Кафедра биологии медицинской

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГАОУ ВО «КРЫМСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В. И. ВЕРНАДСКОГО»

МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С.И.ГЕОРГИЕВСКОГО

КАФЕДРА БИОЛОГИИ МЕДИЦИНСКОЙ

С.А. Кутя, М.Ф. Ромашова, В.В. Казакова

«Молекулярно-клеточный уровень организации жизни»

Учебное пособие

К практическим занятиям по биологии

Симферополь

Рецензенты:

Барсуков Н. П. – доктор медицинских наук, профессор

Троценко Б.В. – доктор медицинских наук, профессор

Кутя С. А., Ромашова М. Ф., Казакова В.В.

Молекулярно-клеточный уровень организации жизни -Симферополь, 2016. – 93 с.

В учебном пособии излагается: современное микроскопирование биологических объектов, структурная организация соматических клеток. Также представлены данные по вопросам биологии наследственного аппарата клетки.

Каждый раздел начинается с изложения теоретических вопросов необходимых для понимания механизмов биологических процессов, а завершается контрольными тестами для самоконтроля.

Пособие необходимо для самостоятельной подготовки студента к практическим занятиям по биологии.

© С.А.Кутя, М.Ф.Ромашова, В.В.Казакова, 2016

«Медицина, взятая в плане теории

Это, прежде всего, общая биология»

(И. В. Давыдовский)

Биология — наука о живом. Она изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Предметом изучения медицинской биологии являются живые организмы, их строение, функции, взаимоотношение между организмами, природные сообщества организмов. Человек представляет не­отъемлемую часть живой природы, он входит в природные биоценозы, является важной составной частью различных наземных экосистем. Современный человек — носитель био­логической и социальной форм движения материи, в нем сфокусирована вся высшая сложность строения и регуля­ции материальных явлений.

Биологические проявления жизнедеятельности челове­ка служат отражением единства существования и эволюции живых систем, структурно-функциональную основу кото­рых составляет клетка. Поэтому практическая работа первокурсника на кафедре медицинской биологии начинается с изучения клетки, ее морфологии и физиологии, основ наследственности, реакции на внешние воздействия.

З А Н Я Т И Е 1.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО. КЛЕТОЧНЫЕ И НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ. ПРОКАРИОТИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

1.1. ЗНАЧЕНИЕ ТЕМЫ. Биология как наука про основы жизнедеятельности человека, которая изучает закономерности наследственности, изменчивости, индивидуального и эволюционного развития и морфологической и социальной адаптации человека к условиям окружающей среды в связи с ее биосоциальной сутью.

1.2. ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ. Общая: Современные этапы развития общей и медицинской биологии. Место биологии в системе медицинского образования.

Суть жизни. Формы жизни, ее фундаментальные особенности и атрибуты. Эволюционные изменения структурные уровни организации жизни; элементарные структурные уровни и основы биологического явления, которые их характеризуют. Значение явлений про уровни организации живого для медицины.

Оптические системы в биологических исследованиях. Строение светового микроскопа и правила работы с ним. Техника изготовления временных микропрепаратов, изучение и описание.

1.3. КОНКРЕТНЫЕ ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: У м е т ь

1.3.1. Охарактеризовать назначение основных частей микроскопа.

1.3.2. Работать с малым и большим увеличением микроскопа при изучении микропрепаратов.

1.3.3. Изготовить временный микропрепарат.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Клеточный уровень.

Элементарные структуры - клетки. Элементарные явления - жиз­ненный цикл клеток, их онтогенез. Клетки играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности, поскольку превращают поступающие в организм вещества и энергию в форму пригодную для использования этим организмом. На клеточном уровне обеспечивает­ся материально-энергетическая взаимосвязь живой системы с окру­жающей средой. Каждая клетка является самостоятельно функциони­рующей единицей, но в составе многоклеточных организмов они взаимосвязаны и соподчинены. Клетки формируют ткани, из которых состоят отдельные органы и системы органов живого организма.

Организменный уровень.

Элементарные структуры - организмы и составляющие их системы органов. Элементарные явления - комплекс физиологических процес­сов, обеспечивающих жизнедеятельность. На данном уровне осущест­вляется механизм адаптации и складывается определенное поведение живых существ всложных условиях окружающей среды. Наследственная информация, представленная генотипом, реализуется в тех или иных фенотипических проявлениях.

ЦАРСТВО БАКТЕРИИ.

Общая характеристика: К числу наиболее просто устроенных организмов, видимых лишь при очень сильном увеличении микроско­па, принадлежат бактерии. Длина бактерии в пределах 1 — 10 мкм (редко больше), ширина — от 0,2 до 1 мкм. На размеры бактерии сильно влияют внешние условия. Большинство из них состоит из одной клетки, но имеются и нитчатые мно­гоклеточные виды.

По форме одноклеточные бакте­рии разделяют на кокки, или шаро­видные, палочки (бациллы), имеющие форму цилиндра, вибрионы — изогнутые палочки; пириллы — спи­рально изогнутые палочки.

Некоторые виды бактерии обла­дают активным движением благодаря жгутикам, которые часто бывают длиннее самой бактерии и представ­ляют собой тончайшие выросты ци­топлазмы.

Количество их у разных видов не­одинаковое (один, два и более). Дви­жение бактерий может происходить и при помощи ритмического сокраще­ния клеток, например, у спирилл.

Бактериальная клетка окружена плотной оболочкой, состоящей из гемицеллюлозы и пектина, а иногда и белковых веществ. У большинства оболочка покрыта слизистой капсу­лой, которая защищает бактерию от неблагоприятных условий окружающей среды. Под оболочкой нахо­дится цитоплазматическая мембрана, окружающая цитоплазму клетки. Цитоплазма бактерий содержит питательные вещества (углеводы— гликоген и крахмал, жиры, белки), рибосомы, минеральные вещества гликоген и крахмал, жиры, белки), рибосомы, минеральные вещества и т. д. ДНК у бактерий находится в особой ядерной зоне клетки, называе­мой нуклеоидом. Вокруг нуклеоида не образуется ядерной мембраны. Кокки имеют по одному такому нуклеоиду, а бацилла — по два и бо­лее. Все бактерии не имеют ядрышка. Впячивания цитоплазматиче­ской мембраны, называемые мезосомами, выполняют у бактерий функции, аналогичные функциям митохондрий, комплекса Гольджи и эндоплазматической сети.

Большинство бактерий бесцветны, но встречаются и окрашенные — красные, зеленые и пурпурные бактерии, содержащие специ­фический для них бактериохлорофилл и бактериопурпурин.

По способу питания бактерии делятся на гетеротрофные и авто­трофные. Гетеротрофные бактерии (их большинство) делятся, в свою очередь, на сапрофитов, паразитов и симбионтов. Бактерии- сапрофиты живут на отмерших растениях и трупах животных, на про­дуктах питания и на органических остатках. Они вызывают гниение и брожение (ферментацию) органических веществ. Гниение - это расщепление белков, жиров и других азотсодер­жащих соединений под действием гнилостных бактерий. В результате гниения выделяются азот- и серосодержащие вещества, имеющие не­приятный запах. Этот процесс играет в природе огромную роль, так как очищает землю от труп в животных и растительных остатков. Об­разующиеся при гниении ядовитые вещества могут вызывать отравле­ние или даже смерть людей и животных. В связи с этим запрещается употреблять в пищу или скармливать животным гниющие продукты. Чтобы не допустить гниения продуктов и зеленой массы их подверга­ют стерилизации, сушке, маринованию, копчению, засолке, заморажи­ванию, силосованию и т. п. Эти методы обработки уничтожают гнило­стные бактерии и их споры и (или) создают такие условия, при кото­рых бактерии не могут размножаться

Брожение, или ферментация — это анаэробное расщепление углеводов под влиянием ферментов бактерий. Этот процесс давно был известен людям. На протяжении тысячелетий человек изготавливал вино путем спиртового брожения, заквашивал плоды и овощи путем молочнокислого брожения и т. д.

Бактерии-паразиты живут за счет живых организмов Одни из них болезнетворны и могут вызывать заболевания животных и челове­ка (чуму, тиф, туберкулез, сепсис, пневмонию, перитонит, менингит, ангину, ботулизм, газовую гангрену, столбняк и др). Другие служат причиной болезни растений.

Некоторые гетеротрофные бактерии в процессе эволюции вы­работали способность к симбиозу с высшими растениями. Эго, напри­мер, азотфиксирующие бактерии, живущие на корнях бобовых рас­тений — клубеньковые бактерии. Они поглощают азот из почвы и воздуха и используют его в процессах синтеза цитоплазмы, превращая в соединения, доступные для использования бобовыми растениями, ко­торые в свою очередь доставляют бактериям углеводы и минеральные соли. За один вегетационный период клубеньковые бактерии могут накапливать до 100 кг азота на 1 га. Это учитывается при составлении планов севооборота.

Автотрофные бактерии — это бактерии, которые могут синте­зировать органические вещества из неорганических в результате фото­синтеза (фототрофпые) и хемосинтеза (хемотрофные). К фототрофным относятся пурпурные и зеленые серобактерии, которые синтези­руют составные части своего тела из минеральных веществ и углеки­слого газа, а энергию используют за счет света. Хемотрофные или хе­мосинтетики питаются за счет хемосинтеза, так как органические ве­щества у них синтезируются из неорганических за счет энергии, полу­ченной при химических реакциях. К ним относятся нитрифицирую­щие, железо- и серобактерии. Явление хемосинтеза у бактерии открыл и 1887 I С Н. Виноградский.

Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соли и ам­миак и нитраты, усваиваемые растениями. Эти бактерии распространены в водоемах и почвах. Деятельность железобактерии состоит и том, что они окисляют закисные соединения железа в окисные. Они обитают в соленых и пресных водоемах, участвуя в круговороте желе­за в природе Серобактерии также обитают в соленых и пресных водо­емах они окисляют сероводород и другие соединения серы.

По способу дыхания бактерии делятся на аэробов и анаэробов. Аэ­робы используют для дыхания свободный атмосферный кислород. Анаэробы растут и размножаются в среде без кислорода. Они получа­ют энергию в процессе анаэробного расщепления органических ве­ществ, накапливая различные промежуточные продукты — спирт, мо­лочную кислоту, глицерин и другие вещества.

Обычно бактерии размножаются бесполым путем — делением материнской клетки на две дочерние. Деление проходит очень быстро. В благоприятных условиях некоторые бактерии делятся каждые 20— 30 мин. Иногда две бактерии сливаются друг с другом. При этом слия­нии между ними образуется цитоплазматический мостик, по которому вещества одной клетки переходят в другую. Такой процесс напомина­ет половое размножение.

В неблагоприятных условиях (высыхание субстрата, холод) многие бактерии способны сжиматься, терять воду и переходить в покоящееся состояние до появления благоприятных условий. Некоторые виды бак­терий в неблагоприятных условиях формируют споры. Споры облада­ют большой устойчивостью к различным неблагоприятным условиям. Эти формы бактерий выдерживают длительное кипячение, высушива­ние, замораживание, действие различных химических веществ.

Распространение бактерий в воздухе, почве, воде, ЖИВЫХ организмах. Как аэробные, так и анаэробные бактерии чрезвычайно широко распространены в природе. Они встречаются в почве, воде, живых и мертвых организмах Число бактерий в окру­жающей среде меняется под влиянием различных причин (инсоляции, обработки почвы и т.п.).

Количество бактерий в 1 г почвы может достигать сотен миллионов и даже нескольких миллиардов и зависит от типа почв. Наименьшее количество их находится в подзолистой целинной почве. Наибольшее — в окультуренной черноземной. Бактерии могут проникать в грунт на глубину до 5 метров. Микрофлора является одним из факторов, способствующих образованию почв.

В воде различных водоемов количество бактерий бывает намного меньше, чем в почве. Так, в 1 мл воды может находиться от 5 тыс. до 100 тыс. бактериальных клеток. Меньше всего бактерий встречается в воде артезианских скважин и родников, много — в открытых водоемах и реках. Больше всего бактерий обнаруживается вблизи берегов в по­верхностных слоях.

Особенно сильно загрязнена вода открытых водоемов в тех местах, куда сбрасываются сточные воды. В загрязненной воде часто встреча­ются болезнетворные бактерии (возбудители дизентерии, брюшного тифа, паратифов, холеры, бруцеллеза и др.).

В воздухе бактерии встречается еще меньше, чем в воде Загряз­нение воздуха бактериями зависит от многих причин (от времени года, географической зоны, характера растительности, запыленности и др.). Больше всего бактерии обнаруживается в закрытых помещениях, где их может скапливаться до 300 тыс. в 1 мм³. В сельской местности воз­дух чище, чем в условиях города. Практически отсутствуют бактерии в сосновых и кедровых лесах, так как выделяемые хвойными деревьями фитонциды убивают или подавляют рост и размножение всех видов бактерий.

На теле здоровых людей и животных, а также в различных органах их всегда встречаются многие виды бактерий. Подсчитано, что на ко­же человека может быть огромное количество бактерий (от 85x10⁹ до 1212x10⁶ экземпляров). Особенно много бывает бактерий, в том числе и болезнетворных, на коже человека, если он не соблюдает необходи­мых правил гигиены. Открытые части тела человека загрязняются раз­личными видами сапрофитных и патогенных (болезнетворных) бакте­рий значительно чаще, чем закрытые. Много бактерий обнаруживается на руках, поселяется в ротовой полости и в кишках человека. Из орга­низма одного взрослого человека ежедневно с испражнениями выделя­ется около 18 млрд. бактерий. Практически свободны от бактерий те органы здоровых людей и животных, которые не имеют связи с внеш­ней средой (мышцы, головной и спинной мозг, кровь и др.).

ПРОВЕРКА ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Медицинская биология как наука про основы жизнедеятельности человека, которая изучает закономерности наследственности и изменчивости, индивидуального и эволюционного развития морфологической и социальной адаптации человека к условиям окружающей среды в связи с биосоциальной сутью.

Современные этапы развития медицинской биологии. Место биологии в системе медицинского образования.

Суть жизни. Формы жизни, ее фундаментальные свойства и атрибуты. Эволюционно организованы структурные уровни жизни; элементарные структуры уровней и основы биологических явлений, которые их характеризуют. Значение явлений про уровни организации живого для медицины.

Особое место человека в системе органического света. Отношение физико-химических, биологических и социальных явлений жизнедеятельности человека.

Оптические системы в биологических исследованиях. Строение светового микроскопа и правила работы с ним. Техника изготовления временных микропрепаратов, изучение и описание.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ.

а) установить микроскоп в рабочее положение; определить общее увеличение микроскопа при «малом» и «большом» увеличении;

б) рассмотреть под малым увеличением микроскопа асимметричную букву шрифта: сделать заключение о том, какое изображение дает световой микроскоп;

в) рассмотреть микропрепарат «Волос человека» под «ма­лым» и «большим» увеличением и зарисовать:

г) изготовить временный препарат из волокон ваты, рассмотреть под микроскопом и зарисовать; на рисунке отметить артефакты в виде соринок и пузырьков воздуха.

ЛИТЕРАТУРА: ОСНОВНАЯ (1), ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ (II).

(I) 1.Учебник Биология в 2-х книгах /В.Н. Ярыгин, В.В. Глинкина,

И.Н. Волков, В.В.Синельщикова, Г.В. Черных. / М.,ГЭОТАР-Медиа, 2013. - Т.1. - 736 с.: ил. - Т.2. - 560 с.: ил.

2. Учебник Биология / А.А. Слюсарев, Н.В. Жукова/ Киев: Вища школа, 1987,415 с.

(II) 3.Медицинская паразитология/ Под ред. Н. В. Чебышева/ М.:ОАО-Издательство "Медицина", 2012. - 304 с.: ил.

4. Медицинская паразитология и паразитарные болезни/ Под ред. А.Б. Ходжаян, С.С. Козлова, М.В. Голубевой/ М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 448 с. : ил.

5.Биология с основами медицинской генетики/ Демиденко Л.А./ 3-е изд.- Симферополь, 2013. – 140 с.

6.Сборник тестов по медицинской биологии/ Авторский коллектив:

Кутя С.А. Демиденко Л.А. Ромашова М.Ф. Казакова В.В. Лященко О.И./

Симферополь, 2014. –– 96 с.

7. Методические разработки по цитологии к практическим занятиям по медицинской биологии/ С.А. Кутя ,М.Ф. Ромашова / Симферополь, 2014, - 88 с.

8. Методические разработки по генетике к практическим занятиям по медицинской биологии/ С.А Кутя., В.В. Казакова, М.Ф. Ромашова / Симферополь, 2014, - 88 с.

9.Методические разработки по паразитологии и эволюции к практическим занятиям по медицинской биологии/ С.А. Кутя ,Л.А. Демиденко ,М.Ф. Ромашова / Симферополь, 2014,- 212 с.

З А Н Я Т И Е 2

Органеллы общего значения

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) - разветвленная внутрикле­точная структура, представленная системой субмикроскопических канальцев с расширениями - цистернами.. Существует два типа ЭР.

Гранулярный ЭР, мембраны которого содержат рибосомы (рис. 4) .

Рибосомы - это ультрамикроскопические сферические гранулы, состоящие из двух половинок - большой и малой субъединиц, а также рибосомальной РНК. Главное назначение их - участие в синтезе белка.

Гладкий ЭР несет мембраны, лишенные рибосом. Здесь происходит синтез липидов и углеводов. ЭР объединен с ядром клетки, поскольку наруж­ная мембрана ядра непосредственно переходит в мембраны ЭР. Глад­кий и гранулярный ЭР связаны друг с другом, но отличаются по со­ставу содержащихся в них белков.

Митохондрии. В конце прошлого века в цитоплазме различных кле­ток были выявлены нитевидные и: гранулярные структуры. Ученый Бенда назвал их митохондрии, от греческого “митос” - нить и “хондрос” - зерно. Как по­казала электронная микроскопия, митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембрану (рис. 5).

Рис 6. Схема комплекса Гольджи: 1 – формирующий полюс диктиосомы, 2 – секретирующий полюс диктиосомы, 3 – мешочки-цистерны, 4 – микропузырьки, 5 – лизосома.

Наружная мембрана напоминает сито, прони­цаемое для небольших белков. Внутренняя мембрана образует мно­гочисленные складки -кристы, в виде гребней, вдающихся во внут­реннюю полость, называемую матрикс. Промежуток между наружной и внутренней мембраной называют межмембранным пространством. На кристах содержатся дыхательные ферменты, необходимые для окис­лительного фосфорилирования. Результатом его является образование АТФ и выделение боль­шого количества энер­гии, необходимой для жизнедеятельности кле­ток. Митохондрии со­держат цитоплазматическую ДНК, отличную от ДНК ядра.

Комплекс Гольджи.Указанная органелла названа именем открывше­го ее итальянца Карелло Гольджи в 1896 г. По данным электронной микроскопии он состоит издиктиосом. Каждая диктиосома представляет стопку плоских мешочков-цистерн (рис. 6). Число цистерн в одной диктиосоме 5 - 7. От краев цистерн отделяются микропузырьки.

Основная функция комплекса Гольджи заключается в накоплении и конденсации продуктов синтезируемых эндоплазматическим ретикулумом и в образовании лизосом.

Лизосомы. Лизосомы представляют сферические частицы размерами 0,5 - 2,0 мкм. Они имеют плотную липопротеиновую мем­брану. содержат большой набор гидролитических ферментов. Они необ­ходимы для процессов внутриклеточного пищеварения.

Другой важной функцией лизосом являетсяавтолиз- посмертное растворение структурных компонентов клетки под действием ферментов лизосом.

Центросома.Открыл эту структуру голландский ученый Ван-Бенеден, в 1876 г., но название предложил цитолог Бовери, опять-таки, исполь­зуя греческую терминологию: “центрум” - центр и “сома” - тело. Ти­пичная центросома представлена двумя центриолями. Они соединены перемычкой центродесмозой и окружены «лучистой» сферой - астросферой. При электронной микроскопии центриоли имеют вид ци­линдра, стенки каждого образованы микротрубочками, собранными попарно. Центросома обеспечивает процесс митоза, формируя митотический аппарат клетки.

Пластиды – органеллы свойственные автотрофным клеткам, способных к синтезу органических соединений. Пластиды отличаются по окраске:

1) бесцветные – лейкопласты,

2) окрашенные в зеленый цвет – хлоропласты,

3) различные желто-красные оттенки – хромопласты.

Все пластиды имеют мембранный принцип строения. Наиболее слож­но организованы хлоропласты, содержащие зеленый пигмент хлоро­филл, необходимый для фотосинтеза. Тело хлоропласта состоит из белков и липидов. Внутренняя мембрана хлоропласта ограничивает большую центральную область называемую строма. Она пронизана системой параллельных дисковидных мешочков, возникших в резуль­тате впячивания внутренней мембраны. Этотилакоиды, содержащие фотосинтезирующую систему поглощения света и цепь транспорта электронов. В строме также находятся рибосомы, крахмальные зерна и цитоплазматическая ДНК.

Органеллы специального значения

Реснички и жгутики встреча­ются у одноклеточных организмов (бактерии, простейшие) и у клеток в составе тканей (клетки эпителия трахеи). Они связаны с элементами движения, которые характерны определенным видам клеток.

Миофибриллы имеются в мышечных клетках и обеспечивают сокращение мыщц.

Нейрофибриллы - являются обязательным компонентом многих нервных клеток и их отростков. Участвуют в передаче возбуждения.

Включения - непостоянные компоненты клетки, возникающие в результате внутриклеточного метаболизма или других процессов жизнедеятельности клетки.

В функциональном отношении все включения подразделяются на три группы: трофические, секреторные и специальные,

Трофические включения отражают повседневный метаболизм клетки. Они представлены гранулами гликогена, белковыми зернами, каплями жира.

Секреторные включения характерны, в основном, для желези­стых клеток.

Специальные включения присутствуют в высокоспециализированных клетках. К этой группе относят гранулы пигмента меланина, плотно заполняющего цитоплазму меланоцитов - особых клеток с защитной функцией.

Клеточная мембрана.

Клетка со всех сторон окружена плотно прилегающей мембраной, которая приспосабливается к любому изменению её формы с кажущейся лёгкой пластичностью. Эта мембрана называется плазматической мембраной, или плазмалеммой (греч. plasma - форма; lemma - оболочка).

Клеточная мембрана или плазмолема,представляет тонкую биологическую пленку, которая ограничивает клетку. Все известные биологические мембраны образуют замкнутые пространства – компартменты. Таким образом, главная функция клеточной мембраны – обеспечить поступление в клетку веществ и сохранить постоянство ее состава, то есть клеточной.

Все клетки отделены от окружающей среды плазматической мембраной. Клеточные мембраны не являются непроницаемыми барьерами. Клетки способны регулировать количество и тип проходящих через мембраны веществ, а часто и направление движения.

Общая характеристика клеточных мембран:

1. Разные типы мембран различаются по своей толщине, но в большинстве случаев толщина мембран составляет 5 - 10 нм; например, толщина плазматической мембраны равна 7,5 нм.
2. Мембраны - это липопротеиновые структуры (липид + белок). К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты (гликозильные группы). Обычно на долю углевода в мембране приходится от 2 до 10%.
3. Липиды образуют бислой. Это объясняется тем, что их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.
4. Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт веществ, ферментативная активность, перенос электронов, преобразование энергии, рецепторная активность.
5. На поверхностях гликопротеинов находятся гликозильные группы - разветвленные олигосахаридные цепи, напоминающие антенны. Эти гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
6. Две стороны мембраны могут отличаться одна от другой и по составу, и по свойствам.

Рис 7.В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (4). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).

Функции клеточных мембран:

· ограничение клеточного содержимого от окружающей среды

· регуляция обменных процессов на границе "клетка - окружающая среда"

· передача гормональных и внешних сигналов, контролирующих рост и дифференцировку клеток

· участие в процессе клеточного деления.

Типы проникновения веществ в клетку через мембраны:
Транспорт через мембраны жизненно важен, т.к. он обеспечивает:

· соответствующее значение рН и концентрации ионов

· доставку питательных веществ

· выведение токсичных отходов

· секрецию различных полезных веществ

· создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности.

Регуляция обмена веществ через мембраны зависит от физических и химических свойств мембран и идущих через них ионов или молекул.
Вода - основное вещество, поступающее в клетки и выходящее из них. Движение воды как в живых системах, так и в неживой природе подчиняется законам объёмного потока и диффузии. Объемный поток - это общее движение воды (или другой жидкости), которое происходит благодаря разнице в потенциальной энергии воды, обычно называемой водным потенциалом.

Другой источник водного потенциала - давление. Вода перемещается из области более высокого водного потенциала в область более низкого независимо от причины, создающей это различие. Например, вода, находящаяся на вершине водопада, обладает потенциальной энергией. При падении воды, ее потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая может быть превращена в механическую и способна совершить работу.

Диффузия - это распространение вещества в результате движения их ионов или молекул, которые стремятся выровнять свою концентрацию в системе.

Признаки диффузии: каждая молекула движется независимо от других; эти движения хаотичны. Диффузия - процесс медленный. Но она может быть ускорена в результате тока плазмы, метаболической активности.
Обычно вещества синтезируются в одном участке клетки, а потребляются в другом. Т. о. устанавливается концентрационный градиент, и вещества могут диффундировать по градиенту из места образования к месту потребления.
Органические молекулы, как правило, полярны. Поэтому они не могут свободно диффундировать через липидный барьер клеточных мембран. Однако двуокись углерода, кислород и другие вещества, растворимые в липидах, проходят через мембраны свободно. В обе стороны проходит вода и некоторые мелкие ионы.

Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не пропускают большинство растворённых в ней веществ. Такие мембраны называют полупроницаемыми, а диффузию через такие мембраны - осмосом.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Эндоцитоз и экзоцитоз - это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз). При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза:

1. Фагоцитоз - поглощение твердых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами.

Рис 8.Макрофаг, фагоцитирующий
две красные кровяные клетки

2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки (микропиноцитоз).

Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.

Na-K насос

Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.

Рис 9. Модель работы Na-K насоса

А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка.
Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.
В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки
Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.
Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.

Типы обменных процессов

Совокупность всех реакций биосинтеза принято называть ассимиляцией (лат. ассимиляцию – уподобление), или пластическим обменом. В се реакции пластического обмена идут с поглощением энергии.

Противоположный процесс – распад и окисление клеткой органических соединений – носит название диссимиляции (лат. диссимиляцию - делать неподобным) или энергетического обмена. Все реакции этого процесса идут с выделением энергии.

АТФ как источник клеточной энергии.Для того чтобы осуществлять и выполнять определенные функции клетка нуждается в энергии. Энергия, приобретаемая клеткой, сохраняется главным образом в виде молекул аденозитрифосфата – АТФ (аденозитрифосфорная кислота). Молекула АТФ является нуклеотидом, так как состоит из азотистого основания – аделина, сахара, рибозы и трех фосфатных групп (остатки фосфорной кислоты).

АТФ - это макроэргическое соединение, поскольку в двух фосфатных связях накапливается большое количество энергии. Химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты, неустойчивы. Под действием фермента АТФ – в ходе гидролиза (присоединения воды) один богатый энергией остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ с образованием аденозиндифосфата АТФ и выделением энергии в количестве около 40 кДж/моль. Указанный процесс называется дефосфорилированием.

Обратное явление переход АДФ в АТФ путем присоединения неорганического фосфата – фосфорилированием. Накопление и концентрация энергии в макроэнергетических фосфатных связях при образовании АТФ происходит в ходе энергетического обмена, а также во время фотосинтеза.

Образование АТФ в процессе энергетического обмена.

Энергетическим обменом или диссимиляцией называются процессы распада и окисления клеткой органических соединений. Внутриклеточный этап энергетического обмена подразделяется на два периода.

Первый период безкислородный (анаэробный). Глюкоза поступает из крови в цитоплазму клеток, где под действием ферментов преобразуется в две молекулы молочной кислоты. В реакции участвуют АДФ и Н₂ РО_4.

С₆Н₂ О₆ + 2Н₃ РО₄ + 2АДФ → С ₃Н₆ О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Образование двух молекул АТФ из одной молекулы глюкозы в целом мало эффективно. Количество выделяемой энергии невелико 200 кДж. Основные процессы, связанные с накоплением энергии, происходит во втором периоде.

Второй период – кислородный (аэробный)называют окислительным фосфорилированием (клеточное дыхание). Входе его наблюдается полное кислородное расщепление молочной кислоты до двуокиси углерода СО_2. Происходит освобождение атомов водорода Н (водород выделяется из углеводов в результате прохождения ими сложного ряда химических превращений, называемых циклом Кребса).

Реакция протекает с участием АДФ и Н₃ РО_4.

2С₂ Н₆ О₃ + 6О + 36АДФ + 36НРО → 6СО + 36 АТФ + 42НО

При этом выделяется большое количество энергии 2600 кДж. Окислительное фосфорилирование совершается в митохондриях клеток. Атомы водорода Н (электроны и протоны) переносятся на систему ферментов в митохондриальной мембране. Здесь они окисляются, то есть теряют электроны: Н _{2 __}- 2 _е → 2Н⁺. Образуются свободные электроны е и ионы водорода Н ⁺ (протоны). В ходе дыхания электроны несколько раз пересекают мембрану, вынося протоны Н⁺ в наружную поверхность. Количество положительно заряженных протонов там резко возрастает. Возникает градиент концентрации протонов и электрический потенциал. Благодаря ему, протоны стремятся вернутся назад во внутрь.

ПРОВЕРКА ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Структурно – функциональная организация эукариотической клетки. Химический состав клетки: макро- и микроэлементы. Вода значение водных связей в процессах жизнедеятельности клетки. Органические связи – углевместимость вещей живых организмов. Цитоплазма и цитоскелет. Циклоз. Органеллы цитоплазмы - мембранные