4. Современные представления об организации эукариотической клетки. Сравнительный анализ клеточной организации животных и растений.

Современные представления об организации эукариотической клетки:

• Клетки, образующие ткани животных и растений, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению.

• Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко. Полужидкая цитоплазма заполняет всю клетку и пронизана многочисленными канальцами. Снаружи она покрыта цитоплазматической мембраной. В ней имеются специализированные структуры-органоиды, присутствующие в клетке постоянно, и временные образования — включения. 

• Мембранные органоиды : наружная цитоплазматическая мембрана (HЦM), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии и пластиды. В основе строения всех мембранных органоидов лежит биологическая мембрана. Все мембраны имеют принципиально единый план строения и состоят из двойного слоя фосфолипидов, в который с различных сторон ива разную глубину погружены белковые молекулы. Мембраны органоидов отличаются друг от друга лишь наборами входящих в них белков.

Клеточная оболочка, или плазмалемма, животных клеток образована мембраной, покрытой снаружи слоем гликокаликса толщиной. Основными составляющими гликокаликса служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды). Изнутри к мембране примыкает кортикальный (корковый) слой цитоплазмы толщиной, в котором не встречаются рибосомы и пузырьки, но в значительном количестве находятся микротрубочки и микрофиламенты, имеющие в своем составе сократимые белки.

Плазмалемма выполняет отграничивающую, барьерную, транспортную и рецепторную функции. Благодаря свойству избирательной проницаемости она регулирует химический состав внутренней среды клетки. В плазмалемме размещены молекулы рецепторов, которые избирательно распознают определенные биологически активные вещества (гормоны. Наличие в оболочке рецепторов дает клеткам возможность воспринимать сигналы извне, чтобы целесообразно реагировать на изменения в окружающей их среде или состоянии организма.

Цитоплазма на 85 % состоит из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. В цитоплазме различают основное вещество (матрикс, гиалоплазма), включения и органеллы. Основное вещество цитоплазмы заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Основное вещество цитоплазмы образует истинную внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает взаимодействие их друг с другом. Через гиалоплазму осуществляется значительный объем внутриклеточных перемещений веществ и структур. Основное вещество цитоплазмы следует рассматривать так же, как сложную коллоидную систему, способную переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное. В процессе таких переходов совершается работа.

Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи) — мембранная структура, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. Функции:

• сортировку, накопление и выведение секреторных продуктов;

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

• накопление молекул липидов и образование липопротеидов ;

• образование лизосом ;

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

ЭПС Эндоплазматическая сеть. Различают 2 вида: гранулярную (ГрЭПС) и агранулярную (аЭПС).

• ГрЭПС имеет на поверхности мембран рибосомы и полисомы. Функции: синтез белков на экспорт из клетки, а также синтез мембранных белков.

• аЭПС не имеет рибосом. Функции: синтез полисахаридов, липидов, стероидных гормонов и накопление ионов кальция в саркоплазматической сети мышечных клеток.

По канальцам и цистернам происходит перемещение веществ, в частности секретируемого железистой клеткой материала, от места синтеза в зону упаковки в гранулы.

Лизосомы - мелкие овальные образования, ограниченные мембраной и рассеянные по всей цитоплазме. Встречаются во всех клетках животных и растений. Они возникают в расширениях эндоплазматической сети и в комплексе Гольджи, здесь заполняются гидролитическими ферментами, а затем обособляются и поступают в цитоплазму. В обычных" условиях лизосомы переваривают частицы, попадающие в клетку путем фагоцитоза, и органоиды отмирающих клеток. Продукты лизиса выводятся через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они включаются в состав новых молекул. При разрыве лизосомной мембраны ферменты поступают в цитоплазму и переваривают ее содержимое, вызывая гибель клетки.

Вакуоли — это полости, ограниченные мембраной; хорошо выражены в клетках растений и имеются у простейших. Возникают в разных участках расширений эндоплазматической сети. И постепенно отделяются от нее. Вакуоли поддерживают тургорное давление, в них сосредоточен клеточный или вакуолярный сок, молекулы которого определяют его осмотическую концентрацию.

Митохондрия - гранулярная или нитевидная органелла. Характерна для большинства эукариотических клеток как аутотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные). Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ, который происходит за счёт движения электрона по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны. Внутреннее строение М. единообразно. Основное вещество, или матрикс, М. окружено двойной мембраной: наружной — гладкой, и внутренней, — образующей впячивания - кристы. Имеет свои рибосомы и кольцевую молекулу ДНК, то есть полуавтономны. В мембранах М., состоящих из сложных комплексов белков и липидов и организованных в виде дискретных субъединиц, сконцентрировано большинство ферментов, катализирующих процессы окисления и фосфорилирования.

Пластиды — органоиды эукариотических растений и некоторых фотосинтезирующих простейших( например у эвглены зеленой). Покрыты двойной мембраной и имеют в своём составе множество копий кольцевой ДНК - полуавтономны Совокупность пластид клетки образует пластидом. По окраске и выполняемой функции выделяют три основных типа пластид:

ХЛОРОПЛАСТЫ - зеленые пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл. Они находятся в листьях, молодых стеблях, незрелых плодах. Хлоропласты окружены двойной мембраной. У высших растений внутренняя часть хлоропластов заполнена полужидким веществом - стромой, в котором параллельно друг другу уложены пластинки - тилакоиды. Парные мембраны пластинок, сливаясь, образуют стопки - граны, содержащие хлорофилл. Между гранами ламела В каждой стопке хлоропластов высших растений чередуются слои молекул белка и молекул липидов, а между ними располагаются молекулы хлорофилла. Такая слоистая структура обеспечивает максимум свободных поверхностей и облегчает захват и перенос энергии в процессе фотосинтеза. ХРОМОПЛАСТЫ — пластиды, в которых содержатся растительные пигменты (красный или бурый, желтый, оранжевый). Они сосредоточены в цитоплазме клеток цветков, стеблей, плодов, листьев растений и придают им соответствующую окраску. Хромопласты образуются из лейкопластов или хлоропластов в результате накопления пигментов каротиноидов .

ЛЕЙКОПЛАСТЫ - бесцветные пластиды, располагающиеся в неокрашенных частях растений: в стеблях, корнях, луковицах и др.Выполняют в основном запасающую функцию. В лейкопластах одних клеток накапливаются зерна крахмала, в лейкопластах других клеток — масла, белки. Лейкопласты высших растений могут превращаться в хлоропласты или хромопласты.

Ядро клетки играет основную роль в ее жизнедеятельности, с его удалением клетка прекращает свои функции и гибнет. В большинстве животных клеток одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. ФУНКЦИИ: 1. хранение и передача генетической информации. 2. обеспечение синтеза белка.

Кариоплазма — жидкая фаза ядра, в которой в растворенном виде находятся продукты жизнедеятельности ядерных структур.

Ядрышко — обособленная, наиболее плотная часть ядра.

Ядрышко исчезает перед началом деления клетки и вновь формируется в последней фазе деления.

Хроматин – спирализованные участки хромосом. В период деления клетки они превращаются в палочковидные структуры, хорошо различимые в световой микроскоп. Хромосомы — это сложный комплекс белков с ДНК, называемый нуклеопротеидом

Кариолемма - оболочка, отграничивающая содержимое клеточного ядра от окружающей его цитоплазмы; состоит из наружного и внутреннего листков. Пронизана порами.

Рибосома —состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом - полисома. Функция синтез белка: если рибосома свободно плавает в цитоплазме, то синтезируется белок на нужды клеток, если рибосомы прикреплена к ЭПС, то синтезируется белок на экспорт.

Микротрубочки и микрофиламенты - микрофиламенты состоят из актина микротрубочки из тубулина. образует цитоскелет клетки, придает ей форму функции опоры являются элементами клеточного центра и органоидов движения. Встречаются в свободном состоянии в цитоплазме клеток или как структурные элементы жгутиков, ресничек, митотического веретена, центриолей.

Центросома или клеточный центр — немембранный органоид, главный центр организации микротрубочек (ЦОМТ) и регулятор хода клеточного цикла в клетках эукариот. Каждая центриоль образована девятью триплетами микротрубочек, расположенными по кругу, а также ряда структур, образованных центрином, ценексином и тектином. Помимо участия в делении ядра, центросома играет важную роль в формировании жгутиков и ресничек.

Цитоскелет. Одной из отличительных особенностей эукариотической клетки является развитие в ее цитоплазме скелетных образований в виде микротрубочек и пучков белковых волокон. Элементы цитоскелета тесно связаны с наружной цитоплазматической мембраной и ядерной оболочкой, образуют сложные переплетения в цитоплазме. Опорные элемеиты цитоплазмы определяют форму клетки, обеспечивают движение внутриклеточных структур и перемещение всей клетки.

Включения цитоплазмы — это необязательные компоненты клетки, появляющиеся и исчезающие в зависимости от интенсивности и характера обмена веществ в клетке и от условий существования организма. Включениями являются также запасные питательные вещества: в растительных клетках—крахмал, капельки жира, белки, эфирные масла, многие органические кислоты, соли органических и неорганических кислот; в животных клетках - гликоген (в клетках печени и мышцах), капли жира (в подкожной клетчатке); Некоторые включения накапливаются в клетках как отбросы — в виде кристаллов, пигментов и др

Сравнительный анализ клеточной организации животных и растений:

5. Особенности развития генетики в России. Современные направления и тенденции в генетике. Генотип, геном, фенотип. Генотип как результат реализации наследственной информации в определенных условиях среды.

Особенности развития генетики в России:

Начало развития генетики в нашей стране приходится на первые годы Советской власти. В 1919 г. в Петроградском университете была создана кафедра генетики, которую возглавил Юрий Александрович Филипченко (1882–1930). В 1930 г. открылась Лаборатория генетики Академии наук СССР под руководством Николая Ивановича Вавилова (с 1933 г. – Институт генетики).

• В 1920–1930-е гг. наша страна лидировала по всем разделам генетики

• Кольцов Николай Константинович (1872–1940) – предсказал свойства носителей генетической информации; разрабатывал теорию гена; разрабатывал учение о социальной генетике (евгенике).

• Вавилов Николай Иванович (1887–1943) – сформулировал закон гомологических рядов, разработал учение о виде как системе.

• Мичурин Иван Владимирович (1855–1935) – открыл возможность управления доминированием.

• Серебровский Александр Сергеевич (1892–1948) – создал учение о генофонде и геногеографии: «Совокупность всех генов данного вида я назвал генофондом, чтобы подчеркнуть мысль о том, что в лице генофонда мы имеем такие же национальные богатства, как и в лице наших запасов угля, скрытых в наших недрах».

• Четвериков Сергей Сергеевич (1880–1959) – в работе «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» доказал генетическую неоднородность природных популяций.

• Дубинин Николай Петрович (1907–1998) – доказал делимость гена; независимо от западных исследователей установил, что важную роль в эволюции играют вероятностные, генетико-автоматические процессы.

• Шмальгаузен Иван Иванович (1884–1963) – разработал теорию стабилизирующего отбора; открыл принцип интеграции биологических систем.

• Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900–1981) – заложил основы современной генетики популяций.

• На августовской (1948 г.) сессии ВАСХНИЛ власть в науке захватил президент ВАСХНИЛ академик Т.Д. Лысенко. Научной генетике он противопоставил лжеучение под названием «мичуринская биология». Многие ученые-генетики (Н. П. Дубинин, И. А. Рапопорт) были лишены возможности заниматься наукой. Только в 1957 г. М.Е. Лобашев возобновил преподавание генетики. В 1965 г. Т.Д. Лысенко под давлением прогрессивной общественности (ученых-математиков, химиков, физиков) утратил монополию на научную истину. Был создан Институт общей генетики АН СССР, создано Общество генетиков и селекционеров им. Н. И. Вавилова. В конце 1960-х гг. наша страна вновь обрела утраченные позиции в мировой науке.

Современные направления и тенденции в генетике:

• Классическая генетика

• Популяционная генетика - раздел генетики, изучающий распределение частот аллелей и их изменение под влиянием движущих сил эволюции: мутагенеза, естественного отбора, дрейфа генов и миграционного процесса. Популяционная генетика пытается объяснить адаптацию и специализацию и является одной из основных составляющих синтетической теории эволюции.

• Археогенетика - термин касается применения методов молекулярной популяционной генетики к изучению прошлого человечества

• Молекулярная генетика - область биологии на стыке молекулярной биологии и генетики. По сути является одним из разделов молекулярной биологии. В области генетики молекулярная биология вскрыла химическую природу вещества наследственности, показала физико-химические предпосылки хранения в клетке информации и точного копирования её для передачи в ряде поколений.

• Геномика - раздел молекулярной генетики, посвященный изучению генома и генов живых организмов

• Медицинская генетика - область медицины, наука, которая изучает явления наследственности и изменчивости в различных популяциях людей, особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды. Задачей мед. генетики является выявление, изучение, профилактика и лечение наследственных болезней, разработка путей предотвращения воздействия негативных факторов среды на наследственность человека.

• Генная инженерия - совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

• Спортивная генетика

• Судебно-медицинская генетика

• Криминалистическая генетика

• Биохимическая генетика - изучает биохимическими методами пути реализации генетической информации от гена к признаку. С помощью биохимических методов разработаны экспресс-методы диагностики ряда наследственных болезней, в том числе методы пренатальной (дородовой) диагностики. Разработка системы защиты генофонда людей от ионизирующей радиации - одна из основных задач радиационной генетики.

• Генетика человека - раздел генетики, изучающий закономерности наследования и изменчивости признаков у человека.

• Генетика микроорганизмов

• Генетика растений

• Эволюционная генетика

• Биометрическая генетика

• Экологическая генетика

• Генетика количественных признаков

• Физиологическая генетика

• Психиатрическая генетика

• Генетика соматических клеток

• Генетика вирусов

• Генетика пола

• Радиационная генетика

• Генетика развития

• Функциональная генетика

• Иммунологическая генетика (иммуногенетика) изучает генетическую обусловленность иммунологических признаков организма, иммунных реакций.

Генотип, геном, фенотип:

ГЕНОМ — вся совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Он обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их онтогенеза.

ГЕНОТИП — совокупность генов, образованная при половом размножении в процессе оплодотворения при объединении геномов двух родительских клеток, генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в их хромосомном наборе — кариотипе.

ФЕНОТИП — видовые и индивидуальные морфологические, физиологические и биохимические свойства на всем протяжении индивидуального развития. Ведущая роль в формировании фенотипа — наследственная информация, заключенная в генотипе. Наряду с этим результат наследственной программы (в генотипе) зависит от условий, в которых осуществляется этот процесс. В случае гетерозиготности развитие данного признака будет зависеть от взаимодействия аллельных генов.

Фенотип как результат реализации наследственной информации в определенных условиях среды:

Ведущая роль в формировании фенотипа принадлежит наследственной информации, заключенной в генотипе организма. Простые признаки развиваются в результате определенного типа взаимодействия соответствующих аллельных генов. Формирование сложных признаков осуществляется в результате разнообразных взаимодействий неаллельных генов непосредственно в генотипе. Стартовая программа индивидуального развития зиготы содержит пространственную информацию, определяющую передне-задние и спинно-брюшные координаты для развития структур. Факторы внешней среды могут способствовать или препятствовать проявлению признака, усиливать или ослаблять его выраженность. Внешняя среда — понятие сложное и делится на два порядка. Среда 1-го порядка — совокупность факторов внутренней среды организма — клеточное содержимое, характер прямых межклеточных взаимодействий, гормоны. Среда 2-го порядка — окружающая среды — совокупность внешних по отношению к организму факторов.

Формирование фенотипа — модификация. Модификация характеризуется нормой реакции, т. е. Пределами модификационной изменчивости признака, допустимом при данном генотипе.

Пенетрантность фенотипа отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации. Она соответствует проценту особей, у которых доминантный аллель гена проявился в признак, по отношению ко всем носителям этого аллеля.

Экспрессивность — показатель, характеризующий фенотипическое проявление признака. Она характеризует степень выраженности признака и зависит от дозы соответствующего аллеля гена при моногенном наследовании или от суммарной дозы доминантных аллелей генов при полигенном наследовании.