שיטות מחקר בשימוש בציטולוגיה. שיטות לחקר תאים. שיטות לחקר תאים ורקמות חיים

המאפיין העיקרי של השיטה המורפו-פונקציונלית לחקר תאים הוא הרצון להבין את הבסיס המבני של התהליכים הביוכימיים הקובעים פונקציה נתונה, כלומר לחבר תהליכים אלו עם מבנים תאיים ספציפיים.

המטרה הסופית בשיטה זו זהה למטרה שאותה רודפים הביולוגיה המולקולרית והביוכימיה המבנית התאית. עם זאת, השיטות המשמשות את המדעים הללו לפתרון בעיה נפוצה שונות מהותית. אם בביולוגיה מולקולרית ובביוכימיה מבנית תנאי הכרחי הוא הרס התא ובידוד המבנה הנחקר בצורה של שבר טהור פחות או יותר, הרי שבמחקרים ציטולוגיים התנאי המקדים, להיפך, הוא שימור של שלמות התא. במקרה זה, יש צורך לשאוף לצמצום הפרעות חיצוניות למינימום, ולנסות ללמוד את הארגון המבני והביוכימי של רכיבים מסוימים בתוך המערכת התאית כולה.

המחקר על הכיוון המורפופונקציונלי התפתח במהירות בעשורים האחרונים. בשלב זה פותחו מספר רב של שיטות חדשות ביסודו לניתוח איכותי וכמותי של מבנים תאיים. גישה זו קשורה קשר הדוק לענפים חדשים של מדעי הביולוגיה, ובפרט, לביולוגיה מולקולרית, אשר קובעת את התרומה המשמעותית מאוד של מחקר כזה להתקדמות הידע שלנו על החוקים הכלליים של ארגון התא.

מיקרוסקופ אלקטרוני

אחת הנפוצות, שהפכה לשיטה קלאסית המשמשת במחקרים מבניים וביוכימיים, היא שיטת מיקרוסקופיה אלקטרונית על שינוייה השונים. שינויים אלה נובעים הן מגישות שונות לניתוח המבנים הנחקרים והן מהמוזרויות של הכנת תאים למחקרים אולטרה-סטרוקטורליים. הרזולוציות הגבוהות של מיקרוסקופי העברה (טרנספורמציה) קונבנציונליים מאפשרים לנתח לא רק את כל האברונים של המנגנון הגרעיני והציטופלזמי, אלא גם כמה מבנים הממוקמים ברמה העל-מולקולרית של הארגון, למשל, מיקרופיברילים תומכים ומתכווצים, מיקרו-צינוריות וחלקם. קומפלקסים מולטי אנזימים. נכון לעכשיו, השיטה של ​​מיקרוסקופ אלקטרונים במתח גבוה נמצאת בשימוש מוצלח יותר ויותר כדי לחקור תאים ברמות המערכתיות והתת-מערכתיות של הארגון שלהם. בשל האנרגיה הגבוהה הרבה יותר של קרן האלקטרונים החודרת בהשוואה למיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת, שיטה זו מאפשרת לחקור קטעים "עבים" או אפילו תאים שלמים פרוסים תחת מיקרוסקופ, מה שמאפשר, למשל, לנתח את סך הכל. מערכת מורכבת של סיבים תת-ממברניים של מנגנון פני התא.

בחקר תפקוד מנגנון פני השטח של התא, הקשר בין תת-מערכות בודדות של מנגנון פני השטח של הגרעין ועוד מספר נושאים של ציטולוגיה כללית, שיטת סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים, המאפשרת ללמוד את משטח של אובייקט בנפח, מקבל חשיבות משמעותית.

שיטת הקפאה-שבב

מקום מיוחד וחשוב מיסודו במחקרים ציטולוגיים של הכיוון המורפוביוכימי תופסת שיטת ההקפאה-מחשוף. זוהי השיטה העדינה ביותר להכנת חפצים ביולוגיים לניתוח אולטרה-סטרוקטורלי, כלומר, היא גורמת לשינויים מינימליים במבנים תאיים בהשוואה למצבם המקומי. מהות השיטה היא כדלקמן. החפץ ממוקם באווירה של חנקן נוזלי, אשר עוצר באופן מיידי את כל התהליכים המטבוליים. לאחר מכן מכינים צ'יפס מהחפץ הקפוא. העתקים מתקבלים מפני השטח של שבבים על ידי מריחת סרט מתכת עליהם. סרטים אלה נבדקים לאחר מכן תחת מיקרוסקופ אלקטרונים. היתרון של שיטת ההקפאה-ביקוע הוא שמישור המחשוף עובר בדרך כלל דרך השלב ההידרופובי של הממברנה, וזה מאפשר לחקור את הכמות, הגודל והטבע של סידור חלבוני הממברנה האינטגרליים, כלומר ישירות את הארגון המורפוביוכימי הפנימי. של ממברנות, על המחשופים. השיטה נתנה תוצאות חשובות מאוד בחקר סוגים שונים של מבני ממברנה ותצורות מיוחדות, למשל, סוגים מסוימים של מגעים בתאים.

שיטה ציטוכימית

למשימה העיקרית של ההיבט המבני-ביוכימי של מחקר ציטולוגי - הבהרת המשמעות התפקודית של מבנים באמצעות ניתוח הארגון הביוכימי שלהם - לשיטות ציטוכימיות תפקיד חשוב ביותר. נכון לעכשיו, הם משתפרים ללא הרף הן במובן של זיהוי איכותי מדויק של תרכובות כימיות במבנים הנבדקים, והן במובן של ההערכה הכמותית שלהם. באמצעות מכשירים מיוחדים המאפשרים ציטוספקטרופוטומטריה כמותית, ניתן לקבוע את התוכן של חומר נתון, למשל RNA ו-DNA, לא רק בתא בכללותו, אלא גם ברמת מבנים גרעיניים או ציטופלזמיים. הודות למיקרוסקופ של הפרעות, ניתן להעריך את כמות החלבון הכוללת בתא ואת השינויים בו במהלך חייו.

קיימת שיטה של ​​זיהוי ציטוכימי של אנזימים, המאפשרת לשפוט לא רק את הלוקליזציה והכמות של תרכובת מסוימת במבנים תאיים, אלא גם את תהליכי הסינתזה וההובלה התוך תאית של תרכובות אלו.

הציטוכימיה של אנזימים מבוססת על העיקרון של אינטראקציה של סובסטרט-אנזים באמצעות תרכובות סמן המשקעות. על ידי קביעת הלוקליזציה, ובמקרים מסוימים, פעילותן של מערכות אנזימטיות, אנו יכולים לשפוט את הלוקליזציה של תהליכים ביוכימיים מסוימים במבנים תאיים.

אוטורדיוגרפיה

שיטת האוטורדיוגרפיה, ממש כמו הציטוכימיה של אנזימים, פותחת את האפשרות לחקור סינתזה ותחבורה תוך-תאית, אך יחד עם זאת יש לה אפשרויות רחבות עוד יותר. שיטת החתימה מבוססת על שימוש במבשרים רדיואקטיביים לסינתזה של מקרומולקולות המסומנות באיזוטופים מלאכותיים (3 H, 14 C, 35 S וכו'). זה מאפשר לא רק לאתר את אתרי הסינתזה של מקרומולקולות מסוימות, אלא גם להתחקות אחר מסלולים ספציפיים של הובלה תוך תאית של תרכובות אלה, לתת הערכה כמותית יחסית של עוצמת הסינתזה ומהירות התנועה של מקרומולקולות במבנים תאיים. באופן זה, בפרט, הוצגה לראשונה תנועת ה-RNA מהגרעין אל הציטופלזמה של התאים, התחקו בפירוט את לוקליזציה של סינתזה והובלה תוך-תאית של הפרשות בתאי הפרשה, ועובדות רבות אחרות חשובות לכלל. נחשפו ציטולוגיה. בבסיסה, שיטה זו היא אחת השיטות האופייניות ביותר לכיוון המבני-ביוכימי של המחקר, שכן היא מאפשרת ללמוד ישירות תהליכים מטבוליים במבנים תוך-תאיים בתא שלם, לא פגום (כמו במחקרים ביוכימיים). המהות של שיטה זו מבוססת על זיהוי מולקולות המסומנות באיזוטופ מלאכותי באמצעות תחליב צילום, המכסה קטעים של תאים ורקמות קבועים בזמנים שונים לאחר הכנסת המבשר המסומן.

שיטה אימונוציטוכימית

נכון לעכשיו, ניתוח איכותי מאוד מדויק של חלבונים בודדים של מבנים תאיים בתוך כל המערכת התאית אפשרי. ניתוח זה מתבצע באמצעות שיטות אימונוציטוכימיות. המהות של שיטות אלו היא שחלבון ספציפי משמש כאנטיגן, שאליו מיוצרים נוגדנים ספציפיים בגופו של כל יונק. האחרונים משולבים עם צבע ניאון או סמן אחר. לאחר מכן התא הנחקר מטופל בסרום המכיל נוגדנים מסומנים. נוגדנים מסומנים ספציפיים נקשרים באופן סלקטיבי לחלוטין למבנים המכילים את החלבונים הנבדקים. בשיטה זו, במיוחד, נחשפה לוקליזציה של החלבונים המתכווצים הראשיים והמסייעים של מערכת האקטין-מיוזין במנגנון הפיברילרי התת-ממברני של תאים, ושינוי התפלגותם במהלך היווצרות המנגנון המיטוטי ובתהליך הציטוטומיה. הוצג. אותה שיטה שימשה בהצלחה כדי להוכיח את תקפותו של מודל הפסיפס הנוזל של ארגון הממברנה.

שיטות מחקר תאים מקיפות

לאחרונה הושגו הצלחות גדולות במיוחד בחקר הארגון המבני והביוכימי של תאים עם שימוש משולב בשיטות ניתוח אולטרה-סטרוקטורליות ובשיטות של ציטוכימיה ואוטורדיוגרפיה. הצלחות אלו נובעות בעיקר מפיתוח שיטות מיוחדות של ציטוכימיה ואוטורדיוגרפיה ברמה האולטרה-סטרוקטורלית, המאפשרות לנתח ישירות תהליכים מטבוליים ברמת ארגון התא הנקראת, "לבנות" תהליכים ביוכימיים ולברר את המשמעות הספציפית של מבנים תאיים מסוימים בקישורים בודדים של תהליכים מורכבים של חילוף חומרים תוך תאי. בהקשר זה, הצטבר חומר נרחב על תפקידם של זנים שונים של שלב הממברנה של הציטופלזמה בתהליכים אנבוליים סינתטיים ותהליכים של קטבוליזם תוך תאי.

הצלחות גדולות הושגו, במיוחד, בחקר הארגון והתפקוד של המנגנון הליזוזומלי של תאים. עובדות חדשות וחשובות התקבלו במהלך חקר המנגנון הגרעיני של תאים. באמצעות שיטות ציטוכימיות, ניתן לזהות ריבונוקלאופרוטאין (RNPs) ודאוקסיריבונוקלאופרוטאין (DNPs) ברמה האולטרה-סטרוקטורלית ועל ידי כך להתקדם משמעותית בחקר ארגון השעתוק, ההבשלה וההובלה התוך-גרעינית של סוגים שונים של RNP בתאים איקריוטיים, והשימוש של האוטורדיוגרפיה האלקטרונית אפשרה לפרט את תפקידם של מבנים תאיים בודדים בתהליכים אלה. לדוגמה, ניתן היה לחקור בפירוט את תפקודו של הגרעין ולבנות באופן ספציפי את תהליכי היווצרות ה-RNA הריבוזמלי בו.

סינתזה כזו של היבטים ושיטות ביוכימיות מולקולריות ומבניות אופיינית מאוד גם לפיתוח של שאלות חשובות רבות אחרות על הארגון העדין של רכיבי תא בודדים. יחד עם זאת, הקשר ההדוק בין ניתוח ציטולוגי מולקולרי ומורפוביוכימי מתבטא לא רק בסינתזה של התוצאות הסופיות, אלא גם באינטראקציה ביניהן במהלך תהליך המחקר עצמו. אינטראקציה כזו מתבצעת על ידי ביצוע עבודה מורכבת בשיטות ביוכימיות וציטולוגיות כאחד על ידי ביוכימאים וציטולוגים מומחים, או על ידי שימוש בשיטות מורכבות מיוחדות הנמצאות על גבול הניתוח הביוכימי והציטולוגי של מבנים תאיים.

דוגמה לסוג הראשון היא השילוב של שיטות של בידוד ביוכימי של רכיבי תאים עם ניתוח אולטרה-סטרוקטורלי עדין שלהם. בדרך זו התקבלו לראשונה תצלומים של גנים עובדים עם זיהוי של DNA, פולימראזות RNA ומולקולות RNA מתומללות. השיפור של שיטה זו מאפשר כעת, במקרים מסוימים, לקחת בחשבון את עוצמת השעתוק על ידי ספירה ישירה של מספר מתחמי ה-RNA פולימראז. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, ניתן ללמוד ישירות דפוסים של שכפול DNA על מולקולות DNA מעגליות או ליניאריות המבודדות בשיטות ביוכימיות. שיטות ניתוח אולטרה-סטרוקטורלי נמצאות בשימוש נרחב גם במחקרים אימונוציטוכימיים של לוקליזציה של חלבונים בודדים, בתתי-חלקיקים ריבוזומים, בחקר רמות שונות של ארגון DNP, ובמקרים רבים אחרים.

דוגמה טיפוסית לשיטות מורכבות שפותחו במיוחד היא הכלאה של DNA ו-RNA על מקטעים. המהות שלה היא כדלקמן. DNA, שהוא חלק מה-DNP של תא שלם, עובר דנטורציה ולאחר מכן מעובד עם שברי RNA המסומנים עם איזוטופים רדיואקטיביים. כתוצאה מכך, אזורים ב-DNA מזוהים באופן אוטורדיוגרפי המשלימים לשברי RNA אלה, כלומר אתרי התעתיק של האחרון, במילים אחרות, ניתן לקבוע במדויק את הלוקליזציה של גנים מסוימים.

במסגרת שיטת הניסוי, הארגון התפקודי של התא בכללותו או מרכיביו האישיים נחקר על ידי שינוי מצבו בעזרת השפעות חיצוניות. על ידי התבוננות בשינויים בפעילות החיונית של התא או במרכיביו, ניתן להסיק מסקנות לגבי תכונות מסוימות של המנגנונים הנלמדים. שיטה מסוג זה הפכה כעת לנפוצה מאוד בחלקים מסוימים של הציטולוגיה, ובחלק מתחומיה ​​ההיבט הציטופיזיולוגי של ניתוח מבנים תאיים עדיין תופס עמדה דומיננטית.

זהו בדיוק מצב הבעיה לגבי פונקציית ההובלה של מנגנון פני התא. מחד גיסא, חלה התקדמות משמעותית בחקר סוגיה זו: על סמך תוצאות הניתוח הציטופיזיולוגי, ניתן היה לזהות סוגים של הובלה טרנסממברנית של חומרים ולאפיין תכונות שונות של מערכות הובלה. מצד שני, פתרון סופי לשאלת מנגנוני ההובלה הטרנס-ממברנית אפשרי רק אם יתברר הארגון הספציפי של מערכת השומנים-חלבונים של הממברנות וידיעה מדויקת של התכונות והתפקיד של שאר המרכיבים של מערכות הובלת ממברנות, כלומר ברמה המבנית-ביוכימית ניתוח של קרום הפלזמה וכל מנגנון פני השטח של התא.

היכולות המוגבלות של מחקרים ציטופיזיולוגיים של הובלה טרנסממברנית מודגמות בבירור על ידי מצב שאלת הארגון של תעלות יונים, אשר ממלאות תפקיד מרכזי בתהליכים חשובים רבים, כגון התפשטות דחף עצבי. באמצעות ארסנל שלם של שיטות ציטופיזיולוגיות שונות, הוכח שבממברנת הפלזמה יש ערוצים מיוחדים ליוני Na, K, Cl, הנבדלים בתכונותיהם. עם זאת, ידע ספציפי על הארגון המבני שלהם מוגבל עד כה לנתונים עקיפים על אופי החלבון שלהם. לפיכך, הפתרון לשאלת הארגון של תעלות יונים בפרט ומערכות הובלת ממברנות בכלל עובר, ככל הנראה, לידי מדענים הבקיאים בשיטות מבניות וביוכימיות, מכיוון שבמקרה זה, עובדות רבות ובעלות ערך רב שהושגו בציטופיזיולוגית. מחקרים מייצגים רק את השלב הפנומנולוגי הראשון בניתוח של מנגנונים תאיים כלליים אלה. עם זאת, בהיבטים מסוימים של חקר התאים, הגישה הציטופיזיולוגית יכולה לספק הרבה.

נכון להיום, מגוון טכניקות המחקר הציטופיזיולוגיות נקבע הן על ידי ארסנל התרופות ההולך וגובר העומד לרשות הציטולוגים, והן על ידי שימוש בשיטות עדינות לניתוח השינויים המתרחשים כתוצאה מפעולתם של חומרים אלו על התא. בעבר, כדי לנתח שינויים בתאים בהשפעת גורמים חיצוניים, נעשה שימוש בשיטות המוכרות לפיזיולוגים, כגון רישום פוטנציאלים חשמליים, הערכת נשימה תאית על ידי ספיגת חמצן, הערכה כמותית של ספיגת צבע, רישום שינויים איכותיים בהכתמת התאים וכו'. אז עכשיו, למטרות דומות, נעשה שימוש יותר ויותר בשיטות האופייניות לכיוון המבני-פונקציונלי: מחקר מיקרוסקופי אלקטרוני של שינויים אולטרה-סטרוקטורליים, ניתוח אוטורדיוגרפי של תהליכים סינתטיים וכו'.

בין הסוכנים המשמשים במחקרים ניסיוניים, ניתן להבחין בשתי קבוצות עיקריות. הקבוצה הראשונה מורכבת מחומרים ש"נקודת היישום" שלהם בתוך התא ידועה פחות או יותר - אלו חומרים החוסמים חלקים בודדים של חילוף החומרים התוך תאי (לדוגמה, אקטינומיצין D, המעכב שעתוק, או פורומיצין, החוסם את סינתזת החלבון, 2,4-דיניטרופנול, המנתק נשימה וזרחון חמצוני), חומרים ההורסים באופן סלקטיבי מבנים תאיים מסוימים (למשל, קולכיצין, המשמיד מיקרוטובולים, או ציטוצ'לסין B, הפועל על מיקרופיברילים). הקבוצה השנייה מורכבת מסוכנים של הפעולה הכביכול מורכבת המשנים את חילוף החומרים התאי באופן כללי - טמפרטורה, לחץ אוסמוטי, pH וכו'. השימוש בחומרים כמו למשל 2,4-דיניטרופנול איפשר להבהיר מספר סוגיות הנוגעות לצימוד של נשימה וזרחון בשרשרת הנשימה של המיטוכונדריה; השימוש במעכבי סינתזת RNA ו-חלבון איפשר לחקור חלקים מסוימים של סינתזת חלבון בריבוזומים ובתהליכי שעתוק; בעזרת קולכיצין וציטוכלזין הובהר תפקידם של המיקרוטובולים והמיקרופילמנטים בתהליכי ההובלה התוך תאית.

לסוכנים מהקבוצה השנייה (פעולה מורכבת) יתרון שהם טבעיים יותר לתאים, מכיוון שתאים בתנאים טבעיים נתקלים בשינויים דומים בסביבה החיצונית. יחד עם זאת, הם משפיעים כמעט על כל ההיבטים של חילוף החומרים התאי, מה שמקשה על ניתוח השינויים המתרחשים. עם זאת, חקר ההשפעה של חומרים כאלה על תא הוא בעל חשיבות עצמאית והוא הכרחי לחלוטין לחקר מנגנוני ההסתגלות של התא לגורמים סביבתיים משתנים, ולפתור את סוגיית הקשר בין תהליכים ספציפיים ובלתי ספציפיים בתגובת התאים ל השפעות חיצוניות ומשימות דומות אחרות, ממלאות תפקיד חשוב בהתפתחות בעיית האינטגרציה הסלולרית.

בחקר הארגון התפקודי של תאים יש חשיבות רבה לניתוח מנגנוני האינטראקציה בין מערכות תאים בודדות. במקרים רבים ניתן לפתור בעיה זו על ידי יצירת מודלים ניסיוניים מיוחדים. הדוגמאות האופייניות ביותר לסוג זה הן השתלות גרעיניות בחפצים שונים (פרוטוזואה, ביצי דו-חיים); הכלאת תאים סומטיים; השתלת חלקי תאים מפרוטוזואה; מחקרים תוך שימוש במגוון טכניקות מיקרו-כירורגיות אחרות שבוצעו על עצמים פרוטוזואולוגיים ותאי יונקים שהתרבו במבחנה.

בעזרת מודלים כאלה נחקרו הנושאים הציטולוגיים הכלליים החשובים ביותר. לדוגמה, תוצאות הניסויים בהשתלת גרעינים של תאי דו-חיים מובחנים בביצית נטולת גרעין משלה סיפקו את אחד הטיעונים המשכנעים ביותר בעד התיאוריה של פעילות גנים דיפרנציאלית. המהות של האחרון היא לבסס את הזהות המבנית של הגנום של תאים מובחנים של אורגניזם רב תאי. מכאן נובעת הטענה החשובה ביסודה שתהליך ההתמיינות מתרחש לא באמצעות שינויים בלתי הפיכים במנגנון התורשתי של תאים, אלא באמצעות ויסות פעילות של קבוצת גנים זהה לכל התאים של אורגניזם נתון.

עובדות מעניינות מאוד התגלו במודל ניסיוני לחקר תהליך ביטול ההבחנה של תא היברידי - אריתרוציט עוף ותא סרטן של יונקים. הייחודיות של ההטרוקריון הזה טמונה בעובדה שכאשר אריתרוציט עוף מתמזג עם תא סרטני, מתרחשת המוליזה של המוגלובין וגרעין האריתרוציטים התקין, כמעט מושבת לחלוטין, מגיע לציטופלזמה של התא הסרטני. לפיכך, כאן מושתל גרעין מובחן לתנאים חריגים של ציטופלזמה פעילה. תצפיות מדוקדקות בשינויים בארגון המבני של גרעינים אלה הראו כי בתנאים חדשים יש עלייה משמעותית בנפחם. חלבונים המגיעים מהציטופלזמה ממלאים תפקיד משמעותי בהתנפחות הגרעינית. שינויים חיצוניים אלו במנגנון הגרעיני של האריתרוציט משקפים תהליכים עמוקים של ארגון מחדש של הארגון הפנימי שלו, אשר מביאים לחידוש התעתיק של RNA שליח "עוף". עם זאת, יישום המידע הכלול בו בצורה של סינתזה של חלבוני "עוף" אינו מתרחש עד שנוצר גרעין במנגנון הגרעיני של אריתרוציטים של עוף ומתחיל סינתזה של RNA ריבוזומלי. לפיכך, ניתוח יסודי של מודלים ניסיוניים הראה נוכחות של בקרה ציטופלזמית מורכבת על פעילות המנגנון הגרעיני.

בעזרת מודלים ניסיוניים ניתן היה לפתור עוד מספר סוגיות ציטולוגיות כלליות חשובות. לדוגמה, שאלת מנגנוני התנועה של כרומוזומי אנפאזה נחקרה בהצלחה על המנגנון המיטוטי המקומי, מבודד מהבלסטומרים המתפצלים של קיפוד ים ופועל מחוץ לתא. בעיקר באמצעות מודלים ניסיוניים, ניתן היה לבסס דפוס כללי נרחב של ארגון התא, כלומר היעדר עקרון סיבה ותוצאה קפדנית בקישור בין תהליכים תוך תאיים מורכבים. התברר שתהליכים מרובי רכיבים כמו רביית תאים, תהליכי סינתזה והובלה תוך תאית של תרכובות גבוהות פולימר וכו' מורכבים משלבים נפרדים, אוטונומיים יחסית, שאינם מחוברים בקשר קפדני של סיבה ותוצאה. בירור דפוס זה יוצר מצד אחד את התנאים המוקדמים להבנת מנגנוני הפלסטיות המדהימה של הארגון הסלולרי. מצד שני, אותו דפוס הוא הבסיס לחקר מנגנוני השילוב של תהליכים כאלה במערכת תאית שלמה בתנאים רגילים.

נכון לעכשיו, המספר והמגוון של מודלים ניסויים שנועדו לפתור בעיות ציטולוגיות כלליות ספציפיות גדלים. זה תורם באופן משמעותי להתקדמות הידע שלנו בתחום שנחקר בצורה גרועה יחסית של ציטולוגיה - מנגנוני האינטראקציה והשילוב של העבודה של מערכות תת-תאיות.

יש להדגיש כי הספציפיות של מחקר המתבצע במסגרת הגישה הניסיונית לניתוח דפוסי ארגון התא היא העמקה הולכת וגוברת של הקריטריונים והמאפיינים שבאמצעותם ניתוח של מנגנונים משלבים ותפקודים ספציפיים של מבנים תאיים בודדים. מבוצע במקביל, מתברר כי פתרון מוצלח של הבעיות העומדות בפני מחקר כזה אפשרי רק עם יישום נרחב של שיטות הגישה המבנית-פונקציונלית.

המהות של השיטה הציטולוגית ההשוואתית למחקר בציטולוגיה כללית היא להבהיר את הדפוסים הכלליים של ארגון התא תוך שימוש בכל מגוון הזנים שלהם המסופק למדען על ידי הטבע החי. לשיטה ההשוואתית יש שני היבטים. מצד אחד, הוא משמש באופן מסורתי לזיהוי קשרים קשורים בין סוגי תאים בודדים (במיוחד עבור אורגניזמים חד-תאיים). בהתבסס על הסיסטמטיקה הפילוגנטית של תאים פרוקריוטיים ותאים איקריוטיים נמוכים ומעלה שנוצרו בדרך זו ומתבצעים באמצעות קריטריונים ציטולוגיים עדינים, ניתן להתחקות אחר היווצרות הן של מערכות תאיות פרטיות אינדיבידואליות והן של מנגנונים כלליים של ויסות ואינטגרציה של התא. מערכת אינטגרלית כדוגמה סוג זה של ניתוח ציטולוגי השוואתי בחקר תאים יכול לספק נתונים מעניינים על הארגון העדין של המנגנון הגרעיני בתאים פרוקריוטיים, נמוכים וגבוהים יותר.

המאפיינים הבסיסיים של ארגון המנגנון הגרעיני של תאים אוקריוטיים הם נוכחות של מנגנון משטח גרעיני מורכב, כמות גדולה הרבה יותר של DNA המרוכזת בכרומוזומים בהשוואה לתאים פרוקריוטיים, ולבסוף, אריזת DNA ייחודית בעזרת בסיס בסיסי. חלבונים - היסטונים ניתוח ציטולוגי השוואתי של המנגנון הגרעיני של אוקריוטים תחתונים אפשר לזהות ביניהם תאים שמבחינת המבנה הגרעיני תופסים עמדת ביניים בין תאים פרו-אוקריוטיים. לדגלים משוריינים יש מנגנון גרעיני טיפוסי על פני השטח, אך הכרומוזומים שלהם, כמו במקרה של פרוקריוטים, נוצרים על ידי מולקולות DNA מעגליות, המאורגנות למבנים קומפקטיים ללא השתתפות של היסטונים, האופייניים לכל האיקריוטים.

לאחרונה, בקשר עם גילוי מאפיינים בסיסיים בארגון הגנום של תאים פרו-אוקריוטים, השוואה בין תהליכי התעתיק והבשלת ה-RNA באורגניזמים אלו, כמו גם במסוקריוטים ובתאים של אוקריוטים תחתונים, הפכה חשובה. כתוצאה מהשוואות כאלה, יתכן שיהיו שינויים משמעותיים ברעיונות המסורתיים שלנו לגבי יחסי משפחה בקבוצות העיקריות של אורגניזמים, ובמיוחד ביחסים בין תאים פרו-אוקריוטיים.

הדוגמה השנייה ליישום המסורתי של הגישה האבולוציונית לבעיות ציטולוגיות יכולה להיות ניסיונות להציע השערה לסיבוך של מנגנוני הפצה שוויונית של כרומוזומים בין תאי בת בתהליך האבולוציה, שפותחה על בסיס ניתוח השוואתי של וריאנטים רבים של התבדלות כרומוזומים בפרוטוזואה ובצמחים נמוכים יותר. במקרים אלו, ממברנות הממברנה הגרעיניות נוטלות חלק פעיל בתהליכי הפרדת הכרומוזומים, המאפשרת הומולוגיה מסוימת עם תאים פרוקריוטים, שבה ממברנת התא ממלאת תפקיד מוביל בפיזור אחיד של כרומוזומי אחיות בין תאי הבת.

לבסוף, הדוגמה השלישית לגישה אבולוציונית מסורתית לבעיות ציטולוגיות כלליות יכולה להיות ההשערה הסימביוטית הנרחבת של מקור המיטוכונדריה והכלורופלסטים. המהות שלה נעוצה בהנחה שאברונים חשובים אלה של חילוף החומרים האנרגיה נבעו מאורגניזמים פרוקריוטיים שפלשו לתאים איקריוטים בשלב מוקדם יחסית באבולוציה של איקריוטים.

למרות החשיבות של סוג זה של מבנים ביולוגיים כלליים לפיתוח הציטולוגיה הכללית, הגישה ההיסטורית המסורתית לפיתוח בעיות ציטולוגיות כלליות עדיין בשימוש מוגבל למדי. אחת הסיבות העיקריות למצב זה היא נוכחותם של מאפיינים ספציפיים ועדיין לא נחקרו מספיק של התהליך האבולוציוני ברמות התא והתת-תא של הארגון, מה שמקשה מאוד על קביעת קשרים קשורים בין קבוצות בודדות של אורגניזמים חד-תאיים, וכתוצאה מכך. , לבנות השערות חדשות אבולוציוניות מבוססות בתחום הציטולוגיה הכללית.

נכון לעכשיו, היבט נוסף של השימוש בשיטה הציטולוגית ההשוואתית הוא נפוץ יותר, שאינה חותרת למטרה של בירור ישיר של ההתניה ההיסטורית של מבנה או תהליך תאי מסוים. בציטולוגיה כללית מודרנית, היבט זה של השימוש בשיטה ההשוואתית עבר מספר שינויים.

בשלב הראשון, במהלך התקופה של הכנסת שיטות מורפוביוכימיות חדשות ביסודו לתרגול של ניתוח ציטולוגי, הבחירה במושא המחקר נקבעה על ידי השיקולים הבאים. ראשית, הנוחות של אובייקט מסוים ליישום השיטה שבה נעשה שימוש הייתה חשובה. שנית, מידת הביטוי של סימן זה בתא הנחקר מילאה תפקיד חשוב. לפיכך, כדי לחקור את חוקי הארגון הכלליים של תאים איקריוטים, תאי כבד יונקים עם מערכת אברוני הממברנה המפותחים שלהם היו אובייקט מועדף על ניתוח תהליכי ההובלה התוך-תאית וההבשלה של הפרשות על תאי הלבלב. ותאי גביע רירי יונקים.

Escherichia coli נמצא בשימוש נרחב למחקרים ציטולוגיים וביולוגיים מולקולריים מורכבים של ארגון תאים פרוקריוטים; מודלים לחקר הארגון של אוקריוטים תחתונים היו שמרים ועובש. התברר שלדפוסים שנקבעו על עצמים אלה יש משמעות אוניברסלית, שכן במקרים רבים הם דומים ביסודם בכל התאים האיקריוטיים או בכל התאים הפרוקריוטים. יתרה מכך, מספר דפוסים של ארגון תת-תאי, במיוחד ברמה המולקולרית והעל-מולקולרית, התבררו כאוניברסליים עבור תאים מסוגים פרו-אוקריוטיים כאחד (ארגון ממברנות, עקרון מבנה הריבוזום וכו'), למרות העובדה שסוגי התאים הנקראים שונים זה מזה באופן מהותי במובנים מסוימים. נסיבות אלו הולידו את הרעיון שניתן לפתח בעיות ציטולוגיות כלליות בסיסיות על מגוון מצומצם של עצמים הנוחים מנקודת מבט מתודולוגית, ולאחר מכן להרחיב את הדפוסים שנקבעו לתאים אחרים בשל הארגון הדומה ביסודו.

עם זאת, בשנים האחרונות החלו למתוח ביקורת על השימוש הפשוט הזה בגישה ההשוואתית כאשר שיטות ציטולוגיות מודרניות מוכנסות למדעי הביולוגיה המיוחדים של התא - ציטולוגיה מיוחדת, פרוטוזואולוגיה, בוטניקה של צמחים נמוכים יותר. ניתוח מורפוביוכימי המשמש בתחומי מדע אלה איפשר לקבוע עובדות המצביעות על גיוון עצום ביישום הספציפי של תכונה כללית כזו או אחרת של ארגון התא, גיוון גדול בהרבה מהתוצאות שהתקבלו קודם לכן על אובייקטים "מודלים". הגיוון הזה גדול במיוחד ברמות התת-מערכתיות והמערכתיות הגבוהות ביותר של ארגון התא. זה אופייני גם לתהליכים מורכבים ומרובי רכיבים כמו תהליכי חילוף החומרים והתחבורה התוך תאי או הפצה תורשתית באותה מידה של חומר גנטי במהלך חלוקת התא.

הכללה של כמות גדולה של חומר ציטולוגי השוואתי שהושג ברמת היכולות המתודולוגיות המודרניות אילצה אותנו לנטוש את הרעיון הפשוט שהוזכר לעיל של תפקידה של השיטה ההשוואתית. בהקשר זה, בציטולוגיה כללית (במיוחד ביחס לתאים איקריוטים), העמדה הדומיננטית נרכשת על ידי הרעיון של הצורך להשתמש בשיטה השוואתית לניתוח מערכות תאיות בודדות או תהליכים דומים בפעילות התפקודית ב. כל מגוון הביטויים שלהם בתאים ספציפיים עם גישה זו, רזולוציה מיוחדת לא נגרמת על ידי תאים "טיפוסיים", "ממוצעים", אלא להיפך, על ידי תאים החורגים בצורה חדה מהסוג הממוצע של ארגון, תאים ב. אשר מאפיינים מסוימים הם היפרטרופיים.

המספר הגדול ביותר של גרסאות "מתחמקות" כאלה נמצא בין תאים של אורגניזמים רב-תאיים גבוהים יותר, שם מתפתחת התמחות מרחיקת לכת של תאים בתוך מערכות רקמות בודדות. מקרים של "התחמקות" מהסוג הממוצע נפוצים גם בקרב פרוטוזואה גבוהות יותר, שעברו אבולוציה תוך שמירה על רמת ארגון חד-תאית. במהלך המחקר של תאים לא טיפוסיים מסוג זה ניתן היה לזהות מספר רב של עובדות מעניינות חדשות המעמיקות באופן משמעותי את הבנתנו הן את החוקים הכלליים של הארגון הסלולרי והן את הפלסטיות האבולוציונית שלו, הקובעת את המגוון הנצפה של מערכות סלולריות. . יחד עם זאת, כפי שצוין לעיל, במקרה של מדעים מיוחדים, העניין הגדול ביותר נגרם על ידי הספציפיות של הביטוי באובייקטים שונים של מאפיינים משותפים האופייניים לכל התאים.

בניגוד למדעים המיוחדים, בגישה ציטולוגית כללית, שאלה זו נשאלת במישור מעט שונה, מכיוון שהחוקר מבקש לגלות עד כמה הביטויים הספציפיים של תכונה נתונה נפוצים בתאים שונים, איזה שילוב של מנגנונים כלליים ו ממה זה נגרם בדיוק. לדוגמה, פרוטוזואולוגים הצליחו לגלות דינמיקה מעניינת מאוד של היווצרות המקרונוקלאוס לאחר צימוד בריצות גסטרוציליאריות. במקרוגרעין היוצר יש עלייה משמעותית בכמות ה-DNA, ואז נצפית הפחתה חדה של חומר תורשתי (עד 93%). תהליך זה של הפחתת חומר גנטי מתרחש גם בתאים סומטיים של מספר קבוצות של בעלי חיים רב-תאיים (חלק מהחרקים, נמטודות). ה-DNA הנותר, קטן בכמות הכוללת, אך מכיל את כל המידע הדרוש לתפקוד המקרוגרעין, משוכפל פעמים רבות. כתוצאה מכך נוצר מקרו-גרעין סופי, השונה מהמיקרו-גרעין לא רק בכמות ה-DNA, אלא גם בהרכב האיכותי שלו. הרוב המכריע של הגנים שאינם מתפקדים נעדר כאן, בעוד שהלוקוסים המתפקדים מיוצגים על ידי מספר לא מבוטל של עותקים.

עובדות אלה הן בעלות עניין ציטולוגי כללי גדול, בדיוק משום שככלל, התופעות הנצפות כאן אינן פועלות רק כסימנים פרדוקסליים האופייניים רק לאורגניזמים חד-תאיים גבוהים יותר. לפיכך, תהליכי הפוליטניזציה, שכפול סלקטיבי של חלקים בודדים של כרומוזום DNA, ולבסוף, הפחתה סלקטיבית של חלקים משמעותיים של הגנום - כל התופעות הללו מתרחשות גם בתאים מיוחדים של אורגניזמים רב-תאיים. הם כנראה מבוצעים על בסיס מנגנונים אלמנטריים משותפים. והספציפיות של התהליך המורכב של שינויים במנגנון הגרעיני במהלך היווצרות המקרונוקלאוס בריצות גסטרוציליאריות נובעת בעיקר משילוב מוזר של מנגנונים אלמנטריים משותפים ואוניברסליים עבור תאים אוקריוטיים. רעיון מסוג זה הופך כעת לתפוצה רחבה בציטולוגיה כללית. הם מאוד מעוררים מחקרים ציטולוגיים השוואתיים ממוקדים שמטרתם להבהיר בעיות ציטולוגיות כלליות חשובות. חומר מהאתר

דוגמה למחקר ציטולוגי השוואתי ממוקד הוא חקר המנגנונים של חלוקה שווה של כרומוזומים במהלך מיטוזה באאוקריוטים על ידי ניתוח המיטוזה של מינים שונים של דיאטומים: על עצמים אלה, בניגוד למיטוזות טיפוסיות של תאים מטאזואים, ניתן לבצע עקוב בבירור מורפולוגי אחר השינויים המורכבים במרכזי ארגון מיקרו-צינוריות, היווצרות והתבדלות הדדית של חצאי צירים מיקרו-צינוריים, סטייה של כרומוזומים לקטבים של התא באמצעות היווצרות מבנה מוזר במטאפאזה - צווארון.

לאור הנתונים העדכניים ביותר על התפקיד המוביל של המערכת המכנוכימית טובולין-דיניין בתנועת אנפאזה של כרומוזומים בתאי מטאזואן, סביר מאוד להניח שמערכת זו קיימת גם בדיאטומים, כלומר, גם כאן יש רק שילוב מוזר של מנגנונים אלמנטריים המשותפים לכל התאים וקביעת תהליכים מכנוכימיים במהלך מיטוזה.

ברור שעבור ניתוח המנגנונים הללו, שבירורם מייצג את אחת הבעיות הדוחקות ביותר של הציטולוגיה הכללית, יהיה מבטיח שיהיה אובייקט שבו הם מובחנים בבירור ובאים לידי ביטוי מורפולוגי.

מספר הדוגמאות מהסוג הזה גדל כל הזמן. הדבר נובע, מצד אחד, מהחדרה ההולכת ומתרחבת של שיטות מודרניות מורכבות לתרגול של מחקר ציטולוגי, פרוטוזואולוגי ובוטני מסוים, מצד שני, מהצטברות במחקרים ציטולוגיים השוואתיים של עובדות שהולכות וגדלות. חשובים עבור הציטולוגיה הכללית והם מוקד תשומת הלב שלה. וכל זה, בתורו, מוביל לעובדה שניתוח ציטולוגי השוואתי מתחיל לתפוס מקום חשוב ביותר בציטולוגיה.

תיאור קצר של הכיוונים וההיבטים העיקריים של מחקר ציטולוגי כללי מודרני מראה שבשלב זה של התפתחות הציטולוגיה יש גם תיחום ברור למדי של כיוונים בודדים וגם הסינתזה שלהם. ההבחנה מתקיימת הן במונחים מתודולוגיים והן ביחס להיגיון של פתרון בעיות ספציפיות המונחות בתוך כל אחד מהכיוונים והגישות. ההיבט המורפופונקציונלי של מחקרים ציטולוגיים נשלט על ידי גישה בדידה לניתוח מבנים תאיים. אחד המאפיינים החשובים ביותר של הגישה הניסיונית לחקר דפוסי הארגון הסלולרי הוא התמקדותה בניתוח מנגנוני האינטגרציה הכלליים של ארגון המערכות הסלולריות והתא כולו. יחד עם זאת, כפי שכבר הודגש לעיל, פתרון הבעיות העומדות בפני מחקרים מסוג זה בלתי אפשרי ללא שימוש נרחב בשיטות הגלומות בגישה המורפופונקציונלית. ניתוח ניסוי מספק מאפיין פנומנולוגי של תכונותיהם של מנגנונים תאיים מסוימים ותהליכים תוך תאיים, ובכך יוצר את הבסיס הדרוש לשימוש בארסנל עשיר של שיטות מבניות וביוכימיות.

לפיכך, בשלב הנוכחי של התפתחות הציטולוגיה הכללית, ישנם תנאים מוקדמים לשילוב הדוק מאוד של שני ההיבטים הללו של מחקר ציטולוגי. זה טבעי, שכן בסופו של דבר שתי הגישות חותרות לאותה מטרה - בירור הארגון התפקודי של מבנים תאיים ומנגנוני ויסות תהליכים במערכת התאית כולה.

הגישה הציטולוגית ההשוואתית לניתוח בעיות ציטולוגיות כלליות תופסת עמדה מיוחדת בציטולוגיה כללית מודרנית. ניתוח ציטולוגי השוואתי מתבצע על בסיס נתונים המתקבלים על בסיס גישות מורפופונקציונליות וניסיוניות, כלומר, מתודולוגית, כל ההיבטים העיקריים של מחקר ציטולוגי קשורים זה לזה באופן הדוק.

הספציפיות של הגישה הציטולוגית ההשוואתית, הספציפיות הקובעת את מיקומה המיוחד, היא שימוש תכליתי באובייקטים שונים של טבע חיים כדי לחקור את דפוסי הארגון הכלליים של מבנים תאיים בודדים, תהליכים תוך-תאיים ומנגנוני שילוב בכל מגוון ביטוייהם. בסוגים שונים של תאים.

אז, כפי שניתן לראות מהאמור לעיל, הכיוונים העיקריים של מחקר ציטולוגי קובעים במידה רבה את הפרטים הספציפיים של שלב ההתפתחות המודרני של ציטולוגיה כללית וקובעים את הקשר ההדוק שלו עם מדעי ביולוגיה קשורים. אחד המאפיינים האופייניים לשלב זה הוא הקשר ההדוק בין כל התחומים החשובים ביותר של מחקר ציטולוגי במובן מתודולוגי. יתר על כן, אינטגרציה מתודולוגית כזו חורגת לרוב מתחום הציטולוגיה הכללית.

בעבודה ציטולוגית, נעשה שימוש נרחב בשיטות ביוכימיות וביולוגיות מולקולריות בלבד, ולהיפך, במחקרים ביוכימיים וביולוגיים מולקולריים, נעשה שימוש נרחב בשיטות מורפולוגיות ציטולוגיות. האינטגרציה המתודולוגית של מדעים קשורים ואחדות המטרות העליונות שלהם הביאו להיווצרותו של מדע סינתטי חדש של התא - ביולוגיה של התא. הוא משלב ציטולוגיה, ביוכימיה מבנית, ביולוגיה מולקולרית, גנטיקה מולקולרית ומדעים ביולוגיים מיוחדים על רמת הארגון התאית. שילוב כזה של מדעים קשורים הוא ללא ספק תופעה מתקדמת. עם זאת, למרות סינתזה כזו, כל אחד מהמדעים שומר על הספציפיות והספציפיות המתודולוגית שלו בניסוח ובשיטות לפיתוח בעיות של ארגון התא. נכון לעכשיו, העמדה הדומיננטית במדע הסינתטי הזה שייכת למחקר בכיוונים ביולוגיים מולקולריים ובגנטיים מולקולריים. מצב זה נובע מההתקדמות המהירה של הידע שלנו על הרמות הנמוכות של ארגון התא, אך מדובר בתופעה זמנית בלבד.

למעשה, את המקום המוביל במדע הסינתטי החדש של התא צריך לקחת ציטולוגיה כללית - מדע החוקים הכלליים של הרמה התאית של ארגון החומר החי. מבין מדעי הביולוגיה המודרניים העוסקים ברמה זו של ארגון חומר חי, הציטולוגיה הכללית, המרחיבה את הגישה הציטולוגית ההשוואתית הממוקדת המבוססת על שיטות מבניות וביוכימיות, מוכנה ביותר להכללה ביולוגית כללית עמוקה של החומר העובדתי העצום על ניתוח דיסקרטי של - מבנים תאיים במספר סוגים של תאים. ציטולוגיה כללית צריכה לקחת עמדה מובילה בניתוח מנגנוני שילוב תאי כלליים. תנאי מוקדם חשוב לכך הוא פיתוח מהיר של מודלים ניסיוניים חדשים. הניתוח המעמיק שלהם בשיטות מודרניות והחדרה הנרחבת של מודלים ניסויים למחקרים ציטולוגיים השוואתיים ממוקדים אמורים להבטיח התקדמות בפתרון אחת הבעיות המרכזיות של ארגון התא - בעיית האינטגרציה הסלולרית.

ככל שמצטבר חומר עובדתי על המנגנונים האוניברסליים היסודיים של שילוב תאים והיקף השינויים שלהם, הציטולוגיה הכללית היא שעומדת בפני המשימה של ביצוע ניתוח מעמיק של ההתניה ההיסטורית של הארגון של מערכות סלולריות מסוימות ושל ארגון סלולרי בכלל. כמו גם את הפרטים של התהליך האבולוציוני ברמות התא והתת-תאי של ארגון החומר החי. הפתרון לבעיה זו מקל על ידי הנטייה הנראית כעת בבירור במחקרים ציטולוגיים כלליים לשלב ניתוח דיסקרטי של רכיבים בודדים של תא עם מחקר של ק"ג שלו. למערכת שלמה.

בעמוד זה יש חומר בנושאים הבאים:

רמת התא של ארגון החיים

§ 16. תולדות חקר התאים. שיטות מחקר ציטולוגי.

היסטוריה של חקר התאים.

עולם התאים נותר עלום לחלוטין עד אמצע המאה ה-17, כאשר אנשים למדו לטחון עדשות ולהשתמש בהן כדי לשפר את הראייה.

אחד היוצרים הראשונים של המיקרוסקופ היה רוברט הוקפיזיקאי, מטאורולוג, ביולוג, מהנדס, אדריכל. IN 1665הוא פרסם אלבום רישומים בשם "מאקרוגרפיה", שהציג את תצפיותיו תחת מיקרוסקופ.

אחד מבני דורו המחוננים של הוק היה ההולנדי אנתוני ואן לוונהוק,שיצר 200 מיקרוסקופים בעיצובו המיוחד. Leeuwenhoek השיג גידול של פי 270 באובייקטים וגילה תגליות יוצאות דופן.

רוברט בראון בשנת 1833גילה את הגרעין בתא. לְאַחַר 1825 יאן פורקיניהפיתחה שיטות יעילות להכנה וצביעה של תכשירים לציוד מיקרוסקופי.

תורת התא שהוצעה לצמחים ב 1837בוטנאי גרמני מתיאס שליידן,והורחב לעולם החי על ידי חברו, הפיזיולוגי תיאודור שוואן.קצת מאוחר יותר הוא הוסף רודולף וירצ'וב,אשר ב 1885ניסח את ההצעה "כל תא בא מתא".

באמצע המאה ה-19. תורת התא הפכה למקובלת והבסיס למדעי התא - ציטולוגיה.עד סוף המאה ה-19. התגלו מרכיבים רבים של תאים. מדענים תיארו אותם ונתנו להם שמות.

אבל ב 1945ציטולוגים בחנו תאים בפעם הראשונה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים וראו מבנים רבים שלא היו ידועים עד כה. אז התפקיד המכריע בהתפתחות הציטולוגיה שייך לתגליות חדשות במדעים אחרים, במיוחד בפיזיקה.

שיטות מחקר ציטולוגי.

השיטה העיקרית היא שיטת מיקרוסקופ אור.זה כרוך בשימוש במיקרוסקופ אור, אך ניתן לבדוק רק תכשירים ציטולוגיים שהוכנו במיוחד במיקרוסקופ אור.

לצורך הכנת ההכנות משתמשים הציטולוגים בשקופיות זכוכית ובחפצים שהוכנו במיוחד הניתנים לבדיקה.

לרוב, מבנים אלה הם חסרי צבע, ולכן יש לצבוע אותם בצבעים מיוחדים, שונים בכל פעם, בהתאם למבנים שאתה רוצה לראות.

ישנן שתי שיטות:שיטה של ​​הכנת תכשירי לחץ - האובייקט הנבדק פשוט נמעך לשכבה אחת בין שקופית לזכוכית כיסוי, ושיטה של ​​הכנת חתכים דקים המורכבים משכבה אחת של תאים.

משמש לחקר תאים חיים שיטת מיקרוסקופ ניגודיות פאזה.הוא מבוסס על העובדה שחלקים בודדים של תא שקוף נבדלים זה מזה בצפיפות ובשבירה של האור.

כאשר לומדים תאים חיים, הם משתמשים גם שיטת מיקרוסקופ פלואורסצנטי.משמעותו נעוצה בעובדה שלמספר חומרים יש את היכולת לזהור כאשר הם סופגים אנרגיית אור. לדוגמה, אם תסתכלו על תאי צמחים דרך מיקרוסקופ פלואורסצנטי, אז על הגוף הכחול כהה תראו גרגרים אדומים שזוהרים בבהירות - אלו כלורופלסטים.

יש שיטה שמשתמשת באיזוטופים מסומנים - שיטת אוטורדיוגרפיה- רישום חומרים המסומנים באיזוטופים. בשיטה זו ניתן לראות באילו חלקים בתא מקבלים חומרים המסומנים באיזוטופים רדיואקטיביים.

שיטת מיקרוסקופיה אלקטרוניתהציטולוג גילה את אותם מבני תאים בעלי ממדים קטנים מאורך הגל של האור. הודות לשיטה זו, ניתן היה לבחון וירוסים ואברונים שעליהם מתרחשת סינתזת חלבון (ריבוזומים).

ציטולוגים יכולים גם להשיג ולחקור רכיבים שונים של תאים באמצעות שבר תאים.התא נהרס תחילה, ולאחר מכן מבודדים את המבנים התאיים באמצעות מכשיר מיוחד - צנטריפוגה.

שיטת שימוש בתרבית תאיםהיא שיטה לאחסון וטיפוח לטווח ארוך במדיות תזונתיות מיוחדות של תאים, רקמות, איברים קטנים או חלקיהם המבודדים מגוף האדם, החי או הצומח. יתרון חשוב בשיטה זו הוא היכולת לצפות בפעילות החיונית של תאים באמצעות מיקרוסקופ.

חשיבותן של שיטות ציטולוגיות באבחון וטיפול במחלות אנושיות.

1) שיטות ציטולוגיותמשמשים ברפואה לחקר המצב הפיזיולוגי של גוף האדם בהתבסס על חקר מבנה התאים. הם משמשים לזיהוי מחלות דם, זיהוי גידולים ממאירים ושפירים, מחלות רבות של מערכת הנשימה, עיכול, מתן שתן, מערכת העצבים והטיפול בהן.

2) תא גזעהוא תא לא בוגר המסוגל להתחדש ולהתפתח לתאים מיוחדים בגוף. בגוף הבוגר תאי גזע נמצאים בעיקר במח העצם ובכמות קטנה מאוד בכל האיברים והרקמות. הם יכולים לשמש לטיפול במחלות רבות.

§ 17. המבנה של תאים פרוקריוטיים ואיקריוטים.

אחדות מבנה התא.

התוכן של כל תא מופרד מהסביבה החיצונית על ידי מבנה מיוחד - קרום פלזמה (plasmalemma).הבידוד הזה מאפשר ליצור סביבה מאוד מיוחדת בתוך התא, בניגוד למה שמקיף אותו. לכן, תהליכים שאינם מתרחשים בשום מקום אחר יכולים להתרחש בתא הם נקראים תהליכי חיים.

הסביבה הפנימית של תא חי, התחום על ידי קרום הפלזמה, נקראת ציטופלזמה.זה כולל היאלופלזמה(חומר שקוף בסיסי) ו אברוני התא,כמו גם מבנים שונים שאינם קבועים - תכלילים.אברונים הנמצאים בכל תא כוללים גם ריבוזומים,איפה זה קורה סינתזת חלבון.

המבנה של תאים איקריוטים.

אוקריוטים- אלו אורגניזמים שלתאים שלהם יש גרעין. ליבה- זהו האברון עצמו של התא האוקריוטי בו מאוחסן המידע התורשתי שנרשם בכרומוזומים וממנו מתועתק המידע התורשתי. כרומוזוםהיא מולקולת DNA המשולבת עם חלבונים. הליבה מכילה גרעין- המקום בו נוצרים אברונים חשובים אחרים המעורבים בסינתזת חלבון - ריבוזומים.אבל הריבוזומים נוצרים רק בגרעין, והם פועלים (כלומר מסנתזים חלבון) בציטופלזמה. חלקם חופשיים בציטופלזמה, וחלקם מחוברים לממברנות ויוצרים רשת, הנקראת אנדופלזמי.

ריבוזומים- אברונים שאינם קרומיים.

רשת אנדופלזמיתהיא רשת של צינוריות תוחמות קרום. ישנם שני סוגים: חלק וגרגרי. ריבוזומים ממוקמים על הממברנות של הרטיקולום האנדופלזמי הגרגירי, ולכן חלבונים מסונתזים ומועברים לשם. והרשת האנדופלזמית החלקה היא האתר של סינתזה והובלה של פחמימות ושומנים. אין עליו ריבוזומים.

סינתזה של חלבונים, פחמימות ושומנים דורשת אנרגיה, המיוצרת בתא האיקריוטי על ידי "תחנות האנרגיה" של התא - מיטוכונדריה.

מיטוכונדריה- אברונים כפולים קרומיים בהם מתרחש תהליך הנשימה התאית. תרכובות אורגניות מתחמצנות על גבי ממברנות מיטוכונדריה ואנרגיה כימית מצטברת בצורה של מולקולות אנרגיה מיוחדות (ATP).

יש גם מקום בתא שבו יכולות להצטבר תרכובות אורגניות וממנו ניתן להעביר אותן - זהו מכשיר גולגי,מערכת של שקיות קרום שטוח. הוא מעורב בהובלת חלבונים, שומנים ופחמימות. מנגנון גולגי מייצר גם אברונים לעיכול תוך תאי - ליזוזומים.

ליזוזומים- אברונים חד ממברניים, האופייניים לתאי בעלי חיים, מכילים אנזימים שיכולים לפרק חלבונים, פחמימות, חומצות גרעין ושומנים.

תא עשוי להכיל אברונים שאין להם מבנה קרום, כגון ריבוזומים ושלד ציטו.

שלד ציטוס- זוהי מערכת השרירים והשלד של התא, הכוללת מיקרופילמנטים, ריסים, דגלים, מרכז התא, המייצר מיקרו-צינוריות וצנטריולים.

ישנם אברונים האופייניים רק לתאי צמחים - פלסטידים.ישנם: כלורופלסטים, כרומופלסטים וליקופלסטים. תהליך הפוטוסינתזה מתרחש בכלורופלסטים.

גם בתאי צמחים ואקוולים- תוצרי פסולת של התא, שהם מאגרי מים ותרכובות המומסות בו. אורגניזמים אוקריוטיים כוללים צמחים, בעלי חיים ופטריות.

המבנה של תאים פרוקריוטים.

פרוקריוטים- אורגניזמים חד-תאיים שלתאים שלהם אין גרעין.

תאים פרוקריוטים קטנים בגודלם ואוגרים חומר גנטי בצורה של מולקולת DNA מעגלית (נוקלואיד). אורגניזמים פרוקריוטיים כוללים חיידקים וציאנובקטריה, אשר נקראו בעבר אצות כחולות-ירקות.

אם תהליך הנשימה האירובית מתרחש בפרוקריוטים, אז משתמשים בליטות מיוחדות של קרום הפלזמה לשם כך - מזוזומים.אם חיידקים הם פוטוסינתטיים, אז תהליך הפוטוסינתזה מתרחש על ממברנות פוטוסינתטיות - thylakoids.

סינתזת חלבון בפרוקריוטים מתרחשת ב ריבוזומים.לתאים פרוקריוטיים יש מעט אברונים.

השערות למקורם של אברונים של תאים אוקריוטיים.

תאים פרוקריוטיים הופיעו על פני כדור הארץ מוקדם יותר מאשר תאים איקריוטים.

1) השערה סימביוטיתמסביר את מנגנון ההופעה של כמה אברונים של התא האוקריוטי - מיטוכונדריה ופלסידים פוטוסינתטיים.

2) השערת אינטוסספציה- קובע שמקור התא האוקריוטי נובע מכך שצורת האבות הייתה פרוקריוט אירובי. האברונים שבו התעוררו כתוצאה מחדירה וניתוק חלקים מהקליפה, ולאחר מכן התמקצעות תפקודית לגרעין, למיטוכונדריה, לכלורופלסטים של אברונים אחרים.

§ 18. ממברנות תאים. הובלה של חומרים על פני ממברנות. מנגנון פני השטח של התא, תפקידיו.

ממברנות תאים.

ממברנות ביולוגיות- אלה הם מבנים סמוכים ודקים בגודל מולקולרי הממוקמים על פני השטח של תאים וחלקים תת-תאיים, כמו גם צינוריות ושלפוחיות שחודרות לפרוטופלזמה. תפקידם של ממברנות ביולוגיות הוא לווסת את הובלת יונים, סוכרים, חומצות אמינו ומוצרים מטבוליים אחרים.

הבסיס של כל ממברנה הוא שכבה כפולה של פוספוליפידים.

עם זאת, השכבה הביליפידית אינה קרום מוכן, אלא רק הבסיס שלה. חלבונים נקראים חלבוני ממברנה.חלבוני הממברנה הם שקובעים רבות מהתכונות של ממברנות. פחמימות הן גם חלק מהממברנות ויוצרות קומפלקסים עם חלבונים או שומנים. הממברנה מורכבת משכבה ביליפידית שבה מולקולות חלבון צפות (או מקובעות), ויוצרות בה מעין פסיפס.

מבנה הממברנה מתאים לתפקידיו:תחבורה, מחסום וקולטן.

1) תפקוד מחסום.הממברנה מהווה מחסום המונע כניסת כימיקלים שונים וחומרים אחרים לתאים.

2) פונקציות קולטן.על פני הממברנה יש קבוצה גדולה של קולטנים המאפשרים תגובות ספציפיות עם סוכנים שונים.

3) פונקציית הובלה.הובלת יונים וחומרים מתרחשת דרך הממברנה.

על ידי כיסוי התא והפרדתו מהסביבה, ממברנות ביולוגיות מבטיחות את שלמות התאים והאברונים. הוא שומר על חלוקה לא אחידה של אשלגן, נתרן, כלור ויונים אחרים בין הפרוטופלזמה והסביבה.

קרום חשוב במיוחד בתא הוא פלזמהלמה- קרום פני השטח. הוא מבצע פונקציות מחסום, תחבורה, קולטן, איתות.

הובלה של חומרים על פני ממברנות.

ישנם שני תהליכים פעילים: אקסוציטוזיס ואנדוציטוזיס.

חומרים מוסרים מהתא על ידי אקסוציטוזיס- איחוי שלפוחיות תוך תאיות עם קרום הפלזמה. חומרים יכולים להיכנס דרך התא אנדוציטוזיס.במהלך תהליך האנדוציטוזיס, קרום הפלזמה יוצרת קעירות וגדלה, אשר לאחר מכן מתקלפות והופכות לשלפוחיות או ואקואולות.

ישנם שני סוגים של אנדוציטוזיס:

- פינוציטוזיס- ספיגה של חומרים נוזליים ומומסים באמצעות בועות קטנות;

- פגוציטוזיס- ספיגה של חלקיקים גדולים כגון מיקרואורגניזמים או פסולת תאים.

במקרה של phagocytosis, בועות גדולות נוצרות, אשר נקראים ואקוולים.

מולקולות עוברות דרך ממברנות דרך התהליכים: דיפוזיה פשוטה, דיפוזיה קלה, הובלה פעילה.

דיפוזיה פשוטה- זוהי דוגמה להובלה פסיבית, מעבר מאזור עם ריכוז גבוה יותר של מולקולות לאזור עם ריכוז נמוך יותר. על ידי דיפוזיה פשוטה, חומרים לא קוטביים (הידרופוביים) המסיסים בשומנים ומולקולות קטנות לא טעונות (לדוגמה, מים) חודרים לתוך התא. עם זאת, רוב החומרים מועברים על פני הממברנה באמצעות חלבוני הובלה המוטבעים בו. ישנן שתי צורות כתובת: הקלה על דיפוזיה ותחבורה אקטיבית.

דיפוזיה הקלהנקבע על ידי שיפוע ריכוז, ומולקולות נעות על פי שיפוע זה. עם זאת, המולקולה טעונה, ההובלה שלה מושפעת הן משיפוע הריכוז והן מפוטנציאל הממברנה.

תחבורה אקטיביתהוא הובלה של מומסים כנגד שיפוע ריכוז תוך שימוש באנרגיה של ATP. אנרגיה נחוצה כי החומר חייב לנוע, בניגוד לנטייתו הטבעית לנוע על ידי דיפוזיה, בכיוון ההפוך. דוגמה לכך היא משאבת נתרן-אשלגן. על פי חוקי הדיפוזיה, יוני Na עוברים כל הזמן לתוך התא, ויוני K + יוצאים מהתא. הפרה של הריכוז הנדרש של יונים אלה מובילה למוות של תאים.

מנגנון פני השטח של התא.

מגוון תאים פרוקריוטיים ואיקריוטים מורכבים מחלקים: מנגנון פני השטח, ציטופלזמה, מנגנון גרעיני.

מנגנון פני השטחתאים מבצעים שלוש פונקציות שהן אוניברסליות עבור כל סוגי התאים: מחסום, תחבורה, קולטן. הוא יכול גם לבצע מספר פונקציות ספציפיות (לדוגמה, פונקציית הטורגור המכנית של דופן התא בתאי צמחים). מנגנון פני השטח של תאים מורכב ממערכות: ממברנת הפלזמה, הקומפלקס העל-ממברני ומנגנון השריר-שלד התת-ממברני (כלומר, תת-ממברני).

קרום פלזמה,או plasmalemma, היא המערכת העיקרית של מנגנון פני השטח, אוניברסלית לכל התאים. מתחתיו מערכת תת-ממברנית, המעורבת בהובלה וקליטה טרנסממברנית ומהווה חלק מהציטופלזמה.

מבנה על-ממברנהמנגנון פני השטח מקיים אינטראקציה בין תאים לסביבה החיצונית או עם תאים אחרים. בתאי בעלי חיים, קומפלקס העל-ממברנה, או גליקוקליקס,ממלא תפקיד חשוב בתפקוד הקולטן של תאים. הגליקוקאליקס מורכב מפחמימות והוא דק ואלסטי יחסית.

הוא שייך למבנים העל-ממברניים הנגזרים דופן התא.זה חייב להיות מיוצר על ידי תאים של צמחים, פטריות וחיידקים. דופן התא של צמחים מכיל תאית, פטריות – כיטין, חיידקים – מוראין. הוא די קשיח ואינו מתכווץ. מים, מלחים ומולקולות של חומרים אורגניים רבים עוברים דרך דופן התא. תופעת הפלסמוליזה והדפלסמוליזה בתאי הצמח.

פלסמוליזה- זוהי ההפרדה של הציטופלזמה מהממברנה כאשר התא שקוע בהיפרטוני, כלומר. מרוכז מבחוץ, פתרון. אם תאי בעלי חיים שקועים בתמיסה היפרטונית, הם מתכווצים. לפעמים תאים שעברו פלסמוליזה נשארים בחיים. אם תאים כאלה טובלים במים שבהם ריכוז המלחים נמוך יותר מאשר בתא, מתרחשת דפלסמוליזה.

דפלסמוליזה- זוהי החזרה של הציטופלזמה של תאי הצמח ממצב של פלסמוליזה למצבה המקורי.

גלילאו-גליליי (1564 -1642) (פילוסוף, מתמטיקאי, פיזיקאי ואסטרונום איטלקי, שהייתה לו השפעה משמעותית על המדע של זמנו; ממציא המיקרוסקופ) אחד המיקרוסקופים הראשונים (1876)

מיקרוסקופ אור רוברט הוק (1635 -1703) 1665 - מונוגרפיה "מיקרוסקופיה", המתארת ​​את תצפיותיו המיקרוסקופיות והטלסקופיות

התקן ועקרונות הפעולה של מיקרוסקופ מיקרוסקופ אור מודרני 1. חלק מכני 1. 1. גוף 1. 2. שלב מכני (דגימה) 1. 3. חיבור משקפת 1. 4. מנגנון מיקוד 2. מערכת תאורה 2. 1. אור מקור 2. 2. אספן 2. 3. מעבה 3. חלק אופטי 3. 1. מטרות 3. 2. עיניות

נתיב של קרניים במיקרוסקופ סטנדרטי מקור אור מעבה מדגם עדשת עינית עין נתיב של קרניים במיקרוסקופ מודרני מקור אור מדגם אספן עדשת עינית מעבה p תמונה של המדגם. התקן ועקרונות הפעולה של המיקרוסקופ

זווית פתיחת העדשה: רזולוציית המיקרוסקופ נוסחת ריילי: רזולוציית השדה של מיקרוסקופ היא המרחק המינימלי בין שתי נקודות של התמונה שהוא יוצר כשהן עדיין נראות בנפרד. היכן אורך הגל של האור המשמש, n הוא מקדם השבירה של המדיום, והוא זווית הפתיחה של העדשה. מקור אור מדגם אספן מעבה עדשת עינית p תמונת דוגמה הנוסחה של Abbe: כאשר NA הוא הצמצם המספרי של העדשה, שווה ל-n sin (/2). נאד 61, 0 2/חטא 2 נ ד

2 114 נ. NA ndz רזולוציית עומק מיקרוסקופ - עומק מיקוד. הנוסחה של יאנג:

עקיפה של קרן לייזר באורך גל של 650 ננומטר העוברת דרך חור בקוטר 0.2 מ"מ מיקרוסקופ כ-DIFFRACTION CONVERTER dxxuixuxfu. ו)]2 sin()2)2 sin()2))