Вопрос 1: Определение биологии как науки. Современные направления фундаментальной биологии (геномика, протеомика, метаболомика) и их значение для медицины на современном этапе. Фундаментальные свойства и уровни организации живого.

Биология – это область естествознания, комплекс научных дисциплин о жизни, различных формах живых организмов, их строении, функциях, эволюции, индивидуальном развитии и взаимоотношениях с окружающей средой.

К биологическим дисциплинам относятся общая и системная биология, зоология, ботаника, микология, протистология, микробиология, вирусология, морфология (анатомия, гистология, цитология – зависит от того, какой уровень организации живого рассматривается), физиология, биохимия, биофизика, этология, биология развития (эмбриология, геронтология), палеонтология, антропология, генетика, эволюция.

Основными методами биологии являются:

1. описательный (наблюдение) — позволяет описать биологические явления;

2. сравнительный — дает возможность найти общие закономерности в строении и жизнедеятельности различных организмов;

3. экспериментальный (или опыт) — помогает исследователю изучить свойства биологических объектов;

4. метод моделирования — имитируются многие процессы, недоступные для непосредственного наблюдения или экспериментального воспроизведения;

5. исторический метод — позволяет на основе данных о современном органическом мире и его прошлом познать процессы развития живой природы.

Объектом исследования биологии являются все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, происхождение, распространение, развитие и их связи друг с другом и с неживой природой.

Основные задачи биологии:

1) раскрытие сущности жизни;

2) познание закономерностей происхождения, размножения, роста, развития, функционирования и особенностей взаимодействия живых организмов;

3) систематизация живых существ и т.п.

Современные направления фундаментальной биологии:

1) Геномика - раздел молекулярной генетики, посвящённый изучению генома и генов живых организмов. Раздел появился в 1990х-2000х вместе с полным секвенированием генома бактериофага, бактерии, а затем и человека (секвенирование – определение последовательности нуклеотидов). Геномика человека имеет важнейшее значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных болезней. Для медицины первостепенное значение также имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов, поскольку они проливают свет на природу инфекционного процесса и создание лекарств, направленных на специфические мишени возбудителей болезней.

2) Протеомика – наука, занимающаяся изучением закономерностей реализации генетической информации на уровне белков, изучением функции белков и их взаимодействие в живых организмах. Основная задача протеомики — количественный анализ экспрессии белков в клетках в зависимости от их типа, состояния или влияния внешних условий. Сравнение протеомов здорового и больного пациентов позволяет выявить конкретные белки, потенциально вовлеченные в развитие болезни, которые в дальнейшем могут стать мишенями для новых лекарственных препаратов. Кроме того, если такие белки уже известны, анализ протеома может использоваться как метод ранней диагностики (протеом – совокупность белков организма, которые производятся клеткой, тканью или организмом в определённый период времени).

+ Можно сказать о транскриптомике - научная область на пересечении протеомики и генетики, которая изучает полный набор транскриптов (РНК-молекул), синтезируемых в клетке или организме при определённых условиях (по сути эта наука – связующее звено между протеомикой и геномикой)

3) Метаболомика – раздел молекулярной биологии, наука, изучающая метаболом – совокупность всех низкомолекулярных метаболитов (промежуточных веществ) клетки, ткани, органа или организма в целом, в данный момент времени принимающих участие в химических реакциях. В медицине благодаря изучению количества метаболитов можно производить диагностику заболеваний, а также осуществлять контроль эффективности лечения.

Фундаментальные свойства живого:

1. Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки благодаря анаболизму (создание новых структурных элементов для замены старых) и катаболизму (разрушение старых элементов и обеспечение энергией для синтеза новых). Самообновление обеспечивают обмен веществ и энергии, реакции матричного синтеза, дискретность.

2. Самовоспроизведение - способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК.

3. Саморегуляция - способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Основана на принципе обратных связей: сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

4. Раздражиимость – связана с передачей информации извне в биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель. Это свойство лежит в основе приспособления организма к условиям среды и его выживания

5. Адаптация – способность живого организма постоянно приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. Основано на раздражимости и адекватных ответных реакциях.

6. Наследственность - заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК.

7. Изменчивость – свойство, противоположное наследственности, способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения молекул ДНК. Приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов

8. Рост и развитие – процессы реализации полученной наследственной информации.

   1. Развитие — необратимые качественные изменения в строении и функциональной активности организма. Различают индивидуальное развитие (онтогенез) — изменения особи с момента зарождения до смерти, и историческое развитие (филогенез) — развитие видов и других систематических групп в течение всего времени существования жизни на Земле.

   2. Рост — количественное увеличение размеров и массы тела за счёт деления клеток и увеличения их размеров.

9. Дискретность и целостность. Дискретность означает, что любая биологическая система состоит из отдельных структур, которые обособлены или отграничены в пространстве, но, тем не менее, находятся в тесной взаимосвязи и постоянном взаимодействии между собой и образуют единую систему (это уже целостность)

Уровни организации живой природы:

1. Молекулярно-генетический

• Биологическая система - молекула

• Компоненты: отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки, углеводы и т. д.)

• Рассматриваются явления, связанные с изменениями (генные мутации) и воспроизведением генетического материала, обмен веществ

2. Клеточный

• Биологическая система – клетка

• Компоненты: Комплексы молекул и органоиды клетки

• Рассматриваются процессы, происходящие в клетке и в органоидах клетки: синтез веществ, регуляция хим. реакций, деление клеток

• Идет деление клеток на про- и эукариот

3. Тканевой

• Биологическая система – ткань (совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общим строением, функциями и происхождением)

• Компоненты: клетки и межклеточное вещество

• Рассматриваются обмен веществ и раздражимость

4. Органный

• Биологическая система – орган (структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей)

• Компоненты: ткани разных типов

• Рассматриваются пищеварение, газообмен, транспорт веществ и движение

5. Организменный

• Биологическая система – организм

• Компоненты: системы органов

• Рассматриваются обмен веществ, раздражимость, размножение, онтогенез, нейро-гуморальная регуляция

• Идет деление живой природы на 4 царства: бактерии, грибы, растения, животные

6. Популяционно-видовой

• Биологическая система – популяция (группа особей одного вида, обитающие длительное время на определенной территории, свободно скрещивающиеся между собой)

• Компоненты: группа родственных особей, объединенных определенным генофондом и специфическим взаимодействием с окружающей средой

• Рассматриваются взаимодействия между особями одного вида, генетическая разнородность, выработка адапаций, накопление элементарных эволюционных преобразований (процессы микроэволюции)

7. Биоценотический (биогеоценотический, экосистемный)

• Биологическая система – биогеоценоз (экосистема)

• Компоненты: популяции разных видов и факторы среды или совокупность биотопа (неживой природы) и биоценоза

• Рассматриваются биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь, подвижное равновесие между живом населением и факторами неживой природы, взаимодействие между особями разных видов (хищничество, паразитизм, симбиоз, конкуренция)

8. Биосферный

• Биологическая система - биосфера

• Компоненты: биогеоценозы и антропогенное действие

• Рассматриваются активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты, биологический глобальный круговорот, активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы (антропогенные факторы)

Вопрос 2. Клетка как открытая система. Роль мембран в компартментации клетки и её жизнедеятельности. Клеточный цикл, его регуляция. Апоптоз и некроз, их значение в медицине.

Клетка – это возникшая в результате эволюции открытая биологическая система, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящая из ядра и цитоплазмы, способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

Открытая система – система, постоянно обменивающаяся энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Поток информации: благодаря наличию потока информации клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, а также передает в ряду поколений. В потоке информации участвуют ядро (конкретно ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот).

Поток энергии: обеспечивается механизмами энергоснабжения – брожением, фотосинтезом, хемосинтезом, дыханием. Центральная роль у дыхательного обмена, включающего реакции расщепления мономеров (глюкозы, ВЖК, аминокислот), а также использования выделяемой при их расщеплении энергии для образования АТФ – универсального и основного источника энергии для осуществления всех жизненных процессов клетки. Энергия АТФ может быть преобразована в различные виды работы: химическую (синтез), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную. В дыхательном обмене важное место занимают митохондрии (окислительное фосфорилирование) и матриксу цитоплазмы (анаэробный гликолиз). Также клетка постоянно обменивается тепловой энергией с окружающей средой.

Поток веществ: клетка постоянно поглощает питательные вещества и кислород из окружающей среды и выделяет в неё углекислый газ и продукты метаболизма. Реакции дыхательного обмена не только поставляют энергию, но и снабжают клетку мономерами для синтеза разнообразных молекул. Особая роль в этом принадлежит циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов (углеродных скелетов) большинства соединений, служащих промежуточными продуктами синтеза химических компонентов клетки. В цикле Кребса происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот

Компартментация – разделение объема эукариотической клетки на ячейки, различающиеся по химическому (ферментному) составу. Понятие компартментации распространяется на целую органеллу (митохондрия), или её часть (внутренняя мембрана митохондрии и ограничиваемое ею пространство).

Биологические мембраны играют главную роль в компартментации клетки. Мембраны разных компартментов имеют функциональную специализацию за счёт различного состава (липидного, белкового, различного набора ассоциированных молекул).

Мембраны выполняют функции: барьерную, поддержания формы и сохранения содержимого структуры (клетки или органеллы), организации поверхностей раздела между гидрофильной и гидрофобной фазами и, благодаря этому, избирательного размещения в объеме клетки соответствующих ферментных систем (т. к. обеспечивает оптимальную кислотность). Сами мембраны благодаря липидам в составе образуют гидрофобную фазу для химических реакций в неводной среде.

Роль мембран в жизнедеятельности клетки:

1. Барьерная (изоляция содержимого)

2. Транспортная (фаго- и пиноцитоз)

3. Избирательная проницаемость

4. Рецепторная (регуляция поступления веществ)

5. Каталитическая

6. Электрогенная (генерация разности потенциалов на внешней и внутренней сторонах мембраны)

7. Защитная

Клеточный цикл – время существования клетки от деления до следующего деления или смерти

(Для напоминания клеточные популяции: стабильная – не делятся, растущая – делятся только в определенных условиях, обновляющаяся – делятся постоянно)

Клеточный цикл делится на 2 этапа: интерфаза и собственно митоз

Особое состояние – G0-период

• Фаза покоя в жизненном цикле клетки, в которой она не делится и дифференцируется

• В особых условиях могут снова входить в цикл (например, гепатоциты при удалении части печени)

• Но большинство клеток в G0 уже не вернутся к митотическому циклу

1. Интерфаза

1. Пресинтетический период G1, 2n2c

   • Рост клеток за счет накопления клеточных белков, увеличение количества РНК

   • При подавлении синтеза белка или иРНК S-период не наступает

   • В конце этого периода есть точка рестрикции, которую клетка должна пройти, чтобы вступить в синтетический период. В зависимости от того, какие гены активируются в процессе сигнальной трансдукции, клетка либо вступает в синтетический период (выбор направления «пролиферация»), либо в дифференцировку

2. Синтетический период S, 2n4c

   • Удвоение числа хромосом (репликация ДНК)

   • Без синтеза ДНК клетка не войдет в митоз

   • Возрастание синтеза РНК

   • Удвоение центриолей

3. Постсинтетический период G2, 2n4c

   • Синтез иРНК, необходимых для митоза

   • Синтез белков, особенно тубулина (для веретена деления)

   • При конденсации хромосом синтез иРНК резко снижается

2. Митоз – универсальный способ деления любой эукариотической клетки, в результате которого образуются две дочерние клетки с идентичным генетическим материалом

1. Профаза 2n4c

   • Каждая из хромосом дойная (результат редупликации)

   • Идёт конденсация хромосом

   • Ядрышки разрушаются и исчезают из-за инактивации рибосомальных генов

   • Разрушение ядерной оболочки (исчезновение ядерных пор, распад оболочки на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки)

   • Уменьшение количества грануярной ЭПС

   • Образование веретена деления

   • Центриоли расходятся к полюсам клетки (по 2 центриоли (диплосома) на полюс)

   • Присоединение трубочек к кинетохорам

2. Метафаза 2n4c

   • Занимает треть времени митоза

   • Заканчивается образование веретена деления

   • Хромосомы выстраиваются на экваторе, образуя метафазную пластинку

3. Анафаза 2n2c (у каждого полюса) 4n4c (в клетке)

   • Хроматиды теряют связь друг с другом в области центромеры и удаляются к противоположным полюсам

   • Расхождение происходит благодаря деполимеризации тубулина и белкам-транслокаторам

4. Телофаза 2n2c (в каждой клетке)

   • 2 части:

1. Ранняя телофаза

   • Деконденсация хромосом

   • Сборка органелл

2. Поздняя телофаза

   • Кариокинез (деление материнского ядра)

   • Реконструкция новых интерфазных ядер

   • Деление клетки на 2 дочерние (цитокинез, цитотомия) путём перетяжки

Регуляция клеточного цикла

Что может регулироваться:

1. Выбор пути (клетка может пойти по пути митотического цикла, либо по пути G0, либо по пути терминальной дифференцировки)

2. Регуляции подвергается каждый период клеточного цикла

3. Регуляции подвергается количество и соотношение клеток, вступающих в каждый из путей.

Чем может регулироваться:

1. Гормоны (эритропоэтин, инсулин)

2. Ростовые факторы (тромбоцитарный, эпидермальный)

3. Ферменты (цикклинкиназы)

4. Сигнальные молекулы (циклины, факторы трансккрипции)

+ Кейлоны – тканеспецифичные ингибиторы клеточного деления, способные при воздействии на стволовые клетки подавлять митоз

Генетическая регуляция:

Проонкогены – группа генов-активаторов, контролирующих нормальное клеточное деление и дифференцировку

• Кодируют факторы роста, их рецепторы

• Активны в эмбриональных клетках, а у взрослых – в пролиферирующих тканях

Антионкогены (гены-супрессоры опухолевого роста) – ингибируют клеточную пролиферацию и дифференцировку

• Могут кодировать белки, контролирующие репликацию и репарацию ДНК, могут задерживать клетку в S-периоде до полного завершения репликации.

Апоптоз – тип гибели клеток, при котором сама клетка активно участвует в процессе своей гибели, т. е. происходит самоуничтожение клетки.

• Может проходить без первичного нарушения метаболизма

• Под действием различных стимулов в ядре активируются гены, ответственные за самоуничтожение клетки

• Апоптоз может происходить при 2 условиях:

  1. Может происходить под действием сигнальных молекул (белковые факторы или гормоны) (лейкоциты гибнут под действием глюкокортикоидов)

  2. Может происходить при прекращении синтеза сигнальных молекул (при удалении семенников полностью гибнут клетки предстательной железы)

• Причина гибели клеток при апоптозе - каспазы

Медицинское значение апоптоза:

1. Огромное значение в эмбриогенезе (включая имплантацию и органогенез). Нарушение апоптоза может привести, например, к синдактилии, отсутствие апоптоза эпителиальной ткани приводит к расщеплению твердого нёба (эпителий мешает слипанию), а также к дефектам тканей, ограничивающих спинномозговой канал

2. Апоптоз играет важную роль в поддержании постоянства клеточного состава. Он принимает участие в отторжении эндометрия во время менструального цикла, атрезии фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии молочной железы после прекращения лактации

3. Ускорение апоптоза можно использовать для лечения аутоиммунных заболеваний и предотвращения отторжения трансплантата.

4. Замедление апоптоза можно использовать для предотвращения апоптоза в тканях, испытывающих ишемию, испытывающих повышенное давление, а также для замедления распространения вирусных инфекций к соседним клеткам

Некроз – совокупность неспецифических необратимых изменений цитоплазмы, возникающих под воздействием различных агентов.

• Паранекроз (обратимо)  некробиоз (необратимо, но жизнь ещё есть)  некроз  аутолиз

• Вызывается внешними биологическими, физическими или химическими факторами, влияющими на проницаемость мембран или клеточную энергетику

• Никак не регулируется

• Выделяют 2 понятия:

  1. Прямой некроз – гибель клеток происходит в месте непосредственного воздействия повреждающего агента

  2. Непрямой некроз – гибель клеток или тканей происходит в отдалении от непосредственного действия повреждающего агента

• Кариопикноз (распад), кариорексис (разрыв), кариолизис (расщепление), плазмокоагуляция, плазморексис, плазмолиз

Медицинское значение некроза:

1. Омертвевшие участки перестают функционировать, что может привести к смерти или тяжелым нарушениям жизнедеятельности

2. Отравление организма (аутоинтоксикация) продуктами распада мертвой ткани

3. Является причиной осложнений многих заболеваний