Цитология

Цитология (гр. κύτος — «қойма», бұл жерде: «жасуша» и гр. λόγος — «оқу», «ғылым») - жасуша туралы ғылым. Цитология ғылымы біржасушалы, көпжасушалы ағзалар жасушасының құрылысын,құрамын және қызметін зерттейді.Ал жасуша бүкіл тірі денелердің ең қарапайым құрылысын,қызметін және дамуын сипаттайды. Сондықтан да цитологияның зерттейтін құрылыстары мен заңдылықтары цитология,тәнтану,эмбриология,физиология,генетика,биохимия,молекулалық биология және т.б. ғылым негіздерінің қалануына жол ашты. Цитология бөлімі -цитохимия пәні жасушаның химиялық құрамының құрылысын,олардың түзілуін, жасушадағы таралуы мен белсенділігін және оның қызметінің өзгеруіне байланысты химиялық қосылыстардың өзгеріп отыруын зерттейді. Цитохимияның негізгі жетістіктерінің бірі - нуклеин қышқылдарының ақуыз молекуласын синтездеудегі генетикалық рөлін анықтау.

Жасушаның белсенді қызметіне байланысты ақуыздың өзгеріске ұшырау себептерін және олардың зат айналымындағы рөлін зерттеу де цитохимияның үлесіне тиеді.Бұдан біз цитология ғылымының көп саланы қамтитынын байқаймыз.Өзінің даму бағытында цитология тек биологиямен ғана емес,сонымен қатар медицина,ауылшаруашылық,химия,физика,математика және т.б. ғылымдармен де тығыз байланысты.Бұл ғылымдардың жетістіктері мен әдістері цитологиялық зерттеулерде кең көлемде қолданылады.Сондай-ақ цитологияның жетістіктері көптеген ғылымның негізін салуда маңызды рөл атқарады. Осы ашылған жаңалық органикалық дүние бірлігінің өте нанымды дәлелінің бірі болды.Осындай дәлелді өсімдіктер мен жануарлардың жасуша құрылымының ұқсастықтарынан да көруге болады.

Морфология ілімінен өрбіген цитология анатомия, гистология, физиология, эмбриология, генетика, биохимия т. б. ілімдерімен тығыз байланыса келіп, жасуша физиологиясы, цитохимия, цитогенетика, цитоэкология, салыстырмалы цитология сияқты өзінің төл тармақтарын туындатты.

Цитология да биохимия, биофизика, генетика және молекулалық биология салаларындай ғылыми әдістемелік тәсілдерге жүгінеді. Осы тәсілдер арқылы ол соңғы жылдары жасушаны жан-жақты зерттеуде нәтижелі жетістіктерге жетті.

XIX ғасырдың басында жүргізілген микроскопиялық зерттеулер жануарлар мен өсімдіктер организмдерінің жасушадан құрылатынын дәлелдеп қана қоймады, органикалық дүниенің даму заңдылықтарын ашып берді. Я. Э. Пуркиня және И. П. Мюллер ұйымдастырған ғылыми мектептер өмірге жасуша теориясы жөнінде көп жаңалықтарды әкелді. Жалаң физиологиямен және фармакологиямен айналысқан Пуркинье енді өзінің ғылыми бағыт-бағдарын өсімдіктер мен жануарлар жасушаларын зерттеуге қарай бұрды.

Клетка теориясы ашылғанға дейін биология саласында оптикалық құралдармен жабдықтау, оньт жетілдіру сияқты күрделі жұмыстар жүргізілді. Сөйтіп, өсімдіктер мен жануарларды зерттеуде алғашқы мағлұматтар алына бастады. 1665 жылы Роберт Гук тұңғыш рет үлкейтіп көрсететін шынының көмегімен тозағашының құрылысын зерттеп, оның «клеткадан» тұратынын анықтады. Кейін өсімдіктердің өсіп дамуын бақылай келе М. Мальпиги (1671), II. Грю (1671) бұл жаңалықтарды толық. дәлелдеді.

А. Левенгук (1680) бірінші рет қан құрамында эритроциттердің барын анықтаса, Фантана (1781) жануарлар жасушаларындағы небір құпияларды ашты. Осыдан кейін өсімдіктер мен жануарлардың жасушаларының құрылыстары белгілі бола бастады. Клетканың құрамындағы негізгі элемент — протоплазма (Пуркиня 1830) мен ядро (Браун 1833) табылды. Осы мағлұматтарды негізге алып әрі әр түрлі ұлпалардың құрылысын, дамуын жанжақты зерттеп, соңынан нәтижелі қорытындыларын саралай отырып, 1838—1839 жылдары Т. Шванн өзінің атақты жасуша теориясын жазды. Бұл жаңалық табиғаттану ғылымдарында бұрын-соңды болмаған ұлы жетістіктердің бірі еді. Т. Шванның тұжырымы бойынша жасушаның пайда болуы өсімдіктерге де жануарларға да қатысы бірдей заңдылыққа бағынады. Ғалымның ой елегінен өткізілген осы қағида органикалық дүниенің даму заңдылығын тағы да бір қырынан көрсетті.

Ф. Энгельстің жасуша теориясын XIX ғасырдағы ұлы жаңалықтардьң бірі деп атауына да осы негіз болса керек.

Клетканы зерттеу әдістері

Цитологияда негізгі қолданылатын әдістердің бірі - жарық микроскопы. Соңғы жылдары жасушаны зерттеуде жарық микроскоптарының бірнеше түрлерін қолданылып жүр (люминесценттік, фазасы қарама-қарсы, электронды микроскоптарды). Жарық микроскоптарының көмегімен ұлпадан алынған және әр түрлі бояулармен боялған жұқа кесінділерді (препарат) зерттеуге болады. Ол үшін кесіндінің қалыңдығы 5—7 микроннан (мк) аспау керек, сонда ғана жарық кесінділер арқылы өте алады. Жарық микроскоптары арқылы тексеретін ұлпалардан кесінділер дайындау (препарат) өте күрделі жұмыс. Цитологиялық препараттар жасау бірнеше кезеңдерге бөлінеді: материал алу және оны бекіту, ұлпаларды тығыздау, парафинге күю, кесінділер жасау, бояу, бальзамға бекіту.

Микроскоптың көру қабілеттілігі қолданылып отырған жарық ағымына байланысты және жарық ағынының 1/3 бөлігіне тең болады. Жарық толқынының ұзындыры неғұрлым қысқа болса, микроскоптың көру қабілеттілігі соғұрлым артады. Егер жарық толқынының ұзындығы 0,6 миллимикрон (мкм) болса, микроскоптың көру қабілеттілігі— 0,2 мкм— 1/3 ХО, 6 мкм — 0,2 мкм. Люминесцент микроскопы ультракүлгін жарық толқынымен жұмыс істейді, толқын ұзындығы— 0,27—0,4 мкм. Осындай толқын препаратқа түскенде ол сәулені сіңіре отырып, өзінен жарық шығарады, бұл құбылыс флуоресценция деп аталады. Шыққан жарық толқыны сінген жарық толқынына қарағанда әрдайым ұзын болады. Кейбір заттар түскен жарық толқынының жартысын сіңіріп, өзінен жасыл, сары, қызыл спектрді шығарады. Флуоресценция деп заттарды ультракүлгін жарығымен шағырылыстырылғанда өзінен жарық бөлуін айтады. Оларға пигменттер, витаминдер, майлар жатады. Кейбір заттарды флюрохром бояуларымен бояу арқылы флуоресценцияны көруге болады. Мысалы, ДНК-ны акридин қызыл сары бояуымен боялғанда жасушадағы дизоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) ашық жасыл сәуле береді, ал рибонуклеин қышқылы (РНҚ) ашық қызғылт сәуле береді.

Бекітілгеннен кейін мүшелер бөліктерін концентрациясы жоғарлайтын спирттерде ығыстырып, спиртті ксилолға, одан кейін ксилолды парафинге салады. Осылайша, фиксацияланған ұлпа ауада қатып қалған тығыз парафинге айналады және оны кесуге болады. Қалыңдығы 5- мкм-дей кесіндіні арнайы құрал микротом арқылы дайындайды. Мұндай кесінділер заттық шыныға бекітіліп, парафин ксилолда ерітіліп,құрамындағы су спиртпен ығыстырылады. Содан кейін кесінділерді суда еритін бояулармен бояуға болады. Тұрақты препараттар дайындау үшін боялған кесінділерді әйнек арқылы канадалық бальзаммен жабады, бұндай препараттарды ұзақ уақытқа дейін сақтауға болады. Бекітілген ұлпалар мен жасушаларды бояу үшін, әртүрлі табиғи және синтетикалық бояулар пайдаланады. Табиғи бояулармен (гемотоксилин, кармин т.б.) кешенді қосылыстар түзетін әртүрлі металдардың қышқылдары қолданады.

Синтетикалық бояуларды қышқылды және негізгі деп бөледі. Негізгі бояуларда сілтілік қасиетін анықтайтын, құрамында амин топтары болатын тұздар негіздері болады. Мұндай бояулар жасуша құрылымында қышқылдық топтармен тұзды байланыстар құрайды. Қышқылдық бояулар құрамында гидроксильді топтар немесе SO₂OH топтарынан құралады. Негізгі (сілтілік) қасиетті жасуша құрылымы қышқылдық бояулармен байланысын ацидо- немесе оксифильді деп атайды.

Клетка бөліктерін әр түрлі түске бір мезетте бояйтын түрлі бояулар коспалары қолданылады. Осындай бояуларды пайдалана отырып, тек жасушаның морфологиялық айқын суреттемесіне қоса оның химиялық кұрлымы жайлы мағлұматтар алуға болады.

Ерекше химиялық заттарды анықтайтын бояуларға гистохимиялық және цитохимиялық бояулар жатады. Цитохимиялық талдау әдістері өте көп. Цитохимиялық реакцияға мысал ретінде ДНҚ-ға қолданатын кең таралған Фельген реакциясын айтуға болады. Маңыздылығы, тек ДНҚ-да спецификалық қышқылдық гидролизден кейін, дезоксирибоза пуриндердің ұсақталуынан альдегидті топтар пайда болады. Бұл топтар арнайы индикатормен, Шифф реактиымен қызыл түс береді. Бұл бояу арқылы ДНҚ-ны, оның санын анықтайды. Жеке амин қышқылдарымен (тирозин, триптофан, аргенин т.б.) реакциялар арқылы белоктардың таралуын анықтауға болады. Липидтер мен майлар жасушаларда жақсы еритін арнайы бояуларды айқындайды.

Цитохимиялық реакциялар арқылы ферменттерді анықтауға болады. Бұл реакцияның жалпы принципі - микроскоп арқылы белокты ферменттердің өздері емес, өнімдердің белсенділіктерін анықтайтын таралу аймақтары көрінеді.

Клеткаларды өсіру тәсілі

Мүшелер мен жануарлар ұлпаларын зерттеу үшін жасушаларды өсіру тәсілі қолданылады. Ең қарапайым тәсілі қарайтын болсақ, қоректік ортаға эмбриональдық экстракт пен қан плазмасының қоспасы немесе қан плазмасы қосылған синтетикалық ортаға тірі ұлпаның кішірек бөлігін саламыз. Бірнеше уақыттан кейін сол кесектің шеткі жағында жасушалардың өсуі мен бөлінуі басталады. Кейбір жағдайларда жасушаларды трипсин ферментімен өңдеп диссоциация туғызып оларды бір-бірінен алшақтатып, содан кейін осы жасушаларды жуып барып, қоректік ортасы бар ыдысқа салады. Салынған ыдыстың әйнек қабырғасына бекініп біріншілік колонияға айналады. Содан кейін олар жасушалық қабат құрып көбейе бастайды. Осылай бір қабатты жасуша дақылының өсуін тексеруге болады. Жануар ұлпасынан біріншілік дақылдар алу үшін эмбриональдің материалын қолданған дұрыс, ересек организмнен алынған материал өте нашар өседі. Клетка культурасын организмнен тыс өсіру үшін өсіру барысында оған ортадан басқа температураны сақтап тұру қажет.

Қазір организмнен тыс жасушаны дақылдау әдісі тек цитологияда ғана емес, сонымен қатар генетикалық, вирусологиялық және биохимиялық зерттеулерде кеңінен қолданылады.

Дақылда өсімдік жасушаларында өсіруге болады. Ол үшін бір бөлігі ұлпаның жасуша қабығын ерітуде ферментпен өңдейді. Бөліген жасуша денесі, протопласттары дақылдық ортаға салынып, олар бөлінеді және жасуша зонасын құрады.

Тірі жасушаны қарауда әдетте микроскоптың арнайы фото қондырғы көмегі арқылы жасалынған фотосурет түрінде тіркеледі. Тірі жасушаларды кинопленкаларға да түсіруге болады. Мұндай жағдайда осындай микросъемкалар кажетті ақпаратты береді. Тездетілген немесе баяулатылған киносъемканы қолдана отырып (цейтроферлі киносъемка) жасушаның қалай бөлінуі, фагоцитоз процесін, цитоплазма ішіндегі кірпікшелердің құрылуын және т.б. қажетті процестерді толық көруге болады.

Қазір компьютерлік технологияның дамуында арнайы жасушалар көмегімен тікелей компьютер мониторынан жасуша бейнесін көруге және оларды компьютерге жазуға болады. Қозғалмалы объектіні цейтроферлі түсілім үшін компьютерлік көру қолданылады.

Микрохирургиялық әдістер

Тірі жасушаны зерттеуде казіргі таңда микрохирургиялық әдістер қолданылып жүр. Микроманипуляторлық прибор көмегімен жасушалар кесіледі, олардан бөліктер алынады, заттар салады (микроинъекция) және т.б. операцияның жүруін қадағалайтын микромонипулятор әдеттегі микроскоппен үйлестірілген. Микрохирургиялық құрал ретінде әйнек ілмектер, инелер, капиллярлар қолданылады. Олар микроскопиялық өлшемде болады және арнайы микроқұралдар қолданылады. Микроманипуляция кезінде арнайы камераларға жасушаларды салып, сонымен бірге құралдарды да салады. Микроманипулятор көмегімен ядроны бір амеба штаммынан басқаға ауыструға және жасушалық ядро целомындағы жасушалардың физиологиялық ерекшеліктерін анықтауға болатындығын дәлелдеді. Микроманипулятор көмегімен амеба жасушасына коллойдтық алтын енгізу арқылы, содан кейін ядро мен цитоплазмада оның бөліктерінің араласуын зерттейді.

Осыдан микрохирургиялық құралдар көмегімен жасушадағы митотикалық айналуды қозғалтуға, жеке хромосомаларды шығаруға, тірі жасушаға белгіленген антидене немесе әр түрлі белоктік молекулаларды енгізуге болады. Механикалық әсерден басқа микрохирургияда жасушаларға соңғы кезде лазерлік микрошоғырлары немесе ультркүлгін жарығының микрошоғырлары кеңінен қолданылады. Бұл тірі жасушалардың жеке участкелерін тез арада анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, бір ядрошықты анықтап және екіншісінің тіршілігін қадағалауға болады. Бұл жағдайда екінші ядрошық өзіне қосымша жұмыс алып және екеуі үшін жұмыс істейді. Микрошоғырлардың көмегімен митотикалық хромосоманың немесе бөліну ұршығының белгілі бір аймақтарына әсер етуге болады. Жақында өте қысқа сәулелену импульстарын (наносекундтар) қолдануға мүмкіндік беретін және нақты түрде әсер ететін нүктесінде энергия мөлшерін дозалауға болатын, әсерлік микросәулелері бар құрылғылар қолданысқа еніп жатыр.

Тірі жасушаларды зерттеуде оларды витальді деп аталатын боялар қолданылады. Бұл бояу табиғатта қышқыл түрінде (трипанды көк; литий кармині) кездеседі. Тірі жасушаларды бояған кезде цитоплазмада бояу түйіршік түрінде жинақталады, ол зақымданған немесе өлі жасушалардағы цитоплазма мен ядро диффузды түрінде боялады.

Флуресценттік микроскопия әдісі

Тірі жасушаларды зерттеуде флуресценттік микроскопия әдісі мен флуоресценттейтін бояулар кеңінен қолданылады. Оның мәні бір заттардың жарық энергиясын жұтылуында жарықтандыру қасиетіне ие болуымен қорытындыланады. Флуоресценттік сәулелендіру қоздырғышының қатынасы бойынша флуоресценттік спектр әрқашан үлкен ұзындықтағы толқындар жағына ауытқиды. Мысалы, бөлініп алынған хлорофилл ультракүлгін сәуле көмегімен қызыл түспен жарықтанады. Бұл принцип флуоресценттік микроскопияда қолданады: қысқа ұзындықтағы толқын аймағындағы флуоресценттік объектіні қарастыруда. Әдетте мұндай микроскопта көк-күлгін облысында жарық беретін фильтрлер қолданылады. Ультракүлгін толқында толқында жұмыс істейтін люминесценттік микроскоптар ғылыми зерттеу жұмыстарда көп қолданылады.

Өзіндік флуоресценцияда кейбір пигменттер бар (хлорофиллдер, бактериалды пигменттер, витаминдер (А және В₂), гормондар. Егер флуоресценттік микроскоппен өсімдік жасушасын қараған кезде күңгірт-көк фонда жасуша ішінен қызыл дәндер ашық көрінеді - бұл хлоропласттар. Флуоресценттік микроскопия әдісінде тірі жасушаларға флуорохромдарды қосуға болады. (флуоресценциялы заттар). Бұл әдіс витальді бояумен ұқсас, яғни бұл жерде өте төмен концентрациясы бар бояу қолданылады (1x10-4-1х10-5) Көптеген флуорохромдар белгілі бір таңдаушы жасуша құрылысымен байланысып, оларды екіншілік люминесценцияға шақырады. Мысалы, сарғыш акринді флуорохром нуклеин қышқылымен таңдаулы байланысады. ДНҚ мономерлік түрдегі ДНҚ-мен байланысқанда жасыл түске флуоросценциаланады, ал димерлік түрдегі РНҚ-да қызыл түске жарықтанады. Сарғыш акриндинмен боялған тірі жасушаларды бақылауда, олардың ядроларында жасыл түсті жарық болады, ол цитоплпазмамен ядрошықта қызыл түс жарқырайды. Осы тірі жасушаларды осы әдістің көмегімен немесе басқа химиялық заттардың шоғырлануын көруге болады (кейбір жағдайда мөлшерін санау). Липидпен, шырыш және керотинмен және т.б. таңдаулы байланысатын флуорохромдар болады.

Таңбаланған флуорохромдық антиденені тірі жасушаға инъецирлеуге болады. Мысалы, тубулин ақуыздық флуорохроммен байланысқан антиденелерін жасушаларға енгізсе, олар микротүтікшелермен косылады. Осының нәтижесінде мұндай тірі жасушаларды флуоресценттік микроскоптың көмегімен бақылауға болады.

Соңғы кезде тірі жасушаларды немесе олардың компоненттерін зерттеу үшін бейнелерді өңдеуде жарық микроскоптың электронды-компьютермен үйлесімі кеңінен қолдана бастады (әсіресе фазасы қарма-қарсы). Бейнелерді электронды өңдеуде бейнетаспа қолданады, сонымен бірге бақылап отырған құрылымды қарама-қарсы етіп, фондық деңгейді "алып" және белгілейді. Мұндай әдістеме микротүтікше сияқты құрылымды телеэкраннан көруге мүмкіндік береді, жарық микроскоптың рұқсат етілген күнінен (20 нм) аз мөлшерде. Мұндай жүйені қолдануда тек цейтраферлі кино түсірілімді алмастырмайды, сонымен бірге бейнетаспаны қолданады, бейнелерді компьютерлік өңдеуде рұқсат етіледі: құрылым тығыздығының мәліметі туралы, сонымен бірге үш өлшемді ұйымдасу. Тірі жасушаларды зерттеуде бұл әдістің флуоресценттік микроскоппен үйлесімділігі үлкен жетістікке әкеледі. Жарық микроскоптағы жай әдіс микроскоптың терең еместігінен қаралып жатқан объекттің суреті үш өлшемде өңделуі өте қиын. әдетте жасушалар оптикалық кесілім ретінде берілген фокус тереңдігінде қаралады. Объектінің толық үш өлшемді реконструкциясын алуда арнайы конфокальді сканирлік жарық микроскопы қолданылады. Бұл прибордың көмегімен әр түрлі тереңдіктен және компьютерде жинақталған бейнелерден алынған тізбектердің кесілімі алынады. Сонымен бірге үш өлшемді, көлемді бейнеленген объектіні арнайы бағдарламамен құрастырады. Әдетте флуорохроммен боялған объекттер қолданады.

Поляризациялық микроскоп

Поляризациялық микроскоптың көмегімен субмикроскопиялық компоненттері тәртіппен орналасқан биологиялық құрылымдарды (коллаген талшықтары, миофибрилдер) зерттеуге болады. Жарық толқындарын белгілі бір поляризация бағытына бағыттайтын конденсорлы шынының алдына поляризатор орналасады. Зерттейтін препарат және объективтен кейін анализатор орналасады, ол жарық толқынына сол жазықтықта өткізеді. Поляризатор мен анализаторлар-призмалар (николь призмасы). Егер екінші призманы (анализатор) бірінші призмаға қарағанда 90°С бұрсақ, онда жарық түспейді. Осы екі призманың арасында екі қабатты сәуле шағылыстыратын немесе поляризация жасайтын қабілеттілігі бар объектілер болса, онда ол қараңғы ортада жарық шашқандай болып көрінеді.

Электронды микроскоп

Электронды микроскоптың көрсеткіштік қабілеті өте жоғары. Қазіргі электронды микроскоптың көрсеткіштік қабілеттілігі 0,1-0,3 нм-ге дейін жетеді. Электрондық микроскоптың құрылыс принципі жарық микроскопына ұқсас, сәулелерінің рөлін электр тоғымен қыздырылған вакуумда орналасқан V пішінді фольфрам жібі электрондар тасқынының қызметін атқарады, әйнек линзалардың орнында электромагниттік линзалар орналасқан. Жарық микроскопының объективі мен окулярының орнына электрондық микроскоптың магниттік катушкалары сәйкес келеді. Электронды микроскопта (ЭМ) міндетті түрде ваккум болуы қажет, себебі ауада электрондар алысқа кете алмайды, оттегі, азот немесе көмір қышқыл газы молекулалармен кездессе, олар бөгеліп өз жолын өзгертіп шашырай кетеді. Электрондар тасқынының бағытын қажетіне қарай қуатты электр өрісі немесе магнит өрісімен өзгертуге болады. Электрондардың жылдамдығы үдесе, электрондық микроскоптың шешуші кабілеті артады.

Электронды микроскоптың экраны мен фотопластинкада 50 000 есе үлкейтуге, фотошығаруда одан да көп есе үлкейтуге (10) болады. Қазіргі уақытта флуоресценцияланатын экраннан электронды-микроскопиялық суреттерді сандық телекамерамен компьютерге беріледі. Принтерді пайдалана отырып, суреттерді шығара алады. Электронды микроскоптың көмегімен металл мен кристалды торларда зерттеуге қолданады.

Электронды микроскоптарда жарықтың орнына электрон сәулелері қолданылады, осыған байланысты қолданылатын қуаттың күші 50—100 кВ-қа дейін барады, ал толқын ұзындығы 0,056—0,035 А°-ге жетеді. Толқын ұзындығы неғұрлым қысқа болса, микроскоптың көрсеткіштік қабілеттілігі сорғұрлым артатынын физика курсынан жақсы білеміз. Осыған байланысты электронды микроскоптардың көрсеткіштік қабілеттілігі —1—7 А°-ға, ал үлкейткіштік қабілеттілігі 600 000-ға дейін жетеді. Электронды микроскоптың көмегімен қарайтын заттың қалыңдығы 400—600А° препаратты көруге болады, өйткені қалың препараттан электрондар өте алмайды, олардың өткізгіштік қасиеті нашар. Электронды микроскопқа препарат дайындайтын приборды ультрамикротом деп атайды. Осы аспаптың көмегімен жұқа кесінді жасап, оны объекті торына бекітіп, арнайы бояулармен бояп, электронды микроскоппен қарайды. Электрон сәулелері препарат арқылы өткенде объектінің үлкейтілген «көлеңкесі» экранға түседі.