Клетка как открытая живая система: потоки вещества, энергии и информации в клетке, их связь с различными клеточными структурами
Клетка – открытая живая система, которая обменивается с окружающей средой тремя потоками: вещества, энергии и информации.
Обмен веществ клетки нужен для постоянного самообновления ее белков и структурных компонентов, клетка получает из окружающей среды пластический материал, из которого строится тело или производится определенная работа. Для процесса самообновления и совершения работы нужна энергия, универсальным источником энергии является АТФ. Поток веществ и энергии тесно связаны между собой в единый процесс внутриклеточного метаболизма.
Метаболизм представлен 2 каскадами: анаболизм и катаболизм. Ассимиляция (анаболизм) или пластический обмен – усвоение необходимых для организма веществ и превращение их в соединения, аналогичные компонентам этого организма и необходимые для его жизнедеятельности. Диссимиляция (катаболизм) или энергетический обмен – при котором образованные и накопленные при ассимиляции сложные органические соединения разлагаются до более простых соединений или конечных продуктов с постепенным высвобождением энергии, без которых невозможен биосинтез.
Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения —брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием.
Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования АТФ.
Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения (например, креатинфосфат), в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, ре-гуляторную.
Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы — анаэробный гликолиз
Строение биологической мембраны – бислой липидов головками внутрь клетки, а концами обращены друг другу. Пронизывают белки на различной глубине.
Функции клеточной мембраны
1) защитная, барьерная - защита от повреждения и проницаемости вредных веществ
2) адгезивная – межклеточные контакты
3) антигенная – клетки иммунной системы могут различать чужие белки.
4) рецепторная - сигналы опознавания
5) ферментативная
6) биоэлектрическая – на свойствах билипидного слоя нести различные заряды при действие раздражителя.
7) транспортная.
Мембранный транспорт – лежит в основе потока веществ и энергии. Виды транспорта- пассивный и активный, экзо- и эндо- цитоз.
Пассивный транспорт без затраты энергии по градиенту концентрации. (м-на пронизана порами)
Способы
1) простая диффузия через поры (через поры мембран; вещества, растворимые в жидкости, газы);
2) облегченная диффузия - белки переносчики
3) осмос (вода поступает в клетку)
Активный транспорт
Проходит с затратой энергии, вещества поступают против градиента концентраций, против электрохимического градиента.
Механизмы:
1) Первично-активный транспорт (работа ионных насосов, источник энергии – АТФ)
Ионные насосы:
- водородные (митохондрии);
- кальциевые
- Na, К-АТФаза
2) Вторично-активный транспорт (источник энергии – одновременный перенос другого вещества с помощью белков-переносчиков)
- экзо- и эндоцитоз
Эндоцитоз – поглощение веществ клеткой. Процесс открыт Мечниковым (1882 г.). В клетку поступают крупные макромолекулы. Мембрана образует впячивания или выросты, которые превращаются в пузырьки.
1) Фагоцитоз (клетки печени, лейкоциты, простейшие
Осуществляют клетки-фагоциты; фагосомы-пузырьки.
2) Пиноцитоз – поглощение жидкостей в виде истинных и коллоидных растворов (пример: всасывание веществ в кишечнике).
Экзоцитоз – выведение веществ из клетки связан с образованием транспортных пузырьков в комплексе Гольджи или ЭПР, которые затем направляются к клеточной мембране. Бывает:
- основной (конститутивный) – протекает непрерывно во всех клетках организма, обеспечивает выведение из клеток продуктов метаболизма и постоянное восстановление и обновление клеточной мембраны.
- регуляторный (регулируемый) – осущетвляется секреторными клетками, которые для работы требуют поступление в них соответствующего сигнала извне (пример: выделение гормонов поджелудочной железы при поступлении глюкозы).
Благодаря потоку информации клетки сохраняют и передают потомкам многовековой опыт своих предшественниц, а именно сохраняют индивидуальную и видовую специфичность, воссоздают свою структурную организацию и сохраняют способность к выполнению своих функций в организме. Белковые молекулы не способны к самовоспроизведению, необходима матрица т.е носитель информации – молекула нуклеиновых кислот (ДНК). В потоке информации участвует ядро (ДНК, хромосомы), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (иРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот).
Кроме ядерного генома (основного) функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых пластидах – и хлоропласты
1) У Прокариот: ДНК → транскрипция → и-РНК → транцляция → белок
2) У Эукариот: ДНК → транскрипция → про-иРНК → процессинг → сплайсинг →
→ «зрелая» и-РНК → трансляция → белок.
5.Неорганические соединения клетки.
В клетках обнаружено около 90 элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Первую, группу - около 98% массы клетки - образуют четыре элемента: Н, О, С и N. Их называют макроэлементами. Больше всего в них кислорода - 70%, углерода - 18%, водорода - 10%, азота - до 3 %. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с двумя элементами второй группы - S и Р, являющимися необходимыми составными частями молекул биологических полимеров - белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами. В меньших количествах в состав клетки входят 6 элементов: калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Na, К и Сl обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании, межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са - один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Fe входит в состав гемоглобина- белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Mg в клетках растений включен в хлорофилл - пигмент, обусловливающий фотосинтез,а у животных входит а состав биологических катализаторов- ферментов, участвующих в биохимических превращениях.
Микроэлементы. Zn, Сu, J, F и др. Содержатся в клетке в очень малых количествах. Общий их вкладов массу клетки всего 0,02%. Zn входит в молекулу гормона поджелудочной железы - инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов, а J - необходимый компонент тироксина - гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития. Несмотря на малое количество этих элементов, входящих в вещества клеток и тканей, значение их велико.
Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами. Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи.
Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество и т.д.
Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.
Биологическое значение воды:
является основой внутренней и внутриклеточной среды,
обеспечивает транспорт веществ,
гидратирует полярные молекулы,
служит растворителем и средой для диффузии,
участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
способствует охлаждению организма,
является средой обитания для многих организмов,
является средой, в которой происходит оплодотворение,
у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.
Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде, или твердом.
6. Органические компоненты клетки. Липиды и углеводы .
Липиды — это жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Липиды принадлежат к простейшим биологическим молекулам.
В химическом отношении большинство липидов представляет собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и ряда спиртов. Наиболее известны среди них жиры. Каждая молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерола и присоединенными к ней эфирными связями трех молекул высших карбоновых кислот.
Атомы углерода в молекулах высших карбоновых кислот могут быть соединены друг с другом как простыми, так и двойными связями. Из предельных (насыщенных) высших карбоновых кислот наиболее часто в состав жиров входят пальмитиновая, стеариновая, из непредельных (ненасыщенных) — олеиновая и линолевая.
Степень ненасыщенности и длина цепей высших карбоновых кислот (т. е. число атомов углерода) определяют физические свойства того или иного жира.
Углеводы Выделяют три группы углеводов:
• моносахариды, или простые сахара;
• олигосахариды (греч. oligos — немногочисленный) — соединения, состоящие из 2—10 последовательно соединенных молекул простых Сахаров;
• полисахариды, состоящие более чем из 10 молекул простых Сахаров или их производных.
7. Органические компоненты клетки. Белки и аминокислоты
Аминокислоты — структурные компоненты белков.Белки, или протеины (греч. protos — первостепенный), — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NH2) группы. Боковые цепи аминокислот (радикал) могут быть гидрофобными или гидрофильными, что придает белкам соответствующие свойства, которые проявляются при образовании вторичной, третичной и четвертичной структур белка.
У растений все необходимые аминокислоты синтезируются из первичных продуктов фотосинтеза. Человек и животные не способны синтезировать ряд протеиногенных аминокислот и должны получать их в готовом виде вместе с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин; атакже аргинин и гистидин — незаменимые для детей
8.Органические компоненты клетки. Нуклеиновые кислоты
В природе существует два вида нуклеиновых кислот — дезок-сирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пяти-углеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК— рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме.
ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав рибосом; молекулы РНК содержатся также в цитоплазме, матриксе пластид и митохондрий.
9.Репликация и транскрипция
При синтезе макромолекул ДНК, РНК или белков один активный центр фермента не в состоянии обеспечить специфическую последовательность четырёх кодирующих единиц. Он может связывать между собой только один или несколько «строительных блоков», а нуклеиновые кислоты содержат в своём составе тысячи нуклеотидов. Поэтому матрицей для синтеза цепи молекулы ДНК служит другая цепь ДНК.
РЕПЛИКАЦИЯ = удвоение ДНК. Это полуконсервативная матричная реакция. Материнская ДНК состоит из 2 комплементарных друг другу полинуклеотидных цепей; комплементарные нуклеотиды соединены друг с другом водородными связями, которые и связывают эти 2 цепи в двойную спираль. В процессе репликации эти водородные связи разрушаются, и на каждой из цепей синтезируется новая (дочерняя) полинуклеотидная цепь по принципу комплементарности: аденину комплементарен тимин, а гуанину - цитозин. Таким образом, в каждой новой молекуле ДНК одна цепь - материнская, а другая - дочерняя (в этом и заключается полуконсервативность синтеза) .
ТРАНСКРИПЦИЯ (от англ. transcript - переписывание) - синтез и-РНК на ДНК (каждая молекула и-РНК копирует 1 ген) . Принцип тот же, но адениловому нуклеотиду ДНК комплементарен не тимидиловый, а урациловый нуклеотид РНК. Синтез и-РНК обычно протекает только на одной из цепей ДНК.
Реплицация и транскрипция происходят в ядре клетки.
10. Трансляция и репарация
ТРАНСЛЯЦИЯ (от англ. translate - перевод) - синтез молекулы белка (полипептидной цепи) на молекуле и-РНК. Происходит в цитоплазме на рибосомах (на гранулярной ЭПС, в митохондриях, хлоропластах) . В рибосомах имеются 2 активных центра - аминоацильный и пептидильный, в которых осуществляется присоединение к полипептидной цепи новых аминокислот (реакция поликонденсации) в соответствии с генетическим кодом (каждому триплету нуклеотидов = кодону соответсвует определённая аминокислота; генетический код вырожден: многие аминокислоты кодируются не одним, а несколькими кодонами) . Аминокислоты к месту синтеза (рибосомам) транспортируются молекулами т-РНК, имеющими на средней петле антикодон, комплементарный кодонам и-РНК, кодирующим соответствующую аминокислоту. На одной молекуле и-РНК одновременно идёт синтез нескольких полипептидных цепей
Репарация (в ядре клетки) — устранение повреждений молекулы ДНК, вызванных эндогенными и экзогенными факторами. Для репарации необходима одна неповрежденная цепь ДНК.
Этапы репарации:
1) узнавание места повреждения и разрыв 3'-5'-фосфодиэфирных связей,
2) удаление поврежденных мононуклеотидов,
3) биосинтез нового фрагмента по принципу комплементарности,
4) связывание нового участка ДНК со старой цепью.
Ферменты репарации: эндонуклеаза, экзонуклеаза, ДНК-полимераза репарирующая, ДНК-лигаза.
Субстратами и источниками энергии являются д-АТФ, д-ГГФ, д-ТТФ, д-ЦТФ.
Репарация не происходит, если:
1) отсутствуют ферменты репарации или имеются в недостаточном количестве,
2) повреждаются комплементарные азотистые основания во второй цепи ДНК.
При нарушении репарации возникают наследственные заболевания, онкозаболевания, происходит преждевременное старение клетки.
11.Клетка - основная форма организации живой материи. Основные структурные компоненты эукариотической клетки. Поверхностный аппарат клетки. Биологически активные вещества, синтезируемые в клетке, их значение для медицины.
Биологически активные вещества
К биологически активным веществам относятся: ферменты, витамины и гормоны. Это жизненно важные и необходимые соединения, каждое из которых выполняет незаменимую и очень важную роль в жизнедеятельности организма.
Переваривание и усвоение пищевых продуктов происходит при участии ферментов. Синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, липидов, гормонов и других веществ в тканях организма представляет собой также совокупность ферментативных реакций. Впрочем, и любое функциональное проявление живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и т.д. - тоже непосредственно связаны с действием соответствующих ферментных систем. Иными словами, без ферментов нет жизни.
Их значение для человеческого организма не ограничивается рамками нормальной физиологии. В основе многих заболеваний человека лежат нарушения ферментативных процессов.
Витамины могут быть отнесены к группе биологически активных соединений, оказывающих свое действие на обмен веществ в ничтожных концентрациях. Это органические соединения различной химической структуры, которые необходимы для нормального функционирования практически всех процессов в организме. Они повышают устойчивость организма к различным экстремальным факторам и инфекционным заболеваниям, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ и т.д.
Гормоны - это продукты внутренней секреции, которые вырабатываются специальными железами или отдельными клетками, выделяются в кровь и разносятся по всему организму в норме вызывая определенный биологический эффект.
Сами гормоны непосредственно не влияют на какие-либо реакции клетки. Только связавшись с определенным, свойственным только ему рецептором вызывается определенная реакция.
12.Мембранные органеллы клетки (строение и функции).
Все мембранные органеллы клетки делятся на одномембранные и двумембранные. Рассмотрим их согласно систематике.
Одномембранные:
Все одномембранные органоиды образуют единую вакуолярную систему, которая обеспечивает разделение цитоплазмы на компоненты – отсеки, в которых протекают различные реакции.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), — одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС. Мембраны с одной стороны связаны с цитоплазматической мембраной, с другой — с наружной ядерной мембраной. Различают два вида ЭПС: 1) шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы, и 2) гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут.
Функции:
1) транспорт веществ из одной части клетки в другую.
2) разделение цитоплазмы клетки на компартменты ( «отсеки»).
3) синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС)
4) синтез белка (шероховатая ЭПС).
5) место образования аппарата Гольджи.
Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид. Представляет собой стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями. С ними связана система мелких одномембранных пузырьков (пузырьки Гольджи). Каждая стопка обычно состоит из 4-х–6-ти «цистерн», является структурно-функциональной единицей аппарата Гольджи и называется диктиосомой. Число диктиосом в клетке колеблется от одной до нескольких сотен. В растительных клетках диктиосомы обособлены. Аппарат Гольджи обычно расположен около клеточного ядра (в животных клетках часто вблизи клеточного центра).
Функции аппарата Гольджи:
1) накопление белков, липидов, углеводов,
2) модификация поступивших органических веществ,
3) «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов,
4) секреция белков, липидов, углеводов,
5) синтез углеводов и липидов,
6) место образования лизосом.
Секреторная функция является важнейшей, поэтому аппарат Гольджи хорошо развит в секреторных клетках.
Лизосомы — одномембранные органоиды. Представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор гидролитических ферментов. Ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС, перемещаются в аппарат Гольджи, где происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи становятся собственно лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов гидролитических ферментов. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом.
Различают:
1) первичные лизосомы,
2) вторичные лизосомы.
Первичными называются лизосомы, отошедшие от аппарата Гольджи. Первичные лизосомы являются фактором, обеспечивающим экзоцитоз ферментов из клетки.
Вторичными называются лизосомы, образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями. В этом случае в них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, поэтому их можно назвать пищеварительными вакуолями.
7Функции лизосом:
1) внутриклеточное переваривание органических веществ,
2) уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур,
3) участие в процессах реорганизации клеток.
Вакуоли — одномембранные органоиды, представляют собой «емкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ. В образовании вакуолей принимают участие ЭПС и аппарат Гольджи. Молодые растительные клетки содержат много мелких вакуолей, которые затем по мере роста и дифференцировки клетки сливаются друг с другом и образуют одну большую центральную вакуоль. Центральная вакуоль может занимать до 95% объема зрелой клетки, ядро и органоиды оттесняются при этом к клеточной оболочке. Мембрана, ограничивающая растительную вакуоль, называется тонопластом. Жидкость, заполняющая растительную вакуоль, называется клеточным соком. В состав клеточного сока входят водорастворимые органические и неорганические соли, моносахариды, дисахариды, аминокислоты, конечные или токсические продукты обмена веществ (гликозиды, алкалоиды), некоторые пигменты (антоцианы).
В животных клетках имеются мелкие пищеварительные и автофагические вакуоли, относящиеся к группе вторичных лизосом и содержащие гидролитические ферменты. У одноклеточных животных есть еще сократительные вакуоли, выполняющие функцию осморегуляции и выделения.
Функции вакуоли:
1) накопление и хранение воды,
2) регуляция водно-солевого обмена,
3) поддержание тургорного давления,
4) накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ,
5)окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и распространителей семян
Двухмембранные:
Митохондрии-постоянно присутствующий в клетках животных и растений органоид, обеспечивающий клеточное дыхание, в результате которого энергия высвобождается или аккумулируется в легко используемой форме. Митохондрия ограничена двумя мембранами. Наружная мембрана митохондрий гладкая, внутренняя образует многочисленные складки — кристы. Кристы увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом. В матриксе содержатся кольцевая ДНК, специфические иРНК, рибосомы прокариотического типа. Митохондриальная ДНК не связана с белками («голая»), прикреплена к внутренней мембране митохондрии и несет информацию о строении белков. Митохондрии способны автономно размножаться путем деления надвое.
Функции митохондрий:
1) синтез АТФ,
Пластиды характерны только для растительных клеток. Различают три основных типа пластид: лейкопласты — бесцветные пластиды в клетках неокрашенных частей растений, хромопласты — окрашенные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого цветов, хлоропласты — зеленые пластиды.
Хлоропласты. В клетках высших растений хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Хлоропласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет сложную складчатую структуру. Наименьшая складка называется тилакоидом. Группа тилакоидов, уложенных наподобие стопки монет, называется граной. Граны связываются друг с другом уплощенными каналами — ламеллами. В мембраны тилакоидов встроены фотосинтетические пигменты и ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Главным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл, который и обусловливает зеленый цвет хлоропластов.
Внутреннее пространство хлоропластов заполнено стромой. В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы, зерна крахмала Хлоропласты, также как митохондрии, способны к автономному размножению путем деления надвое. Они содержатся в клетках зеленых частей высших растений, особенно много хлоропластов в листьях и зеленых плодах. Хлоропласты низших растений называют хроматофорами.
Функция хлоропластов:
1) фотосинтез.
Лейкопласты. Лейкопласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует малочисленные тилакоиды. В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы, ферменты синтеза и гидролиза запасных питательных веществ. Пигменты отсутствуют. Особенно много лейкопластов имеют клетки подземных органов растения (корни, клубни, корневища и др.).
Функция лейкопластов:
1) синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ
Хромопласты. Ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя или также гладкая, или образует единичные тилакоиды. В строме имеются кольцевая ДНК и пигменты — каротиноиды, придающие хромопластам желтую, красную или оранжевую окраску. Содержатся в клетках зрелых плодов, лепестков, осенних листьев, редко — корнеплодов. Хромопласты считаются конечной стадией развития пластид.
Функция хромопластов:
1)окрашивание цветов и плодов и тем самым привлечение опылителей и распространителей семян.
13.Немембранные органеллы клетки (строение и функции).
Рибосомы — немембранные органоиды, состоящие из двух субъединиц — большой и малой, на которые могут диссоциировать. Химический состав рибосом — белки и рРНК. Различают два типа рибосом:
1) эукариотические(субъединицы рибосомы эукариот образуются в ядрышке. Объединение субъединиц в целую рибосому происходит в цитоплазме, как правило, во время биосинтеза белка).
2) прокариотические
Функция рибосом:
сборка полипептидной цепочки (синтез белка).
Цитоскелет образован микротрубочками и микрофиламентами. Микротрубочки — цилиндрические неразветвленные структуры. Основной химический компонент — белок тубулин. Микротрубочки разрушаются под воздействием колхицина. Микрофиламенты- состоят из белка актина. Микротрубочки и микрофиламенты образуют в цитоплазме сложные переплетения.
Функции цитоскелета:
1) определение формы клетки,
2) опора для органоидов,
3) образование веретена деления,
4) участие в движениях клетки,
5) организация тока цитоплазмы.
Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой через определенные интервалы поперечными сшивками. Центриоли объединены в пары, где они расположены под прямым углом друг к другу. Перед делением клетки центриоли расходятся к противоположным полюсам, и возле каждой из них возникает дочерняя центриоль. Они формируют веретено деления, способствующее равномерному распределению генетического материала между дочерними клетками. В клетках высших растений (голосеменные, покрытосеменные) клеточный центр центриолей не имеет. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы, они возникают в результате дупликации уже имеющихся центриолей.
Функции:
1) обеспечение расхождения хромосом к полюсам клетки во время митоза или мейоза,
2) центр организации цитоскелета.
14.Клеточное ядро (строение и функции). Гетеро- и эухроматин.
Строение и функции клеточного ядра
Ядро есть в любой эукариотической клетке. Ядро может быть одно, или в клетке могут быть несколько ядер (в зависимости от ее активности и функции).
Клеточное ядро состоит из оболочки, ядерного сока, ядрышка и хроматина. Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных перинуклеарным (околоядерным) пространством, между которыми находится жидкость. Основные функции ядерной оболочки: обособление генетического материала (хромосом) от цитоплазмы, а также регуляция двусторонних взаимоотношений между ядром и цитоплазмой.
Ядерная оболочка пронизана порами, которые имеют диаметр около 90 нм. Область поры (поровый комплекс) имеет сложное строение (это указывает на сложность механизма регуляции взаимоотношений между ядром и цитоплазмой). Количество пор зависит от функциональной активности клетки: чем она выше, тем больше пор (в незрелых клетках пор больше).
Основа ядерного сока (матрикса, нуклеоплазмы) – это белки. Сок образует внутреннюю среду ядра, играет важную роль в работе генетического материала клеток. Белки: нитчатые или фибриллярные (опорная функция), гетероядерные РНК (продукты первичной транскрипции генетической информации) и мРНК (результат процессинга).
Ядрышко – это структура, где происходят образование и созревание рибосомальных РНК (р-РНК). Гены р-РНК занимают определенные участки нескольких хромосом В метафазных хромосомах эти участки называются вторичными перетяжками и имеют вид сужений. Электронная микроскопия выявила нитчатый и зернистый компоненты ядрышек. Нитчатый (фибриллярный) – это комплекс белков и гигантских молекул-предшественниц р-РНК, которые дают в последующем более мелкие молекулы зрелых р-РНК. При созревании фибриллы превращаются в рибонуклеопротеиновые гранулы (зернистый компонент).
Хроматин получил свое название за способность хорошо прокрашиваться основными красителями; в виде глыбок он рассеян в нуклеоплазме ядра и является интерфазной формой существования хромосом.
Хроматин состоит в основном из нитей ДНК (40 % массы хромосомы) и белков (около 60 %), которые вместе образуют нуклеопротеидный комплекс. Выделяют гистоновые (пять классов) и негистоновые белки.
Гистонам (40 %) принадлежат регуляторная (прочно соединены с ДНК и препятствуют считыванию с нее информации) и структурная функции (организация пространственной структуры молекулы ДНК). Негистоновые белки (более 100 фракций, 20 % массы хромосомы): ферменты синтеза и процессинга РНК, репарации редупликации ДНК, структурная и регуляторная функции. Кроме этого, в составе хромосом обнаружены РНК, жиры, полисахариды, молекулы металлов.
В зависимости от состояния хроматина выделяют эухромати-новые и гетерохроматиновые участки хромосом. Эухроматин отличается меньшей плотностью, и с него можно производить считывание генетической информации. Гетерохроматин более компактен, и в его пределах информация не считывается. Выделяют конститутивный (структурный) и факультативный гетерохро-матин.
Функции ядра клетки:
1)регуляция процессов обмена веществ в клетке;
2)хранение наследственной информации и ее воспроизводство;
3)синтез РНК;
4)сборка рибосом.
Но все-таки главная функция ядра - хранение и передача наследственной информации ( связана с хромосомами).
15Методический цикл клетки. Характеристика периодов. Митоз. Биологическое значение митоза. Амитоз. Эндомитоз.
1. Понятие о жизненном цикле
Жизненный цикл – это время существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или естественной гибели.
Важнейшим компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл. Он представляет собой комплекс взаимосвязанных и согласованных явлений во время деления клетки, а также до и после него. Митотический цикл – это совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток следующей генерации.
Митоз – это основной тип деления соматических эукариотических клеток. Процесс деления включает в себя несколько последовательных фаз и представляет собой цикл.
Митотический цикл состоит из четырех последовательных периодов: пресинтетического (или постмитотического) G1, синтетического S, постсинтетического (или премитотического) G2 и собственно митоза. Они составляют автокаталитическую интерфазу (подготовительный период).
Фазы клеточного цикла:
1) пресинтетическая (G1). Идет сразу после деления клетки. Синтеза ДНК еще не происходит. Клетка активно растет в размерах, запасает вещества, необходимые для деления: белки, РНК, молекулы АТФ. Происходит деление митохондрий и хлоропластов. Восстанавливаются черты организации интерфазной клетки после предшествующего деления;
2) синтетическая (S). Происходит репликации ДНК. Она происходит полуконсервативным способом, когда двойная спираль молекулы ДНК расходится на две цепи и на каждой из них синтезируется комплементарная цепочка.
В итоге образуются две идентичные двойные спирали ДНК, каждая из которых состоит из одной новой и старой цепи ДНК. Количество наследственного материала удваивается. Кроме этого, продолжается синтез РНК и белков.
3) постсинтетическая (G2). ДНК уже не синтезируется, но происходит репарация. Также накапливаются энергия и питательные вещества, продолжается синтез РНК и белков (преимущественно ядерных).
После этого наступает собственно митоз, который состоит из четырех фаз.
Митоз. Характеристика основных этапов
Деление клетки включает в себя два этапа – деление ядра (митоз, или кариокинез) и деление цитоплазмы (цитокинез).
Митоз состоит из четырех последовательных фаз – профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Ему предшествует период, называемый интерфазой (см. характеристику митотического цикла).
Фазы митоза:
1) профаза. Центриоли клеточного центра делятся и расходятся к противоположным полюсам клетки. Из микротрубочек образуется веретено деления, которое соединяет центриоли разных полюсов. В начале профазы в клетке еще видны ядро и ядрышки, к концу этой фазы ядрышки распадаются. Начинается конденсация хромосом: они скручиваются, утолщаются.
2) метафаза. Заканчивается образование веретена деления.
Конденсированные хромосомы выстраиваются по экватору клетки. Микротрубочки веретена деления прикрепляются к центромерам, или кинетохорам (первичным перетяжкам), каждой хромосомы. После этого каждая хромосома продольно расщепляется на две хроматиды (дочерние хромосомы) которые оказываются связанными только в участке центромеры;
3) анафаза. Между дочерними хромосомами разрушается связь, и они начинают перемещаться к противоположным полюсам клетки. В конце анафазы на каждом полюсе оказывается по диплоидному набору хромосом. Хромосомы начинают деконденсироваться и раскручиваться, становятся тоньше и длиннее;
4) телофаза. Хромосомы полностью деспирализуются, восстанавливается структура ядрышек и интерфазного ядра, монтируется ядерная мембрана. Разрушается веретено деления. Происходит цитокинез (деление цитоплазмы). В животных клетках этот процесс начинается с образования в экваториальной плоскости перетяжки, которая все более углубляется и в конце концов полностью делит материнскую клетку на две дочерние.
4. Нетипичные формы митоза
К нетипичным формам митоза относятся амитоз, эндомитоз
1. Амитоз – это прямое деление ядра. При этом сохраняется морфология ядра, видны ядрышко и ядерная мембрана. Хромосомы не видны, и их равномерного распределения не происходит. Ядро делится на две относительно равные части без образования митотического аппарата. Если при этом деление заканчивается, возникает двухъядерная клетка.
2. Эндомитоз. При этом типе деления после репликации ДНК не происходит разделения хромосом на две дочерние хроматиды. Это приводит к увеличению числа хромосом в клетке иногда в десятки раз по сравнению с диплоидным набором. Так возникают полиплоидные клетки. В норме этот процесс имеет место в интенсивно функционирующих тканях, например, в печени, где полиплоидные клетки встречаются очень часто. Однако с генетической точки зрения эндомитоз представляет собой геномную соматическую мутацию.
2. Биологическое значение жизненного цикла
Обеспечивает связь генетического материала в ряду клеток дочерних генераций; приводит к образованию клеток, равноценных как по объему, так и по содержанию генетической информации.
16. Мейоз. Биологическое значение мейоза.
Мейоз - основа полового размножения организмов. Это особая форма клеточного деления, при которой из диплоидных материнских половых клеток образуются дочерние гаплоидные.
Интерфаза
Удвоение молекулы ДНК
2n4c
Мейоз включает два последовательных деления.
I мейотическое деление называют редукционным. Оно включает 4 стадии.
Профаза1
1. Лептотена
Увеличивается ядро.
Спирализация хромосом.
2. Зиготена
Коньюгация гомологичных хромосом.
3. Пахитена
Заканчивается сближение хромосом.
Дальнейшая спирализация хромосом.
Кроссинговер
4. Диплотена
Хромосомы начинают отходить друг от друга, но гомологичные хромосомы остаются соединенными в точках- хиазмах.
Дальнейшая спирализация и укорочение хромосом.
5. Диакинез
Ядерная оболочка и ядрышко растворяются.
Центриоли расходятся к полюсам клетки.
2n4c
Метафаза1
Биваленты хромосом располагаются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. К ним прикрепляются нити веретена деления. 2n4c
Анафаза1
Хромосомы расходятся к полюсам клетки. 2n4c
Телофаза1
На короткое время у каждого полюса вокруг группы хромосом образуется ядерная оболочка, хромосомы деспирализуются, ядро становится интерфазным. 1n2c
После телофазы I в животной клетке начинается цитокинез, растительной клетке – формирование клеточной стенки. У многих видов растений нет стадии телофаза I, клеточная стенка не образуется и клетки из анафазы I сразу переходят в профазу II.
Интерфаза II есть только у животных клеток. При этом во время интерфазы II редупликация ДНК не происходит.
2 мейотическое деление называют эквакционным.
Профаза2
Разрушение ядрышка и ядерной оболочки. Расхождение центриолей к полюсам клетки. Хромосомы укорачиваются и утолщаются. Образуется веретено деления. 1n2c
Метафоза2
Хромосомы выстраиваются по экватору клетки. 1n2c
Анафаза2
Расхождение хроматид к полюсам клетки. 1n2c
Телофаза2
Образуются 4 клетки с набором 1n1c
Биологическое значение мейоза.
1) Мейоз приводит к уменьшению числа хромосом вдвое, что обусловливает постоянство видов на Земле.
2) Мейоз обеспечивает разнородность гамет по генному составу (в профазе может происходить кроссинговер, метафазе – свободное перекомбинирование хромосом). Случайная встреча половых клеток (=гамет) – сперматозоида и яйцеклетки с разным набором генов обусловливает комбинативную изменчивость. Гены родителей во время оплодотворения комбинируются, поэтому у их детей могут появиться признаки, которых не было у родителей.
17. Размножение - основное свойство живого. Отличия бесполого и полового размножения. Формы и биологическое значение бесполого размножения.
Размножение – универсальное свойство всех живых организмов, способность воспроизводить себе подобных. С его помощью происходит сохранение во времени видов и жизни в целом. Оно обеспечивает смену поколений. Жизнь клеток, составляющих организм, намного короче жизни самого организма, поэтому его существование поддерживается только за счет размножения клеток. Различают два способа размножения – бесполое и половое. При бесполом размножении главным клеточным механизмом, обеспечивающим увеличение числа клеток, является митоз. Родителем является одна особь. Потомство представляет собой точную генетическую копию родительского материала.
Формы бесполого размножения
У одноклеточных организмов выделяют следующие формы бесполого размножения: деление, эндогонию, шизогонию (множественное деление) и почкование, спорообразование.
Деление характерно для таких одноклеточных, как амебы, инфузории, жгутиковые. Сначала происходит митотическое деление ядра, затем цитоплазма делится пополам все более углубляющейся перетяжкой. При этом дочерние клетки получают примерно одинаковое количество цитоплазмы и органоидов.
Эндогония (внутреннее почкование) характерно для токсоплазмы. При образовании двух дочерних особей материнская дает лишь двух потомков. Но может быть внутреннее множественное почкование, что приведет к шизогонии.
Шизогония развивается на основе предыдущей формы. Встречается у споровиков (малярийного плазмодия) и др. Происходит многократное деление ядра без цитокинеза. Затем вся цитоплазма разделяется на части, которые обособляются вокруг новых ядер. Из одной клетки образуется очень много дочерних.
Почкование (у бактерий, дрожжевых грибов и др.). При этом на материнской клетке первоначально образуется небольшой бугорок, содержащий дочернее ядро (нуклеоид). Почка растет, достигает размеров материнской особи, а затем отделяется от нее.
Спорообразование (у высших споровых растений: мхов, папоротников, плаунов, хвощей, водорослей). Дочерний организм развивается из специализированных клеток – спор, содержащих гаплоидный набор хромосом. В царстве бактерий тоже встречается спорообразование. Cпоры, покрытые плотной оболочкой, защищающей ее от неблагоприятных воздействий окружающей среды, не способ размножения, а способ переживания неблагоприятных условий.
Биологическая роль бесполого размножения
Поддержание наибольшей приспособленности в малоизменяющихся условиях окружающей среды. Оно усиливает значение стабилизирующего естественного отбора; обеспечивает быстрые темпы размножения; используется в практической селекции. Бесполое размножение встречается как у одно-, так и у многоклеточных организмов. У одноклеточных эукариот бесполое размножение представляет собой митотическое деление, у прокариот – деление нуклеоида, у многоклеточных форм – вегетативное размножение.