Citologija

Citologija ili biologija ćelije je biološka disciplina koja za cilj ima proučavanje i razumevanje ćelija. Ovakvo proučavanje se odvija na mikroskopskom i molekularnom nivou i podrazumeva fizičke osobine ćelije, životni ciklus, ćelijsku deobu, fiziologiju i komunikaciju jedne ćelije sa drugom.^[1]

Podela ćelija

Sve ćelije se dele na prokariote i eukariote. Prokariote (grčki pro pre i karuon koštica ili jezgro) nemaju jasno ograđen region koji sadrži genetički materijal, DNK, od ostatka ćelije i ima jednostavniju građu od eukariota. Eukariote su druga vrsta ćelija koje imaju jasno definisan region sa genetički materijalom, veliki broj organela koje imaju određene funkcije i morfološki su komplikovanije.

Najočiglednija razlika između prokariotske i eukariotske ćelije je postojanje unutrašnjih membrana i njihove funkcije. Kod eukariota region koji sadrži genetički materijal je odvojen od ostatka ćelije membranom, dok kod prokariota taj region nema membranu i nije jasno definisan. Membrane kod eukariota takođe imaju važnu ulogu u strukturi različitih organela. Organele su intracelularne strukture koje imaju jasno određene funkcije u ćeliji analogno organima koji imaju jasno određene funkcije u telu. Samo ime organela (mali organ) je nastalo tako što su biolozi uvideli paralelu u odnosu organela i ćelije i organa i tela.

Citoplazma

Kada se eukariotska ćelija pogleda pomoću nisko rezolucionog elektronskog mikroskopa, najveće organele se mogu videti u naočigled bezličnoj homogenoj supstanci zvanoj citoplazmični matriks ili citoplazma. Iako naočigled izgleda bezlično, matriks je veoma važan za ćeliju i mesto je bitnih biohemijskih procesa. Nekoliko vidljivih promena u ćeliji, npr. viskozitet ćelije, je očigledan zahvaljujući citoplazmičnom matriksu.

70-85 % ukupne težine eukartioske ćelije čini voda, koja se u najvećem delu nalazi u citplazmičnom matriksu. Deo ove vode se nalazi u slobodnom stanju i predstavlja osmotski aktivnu vodu (videti Osmoza). Dok se ostatak vode nalazi na površini mnogih organela, proteina i drugih makromolekula i ona je osmotski neaktivna.

Najverovatnije sve ćelije imaju u svom sastavu strukture zvane mikrofilamenti koji su jako tanka proteinska vlakna, ne šira od 4 do 7 nm nanometar u prečniku, i oni mogu biti ili razbacani po unutrašnjosti ćelije ili strukturno organizovani. Mikrofilamenti igraju važnu ulogu u kretanju ćelije i njenom oblikovanju i formi.

Druga vrsta vlaknastih organela koje se takođe mogu naći u citoplazmi su mikrotubule. Za sada se zna da imaju tri uloge u životu ćelije:

pomažu u održavanju oblika
zajedno sa mikrofilamentima učestvuju u njenom kretanju
učestvuju u intracelularnom transportu

Ove dve grupe vlaknastih organela pripadaju velikoj mreži koja se zove citoskeleton i koja za ulogu ima kretanje đelije i njeno oblikovanje. Prokariote nemaju visoko organizovani citoskeleton.

Mikroskop

Još je Euklid (300 god. p. n. e.) znao za neka optička svojstva krivih površina, a slično znanje imali su Ptolemej (127—151. naše ere) i Alhazan (početak XI veka). Leonardo da Vinči početkom XVI veka objašnjava značaj upotrebe sočiva pri posmatranju sitnijih predmeta. U međuvremenu, 1590. g., holandski optičar Zaharias Jansen iz Midelburga pronalazi mikroskop što predstavlja svakako jedan od najznačajnihjih, doduše sada već skoro zaboravljenih, događaja. Jansen je otkrio da upotrebom dva dvojno konveksna sočiva, postavljena na određenu daljinu dolazi do povećanja lika. Kombinovao je ta dva sočiva u unutrašnjosti jedne cevi te tako napravio prvi mikroskop (gr. micros=sitan, mali; scopein= gledam). Prvo posmatranje nečeg vidljivog pod mikroskopom obavio je 1625. god. F. Steluti koji je nacrtao glavu pčele uvećanu pet puta.

Kroz vekove se ovaj prvi mikroskop usavršavao, napredovao tako da danas osim optičkog postoje i mikroskopi kao što su elektronski, fazni, polarizacioni, fluorescentni i dr. Tokom XVIII, a naročito početkom XIX veka, izgrađeni su vrlo složeni mikroskopi čija se primena zasniva na korišćenju prirodne ili veštačke svetlosti. Danas klasični mikroskopi mogu da uvećavaju posmatrani objekat i do 1000 puta, a sa nekim pridodatim delovima i više. Glavni princip za konstrukciju elektronskog mikroskopa otkrio je nemački fizičar Hans Buš 1924. god, a prvi mikroskop je napravljen već 1930. g.

Jedan od prvih koji se bavio radom na mikroskopu bio je Antoni van Levenhuk (1632-1723), trgovac tekstila iz Holandije. Upotrebljavao je veoma prost mikroskop koji je sam konstruisao i koji je mogao da uveličava predmet do 280 puta. Levenhuk je prvi posmatrao bakterije, kvasce, protozoe (praživotinje) i dr. Svoja zapažanja objavljivao je u Britanskom kraljevskom društvu.

Robert Huk (1635-1703), poznati britanski fizičar, matematičar i arhitekta, jedno vreme se bavio i usavršavanjem mikroskopa. Posmatrao je preseke plute pod mikroskopom i u delu Mikrografija objavljenom 1665. g. objavio rezultate tog posmatranja. Uočio je veliki broj komorica, koje podsećaju na pčelinje saće i koje su odvojene međusobno tankim pregradama. Komorice naziva ćelije (cells) i taj naziv se zadržava i do danas. Treba napomenuti da je Huk, u stvari, naziv dao ćelijama koje su mrtve i od kojih je on video samo zidove.

Ćelijska teorija

Kada je formulisan pojam ćelije počela su istraživanja njenih delova i sadržaja. Tako italijanski profesor medicine Marčelo Malpigi (1628-1694) se usredsređuje na istraživanja ćelijske membrane. Prvi podaci detaljnijeg sadržaja ćelije potiču od italijanskog botaničara Bonavenuti Kortija (1720-1813) koji je u ćelijama alge Hara posmatrao strujanje citoplazme (cikolozis). Škotski botaničar Robert Braun 1883. god. prvi opisuje jedro kao sastavni deo ćelije, ali ne govori o njegovim funkcijama. Češki zoolog Johanes Purkinje (1787-1869) prvi uvodi pojam protoplazma, a nemački zoolog Maks Šulc (1825-1884) postavlja svoju protoplazmatičnu doktrinu. Po toj doktrini svaka ćelija je sastavljena od mase protoplazme u kojoj se nalazi jedro.

Nemački botaničar Matijas Šlajden (1804-1881) i zoolog Teodor Švan (1810-1882) 1839. g. postavljaju osnovu tzv. ćelijske teorije, po kojoj su sva tkiva, svi živi organizmi, bili oni biljni ili životinjski, sastavljeni iz ćelija. Ova teorija je osnovno (fundamentalno) otkriće u biologiji.

Metode izučavanja i šematizovanje ćelija

Pokušaj da se ćelija šematizuje star je koliko i istorijat o ćeliji. Prvu šematsku sliku ćelije je 1925. g. dao citolog Viloson i na njoj se vidi vrlo uprošćena građa ćelije: citoplazma, okružena membranom, u kojoj se nalaze pored jedra još centrozom i vakuole. Nijedna druga ćelijska organela nije predstavljena iako se do tada znalo za većinu organela. Međutim, za njih se mislilo da su veštačke tvorevine koje nastaju kada se ćelija ne pripremi dobro za bojenje ili se ne oboji dobro. Na ovoj šematizovanoj slici ćelije vidi se da su osnovni delovi jedra bili poznati, kao što su nuklearni ovoj, hromatin i jedarce.

Šematzizovana slika dobijena uglavnom posmatranjem ćelije elektronskim mikroskopom, vide se ne samo ćelijske organele već i njihova građa kao i organizacija molekula. Ovo je moguće zahvaljujući uvećanju koje elektronski mikroskop pruža. Samo radi ilustracije može se navesti sledeći podatak: dijametar vodonikovog atoma je 0,106 nm, a pod najboljim elektronskim mikroskopom vide se molekuli od 1 nm. Neophodno je naglasiti da nije samo elektronski mikroskop doprineo ovim saznanjima već i čitav niz drugih metoda, o čemu najbolje govore reči citologa i embriologa Bračeta (1969) da je znanje o ćelijskim delovima rezultat analitičkog rada. Tako se primenjuju citohemijske (metode bojenja ćelije i njenih struktura), biohemijske (utvrđuju hemijski sastav i funkciju organela), autohistoradiografske (objašnjavaju aktivnost organela ubacivanjem u njih radioaktivnih molekula) i, ne manje važne, metode eksperimenta (određuje se dinamičnost ćelije).

Treća šematska slika o građi ćelije je hipotetički model ćelije citologa Robertsona. Hipoteza govori o tome da sve ćelijske organele međusobno komuniciraju jer su deo istog membranskog sistema koji vodi poreklo od ćelijske membrane. Ćelijska membrana ulazi u unutrašnjost ćelije gde obrazuje membrane ćelijskih organela. Ono što se nalazi izvan membrana endoplazmatičnog retikuluma i oko organela koje imaju membranu ili je nemaju je citoplazma.

Ćelijske organele i strukture

U životu ćelije i njenom svakodnevnom fukncionisanju učestvuje veliki broj organela koje se nalaze u citoplazmi:

U periodu između 1870. i 1890. postavljene su dve teorije o građi citoplazme: retikularna (mrežasta) teorija i fibrilarna (vlaknasta) teorija prema kojima citoplazma izgrađena od vlakana koja grade mrežu ili isprekidanih vlakana koja se preostiru kroz ćeliju.

Nukleus je prvi otkrio Robert Braun 1835. g., a Hertwig 1906. kaže da je veličina jedra u uzajamnom odnosu sa zapreminom citoplazme. Unutrašnju građu jedra u vidu mreže prvi su jasnije opisali Bereznev i Colfey 1977. da bi Lebkowski sa saradnicima 1982. g. utvrdili da su za tu mrežu vezani interfazni hromozomi.

Upotrebljavajući kvantitativne citohemijske metode Caspersson 1957. i autohistoradiografsku Seed 1963. su izračunali trajanje pojedinih faza (S; G1, G2) ćelijskog ciklusa. Hartwell i Weirnet 1989. uvode pojam da ćelijski ciklus može biti zaustavljen u bilo kojoj fazi da bi omogućio ćeliji da ispravi greške na genetičkom materijalu.

Heitz 1931. g. govori o ulozi hromozomskih delova, odnosno sekundarnog suženja, pri obrazovanju nukleolusa. McClintok 1934. taj deo naziva organizator nukleolusa. prisustvo histona u nukleolusu je prvi otkrio Kasperson 1950. g. Isti naučnik je još 1940., na osnovu svojih posmatranja, istakao da je nukleolus od životnog značaja za ćeliju jer je primetio da iz njega kreću materije (RNK) ka citoplazmi gde će se izvršti sinteza proteina.

Barovo telašce (polni hromatin) 1949. g. otkrivaju Bar i Berttram u jedrima nervnih ćelija mačke koje je preisutno samo kod ženskog pola. Ovo telašce je priljubljeno uz nukleolus i predstavlja neaktivni X hromozom.

Endoplazmatični retikulum prvi put je otkriven u elektronskoj mikrografiji ćelija u kulturi tkiva od strane Porter-a, Claud-a, Fullam-a 1945. g.

Istraživanja Goldžijevog regiona, počev od njegovog otkrića (1898), teku sledećim redosledom:

1960. Palade dokazuje da sekretorni proteini prolaze kroz ovu organelu pre nego što se izbace iz ćelije;
1968. Leblond razjašnjava da se u Goldžijevom regionu sekretorni proteini dodatno obrađuju dobijajujći saharide
od 1970-1980 Fleischer, Roseman i Palade otkrivaju da se osim saharida proteinima dodaju i fosfati, sulfati i masne kiseline

Duve i saradnici 1955. g. uvode pojam lizozoma, iako je pojam ćelijskog varenja 1892-1901. g. uveo veliki ruski mikrobiolog Mečnikov. Već te 1955. g bilo je poznato pet fermenata lizozoma, dok se 1969. g. spisak povećava na trideset da bi 1975. g. dostigao cifru od 40. De Duve 1967. objašnjava načine egzocitoze.

Peroksizomi su otkriveni posle mnogobrojnih radova u periodu od 1960-1969 tako da se ta poslednja godina može smatrati godinom njihovog otkrića. Pre toga su te organele svrstavane u naziv mikrotelašca koji je dao Rhodin 1954. g. Enzimi u peroksizomima su oksidaze i otkrili su ih de Duve, Baydhyin 1966. g i Rolan sa sardnicima 1978. g.

Danijel i Davson 1935. g. daju trilaminarni model građe ćelijske membrane, koji govori o tome da je ona troslojna (dva sloja proteina između kojih je dvosloj lipida) što je već 1936. g. potvrdio Šmidt tehnikom polarizacionog mikroskopa. Elektronska mikroskopija potvrđuje da je ćelijska membrana zaista troslojna. Singer-Lenardov model membrane označen kao tečni mozaički model pokušava da objasni građu na hidrofilnih i hidrofobnih interakcija lipida i proteina.

Reference

^ Cell & Molecular Biology by Karp 5th Ed. ISBN 0-471-46580-1.

Literatura

Šerban, M, Nada: Ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001
Grozdanović-Radovanović, Jelena: Citologija, ZUNS, Beograd, 2000
Pantić, R, V: Biologija ćelije, Univerzitet u Beogradu, beograd, 1997
Diklić, Vukosava, Kosanović, Marija, Dukić, Smiljka, Nikoliš, Jovanka: Biologija sa humanom genetikom, Grafopan, Beograd, 2001
Petrović, N, Đorđe: Osnovi enzimologije, ZUNS, Beograd, 1998

Spoljašnje veze

Cytology and Genetics - žurnal „Citologija i Genetika“

[1] Cell & Molecular Biology by Karp 5th Ed. ISBN 0-471-46580-1.

[1]