Ііі етап – закріплення знань та навичок

Після вивчення теми необхідно

Знати	Вміти
Який зв’язок між безперервним надходженням у клітину органічних і неорганічних сполук та виведенні кінцевих продуктів метаболізму. Окислювальне фосфорилювання. 1	Давати пояснення основним етапам окислювального фосфорилювання. Відокремлювати основні етапи енергетичного обміну речовин. 2
Характеристику клона. Основні етапи розвитку напрямку науки – клонування, сучасний стан та проблеми пов’язані з подальшим розвитком цього напрямку науки.	Пояснювати основні терміни, які пов’язані з клонуванням. Характеризувати проблеми які виникли на сучасному стані розвитку цього напрямку науки.
Визначення - стовбурові клітини. Медичне значення СК. Проблеми пов’язані з подальшим розвитком лікування стовбуровими клітинами.	Виділяти стовбурові клітини з загальної маси клітин організму (анатомічно та фізіологічно). Визначати значення СК для медицини.

4.Додаткові завдання (матеріали позааудиторної роботи)

Спеціалізація та інтеграція клітин багатоклітинних

організмів.

( Дивись додаток № 4 .)

Додатки до СПРС № 3 :

Додаток № 1

Організація потоків речовини та енергії в клітині.

У клітині постійно здійснюється потік речовин і енергії. Суть потоку речовин полягає в безперерв­ному надходженні у клітину органічних і неорганіч­них сполук і виведенні кінцевих продуктів метабо­лізму. Потік енергії - це сукупність реакцій роз­щеплення органічних речовин з вивільненням енергії хімічних зв'язків, яка акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ і використовується в по­дальшому клітиною.

Енергетичний обмін відбувається в декілька етапів: підготовчий, безкисневий і кисневий.

На підготовчому етапі за допомогою травних ферментів великі органічні молекули розщеплюють­ся на мономери: білки - до амінокислот, жири - до гліцерину та жирних кислот, полісахариди - до моносахаридів, нуклеїнові кислоти - до нуклеотидів. Енергія, яка при цьому вивільняється, розсіюється у вигляді тепла.

Безкисневий (анаеробний) етап енергетично­го обміну відбувається у клітинах. На даному етапі молекули глюкози розщеплюються шляхом гліко­лізу на дві молекули піровиноградної (С₃Н₄О₃) або (особливо у м'язових клітинах) молочної кис­лоти (С₃Н₆О₃). Сумарне рівняння гліколізу має такий вигляд:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2Н₃Р0₄ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Під час гліколізу виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (близько 80 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а решта (приблизно 120 кДж) - розсіюється у вигляді тепла. Незважа­ючи на низьку ефективність, гліколіз має надзвичай­но велике фізіологічне значення. Завдяки йому організм може отримувати енергію в умовах дефі­циту кисню, а його кінцеві продукти (піровиноград­на та молочна кислоти) зазнають подальшого фер­ментативного перетворення в аеробних умовах.

Кисневий (аеробний) етап енергетичного об­міну можливий лише в аеробних умовах (за наяв­ності кисню), коли органічні сполуки, що утворили­ся на безкисневому етапі, окислюються в клітинах до кінцевих продуктів - СО, та Н,О. Окиснення сполук пов'язане з відщепленням від них водню, який передається за допомогою особливих біоло­гічно активних речовин-переносників до молекуляр­ного кисню, з утворенням молекули води. Цей про­цес називають тканинним диханням. Він відбу­вається в мітохондріях і супроводжується виділен­ням великої кількості енергії та акумуляцією її в макроергічних зв'язках молекул АТФ (окислювальне фосфорилування). Сумарне рівняння аеробно­го дихання має такий вигляд:

2С₃Н₆О₃ + 6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ → 6СО₂ + 36АТФ + 6Н₂О

Таким чином, на кисневому етапі утворюється у вісімнадцять разів більше АТФ, ніж на безкисневому.

Універсальною речовиною, яка накопичує енер­гію в процесі енергетичного обміну, є аденозин-трифосфорна кислота (АТФ). Молекула АТФ - це нуклеотид, який складається із залишків азотис­тої основи (аденіну), вуглеводу (рибози) та трьох залишків фосфорної кислоти.

Якщо під дією ферменту відщеплюється один залишок фосфорної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ) з вивільненням близь­ко 40 кДж енергії. Коли від молекули АТФ відщеп­люються два залишки фосфорної кислоти, утво­рюється аденозинмонофосфат (АМФ), при цьому вивільняється близько 80 кДж енергії. Молекула АМФ також може розщеплюватися.

Отже, під час розщеплення АТФ виділяється велика кількість енергії, яка використовується для синтезу необхідних організму сполук, підтримання певної температури тіла тощо. З іншого боку, час­тина енергії, що вивільняється, витрачається на син­тез АТФ із АДФ чи АМФ і молекул фосфорної кис­лоти, які зв'язуються макроергічними зв'язками (ви­никають між залишками фосфорної кислоти в мо­лекулах АДФ або АТФ). Таким чином, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії у клітинах. Хімічна природа макроергічних зв'язків остаточно ще не з'ясована.

Додаток № 2.

Життя клітин поза організмом. Клонування клітин.

Досліджуючи властивості нормальних та пухлин­них клітин, вчені використовують метод клонування.

Декілька десятиліть тому було встановлено, що соматичні клітини еукаріотів можна розмножувати in vitro, тобто підтримувати у вигляді так званих клітинних культур. Розподіл хромосом при розмноженні клітин культури відбувається мітотичним шляхом. Клітинна лінія утворюється з однієї клітини (і, таким чином, є клоном). У лабораторних умовах рослинні та тваринні клітини частіше за все проходять лише об­межену кількість поділів, а потім гинуть. Виняток ста­новлять ракові клітини. Для клітин прокаріотів харак­терна гаплоїдність, а для еукаріотів – диплоїдність. Це обмежує можливості генетичного аналізу, оскільки рецесивні алелі не виявляються у гетерозиготи.

Клоном називають групу генетично ідентичних індивідуумів, отриманих шляхом безстатевого роз­множення або один від одного, або від деякого за­гального предка. Найпростішим прикладом такого клону може бути популяція бактерій, всі клітини якої утворилися внаслідок повторних поділів з однієї батьківської клітини. Всі бактерії у такому клоні ус­падковують гени цієї батьківської клітини.

У зв'язку з експериментами по пересадженню клітинних ядер відкрилася можливість для клону­вання тварин чи людини .

Метод клонування використовують також і для ідентифікації генів. Створюють міжвидові гібридні клітини, в яких І визначають розташування генів. Отже, можна дійти висновку, що даний метод при­несе багато наукових здобутків на користь людству.

У процесі розмноження відтворюються особини того ж виду. Якщо нове покоління походить від однієї батьківської особини, його називають клоном. От­римання багатьох ідентичних за формою і функція­ми генетично однакових нащадків однієї клітини або одного організму називають клонуванням.

На початку 70-х років XX ст. розроблені методи клонування бактерій та вищих рослин. Використан­ня в якості клонуючого вектора (переносники ДНК) плазмід або бактеріофага дозволило в промисло­вих умовах отримувати за участі бактерій інсулін людини, який в нормі мікроорганізмами не синте­зується. Так були клоновані рекомбінантні ДНК та вперше клонований бактеріальний ген.

При безстатевому розмноженні відбувається клонування - утворення генетично абсолютно іден­тичних нащадків. Генетична різноманітність членів одного клону може з'явитися тільки за умов випад­кової мутації.

Прикладом отримання одного клону клітин може бути культивування клітин поза організмом. У се­редовищі, яке містить необхідні поживні речовини, вирощують клітини різних тканин.

Вирощуючи на штучному живильному середо­вищі клітини кореня моркви, вдалося індукувати про­цеси клітинного поділу, що призвело до утворення нових рослин моркви. Так було доведено, що ядро зрілої клітини містить всю необхідну інформацію для розвитку нового організму.

М ожливість клонування тварин довів професор Гйордон з Оксфордського університету, який виро­щував пуголовків і жаб з окремо взятих ядер клітин кишківнику і пересаджених на місце видалених або зруйнованих ядер яйцеклітини. Отже, спеціалізовані клітини вищих рослин і тварин містять всю інфор­мацію, яка необхідна для цілого організму.

У 1997 р. вперше було здійснено клонування тва­рини з однієї клітини. Так, з окремої клітини вим'я була вирощена вівця Доллі (рис. 1.82).

Використання техніки клонування перспективне у тваринництві. Від будь-якої тварини, яка має цінні продуктивні властивості, можна отримати численні генетично ідентичні копії з тими ж властивостями.

Важлива галузь застосування клонування - ство­рення і розмноження за малий проміжок часу клонів трансгенних сільськогосподарських тварин (овець, корів, свиней).

Розпочаті досліди з клонування рідкісних та уні­кальних видів диких тварин, відтворення тих видів, які в неволі не розмножуються (наприклад, гігантсь­кий броненосець).

Технологія клонування запроваджується для створення трансгенних тварин - донорів органів для ксенотрансплантації.

Розробляються нові підходи до діагностики та лікування спадкових хвороб людини.

Чи перспективне клонування людини? Наукова інформація вказує, що цей метод не можна вважати абсолютно безпечним для людини. Всі 13 членів Ради Європи і 6 європейських країн підписали перший ме­морандум, який забороняє клонування людини. Про­те науковий прогрес зупинити неможливо.

Додаток № 3.

Стовбурові клітини та їх використання у медицині.

Вивчення тонких механізмів ембріонального розвитку організму ссавців із єдиної клітини і процесів заміщення ушкоджених клітин здоровими клітинами у дорослому організмі інтенсивно роз­вивалося за останні 20 років минулого сторіччя. В основі цього необхідного напрямку є дослідження стовбурових клітин.

Стовбуровими клітинами (СК) вважають недиференційовані клітини, здатні до самовідновлення та продукування хоча б одного типу високодиференційованих нащадків.

Розрізняють два типи СК - плюрипотентні емб­ріональні стовбурові клітини (ЕСК), які одержують із бластоцисти, і дорослі стовбурові клітини - об­межені ними (мультипотентні та уніпотентні), які виявлені в різних тканинах. Ці групи СК відрізня­ються одна від одної і від їх нащадків за багатьма морфологічними ознаками, локалізацією, рецепто­рами поверхні, факторами транскрипції.

Всі СК, незалежно від їх походження, мають спільні властивості: здатні до поділу та самовіднов­лення впродовж тривалого часу, вони не спеціалізо­вані, можуть давати початок спеціалізованим ти­пам клітин.

На відміну від нервових клітин, які зазвичай не розмножуються, СК можуть відновлюватися бага­то разів. Процес багаторазового відновлення клітин називають проліферацією. Початкова популяція СК, що проліферують упродовж багатьох місяців у лабораторії, може утворити мільйони клітин. Якщо кінцеві клітини продовжують бути неспеціалізованими, подібно до батьківських СК, то вони вважа­ються здатними до тривалого самовідновлення.

Одна з основних властивостей СК - те, що вони не мають жодних тканинноспецифічних структур, які дозволили б їм виконувати спеціалізовані функції. СК не може, як клітина серцевого м'яза, взаємо­діяти з іншими клітинами, щоб постачати кров до судин; вона не може переносити молекули кисню, як еритроцити; і вона не проводить електрохімічні сигнали до інших клітин (подібно до нервових клітин).

Вчені шукають фактори, які дозволяють СК за­лишатися недиференційованими. Потрібно було ба­гато років і помилок, щоб навчитися культивувати СК в умовах лабораторії, перешкоджати їх спонтан­ному диференціюванню у визначені клітини. Тільки через 20 років після створення лабораторних умов для вирощування СК миші, навчилися вирощувати зародкові СК людини. Важливою ділянкою науко­вих досліджень є вивчення сигналів у тканинах та органах дорослого організму, які призводять до про­ліферації популяції СК і залишають їх недиференційованими доти, доки вони не стануть потрібні для регенерації визначеної тканини. Це необхідно для того, щоб виростити велику кількість неспеціалізованих СК у лабораторіях для проведення експериментів.

Процеси, під час яких неспеціалізовані СК дають початок спеціальним клітинам, називаються дифе­ренціацією. Тільки зараз починається вивчення сиг­налів, які запускають цей процес, їх поділяють на внутрішні та зовнішні. Внутрішні сигнали контролю­ються генами клітини, які несуть закодовані інструкції для всіх структур і функцій клітин. Зовнішні сигнали включають хімічні речовини з інших клітин, фізичний контакт із сусідніми клітинами, деякі молекули позак­літинного середовища. Дослідження сигналів диферен­ціювання СК необхідне, оскільки за їх допомогою вчені можуть виростити клітини або тканини, які можна ви­користати для лікування багатьох захворювань.

Зрілі СК продукують клітини визначеної ткани­ни, в яких вони знаходяться. Наприклад, зрілі СК в кістковому мозку дають початок багатьом типам клітин крові. Донедавна вважалося, що гемопоетичні СК не можуть давати початок диференційо­ваним клітинам інших тканин, наприклад, нерво­вих. За останні роки численними експериментами показано, що СК походять із однієї тканини, а да­ють початок клітинам зовсім іншої тканини. Та­кий феномен одержав назву пластичності. Так, кровотворні клітини дають початок нейронам або клітинам серцевого м'яза, клітини печінки транс­формуються в клітини, що продукують інсулін. Активно вивчається можливість використання зрілих СК у клінічній практиці.

Існує велика різноманітність напрямків, у яких СК людини можуть використовуватися в експерименталь­ному та клінічному дослідженнях. Але є багато тех­нічних перешкод між потенціалом стовбурових клітин і реалізацією його використання, які будуть подолані тільки тривалим, інтенсивним вивченням.

Вивчення СК людських зародків може дати інформацію про складні процеси, що відбуваються впродовж розвитку людини. Мета цієї роботи поля­гає в тому, щоб з'ясувати, як недиференційовані стовбурові клітини стають диференційованими. Пере­творення генів на активні і неактивні є важливим у цьому процесі. Деякі з найбільш серйозних медич­них станів, таких, як рак і вади розвитку, є наслідком патологічного поділу і диференціювання клітин. Ро­зуміння генетичних і молекулярних регуляторів цих процесів може дати інформацію про те, як виника­ють такі захворювання, і запропонувати нові стра­тегії для терапії. Суттєвою перешкодою викорис­тання СК є те, що не до кінця з'ясовано сигнали, які сприяють переходу визначених генів у активний і неактивний стан, а також ті, що впливають на ди­ференціювання стовбурових клітин.

СК людини також можуть використовуватися для перевірки нових лікарських препаратів. Наприклад, нові медикаментозні препарати могли б бути пе­ревірені на безпечність за допомогою диференційо­ваних клітин, що одержані від людських плюрипотентних ліній клітин. Інші види ліній клітин уже за­стосовуються в клініці. Ракова клітина формує, на­приклад, звикання до лікарських антипухлинних пре­паратів. Але наявність плюрипотентних СК дозво­лило б здійснити перевірку препаратів у більш ши­рокому діапазоні типів клітин. Для ефективної пере­вірки препаратів необхідно створити ідентичні умо­ви при порівнянні різних ліків. Зважаючи на це, вчені повинні будуть точно вміти керувати диференцію­ванням СК у визначений тип клітин, на яких будуть перевірені ліки. Знання сигналів, що контролюють диференціювання, недостатньо для того, щоб зумі­ти точно їх зімітувати з метою отримання послідов­ного ідентичного диференціювання клітин для кож­ного лікарського засобу, що перевіряється.

Можливо, найбільш важливим потенціальним застосуванням людських СК є відновлення клітин та тканин, які могли б використовуватися для те­рапії, що базується на клітинах. На сьогодні до­норські органи і тканини часто використовуються, щоб змінити хвору або зруйновану тканину, але потреба у тканинах та органах для трансплантації перевищує їх доступне постачання. СК, що спря­мовані на диференціювання у визначені типи клітин, дозволяють відновлювати джерела заміни клітин і тканин з метою лікування захворювань, зокрема хвороб Паркінсона та Альцгеймера, ушкодження спинного мозку, синців, опіків, захворювання серця, діабету, остеоартриту та ревматоїдного артриту.

Наприклад, можливе створення здорових клітин сер­цевого м'яза в лабораторії з наступною транспланта­цією їх пацієнтам із хронічною серцевою недостатні­стю. Попередні дослідження на мишах та інших твари­нах вказують на те, що СК кісткового мозку, які були трансплантовані в ушкоджене серце, можуть створю­вати клітини серцевого м'яза і успішно повторно засе­ляти серцеву тканину. Інші недавні дослідження в сис­темах клітинних культур вказують на можливе спря­мування диференційованих зародкових СК або зрілих клітин кісткового мозку до клітин серцевого м'яза.

У людей, хворих на діабет першого типу, клітини підшлункової залози, які зазвичай продукують інсулін, зруйновані власною імунною системою паці­єнта. Нові дослідження вказують, що можна спря­мовувати диференціювання людських зародкових СК в клітинній структурі з метою формування інсулін-продукуючих клітин, які могли б використовуватися у трансплантаційній терапії хворих на діабет.

Для реалізації багатообіцяючих нових методів лікування, що базуються на клітинах, з метою ліку­вання розповсюджених та виснажуючих захворю­вань, фахівці повинні володіти здатністю легко і про­дуктивно керувати стовбуровими клітинами так, щоб вони мали необхідні характеристики для успіш­ного диференціювання, трансплантації і приживлен­ня. Надалі потрібні послідовні етапи успішного ви­користання, що базуються на клітинах, щоб конт­ролювати запровадження такого лікування у клініці. Для трансплантації стовбурові клітини повинні мати такі властивості:

• екстенсивне проліферувати і продукувати до­статню кількість тканин;

• диференціюватися у бажані типи клітин;

• зберігати життєздатність після трансплантації;

• об'єднуватися з оточуючими тканинами після трансплантації;

• функціонувати для продовження життя реци­пієнта;

• не завдавати шкоди реципієнту будь-яким чином. Крім того, щоб уникнути проблеми імунного відторгнення, експериментують з

різними страте­гіями створення тканин.

Таким чином, лікування стовбуровими клітина­ми перспективне, їх застосування обмежене тех­нічними причинами та дорожнечею, але накопичені результати дають можливість вважати, що ці об­меження будуть подолані.

Додаток № 4.

Спеціалізація та інтеграція клітин багатоклітинних організмів.

Багатоклітинні організми складаються з клітин, що мають принципово однакову будову. Проте фор­ма, розміри і структура клітин залежать від функцій, які вони виконують (рис. 1.18). Наприклад, м'язові клітини видовжені, клітини епітеліальної тканини роз­ташовані на базальній мембрані, щільно приляга­ють одна до одної, міжклітинна речовина майже відсутня. Нервові клітини завдяки великій кількості відростків набули зірчастої форми. Лейкоцити рух­ливі, округлої форми, можуть набувати амебоїдної форми і т.д. Причому функціонально спеціалізовані клітини різних типів і видів тварин мають подібні структуру, форму і розміри.

Таким чином, клітини тварин дуже різноманітні за розмірами, структурою і функціями, які вони ви­конують. Однак всі клітини обов'язково мають ос­новні компоненти: цитоплазматичну мембрану, ци­топлазму і ядро (за винятком еритроцитів і тромбо­цитів, у яких ядро відсутнє).

Основні типи клітин людини. Клітини людини -мікроскопічних розмірів. Діаметр клітин коливається від 0,01 до 0,1 мм (або від 10 до 100 мкм). Об'єм більшості клітин людини знаходиться в межах 200-15000 мкм'. Діаметр найдрібніших клітин люди­ни (еритроцити, тромбоцити) дорівнює 4-5 мкм (рис. 1.18 г). Однак відомі й досить великі клітини, які можна побачити неозброєним оком. Величина клітин залежить від функцій, які вони виконують. Так, яйцеклітини завдяки нагромадженню в них пожив­них речовин досягають розмірів до 150-200 мкм.

Розміри клітин прямо не пов'язані з розміром організму. Так, клітини печінки і нирок у людини, коня, великої рогатої худоби і миші мають приблизно од­наковий розмір. Розміри органів, як і розміри цілого організму тварин і рослин, залежать від кількості клітин. Кількість клітин, що складають організм, є різною: від однієї (в одноклітинних) або невеликої кількості (у коловерток і круглих червів) до бага­тьох мільярдів, як у більшості багатоклітинних. Но­вонароджена людина містить приблизно 2 трильйо­ни клітин, доросла-60-100 трильйонів. Донор, що здає кров, втрачає 5-6 млрд. клітин. Щодня наш організм втрачає і відновлює один відсоток своїх клітин, тобто приблизно 600 мільярдів.

В організмі людини є різноманітні клітини, що різняться розмірами, структурою і функціями. Подібні за структурою і функціями клітини, зв'язані єдністю походження, утворюють тканини. Спеціалі­зовані клітини утворюють чотири типи тканин: епі­теліальну, сполучну, м 'язову, нервову. Клітини, що зберігають характерні риси кожного типу тканини, можуть у широких межах змінюватися як за струк­турою, так і за функціями. Причому характер роз­ходжень змінюється в процесі індивідуального роз­витку організму. Важливим фактором структурно-функціональних особливостей є взаємодія клітини з іншими клітинами,

т канинами або віддаленими клітинними системами через нервову систему або гуморальний зв'язок. У кожній тканині є клітини, що зберігають здатність до поділу. Частина з них після поділу починає диференціюватися і заміщує кліти­ни тканини, які відмирають. Друга частина клітин залишається недиференційованою, спроможною до наступних поділів (стовбурові клітини).

Методична розробка для організації самостійної роботи студентів № 4

2. години

Дисципліна : Медична біологія

Тема: Розв’язування задач на моно-, ди- та полігібрідне схрещування.

Викладач: Рибальченко Віталій Валентинович

Курс, група: І курс, групи 11, 12, 13 спеціальність: 5.110.102 «сестринська справа»

1. Актуальність теми Генетика – це наука про закономірності спадковості та

мінливості. Завдяки спадковості батьки й потомки мають подібний хімічний склад клітин і тканин, характер обміну речовин, подібні фізіологічні функції , морфологічні ознаки та інші особливості. Унаслідок спадковості кожний вид організмів відтворює

себе з покоління в покоління.

Знати закономірності успадкування, встановлені Г.Менделем, і основні поняття сучасної генетики необхідно для того, щоб розуміти механізми спадковості та мінливості.