Цитология во 1950-1980 гг

Цитология во 1950-1980 гг.

Две технологические разработки, сделанные еще до Второй мировой войны, нашли дальнейшее применение в цитологических исследованиях во второй половине XX века. Первое изобретение – электронный микроскоп, а второе – дифференциальное центрифугирование. Все более широкое применение дифференциального центрифугирования и электронного микроскопа дало возможность, с одной стороны, выяснить химический состав определенных структурных компонентов клетки, с другой — связать химические вещества, входящие в ее состав, с определенными органоидами.

На этом этапе развития цитологии особый вклад в изучение клетки внесли Джордж Паладе из Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке, Кристиан Рене Де Дюв из того же института. Общим в их работе являлось то, что они отдавали предпочтение методу дифференциального центрифугирования.

Наиболее активный период в деятельности Паладе и Де Дюва приходится на 1950-е годы. Кульминацией работы Де Дюва явилось открытие лизосом. Это открытие в известной мере произошло случайно. Де Дюв и его сотрудники исследовали субклеточные фракции клеток печени крысы. Неожиданно в гомогенате было обнаружено резкое усиление протеолитической и в целом ферментативной активности. Исследование этого феномена показало, что это происходит благодаря содержанию особых частиц, в которых и содержатся ферменты, способные разлагать различные вещества. Разрыв лизосомы на части приводил лизису (разрушению клеточных структур или самой клетки) — так в живых системах разрушается старое, чтобы дать место новому. Оказалось, что лизосомы есть практически во всех клетках, и что они принимают самое деятельное участие в физиологических и патологических процессах, происходящих в клетке. Возник самостоятельный раздел клеточной патологии, который занимается изучением дефектов в структуре и функции лизосом.

Именно в это время в Рокфеллеровском институте медицинских исследований директором центра медицинской электроники работает Владимир Зворыкин, (русский по происхождению, изобретатель телевидения), который приспособил электронный микроскоп для цитологических исследований. Для исследования химических реакций внутри живых клеток Зворыкиным был вскоре создан уникальный микроскоп, воспроизводящий цветное изображение объектов на телевизионном экране. С помощью этого микроскопа можно было рассматривать частицы размером с большую молекулу.

Джордж Паладе в своих исследованиях использовал электронный микроскоп для идентификации клеточных фракций, состоящих из все более мелких частиц. Используя ультрацентрифугу, он выделял субклеточные частицы, после чего искал их в структуре самой клетки, чтобы увидеть эти частицы в первоначальном виде и установить их взаимодействие с другими клеточными органеллами. Он подробно изучил рибосомы и описал ультраструктуру митохондрий, в частности гребешки на внутренней мембране, названные его именем. Многие годы рибосомы, подробно исследованные им, назывались также «гранулами Паладе».

В 1974 г.— с заметным опозданием — трое названых ученых (Клод, Де Дюв и Паладе) были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Такая высокая оценка их труда Нобелевским комитетом при Каролинском институте была продиктована большой важностью исследований клетки, заменивших ныне классический биохимический эксперимент с гомогенными растворами. Эти исследования — свидетельство постепенного объединения биохимии с цитологией на уровне молекулярной биологии, когда химический состав и биологическая структура изучаются в комплексе.

Продолжилось подробное изучение энергетики клетки. Описание ультраструктура митохондрий, сделанное Паладе в 1952 году, позволило к началу 1960-ых годов понять, что на внутренней стороне митохондриальной мембраны находятся дыхательные ферменты. В это время сотрудник кафедры зоологии Эдинбургского университета Питер Митчелл опубликовал в журнале Nature небольшую статью, где высказал свои соображения о принципиальном значении мембран для протекания химических реакций в клетке. Вскоре после опубликования статьи он ушел из университета, чтобы начать самостоятельные исследования. В 1966 году Митчелл руководил своей лабораторией, в которой кроме него был всего еще один сотрудник. На опубликованную им в 1961 году статью никто не обратил внимания, и он решил написать книгу. В ней он развивал теорию, согласно которой химическая энергия, выделяемая при окислении в митохондриях, превращается сначала в электрическую энергию, которая создает мембранный потенциал. Затем электрическая энергия вновь превращается в химическую в форме АТФ. Это все было названо хемиосмотической теорией окислительного фосфорилирования. Однако ни один издатель не хотел печатать книгу Митчелла. Тогда автор сам размножил рукопись и разослал ее биохимикам по всему миру. Отовсюду пошла ожесточенная критика. Но исследования продолжались, и время работало на Митчелла. Детальные изучение митохондиальной мембраны самыми различными методами позволили раскрыть ее тонкую структуру и подтвердили, что в ней находится цепь ферментов, переносчиков электронов. В других экспериментах были непосредственно измерены разность потенциалов на внешней и внутренней стороне мембран и проходящий электрический ток. Оригинальные идеи Митчелла нашли экспериментальное подтверждение. Митчелл заставил биохимиков начать думать по-новому, что надо знать не только последовательность биохимических реакций в клетке, но и необходимо исследовать их пространственную организацию в клетке. За свою хемиосмотическую теорию Митчелл был удостоен Нобелевской премии в 1978 году. С легкой руки А. Клода митохондрии стали называть «силовыми станциями» клетки.

Хлоропласты труднее, чем митохондрии, поддавались изучению. Это сбыло связано с тем, что их никак не удавалось выделить неповрежденными. Первым, кому удалось это сделать, стал американский биохимик, выходец из Польши, Даниэль Арнон. Работая с листьями шпината, ему только в 1954 году удалось получить абсолютно неповрежденные хлоропласты, способные выполнять реакции фотосинтеза.

Особенно большие успехи были достигнуты в изучении синтеза белковых веществ, осуществляемого в рибосомах по команде ДНК с помощью различных видов РНК. В середине 50-х годов считалось, что центром белкового синтеза в клетке являются микросомы. Позднее выяснилось, что за белковый синтез ответственна не вся фракция микросом, состоящая из мембран и гранул, а только мелкие рибонуклеопротеидные частицы (эти частицы в 1958 г. были названы Р. Робертсом рибосомами). Было выяснено, что синтез рибосомной РНК происходит в ядрышке, которое можно рассматривать как участок, в котором берут начало основные синтетические процессы клетки. Мысль о роли ядрышка в синтезе специфического белка была впервые высказана Т. Касперссоном (1950), а впоследствии подтверждена рядом исследователей. С рибосомами связан центральный этап этих процессов — синтез специфических белков. Сами рибосомы были впервые описаны Паладе (1953) под названием плотных частиц или гранул. Несколько позже их удалось выделить из клетки и определить содержание в них РНК (Д. Паладе, П. Сикевиц, 1956).

Установлено, что проникновение веществ в клетку и в клеточные органоиды осуществляется с помощью особых транспортных систем, обеспечивающих проницаемость биологических мембран. В 1972 г. Сингером и Николсоном (Singer S.J., G.L. Nicholson) была предложена жидкостно-мозаичная модель плазматической мембраны. Данная модель основана на предшествующих моделях структурно-функциональной организации мембран клетки. В этой модели живая мембрана представляет собой двумерный раствор глобулярных интегральных белков, диспергированных в жидком фосфолипидном матриксе. Экспериментальные подтверждения данного предположения были получены при искусственно вызванном слиянии двух разных родительских клеток. При образовании плазматической мембраны гибридной клетки происходит быстрое стохастическое перемещение с систематическим упорядочением видоспецифичных белков и фосфолипидов. Такие перемещения в плоскости мембраны были названы латеральной подвижностью (диффузией) компонентов мембран.