Тема № 1
ВСТУП ДО БІОЛОГІЇ КЛІТИНИ. Значення біології для МЕДИЦИНИ ТА фармації. ОСНОВНІ МЕТОДИ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Мета вивчення: сформувати знання про предмет і завдання біології клітини та її значення для медицини та фармації; про основи структурно-функціональної організації живої матерії; ознайомитися з основними методами біології, зокрема з біології рослинної та тваринної клітини.
Ключові слова: біологія, цитологія, мікроскопія, цитоспектрофотометрія, радіоавтографія, мікрургія, хроматографія, електрофорез, життя, рівні організації життя, клітина, прокаріоти, еукаріоти, неклітинні форми життя.
Інформаційний матеріал
Біологія – (грец. bios – життя і logos – наука) – комплекс наук про живу природу. Предметом вивчення біології є всі прояви життя: будова і функції живих істот на різних рівнях організації та їх природних угрупувань, поширення, походження і розвиток, їхні взаємозв’язки між собою та з неживою природою. Завдання біології полягає у дослідженні та вивченні всіх біологічних закономірностей, розкритті сутності життя з метою пізнання, управління ними та використання для потреб людства, а також дбайливого, раціонального використання ресурсів оточуючого світу.
Термін «біологія» був запропонований німецьким ботаніком Г.Р. Тревіранусом та французьким натуралістом Ж.Б. Ламарком в 1802 р.
Сучасна біологія – це складний високо диференційований комплекс фундаментальних і прикладних наук про живу природу (рис. 1). Спираючись на новітні досягнення фізики, хімії, техніки та багатьох інших наук, вдалося розв'язати чимало медико-біологічних проблем, проникнути у глибини структури та функції клітини, отримати принципово нові відомості про процеси, що відбуваються в клітині за умов норми і патології.
Цитологія - (грец. kytos – ячейка, клітина і logos – наука) – наука про будову, життєдіяльність клітин будь-яких організмів (одно- або багатоклітинні, про- або еукаріотичні клітини). Ця галузь є одним з фундаментальних розділів біології, яка досліджує клітину – структурну, функціональну та інформативну одиницю всього живого на Землі.
Знання про клітину лежать в основі багатьох біологічних дисциплін: молекулярна, клітинна та фармацевтична біологія, молекулярна медицина, біотехнологія, генна, хромосомна та клітинна інженерія, генодіагностика та генотерапія, фармакогенетика, імуногенетика, біологія індивідуального розвитку, геронтологія та ін., тому як усі функціональні відправлення організмів починаються з клітинного рівня.
Рисунок 1. Система біологічних наук.
ОСНОВНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ КЛІТИН
Клітину можна досліджувати в природних умовах, в організмі – in vivo, та в штучних умовах, поза організмом - in vitro.
Основними методами, що використовуються в сучасній біології, є мікроскопія, цитоспектрофотометрія, радіоавтографія, цейтраферна мікрокінозйомка, мікрургія, культивування клітин і тканин, гісто- й імунохімічні методи, біохімічні методи, кристалографія й рентгенівська дифракція, статистичний метод, методи генетики, молекулярної біології та ін., тобто цитологія відгалузилась від мікроанатомії. Одним з найпоширеніших її методів є мікроскопія.
Мікроскопічні методи дослідження включають підготовку та приготування препаратів, і їх вивчення за допомогою світлових, атомно-силових, електронних та інших мікроскопів.
Світлова мікроскопія – основний метод дослідження клітин і тканин. Світловий мікроскоп – оптичний прилад, що дозволяє розглянути зображення об'єкту, збільшеного до 1000 разів. За допомогою мікроскопа можна розглянути об’єкти, віддалені одна від одної на відстані 0,2 мкм. Одна з важливих переваг світлових мікроскопів полягає в тому, що вони дозволяють спостерігати клітину в живому та активному стані. Наприклад, вивчати її рух, поділ, взаємодії з іншими об'єктами та ін., для цього готують тимчасові препарати. З метою вивчення форми, розміру, хімічного складу клітин, особливостей їх розташування в тканині використовують постійні препарати, для виготовлення яких шматочки тканин органів фіксують, готують тонкі зрізи та забарвлюють їх. За необхідності все це можна фотографувати, виводити на екран комп'ютера або записувати на відео.
У таких мікроскопів джерелом світла є природне (сонце) або штучне (елементарне) освітлення, промені якого проходять через оптичну систему (систему лінз).
Особливими різновидами світлової мікроскопії є фазово-контрастна, інтерференційна та поляризаційна мікроскопія. В певних випадках використовуються також люмінесцентна, флуоресцентна та ультрафіолетова мікроскопія.
Електронна мікроскопія. Електронний мікроскоп – прилад, який дозволяє одержати збільшення клітини до 1000000 разів завдяки використанню потоку електронів (замість світла), оскільки довжина хвилі електронів значно менша, ніж у хвиль світла, а замість оптичних лінз використовують електромагнітні поля. Він також дає можливість вивчити дрібні деталі клітинної структури і її компонентів. За допомогою електронного мікроскопа можна розглянути структуру мітохондрій, лізосом, ендондоплазматичної сітки, рибосом та ін., можна побачити навіть окремі молекули в клітині, наприклад нитки актину і міозину, хроматин.
Конфокальна мікроскопія – сучасний метод, який використовує в якості освітлювача лазерний промінь та послідовно сканує препарат на всю товщину, а інформація про густину об’єкту по кожній лінії сканування передається в комп'ютер, де спеціальна програма проводить тривимірну реконструкцію досліджуваного об'єкту.
Атомно-силова мікроскопія дозволяє одержати зображення навіть таких малих об’єктів як атоми карбону та інших хімічних елементів. В основі цього методу лежить реєстрація сили взаємодії між загостреною до розмірів атому голкою з графіту або вольфраму та об’єктом, що досліджується.
Цитоспектрофотометрія – метод вивчення хімічного складу клітини, заснований на вибірковому поглинанні тими чи іншими речовинами проміння з певною довжиною хвилі. По інтенсивності поглинання світла, яка залежить від концентрації речовини, проводять кількісне визначення речовини в клітині.
Радіоавтографія – метод, який дозволяє вивчати розподіл в клітинах і тканинах речовин, мічених радіоактивними ізотопами. Введений в організм тварини або в середовище культивування клітин ізотоп включається у відповідні структури (наприклад, мічений тимідин – в ядра клітин, що синтезують ДНК), після чого в окремих частинах клітини реєструється його наявність за допомогою спеціальних лічильників та фотоплівки.
Гісто- й імуноцитохімічні методи. В їх основі лежить використання хімічних реакцій для виявлення розподілу хімічних речовин в структурах клітин, тканин і органів. Сучасні гістохімічні методи дозволяють знаходити в структурах амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти, різні види вуглеводів, ліпідів, визначати активність ферментів і ін.
Культури клітин і тканин. Цей метод полягає у видаленні клітин або шматочків тканин з організму і вирощуванні їх в скляних або пластикових контейнерах, на штучному поживному середовищі, в сприятливих умовах. В цьому середовищі клітини не тільки живуть тривалий час, але й ростуть, розмножуються і навіть диференціюються. Культивування клітин використовується для генної та клітинної інженерії, при клонуванні, для вивчення процесів диференціювання і росту клітин, для потреб терапевтичного клонування, для різних галузей біотехнології та одержання біологічно активних сполук у штучних умовах та ін.
Мікроскопічна “хірургія” клітини (мікрургія) – сукупність методичних прийомів, здійснюваних за допомогою спеціального приладу – мікроманіпулятора. Цей прилад дозволяє проводити різного роду найтонші операції на клітинному рівні (введення речовин, видалення або пересадка структурних компонентів клітини, нанесення уколів, розрізів і т. п.).
Цейтраферна, або сповільнена мікрокінозйомка – кінозйомка живих клітин. Такий спосіб дозволяє прослідити за змінами в клітині, що протікають повільно.
Фракціонування, або диференційне центрифугування – метод отримання з клітинних гомогенатів ізольованих структурних компонентів клітин (ядер, ядерець, мітохондрій, хромосом та ін.). Розділення суміші на складові частини здійснюється за допомогою відцентрової сили в спеціальних апаратах – надшвидкісних центрифугах. Розділення клітинних структур базується на різниці у їх масі і можливе в результаті неодночасного їх осадження при обертанні центрифуги з різною кількістю обертів.
Хроматографія (грец. chromo - колір і graphe - пишу) – це метод, який полягає в розділенні речовин різних молекулярних мас з єдиного розчину і заснований на вживанні щільного спеціального нерозчинного середовища у якості сита. Молекули в залежності від розміру та форми проходять через це середовище з різною швидкістю і поступово розділяються. Наприклад, за допомогою хроматографії можна розділити пігменти зеленого листа на каротин, хлорофіл і ксантофіл у вигляді кольорових зон на хроматограмі.
Електрофорез – це метод розділення молекул залежно від їх заряду, найчастіше використовується для одержання певних білків і нуклеїнових кислот.
Життя як природне явище
Життя – як якісно особлива форма існування матерії, характеризується рядом фундаментальних специфічних проявів, що відрізняють живі істоти від неживої природи. Клітина, як одиниця життя характеризується такими ж властивостями як і інші рівні організації живого.
До основних властивостей живого можна віднести:
1. Особливості хімічного складу. Живі істоти складаються з тих же хімічних елементів, що і неживі, але в їх клітинах переважають молекули речовин, характерних тільки для живого (нуклеїнові кислоти, білки, ліпіди).
2. Дискретність і цілісність. Будь–яка біологічна система (клітина, організм, вид і т. п.) складається з окремих частин, тобто дискретна. Взаємодія цих частин утворює цілісну систему (наприклад: клітина містить органели, до складу організму входять окремі органи, зв'язані структурно і функціонально в єдине ціле).
3. Структурна організація. Живі системи здатні до самовпорядкування з хаотичного руху молекул, утворюючи певні структури. Для живого характерна впорядкованість у просторі та часі. Створення такого порядку являє собою комплекс складних саморегульованих процесів обміну речовин та енергії, що протікають в певній послідовності, спрямовані на підтримку відносної постійності внутрішнього середовища – гомеостазу.
4. Обмін речовин і енергії. Живі клітини та організми – відкриті системи, що здійснюють постійний обмін речовинами і енергією в середині себе та з навколишнім середовищем. При зміні умов середовища відбувається саморегуляція життєвих процесів за принципом зворотнього зв'язку.
5. Здатність до самовідтворення і самооновлення. Час існування будь-якої біологічної системи обмежений. Для підтримки життя у часі відбувається самовідтворення, що пов'язано з синтезом нових молекул і структур.
6. Спадковість. Молекула ДНК як носій спадкової інформації здатна зберігати і передавати її наступним поколінням завдяки реплікації (самоподвоєнню), яка здійснюється за матричним принципом, забезпечуючи безперервність життєвих процесів у ряді поколінь.
7. Мінливість. При передачі спадкової інформації іноді під дією зовнішніх або внутрішніх чинників виникають різні відхилення, що приводять до зміни ознак і властивостей у нащадків. Якщо ці зміни сприяють підвищенню життєздатності, вони можуть закріпитися відбором.
8. Ріст і розвиток. Клітини або організми успадковують певну генетичну інформацію про можливість розвитку тих або інших ознак. Реалізація інформації відбувається під час індивідуального розвитку – онтогенезу. В онтогенезі здійснюється ріст організму, пов'язаний з репродукцією молекул, клітин і інших біологічних структур. Ріст – це збільшення розмірів і (або) маси клітини або організму. Ріст обумовлює розвиток, тобто поступове ускладнення організації організму.
9. Подразливість і збудливість. Подразливість – здатність клітини або організму сприймати дію чинників зовнішнього і внутрішнього середовища (сигнали). Збудливість – це здатність живих систем відповідати на зміни біологічних, фізичних і хімічних чинників навколишнього середовища зміною стану або діяльності. Подразливість і збудливість забезпечують постійність внутрішнього середовища і функцій (гомеостаз), пристосування (адаптацію) і виживання клітин та організмів в змінних, не завжди сприятливих умовах навколишнього середовища.
10. Рух. Це здатність клітин або організмів переміщатися в навколишньому просторі. Всі рухи в живих системах енергозалежні. Рух клітин і внутрішньоклітинних молекул забезпечує всі метаболічні і фізіологічні процеси.