2 Клетки эукариот, их основные органоиды

Органоиды — постоянные, обязательно присутствующие, компоненты клетки, выполняющие специфические функции.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), — одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС. Мембраны с одной стороны связаны с цитоплазматической мембраной, с другой — с наружной ядерной мембраной. Различают два вида ЭПС: 1) шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы, и 2) гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут.

Функции: 1) транспорт веществ из одной части клетки в другую, 2) разделение цитоплазмы клетки на компартменты ( «отсеки»), 3) синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС), 4) синтез белка (шероховатая ЭПС), 5) место образования аппарата Гольджи.

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид. Представляет собой стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями. С ними связана система мелких одномембранных пузырьков (пузырьки Гольджи). Каждая стопка обычно состоит из 4-х–6-ти «цистерн», является структурно-функциональной единицей аппарата Гольджи и называется диктиосомой. Число диктиосом в клетке колеблется от одной до нескольких сотен. В растительных клетках диктиосомы обособлены.

Аппарат Гольджи обычно расположен около клеточного ядра (в животных клетках часто вблизи клеточного центра).

Функции аппарата Гольджи: 1) накопление белков, липидов, углеводов, 2) модификация поступивших органических веществ, 3) «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов, 4) секреция белков, липидов, углеводов, 5) синтез углеводов и липидов, 6) место образования лизосом. Секреторная функция является важнейшей, поэтому аппарат Гольджи хорошо развит в секреторных клетках.

Лизосомы — одномембранные органоиды. Представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор гидролитических ферментов. Ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС, перемещаются в аппарат Гольджи, где происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи становятся собственно лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов гидролитических ферментов. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом.

Различают: 1) первичные лизосомы, 2) вторичные лизосомы. Первичными называются лизосомы, отшнуровавшиеся от аппарата Гольджи. Первичные лизосомы являются фактором, обеспечивающим экзоцитоз ферментов из клетки.

Вторичными называются лизосомы, образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями. В этом случае в них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, поэтому их можно назвать пищеварительными вакуолями.

3.Основы клеточной биотехнологии: геномика

Клеточная биотехнология базируется на использовании культуры клеток, тканей и протопластов. Для того чтобы манипулировать клетками, нужно выделить их из растения и создать такие условия, при которых они могли бы жить и размножаться вне растительного организма. Метод культивирования изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах в стерильных условиях (in vitro) получил название культуры изолированных тканей и приобрёл особое значение в связи с возможностью его использования в биотехнологии. Следовательно, успешное изучение клеточной биотехнологии требует знания основных достижений в области физико-химической биологии. Наиболее перспективные направления современной биотехнологии включают разработки в области генной инженерии, клеточной инженерии, технологической биоэнергетики, белковой инженерии. Важным аспектом дисциплины является одновременное усвоение студентами теоретических и практических основ клеточной биотехнологии. Геномика, протеомика и биоинформатика. Структурная, функциональная и сравнительная геномика как основа создания генноинженерных конструкций на клеточном уровне. Протеом различных видов организмов, его функциональная организация и регуляция. Биоинформатика в планировании, организации и реализации биотехнологических задач. Биоинформатика это генерация новых знаний на основе данных о структуре и функции живых систем, биологически-активных веществ и их молекулярных мишеней. Объекты клеточной биотехнологии. Соматическая гибридизация. Клеточная биотехнология микробиологических систем. Использование рекомбинантных микроорганизмов для получения коммерческих продуктов. Микробиологическое производство лекарственных средств. Биодеградация токсичных соединений и утилизация биомассы. Бактерии, стимулирующие рост растений. Микробные инсектициды. Биотехнология микробно-растительного взаимодействия. Клеточная биотехнология в медицине. Генная инженерия растений. Выведение растений, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам и гербицидам. Геномика – это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Существует две ветви этого направления: структурная геномика и функциональная геномика.

Структурная геномика

занимается созданием и сравнением различных типов геномных карт и крупномасштабным секвенированием ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. Кроме картирования и секвенирования геномов, в задачи структурной геномики входят идентификация, локализация и составление характеристик генов.

В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике были созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. Кроме того, весной 2003 года был завершен Проект по изучению генома человека, черновые варианты которого были готовы уже к 2000 году. Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений.

Знание полной или частичной последовательности нуклеотидов определенных генов служит для исследователей источником очень полезной информации, даже если тонкости функционирования генов остаются неизученными. Например, информация об отдельных генах и кодируемых ими белках может:

– помочь селекционерам не наугад, а целенаправленно изменять свойства растений и убеждаться в наличии желаемых признаков, не дожидаясь появления плодов (последнее особенно важно для селекции деревьев);

– использоваться для выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов, уникальных с биохимической точки зрения;

– применяться для идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;

– применяться для обнаружения микробных заражений клеточных культур.

Функциональная геномика

Секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, несомненно, являются выдающимися достижениями, однако они представляют собой всего лишь первый этап геномной революции. Информация о нуклеотидной последовательности гена и его положении в геноме не имеют практического значения, если мы не знаем, какие функции выполняет ген, как осуществляется его регуляция и как его активность сказывается на других генах. Занимающееся этими вопросами исследовательское направление, известное как функциональная геномика, дает ученым возможность ориентироваться в сложных структурах генома изучаемого организма, постигать его закономерности и содержащуюся в нем информацию.

Исследования показали, что геномы млекопитающих содержат приблизительно одинаковое количество генов, которое в некоторых случаях даже меньше количества генов в геномах менее сложных, чем млекопитающие, организмов. Однако для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов.

Эволюционный анализ постепенно становиться основным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома. Молекулярные эволюционисты пользуются методами сравнительной геномики и биоинформатики для анализа количества мутаций, которые последовательности нуклеотидов в ДНК претерпевают в процессе эволюции. Полученные данные позволяют исследователям идентифицировать функционально важные области генов и создавать молекулярную временнУю шкалу видовой эволюции.

Плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster) давно является признанной моделью для изучения закономерностей наследования генов. К достоинствам дрозофилы относятся ее неприхотливость, доступность и короткий цикл развития. В результате огромного количества исследований, в которых объектом изучения были дрозофилы, получена масса полезной информации, которая в настоящее время доступна научной общественности. Так, например, исследователи Центра эволюционной функциональной геномики (Center for Evolutionary Functional Genomics) Аризонского института биодизайна (Arizona Biodesign Institute) создали информационную базу “FlyExpress”, основанную на интернет-технологиях и использующую современные приемы обработки изображений и информации, которая позволяет ученым быстро анализировать экспрессию генов дрозофилы по изображению эмбрионов.