У телофазе формуються дочірні ядра і відбувається поділ тіла клітини шляхом стоншування центральної частини клітини в площині, де розташовується екваторіальна платівка.
Непрямий поділ включає, крім ядерних перетворень, ряд змін в цитоплазмі клітини, зокрема в її органелах. Тривалість мітозу різна для різних видів клітин і може тривати від 30 хв до 3 год.
Хромосоми є важливим видовою ознакою. Хромосомний набір клітин даного організму характеризується певним числом хромосом і їх формою. При дозріванні статевих клітин число хромосом в результаті так званого мейотичного поділу скорочується вдвічі. При заплідненні в результаті злиття статевих клітин відновлюється повне число хромосом. Скорочена число хромосом називається гаплоїдний, повне - диплоїдним. Диплоидное число хромосом у людини одно 46. Спотворення числа і форми хромосом можна спостерігати при злоякісному рості тканин.
Мітотичний поділ має велике значення в передачі спадкових ознак, так як дочірні клітини набувають хромосомний апарат, абсолютно ідентичний материнському. В даний час експериментально доведено (переважно на віруси, фагах, бактеріях), що процеси спадковості пов'язані з дезоксирибонуклеїнової кислотою (ДНК). Гистохимические дослідження мітотичний клітин, які діляться показали, що вся ДНК ядра в профазі концентрується в хромосомах.
Пряме розподіл клітини (амитоз) виявлено у всіх тканинах живого організму. Амитотическое розподіл починається з ділення ядерець шляхом перешнуровкі. Спочатку ділиться перетяжкою на дві частини ядро, потім цитоплазма. У деяких випадках поділу цитоплазми не відбувається і утворюються багатоядерні клітини.
Питання про тривалість життя клітин остаточно не вирішене. Для деяких клітин термін їх життя встановлено досить точно. Так, клітини епідермісу живуть від 3 до 7 днів, еритроцити - до 4 міс. Вважають, що термін життя м'язових і нервових клітин збігається з терміном життя всього організму.
Виділяють три форми морфологічного процесу відмирання: пикноз - ущільнення і зменшення ядра з втратою його зернистості, каріорексис - розпад вмісту ядра на зернятка і каріолізис - розчинення ядра до стану блідою, поступово зникає тіні.