Частина і.

ВСТУП. ІСТОРІЯ ЦИТОЛОГІЇ (КЛІТИННОЇ БІОЛОГІЇ). МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

ВСТУП. Предмет та завдання курсу цитології. Цитологія - нау­ка про будову, функції, процеси обміну речовин, взаємовідношення з навколишнім середовищем, розвиток та знаходження клітини. Мі­сце цитології у системі біологічних дисциплін: зв'язок з зоологією, ембріологією, фізіологією, біохімією, біофізикою, генетикою та ін­шими науками.

Використання результатів цитологічних досліджень в медици­ні, сільському господарстві, ветеринарії, значення у викладанні біо­логії в середній школі.

Роль клітинної біології у формуванні професійного світогляду майбутнього вчителя біології.

1. СТИСЛІ ВІДОМОСТІ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ЦИТОЛО­ГИ (КЛІТИННОЇ БІОЛОГИ). Винахід мікроскопу та розвиток мікро­скопічних досліджень будови тварин і рослин в XVII та XVIII с.с. Розвиток цитології у XIX столітті. Клітинна теорія (Шванн, Шлейден,1936). Подальший розвиток клітинної теорії (Вольф, Вірхов, Бер та ін.). Роль вітчизняних вчених у розвитку вчення про клітину. Сучас­ні положення клітинної теорії. Перетворення цитології в науку про життєдіяльність клітини - клітинну біологію. Основні напрямки су­часної науки про клітину.

2. МЕТОДИ ЦИТОЛОГІЧНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ. Світловий, фазово-контрастний, інтерференційний, поляризаційний мікроско­пи. Прижиттєве вивчення клітини: прижиттєве фарбування, методи мікрохірургії, флуоресцентна мікроскопія. Вивчення фіксованих клі­тин. Ультрафіолетова мікроскопія. Цитофотометрія. Авторадіографія. Електронна мікроскопія. Деякі біохімічні та біофізичні методи. Сучасні методи дослідження: генна інженерія, метод іп уііго в куль­турі тканин тварин, рослин та ін.

3. КЛІТИНА - ЕЛЕМЕНТАРНА ОДИНИЦЯ ЖИВОГО. Одини­ця структури, функції розвитку організмів. Основні відомості про хі­мічну будову клітини. Форма та розмір клітини, зв'язок морфологіч­них особливостей з функцією. Одноклітинні організми. Автотрофні та гетеротрофні клітини і організми. Клітини тварин і рослин. Про­каріоти і еукаріоти. Віруси.

Загальний план будови клітини. Основні структурні компонен­ти клітини: клітинна оболонка, ядро, гіалоплазма, органели і включення. Гіалоплазма (цитозоль) - внутрішнє середовище клітини. Фізико-хімічні властивості гіалоплазми, її структура та функції. Трабекулярна сіт­ка. Клітинні включення. Хімічний склад і різновиди вклю­чень. Значення цитоплазматичних включень в метаболізмі клітин і організму. Основні функціональні частини клітини: органели та включення; органели загального і спеціального визначення, мемб­ранні та немембранні органели, органели катаболітичної та анаболітичної систем клітини; енергоутворююча система клітини; опорно-рухова система; спадковий апарат; мембранна система; білоксинтезуюча система клітини. Клітинні компартменти. Ієрархічність ор­ганізації клітини.

Частина II. Функціональні клітинні системи.

2.1. СПАДКОВИЙ АПАРАТ КЛІТИНИ. Складові частини спад­кового апарату клітини. Ядро інтерфазної клітини. Розташування ядер у клітині, їх розміри, форма, кореляція з розмірами та формою клітини. Хімічний склад ядра: нуклеїнові кислоти (ДНК та РНК), структурні білки ядра і ферменти. Значення ядра в життєдіяльності клітини. Роль ядра в метаболітичній діяльності клітини, у передачі генетичної інформації. Діяльність ядра як єдиної комплексної інтег­рованої системи клітини.

Цитоплазматична спадковість, клітинні структури, пов'язані з нею. Хімічні властивості ДНК мітохондрій і пластид.

Особливості будови спадкового апарату у прокаріот. Бактері­альна хромосома. Плазміди, епісоми - автономні фрагменти спад­кового апарату прокаріот, їх хімічний склад та функції. Клітинний цикл: характеристика клітинного циклу, тривалість його у одноклі­тинних і багатоклітинних організмів, різниця у проліферативній ак­тивності клітин різних тканин багатоклітинного організму. Залеж­ність часу клітинного циклу від умов навколишнього середовища. Періоди клітинного циклу в інтерфазі: пресинтетичний, синтетич­ний, постсинтетичний, мітотичний; характеристика цих періодів.

Основні структурно-функціональні компоненти ядра: поверх­невий апарат ядра, ядерний матрикс, хромосоми (хроматин), ядер­це.

Поверхневий апарат ядра: зовнішня і внутрішня мембрани; перенуклеарний простір; комплекс пор, їх будова, розміри, функці­ональна активність; ламіна. Функції поверхневого апарату: обмін речовин між ядром і цитоплазмою, бар'єр, який відокремлює ядро від цитоплазми, фіксація хромосом, функціональний зв'язок з мембранами ендоплазматичного ретикулума; роль ядерної оболонки в процесі поділу клітин одноклітинних та багатоклітинних організмів.

Хроматин і хромосоми - дві форми існування спадкової ін­формації у ядрі еукаріот. Теорія безперервності хромосом у клітин­ному циклі. Контакт деконденсованих хромосом з мембраною яде­рної оболонки, просторова орієнтація деконденсованих хромосом в ядрі упорядкованість їх розташування.

Основні хімічні елементи хроматину і хромосом: ДНК, білки (гістони та кислі білки), їх хімічна і функціональна характеристика. Ос­новна структурна одиниця хроматину і хромосом - фібрила ДНП, її нуклеосомна організація.

Хромосоми. Розмір і кількість мітотичних хромосом. Будова мітотичних хромосом: первинна перетяжка, кінетохор або центроміра, вторинна перетяжка, плече, теломіра, хроматиди. Різновиди мітотичних хромосом: метацентричні, субметацентричні, акроцентричні хромосоми. Поняття про каріотип. Ультраструктура мітотич­них хромосом. Рівні компактизації (пакування) фібрил ДНП. Дифе­ренціальне забарвлені мітотичні хромосоми. Матрикс мітотичних хромосом і його функції. Хромосомні відхилення. Мейотичні хро­мосоми типу лампових щіток, особливості їх будови і функціону­вання.

Хроматин: гетерохроматин і еухроматин. Структурна і функці­ональна різниця форм хроматину. Умови взаємоперетворення од­нієї форми в іншу. Особливі форми інтерфазних хромосом. Стате­вий хроматин. Гігантські (політенні) хромосоми личинок двокрилих, особливості їх будови і функціонування.

Нехроматинові елементи ядра: ядерний матрикс і ядерце. Ядерний матрикс і внутрішнє середовище ядра. Хімічний склад ядерного матрикса, його функції.

Ядерце. Розмір, форма, кількість ядерець у ядрі, залежність кількості та розміру ядерець від функціональної активності клітини. Ультраструктурна організація ядерця. Хімічний склад: ДНК, РНК, білок. Ядерцевий організатор. Процесінг у ядерці, формування субодиниць рибосом в ядерці, вихід їх у цитоплазму. Властивості рибосомальних генів: р-РНК, їх поліцистронніть та ампліфікація. Доля ядерця у мітозі, його взаємозв'язок з матриксом мітотичних хромосом.

Особливості цитофізіології спадкового апарату клітини. Клі­тинний спокій та клітинна проліферація. Положення клітин у клітин­ному циклі, які не діляться і які проліферують. Регулювання проліферативної активності клітин.

Репродукція спадкового матеріалу клітини. Синтез ДНК в інтерфазі. Механізм і етапи редуплікації молекули ДНК в клітинах прокаріот і еукаріот. Риси схожості та відміни. Основні ферментні системи, які приймають участь у реплікації ДНК Асинхронність процесів реплікації ДНК у еукаріот.

Репарація спадкового апарату. Репараційна система - перший бар'єр захисту клітини і цілого організму від впливу пагубної дії фа­кторів навколишнього середовища. Причини та механізми репара­ції ДНК. Рекомбінація спадкової інформації. Основні ферментні си­стеми, які беруть участь у репарації ДНК.

Значення реплікації, репарації і рекомбінації ДНК як основних молекулярно-біологічних подій в геномі, іх місце в клітинному циклі, взаємозв'язок реплікації та репарації з синтезами ДНК, РНК і білку в клітинному циклі. Локалізація у клітині процесів реплікації, ре­парації і рекомбінації, їх зв'язок з певними клітинними структурами.

Молекулярно-біологічна організація спадкового апарату кліти­ни. Геном еукаріотичної та прокаріотичної клітин. Загальний план будови генома. Основні відміни геномів еукаріот і прокаріот: надмі­рність ДНК, її функціональне значення, екзонно-інтронна організа­ція, її значення для життєдіяльності клітини, наявність генів, "які мовчать", більш різноманітний набір генів, відсутність оперонів, особливості регуляторних елементів.

Екзонно-інтронна організація геному еукаріот, як головна від­міна від прокаріот. Функції екзонів та інтронів в геномі клітини.

Особливості молекулярно-біологічної організації плазмід і епісом. як фрагментів генома прокаріот.

Геном мітохондрій І пластид.

Функціональні особливості геному вірусів. Функціональна оди­ниця геному прокаріот - оперон. Ген - функціональна одиниця ге­ному еукаріот. Його функціональні складові частини: промотор лі­дер, кодуюча послідовність нуклеотидів (цистрон), трейлер. Функції кожної з них.

Центральна догма молекулярної біології як основа молекулярно-біологічної схеми життя клітини і організму в цілому. Транскри­пція і трансляція - два головних процеси декодування генетичної інформації, які складають основу життя.

Транскрипція - процес, пов'язаний із спадковим апаратом клі­тини. Коротка характеристика основних властивостей генетичного коду, який визначає первинну структуру білка: триплетність, неперекриття, універсальність, виродженість. Сучасні уявлення про властивості генетичного коду, молекулярно-біологічні механізми збільшення його обсягу.

Загальні риси транскрипції у про- та еукаріот, особливості її у вірусів. Етапи синтезу і дозрівання м-РНК, характеристика пром- РНК, можливі механізми її синтезу. Явище сплайсінга при дозріванні м-РНК еукаріот. Молекулярні події та ферменти кожного етапу транскрипції. Відміна транскрипції у про- та еукаріот Ядерна обо­лонка простіших еукаріот і транскрипція. Особливості транскрипції на політенних хромосомах еукаріот. Політенні хромосоми і диференційно забарвлені мітотичні хромосоми, як наочний приклад функціонування клітинного геному

2.2. БІЛОКСИНТЕЗУЮЧА СИСТЕМА КЛІТИНИ. Складові час­тини білоксинтезуючої системи. Основні компоненти білоксинтезуючої системи - рибосоми. Будова рибосом, їх хімічна організація. Утворення субодиниць рибосом у ядерці, вихід їх у цитоплазму, процес і умови збірки рибосом у цитоплазмі. Характеристика рибо­сом прокаріот і еукаріот. Різновиди рибосом у клітині еукаріот. Ос­новна функція рибосом - синтез поліпептиду (первинного білку) або здійснення процесу трансляції.

Ядерце, процеси транскрипції і трансляції Розмірні параметри ядерця і інтенсивність трансляції. Ядерцевий організатор - один з перших генів, який має електронно-мікроскопічну ілюстрацію робо­ти Умови складання полірибоссм в цитоплазмі, роль гіалоплазми в цьому процесі.

Загальна характеристика трансляції, її основних етапів: ініціа­ції, активації, елонгації, термінації. Пристосування окремих етапів трансляції до різноманітних компонентів білоксинтєзуючої системи. Енергозабезпеченість роботи білоксинтезуючого механізму у клі­тині, роль клітинної енергозабезпечувальної системи в цьому про­цесі Роль мембран порожнин гранулярного ендоплазматичного ретикулума у модифікації синтезованого поліпептиду після транс­ляції, у перетворенні його на зрілий білок, клітинні молекулярно-біологічні процеси, пов'язані з синтезом білка "на себе" і "на екс­порт". Особливості трансляції у прокаріот.

Загальний структурно-функціональних компонентів, які здій­снюють перенесення спадкової інформації з геному (гена) на білок (повний білоксинтезуючий комплекс еукаріотичної клітини): хроматин, ядерце, порові комплекси, полі рибосоми, гіалоплазма, гранулярний ендоплазматичний ретикулум. Особливості їх функціону­вання разом.

Регуляція роботи геному Рівні регуляції: геномний, транскрип­ційний, трансляційний, функціональний. Особливості структурного упакування ДНК в хроматин і хромосому у про- та еукаріот, регуля­ція генної активності. Регулювання генної активності на рівні хро­матину (еухроматин і гетерохроматин). Роль гістонів та кислих білків в цих процесах.

Загальна схема повної регуляції роботи гена у прокаріот. Мо­дель оперону. Гіпотетичні моделі повної регуляції роботи гена у еу­каріот (Бриттена, Девідсона та ін.).

2.3. МЕМБРАННА СИСТЕМА КЛІТИНИ: органели анаболітичного і катаболітичного обміну.

Мембрани клітини. Структура клітинних мембран за даними електронної мікроскопії, їх хімічний склад. Моделі будови: двоша­рова, тришарова, рідинно-мозаїчна (динамічна). Біосинтез мемб­ран.

Клітинна поверхня. Різниця у структурі зовнішніх і внутрішніх мембран клітини. Глікокалікс клітин, його хімічний склад, функції, особливості будови. Плазматична мембрана, її роль у створенні капсул бактерій, клітинної стінки рослин, хімічний склад, будова і функції клітинної стінки. Функції плазматичної мембрани: бар'єрна, рецепторна, транспортна (пасивний та активний транспорт речо­вин, ендоцитоз, екзоцитоз), синтетична і катаболічна. Ріст плазма­тичної мембрани. Міжклітинні контакти, їх типи у багатоклітинному організмі. Надмембранні структури поверхневого апарату клітини.

Речовини, які транспортуються крізь плазмолему. попадають у катаболітичну систему клітини (лізосоми). Морфологія лізосом, їх хімічна організація. Первинна, вторинна лізосоми, аутофагосоми, телолізосоми (залишкове тільце). "Лізосомний простір" клітини. Гетерофагічний і аутофагічний цикли лізосом. Функції лізосом: участь їх у загальному клітинному обміні, у внутрішньоклітинному трав­ленні (зв'язок з процесом ендоцитозу), участь в ізолюванні та виді­ленні з клітини загиблих структур, роль у процесах автолізу клітин та інші. Утворення лізосом у клітині.

Ендоплазматичний ретикулум і комплекс Гольджі - мембранні органели анаболітичної системи, в яких використовуються речови­ни з системи внутрішньоклітинного травлення (лізосом).

Ендоплазматичний ретикулум. Загальна характеристика органела. місце її локалізації у клітині. Гранулярний ендоплазматичний ретикулум, його будова і функції. Гладенький ендоплазматичний ретикулум, його будова і функції в клітині. Вакуолярний апарат клі­тин рослин: центральна вакуоль, тонопласт, зв'язок з ендоплазма­тичним ретикулумом. Функції вакуолей у клітинах рослин. Інші фун­кції ендоплазматичного ретикулуму. Ендоплазматичний ретикулум як компартмент.

Комплекс Гольджі (пластинчатий комплекс, діктіосома). Форма і місце органели у клітинах рослин і тварин. Ультраструктура діктіосом. Функції. Особливості будови і функціонування комплексу Гольджі порівняно з іншими органелами клітини. Апарат Гольджі як компартмент.

Структурний і функціональний взаємозв'язок плазмолеми, по­верхневого апарату ядра з основними мембранними органелами анаболітичної і катаболітичної системи клітини. Функціонування їх, як єдиного цілого вакуолі.

2.4. ЕНЕРГОУТВОРЮЮЧА КЛІТИННА СИСТЕМА - складова частина катаболітичної системи клітини. Мітохондрії та пластиди - основні компоненти системи енергоутворення клітини.

Мітохондрії. Морфологічна характеристика мітохондрій: розмі­ри, кількість, локалізація у клітині. Ультраструктурна організація: зовнішня та внутрішня мембрани, кристи, будова крист. Матрикс мітохондрій: ДНК, РНК, рибосоми. Основна схема енергетичної фун­кції мітохондрій. Структури, які сопрягають синтез АТФ з окислен­ням в мітохондріях. Молекулярно-біологічні уявлення про енерге­тичну функцію мітохондрій (гіпотеза Мітчела). Інші функції мітохон­дрій. Мітохондріальний компартмент клітини. Біогенез мітохондрій

Пластиди клітини рослин. Загальна характеристика будови і функції цих органел.

Напівавтономність існування в клітині - властивість тільки мі­тохондрій і пластид. Наявність власного спадкового апарату і білоксинтезуючої системи зумовлюють напівавтономність. Роль міто­хондрій і пластид у цитоплазматичній спадковості. Гіпотези похо­дження мітохондрій і пластид.

Зв'язок енергоутворюючої системи з іншими функціональними системами клітини.

2.5. ОПОРНО-РУХОВА СИСТЕМА КЛІТИНИ, її основні компо­ненти. Основні функції. Клітинний цитоскелет.

Органели руху клітини. Мікротрубочки: різновиди, будова, хі­мічний склад (білок тубулін), особливості біогенезу. Функції мікро-трубочок: скелетна, утворення мітотичного веретена, основний структурний компонент центріолей, війок і джгутиків. Клітинний центр. Будова клітинного центру. ЦентріолІ, їх ультратонка органі­зація, локалізація у клітині. Центріолі та рослинна клітина. Біогенез (дуплікація) центріолей. Участь у створенні мітотичного апарату, зв'язок з кінетосомами війок і джгутиків. Війки і джгутики клітин еукаріот: ультратонка організація, механізм і енергетика руху, біоге­нез. Базальне тільце (кінетосома) війок і джгутиків, їх будова та функції. Онтогенетичний взаємозв'язок центріолей, війок та джгути­ків.

Мікрофіламенти та мікрофібрили цитоплазми клітин рослин І тварин, зв'язок опорно-рухової системи з іншими функціональними системами клітини, її поверхневим апаратом.