Вопросы для самоконтроля
1. Место и роль биотехнологии как науки. Связь биотехнологии с другими науками.
2. Какие основные периоды можно выделить в развитии биотехнологии?
3. Охарактеризуйте допастеровский этап в развитии науки.
4. Каковы основные открытия и разработки послепастеровской эры в биотехнологии?
5. Эра антибиотиков. Каково значение этого этапа в развитии и становлении биотехнологии?
6. Каковы основные открытия «Эры управляемого биосинтеза»?
7. Каковы основные достижения биотехнологии на современном этапе.
8. Охарактеризуйте перспективы развития биотехнологии в настоящее время?
2. Живая клетка – основа биологических систем
Биотехнологические процессы основываются на функционировании клетки и изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. Именно поэтому необходимо знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять ростом и метаболизмом биологических агентов и получать целевой продукт с максимальным выходом при высокой интенсивности процесса. Таким образом, биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности.
Если рассматривать клетки растений и животных, то в общих чертах их строение одинаково. Однако со строго научной точки зрения четкая граница между растительными и другими живыми существами проходит на микроскопическом уровне (рис.2). К структурным элементам, общим для животной и растительной клеток, относятся мембраны, ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, вакуоли и эндоплазматический ретикулум. Кроме того, в соответствии с современными представлениями можно выделить следующие структурные компоненты клетки:
1) мембранная система;
2) цитоплазматический матрикс;
3) клеточные органеллы;
4) клеточные включения.
Мембранная система представлена клеточной цитоплазматической мембраной, эндоплазматическим ретикулумом (сетью) и аппаратом Гольджи.
Клеточная мембрана
|
Клеточные мембраны играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Цитоплазматическая мембрана окружает клетку, отделяя ее содержимое от клеточной стенки, и регулирует поступление веществ,
необходимых клетке, и вывод продуктов обмена. По своему строению мембраны бактериальных, животных и растительных клеток очень сходны. В 1972 г. М.Сингер и Г.Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель мембраны (рис. 3).
Рис. 3. Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны
Мембрана имеет толщину 8-12 нм и состоит из бимолекулярного слоя липидов, причем гидрофобные концы молекул фосфолипидов и триглицеридов направлены внутрь, а наружу - гидрофильные головки. В двойной слой липидов встроены белки, которые пронизывают липидный слой насквозь, либо погружены в него частично. Существуют периферийные белки, покрывающие некоторые мембраны с одной или двух сторон сетью вытянутых молекул. При этом молекулы фосфолипидов и белков находятся в непрерывном движении и взаимодействии. Липидный слой определяет основные структурные особенности биологических мембран, а белки ответственны за большинство функций мембран (транспорт, передача сигналов и т.д.). В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию, которая зависит от соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.
В настоящее время выявлено четыре основных механизма транспорта через цитоплазматическую мембрану как клетки, так и клеточных органелл: диффузия, осмос, активный транспорт, экзо- и эндоцитоз.
Диффузия – это неспецифическое проникновение веществ в клетку под действием разности концентраций или электрических потенциалов по обе стороны мембраны. При этом ионы и малые полярные молекулы (глюкоза, аминокислоты) диффундируют медленно, липофильные и незаряженные молекулы – быстрее.Осмос– это переход молекул растворителя (воды) из области с более высокой концентрацией в область с более низкой через избирательно проницаемую мембрану. В первых двух случаях затрат энергии не требуется, процессы носят пассивный характер.Активный транспорт– перенос молекул или ионов через мембрану против градиентов их концентраций, что связано с затратой энергии. Большинство полярных молекул в клетку проникают посредством специфических транспортных белков, причем часть этих белков только катализирует облегченную диффузию соответствующего вещества. Другие белки подвергаются конформационным изменениям, вызываемым гидролизом АТР или связыванием ионов; в результате способны работать как насосы. Существуют транспортные белки другого типа, формирующие открытые каналы в бислое. Некоторые из таких каналов постоянно открыты, другие открываются лишь в ответ на определенные сигналы.Эндо-иэкзоцитоз– процессы поступления и вывода различных материалов соответственно в клетку и из нее. Эндоцитоз имеет две разновидности:фагоцитоз(поглощение твердых частиц) ипиноцитоз(поглощение жидкого материала). В обоих случаях плазматическая мембрана образует выросты или выпячивания, обволакивающие вещество. Образуется пузырек, который отделяется от мембраны, попадает в цитоплазму, где мембрана пузырька разрушается и вещество переходит в протоплазму (рис. 4).
Рис. 4. Схематическое изображение фаго- и пиноцитозов