Химическая цитология

В 30‑х годах в цитологии появилось новое направление, которое может быть названо химической цитологией. Его задачей стало изучение биохимических процессов, протекающих в клетке.

Одна из первых цитохимических работ была выполнена Б.В. Кедровским (1934). Применив прижизненную окраску основными красителями, он обнаружил присутствие в клетке базофильных веществ («кислых анаболитов», по его выражению), участвующих в процессах белкового синтеза. Первоначально Кедровский считал «кислые анаболиты» белками, содержащими фосфатные группы. Но уже скоро он пришел к заключению, что это нуклеиновые кислоты, динамика, локализация и огромное биологическое значение которых впоследствии были изучены Ж. Браше, Т. Касперссоном и рядом других иностранных и советских исследователей.

В течение сравнительно короткого времени благодаря использованию цитохимических (в частности, цитоспектрофотометрических) методов было накоплено огромное количество фактов, свидетельствующих о локализации ДНК в ядрах, а РНК – в цитоплазме всех исследованных клеток – от бактерий и простейших до человека.

Для цитохимии углеводного обмена большое значение имели начатые еще в 30‑х годах работы А.Л. Шабадаша (1937, 1948), выполненные на клетках нервной системы, крови, клеточных культурах и т. д. Шабадаш предложил очень удачный метод гистохимического обнаружения гликогена путем его окраски основным красителем – фуксином, после окисления этого углевода периодатами (ШИК‑реакция; в зарубежной литературе этот метод именуется ПАС‑реакцией). Гистохимическое обнаружение гликогена позволило выявить динамику этого вещества даже при незначительных функциональных изменениях в нервной клетке, в ряде клеток на первых этапах лучевого поражения, в процессе регенерации, при вирусной инфекции в клетках культуры ткани и т. д. Так как гликоген является важным не только энергетическим, но и пластическим компонентом клеточного обмена, определение количества и формы его отложения (десмо‑ и лиогликоген, по Шабадашу) является одним из наиболее чувствительных критериев физиологического состояния клетки.

Применение дифференциального центрифугирования дало возможность, с одной стороны, выяснить химический состав определенных структурных компонентов клетки, с другой – связать химические вещества, входящие в ее состав, с определенными органоидами. Начиная с 50‑х годов интересы переместились в область изучения происходящих в клетке биохимических процессов, в, частности биосинтеза. Раскрытие происходящих в клетке биосинтетических процессов связано с возникновением и развитием молекулярной биологии (см. главу 23). Были предприняты также попытки построить на основе отдельных фактов обобщенное представление о физиологии и биохимии клетки (например, Б.В. Кедровский, 1959).

Новое направление исследований позволило путем использования современных методов микроскопии связать все этапы биосинтеза с определенными структурами клетки. Так, было выяснено, что синтез рибосомной РНК происходит в ядрышке, которое можно рассматривать как участок, в котором берут начало основные синтетические процессы клетки. Мысль о роли ядрышка в синтезе специфического белка была впервые высказана Т. Касперссоном (1950), а впоследствии подтверждена рядом исследователей. Всесторонний анализ ядрышка и его функции содержится в монографии Г. Буша и К. Сметаны (1970). С рибосомами связан центральный этап этих процессов – синтез специфических белков. Сами рибосомы были впервые описаны Г. Паладом (1953) под названием плотных частиц или гранул. Несколько позже их удалось выделить из клетки и определить содержание в них РНК (Г. Палад, П. Сикевиц, 1956).

Новые исследования подтвердили и уточнили одно из основных положений классической цитологии о существовании тесных взаимоотношений между ядром и цитоплазмой. Обнаруженные биохимическими методами связи получили подтверждение в морфологических данных. Электронная микроскопия показала, что в ядерной оболочке имеются поры, благодаря которым ядро оказывается в прямой связи с эндоплазматической сетью, т. е. с вакуолярной системой всей клетки; данные цитохимического анализа позволяют определить, какие именно вещества, как и когда поступают из ядра в цитоплазму и, вероятно, при определенных условиях, в обратном направлении.

Результаты цитохимического и ультраструктурного анализа клетки выявили наличие ряда точек соприкосновения между, казалось бы, антагонистическими мембранной и сорбционной теориями проницаемости. Современные исследования роли мембран как важнейшего структурного элемента клетки, показывают, что вещества, проникшие через плазматическую оболочку, встречаются внутри клетки с рядом других мембран, через которые они должны будут проникнуть раньше, чем достигнут протоплазматических структур. В то же время сорбционные способности различных органоидов клетки, несомненно, различны, и это еще больше подтверждает значение сорбционного эффекта в обеспечении клеточной проницаемости.

Энергетика клетки.

В настоящее время достаточно подробно изучена энергетика клетки. Она оказалась теснейшим образом связанной со структурой и функцией митохондрий.

Интенсивное изучение митохондрий в 40‑50‑х годах связано с работами А. Клода (1945, 1946), Г. Хагебума (1948), В. Шнейдера (1948), Д. Грина (1965), А. Ленинджера (1966) и др. Ультраструктура митохондрий была детально исследована Г. Паладом (1952). В 1949 г. Э. Кеннеди и А. Ленинджер выяснили, что в митохондриях происходит окислительное фосфорилирование. 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. Клод удачно назвал митохондрии «силовыми станциями» клетки.

Современные исследования по энергетике клетки установили прогрессирующую дифференциацию структур и функций. Как уже было сказано выше, многие компоненты суммарной фракции микросом имеют прямое отношение к биохимическим, в частности окислительным процессам в клетке. Выяснилось, например, что микротельца (иногда их называют пероксисомами) являются носителями ряда важных окислительных ферментов. Дальнейший ультраструктурный анализ митохондрий показал, что эти органоиды имеют сложную внутреннюю структуру: поперечные выросты (кристы) разделяют митохондрию на отдельные внутренние камеры, почему в ней одновременно могут происходить различные, иногда даже антагонистические, процессы. В то же время биохимические и молекулярно‑биологические исследования приводят к заключению, что из всех многочисленных функций митохондрий основной является контроль и интеграция отдельных процессов (особенно ферментативных). Митохондрия представляет собой не только «силовую станцию» клетки, но и важнейший органоид регулировки энергетических процессов. Имеются данные, свидетельствующие о том, что митохондрии, быть может, являются одним из факторов нехромосомной передачи наследственных свойств (Т.Б. Казакова, 1965).