Учебное пособие «История и методология биологии и биофизики»

Ультраструктура клетки

Изучение сетчатого аппарата, т.е. комплекса Гольджи, показало его участие в выработке секретов и других веществ в гранулярной форме (советский учёный Д. Н. Насонов, 1923).

Была установлена чрезвычайно высокая лабильность клеточных гранул (митохондрий) и их подверженность влиянию ряда физиологических и патологических факторов. Тем не менее, их функции оставались неясными. Отто Варбург (Гейдельбергский университет и Институт физиологии клетки в Берлине), изучавший спектроскопическими методами вещества, участвующие в клеточном дыхании, в 1913 году выдвинул гипотезу о связи дыхания с клеточными гранулами, однако эта гипотеза в то время не нашла отклика у цитологов.

Описаны частные органоиды специализированных клеток, опорные элементы в ряде клеток (Н. К. Кольцов, 1903—1911), исследованы структурные изменения при различной клеточной деятельности (секреция, сократительная функция, деление клеток, морфогенез структур и т.д.). В растительных клетках прослежено развитие вакуолярной системы, образование крахмала в пластидах (французский учёный А. Гийермон, 1911). Установлена видовая специфичность числа и формы хромосом, что в дальнейшем было использовано для систематики растений и животных, а также для выяснения филогенетического родства в пределах более низких таксономических единиц (кариосистематика). Обнаружено, что в тканях имеются разные классы клеток, отличающихся кратным отношением размеров ядер (немецкий учёный В. Якоби, 1925). Кратное увеличение размера ядер сопровождается соответствующим увеличением (путём эндомитоза) числа хромосом (австрийский учёный Л. Гейтлер, 1941). Исследования действия агентов, нарушающих механизм деления и хромосомный аппарат клеток (проникающее излучение, колхицин, ацетонафтен, трипофлавин и др.), привели к разработке методов искусственного получения полиплоидных форм, что дало возможность вывести ряд ценных сортов культурных растений.

С помощью вновь разработанных цитохимических реакций на гистологических препаратах была установлена локализация в клетке ряда ферментов. Реакция Фёльгена позволила положительно решить спорный вопрос о наличии гомолога ядра, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту у бактерий (советский учёный М. А. Пешков, 1939—1943, французский учёный В. Делапорт, 1939, английский учёный С. Робиноу, 1942) и сине-зелёных водорослей (советские учёные Ю. И. Полянский и Ю. К. Петрушевский, 1929).

Занимаясь дифференциальным центрифугированием клеточных гомогенатов, Альбер Клод на каждом этапе идентифицировал осаждаемые объекты, наблюдая их под микроскопом. Первоначально удалось выделить только несколько основных фракций, подлежащих дальнейшему анализу. Самая крупная фракция субклеточных фрагментов — ядра, пластиды и митохондрии. Исследования Клода подтвердили, что с клеточными гранулами (митохондриями) связаны процессы окисления. Проведя биохимические эксперименты, он открыл в составе митохондрий некоторые из дыхательных ферментов.

Дальнейшее изучение митохондрий американским биохимиком Дэвидом Эзрой Грином обнаружило, что именно в них идут реакции цикла Кребса. Оказалось, что типичная клетка печени содержит около тысячи митохондрий, каждая около пятитысячной миллиметра длиной. Альбером Клодом в самой мелкой последней фракции после центрифугирования были найдены обрывки эндоплазматической сети частично с многочисленными, не идентифицированными гранулами, получившие сборное название цитоплазматических частиц. Затем было выяснено, что в состав этой группы входят образования, различающиеся как по своей ультраструктуре, так и по функции. Для обозначения фракции мелких гранул 1949 году А. Клод ввел термин «микросомы».

В 1949 году американский биохимик Альберт Лестер Ленинджер связал накопленные знания об АТФ, как энергетической «валюте» клетки, с данными цитологии. Он показал, что окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях, которые отделены мембраной от цитоплазмы. Эти органоиды катализируют трансформацию энергии и служат местом локализации окислительных ферментов. Вместе с тем было установлено, что они обладают осмотической, сократительной, регуляторной и генетической функциями. Однако существенные успехи в расшифровке функций клеточных структур достигнуты лишь в современный период развития цитологии уже во второй половине XX века.

Проницаемость клеток и модели мембраны

В конца XIX века Э. Пфеффер и Г. де Фриз положили начало изучению клеточной проницаемости, в которой обменные процессы, протекающие в клетках, ставились в тесную связь с наличием полупроницаемой мембраны вокруг клетки. В 1902, изучая проницаемость клеточных мембран, немецкий учёный Э. Овертон заметил, что через мембраны легче всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и предположил наличие последних в поверхностной клеточной мембране. Однако постепенно стали накапливаться факты, свидетельствовавшие о несоответствии количеств проникающих в клетку веществ их растворимости в липидах, а также поступлении в нее веществ, в липидах совершенно не растворимых. Пытаясь спасти теорию Овертона, его соотечественник А. Натансон (1904) высказал предположение о мозаичном строении мембраны. В 1908—1913 гг. немецкий физиолог В. Руланд развил получившую широкую известность теорию ультрафильтра, или «сита», согласно которой в полупроницаемой мембране имеются поры определенного диаметра, через которые в клетку могут проникать лишь молекулы соответствующих размеров. Однако теория Руланда не объясняла того факта, что проницаемость многих растительных клеток растет для веществ гомологического ряда по мере увеличения в них числа атомов углерода. Поэтому они предложили соединить липидную теорию с теорией ультрафильтра, допустив тем самым существование двух разнородных механизмов, регулирующих проникновение в клетку молекул различной природы. Эта точка зрения в 1930—1940-е годы получила поддержку многих биологов.

Однако модель мозаичной мембраны оказалась неспособной объяснить стационарное распределение веществ в клетке, качественно отличное от состояния простого водного раствора. Была разработана сорбционная теория проницаемости. Согласно этой теории, решающая роль в распределении веществ, проникающих в клетку, принадлежит сорбционным отношениям, устанавливающимся между протоплазмой клетки в целом и окружающей средой. Сорбционная теория основывается на следующих положениях: растворимость веществ в протоплазме должна отличаться от растворимости в обычной воде; важнейшим фактором распределения веществ в клетке является их адсорбция и химическое связывание в протоплазме. Первоначально казалось, что обе теории совершенно несовместимы. Позже, однако, выяснилось, что их сближение возможно.

В 1926 году американские биологи Э. Гортер и Ф. Грендел выделили из гемолизированных эритроцитов человека липиды и расположили их в виде мономолекулярного слоя на поверхности воды; общая площадь этого слоя примерно в 2 раза превышала поверхность эритроцитов. Из этого они сделали вывод, что липиды мембраны расположены в виде бимолекулярного слоя. Модель двуслойной мембраны противоречила некоторым общеизвестным фактам: высокая ионная проницаемость и низкое поверхностное натяжение по сравнению с модельными липидными пленками. Поверхностное натяжение клеточной мембраны (0,1 мн/м, или дин/см) меньше натяжения слоя чистого липида (10 мн/м, или дин/см) и близко к поверхностному натяжению белков. Напрашивался вывод, что в состав мембран входят кроме липидов и другие биологические молекулы, например, белки, снижающие поверхностное натяжение. Поэтому было предположено, что в клеточной мембране бимолекулярный липидный слой покрыт с двух сторон слоями белка (структура «сэндвича»).

Методом электропроводности удалось измерить электрическую ёмкость клеточной мембраны, равную 1 мкф/см², и рассчитать толщину её липидного слоя, которая оказалась равной 55 ангстрем. На основе всех этих данных и термодинамических соображений английские биологи Л. Даниелли и Г. Даусон в 1935 предложили модель двуслойной мембраны. По их расчетам получалось, что структура двойного слоя наиболее стабильна при физиологических условиях. Изучение клеточной поверхности с помощью поляризационного микроскопа позволило предположить, что молекулы липидов расположены перпендикулярно, а молекулы белка — параллельно клеточной поверхности.

жүктеу/скачать 12.91 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: