Биология клетки

3. Клетка - элементарная и генетическая структурно-функциональная единица живого. Прокариотические и эукариотические клетки. Клеточная теория, история и современное состояние. Значение ее для биологии и медицины.

Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов, обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

Прокариоты — организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов). Единственная крупная кольцевая двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами.

Эукариоты — организмы, обладающие оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства комплекс с белками-гистонами. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов.

Клеточная теория — основополагающая для биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Шлейден и Шванн сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её.

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

• Клетка — единица строения, жизнедеятельности, роста и развития живых организмов, вне клетки жизни нет

• Клетка — единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определённое целостное образование

• Ядро − главная составная часть клетки (эукариот)

• Новые клетки образуются только в результате деления исходных клеток

• Клетки многоклеточных организмов образуют ткани, ткани образуют органы. Жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток

4. Клетка как открытая система. Организация потоков веществ, энергии и информации в клетке. Специализация и интеграция клеток многоклеточного организма.

Открытая система обозначает систему, которая обменивается веществом и энергией с внешним по отношению к системе миром, в отличие от закрытой системы, в которую и из которой ни вещество, ни энергия не могут войти или выйти.

Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках. Поступившие в клетки органические вещества расщепляются на строительные блоки - мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул этих веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т.д.).

Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, предназначенная непосредственно для выполнения работы. Энергия необходима для синтеза всех специфических веществ организма, поддержания его высокоупорядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов и для других целей.

В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.

Клетки многоклеточного организма объединены в различные органы и ткани и специализированы на выполнении разных функций. В зависимости от выполняемых функций клетки организованы по-разному. Они могут отличаться размерами и формой, набором и относительным количеством органоидов, наличием специфических гранул и т. п. Так, в секретирующих клетках хорошо представлены эндоплазматическая сеть с рибосомами, аппарат Гольджи и различные гранулы, в мышечных клетках - митохондрии и миофибриллы - специальные белковые волокна, обеспечивающие движение, и т. д. Еще более значительные различия клеток из разных тканей выявляются при анализе внутриклеточных белков и информационных РНК. Хотя ДНК в ядрах всех клеток организма одинакова, однако в каждом конкретном типе клеток и-РНК считывается с различных участков ДНК. Следовательно, и белки, синтезированные на рибосомах с этих РНК, будут разными. Другими словами, в ядерной ДНК имеется информация о работе всех частей организма, но в каждой отдельной клетке используется только часть этой информации, как правило, очень небольшая.

Интеграция клеток - это объединение в одно единое целое разных частей организма.

5. Клеточный цикл, его периодизация. Митотический цикл и его механизмы. Проблемы клеточной пролиферации в медицине

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления.

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

• Период клеточного роста, называемый «интерфаза», во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

• Периода клеточного деления, называемый «фаза М» .

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

• G1-фазы, или фазы начального роста, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов;

• S-фазы, во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра, также происходит удвоение центриолей.

• G2-фазы, во время которой идет подготовка к митозу.

На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на стадии: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.

В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть — прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным.

В метафазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно на экваторе клетки, поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется.

В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на две хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке у каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду.

В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды.

С начала 60-х гг. появились новые взгляды на значение для старения и продолжительности жизни закономерностей клеточной пролиферации. На основании подсчета числа делений фибробластов, высеваемых в культуру ткани от эмбриона человека и от людей в возрасте 20 лет и выше, было сделано заключение о пределе клеточных делений (лимит Хейфлика), которому соответствует видовая длительность жизни. Показано, что фибробласты мыши способны удваивать свою численность 14—28 раз, цыпленка —15—35, человека—40—60, черепахи—72—114 раз. Проверка результатов, о которых идет речь, выявила, что представление об ограниченности числа клеточных делений в индивидуальном развитии является неточным.

6. Особенности морфологического и функционального строения хромосомы. Гетеро- и эухроматин. Кариотип и идиограмма хромосом человека. Характеристика кариотипа человека в норме и патологии.

Хромосомы — нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки. Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре.

Основу хромосомы составляет линейная макромолекула ДНК значительной длины. Помимо неё, в состав хромосомы входят пять специализированных белков — H1, H2A, H2B, H3 и H4 (гистоны) и ряд негистоновых белков.

Хроматин — это вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков.

Если хроматин упакован плотно его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков.

Если хроматин упакован неплотно, его называют эухроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности.

Кариотип — совокупность признаков полного набора хромосом, присущая клеткам данного организма.

У человека нормальный кариотип состоит из 46 хромосом.

Патологические кариотипы:

• Синдром Шерешевского — Тёрнера: моносомия по X хромосоме

• Синдром Дауна: трисомия по 21-й хромосоме

• Синдром Эдвардса: трисомия по 18-й хромосоме

• Синдром Патау: трисомия по 13-й хромосоме

• Синдром кошачьего крика: делеция короткого плеча 5-й хромосомы

7. Кодирование и реализация биологической информации в клетке. Кодовая система ДНК белка.

Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства.

Реализация генетической информации в живых клетках осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность. Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом.