Катаболическая система клетки
К катаболической системе клетки относятся: лизосомы, микротельца (пероксисомы, глиоксисомы) и митохондрии.
Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Они представляют собой мелкие (0,2-1 мкм) округлые тельца, покрытые элементарной мембраной, и содержащие до 30-ти различных гидролитических ферментов. При поступлении в цитоплазму эндосом происходит слияние их
с первичными лизосомами, ферменты которых активируются, и образуют фагосомы (вторичные лизосомы), в них происходит расщепление сложных органических соединений до более простых (белков до аминокислот и т.д.).
Вторичные лизосомы, в которых не завершен процесс переваривания называются остаточными тельцами. В пероксисомах происходит окисление аминокислот с образованием перекиси водорода (Н2О2), которая участвует во многих обменных реакциях, в том числе и в неспецифической защите клетки от паразитов. Пероксисомы образуются эндоплазматической сетью. В глиоксисомах происходит превращение жиров в углеводы. Они образуются в комплексе Гольджи.
Митохондрияимеет две мембраны - наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует впячивания в полость митохондрии, которые называются кристы. На кристах митохондрий расположены сферические тельца на ножках - АТФ-сомы. Между кристами располагается матрикс, который содержит автономную систему биосинтеза белка (кольцевые молекулы ДНК и рибосомы). Основные функции митохондрий: синтез АТФ, специфических белков и стероидных гормонов.
Энергетический обмен, или диссимиляция, включает три этапа:
I – подготовительный;
II - бескислородный (анаэробный, гликолиз);
III – кислородный (аэробный).
Первичным источником энергии на Земле является Солнце. Его световая энергия аккумулируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза в химических связях сложных органических соединений. Гетеротрофные организмы способны усваивать только этот вид энергии.
Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе организмов и в лизосомах клеток и заключается в том, что сложные органические соединения расщепляются до более простых: белки до аминокислот, полисахариды до моносахаридов, жиры до глицерина и жирных кислот. Высвобождающаяся энергия рассеивается в виде тепла.
Анаэробный этап протекает в цитоплазме клеток. При гликолизе моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты распадаются до пировиноградной или молочной кислот. При анаэробном расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В гликолизе участвует 10 ферментов цитоплазмы.
Аэробный этап энергетического обмена протекает в митохондриях.Образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота, соединяется с коферментом А и в таком виде (Ацетил КоА) поступает в матрикс митохондрий. Митохондрии содержат 3 группы ферментов: цикла Кребса (матрикс), тканевого дыхания (кристы) и окислительного фосфорилирования (АТФ-сомы). Ацетил Ко А поступает в цикл Кребса, ферменты которого (дегидрогеназы) постепенно отщепляют от его молекулы атомы водорода, образуя в итоге диоксид углерода. Диоксид углерода выделяется из митохондрии. Атомы водорода расщепляются на протоны и электроны, которые поступают в систему ферментов тканевого дыхания, где в процессе перехода в электронтранспортной цепи (электронный каскад) накапливаются по разные стороны мембран (протоны - на наружной, а электроны - на внутренней поверхности). При достижении критического потенциала (около 200 мВ) протоны проходят через специальные каналы в АТФ-сомах, содержащие ферменты окислительного фосфорилирования. В этот момент электроны отдают свою энергию для присоединения остатков фосфорной кислоты к АМФ с образованием АДФ и к АДФ с образованием АТФ. Электроны, отдавшие энергию, соединяются с протонами, образуя атомы водорода. Водород, соединяясь с кислородом, образует воду. Таким образом, конечным акцептором электронов является кислород.
При аэробном расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 36молекул АТФ и две молекулы - при анаэробном, всего 38 молекул АТФ. Коэффициент полезного действия митохондрий достигает 60%. Энергия, синтезированной в процессе энергетического обмена АТФ используется:
1) для биосинтеза веществ (до 50%);
2) для транспортировки веществ (30-40%);
3) для механической работы (сокращения мышц);
4) для деления клеток;
5) рассеивается в виде тепла.
Гомеостаз
Гомеостаз- способность живых организмов сохранять относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций в условиях изменяющейся внешней среды. Предположение о существовании физиологических механизмов, обеспечивающих подобное равновесие, было высказано французским физиологом К. Бернаром в сер. 19 в. В 1930-х гг. американский физиолог У. Кеннон ввёл термин «гомеостаз».
У человека и высших животных гомеостаз обеспечивает постоянство объёма, клеточного и гуморального состава крови, тканевой жидкости и лимфы, температуры тела, кровяного давления и других показателей, что достигается за счёт взаимодействия нервной системы и желёз внутренней секреции (нейрогуморальная регуляция). Особо важную роль играют кора больших полушарий головного мозга, гипоталамус, гипофиз, эндокринные железы. К наиболее совершенным механизмам гомеостаза относятся процессы терморегуляции. Нарушения механизмов, обеспечивающих постоянство внутренней среды человека, расцениваются как «болезни гомеостаза».
Механизм гомеостаза у растений изучен слабо. Одним из доказательств его существования служит избирательное поступление катионов и анионов при всасывании воды из почвы в корень и распределение их по органам растений. У некоторых растений (полынь, джузгун) в течение суток водный режим меняется 5–8 раз. В критический период у них увеличиваются концентрация клеточного сока и осмотическое давление при снижении транспирации листьев. Неодинаков механизм поддержания водного баланса у галофитов (накопление солей в организме; выделение их наружу через специальные железы; ограничение их поступления). Только благодаря срабатыванию механизмов поддержания гомеостаза достигается жизнеобеспечение растений в неблагоприятных условиях существования
5. Клеточное ядро. Хроматин, его структурная организация. Его биологическое значение.
Основная генетическая информация заключена в ядре клеток.
Клеточное ядро (лат. – nucleus; греч. – karyon) было описано в 1831г. Робертом Броуном. Форма ядра зависит от формы и функций клетки. Размеры ядер изменяются в зависимости от метаболической активности клеток.
Функции клеточного ядра:
1) хранит наследственную информацию клетки;
2) участвует в делении (размножении) клетки;
3) регулирует процессы обмена веществ в клетке.
Оболочка интерфазного ядра ( кариолемма) состоит из наружной и внутренней элементарных мембран. Между ними находится перинуклеарное пространство. В мембранах имеются отверстия – поры. Между краями ядерной поры располагаются белковые молекулы, которые образуют поровые комплексы. Отверстие пор закрыто тонкой пленкой. При активных процессах обмена веществ в клетке большинство пор открыто. Через них идет поток веществ – из цитоплазмы в ядро и обратно. Количество пор у одного ядра достигает 3-4 тысяч. Наружная ядерная мембрана соединяется с каналами эндоплазматической сети. На ней обычно располагаются рибосомы. Белки внутренней поверхности ядерной оболочки формируют ядерную пластинку. Она поддерживает постоянной форму ядра, к ней прикрепляются хромосомы.
Ядерный сок – кариолимфа, коллоидный раствор в состоянии геля, который содержит белки, липиды, углеводы, РНК, нуклеотиды, ферменты. Ядрышко – непостоянный компонент ядра. Оно исчезает в начале клеточного деления и восстанавливается в конце его. Химический состав ядрышек: белок (~90%), РНК (~6%), липиды, ферменты. Ядрышки образуются в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. Функция ядрышек: сборка субъединиц рибосом.
Хроматин ядра – это интерфазные хромосомы. Они содержат ДНК, белки-гистоны и РНК в соотношении 1:1,3:0,2. ДНК в соединении с белком образует дезоксирибонуклеопротеин (ДНП). При митотическом делении ядра ДНП спирализуется и образует хромосомы.
Хроматин (греч. χρώματα — цвета, краски) — это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков, интенсивно окрашивающиеся основными красителями структуры интерфазного ядра, представленные участками деконденсированных хромосом, сохранившими состояние плотной спирализации, и ядрышками. Термин введен В. Флеммингом в 1880 г. Хроматин является химическим эквивалентом хромосом, так как состоит из ДНК и ядерных белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.
До 25—40% сухого веса хроматина составляют гистоновые белки. Гистоны являются компонентомнуклеосом, надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из гистонов четырёх типов: H2A, H2B, H3 и H4. Эти гистоны называются кóровыми. В одну нуклеосому входят по два кóровых гистона каждого типа — всего восемь белков. Линкерный гистон H1, более крупный, чем кóровые гистоны, связывается с ДНК в месте её входа на нуклеосому.
Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки.
Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется транскрипционной активностью. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием, фосфорилированием, метилированием и другими модификациями.
6. Морфофункциональная характеристика хромосом. Типы и правила хромосом. Понятие о кариотипе.
Хромосомы (греч. – chromo – цвет, soma – тело) – это спирализованный хроматин. Их длина 0,2 – 5,0 мкм, диаметр 0,2 – 2 мкм.
Кариоти́п — совокупность признаков полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
Термин «кариотип» был введён в 1924 году советским цитологомГ. А. Левитским. Его идеи затем развили Сирил Дин Дарлингтон и Майкл Дж. Д. Уайт.
Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются центромерой (первичной перетяжкой). Она делит хромосому на два плеча. Отдельные хромосомы имеют вторичные перетяжки. Участок, который они отделяют, называется спутником, а такие хромосомы – спутничными. Концевые участки хромосом называются теломеры. В каждую хроматиду входит одна непрерывная молекула ДНК в соединении с белками-гистонами. Интенсивно окрашивающиеся участки хромосом – это участки сильной спирализации ( гетерохроматин). Более светлые участки – участки слабой спирализации ( эухроматин).
Типы хромосом выделяют по расположению центромеры.
1. Метацентрические хромосомы – центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный – дистальным.
2. Субметацентрические хромосомы – центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.
3. Акроцентрические хромосомы – центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.
В клетках слюнных желез насекомых (мух дрозофил) встречаются гигантские, политенные хромосомы (многонитчатые хромосомы).
Для хромосом всех организмов существует 4 правила:
1. Правило постоянства числа хромосом. В норме организмы определенных видов имеют постоянное, характерное для вида число хромосом. Например: у человека 46, у собаки 78, у мухи дрозофилы 8.
2. Парность хромосом. В диплоидном наборе в норме каждая хромосома имеет парную хромосому – одинаковую по форме и по величине.
3. Индивидуальность хромосом. Хромосомы разных пар отличаются по форме, строению и величине.
4. Непрерывность хромосом. При удвоении генетического материала хромосома образуется от хромосомы.
Набор хромосом соматической клетки, характерный для организма данного вида, называется кариотипом.
Классификацию хромосом проводят по разным признакам.
1. Хромосомы, одинаковые в клетках мужского и женского организмов,называются аутосомами. У человека в кариотипе 22 пары аутосом. Хромосомы, различные в клетках мужского и женского организмов, называются гетерохромосомами, или половыми хромосомами. У мужчины это Х и Y хромосомы, у женщины – Х и Х.
2. Расположение хромосом по убывающей величине называется идиограммой. Это систематизированный кариотип. Хромосомы располагаются парами (гомологичные хромосомы). Первая пара – самые большие, 22-я пара – маленькие и 23-я пара – половые хромосомы.
3. В 1960г. была предложена Денверская классификация хромосом. Она строится на основании их формы, размеров, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Важным показателем в этой классификации является центромерный индекс (ЦИ). Это отношение длины короткого плеча хромосомы ко всей ее длине, выраженное в процентах. Все хромосомы разделены на 7 групп. Группы обозначаются латинскими буквами от А до G.
Группа А включает 1 – 3 пары хромосом. Это большие метацентрические и субметацентрические хромосомы. Их ЦИ 38-49%.
Группа В. 4-я и 5-я пары – большие метацентрические хромосомы. ЦИ 24-30%.
Группа С. Пары хромосом 6 – 12: средней величины, субметацентрические. ЦИ 27-35%. В эту группу входит и Х-хромосома.
Группа D. 13 – 15-я пары хромосом. Хромосомы акроцентрические. ЦИ около 15%.
Группа Е. Пары хромосом 16 – 18. Сравнительно короткие, метацентрические или субметацентрические. ЦИ 26-40%.
Группа F. 19 – 20-я пары. Короткие, субметацентрические хромосомы. ЦИ 36-46%.
Группа G. 21-22-я пары. Маленькие, акроцентрические хромосомы. ЦИ 13-33%. К этой группе относится и Y-хромосома.
Парижская классификация хромосом человека создана в 1971 году. С помощью этой классификации можно определять локализацию генов в определенной паре хромосом. Используя специальные методы окраски, в каждой хромосоме выявляют характерный порядок чередования темных и светлых полос (сегментов). Сегменты обозначают по названию методов, которые их выявляют: Q – сегменты – после окрашивания акрихин-ипритом; G – сегменты – окрашивание красителем Гимза; R – сегменты – окрашивание после тепловой денатурации и другие. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, длинное – буквой q. Каждое плечо хромосомы делят на районы и обозначают цифрами от центромеры к теломеру. Полосы внутри районов нумеруют по порядку от центромеры. Например, расположение гена эстеразы D – 13p14 – четвертая полоса первого района короткого плеча 13-й хромосомы.
Функция хромосом: хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.
7. Жизненный цикл, его сущность. Митоз. Биологическое значение митоза.