Биологические системы (живое): свойства и уровни организации.

Цитология.

I. Клетка.

1. Формы жизни:

-неклеточные (вирусы)

-клеточные (прокариоты и эукариоты)

Вирусы относятся к неклеточным формам жизни, т.к. основные свойства живого проявляют только в клетке-хозяине!

2. Клетки:

-прокариотические (бактерии, сине-зеленые водоросли).

Строение:

1) ПАК (поверхностный аппарат клетки), в основе которого - универсальная биологическая мембрана. Кроме того, в надмембранный комплекс входит упрочняющий материал - муреин, у ряда бактерий имеется капсула.

2) Пространство клетки заполнено цитоплазмой, в которой из органоидов - только рибосомы.

3) Наследственный материал расположен непосредственно в цитоплазме и представлен кольцевидной молекулой ДНК в комплексе с негистоновыми белками - нуклеоидом и фрагментами молекулы ДНК - плазмидами.

-эукариотическая (грибы, растения, животные)

Строение:

1) ПАК, в основе которого так же - универсальная биологическая мембрана, надмембранный комплекс у клеток грибов образован хитином, у растительных клеток - целлюлозой, у животных клеток - гликокаликсом.

Биологическая мембрана. Строение и функции.

Модели (исторически возникавшие):

а) сэндвича (бутербродная)

б) ковровая

в) жидкостно-мозаичная (динамическая) - современная:

в основе мембраны - билипидный слой (2 слоя жиров). Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Слои липидов гиброфобными "хвостами" обращены друг к другу, а гидрофильные головки направлены "наружу".

кроме липидов в мембране расположены белки, которые по отношению к билипидному слою разделяются на: поверхностные (прилежат к билипидному слою), полуинтегральные (частично погружены в билипидный слой) и интегральные (полностью пронизывают билипидный слой).

Кроме мембраны в состав ПАК животной клетки входят:

подмембранный (субмембранный) комплекс, представленный микротрубочками и микрофибриллами

надмембранный комплекс (гликокаликс), представленный гликолипидами и гликопротеидами (комплекс углеводов с липидами или белками мембраны), функции которого - сигнальная и рецепторная.

Функции:

• барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.

• Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

• транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза.

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивают в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

• матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие;

• механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных — межклеточное вещество.

• энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;

• рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

• ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

• осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

• маркировка клетки — на мембране есть антигены, действующие как маркеры — «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

(записи Артура Владимировича без редакции)

4 ноя 2011 в 13:52|Это спам|Ответить

2) Пространство клетки - цитоплазма, в которой различают:

а) гиалоплазму

основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. Гиалоплазму можно рассматривать как сложную коллоидную систему, способную существовать в двух состояниях: золеобразном (жидком) и гелеобразном, которые взаимно переходят одно в другое.

Некоторые белки цитоплазмы образуют субъединицы, дающие начало таким органеллам, как центриоли, микрофиламенты.

Функции гиалоплазмы:

1) образование истинной внутренней среды клетки, которая объединяет все органеллы и обеспечивает их взаимодействие;

2) поддержание определенной структуры и формы клетки, создание опоры для внутреннего расположения органелл;

3) обеспечение внутриклеточного перемещения веществ и структур;

4) обеспечение адекватного обмена веществ как внутри самой клетки, так и с внешней средой.

б) органоиды и включения.

включения - относительно непостоянные компоненты цитоплазмы. ( среди них выделяют:

1) запасные питательные вещества, которые используются самой клеткой в периоды недостаточного поступления питательных веществ извне (при клеточном голоде), — капли жира, гранулы крахмала или гликогена;

2) продукты, которые подлежат выделению из клетки, например, гранулы зрелого секрета в секреторных клетках (молоко в лактоцитах молочных желез);

3) балластные вещества некоторых клеток, которые не выполняют какой-либо конкретной функции (некоторые пигменты, например, липофусцин стареющих клеток).

органоиды (органеллы).

классификации:

I. общего назначения (присутствуют в каждой клетке) - ЭПС, аппарат Гольджи и др.

специального назначения - присутствуют только в клетках определенного типа.

II. по наличю мембраны:

немембранные - рибосомы, клеточный центр, микробрубочки.

мембранные:

а) одномембранные - ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы.

б) двумембранные - митохондрии, пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейклоласты).

Строение и функции органоидов:

1.Эндоплазматическая сеть, эндоплазматический ретикулум (ЭПС, ЭПР)

система канальцев и полостей, пронизывающая всю цитоплазму.

различают:

шероховатую (гранулярную), с расположенными на мембранах рибосомами. Функция: биосинтез белка.

гладкую (агранулярную) - лишенную рибосом. Функция: биосинтез углеводов, липидов).

Еще одна функция ЭПС - компартментация цитоплазмы клетки (т.е. разделение цитрплазмы на "отделы", в которых протекают разнонаправленные реакции (не могут осуществляться в "общем объеме" клетки одновременно).

2. Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс)

ограниченные мембранами полости с отходящими от них трубочками и расположенными на их концах пузырьками.

функции:

1) сортировка, накопление и выведение секреторных продуктов;

2) завершение посттрансляционной модификации белков ( гликозилирование , сульфатирование и т.д.);

3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов ;

4) образование лизосом ;

5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений (гемицеллюлоза, пектины) и т.п.

6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;

7) участие в формировании акросомы ;

8) формирование сократимых вакуолей простейших.

(взято из сети Internet)

3. Лизосомы

пузырьки, имеют одномембранную оболочку, которая снаружи иногда бывает покрыта волокнистым белковым слоем. Содержат набор ферментов (кислых гидролаз), которые осуществляют при низких значениях рН гидролитическое (в присутствии воды) расщепление веществ (нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов). Основная функция — внутриклеточное переваривание различных химических соединений и клеточных структур.

Выделяют первичные (неактивные) и вторичные лизосомы (в них протекает процесс переваривания). Вторичные лизосомы образуются из первичных. Они подразделяются на гетеролизосомы и аутолизосомы.

В гетеролизосомах (или фаголизосомах) протекает процесс переваривания материала, который поступает в клетку извне путем активного транспорта (пиноцитоза и фагоцитоза).

В аутолизосомах (или цитолизосомах) подвергаются разрушению собственные клеточные структуры, которые завершили свою жизнь.

Вторичные лизосомы, которые уже перестали переваривать материал, называются остаточными тельцами. В них нет гидролаз, содержится непереваренный материал.

При нарушении целостности мембраны лизосом или при заболевании клетки гидролазы поступают внутрь клетки из лизосом и осуществляют ее самопереваривание (автолиз). Этот же процесс лежит в основе процесса естественной гибели всех клеток (апоптоза).

4. Пероксисомы

обязательная органелла эукариотической клетки, ограниченная мембраной, содержащая большое количество ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции (оксидазы D-аминокислот, уратоксидазы и каталазы).

Набор функций пероксисом различается в клетках разных типов. Среди них:

окисление жирных кислот,

фотодыхание,

разрушение токсичных соединений,

синтез желчных кислот, холестерина, а также эфиросодержащих липидов,

построение миелиновой оболочки нервных волокон,

метаболизме фитановой кислоты и т. д.

Наряду с митохондриями пероксисомы являются главными потребителями O2 в клетке.

В пероксисоме обычно присутствуют ферменты, использующие молекулярный кислород для отщепления атомов водорода от некоторых органических субстратов (R) с образованием перекиси водорода (H2O2). Каталаза использует образующуюся H2O2 для окисления множества субстратов — например, фенолов, муравьиной кислоты, формальдегида и этанола. Этот тип окислительных реакций особенно важен в клетках печени и почек, пероксисомы которых обезвреживают множество ядовитых веществ, попадающих в кровоток. Почти половина поступающего в организм человека этанола окисляется до ацетальдегида этим способом.

5. Митохондрии

Митохондрия имеет две мембраны: наружную (гладкую) и внутреннюю (образующую выросты — кристы.

У митохондрий внутренним содержимым является матрике — коллоидное вещество, в котором кроме ферментов содержатся: митохондриальная ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы.

Функция: синтез молекул АТФ ("Запас энергии")

6. Рибосомы

плотные тельца, содержащие белок и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Они являются местом синтеза белка.

7. Клеточный центр (центросома)

обычно состоит из 2-ух центриолей. При делении клетки центриоли расходятся к полюсам клетки, образуя нити веретена деления.

3) Ядро

- кариолемма (ядерная оболочка) двумембранная и позволяет веществам проходить между ядром и цитоплазмой благодаря своей пористой структуре (ядерные поры).

-кариоплазма (ядерный сок). Светлая, вязкая жидкость, которая находится под ядерной оболочкой и в которую погружены остальные ядерные структуры. Представляет собой внутреннюю среду ядра.

-ядрышко - сферическое тельце, изолированное или в группах, участвующее в образовании рибосом.

-хроматин (раскрученные хромосомы). состоит из длинных нитей ДНК, связанной с гистоновыми белками (H 1, 2A, 2B, 3, 4).

(взято из сети Internet)

Организация наследственного материала в прокариотической и эукариотической клетках:

а) локализация (в прокариотической клетке – в цитоплазме, в эукариотической клетке – ядро и полуавтономные органоиды: митохондрии и пластиды),

б) характеристика

 Геном в прокариотической клетке: 1 кольцевидная хромосома – нуклеоид, состоящая из молекулы ДНК (укладка в виде петель) и негистоновых белков, и фрагменты – плазмиды – внехромосомные генетические элементы(3.5.2.4, стр 129, 3.6.3, стр 155, В.Н. Ярыгин, 1 часть)

 Геном в эукариотической клетке – хромосомы, состоящие из молекулы ДНК и гистоновых белков.

 Хромосомы неодинаковы по строению на разных стадиях митотического цикла: интерфазные (представлены глыбками хроматина) и метафазные. Строение хромосом (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические).

 Уровни компактизации хроматина (нуклеосомная нить, микрофибрилла, интерфазная хромонема, метафазная хроматида).

Нуклеосомная нить: Образуется комплекс из "двойного набора" белков H 2A, 2B, 3, 4 (всего 8 молекул), на который "накручивается" молекула ДНК - кор (нуклеосома). Участок между нуклеосомами - линкерный, образован белками H1.

Микрофибрилла, хромонема, хроматида - дальнейшая спирализация нуклеосомной нити.

 Степень компактизации участков хромосом: эухроматин (менее спирализован, генетически активен), гетерохроматин (более спирализован, генетически инертен): конститутивный (структурный) и факультативный.

(«Структурная организация хроматина» п. 3.5.2.2, стр. 120 В.Н. Ярыгин, 1 часть).

 Избыточность генома:

• Молчащая ДНК. Уникальные, умеренно и высоко повторяющиеся последовательности.

• Экзон-интронная организация большинства эукариотических генов.

(3.6.3, стр 154, Ярыгин, 1 часть).

PS здесь и далее номера страниц учебника указаны по старому изданию. В новых изданиях страницы не совпадают, номера глав сохраняются (МЕ)

Нуклеиновые кислоты.

К ним относятся ДНК и РНК.

Обе НК - полимеры, мономером является нуклеотид, состоящий из 3-ех компонентов:

1) 5-тиуглеродного сазара (пентозы)

2) остатка фосфорной кислоты

3) одного из четырех азотистых оснований

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

Модель ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953

Нуклеотид состоит из:

1)5 углеродного сазара (пентозы) - Дезоксирибозы (D)

2)Остатка фосфорной кислоты(Ф)

3)1 из 4 азотистых оснований

Аденин 2 связь Тимин

Гуанин 3 связь Цитозин

(А, Г - пуриновые азотистые основания, Т, Ц - пиримидиновые)

(Остаток фосфорной кислоты присоединяется к 5-ому атому углерода в дезоксирибозе. Тот конец молекулы, к которому "ближе" фосфат, обозначается 5'. Конец цепочки нуклеотидов, к которому обращен 3-ий атом дезоксирибозы - 3')

Структуры молекулы ДНК

выделяют 3 структуры

Первичная структура представляет собой одну цепочку полинуклеотидную. (то есть соединяем их в одну цепь через остаток фосфорной кислоты.) Связь, поддерживающая первичную структуру, - фосфодиэфирная.

Вторичная структура 2 полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом, по принципу комплементарности(Это 2 цепи соединенные через азотистые основания, между которыми возникают водородные связи: Аденин- двойная связь- Тимин, Гуанин- тройная связь- Цитозин. Иными словами, правило комплементарности заключается в том, что напротив Аденина всегда расположен Тимин, а напротив Гуанина - Цитозин), антипараллельности (напротив 3'-конца одной цепи всегда расположен 5'-конец другой цепи).

Третичная структура белка это 2 полинуклеотидные цепи, закрученные по спирали, трехмерная структура (трехмерной спирали).

Свойства и функции ДНК

Свойства: репликация (разрыв и образование двух дочерних МОЛЕКУЛ ДНК), репарация ( устранение ошибок),Считывается информация – способность к транскрипции, способность к изменению (мутации).

Функция: хранение и передача наследственной информации.

В виде чего хранится информация в молекуле ДНК? – в виде генетического кода.

Свойства генетического кода:

1. универсальность (принцип записи един для всех живых организмов)

2. триплетность (считываются три, рядом расположенные нуклеотида)

3. специфичность (1 триплет соответствует ТОЛЬКО ОДНОЙ аминокислоте)

4. вырожденность (избыточность) (1 аминокислота может кодироваться несколькими триплетами)

5. неперекрываемость (считывание происходит триплет за триплетом без "пробелов" и областей перекрывания, т.е. 1 нуклеотид НЕ может входить в состав двух триплетов).Рибонуклеиновая кислота (РНК).

Все РНК, в отличие от ДНК, одноцепочечные.

Мономер - нуклеотид, состоящий из:

1) 5-тиуглеродного сахара (пентозы) - рибозы

2) остатка фосфорной кислоты

3) одного из 4-ех азотистых оснований:

Аденин Урацил

Гуанин Цитозин

Виды РНК:

1. Информационная, или матричная РНК (иРНК, или мРНК). Составляет 5% клеточной РНК. Служит для передачи генетической информации от ДНК на рибосомы при биосинтезе белка. В эукариотических клетках иРНК (мРНК) стабилизирована с помощью специфических белков. Это делает возможным продолжение биосинтеза белка даже в том случае, если ядро неактивно.

2. Рибосомная, или рибосомальная РНК (рРНК). Составляет 85% клеточной РНК. Входит в состав рибосом, определяет форму большой и малой рибосомных субъединиц, обеспечивает контакт рибосомы с другими типами РНК.

3. Транспортная РНК (тРНК). Составляет 10% клеточной РНК. Транспортирует аминокислоты к соответствующему участку иРНК в рибосомах. Каждый тип тРНК транспортирует определенную аминокислоту.

Кроме того, в клетках имеются и другие типы РНК, выполняющие вспомогательные функции.

Все типы РНК образуется в результате реакций матричного синтеза. В большинстве случаев матрицей служит одна из цепей ДНК. Этот процесс называется транскрипцией и контролируется определенными ферментами – РНК–полимеразами (транскриптазами).

Биосинтез белка у эукариот

Транскрипция ,постранскрипция, трансляция и посттрансляция.

Транскрипция заключается в создании "копии одного гена" - молекулы пре-и-РНК (пре-м-РНК).

происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями, присоединения к гену-промотору РНК полимеразы, которая "подбирает" нуклеотиды по принципу комплементарности, и антипараллельности. Какая цепь ДНК (из 2-ух) используется? … только в направлении 3' 5' – кодогенная.

Гены у эукариот содержат участки, содержащие информацию, - экзоны и неинформативные участки - экзоны. В результате транскрипции создается "копия" гена, которая содержит как экзоны, так и интроны. Поэтому молекула, синтезирующаяся в результате транскрипции у эукариот - незрелая и-РНК (пре-и-РНК).

Потом наступает период посттранскрипции он называется процессинг, который заключается в созревании и-РНК.

Происходит:

Вырезание интронов и сшивание (сплайсинг) экзонов

( сплайсинг называется альтернативным, если экзоны соединяются в другой последовательности. чем были изначально в молекуле ДНК)

происходит "модификация концов" пре-и-РНК: на начальном участке - лидере (5') образуется колпачок или кэп - для узнавания и связывания с рибосомой, на конце 3' - трейлере образуется polyА (множество адениловых оснований) - для транспорта и-РНК из мембраны ядра в цитоплазму.

Это зрелая м РНК.

Дальше Трансляция сотоит из

Инициация

-связывание и-РНК с малой субъединицей рибосомы

-попадание стартового триплета и-РНК - АУГ в аминоацильный центр рибосомы

-объединение 2-ух субъединиц рибосомы (большой и малой).

Элонгация

АУГ попадает в пептидильный центр , а в аминоацильный центр попадает второй триплет, потом две тРНК с определенными аминокислотами поступают в оба центра рибосомы. В случае комплементарности триплетов на и-РНК (кодона) и т-РНК (антикодон, на центральной петле молекулы т-РНК) между ними образуются водородные связи и данные т-РНК с соответствующими АМК "фиксируются" в рибосоме. Между АМК, прикрепленными к двум т-РНК, возникает пептидная связь, а связь между первой АМК и первой т-РНК разрушается.

Рибосмома делает "шаг" по и-РНК ("передвигается на один триплет).

Таким образом, вторая т-РНК, к которой прикреплены уже две АМК, перемещается в пептидильный центр, а в аминоацильном центре оказывается третий триплет и-РНК, куда из цитоплазмы поступает следующая т-РНК с соответствующей АМК. Процесс повторяется...

до тех пор, пока в аминоацильный центр не попадет один из трех стоп-кодонов (УАА, УАГ, УГА), которые не соответствуют ни одной аминокислоте - Терминация - окончание сборки полипептидной цепи.

Результат трансляции - образование полипептидной цепи, т.е. первичной структуры белка.

Посттрансляция приобретение молекулой белка соответствующей конформации - вторичной, третичной, четвертичной структур.