Лекція 1. МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ КЛІИН. ПРЕДМЕТ І ОСНОВНІ РОЗДІЛИ КУРСУ
РІЗНОМАНІТНІСТЬ І ЗАГАЛЬНІСТЬ КЛІТОК Подібна до нас самих, окремі клітки, які формують наше тіло, можуть рости, розмножуватися, сприймати сигнали, реагувати на дії і здійснювати неймовірну безліч реакцій. Ці властивості і визначають живий організм.
Людина, як і інші багатоклітинні організми, складається з мільйонів і мільярдів кліток, з яких існують і організми, які складаються всього з однієї клітини. Тому, можна без перебільшення стверджувати, що клітка –це фундамептальна одиниця життя, та "цеглинка" з Але, не дивлячись на вее ці і інші відмінності, всі клітки мають подібну структуру. Залежно від того є в клітинах ядро чи ні, всі вони діляться на прокаріотичні (без'ядерні або, точніше, доядерыые) та еукаріотичні.
Молекулярна біологія клітки ~ це складна інтегральна наука, якою об'єднуються разом біохімія, біофізика, молекулярна біологія, всі види мікроскопії, генетика, фізіологія, комп'ютерна візуалізаціяі моделювання, і біологія розвитку організмів.Кожна з цих галузей, є самостійною мукою, з методами теоретичного і експериментального дослідження, а біологія клітки об'єднує їх результати, розглядаючи саме явище - життя як об'єкт дослідження.
Клітки володіють колосальною різноманітністю форми і розмірів. На малюнку 1.1 показані мікрофотографії деяких кліток.
Прокаріотичні клітини представляют собой область, яка обмежується мембраною, котра не має чіткого ядра (Електронні мікрофотографії : а – прокариотична клітина кишкової палички та еукаріфотична - білого кровяного тільця. Найбільш численними є бактерії. Суха вага, бактерій складає 1-1,5 кг в людині.Кілтини екукаріот мають чітку виражену структуру: клітинне ядро та цитоплазму, яка складається з цитозолю та органел цитоплазми. Еукараоти це усі члени царства рослин та тварин, включаючи грибки, які існують у вигляді багатоклітинних - пліснява , та одноклітинних - дріжджі форм та простійших, які є виключно однокілтинними.
МОЛЕКУЛИ КЛІТКИ
Молекулярна биологая клітки розгялдає біолгічні процеси на молекулярному рівні – усі процеси в клітниі є результатом взаємодії індивідуальних молекул : синтез макромолекул з компонентів, об'єднання макромолекул в єдиний комплекс, каталітичні зфекти, які забезпечують протікання конкретних конкретних хімічних реакцій, прочитування і використання інформації, яка приєднана до до макромолекул.
Внутрішність кліток наповнена водним "супом" малих молекул (прості цукри, амінокислоти, вітаміни і так далі) і іононами (натрій, хлор, кальцій і так далі), положення і концептрація яких в даній точці клітки контролюється сумісною роботою білків які знаходяться в кілтинних мембранах канали перемішають потрібні молекули в потрібному нанршшении і н потрібна органела клегки.
Білки є основними "агентами" клітки, вони здійснюють механічні і хімічні перетворення. Вони синтезуються в клітці з 20 амінокислот, кільксть яких становить в середньому 100 -1000 амінокислот. Після синтезу білковий ланцюг самовільно згортається, набуваючи визначеної тривимірної структури, яка визначає функціональну специфічність данного білку.
Білки – глутамін синтетаза, гемоглобін, інсулін, іммуноглобулін, ліпідний біщар, ДНК – представляють собою білкові сімейства. Білки є структурними кмпонентами внутрішнього та - і позаклітинного матриксу, сенсорами і переносчиками хімічних сигналів, каталізаторами біохімічних |реакцій – ферменти, управляють ксперією генів (білкові репрсссори та ативатори), працюють насоасми переміщаючи інші молекули та іони.
Побудовані з 20 амінокислот - білки реалізують всі біофункції всіх біоструктур. Середній білок складається з | 400 амінокислот. Вони володіють високою специфічністю.
Нуклеінові кислотиє обширним класом біомакромолекул. ДНК несе в собі інформацію про те, як, де і коли синтезувати той або інший білок. Тривимірна структура ДНК представляє собой подвійну спіраль, ланцюги якої складаються з мономерів - нуклеатидів-
Чотири різних нуклеотида аденин, тімін, цитозин і гуанин, комплементарно спарюються парами А-Т, С-Г формують подвійну спіраль (малюнок 1. схема реплікації ДНК). В ході решшкацни спіраль розплітається на дві нитки, кожна з яких служить матрицей Д^^^ синтезу комплементарної дочірньому ланцюгу, в результаті утворюється дві копії початкової батьківської спіралі.
Малюнок 1.-Схема реплікації днк
Генетична інформація про структуру білків зберігається в ДНК у вигляді генів – послідовності нуклеотидов, які кодують потрібний білок, завдовжки, зазвичай, від 5000 до 100 000 нуклеотидів. Геном- сукупність всіх
генів) бактерії - декілька тисяч генів, геном людини близько 40 000. Гени, з кодуючою областю містять керуючі ділянки, діючи на них кдітина може керувати експересією генів.
Клітки використовують послідовність двох процесів — транскрипцію і трансляцію - для перетворення генної інформації в синтезовані білки.
В ході транскрипции копіювання гена в РНК (про-РНК) здійснює фермент РНК-полімераза. В клетках еукріот ця РНК перевторюється в функціональну матричну РНК (мРНК) в ході процесінга РНК, при якому з про-РНК видаляють некодуючі ділянки (інтрони), а кодуючі (екзони) зєднуються разом з РНК переміщується з ядра в цитоплазму, з'єднується з малою і великою субодиницями рибосоми і починають трансляію – синтез поіпетидного ланцюга білка.
Регуляція процесу синтезу білків здійснюється за допомогою факторів транскрипції - специфічних білків, поєднані з ДНК і стимулюючих активацію або репресію експресії генів. Велика частина ДНК зукариот розташована в ядрі і упакована в хромосоми. ДНК прокариот зазвичай представляють собою замкнуту в кілыце молекулу безладно (хоотично)згорнуту в нуклеотид в центральній частині клітини.
Функціонування кліток
Клітина це просто якийсь невеликий обєм водного середовища, відокремлений від навколишнього середовища клітинною мембраною, ксугория називається плазматична мембрана, і яка не дає з переміщуватися молекулам всередині клітки і назовні з клітки. Клітки еукаріот мають розвинену систему внутрішніх мембран, які відокремлюють різні внутріклітинні органели. Ммбрана складається з подвійного шару молекул фосфоліпідів, які мають гідрофобну полярну головку і гідрофільний вуглеводневий хвіст.
Хопестероп Гідрофобні полярні головки
Вода Неполярні хвости
Рис. - Схема будови плазматичної мембрани клітини
Взаємодія з водним середовищем приводить до орієнтації молекул фосфоліпідів в бішарі полярною голівкої зовнє а неполярноими хвостами всередину бішару.
У біомембрани входять також деякі інші лішди, , наприклад, холістерол і білки, які можутьвільно переміщатися в площині мембрани (плавають в рідині мембрани), і можуть бути жорстко прикпіплені до до середини та зовнішнього матриксу.
Цитозоль клітки і позаклітинне пространстно відрізняються за сольовим і іонним і амиіокислотним складом.
Свій мікроклімат" має і клітинна органела, що дозволяє реалізовувати розділення цукрів та жирів та сонячного світла яка відкладається у вигляді в АТФ. У рослинних і тваринних клітинах АТФ синтезується ва мітохондріях та хлоропластах з АДФ іта нероганічного фосору:
А'ГФ → АДФ + Р+Е
Для виконання специфічних функцій клітці потрібні специфічні білки. Синтез білків відбувається на рибосомах або в цитозолі або в цистернах ендоплазматичного ретикулу Останнє характеррно для білків, які секритуються клітиною і для більшості мембранних білків. Подальше "дозрівання" і модифікація білків відбувається в апараті Гольджи.
Білки які перемішаються з ендоплазматичного в апарат Гольджі, мають спеціальні короткі послідовності амінокслот або приєднують ланцюжки цукрів (олігосахариди), які спрацьовують як поштовий адресат, які здійснюють сортировку та доставку транспортуємих білків в необхідний компартмент клітини. Внутрішній цитоскелет і зовнішні клітинні контакти додають |білкам специфічну форму. Цитоскелет тваринних кліток формується з трьох типів білків - микрофіламенти або білкові нитки проміжні волокна і мікротрубочки.
Цитоаселет бере участь в русі клітки як цілого, і внутрішньоклітинного транспорут везикул, хромосом і макромолекул. Цитоскелет через поверхню клітки може приєднуватися до позаклітинного матриксу або цитоскелету інших кліток, формуючи тим самим специфічну тканину. Всі види цитоскелета предсавляють собою довгі полімери білкових субодиниць, і розбирання і збірка цих полімерів в потрібному місці клітки дозволяє їй змінювати форму, вип'ячувати і втягувати ділянки мембрани, тим самим переміщатися в потрібному напрямі з швидкістю до 20 мкм/с. Рух окремих клітин багатоклітинною організму відбувається : (1) під час розвитку ембріона і формування тканин, (2) при захисті від інфекції, (3) при транспорті живильних речовин, (4) при заліку ран, і так далі
Клітки рослин не рухаються поодинці. Нові клітки з'являються в переміщення з місця на місце.
Клітки постійно отримують інформаційні сигнали ззовні і реагують на них відповідним чином. Зовнішні сигнали можуть бути у вигляді небольщих хімічних молекул, білків, фотонів (світла) і механічні рухи. Сигналом може бути як збільшення так і зменшення інтенивності зовнішньої дії.
Здатність кліток отримувати зовнішні сигнали і реагувати на них є критично важливою як для диференціювання кліток, так і для розвитку взагалі. Причому відповідь на сигнал (реакція) клітки може варіюватися в залежності від комбінації отриманих сигналів.
Приклад:. їжа багата вуглеводами приводить до підвищення концентрації цукру в крові, що стимулює виділення інсуліну клітинами підшлунковою залози а кровотік. Пов'язання інсуліну з рецептором на мембрані кліток печінки або м'язів приводить до активації ферменту глікоген синтаза, який синтезує глікоген з глюкози тим самим знижуючи рівень цукру в крові і запасаючи глікоген в клітинах.
Рецептори стероїдних гормонів розташовані в цитозолі клітини , а не на зовнішній мембрані активує ицганскрипцію специфічних геніво приводить до посилення синтезу специфічних білків. Мембранні рецептори запускають складні системи відгуку клітки на зовнішню подію. Змінюючи експресію генів.
Лекція 2. ОСНОВИ КЛІТИННОЇ ТЕОРІЇ
КЛІТИННА ТЕОРІЯ
Клітина - це елементарна жива система, здатна самообновлению, саморетуляции і самовідновленню –основна структурна і функціональна одиниця живих організмів.
Для життєдіяльності - для здійснення таких процесів зростання, самовідновлення, розмноження клітинам потрібна енергія яку вони отримують з зовнішнього середовища.
Метаболізм (від грецького - зміна, перетворнення) усі хімічні і фізичні реакції , що забезпечують протіканння процесів життєдіяльності клітини.
Метаболічні реакції каталізуються ферментами.
Ферменти - це білкові молекули якіприскорюють біохімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються.
Молекулярну структуру кожного фермента визначає ген.
Ген- це ділянка молекули (ДНК), який кодує 1 поліпептидний ланцюг. Клітинна молекулярна біологія - це наука, що вивчає життєдіяльність в клітині на молекулярному рівні, базуючись на результатах тиких дисциплін як біохімія, біофізика, генетика.
Сучасна клітина теорія базується на 6 постулатах :
Клітина – це елементарна одиниця будови усіх живих організмів.
2. Єдина система, що включає множину закономірно повязаних другз другомелементів – органел або органоїдів, які уявляють собою цілісні утворення, клітинні структури, котрі забезпечують виконання специфічних функцій в процесі життєдіяльності клітини.
Клітини різних організмівсхідні (гомологічні) за своїм хімічним складом , соновним проявом життєдіяльності та обміном речовин.
Розмноження клітин здійснюється шляхомділення – кілитина від клітини.
Багатоклітинний органзім представляє собою нову систему , складний ансамбль з клітин, які обєднані та інтегровані в систему тканин та органів, котрі повязані друг з другом за допомогою хімічних факторів, гуморальних та нервових.6. Клітини багатоклітинних організмів тотипотентні, тобто володіють генетичним потенціалом усіх клітин оранзму, які містять однакову генетичну інформацію, але відрізняються друг від друга різною експресією (роботою) різних генів, які призводять до їх морфологічного та функціонального різноманіття – до диференцировки.
ДВА ТИПУ ОРГАНІЗАЦІЇ КЛЕТКИ
Серед живих організмів зустрічаються два типи оргшшзаци клітин. До найбільш простого типу будови можна віднести клітини бактериій і синьозелених водоростей, до більше за високооорганізованого - клітини усіх та закінчуючи живих істот, починаючи від нижчих рослин та закінчуючи людиною.
Прийнято называгь клітини бактерій і синезеленых водоростей прокаріотичними (доядерними клітинами), а клеини усіх інших представників живою – еукаріотичними (власне ядерними , тому що у останніх обов'язковою структурою є клітинне ядро, яке ділене від цитоплазми ядерною оболонкою . Покаріотинні клітини представлені різним бактеріями - одноклітинним організмами. Вміст прокараотиних клітин обмежено нлазматичною мембраною , яка виконує роль активног барєру між цитоплазмою та зовнєшним середовищем. Зовнє від плазматичної мембрани є клітинна стінка або оболонка. У прокаріотів немає ядра, але є нуклеотид – зона, яка заповнена ДНК. Структури та функції клітин складні та спеціалізовані ніж клітини прокаріот.
Рис. Прокаріотична кітина та схема її клітинної стінки