Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития

Российской Федерации

Кафедра биологии

Методические указания для студентов

Учебный модуль 1. Биология клетки.

Учебный модуль 2. Основы общей и медицинской генетики

Уфа 2011

Рецензенты:

З.Г.Габидуллин, д.м.н., профессор, зав. каф. микробиологии БГМУ

Э.К.Хуснутдинова, д.б.н., профессор, зав. лабораторией молекулярной генетики человека ИБГ УНЦ РАН

Цитология. Генетика. Основы медицинской генетики (методические указания для студентов) / Составители: Викторова Т.В., Лукманова Г.И., Мусыргалина Ф.Ф., Белалова Г.В., Исхакова Г.М., Куватова Д.Н., Измайлова С.М., Данилко К.В., Волкова А.Т. - Уфа: Изд-во ГБОУ ВПО «БГМУ Минздравсоцразвития России» - 2011.

Методические указания составлены в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 060101 - Лечебное дело (2010), на основании примерной рабочей программы учебной дисциплины «Биология» (Москва, 2011) и рабочей программой учебной дисциплины Биология (2011).

Методические указания для студентов содержат подробный методический разбор практических занятий двух учебных модулей, изучаемых в течение I семестра: «1. Биология клетки» и «2. Основы общей и медицинской генетики». Предназначены для аудиторной работы студентов, обучающихся по специальности Лечебное дело (очно-заочное отделение).

Учебный модуль 1. Биология клетки

Практическое занятие № 1

1. Тема:

Уровни организации живого. Формы живого. Строение вирусов, клеток прокариот и эукариот. Устройство светового микроскопа. Техника приготовления временных микропрепаратов. Микроскопирование.

2. Учебные цели:

Знать:

- свойства живого;

- уровни организации живой материи;

- неклеточные и клеточные формы жизни;

- отличия между прокариотами и эукариотами;

- различия между животными и растительными клетками;

- строение светового микроскопа и правила работы с ним.

Уметь:

- готовить временные микропрепараты;

- пользоваться световым микроскопом.

Владеть:

- техникой приготовления временных микропрепаратов;

- методикой проведения микроскопического анализа при малом и большом увеличениях микроскопа.

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Введение в биологию. Биология - наука о жизни.

2. Значение биологии для медицины.

3. Определение сущности жизни. Отличия живого от неживого.

4. Свойства живой материи.

5. Характеристика уровней организации живого.

6. Формы существования живого.

7. Строение вирусов.

8. Клеточные формы жизни.

9. Строение прокариот. Основные отличия прокариот от эукариот.

10. Строение растительной клетки. Отличие растительной клетки от животной.

11. Устройство светового микроскопа.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа (90 минут).

6. Оснащение: тестовые задания, таблицы №1 «Формы живого», №2 «Уровни организации живой материи», №3 «Схема строения бактериофага», №4 «Кровь здорового человека»; микроскопы, предметные и покровные стекла, лук, полоски фильтровальной бумаги, раствор йода, вата, марля, ножницы, пинцеты, медицинские иглы, постоянные микропрепараты (эпителий кожи лягушки (ЭП), кровь лягушки (№73), кровь человека (№72)).

7. Содержание занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

Выполнение тестовых заданий.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

Устройство светового микроскопа МБР- 1(рис. 1)

В состав микроскопа МБР-1 входят три основных части:

I - механическая

II - оптическая

III - осветительная



Рис. 1. Микроскоп МБР-1.

1 -- основание (штатив); 2 -- тубусодержатель; 3 -- тубус; 4 - предметный столик; 5 --отверстие предметного столика; 6 -- винты, перемещающие столик; 7 --окуляр; 8 -- револьвер; 9 - объективы; 10 -- макрометрический винт; 11 -- микрометрический винт; 12 -- конденсор; 13 -- винт конденсора; 14 -- диафраг-ма; 15 -- зеркало.

I. К механической части микроскопа относятся: штатив (основание), предметный столик, тубус, тубусодержатель, револьвер, макро - и микрометрические винты.

Штатив (1) состоит из массивного подковообразного основания, придающего микроскопу необходимую устойчивость. От середины основания вверх отходит тубусодержатель (2), изогнутый почти под прямым углом, к нему прикреплен тубус (3), расположенный наклонно.

На штативе укреплен предметный столик (4) с круглым отверстием в середине (5). На столик помещают рассматриваемый объект (отсюда название «предметный»). На столике имеются два зажима, или клеммы, неподвижно фиксирующие препарат. По бокам столика расположены два винта, перемещающие столик (6). Это препаратоводители, при вращении которых столик передвигается вместе с объектом в горизонтальной плоскости. Через отверстие в середине столика проходит пучок света, позволяющий рассматривать объект в проходящем свете.

Тубус (3) имеет цилиндрическое строение, он соединяет окуляр (7) и объектив (9). Вращение объективов обеспечивается револьвером (8).

На боковых сторонах тубусодержателя, ниже предметного столика, находятся два винта, служащие для передвижения тубуса. Макрометрический винт (10), имеет большой диск и при вращении поднимает или опускает тубус для ориентировочной наводки на фокус. Микрометрический винт (11), имеющий наружный диск меньшего диаметра, при вращении перемещает тубус очень незначительно и служит для точной наводки на фокус. Вращать микрометрический винт можно только на пол-оборота в обе стороны. Благодаря разным размерам найти нужный винт можно на ощупь.

II. Оптическая часть микроскопа представлена окулярами и объективами.

Окуляр (от лат. oculus - глаз) находится в верхней части тубуса и обращен к глазу. Окуляр представляет собой систему линз, заключенных в металлическую гильзу цилиндрической формы. По цифре на верхней поверхности окуляра можно судить о кратности его увеличения (x 7, x 10, x 15). Окуляр можно вынимать из тубуса и заменять по мере надобности другим.

В револьвере (от лат. revolvo - вращаю), имеется три гнезда для объективов.

Объектив, как и окуляр, представляет собой систему линз, заключенных в общую металлическую оправу. Объектив ввинчивается в гнездо револьвера. Объективы также имеют различную кратность увеличения, которая обозначается цифрой на его боковой поверхности. Различают: объектив малого увеличения (x 8), объектив большого увеличения (x 40) и иммерсионный объектив, используемый для изучения наиболее мелких объектов (x 90).

Общее увеличение микроскопа равно увеличению окуляра, умноженному на увеличение объектива. Например, при указаниях на окуляре (х10) и на объекте (х40); общее увеличение микроскопа будет равно 10х40=400.

Запомните! Изображение в микроскопе обратное

III. Осветительная часть микроскопа состоит из зеркала, конденсора и диафрагмы.

Зеркало (15) укреплено на штативе ниже предметного столика и благодаря подвижному креплению его можно вращать в любом направлении. Это дает возможность использовать источники света, расположенные в различных направлениях по отношению к микроскопу, и направлять пучок света на объект через отверстие в предметном столике. Зеркало имеет две поверхности: вогнутую и плоскую. Вогнутая поверхность сильнее концентрирует световые лучи и поэтому используется при более слабом освещении (искусственный свет).

Конденсор (12) находится между зеркалом и предметным столиком, он состоит из двух - трех линз, заключенных в общую оправу. Пучок света, отбрасываемый зеркалом, проходит через систему линз конденсора. Меняя положение конденсора (выше, ниже), можно изменять интенсивность освещенности объекта. Для перемещения конденсора служит винт, расположенный кпереди от микро- и макрометрического винтов. При опускании конденсора освещенность уменьшается, при поднимании (к предметному столику) - увеличивается.

Диафрагма (14), вмонтированная в нижнюю часть конденсора, также служит для регуляции освещения. Эта диафрагма состоит из ряда пластинок, расположенных по кругу и частично перекрывающих друг друга таким образом, что в центре остается отверстие для прохождения светового пучка. С помощью специальной ручки, расположенной на конденсоре с правой стороны, можно менять положение пластинок диафрагмы относительно друг друга и таким образом уменьшать или увеличивать отверстие и, следовательно, регулировать освещенность.

Правила работы с микроскопом:

1.Установите микроскоп штативом к себе, предметным столиком от себя.

2.Поставьте в рабочее положение объектив малого увеличения. Для этого поворачивайте револьвер до тех пор, пока нужный объектив не займет срединное положение по отношению к тубусу и предметному столику (встанет над отверстием столика). Когда объектив занимает срединное (центрированное) положение револьвер фиксируется, при этом слышится легкий щелчок.

Запомните! Изучение любого объекта начинается с малого увеличения

3.Поднимите с помощью макрометрического винта объектив малого увеличения над столиком на высоту примерно 0,5см.

4.Глядя в окуляр (левым глазом), вращайте зеркало в разных направлениях до тех пор, пока поле зрения не будет освещено ярко и равномерно.

5.Положите на предметный столик приготовленный препарат покровным стеклом вверх, чтобы объект находился в центре отверстия предметного столика.

6. Смотрите в окуляр и одновременно медленно поднимайте тубус с помощью кремальеры до тех пор, пока в поле зрения не появится изображение объекта.

Запомните! Фокусное расстояние для малого увеличения равно приблизительно 1 см.

6.Для того чтобы перейти к рассмотрению объекта при большом увеличении микроскопа, прежде всего, необходимо отцентрировать препарат, т.е, поместить объект или ту часть его, которую вы рассматриваете, в самый центр поля зрения. Для этого, глядя в окуляр, передвигайте препарат с помощью винтов-препаратоводителей или вручную, пока объект не займет нужного положения.

7.Вращая револьвер, переведите в рабочее положение объектив большого увеличения.

8.Опустите тубус под контролем глаза (смотрите, как опускается тубус, не в окуляр, а сбоку) почти до соприкосновения с препаратом.

Запомните! Фокусное расстояние для объектива большого увеличения равно примерно 1 мм.

9.Затем, глядя в окуляр, медленно поднимайте тубус с помощью макрометрического винта до тех пор, пока в поле зрения не появится изображение. Не торопитесь, поскольку фокусное расстояние всего 1 мм и его легко пройти. Если изображение объекта отсутствует, то повторите пункты 8 и 9.

10.Для точной фокусировки используйте микрометрический винт.

При изучении в световом микроскопе наиболее мелких объектов используют иммерсионный (от лат. immersio - погружать или окунать) объектив. При работе с этим объективом на покровное стекло необходимо поместить каплю вещества (иммерсионное масло), имеющего одинаковый показатель преломления со стеклом. Обычно используют кедровое масло. Между линзой и покровным стеклом не остается воздушной прослойки и луч света проходит через однородную в отношении показателя преломления среду без отклонения.

12.Опустите тубус (глядя на него сбоку) так, чтобы нижняя линза объектива погрузилась в каплю иммерсионного масла.

13.Затем, глядя в окуляр, с помощью только микровинта следует осторожно (!) (фокусное расстояние объектива X90 еще меньше, чем для объектива X40) немного опустить, а затем поднять объектив, чтобы получить четкое изображение.

Запомните! Работа с иммерсионным объективом требует более интенсивного освещения поля зрения

Правила оформления лабораторной работы

Необходимым элементом микроскопического изучения объекта является его зарисовка в альбом. Цель зарисовки - лучше понять и закрепить в памяти строение объекта, форму отдельных структур, их взаимное расположение. Для выполнения зарисовок необходимо иметь альбом (оптимальный формат 30X21 см) и карандаши (простой и цветные).

Поскольку рисование на занятиях по биологии не самоцель, а метод изучения объекта, при зарисовке следует придерживаться ряда правил.

1.Рисовать необходимо простым карандашом. Разукрашивать рисунок рекомендуется цветными карандашами, но не фломастерами или авторучками, на одной стороне листа (рисунки, сделанные на обеих сторонах, накладываются друг на друга и со временем портятся).

2.До начала зарисовки вверху страницы необходимо написать дату и название темы. Если изучается зоологический объект, надо указать название типа, подтипа и класса, к которому он относится в соответствии с международной номенклатурой. Каждое из этих названий (тип, подтип, класс) пишется на отдельной строке на русском и латинском языках.

3.Рисунок должен быть достаточно крупным, чтобы его детали были хорошо различимыми. На одной странице не должно быть более 3-4 рисунков.

4.Главное требование к рисунку - правильное отображение формы, цвета, соотношения объема и размеров (длина, ширина и др.). Правильное отражение соотношения размеров изучаемого объекта позволит выполнить и второе требование - показать индивидуальные особенности объекта, т. е. зарисовать не абстрактную, а конкретную клетку. Это очень важно, так как приучает будущего врача к наблюдательности, учит видеть, наряду с общим, индивидуальное.

6.Вокруг рисунка не нужно рисовать контуров поля зрения микроскопа.

7.К каждому рисунку обязательно должны быть сделаны обозначения его отдельных частей. Надписи к рисунку можно выполнять простым карандашом или авторучкой.

8. После завершения лабораторной работы необходимо тщательно убрать рабочее место.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

1. Приготовление временного препарата «Клетки пленки лука»

Для того, чтобы приготовить временный препарат с пленкой лука, снимите пинцетом толстую чешую лука, а с ее внутренней стороны - тонкую прозрачную пленку. Ножницами отрежьте небольшой кусочек пленки (0,5 см), поместите ее в каплю воды на предметное стекло, аккуратно расправьте края иголкой. Затем окрасьте слабым раствором йода и накройте покровным стеклом. Избыток жидкости удалите фильтровальной бумагой.

Рассмотрите препарат при малом увеличении микроскопа. На препарате видны тесно прилегающие друг к другу клетки вытянутой, почти прямоугольной формы, покрытые плотной оболочкой. Как правило, в клетке можно видеть округлое, довольно крупное ядро, окрашенное йодом в желто-коричневый цвет.

Рассмотрите препарат при большом увеличении. Найдите двухконтурную оболочку клетки и обратите внимание на ее толщину. Внимательно присмотревшись, заметите зернистую структуру цитоплазмы. Ядро обычно занимает срединное положение и имеет округло-овальную форму. Иногда оно смещено к оболочке и приобретает сплющенную форму. В ядре видны одно-два ядрышка.

2. Микроскопический анализ постоянного микропрепарата «Клетки эпителия кожи лягушки»

Сравните величину и форму клеток эпителия кожи лягушки и клетки пленки лука. Обратите внимание на сходства и различия между растительными и животными клетками:

а) у клеток растений имеется упругая и прочная оболочка;

б) значительно развит вакуолярный аппарат, в большей степени определяющий осмотические свойства клетки;

в) существование пластид, способствующих прохождению первичного синтеза органических веществ из углекислого газа и воды под влиянием солнечной энергии;

г) преобладание в клетках синтеза над процессом освобождения энергии, ведущее к накоплению в них запасных веществ;

д) клеточный центр - постоянный органоид клеток животных, отсутствующий в клетках высших растений;

е) цитокинез у растительных клеток происходит путем образования клеточной перегородки, а у животных клеток - путем формирования борозды деления.

Сначала найдите на готовом препарате участок кожи лягушки, окрашенный в сине-фиолетовый цвет. Затем положите препарат так, чтобы объект находился в центре предметного столика, и рассмотрите при малом, а потом при большом увеличении. Форма клеток многоугольная, оболочки, тонкие, вакуолей нет, цитоплазма равномерно заполняет всю клетку. В центре расположено ядро округлой формы.

3. Микроскопический анализ постоянного микропрепарата «Клетки крови лягушки»

Рассмотрите готовый окрашенный препарат крови лягушки при малом и большом увеличении. Все поле зрения покрыто клетками. Основную массу клеток составляют эритроциты, имеющие овальную форму, розовую окраску цитоплазмы и продолговатое ядро сине-фиолетового цвета. Среди эритроцитов иногда встречаются лейкоциты. Они отличаются от эритроцитов округлой формой и строением ядра, которое разделено на сегменты (нейтрофилы) или имеет круглую форму (лимфоциты). Обратите внимание, что в животных клетках в отличие от растительных клеток клеточные оболочки почти незаметны. Для зарисовки выберите участок препарата, где клеточные элементы расположены не слишком плотно.

4. Микроскопический анализ постоянного микропрепарата «Клетки крови человека»

Рассмотрите постоянный микропрепарат «Мазок крови человека» при малом, а затем большом увеличении. На фоне бесцветной плазмы видны розовые, шаровидные эритроциты, имеющие вид круглых двояковогнутых дисков. Ядро в эритроцитах всех млекопитающих отсутствует. Лейкоциты обнаруживаются реже, они имеют фиолетовые ядра различной формы, крупнее эритроцитов.

Практическое занятие №2

1. Тема:

Структура и функции цитоплазматических мембран. Транспорт веществ через мембраны.

2. Учебные цели:

Знать:

- строение универсальной биологической мембраны

- закономерности пассивного транспорта веществ через мембраны

- закономерности активного транспорта веществ через мембраны

- особенности экзоцитоза и эндоцитоза

Уметь:

- готовить временные микропрепараты

- проводить микроскопический анализ

Владеть:

- техникой микроскопирования при малом и большом увеличениях светового микроскопа

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Строение эукариотической клетки.

2. История развития представлений о строении клеточной мембраны.

3. Молекулярная организация биологической мембраны (модели Даниели и Даусона, Ленарда (мозаичная)).

4. Современная жидкостно-мозаичная модель строения биологической мембраны Сингера-Николсона.

5. Химический состав плазматической мембраны.

6. Функции мембраны.

7. Пассивный транспорт веществ через мембрану: осмос, простая диффузия, облегченная диффузия.

8. Эритроциты человека в изо-, гипо- и гипертонических растворах

9. Активный транспорт. Принцип работы натрий-калиевого насоса.

10. Эндоцитоз. Этапы фагоцитоза. Пиноцитоз.

11. Экзоцитоз.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Таблицы: №11 «Модели цитоплазматической мембраны»; №12 «Жидкостно-мозаичная модель мембраны», микроскопы, предметные и покровные стекла, колбочки с 0,9% и 20% растворами NaCl, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, дистиллированная вода, веточки элодеи.

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

Выполнение тестовых заданий.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

1. Строение клетки листа элодеи

Материал и оборудование: микроскопы, предметные и покровные стекла, дистиллированная вода, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, веточки элодеи.

Изучаемые объекты: элодея.

Цель практической работы: Изучить строение растительной клетки и найти отличия от животной клетки

Содержание практической работы.

Пользуясь пинцетом и ножницами, отрежьте от веточки элодеи один листок, положите его на предметное стекло в каплю воды, накройте покровным стеклом и рассмотрите препарат вначале при малом, а затем при большом увеличении микроскопа. Лист элодеи состоит из 2-х слоев клеток, поэтому, изучая его, нужно вращать микрометрический винт, чтобы четко увидеть верхний или нижний слой. Клетки элодеи почти прямоугольной формы, имеют плотные оболочки. Между оболочками отдельных клеток заметны узкие межклеточные ходы. Ядра в клетках не видны, поскольку в неокрашенной клетке показатели преломления ядра и цитоплазмы почти одинаковы. В цитоплазме клеток находятся зеленые округлые пластиды - хлоропласты, которые маскируют ядро, и его трудно обнаружить в клетке. Более светлое пространство в цитоплазме - вакуоли, заполненные клеточным соком. При температуре выше 10°C в клетках элодеи можно заметить движение цитоплазмы, прилегающей к оболочке клеток, по движению зеленых пластид вдоль стенок клеток. В случае отсутствия движения пластид, его можно вызвать, разрезая листочек, на мелкие части или прибавляя к воде несколько капель спирта.

2. Плазмолиз и деплазмолиз в клетках листах элодеи

Материал и оборудование: микроскопы, предметные и покровные стекла, колбочки с 0,9% и 20% растворами, дистиллированная вода, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, веточки элодеи, таблицы.

Изучаемые объекты: элодея.

Цель практической работы: Изучить явление плазмолиза и деплазмолиза в клетках листа элодеи.

Содержание практической работы.

При выполнении работы следует отрезать ножницами один листок с веточки элодеи, поместить его на предметное стекло в каплю воды и накрыть покровным стеклом. Рассмотреть полученный препарат при большом увеличении микроскопа. Зарисовать клетки, отметить оболочку, цитоплазму, хлоропласты и вакуоли. К одному краю покровного стекла приложить полоску фильтровальной бумаги, а с противоположного края осторожно ввести пипеткой под покровное стекло каплю 20% раствора поваренной соли (гипертонический раствор). Фильтровальная бумага впитает часть воды из-под покровного стекла, и лист элодеи окажется в гипертонической среде. Через 10-15 мин вновь рассмотреть препарат при большом увеличении микроскопа. К этому времени становится видно, что цитоплазма с хлоропластами отодвигается от клеточных оболочек и концентрируется в центре клетки, объем вакуолей уменьшается, вода уходит из клетки в среду. Это явление плазмолиза. К концу плазмолиза цитоплазма займет центральное положение в клетке.

После этого замените гипертонический раствор обычной водой. Через некоторое время клетки окажутся в гипотонической среде: цитоплазма займет прежний объем, т. е. произойдет деплазмолиз и клетка вернется в исходное состояние нормального тургора.

Практическое занятие №3

1. Тема:

Строение эукариотических клеток. Цитоплазма и ее компоненты

2. Учебные цели:

Знать:

- особенности организации эукариотических клеток

- строение и функцию органоидов цитоплазмы

Уметь:

- определять при микроскопировании органоиды цитоплазмы (комплекс Гольджи, клеточный центр).

Владеть:

-техникой микроскопирования при малом и большом увеличениях светового микроскопа;

- техникой микроскопического анализа при иммерсионном увеличении.

3. Вопросы для самоподготовки по данной теме:

1. Строение эукариотической клетки.

2. Цитоплазма и ее компоненты: гиалоплазма, органоиды, включения.

3. Классификации органоидов цитоплазмы.

4. Органоиды общего назначения.

5. Строение и функция одномембранных органоидов: ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы (виды), пероксисомы, вакуоли растительных клеток.

6. Строение и функция двумембранных органоидов: митохондрии, пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты).

7. Строение и функция немембранных органоидов: рибосомы, клеточный центр, микротрубочки.

8. Органоиды специального назначения: микроворсинки, реснички, жгутики, миофибриллы, нейрофибриллы.

9. Включения: трофические, секреторные, специальные.

10. Организация потоков веществ, энергии и информации в клетке.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа

6. Оснащение. Микроскопы, иммерсионные объективы, постоянные микропрепараты, электронные фотографии, слайды, таблицы : № 5 «Строение клетки», № 6 «Строение животной клетки», № 7 «Лизосомы», № 8 «Митохондрии», № 9 «Пластинчатый комплекс Гольджи», № 10 «Клеточный центр».

7. Содержание занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

Органоиды общего назначения

Среди них можно выделить три группы:

1 - органоиды, участвующие в синтезе веществ;

2 - органоиды с защитной пищеварительной функцией;

3 - органоиды, обеспечивающие клетку энергией.

4 - органоиды, участвующие в делении и движении клеток.

1. Органоиды, участвующие в синтезе веществ

В любой клетке совершается синтез свойственных ей веществ, являющихся либо строительным материалом для новообразующихся структур взамен изношенных, либо ферментами, участвующими в биохимических реакциях, либо секретами, выделяемыми из клеток желез.

Исходными продуктами для синтеза служат вещества, образующиеся при распаде клеточных структур, но, главным образом, поглощаемые клеткой извне. При этом те из них, которые представляют собой цельные молекулы белков, жиров и углеводов, предварительно адсорбированные на поверхности клетки и поступившие в цитоплазму, расщепляются с помощью ферментов на составные части. Активная роль в синтезе клеточных веществ принадлежит эндоплазматической сети и рибосомам.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

Эндоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум) впервые была обнаружена американским ученым Портером в 1945 г. при электронной микроскопии культур клеток соединительной ткани - фибробластов - и названа эндоплазматической сеть. Различают две разновидности ЭПС: гладкую (агранулярную) и шероховатую (гранулярную). Обе они образованы цистернами или каналами, которые ограничены мембраной, толщиной 6-7 нм. На наружной поверхности мембраны шероховатой ЭПС имеются рибонуклеопротеидные гранулы - рибосомы, отсутствующие на поверхности мембран гладкой сети. Оба типа ЭПС обычно находятся в непосредственной структурной взаимосвязи вследствие прямого перехода мембран ЭПС одного типа в мембраны ЭПС другого типа, а содержимое каналов и цистерн этих разновидностей ЭПС не разграничено специальными структурами. Тем не менее, обе разновидности ЭПС представляют собой дифференцированные специфические внутриклеточные органоиды, специализированные на реализацию разных функций.

Строение гладкой ЭПС. Она представлена канальцами диаметром 50-100 нм, которые на ультратонких срезах выглядят в виде парных мембран (трубочек) или мешочков. Мембраны гладкой цитоплазматической сети имеют много общего с остальными клеточными мембранами. В основе их строения лежит липопротеидный комплекс со значительным содержанием липидов (до 50%), Толщина каждой мембраны около 6-7 нм. Агранулярная ЭПС постоянно присутствует в клетках печени, клубочковой и пучковой зонах надпочечников, а также в сердечных миоцитах и мышечных волокнах скелетной мускулатуры. Агранулярная сеть, как правило, определяется в местах скопления гликогена или липидных включений.

Функцию ЭПС гладкого типа связывают, главным образом, с углеводным и жировым обменом. Считают, что она участвует в синтезе липидов и расщеплении гликогена, предохраняя при этом образующуюся глюкозу от действия гликолитических ферментов.

Наконец, все более очевидной становится значение гладкой эндоплазматической сети, как системы внутриклеточного проведения импульсов, в частности, в мышечных волокнах, где она лежит вдоль миофибрилл (белковые нити, способные к сокращению при раздражении). Гладкая ЭПС может транспортировать и накапливать вещества, осуществлять функцию детоксикации вредных продуктов обмена. В поперечно полосатой мышечной ткани гладкая ЭПС играет роль резервуара ионов кальция, а ее мембраны содержат мощные кальциевые насосы, которые в сотые доли секунды могут выбрасывать большие количества ионов в цитоплазму или, наоборот, транспортировать их в полость этих каналов. ЭПС в клетках надпочечников специализирована на синтез предшественников стероидных гормонов.

Строение ЭПС гранулярного типа. Состоит из разветвленной системы канальцев или плоских мешочков, ограниченных липопротеидными мембранами, на поверхности которых расположены рибосомы. Она обнаружена почти во всех клетках, но наиболее сильно развита в клетках с высоким уровнем белкового обмена, например, в клетках эндокринной системы, поджелудочной железы, печени, слюнных желез, нейронах центральной нервной системы и т. д. Так, в секреторных клетках, синтезирующих белки на экспорт, гранулярная ЭПС занимает основную часть цитоплазмы.

После гибели клеток гранулярная ЭПС разрушается значительно позже, чем агранулярная.

Функцию ЭПС гранулярного типа, прежде всего, связывают с обеспечением синтеза белка, внутриклеточного транспорта и начальной пострансляционной модификацией белков, синтезируемых на прикрепленных рибосомах. Доказано, что на поверхности гранулярной ЭПС осуществляется синтез ряда простых веществ белковой природы. Синтезируемые вещества способны поступать в пространство ЭПС и передвигаться внутри клетки. Установлено, что мембраны ЭПС могут переходить в наружную мембрану ядерной оболочки. Вследствие этого пространство ЭПС может сообщаться с перинуклеарным пространством, расположенным между наружной и внутренней мембранами оболочки ядра. Иногда гранулярная ЭПС может играть роль резервуара для хранения запасных питательных веществ.

Кроме того, важнейшей функцией мембраны ЭПС является ее способность ограничивать однородные участки цитоплазмы и вещества, в них содержащиеся. Такое явление называется компартментализацией цитоплазмы.

Биогенез ЭПС. Этот вопрос представляет большой интерес, поскольку ЭПС является динамической структурой, претерпевающей значительные изменения в связи с функциональными колебаниями, свойственными клеткам. Так, например, при голодании организма, когда снижается синтез белков и интенсивно расходуется гликоген печени, в ее клетках уменьшается масса гранулярной сети и резко возрастает объем агранулярной сети.

В настоящее время существует несколько точек зрения об источниках образования мембран ЭПС: 1 - образование мембран при участии ядерной оболочки; 2 - образование новых мембран в существующей гранулярной ЭПС, которые лишь вторично превращаются в систему гладкой ЭПС; 3 - образование мембран заново из имеющихся в цитоплазме белков и липидов.

Рибосомы

Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеидные гранулы, в которых осуществляется синтез белков, свойственных данному организму. В цитоплазме клеток они лежат либо на поверхности мембраны гранулярной цитоплазматической сети (связанные рибосомы), либо располагаются свободно в цитоплазме (свободные рибосомы), либо входят в состав митохондрий (митохондриальные рибосомы). Одиночные цитоплазматические рибосомы имеют размеры около 10-25 нм, митохондриальные рибосомы более мелкие.

Строение рибосом. Исследования, проведенные с помощью электронного микроскопа, показали, что в состав рибосомы входят информационная РНК (иРНК), две рибосомные субъединицы (большая и малая) и транспортная РНК (тРНК). Каждая субъединица построена из рибосомный РНК (рРНК) и белка в соотношении 1:1. Формирование рибосом происходит в цитоплазме клетки следующим образом: к молекуле иРНК вначале присоединяется малая субъединица, затем тРНК, и в последнюю очередь большая субъединица. Формируется сложный комплекс из плотно прилегающих друг к другу макромолекул. Имеются также данные о наличии в рибосомах липидов, ионов и ферментов. Соединение отдельных рибосом с мембранами ЭПС осуществляется большими субъединицами.

В рибосомах осуществляется синтез различных белков: в свободных рибосомах - белков, необходимых самой клетке, в связанных с мембранами рибосомах - белков, идущих на «экспорт», т. е. выделяемых клеткой. Используя метод электронной микроскопии и введения меченых аминокислот удалось установить, что в рибосомах, связанных с мембранами, синтез белков происходит примерно в 20 раз быстрее, чем в свободных рибосомах. Полагают, что на рибосомах гранулярной ЭПС белки синтезируются за 2-3 мин, а через 10 мин они перемещаются в просвет канальцев эндоплазматической сети.

Во время интенсивного синтеза белков отдельные рибосомы объединяются с помощью информационной РНК, как бы нанизываясь на ее длинную молекулу, в небольшие группы, которые называются полисомами, или полирибосомами. Количество рибосом в полисоме может колебаться от 5-7 до 70-80 и более, что зависит от размера белковой молекулы.

Биогенез рибосом. Количество рибосом в цитоплазме подвержено значительным колебаниям, отражающим различные функциональные состояния клеток. Ключевая роль в образовании рибосом принадлежит ядрышку. Прямое доказательство того, что ядрышко ответственно за синтез рРНК, было получено в 1964 году, когда открыли, что в мутантных клетках, лишенных ядрышек, синтез рРНК не происходит. Синтез рРНК кодируется рибосомной ДНК, которая локализуется специфических участках хромосом - ядрышкообразующих районах (ЯОР). Рибосомальные белки (их насчитывается более 50 видов) синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в ядрышки, где происходит их объединение с рРНК. Так в ядрышках образуются большие и малые субъединицы рибосом, которые в дальнейшем транспортируются из ядра в цитоплазму клетки.

Пластинчатый комплекс Гольджи

В 1898 г. итальянский ученый Гольджи, применив метод импрегнации азотнокислым серебром, обнаружил в нервных клетках спинномозгового узла структуры, состоящие из пластинок и пузырьков. Этo и есть пластинчатый комплекс, носивший долгое время имя Гольджи.

Серьезный вклад в понимание значения пластинчатого комплекса внес советский ученый цитолог Д.Н. Насонов (1930), установивший существенную роль этой органеллы в процессах секреции.

Строение пластинчатого комплекса. В основе строения пластинчатого комплекса, как и в основе строения большинства клеточных органелл, лежат липопротеидные мембраны, толщиной. Данные электронной микроскопии показали, что пластинчатый комплекс является неоднородным образованием. Центральной, наиболее типичной и постоянной структурой аппарата Гольджи является система уплощенных цистерн, составляющих стопку или колонку прилегающих друг к другу овальных или округлых образований (диктиосома). В периферической части цистерн (в типичных случаях) формируется вакуолярная часть комплекса Гольджи, состоящая из ограниченных мембраной пузырьков разных размеров.

В более сложных вариантах организации комплекса Гольджи на периферии цистерн развивается сложная система ограниченных мембранами трубчатых переплетающихся структур, от которых отшнуровываются периферические пузырьки и вакуоли.

По периферии аппарата Гольджи имеются скопления полирибосом. Показано, что они синтезируют ряд ферментов, специфических для мембран аппарата Гольджи. Характерна тесная пространственная связь комплекса Гольджи с мембранами ЭПС и ядерной оболочкой. Некоторые авторы обнаружили непосредственный переход канальцев гранулярной ЭПС в пластинчатый комплекс.

В живой клетке пластинчатый комплекс располагается около ядра. Форма пластинчатого комплекса варьирует в зависимости от функционального состояния клетки.

Функции пластинчатого комплекса длительное время сводили к участию в оформлении секреторных гранул, в секреции и транспорте. Комплекс Гольджи является упаковочным «цехом» в клетке, конденсационной мембраной, концентрируя в виде капель или гранул вещества, вырабатываемые клеткой. Однако в последнее время установлено, что он выполняет и ряд других функций; в нем происходит дегидратация (обезвоживание) белковых продуктов секреторных гранул, сегрегация (укрупнение) белковых молекул, синтез сложных комплексных соединений: гликопротеидов, гликолипидов, мукополисахаридов, зрелых молекул иммуноглобулинов и т.д.

Полагают, что пластинчатый комплекс дает начало мелким пузырькам, которые играют роль транспортных структур, связывающих пластинчатый комплекс с цитоплазматическим ретикулумом и клеточной оболочкой. Считают также, что он принимает участие в образовании первичных лизосом. Комплекс Гольджи участвует в формировании акросомы сперматозоида. Из цистерн аппарата Гольджи, так же как из ЭПС, могут возникать пероксисомы.

Биогенез пластинчатого комплекса. Согласно существующим предположениям пластинчатый комплекс может возникать различными путями: 1 - вследствие фрагментации (деления) его элементов, 2 - из мембран гранулярной ЭПС, 3 - из микропузырьков, образующихся на внешней поверхности ядерной оболочки, 4 - может образоваться de novo.

Микротрубочки

Впервые их наблюдали в аксоплазме, выдавленной из миелинизированных нервных волокон. Для цитоплазматических микротрубочек характерны постоянные размеры и удивительная прямолинейность. Их диаметр около 24 нм, длина несколько микрон. На поперечном срезе они имеют вид кольца. Эта конфигурация образуется плотной стенкой и светлым центральным участком.

Стенка микротрубочки состоит из отдельных линейных или спиральных нитчатых структур диаметром около 5 нм, которые, в свою очередь состоят из белковых субъединиц. На поперечном срезе микротрубочки насчитывается около 13 субъединиц. Иногда в центральной части некоторых микротрубочек обнаруживаются плотные тяжи или палочки.

Функции микротрубочек. В ресничках, жгутиках, митотическом веретене деления и в цитоплазме простейших, способных к сокращению клеточного тела, функции микротрубочек связаны с сокращением.

На долю микротрубочек приходится около 10% белка, формирующего веретено деления. Именно они обуславливают двойное лучепреломление веретена и лучей звезды. Во время цитокенеза в перемычке, соединяющей две дочерние клетки (и содержащей, многочисленные микротрубочки), наблюдаются перистальтические волны.

Микротрубочкам приписывают роль каркаса (цитоскелета), функция которого состоит в создании и поддержании формы клетки, а также в перераспределении ее содержимого.

Микротрубочки, по-видимому, участвуют в процессе внутриклеточной микроциркуляции, обеспечивающей транспорт небольших молекул внутри клетки. Для этого они образуют и отграничивают в цитоплазме своего рода каналы.

Микротрубочки могут играть определенную роль в локальных изменениях формы клетки, которые происходят при клеточной дифференцировке в ходе эмбрионального развития. Резко выраженное удлинение ядра сперматиды сопровождается возникновением строго упорядоченных по их расположению микротрубочек, которые охватывают ядро в направлении, перпендикулярном его оси; эти микротрубочки образуют вокруг ядра двойную спираль.

2. Органоиды с защитной и пищеварительной функцией

Лизосомы

Эти органоиды известны с 50-х годов XX столетия, когда бельгийский биохимик де Дюв обнаружил в клетках печени мелкие гранулы, содержащие гидролитические ферменты. Отсюда и их название (греч . lisio - растворяю, soma - тело). Лизосомная концентрация де Дюва является прямым продолжением учения о фагоцитозе русского ученого И. И. Мечникова.

Строение лизосом. Лизосомы имеют вид телец округлой или овальной формы, диаметром около 0,2-0,8 мкм. Мембрана лизосом одинарная. Функциональная активность лизосом определяется состоянием их мембран. Проницаемость мембраны лизосом может изменяться в различных функциональных, патологических и экспериментальных условиях. Например, тироксин, прогестерон, витамин А, а также ультрафиолетовые излучения и рентгеновские лучи, кислород и другие, являются так называемыми лабилизаторами лизосомной мембраны. Они повышают ее проницаемость, а преднизолон, кортизон и другие являются стабилизаторами мембраны лизосом - уменьшают ее проницаемость.

Матрикс лизосом содержит свыше 80 гидролитических ферментов (гидролаз), аминокислоты, фосфопротеиды, гликопротеиды.

Количество лизосом в различных клетках не одинаково и не постоянно. Оно определяется, прежде всего, функциональным состоянием клетки. Наибольшее количество лизосом наблюдается в клетках, способных к фагоцитозу (макрофагах и лейкоцитах). Много лизосом наблюдается в эпителиальных клетках органов, осуществляющих всасывание, секрецию или экскрецию, например, в эпителии кишечника, почек, предстательной железы и др. Относительно механизмов перемещения лизосом в клетке известно лишь то, что в данных процессах принимают участие микротрубочки, поскольку при их разрушении специфическими ингибиторами движение лизосом прекращается.

Различают следующие разновидности лизосом: первичные лизосомы или накопительные (запасающие) гранулы и вторичные лизосомы.

Первичные лизосомы характеризуются небольшими размерами и большей электронной плотностью матрикса, т. е. содержимого, по сравнению с вторичными лизосомами.

Первичные лизосомы содержат гидролитические ферменты, которые находятся в неактивном состоянии. Полагают, что гидролитические лизосомные ферменты синтезируются в рибосомах, затем поступают в канальцы эндооплазматической сети, далее переходят в пластинчатый комплекс, в котором формируется мембрана первичных лизосом.

Вторичные лизосомы. К ним относятся: 1 - пищеварительная вакуоль или фаголизосома, 2 - аутофагирующая вакуоль (синоним цитолизосома), 3 - остаточное тельце.

Пищеварительная вакуоль образуется в результате слияния фагосомы с первичной лизосомой. Она характеризуется большими размерами, чем первичная лизосома (около 0,8-1,2 мкм). В ее матриксе содержатся включения в виде гранул различной величины. В пищеварительной вакуоли поглощенные вещества постепенно перевариваются под влиянием гидролаз. Переваривание может идти до образования низкомолекулярных веществ, которые проходят через мембрану лизосом и используются для синтеза внутриклеточных структур, например, других органелл.

Аутофагирующая вакуоль представляет крупное тельце овальной формы, содержащее в своем матриксе остатки фрагментов самой клетки: митохондрий, цитоплазматической сети, рибосом или других органелл, которые также подвергаются разрушению под действием лизосомных ферментов. В дальнейшем продукты их расщепления вновь вовлекаются в процессы ресинтеза белков, жиров и углеводов. Аутофагирующие вакуоли в больших количествах выявляются при голодании, различных интоксикациях, гипоксии, старении и т. д. Остаточные тельца образуются в клетке при неполном переваривании в фаголизозомах и аутофагирующих лизосомах остаточное тельце оказывается неполным, образуется остаточное тельце, продукты которых подлежат выведению из клетки. Остаточные тельца имеют неправильную форму, их матрикс наполнен гранулами высокой электронной плотности.

Функции лизосом. Лизосомы способны расщеплять практически все органические вещества. Благодаря этой функциональной особенности, лизосомы играют важную роль во внутриклеточном пищеварении, переваривая вещества, поглощенные клеткой (белки, липиды, полисахариды).

Кроме того, значение лизосом заключается в процессах аутолиза продуктов внутриклеточного обмена и остатков разрушенных органелл.

Лизосомы освобождают клетку от продуктов распада и поставляют низкомолекулярные вещества для ресинтеза органелл клетки, т. е. принимают участие в физиологической и репаративной регенерации. Особенно большое значение имеют лизосомы в клетках центральной нервной системы, в которых представлена в основном внутриклеточная регенерация.

Лизосомы принимают участие в процессе инволюции, т. е. обратном развитии тканей, например, тканей матки в послеродовом периоде, фолликулов яичника при атрезии (запустевании) и др.

Особенно велика роль лизосом в защитных реакциях клетки. В лизосомах происходит переваривание и обезвреживание чужеродных веществ, например, микробов, поглощенных клеткой путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Увеличение проницаемости лизосомных мембран в патологии дало повод для рассмотрения лизосом как орудий «самоубийства клеток». Однако сейчас эта гипотеза уступила место более обоснованной концепции о лизосомах, как о мощных защитных структурах клетки, обеспечивающих условия, оптимальные для ее жизнедеятельности.

Пероксисомы (микротельца)

Пероксисомы (синоним - микротельца) - это органоиды, принимающие участие в защитных реакциях, освобождая клетки от перекисей, которые могут накапливаться в них вследствие неферментативного окисления жирных кислот, входящих в состав липидов биомембран. Как известно, перекиси вызывают денатурацию белков и деструкцию витаминов А, Д, К, тормозят деятельность ряда ферментов.

Строение пероксисом. Форма микротелец чаще округлая или овальная. Размеры колеблются в пределах 0,3-0,9 мкм. Они окружены мембраной, толщина которой меньше, чем у лизосом, и колеблется в пределах 6,5 нм. Мембрана микротелец относительно проницаема для молекул с небольшим молекулярным весом. Матрикс пероксисом мелкозернист, средней электронной плотности. Количество пероксисом в клетках может достигать 1-2% общего объема. Так, в гепатоците среднее число пероксисом составляет около 600.

Характерной особенностью микротелец является пространственная связь с гладкой эндоплазматической сетью или с гладкими участками гранулярной цитоплазматичеекой сети, которые, по-видимому, принимают участие в генезе пероксисом.

Функции микротелец. Микротельце - органоид, в котором осуществляется метаболизм перекиси водорода. Каталаза пероксисом защищает компоненты клетки от разрушительного действия перекисей. Каталаза может взаимодействовать с перекисью водорода по двум основным направлениям. Она может участвовать в разложении перекиси на водород и воду: 2Н₂О₂>2Н₂О+О₂ (каталазная реакция), а также в окислении перекисью водорода какого-либо донора водорода: Н₂О₂+RН₂>2H₂O+R (пероксидазная реакция). Пероксисомы служат вспомогательным местом окисления углеводов. Кроме этих функций, пероксисомы участвуют в расщеплении холестерина в печени. По-видимому, следствием последней функции является устойчивость к атеросклерозу некоторых животных, например, морских свинок, у которых в печени обнаружено высокое содержание каталазы.

Биогенез лизосом и пероксисом. Источником образования лизосом и пероксисом могут быть: 1 - гранулярная и агранулярная цитоплазматическая сеть, 2 - элементы пластинчатого комплекса, 3 - они могут образовываться путем саморепродукции и 4 - синтез de novo.

3. Органоиды, участвующие в энергообеспечении клетки

Подавляющее большинство функций клетки сопряжено с затратой энергии. Живая клетка образует ее в результате постоянно протекающих окислительно-восстановительных процессов, составляющих так называемое дыхание.

Имеется два способа получения энергии: аэробное окисление и анаэробное окисление (или гликолиз). В различных клетках, а также при различных их функциональных состояниях преобладает тот или иной тип дыхания, например, в мышцах в период сокращения - анаэробный, а во время расслабления - аэробный.

Аэробный тип дыхания совершается при участии молекулярного кислорода, в результате чего органические вещества распадаются до конечных продуктов - до углекислого газа и воды. Ключевым для этого типа дыхания является цикл трикарбоновых кислот - цикл Кребса. Анаэробный тип дыхания или гликолиз происходит без участия молекулярного кислорода и при этом органические вещества (глюкоза и гликоген) расщепляются не до конечных продуктов, а до молочной или пиро-виноградной кислоты. Поэтому при гликолизе количество высвобождающейся энергии бывает меньше, чем при аэробном дыхании.