Клітинна біологія

Цитологія, кліти́нна біоло́гія — великий розділ біології, який вивчає структурно-функціональну організацію прокаріотичних та еукаріотичних клітин, молекулярні механізми регуляції клітинних функцій, взаємодію ядерного і пластидного геномів, природи та передачі сигналів, які визначають онтогенез клітин і формування міжклітинних зв'язків, репродукцію, диференціювання та старіння клітин in vivo та in vitro у нормі й патології.

Цитологія є комплексною наукою, що вивчає:

• будову клітин
• будову окремих структур та органел клітини
• хімічний склад та перетворення в клітині
• функції клітини
• функції органел
• ріст та особливості розмноження

Метою сучасної цитології є формування теоретичної бази біотехнології, генетичної інженерії, нових методів генетики, а також інтегрування знань у галузі молекулярно-біологічних процесів до рівня фізіологічних явищ і еволюції.

Ф. Мішера відкрив у 1869 р. нуклеїнові ("ядерні") кислоти, хоча сам термін з'явився пізніше – у 1889 р. А. Коссель у 1891 році провів гідроліз нуклеїнових кислот та установив, що вони складаються із залишку цукру,фосфорної кислоти та пуринових і піримідинових азотистих основ. Після встановлення факту, що молекула ДНК зберігає генетичну інформацію, виникло питання про зміст цієї інформації та механізми її реалізації. В30-х рр. ХХ ст. Дж. Бідл і Е. Татум висунули теорію "що один ген кодує один фермент". Френсіс Крік у 1958 р. припустив, що молекула РНК є проміжним передавачем інформації про білки-ферменти. В 1961 р. Ф. Жакоб і М. Мано показали, що посередником між ДНК в ядрі та її реалізацією в цитоплазмі у процесі біосинтезу білка є матрична (інформаційна) РНК. Дослідженнями Френсіса Кріка й С. Бреннера було встановили, що генетична інформація реалізується через триплетний код – послідовність трьох нуклеотидів, яка відповідає одному амінокислотному залишкові. Першу спробу розшифрувати генетичний код здійснили в 1961 р. Маршал Ворог Ніренберг і Г. Маттеї, які показали, що триплет із трьох урацилів на іРНК відповідає амінокислоті фенілаланіну.^[1]

У живих організмах найчастіше зустрічаються такі елементи: кисень (О), водень (Н), азот (N), кальцій (Са), фосфор (Р), сірка (S), калій (К), хлор (Cl), натрій (Nа), магній (Mg), йод (I), залізо (Fe). Ці елементи називаються макроэлементами. Вони становлять 99,59% маси клітин.Елементи мідь (Cu), марганець (Mn), молібден (Mo), кобальт (Co), бор (В), цинк (Zn), фтор (F), селен (Se), хром (Cr) називаються мікроелементами. Вони входять до складу живих організмів у дуже малих кількостях (до 0,01%).^[2]

Залежно від методу забору клітин, цитологію поділяють на ексфоліативну та аспіраційну. В ексфоліативних цитологічних дослідженнях клітини відокремлюються від оболонки органу та можуть бути розділені на прямі та абразивні. У прямих ексфоліативних цитологічних дослідженнях клітини спонтанно відшаровуються від свого природного місця розташування в порожнину тіла, тоді як в абразивних цитологічних дослідженнях клітини збираються з їхнього природного місця розташування за допомогою механічних операцій.

Розроблений тест для скринінгу та ранньої діагностики пухлин шийки матки , запропонований Джорджем Н. Папаніколау (Пап-тест), являє собою перше та найпоширеніше застосування ексфоліативної цитології. Клітини збирають з епітелію шийки матки за допомогою шпателя Айре, а потім наносять на предметне скло, фіксують спиртом та забарвлюють за методикою Папаніколау. Цитологічний діагноз ставиться за допомогою класифікації Бетесди 2001 року. Система Бетесди встановлює стандарти адекватності та діагностичні категорії для зразка Пап-тесту.

Цитологічне дослідження часто проводиться на спинномозковій рідині, отриманій шляхом люмбальної пункції . Цей зразок корисний для діагностики як запалення, так і раку. Бактеріальний менінгіт демонструє переважний фон нейтрофілів. І навпаки, лімфоцити та еозинофіли присутні при вірусному менінгіті та паразитарних інфекціях відповідно. Можуть бути діагностовані як первинні новоутворення центральної нервової системи, так і пухлини, що створюють метастази у головному мозку.^[3]

Основні напрямки досліджень згідно з ВАК України:

• Структурно-функціональна організація клітин різного походження.
• Клітинний цикл, диференціювання й старіння клітин. Мітоз, мейоз, цитокінез.
• Взаємодія ядерного та пластомного геномів.
• Структура хроматину та хромосом. Експресія генів та регуляція.
• Процеси самозбирання надмолекулярних структур клітин.
• Передача екзогенних та ендогенних сигналів у клітині.
• Просторово-часова організація клітинного метаболізму та його регуляція.
• Скелетні структури клітини та їх функції в життєдіяльності клітини.
• Отримання до дослідження протопластів. Механізми утворення клітинних гібридів.
• Механізми трансгенезу. Вектори, придатні для трансгенезу.
• Виявлення та клонування генів.
• Природа та сприйняття клітиною сигналів, які детермінують її розвиток.
• Клітинні біосинтези гетерологічних речовин.
• Дослідження клітин у культурі in vitro.

1) Прижиттєвий — використання конфокальної, поляризаційної та темнової мікроскопії. Використовують специфічні барвники.

2) Оптична мікроскопія — прилади які застосовують: оптичний мікроскоп, бінокуляр, фазово-контрастний мікроскоп, люмінісцентний мікроскоп, темнопольний мікроскоп. Метод дозволяє досліджувати форму й розміри клітин, найбільші клітинні структури, органели руху, капсули та слизові шари.

3) Електронна мікроскопія — прилади для застосування: трансмісійний електронний мікроскоп, скануючий електронний мікроскоп. Метод дозволяє досліджувати ультраструктуру клітин і всі їх органели, поверхневі структури клітин і міжклітинні контакти.

4) Забарвлення клітин — використовують барвники та фіксуючі речовини. Метод дозволяє диференційно забарвлювати окремі структури або клітину в цілому для отримання якісного зображення під час мікроскопіювання.

5) Мікротомування — використовують мікротоми. Метод дозволяє виготовити ультратонкі препарати для їх дослідження з допомогою всіх різновидів світлового та транмісійного електронного мікроскопів.

6) Субклітинне фракціювання.Диференціювальне центрифугування — це метод цитологічного дослідження, який дозволяє розділити вміст клітин на фракції за формою та розміром окремих компонентів для подальшого окремого дослідження кожної з фракцій.

Першим етапом у субклітинному фракціонуванні є руйнування плазматичної мембрани за умов, які не руйнують внутрішні компоненти клітини. Для цього використовується такі методи як ультразвукова обробка(вплив високочастотного звуку), подрібнення в механічному гомогенізаторі або обробка високошвидкісним блендером.

Суспензія розбитих клітин (лізат або гомогенат) згодом фракціонується на компоненти шляхом серії центрифугування в ультрацентрифузі , яка обертає зразки з дуже високою швидкістю (до 100 000 об/хв).^[4]

7) Метод мічених атомів — використовують радіоактивні ізотопи, прилади для радіоавтографії. Метод дозволяє відстежити шлях речовин усередині клітини, механізми обміну речовин, дослідити функції окремих органел.

8) Метод культури клітин — беруть ламінари і використовують поживні середовища. Метод дозволяє вирощувати певні типи клітин і відстежувати їх реакцію на дію зовнішніх і внутрішніх факторів.

9) Метод світлової мікроскопії — досліджують тільки мертві клітини. Використання світлового мікроскопа

10) Метод фазовоконтрастної мікроскопії — Заломлювання світла різними видами клітин, що відрізняються за щільністю

11) Метод флюоресцентної мікроскопії — це метод вивчення внутрішньоклітинного розподілу молекул.

Флуоресцентний барвник використовується для мічення молекули у фіксованих або живих клітинах. Флуоресцентний барвник – це молекула, яка поглинає світло на одній довжині хвилі та випромінює світло на другій довжині хвилі. Ця флуоресценція виявляється шляхом освітлення зразка довжиною хвилі світла, яка збуджує флуоресцентний барвник, а потім використовується у відповідних фільтрах для виявлення конкретної довжини хвилі світла, яку випромінює барвник. Флуоресцентна мікроскопія може бути використана для вивчення різноманітних молекул у клітинах. Одним із частих застосувань є мічення антитіл, спрямованих проти певного білка, флуоресцентними барвниками, щоб можна було визначити внутрішньоклітинний розподіл білка. Білки в живих клітинах можна візуалізувати, використовуючи зелений флуоресцентний білок (ЗФБ) медузи як флуоресцентну мітку.^[4]

Наразі цей метод використовується в мультиплексному біомаркерному аналізі.

12) Метод затінення металу – це метод, який використовується для візуалізації поверхні ізольованих субклітинних структур або макромолекул у просвічувальному електронному мікроскопі. Зразок покривається тонким шаром металу, (наприклад, платиною). Метал розпилюється на зразок під кутом так, що поверхні зразка, звернені до джерела молекул металу, покриваються щільніше, ніж інші. Це диференціальне покриття створює ефект тіні, надаючи зразку тривимірного вигляду на електронних мікрофотографіях.^[4]

• Молекулярна біологія
• Системна біологія
• Клітинна нейронаука

• Гістологія. Цитологія. Ембріологія: підруч. для студентів / за ред.: О. Д. Луцика, Ю. Б. Чайковського . — Вінниця: Нова Книга, 2020. — 496 с. ISBN 978-966-382-698-1
• Медична біологія / За ред. В. П. Пішака, Ю. І. Бажори. Підручник. — М-42 Вінниця: Нова Книга, 2004. — 656 с: іл. ISBN 966-7890-35-X
• Загальна цитологія і гістологія: підруч. / М. Е. Дзержинський, Н. В. Скрипник, Г. В. Островська та ін.; — Київ: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2010. — 575 с. ISBN 978-966-439-159-4
• Molecular Biology of the Cell, 4th ed. / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and P. Walter. New York: Garland Science; 2002. ISBN 0-8153-3218-1
• Alberts, Bruce (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.

• Nature Cell Biology
• Nature Cell Research
• Cell: Cell Metabolism
• Trends in Cell Biology
• Nature Reviews Molecular Cell Biology
• Nature Methods, Cell: Molecular Cell
• Cellular and Molecular Life Sciences
• Nature Chemical Biology
• Цитологія та Генетика.

• Основы общей цитологии и гистологии. / О.В. Овчаренко, Т.Д. Криворучко / Полтава: ООО НПП «Укрпромторгсервис», 2020. – 64 с.
• Загальна цитологія і гістологія: підручник / М. Е. Дзержинський,Н. В. Скрипник, Г. В. Островська та ін. ; за ред. М. Е. Дзержинського ;упорядкування Н. В. Скрипник – К.: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2010. – 575 с.

• (англ.) (ісп.) Learn.Genetics  — освітній портал з генетики, цитології, молекулярної біології та здоров'я людини Університету Юти.
• (англ.) The Cell. An Image Library  — фотобанк мікробіологічної тематики.