Все о клетке. Клетка, ее строение и свойства Все что нужно знать о клетке биология

Клеточная биология (биология клетки, цитология) - наука о клетке.

Клеточная биология — раздел биологии, предметом которого является клетка, элементарная единица живого. Клетка рассматривается как система, включающая в себя отдельные клеточные структуры, их участие в общеклеточных физиологических процессах, пути регуляции этих процессов. Рассматривается воспроизведение клеток и их компонентов, приспособление клеток к условиям среды, реакции на действие различных факторов, патологические изменения клеток. и механизмы их гибели.

Цитология и клеточная биология

Термин «Клеточная биология» или «Биология клетки» во второй половине XX века вытеснил исходный первоначальный термин «Цитология», который определял науку о клетке. Цитология принадлежит к ряду «счастливых» биологических дисциплин, таких как биохимия , биофизика , и генетика , развитие которых за последние 60 лет было особенно бурным («биологическая революция») и произвело в биологии кардинальные изменения в понимании организации и сути жизненных явлений. Классическая цитология, которая в начале была, главным образом. описательной морфологической наукой, впитав в себя идеи, факты и методы биохимии, биофизики и молекулярной биологии, стала общебиологической дисциплиной, изучающей не только строение, морфологию, но и функциональные и молекулярные аспекты поведения клеток, как элементарных единиц живой природы.

Хотя первые описания и представления о клетке появились более 300 лет тому назад, детальное изучение клеток было связано с развитием микроскопии в XIX веке. В это время были сделаны главные описания внутриклеточной организации и была сформулирована т.н. клеточная теория (Т. Шванн . Р. Вирхов), главными постулатами которой являются: клетка - элементарная единица живого; вне клетки нет жизни (по Р. Вирхову «жизнь есть деятельность клетки, особенности первой есть особенности и последней»); клетки сходны (гомологичны) по своему строению и по своим основным свойствам; клетки увеличиваются в числе, размножаются только путем деления исходных клеток. Клеточная теория не только оказала значительное влияние на развитие таких общебиологических дисциплин, как гистология , эмбриология и физиология, но и произвела настоящий переворот в медицине, показав, что в основе любых заболеваний организма лежит клеточная патология, т.е. изменение функционирования отдельных групп клеток в составе органов и тканей.

Большую роль в становлении и развитии отечественной биологии и в дальнейшем - клеточной биологии сыграли научные школы таких исследователей, как И.И. Мечников , Н.К. Кольцов , Д.Н. Насонов и другие.

К концу XIX века были описаны многие внутриклеточные компоненты (ядро, хромосомы , митохондрии и др.), был охарактеризован митоз как единственный способ размножения клеток, была создана хромосомная теория наследственности (цитогенетика). В это же время и в начале XX века интересы цитологии были направлены на выяснение функционального значения внутриклеточных компонентов (цитофизиология). Решению этих задач помогло развитие таких направлений как цитохимия, культивирование клеток, связанных с внедрением новых методических приемов (флуоресцентная микроскопия, количественная цитохимия, авторадиография, дифференциальное центрифугирование и др.).

Качественным переломом в анализе клеточных компонентов и их функционального значения было внедрение в 50-ых годах XX века электронной микроскопии, что позволило исследовать клетки на субмикроскопическом уровне. Совокупность электронно-микроскопических и молекулярно-биологических методов дала возможность тесно связать изучение морфологии компонентов клеток с выявлением их биохимических особенностей и установить их функциональное значение. Именно в середине XX века стал употребляться термин «клеточная биология» как определение науки, которая изучает не только строение клеток, но и функционально-биохимические характеристики их структур и отдельных этапов жизни клеток вообще. В это же время был открыт клеточный цикл (молекулярная последовательность событий при размножении клеток), его регуляция на молекулярном уровне, дана функционально-биохимическая характеристика многих старых и вновь обнаруженных внутриклеточных структур.

Учение о клетке

В настоящее время с позиций современной молекулярной биологии можно сделать следующее определение, что такое клетка: клетка - это ограниченная активной липопротеидной мембраной упорядоченная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических (обменных) и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Внутриклеточные структурные элементы представляют собой функциональные подсистемы, или системы второго порядка. Так, клеточное ядро является системой хранения, воспроизведения и реализации генетической информации, заключенной в ДНК хромосом; гиалоплазма (основная плазма) - система основного промежуточного обмена и синтеза мономеров, а также синтеза белков на рибосомах; цитоскелет - опорно-двигательная система клетки; вакуолярная система - система синтеза, модификации и транспорта некоторых белковых полимеров и образования многих клеточных липопротеидных мембран; митохондрии - органеллы энергообеспечения всех функций клетки за счет синтеза АТФ; пластиды растительных клеток - система фотосинтеза АТФ и синтеза углеводов; плазматическая мембрана - барьерно-рецепторно-транспортная система клетки.

Важно подчеркнуть, что все эти подсистемы клетки образуют некое сопряженное единство, находящееся во взаимной зависимости. Так, нарушение функции ядра сразу сказывается на синтезе белков, нарушение структуры и функции митохондрий прекращает все синтетические и обменные процессы, нарушение элементов цитоскелета останавливает внутриклеточный транспорт и т.д.

Современная биохимия и молекулярная биология, изучающие химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток, не могут обходиться без информации о структурах, на которых эти процессы происходят; так же как и в клеточной биологии при изучении структур и их функционального значения невозможно обходиться без знания молекулярных процессов, происходящих на этих структурах. Поэтому все чаще в названиях различных руководств и учебников применяется термин «молекулярная биология клетки».

Изучение биологии клетки имеет огромное практическое значение: это изучение физиологии организмов, использование клеток в биотехнологических разработках, использование данных клеточной биологии в практической медицине. Так, например, сведения из области клеточной биологии необходимы при изучении злокачественного роста клеток, для цитодиагностики заболевания, для применения стволовых клеток и т.д. Более того, любые заболевания человека нельзя понять без привлечения данных из клеточной биологии.

Выдающиеся отечественные ученые-цитологи

И.И.Мечников (1845-1916) - знаменитый русский биолог и патолог, один из основоположников экспериментальной цитологии и иммунологии, создатель научной школы, почетный член Петербургской АН, один из основателей Пастеровского института в Париже. В 1883 году И.И.Мечников открыл явление фагоцитоза, выдвинул фагоцитарную теорию иммунитета (1901); за работы по изучению иммунитета совместно с П.Эрлихом был удостоен Нобелевской премии в 1908 году.

Огромное влияние на развитие биологии, генетики и цитологии в нашей стране оказала научная школа Н.К.Кольцова (1872-1940). Это был исследователь, идеи которого на десятилетия опередили многие открытия, ставшие основами современных представлений в генетике и биологии клетки. Н.К.Кольцовым в 1903 году была обнаружена внутренняя фибриллярная система, которая была им определена как скелетная цитоплазматическая структура, определяющая форму и движение клеток. В настоящее время эта система получила название цитоскелет, в его состав входят белковые полимеры, из которых образуются микротрубочки и нитчатые структуры (микрофиламенты, промежуточные филаменты). Другим важнейшим достижением Н.К.Кольцова было предвидение матричного принципа удвоения наследственных структур. По его представлениям, малые молекулы ядра собираются на уже существующем шаблоне, а затем «сливаются» в полимерную молекулу, в копию шаблона. В то время (1927) еще не было известно о макромолекулах ДНК, но идея о том, что постоянная консервативная наследственная матрица не уничтожается и не возникает заново, но переходит от родителей к потомкам, было великим предсказанием. Можно считать, что это утверждение Н.К.Кольцова и явилось началом развития молекулярной биологии. Многолетние исследования о форме и поведении клеток (цитоскелет) и матричная гипотеза - величайшая заслуга Н.К.Кольцова как «пророка в своем отечестве» в развитии биологии. Огромная заслуга Н.К.Кольцова, кроме того, состоит в том, что он воспитал целую плеяду своих учеников-последователей: генетиков, физиологов, эмбриологов и цитологов. К ним относятся В.В. Сахаров, Б.Л.Астауров, С.С. Четвериков , Д.П. , А.С. Серебровский, Г.И. Роскин и другие. Теперь принято говорить о биологической российской школе Н.К.Кольцова. Его имя теперь носит институт биологии развития РАН.

Большую роль в создании отечественной цитологии сыграл Д.Н. Насонов (1895-1957). Работы Дмитрия Николаевича, посвященные изучению аппарата Гольджи, были высоко оценены специалистами и стали классическими. При изучении работы аппарата Гольджи Д.Н. Насонов выдвинул гипотезу о ведущей роли этого органоида в клеточном секреторном процессе. Намного позднее с помощью электронномикроскопической авторадиографии эта гипотеза получила полное подтверждение (Леблон, 1966) и стала аксиомой функционального значения этой структуры. В 1956 году по инициативе Дмитрия Николаевича был организован Институт цитологии АН СССР.

Одним из учеников Н.К.Кольцова был Г.И.Роскин (1882-1964), работавший с ним с 1912 года. Он исследовал скелетные и сократимые структуры в различных клетках, начиная с одноклеточных и кончая гладкими и поперечно-полосатыми мышцами многоклеточных организмов. Им было сделано заключение, что сократимые и опорные элементы образуют весьма сложные системы, обеспечивающие двигательные и опорные функции - эти системы были названы статокинетическими. Этот цикл работ является продолжением исследований цитоскелета, начатых Н.К.Кольцовым.

С 1930 по 1964 г. Г.И.Роскин заведовал кафедрой гистологии при Московском государственном университете. Продолжая изучать сократимые элементы клетки, Г.И. Роскин уделял большое внимание изучению цитологии раковых клеток, что привело к открытию противоракового препарата круцина, некоторое время использовавшегося в клинике. Особое внимание Г.И. Роскин уделял внедрению в гистологию и цитологию методов цитохимии, позволяющих локализовать в клетках те или иные полимеры или отдельные аминокислоты. В это время кафедра гистологии стала пропагандистом цитохимических методов, которые нашли широкое применение не только в биологических исследованиях, но и в медицине. Позднее В.Я. Бродский, ученик Г.И. Роскина, стал развивать количественные гистохимические исследования, используя специальную цитофотометрическую аппаратуру. Это привело к появлению новых биохимических и биофизических методов, которые широко используются в клеточной биологии.

Большой вклад в изучение строения и поведения опухолевых клеток внесен работами Ю.М. Васильева (р.1928) и его учеников. В течение многих лет его школа изучает механизмы движения нормальных и опухолевых клеток. Им впервые выявлена роль системы микротрубочек и других элементов цитоскелета в определении направления миграции как нормальных, так и опухолевых клеток. Он руководит лабораторией механизмов канцерогенеза Онкологического научного центра РАМН.

Ю.С. Ченцов (1930г.р.) заведовал кафедрой клеточной биологии и гистологии с 1970 по 2010. Он является одним из основателей московской школы электронных микроскопистов. Им и его учениками впервые создана трехмерная реконструкция центриоли и описано ее поведение в клеточном цикле. Ю.С.Ченцов - один из авторов открытия ядерного белкового остова (матрикса), он показал, что ядерный матрикс представляет собой неотъемлемую часть интерфазных и митотических хромосом. Ю.С.Ченцов сыграл большую роль в изучении ультраструктуры клеточного ядра и митотической хромосомы. В работах по изучению митохондрий в мышечной ткани, Ю.С.Ченцов стал одним из авторов открытия митохондриального ретикулума и особой структуры - межмитохондриальных контактов. (Daniel Mazia, 1912-1996), американский цитолог, сыгравший большую роль в изучении процессов деления и воспроизводства клеток, в исследовании структуры митотического веретена и репродукции центросом. Считал клетку супрамолекулярной системой, состоящей из множества взаимосвязанных молекулярных систем.

Кейт Портер (Keith Robert Porter, 1912-1997) - канадский биолог, один из основателей электронно-микроскопического подхода в биологии. Разработал методы изготовления ультратонких срезов, методы использования сеток с покрытием в электронной микроскопии, а также предложил использовать тетраокись осмия для работы с электронно-микроскопическими препаратами. К. Портеру принадлежит открытие цитоскелетных микротрубочек и эндоплазматического ретикулума, аутолизосом и окаймленных вакуолей. Благодаря ему был основан первый ведущий журнал по клеточной биологии, который носит сейчас название “Journal of Cell Biology”.

Джордж Паладе (George Emil Palade, 1912-2008) - американский биолог румынского происхождения. Обнаружил на поверхности цистерн эндоплазматического ретикулума рибонуклеиновые частицы, названные гранулы Паладе. Впоследствии выяснилось, что гранулы Паладе представляют собой ассоциированные с эндоплазматическим ретикулумом рибосомы. Паладе много работал над исследованием вакуолярной системы и везикулярного транспорта в клетке. В 1974 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Кристиан Рене де Дюв (Christian Rene de Duve, 1917-2002) - бельгийский цитолог и биохимик, открывший существование в клетке пищеварительных органелл - лизосом. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Альбер Клод (Albert Claude, 1899-1983) - бельгийский биохимик, благодаря которому цитология из науки описательной стала наукой функциональной. Показал непосредственную связь между внутриклеточными структурами и происходящими в клетке биохимическими процессами, участвовал во внедрении в цитологию биохимических и физических методов. А.Клод писал, что клетка - “самостоятельная и самообеспечивающаяся единица живой материи, способная накапливать, преобразовать и использовать энергию”. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Строение и функции растительной клетки

Рассмотрим клетку как структурно-функциональную единицу организма. Снаружи клетка покрыта плотной клеточной стенкой, в которой имеются более тонкие участки — поры. Под ней находится очень тонкая плёнка — мембрана, покрывающая содержимое клетки — цитоплазму. В цитоплазме есть полости — вакуоли, заполненные клеточным соком. В центре клетки или около клеточной стенки расположено плотное тельце — ядро с ядрышком. От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой. По всей цитоплазме распределены мелкие тельца — пластиды.

Строение растительной клетки

Строение и функции органоидов растительной клетки

Органоид	Рисунок	Описание	Функция	Особенности
Клеточная стенка или плазматическая мембрана		Бесцветная, прозрачная и очень прочная	Пропускает в клетку и выпускает из клетки вещества.	Клеточная мембрана полупроницаемая
Цитоплазма		Густое тягучее вещество	В ней располагаются все другие части клетки	Находится в постоянном движении
Ядро (важная часть клетки)		Округлое или овальное	Обеспечивает передачу наследственных свойств дочерним клеткам при делении	Центральная часть клетки
		Сферической или неправильной формы	Принимает участие в синтезе белка
		Резервуар, отделённый от цитоплазмы мембраной. Содержит клеточный сок	Накапливаются запасные питательные вещества и продукты жизнедеятельности ненужные клетке.	По мере роста клетки мелкие вакуоли сливаются в одну большую (центральную) вакуоль
Пластиды		Хлоропласты	Используют световую энергию солнца и создают органические из неорганических	Форма дисков, отграниченных от цитоплазмы двойной мембраной
		Хромопласты	Образуются в результате накопления каротиноидов	Жёлтые, оранжевые или бурые
		Лейкопласты	Бесцветные пластиды
Ядерная оболочка		Состоит из двух мембран (наружная и внутренняя) с порами	Отграничивает ядро от цитоплазмы	Даёт возможность осуществляться обмену между ядром и цитоплазмой

Живая часть клетки — это ограниченная мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров и внутренних мембранных структур, участвующих в совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Важной особенностью является то, что в клетке нет открытых мембран со свободными концами. Клеточные мембраны всегда ограничивают полости или участки, закрывая их со всех сторон.

Современная обобщенная схема растительной клетки

Плазмалемма (наружная клеточная мембрана) — ультрамикроскопическая плёнка толщиной 7,5 нм., состоящая из белков, фосфолипидов и воды. Это очень эластичная плёнка, хорошо смачивающаяся водой и быстро восстанавливающая целостность после повреждения. Имеет универсальное строение, т.е.типичное для всех биологических мембран. У растительных клеток снаружи от клеточной мембраны находится прочная, создающая внешнюю опору и поддерживающая форму клетки клеточная стенка. Она состоит из клетчатки (целлюлозы) — нерастворимого в воде полисахарида.

Плазмодесмы растительной клетки, представляют собой субмикроскопические канальцы, пронизывающие оболочки и выстланные плазматической мембраной, которая таким образом переходит из одной клетки в другую, не прерываясь. С их помощью происходит межклеточная циркуляция растворов, содержащих органические питательные вещества. По ним же идёт передача биопотенциалов и другой информации.

Порами называют отверстия во вторичной оболочке, где клетки разделяют лишь первичная оболочка и срединная пластинка. Участки первичной оболочки и срединную пластинку, разделяющие соседствующие поры смежных клеток, называют поровой мембраной или замыкающей пленкой поры. Замыкающую пленку поры пронизывают плазмодесменные канальцы, но сквозного отверстия в порах обычно не образуется. Поры облегчают транспорт воды и растворенных веществ от клетки к клетке. В стенках соседних клеток, как правило, одна против другой, образуются поры.

Клеточная оболочка имеет хорошо выраженную, относительно толстую оболочку полисахаридной природы. Оболочка растительной клетки продукт деятельности цитоплазмы. В её образовании активное участие принимает аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть.

Строение клеточной мембраны

Основу цитоплазмы составляет ее матрикс, или гиалоплазма, — сложная бесцветная, оптически прозрачная коллоидная система, способная к обратимым переходам из золя в гель. Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в объединении всех клеточных структур в единую систему и обеспечении взаимодействия между ними в процессах клеточного метаболизма.

Гиалоплазма (или матрикс цитоплазмы) составляет внутреннюю среду клетки. Состоит из воды и различных биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов), из которых основную часть составляют белки различной химической и функциональной специфичности. В гиалоплазме содержатся также аминокислоты, моносахара, нуклеотиды и другие низкомолекулярные вещества.

Биополимеры образуют с водой коллоидную среду, которая в зависимости от условий может быть плотной (в форме геля) или более жидкой (в форме золя), как во всей цитоплазме, так и в отдельных ее участках. В гиалоплазме локализуются и взаимодействуют между собой и средой гиалоплазмы различные органеллы и включения. При этом расположение их чаще всего специфично для определенных типов клеток. Через билипидную мембрану гиалоплазма взаимодействует с внеклеточной средой. Следовательно, гиалоплазма является динамической средой и играет важную роль в функционировании отдельных органелл и жизнедеятельности клеток в целом.

Цитоплазматические образования – органеллы

Органеллы (органоиды) — структурные компоненты цитоплазмы. Они имеют определённую форму и размеры, являются обязательными цитоплазматическими структурами клетки. При их отсутствии или повреждении клетка обычно теряет способность к дальнейшему существованию. Многие из органоидов способны к делению и самовоспроизведению. Размеры их настолько малы, что их можно видеть только в электронный микроскоп.

Ядро

Ядро — самая заметная и обычно самая крупная органелла клетки. Оно впервые было подробно исследовано Робертом Броуном в 1831 году. Ядро обеспечивает важнейшие метаболические и генетические функции клетки. По форме оно достаточно изменчиво: может быть шаровидным, овальным, лопастным, линзовидным.

Ядро играет значительную роль в жизни клетки. Клетка, из которой удалили ядро, не выделяет более оболочку, перестаёт расти и синтезировать вещества. В ней усиливаются продукты распада и разрушения, вследствие этого она быстро погибает. Образование нового ядра из цитоплазмы не происходит. Новые ядра образуются только делением или дроблением старого.

Внутреннее содержимое ядра составляет кариолимфа (ядерный сок), заполняющая пространство между структурами ядра. В нём находится одно или несколько ядрышек, а также значительное количество молекул ДНК, соединённых со специфическими белками — гистонами.

Строение ядра

Ядрышко

Ядрышко — как и цитоплазма, содержит преимущественно РНК и специфические белки. Важнейшая его функция заключается в том, что в нём происходит формирование рибосом, которые осуществляют синтез белков в клетке.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи — органоид, имеющий универсальное распространение во всех разновидностях эукариотических клеток. Представляет собой многоярусную систему плоских мембранных мешочков, которые по периферии утолщаются и образуют пузырчатые отростки. Он чаще всего расположен вблизи ядра.

Аппарат Гольджи

В состав аппарата Гольджи обязательно входит система мелких пузырьков (везикул), которые отшнуровываются от утолщённых цистерн (диски) и располагаются по периферии этой структуры. Эти пузырьки играют роль внутриклеточной транспортной системы специфических секторных гранул, могут служить источником клеточных лизосом.

Функции аппарата Гольджи состоят также в накоплении, сепарации и выделении за пределы клетки с помощью пузырьков продуктов внутриклеточного синтеза, продуктов распада, токсических веществ. Продукты синтетической деятельности клетки, а также различные вещества, поступающие в клетку из окружающей среды по каналам эндоплазматической сети, транспортируются к аппарату Гольджи, накапливаются в этом органоиде, а затем в виде капелек или зёрен поступают в цитоплазму и либо используются самой клеткой, либо выводятся наружу. В растительных клетках Аппарат Гольджи содержит ферменты синтеза полисахаридов и сам полисахаридный материал, который используется для построения клеточной оболочки. Предполагают, что он участвует в образовании вакуолей. Аппарат Гольджи был назван так в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1897 году.

Лизосомы

Лизосомы представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной основная функция которых — осуществление внутриклеточного пищеварения. Использование лизосомного аппарата происходит при прорастании семени растения (гидролиз запасных питательных веществ).

Строение лизосомы

Микротрубочки

Микротрубочки — мембранные, надмолекулярные структуры, состоящие из белковых глобул, расположенных спиральными или прямолинейными рядами. Микротрубочки выполняют преимущественно механическую (двигательную) функцию, обеспечивая подвижность и сокращаемость органоидов клетки. Располагаясь в цитоплазме, они придают клетке определённую форму и обеспечивают стабильность пространственного расположения органоидов. Микротрубочки способствуют перемещению органоидов в места, которые определяются физиологическими потребностями клетки. Значительное количество этих структур расположено в плазмалемме, вблизи клеточной оболочки, где они участвуют в формировании и ориентации целлюлозных микрофибрилл оболочек растительных клеток.

Строение микротрубочки

Вакуоль

Вакуоль — важнейшая составная часть растительных клеток. Она представляет собой своеобразную полость (резервуар) в массе цитоплазмы, заполненную водным раствором минеральных солей, аминокислот, органических кислот, пигментов, углеводов и отделённую от цитоплазмы вакуолярной мембраной — тонопластом.

Цитоплазма заполняет всю внутреннюю полость только у самых молодых растительных клеток. С ростом клетки существенно изменяется пространственное расположение вначале сплошной массы цитоплазмы: у неё появляются заполненные клеточным соком небольшие вакуоли, и вся масса становится ноздреватой. При дальнейшем росте клетки отдельные вакуоли сливаются, оттесняя к периферии прослойки цитоплазмы, в результате чего в сформированной клетке находится обычно одна большая вакуоль, а цитоплазма со всеми органеллами располагаются около оболочки.

Водорастворимые органические и минеральные соединения вакуолей обусловливают соответствующие осмотические свойства живых клеток. Этот раствор определённой концентрации является своеобразным осмотическим насосом для регулируемого проникновения в клетку и выделения из неё воды, ионов и молекул метаболитов.

В комплексе со слоем цитоплазмы и её мембранами, характеризующимися свойствами полупроницаемости, вакуоль образует эффективную осмотическую систему. Осмотически обусловленными являются такие показатели живых растительных клеток, как осмотический потенциал, сосущая сила и тургорное давление.

Строение вакуоли

Пластиды

Пластиды — самые крупные (после ядра) цитоплазматические органоиды, присущие только клеткам растительных организмов. Они не найдены только у грибов. Пластиды играют важную роль в обмене веществ. Они отделены от цитоплазмы двойной мембранной оболочкой, а некоторые их типы имеют хорошо развитую и упорядоченную систему внутренних мембран. Все пластиды едины по происхождению.

Хлоропласты — наиболее распространённые и наиболее функционально важные пластиды фотоавтотрофных организмов, которые осуществляют фотосинтетические процессы, приводящие в конечном итоге к образованию органических веществ и выделению свободного кислорода. Хлоропласты высших растений имеют сложное внутреннее строение.

Строение хлоропласта

Размеры хлоропластов у разных растений неодинаковы, но в среднем диаметр их составляет 4-6 мкм. Хлоропласты способны передвигаться под влиянием движения цитоплазмы. Кроме того, под воздействием освещения наблюдается активное передвижение хлоропластов амебовидного типа к источнику света.

Хлорофилл — основное вещество хлоропластов. Благодаря хлорофиллу зелёные растения способны использовать световую энергию.

Лейкопласты (бесцветные пластиды) представляют собой чётко обозначенные тельца цитоплазмы. Размеры их несколько меньше, чем размеры хлоропластов. Более и однообразна и их форма, приближающая к сферической.

Строение лейкопласта

Встречаются в клетках эпидермиса, клубнях, корневищах. При освещении очень быстро превращаются в хлоропласты с соответствующим изменением внутренней структуры. Лейкопласты содержат ферменты, с помощью которых из излишков глюкозы, образованной в процессе фотосинтеза, в них синтезируется крахмал, основная масса которого откладывается в запасающих тканях или органах (клубнях, корневищах, семенах) в виде крахмальных зёрен. У некоторых растений в лейкопластах откладываются жиры. Резервная функция лейкопластов изредка проявляется в образовании запасных белков в форме кристаллов или аморфных включений.

Хромопласты в большинстве случаев являются производными хлоропластов, изредка — лейкопластов.

Строение хромопласта

Созревание плодов шиповника, перца, помидоров сопровождается превращением хлоро- или лейкопластов клеток мякоти в каратиноидопласты. Последние содержат преимущественно жёлтые пластидные пигменты — каратиноиды, которые при созревании интенсивно синтезируются в них, образуя окрашенные липидные капли, твёрдые глобулы или кристаллы. Хлорофилл при этом разрушается.

Митохондрии

Митохондрии — органеллы, характерные для большинства клеток растений. Имеют изменчивую форму палочек, зёрнышек, нитей. Открыты в 1894 году Р. Альтманом с помощью светового микроскопа, а внутреннее строение было изучено позднее с помощью электронного.

Строение митохондрии

Митохондрии имеют двухмембранное строение. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя образует различной формы выросты — трубочки в растительных клетках. Пространство внутри митохондрии заполнено полужидким содержимым (матриксом), куда входят ферменты, белки, липиды, соли кальция и магния, витамины, а также РНК, ДНК и рибосомы. Ферментативный комплекс митохондрий ускоряет работу сложного и взаимосвязанного механизма биохимических реакций, в результате которых образуется АТФ. В этих органеллах осуществляется обеспечение клеток энергией — преобразование энергии химических связей питательных веществ в макроэргиеские связи АТФ в процессе клеточного дыхания. Именно в митохондриях происходит ферментативное расщепление углеводов, жирных кислот, аминокислот с освобождением энергии и последующим превращением её в энергию АТФ. Накопленная энергия расходуется на ростовые процессы, на новые синтезы и т. д. Митохондрии размножаются делением и живут около 10 дней, после чего подвергаются разрушению.

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть — сеть каналов, трубочек, пузырьков, цистерн, расположенных внутри цитоплазмы. Открыта в 1945 году английским учёным К. Портером, представляет собой систему мембран, имеющих ультрамикроскопическое строение.

Строение эндоплазматической сети

Вся сеть объединена в единое целое с наружной клеточной мембраной ядерной оболочки. Различают ЭПС гладкую и шероховатую, несущую на себе рибосомы. На мембранах гладкой ЭПС находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Этот тип мембран преобладает в клетках семян, богатых запасными веществами (белками, углеводами, маслами), рибосомы прикрепляются к мембране гранулярной ЭПС, и во время синтеза белковой молекулы полипептидная цепочка с рибосомами погружается в канал ЭПС. Функции эндоплазматической сети очень разнообразны: транспорт веществ как внутри клетки, так и между соседними клетками; разделение клетки на отдельные секции, в которых одновременно проходят различные физиологические процессы и химические реакции.

Рибосомы

Рибосомы — немембранные клеточные органоиды. Каждая рибосома состоит из двух не одинаковых по размеру частичек и может делиться на два фрагмента, которые продолжают сохранять способность синтезировать белок после объединения в целую рибосому.

Строение рибосомы

Рибосомы синтезируются в ядре, затем покидают его, переходя в цитоплазму, где прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети или располагаются свободно. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут функционировать по одиночке или объединяться в комплексы — полирибосомы.

Биология - наука о живых системах, закономерностях и механизмах их возникновения, существования и развития.

Существующая живая природа прошла длительный многоэтапный путь исторического развития. Элементарной структурной единицей биологических систем является клетка.

Впервые клетки с помощью микроскопа увидел и описал в 1665 г. Р. Гук. В 1839 г. Т. Шванн и М. Шлейден создали клеточную теорию, согласно которой клетки являются основой живых существ. В 1858 г. Р. Вирхов дополнил клеточную теорию положением о том, что всякая клетка происходит от другой клетки в результате деления.

Клетки характеризуются физико-химическими свойствами, размерами, формой.

Клетки делятся на прокариотические и эукариотические. Прокариотические клетки более древние (возникли около 3-3,5 млрд лет назад) и устроены более просто. Они образуют организмы-прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли). Эукариотические клетки возникли позже (около 1-1,4 млрд лет назад), имеют более сложное строение и образуют одноклеточные и многоклеточные организмы-эукариоты (растения, грибы, животные).

Особую группу мельчайших организмов, не имеющих клеточного строения, составляют вирусы. Они занимают пограничное состояние между живыми биологическими системами и неживыми и произошли, очевидно, от клеточных организмов. Изучение морфофункциональных особенностей различных бактерий и вирусов является важным моментом для понимания их участия в возникновении и развитии стоматологических заболеваний человека.

Тема 1.1. Клеточный и неклеточный уровни организации биологических систем

Цель. Знать основные современные методы изучения клеток. Знать и уметь анализировать структуру клеточных и неклеточных организмов при световой или электронной микроскопии. Иметь представление о физико-химических свойствах клеток, функциях их структур.

Задание для студентов

Работа 1. Методы изучения клеток

Изучите и перепишите в тетрадь таблицу.

Название методов	Их характеристика
1. Световая микроскопия	Изучение клеток в световой микроскоп на основе цитохимических, гистохимических, иммунохимических и других исследований. При этом выявляются определенные вещества (например, гликоген, липиды), химические группы (например, альдегидные, аминогруппы) или маркированные специфическими антителами вещества
2. Электронная микроскопия	Трансмиссивная (просвечивающая) электронная микроскопия основана на прохождении излучаемого электронной пушкой пучка электронов через клеточные структуры с неоднородной электронной плотностью, что на флюоресцирующем экране создает плоскостное изображение объекта. Сканирующая (растровая) электронная микроскопия основана на сканировании электронным пучком поверхности изучаемого объекта
3. Поляризационная микроскопия	Изучение структур на основе лучепреломления. Направленный на объект поляризованный пучок света пропускается через расположенный между объективом и окуляром анализатор, определяющий в зависимости от пространственного расположения молекул в объекте характер отклонения плоскости поляризации света

Окончание табл.

Название методов Их характеристика

4. Флюоресцентная микроскопия	Изучение способности веществ излучать видимый свет при освещении объекта ультрафиолетовыми лучами (аутофлюоресценция) или при окраске флюоресцентными красителями, связывающимися с различными структурами или веществами клеток. Например, акридиновый оранжевый, связываясь с ДНК, дает желтозеленое свечение, а с РНК - красно-оранжевое
5. Культура тканей	Клетки предварительно выделяют из органов и тканей и культивируют в специальных приборах в условия стерильности с использованием питательных сред и определенного газового состава. Культура тканей используется для цитологических, фармакологических, токсикологических, микробиологических, генетических исследований, в целях биотехнологий и биоинженерии
6. Рентгеноструктурный анализ	Исследование атомной структуры веществ с помощью дифракции рентгеновских лучей. При этом определяется род атомов, их расположение в структуре кристаллов, жидкостей, молекул

Работа 2. Химический состав клетки

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 3. Молекулярная организация биологической мембраны

(по Б. Альберту, 1994) Изучите по рис. 1 трехмерное изображение мембраны. Обратите внимание на то, что липиды в мембране образуют бислой (представлены фосфолипидами, холестеролом и гликолипидами). Белки погружены в бислой липидов, их меньше, молекулы крупнее. Отметьте, что белки могут передвигаться в липидах и именно они в основном определяют специфику функций мембран.

Работа 4. Строение бактерии

Изучите по рис. 2 строение прокариотической (бактериальной) клетки.

Рис. 1. Строение биологической мембраны:

1 - липидный бислой; 2 - молекула белка; 3 - молекула липида

Рис. 2. Строение прокариотической клетки:

1 - жгутик; 2 - рибосомы; 3 - запасные питательные вещества; 4 - капсула; 5 - плазматическая мембрана; 6 - кольцевая молекула ДНК (нуклеоид); 7 - стенка клетки; 8 - мезосома; 9 - цитоплазма; 10 - тилакоиды (фотосинтетические мембраны)

Работа 5. Строение животной клетки

Изучите на микропрепаратах и по рис. 3 и 4 строение животной клетки, включения гликогена и жира. Зарисуйте несколько клеток.

Рис. 3. Строение животной клетки:

1 - оболочка клетки; 2 - цитоплазма; 3 - ядро

Рис. 4. Включения гликогена в клетках эпителия: 1 - включения гликогена в цитоплазме клеток

A. Строение клеток многослойного плоского ороговевающего эпителия слизистой оболочки твердого неба человека. Окраска гематоксилином - эозином (по Л.И. Фалину, 1963).

Б. Включения гликогена в цитоплазме клеток эпителия слизистой оболочки губы человека. ПАС-реакция (по Л.И. Фалину, 1963).

B. Включения жира в цитоплазме клеток печени. Окраска осмием. Рассмотрите под большим увеличением микроскопа клетки печени.

Найдите в цитоплазме жировые включения в виде круглых черных капель различной величины. Зарисуйте несколько клеток с включениями жира.

Обозначьте: 1 - оболочка клетки; 2 - ядро; 3 - цитоплазма с жировыми включениями.

Работа 6. Строение поверхностного аппарата животной клетки (по А.А. Заварзину, 1982) Изучите по рис. 5 и зарисуйте молекулярную структуру поверхностного аппарата.

Рис. 5. Строение поверхностной структуры животной клетки: 1 - поверхностный аппарат клетки; 2 - надмембранные структуры (гликокаликс); 3 - плазматическая мембрана; 4 - субмембранные структуры (микрофиломенты и микротрубочки); 5 - билипидный слой; 6 - интегральный белок; 7 - полуинтегральные белки; 8 - туннельный белок; 9 - поверхностный белок; 10, 11 - гликопротеиды и гликолипиды гликокаликса

Работа 7. Органеллы эукариотических клеток

Заполните таблицу, указав функции перечисленных органелл.

Работа 8. Ультрамикроскопическое строение животной и растительной клетки

Изучите на электроннограммах, по рис. 6 строение эукариотических клеток.

Рис. 6. Строение эукариотической клетки:

а - животного происхождения; б - растительного происхождения; 1 - ядро с хроматином и ядрышком; 2 - плазматическая мембрана; 3 - клеточная стенка; 4 - плазмодесмы; 5 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 - гладкая эндоплазматическая сеть; 7 - образующиеся пиноцитозные вакуоли; 8 - пластинчатый комплекс; 9 - лизосомы; 10 - жировые включения; 11 - центросома; 12 - митохондрии; 13 - полирибосомы; 14 - вакуоль; 15 - хлоропласт

Работа 9. Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток

Изучите и перепишите таблицу.

Характерные особенности	Прокариотические клетки	Эукариотические клетки
Поверхностный аппарат клетки: Надмембранные структуры; Плазматическая мембрана; Субмембранные структуры	Образованы клеточной стенкой, содержат упрочняющий материал - муреин. Снаружи от клеточной стенки у ряда бактерий располагается капсула Имеется. Образует впячивания внутрь цитоплазмы - мезосомы и тилакоиды Не выражены	У растительных клеток образованы клеточной стенкой, содержащей целлюлозу, а у животных клеток - гликокаликсом, состоящим из молекул гликолипидов и гликопротеидов Образуют опорно-сократительную систему, состоящую из микрофибрилл и микротрубочек
Органеллы цитоплазмы	Рибосомы	Эндоплазматическая сеть, центросома, митохондрии, пластинчатый комплекс, рибосомы, лизосомы. Растительные клетки имеют вакуоль и пластиды
Ядерный аппарат	Ядро отсутствует. Нуклеоид - одна кольцевидная хромосома, расположенная в цитоплазме. Состоит из ДНК и небольшого количества белков	Ядро имеет двухмембранную оболочку, кариоплазму, хроматин (хромосомы), ядрышки. Хромосомы состоят из ДНК и белков

Работа 10. Строение вируса

Изучите по рис. 7 строение бактериофага и его электронную микрофотографию (по Н. Грину, 1990). Зарисуйте схему строения вируса, обозначьте его структуры.

Рис. 7. Строение вируса:

а - строение бактериофага; б - электронная микрофотография бактериофага; 1 - головка вируса; 2 - воротничок; 3 - стержень; 4 - чехол; 5 - базальная пластинка с шипами и отростками

Работа 11. Особенности строения: ДНК- и РНК-содержащих вирусов животных (по А.П. Коротяеву, 1998) Изучите рис. 8 и зарисуйте на выбор несколько вирусов различной формы и размеров.

Рис. 8. ДНК- (а) и РНК-содержащие (б) вирусы

Вопросы для самоподготовки

1. Каковы основные свойства биологических систем?

2. Какие уровни организации биологических систем являются эволюционно обусловленными?

3. Каковы основные положения клеточной теории Т. Шванна, М. Шлейдена, Р. Вирхова? Современное состояние клеточной теории?

4. Каковы основные физико-химические свойства клетки?

5. Каково современное представление о молекулярной организации биологической мембраны и ее функциях?

6. Как устроены прокариотические клетки?

7. Как устроены эукариотические клетки?

8. Как устроены вирусы?

9. Какие существуют гипотезы происхождения эукариотических клеток?

Тестовые задания

1. ОРГАНЕЛЛАМИ ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Митохондрии

2. Рибосомы

3. Центросома

4. Пластинчатый комплекс

2. УСТОЙЧИВОСТЬ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ВИДОВ БАКТЕРИЙ

К ЛИЗОЦИМУ СЛЮНЫ И СЛЕЗ ОБЪЯСНЯЕТСЯ НАЛИЧИЕМ

В ИХ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКЕ:

2. Мягких липидов

3. Муреина

4. Полисахаридов

3. БОЛЕЗНЕТВОРНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ВИДОВ БАКТЕРИЙ ОБУСЛОВЛЕНЫ НАЛИЧИЕМ В ИХ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКЕ:

1. Полисахаридов. муреина

2. Полисахаридов. липидов

3. Полисахаридов. капсульных полисахаридов

4. Полисахаридов. белков

4. ПО СОВРЕМЕННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ, КЛЕТКА - ЭТО

1. Открытая

2. Закрытая

3. Элементарная

4. Универсальная

5. Целостная

5. СВОЙСТВАМИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Целостность и дискретность

2. Размножение

3. Метаболизм

4. Низкая энтропия (негэнтропия)

5. Наследственность и изменчивость

6. Высокая энтропия

6. ЭВОЛЮЦИОННО-ОБУСЛОВЛЕННЫМИ УРОВНЯМИ ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Молекулярно-генетический

2. Клеточный

3. Тканевый

4. Популяционно-видовой

5. Биогеоценотический

7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ КЛЕТОК ОБЕСПЕЧИВАЮТ:

1. Компартментацию

2. Барьерную функцию

3. Формирование рибосом и полисом

4. Транспорт веществ

5. Рецепцию

Установите соответствие.

8. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТОК:

1. Световая микроскопия

2. Поляризационная микроскопия

3. Флюоресцентная микроскопия

4. Электронная микроскопия

5. Рентгеноструктурный анализ

6. Культура тканей

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА:

а) Исследование живых клеток в питательной среде

б) Изучение конфигурации молекул биополимеров

в) Изучение клеточных структур на основе рассеивания ими пучка электронов

г) Изучение клеток в световом микроскопе

д) Исследование клеток, окрашенных веществами-флюорохромами

е) Изучение клеток на основе двойного лучепреломления)

9. ТИП КЛЕТКИ:

1. Прокариотическая

2. Эукариотическая

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОВЕРХНОСТНОГО АППАРАТА:

а) Клеточная стенка содержит муреин

б) Клеточная стенка содержит целлюлозу

в) Плазматическая мембрана

г) Гликокаликс содержит липопротеины и гликолипиды

д) Субмембранные структуры - микрофибриллы и микротрубочки.

10. ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТОК

ЭУКАРИОТ:

1. Гладкая эндоплазматическая

сеть (ЭПС)

2. Рибосомы

3. Митохондрии

4. Центросома

5. Пластинчатый комплекс

6. Лизосомы

ИХ ФУНКЦИИ:

а) Синтез белка

б) Синтез углеводов и липидов

в) Деление клеток

г) Образование энергии

д) Внутриклеточное переваривание веществ

е) Выделение веществ из клетки

Литература

Основная

Кн. 1. - С. 18-21, 24-51, 54-55.

Пехов А.П.

Дополнительная

Альберт Б., Брейд Д. и др. Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1994. - Т. 1.

Гилберт С. Биология развития. - М.: Мир, 1995. - Т. 1-3. Грин Н, Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. Заварзин А.А., Харазова А.Д. Основы общей цитологии. - Л.:

Изд-во ЛГУ, 1982.

Тема 1.2. Организация наследственного материала у про- и эукариот. Реализация генетической

информации и ее регуляция

Цель. Знать молекулярную структуру и свойства нуклеиновых кислот, хромосом, стадии биосинтеза белка, принципы регуляции генной активности. Уметь выявлять ДНК в ядрах клеток с помощью реакции Фельгена.

Задание для студентов

Работа 1. ДНК в ядрах клеток

На постоянном препарате под большим увеличением микроскопа рассмотрите в ядрах клеток эпителия слизистой оболочки ротовой полости ДНК, выявленную с помощью реакции Фельгена.

Зарисуйте несколько ядер, в которых ДНК окрашена в пурпурномалиновый цвет.

Работа 2. Молекулярная структура ДНК эукариот

Рассмотрите рис. 1. Зарисуйте строение вторичной (2) структуры

Рис. 1. Строение ДНК эукариот.

Структуры ДНК: 1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная.

А - аденин; Г - гуанин - пуриновые азотистые основания; Ц - цитозин; Т - тимин-пиримидиновые азотистые основания; Д - дезоксирибоза; Ф - остаток фосфорной кислоты; Н - нуклеотид

Работа 3. Структурно-функциональная организация ДНК у про- и эукариот

Изучите таблицы, перепишите их в рабочую тетрадь.

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
Количество генов	4 тыс. (Е. coli)	Около 30 тыс. (человек)
Количество ДНК	4 млн пар нуклеотидов	3-7 млрд пар нуклеотидов
Кодирующие последовательности
Связь ДНК с гистонами	Отсутствует	Формирует нуклеосомы
Укладка ДНК	Кольцевая, содержит 100 петель по 40 тыс. пар нуклеотидов	Линейная с замкнутыми в теломеры концами, имеет 4 уровня спирализации
Количество репликонов
Активно работающие участки	Более 90% генов	Менее 10% генов
Процессинг	Отсутствует	Осуществляется при переходе пре-мРНК из ядра в цитоплазму
Регуляция транскрипции	Оперонная	Сложная каскадная

Работа 4. Организация наследственного материала у прокариот (нуклеоид)

Рассмотрите рис. 2 и обратите внимание на укладку ДНК в виде петель.

Рис. 2. Укладка ДНК в нуклеоиде прокариот:

1 - кольцевая молекула ДНК; 2 - укладка ДНК в виде петель; 3 - белки, связывающие петли ДНК

Работа 5. Уровни организации интерфазного хроматина

Рассмотрите по рис. 3 уровни организации наследственного материала у эукариот.

Рис. 3. Схема различных уровней компактизации хроматина: а - нуклеосомная нить; б - микрофибрилла; в - интерфазная хромонема; г - молекулярная организация нуклеосомной нити: 1 - нуклеосома; 2 - ДНК; 3 - гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4; 4 - гистон Н1

Работа 6. Биосинтез белка у прокариот и эукариот

Изучите и зарисуйте процесс биосинтеза белка по схеме 1.

Схема 1. Биосинтез белка у прокариот (а) и эукариот (б)

Работа 7. Транскрипция и процессинг у эукариот

Изучите транскрипцию и процессинг по рис. 4.

Рис. 4. Транскрипция и процессинг у эукариот:

1 - ДНК; 2 - пре-мРНК; 3 - РНК-полимераза; 4 - кодогенная цепь ДНК; 5 - экзоны; 6 - интроны; 7 - зрелая мРНК; Т - терминатор; КЭП и поли-А - концевые последовательности нуклеотидов; ТАЦ и АУГ - инициаторные триплеты

Работа 8. Трансляция. Этапы рибосомного цикла

Изучите и зарисуйте по рис. 5 процесс трансляции.

Рис. 5. Процесс трансляции:

1 - малая субъединица рибосомы; 2 - большая субъединица рибосомы; 3 - аминоацильный (А) центр; 4 - пептидильный (П) центр; 5 - АУГ-инициаторный триплет мРНК; 6 - терминатор мРНК; 7 - инициаторная тРНК; 8 - аминокислоты формирующегося полипептида; 9 - колпачок

Работа 9. Регуляция активности генов у прокариот (схема Жакоба-Моно)

Рассмотрите и зарисуйте изображение регуляции синтеза белка путем индукции и репрессии (рис. 6).

Рис. 6. Регуляция синтеза белка путем индукции (а, б) и репрессии (в, г): а - структурные гены оперона блокированы; б - дерепрессирование генов индуктором; в - при недостаточном количестве конечного продукта (корепрессора) оперон дерепрессирован, а при избыточном - блокирован (г)

Работа 10. Основные принципы регуляции активности генов у эукариот

Изучите и перепишите.

1. У эукариот не установлено оперонной организации генов, так как гены, определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме и не имеют, как у прокариот, единой регулирующей системы (ген-регулятор, промотор, оператор и т.д.).

2. Регуляция транскрипции у эукариот комбинационная, т.е. активность каждого гена регулируется большим числом генов-регуляторов.

3. У многих эукариотических генов в ДНК имеется несколько зон, узнаваемых разными белками.

4. У эукариот существуют белки-регуляторы, контролирующие работу других регуляторных белков, и их действие может характеризоваться плейотропным эффектом.

5. В регуляции экспрессии эукариотических генов важную роль играют гены энхансеры (усиливают транскрипцию) и сайленсеры (тормозят транскрипцию).

6. В регуляции транскрипции участвуют гормоны, а генной активности - гистоны хромосом.

7. Регуляция экспрессии генов осуществляется на всех этапах реализации наследственной информации.

Вопросы для самоподготовки

1. Каковы особенности организации наследственного материала у про- и эукариот?

2. Какова молекулярная организация и функции нуклеиновых кислот?

3. Что такое ген? Какое определение гена Вы считаете более точным?

4. Каковы особенности строения генов у про- и эукариот?

5. Что такое генетический код и каковы его свойства?

6. Каковы основные этапы биосинтеза белка, в чем их сущность?

7. Каковы механизмы регуляции генной активности у прокариот (схема Жакоба-Моно)?

8. Каковы основные принципы регуляции генной активности у эукариот?

Тестовые задания

Выберите один правильный ответ.

1. ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЕДИНИЦЕЙ ФУНКЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА ЯВЛЯЕТСЯ:

2. ТРАНСКРИПЦИЮ ОСУЩЕСТВЛЯЕТ ФЕРМЕНТ

1. ДНК-полимераза

2. РНК-полимераза

3. Геликаза

3. МУЛЬТИГЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА И КОМПЛЕКСЫ В ГЕНОМЕ

1. Прокариоты

3. Эукариоты

Выберите несколько правильных ответов.

4. СВОЙСТВАМИ ДНК КАК ВЕЩЕСТВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Химическая стабильность

2. Репликация

3. Репарация

4. Способность к трансляции

5. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА ПРОИСХОДИТ С УЧАСТИЕМ ОРГАНЕЛЛ:

1. Лизосомы

2. Гладкая ЭПС

3. Рибосомы

4. Полисомы

6. ОСОБЕННОСТЯМИ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Отсутствие оперонной организации генов

2. Наличие оперонной организации генов

3. Наличие комбинационной регуляции транскрипции

4. Регуляция экспрессии генов на всех этапах реализации генетической информации

Установите соответствие.

7. ТРИПЛЕТЫ ДНК:

ТРИПЛЕТЫ мРНК:

Установите правильную последовательность.

8. УПАКОВКИ ДНК В ХРОМОСОМЕ ЭУКАРИОТ:

1. Хромонема

2. Хроматида

3. Нуклеосомная нить

4. Микрофибрилла

9. БИОСИНТЕЗА БЕЛКА У ЭУКАРИОТ:

1. Трансляция

2. Транскрипция

3. Процессинг

4. Посттрансляция

10. РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ

(СХЕМА ЖАКОБА-МОНО):

1. Считывание информации со структурных генов

2. Образование комплекса индуктор-репрессор

3. Поступление индуктора в цитоплазму прокариота

4. Освобождение оператора от репрессора

5. Образование полицистронного транскрипта

6. Синтез отдельных пептидов

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. - Кн. 1. - С. 65-138, 147-152, 163-171.

Пехов А.П. Биология с общей генетикой. - М.: Изд-во РУДН, 1993. - С. 95-112, 141-154, 166-171.

Дополнительная

Альберт Б. и др. Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1994. -

Гильберт С. Биология развития. - М.: Мир, 1994. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Н.: Сибирское университетское издательство, 2003.

Тема 1.3. Воспроизведение на клеточном уровне

Цель. Знать жизненный цикл клеток, процессы, протекающие в митотическом цикле и при терминальной дифференцировке. Иметь представление о механизмах регуляции клеточного цикла. Уметь определять на микропрепаратах фазы митоза и вычислять митотический коэффициент. Знать сущность и биологическое значение мейоза.

Задание для студентов

Работа 1. Клеточный цикл

Соматические клетки организма образуются в результате митоза. В дальнейшем возможны три варианта жизненного пути (цикла) клеток:

1. Клетки готовятся к делению и заканчивают свою жизнь митозом (митотический цикл).

2. Клетки дифференцируются, функционируют и погибают.

3. Клетки переходят в период G 0 , в котором могут находиться от нескольких часов до многих лет. При определенных условиях они могут перейти из этого периода в митотический цикл или терминальную дифференцировку.

Изучите и зарисуйте схему жизненного цикла клеток, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Жизненный цикл клеток:

G 1 - пресинтетический период; S - синтетический период; G 2 - постсинтетический период;

МЦ (митотический цикл) = G 1 + S + G 2 + митоз;

G 0 - период клеточного цикла, который включает:

Клетки пролиферативного пула медленнообновляющихся тканей;

Клетки, вышедшие из МЦ для репарации ДНК;

Клетки, не способные пройти МЦ из-за дефицита питательных веществ или факторов роста;

Резервные и стволовые клетки; n - гаплоидный набор хромосом;

c - одинарный набор ДНК

Работа 2. Удвоение хромосом и репликация ДНК у эукариот

Удвоение ДНК и хромосом происходит в S-периоде митотического цикла.

Репликация ДНК начинается одновременно во многих местах - точках инициации (рис. 2а). Происходит прикрепление комплекса ферментов («репликативная машина»), ДНК освобождается от гистонов и расплетается, образуется репликационный глазок (рис. 2б). Разделение исходных матричных и синтез новых дочерних цепей ДНК в глазке происходят одновременно в обе стороны в репликационных вилках (рис. 2в). После удвоения ДНК с ними соединяются гистоны, и хромосома становится двойной, состоящей из двух хроматид, которые соединены в области центромеры (рис. 2г).

Рис. 2а. Начало репликации ДНК в хромосоме

Рис. 2б. Образование репликационных глазков и репликационных вилок

Рис. 2в. Синтез ДНК в репликационной вилке:

1 - матричные цепи ДНК; 2 - фермент геликаза, разделяющий цепи матричной ДНК; 3 - ДСБ-белки, препятствующие воссоединению цепей ДНК; 4 - праймаза; 5 - РНК-затравка (синтезируется РНК-полимеразой - праймазой); 6 - ДНКполимераза, синтезирующая дочерние цепи; 7 - лидирующая дочерняя цепь ДНК; 8 - лигаза, соединяющая фрагменты Оказаки отстающей цепи ДНК; 9 - фрагмент Оказаки (150-200 нуклеотидов); 10 - топоизомераза

Рис. 2г. Завершение удвоения ДНК и хромосомы

Изучите схему репликации ДНК и удвоения хромосом, представленную на рис. 2а-2г. Зарисуйте рис. 2в.

Работа 3. Митоз растительных клеток

Рассмотрите под большим увеличением микроскопа микропрепарат корешка лука. Найдите клетки, находящиеся в интерфазе и разных фазах митоза. Зарисуйте и обозначьте:

I - стадии митоза: 1 - профаза;

2 - метафаза;

3 - анафаза;

4 - телофаза;

II - интерфаза (неделящаяся клетка).

Работа 4. Митоз клеток человека

Рассмотрите под малым увеличением цитогенетический препарат лимфоцитов крови человека. Найдите клетку в стадии митоза. Переведите на большое увеличение, поставив иммерсионный объектив (х90). Рассмотрите на препарате метафазную пластинку. Обратите внимание на строение хромосом человека, их размеры, расположение центромеры, количество хроматид в метафазной хромосоме. Определите набор хромосом, найдите гомологичные хромосомы. Зарисуйте метафазные хромосомы с различным расположением центромер.

Работа 5. Определение митотического коэффициента

На микропрепаратах корешка лука посчитайте число делящихся и неделящихся клеток в нескольких полях зрения (около 1000 клеток). Определите митотический коэффициент по формуле:

Число митозов

МК выражается в промилле (%о).

Работа 6. Виды тканей в зависимости от уровня клеточной пролиферации

Стабильные - все клетки находятся в состоянии необратимой дифференцировки. Гибель части клеток в течение жизни организма ведет к убыванию общего количества клеток в ткани.

Растущие - количество клеток в ткани увеличивается, так как доля клеток, идущих в митотический цикл, превышает долю клеток, идущих в дифференцировку.

Обновляющиеся - происходит размножение клеток, однако общее количество клеток остается постоянным, так как половина клеток переходит в необратимую дифференцировку и погибает.

Изучите и перепишите таблицу.

Вид ткани	Усредненные параметры пролиферации
Вид ткани	P c , % T, часы МК, %%
*Быстро обновляющиеся ткани:* красный костный мозг; эпителий ротовой полости, языка, пищевода, желудка и тонкой кишки; эпидермис кожи
*Медленно обновляющиеся ткани:* паренхима печени, паренхима почки		Не определяется. Скорость обновления клеток - около 6 мес
*Стабильные ткани:* эмаль зубов, кардиомиоциты, нервная ткань	Не определяется
*Растущие:* эмбриональные, регенерирующие, опухолевые		От 6-10 и более

Примечание: P c - пролиферативный пул; Т - продолжительность митотического цикла; МК - митотический коэффициент. Пролиферативный пул - доля клеток, находящихся во всех фазах митотического цикла и в пуле G 0 , способных к размножению.

Работа 7. Стволовые клетки. Их биологическое и медицинское значение

Стволовые клетки - это клетки, сохраняющие способность к размножению в течение всей жизни организма. В эмбриональном периоде они нужны для развития органов и тканей, в постэмбриональном - для роста организма, обновления тканей, регенерации и вегетативного размножения.

Изучите таблицу.

Вид стволовых клеток Характеристика Значение

Тотипотентные	Способны давать начало любому виду клеток (бластомеры на ранних этапах дробления)	С эмбриональных тотипотентных клеток начинается развитие организма при половом размножении. Соматические дают начало новым организмам при вегетативном размножении
Полипотентные (плюрипотентные)	Способны давать разные виды клеток (клетки зародышевых листков; клетки красного костного мозга)	Формирование органов и тканей развивающегося организма. Необходимы для обновления или регенерации тканей, в которых нет собственных стволовых клеток - эритроцитов и лейкоцитов, нейронов, кардиомиоцитов
Унипотентные	При размножении образуют клетки только одного вида (эпителий ротовой полости, слюнных желез)	Источник клеток для роста, обновления и регенерации органов
Реконструированные эмбриональные	Выделенные эмбриональные стволовые клетки, в которых методами генной инженерии изменен состав генов	Использование в медицине позволяет выращивать органы и ткани с заданными свойствами. Их применение для репродуктивного клонирования является источником генномодифицированных организмов

Применение стволовых клеток в медицине и стоматологии

Совершенствование методов выделения стволовых клеток, изучение факторов, регулирующих их рост и дифференцировку, открывает широкие возможности для использования таких клеток в медицине. Стволовыми клетками, взятыми из пуповинной крови или из других тканей, можно заменять собственные поврежденные клетки в любых органах, не опасаясь их отторжения. Применение эмбриональных клеток, терапевтическое клонирование и использование методов генной инженерии позволят выращивать органы и ткани и получать доступный материал для трансплантации. В настоящее время у экспериментальных животных из стволовых клеток удается получить целые зубы или их отдельные ткани (эмаль, пульпу и другие). Так, зародыши зуба, выращенные у мышей из клеток зубного сосочка, после имплантации взрослым животным вместо удаленных резцов прижились и сформировали полноценные зубы. У человека из стволовых клеток пульпы или апикального бугорка удаленных зубов мудрости удалось вырастить корни и периодонтальные связки, на основе которых восстановили (пока - с помощью обычных методов протезирования) коронку зуба. Таким образом в дальнейшем планируется получение материала для аутотрансплантации. Использование мезенхимальных стволовых клеток и композитных материалов позволило разработать имплантаты для замещения костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии. Необходимо отметить, что в настоящее время применение стволовых клеток находится на стадии экспериментальных исследований или клинических испытаний. Их широкое внедрение в практическую медицину - дело ближайшего будущего.

Работа 8. Различные направления дифференцировки клеток ротовой полости

Изучите и зарисуйте схему 1.

Схема 1. Направления дифференцировки клеток ротовой полости Работа 9. Регуляция размножения клеток

В обновляющихся тканях постоянное количество клеток поддерживается в результате саморегуляции, осуществляемой по принципу отрицательной обратной связи. При уменьшении количества клеток включаются механизмы, активирующие протоонкогены. Индукция этих генов ведет к синтезу факторов роста, оказывающих митогенную стимуляцию на клетки, находящиеся в Go -периоде, в том числе стволовые клетки. Происходит их усиленное размножение и увеличение количества. Избыток клеток ведет к репрессии протоонкогенов и активации генов-супрессоров, отвечающих за синтез ингибиторов клеточной пролиферации. Периодические колебания числа делящихся клеток, проявляющиеся в суточных ритмах пролиферации, позволяют достичь состояния динамического равновесия - количество клеток поддерживается на том уровне, который необходим для данной ткани.

Изучите схему 2. Приведите примеры факторов роста и ингибиторов клеточного деления.

Схема 2. Саморегуляция клеточной пролиферации

Работа 10. Сравнительная характеристика нормальных клеток и клеток злокачественных опухолей

Спонтанно или при действии канцерогенных факторов могут происходить мутации протоонкогенов или генов супрессоров, регулирующих размножение клеток. Протоонкогены превращаются в онкогены, которые не реагируют на регуляторные факторы и образуют большое количество факторов роста. Повреждение генов-супрессоров не позволяет сдерживать избыточное размножение клеток - возникает опухоль. Для клеток опухоли характерна генетическая нестабильность - в них возникают новые мутации, которые еще больше нарушают регуляцию клеточной пролиферации. Доброкачественная опухоль может трансформироваться в злокачественную.

Изучите таблицу.

Параметры Нормальные клетки Опухолевые клетки

Окончание табл.

Параметры	Нормальные клетки	Опухолевые клетки
Пролиферативный пул	Постоянный для каждой ткани	Прогрессивно увеличивается
Межклеточные контакты	Ограничивают увеличение количества клеток при контактном торможении	Нарушены: нет контактного торможения пролиферации
Клеточная мембрана	Обеспечивает возможность размножения клеток при контакте с базальной мембраной или другими опорными структурами	Изменена: возможно размножение клеток без контакта с опорными структурами
Адгезия клеток	Нормальная	Снижена: возможен отрыв клеток и метастазирование
Временная характеристика	Одновершинный суточный ритм митозов	Нарушение ритма митозов: двувершинный, инвертированный, отсутствие ритма
Пространственная организация	Строго определенная	Нарушена вследствие утраты контроля пролиферации и изменения клеточных контактов
Деление клеток		Значительное количество нарушений митозов, амитозы
Набор хромосом	Строго определенный (кариотип)	Значительные изменения числа и структуры хромосом

Работа 11. Мейоз, его особенности по сравнению с митозом

а) Под большим увеличением микроскопа рассмотрите препарат поперечного среза матки аскариды. Найдите овоциты первого порядка на стадии мейоза 1.

Зарисуйте и обозначьте:

1 - овоцит;

2 - цитоплазма;

3 - тетрада.

б) Используя материалы учебника, лекций и наглядных пособий, изучите стадии редукционного и эквационного делений мейоза. Отметьте различия митоза и мейоза. Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое жизненный цикл клеток?

2. Что такое митотический цикл, из каких периодов он состоит? Что происходит в различные периоды митотического цикла?

3. Как образуются новые клетки? Чем заканчивается жизнь клеток?

4. Какие молекулярные процессы лежат в основе удвоения молекулы ДНК? Как происходит удвоение хромосом?

5. Фазы митоза. Биологическая сущность и значение митоза.

6. Что такое политения, эндомитоз и полиплоидия?

7. Что такое митотический коэффициент и как он определяется?

8. Какие виды тканей различают в зависимости от их митотической активности? Чем они характеризуются?

9. Чем отличаются жизненные циклы нормальных и опухолевых клеток?

10. Каковы механизмы регуляции клеточного деления?

11. Что такое стволовые клетки? Виды стволовых клеток и их значение для стоматологии.

12. Клеточные циклы и направления дифференцировки при образовании тканей органов ротовой полости человека.

13. Каково биологическое значение и сущность мейоза?

14. Как изменяется набор хромосом, хроматид и ДНК в процессе мейоза?

15. Какие процессы ведут к рекомбинации генетического материала при мейозе?

Тестовые задания

Выбрать один правильный ответ.

1. УДВОЕНИЕ ХРОМОСОМ ПРОИСХОДИТ В ПЕРИОДЕ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:

1. Пресинтетическом

2. Постсинтетическом

3. Синтетическом

5. Go -периоде

2. УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МОЛЕКУЛ ДНК В ХРОМОСОМАХ ОБЕСПЕЧИВАЕТ:

3. Эндомитоз

5. Политения

3. СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СОХРАНЯЮТСЯ В ПЕРИОДЕ

КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:

5. В дифференцировке

4. В МЕЙОЗЕ РАСХОЖДЕНИЕ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ

ПРОИСХОДИТ В:

1. Профазе I

2. Метафазе I

3. Анафазе I

4. Метафазе II

5. Анафазе II

Выберите несколько правильных ответов.

5. КОНЪЮГАЦИЯ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ В МЕЙОЗЕ

НЕОБХОДИМА ДЛЯ:

1. Удвоения хромосом

2. Кроссинговера

3. Репарации

4. Амплификации

5. Упорядоченного расположения гомологичных хромосом

6. К БЫСТРО ОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ТКАНЯМ ОТНОСЯТСЯ:

1. Нервная

2. Эпителий кишечника

3. Паренхима печени

4. Красный костный мозг

5. Эмаль зубов

6. Эпителий языка

7. Эмбриональные ткани

Установите соответствие.

7. КОЛИЧЕСТВО КЛЕТОК:

1. Не изменяется

2. Увеличивается

3. Уменьшается

а) Растущие

б) Медленно обновляющиеся

в) Быстро обновляющиеся

г) Стабильные

8. ПОСЛЕ ДЕЛЕНИЯ:

3. Эндомитоз

КОЛИЧЕСТВО ХРОМОСОМ (n) И ДНК (с)

СОСТАВЛЯЕТ В КЛЕТКЕ:

9. ФЕРМЕНТ:

1. Геликаза

2. РНК-полимераза

3. ДНК-полимераза

а) Синтез праймеров

б) Вырезание праймеров

в) Разъединение матричных цепей ДНК

г) Стабилизация матричных цепей ДНК

д) Синтез дочерних цепей ДНК

е) Сшивание фрагментов Оказаки

Установить правильную последовательность. 10. СОБЫТИЯ ПРИ РЕПЛИКАЦИИ ДНК:

1. Разделение цепей ДНК

2. Соединение фрагментов Оказаки

3. Синтез праймеров

4. Удаление праймеров

5. Синтез фрагментов Оказаки

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. -

Кн. 1. - С. 55-60, 72-79, 118-144, 200-207.

Пехов А.П. Биология и общая генетика. - М.: Изд-во РУДН, 1993. -

С. 64-80, 107-112.

Дополнительная

Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Лушников Е.Ф., Абросимов А.Ю. Гибель клетки (апоптоз). - М.: Медицина, 2001.

Епифанова О.И. Лекции о клеточном цикле. - М.: КМК, 2003.

Все живые существа состоят из клеток - маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Клетка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. Считается, что все организмы и все составляющие их клетки произошли эволюционным путем от общей преДНКовой клетки.

Примерная история клетки

Вначале под действием различных природных факторов (тепло, ультрафиолетовое излучение, электрические разряды) появились первые органические соединения, которые послужили материалом для построения живых клеток.

Ключевым моментом в истории развития жизни видимо стало появление первых молекул-репликаторов. Репликатор – это своеобразная молекула, которая является катализатором для синтеза своих собственных копий или матриц, что является примитивным аналогом размножения в животном мире. Из наиболее распространённых в настоящее время молекул, репликаторами являются ДНК и РНК. Например, молекула ДНК, помещённая в стакан с необходимыми компонентами, самопроизвольно начинает создавать свои собственные копии (хотя и значительно медленнее, чем в клетке под действием специальных ферментов).

Появление молекул-репликаторов запустило механизм химической (добиологической) эволюции. Первым субъектом эволюции были скорее всего примитивные, состоящие всего из нескольких нуклеотидов, молекулы РНК. Для этой стадии характерны (хотя и в очень примитивизированном виде) все основные черты биологической эволюции: размножение, мутации, смерть, борьба за выживание и естественный отбор.

Химической эволюции способствовал тот факт, что РНК является универсальной молекулой. Кроме того, что она является репликатором (т.е. носителем наследственной информации), она может выполнять функции ферментов (например, ферментов, ускоряющих репликацию, или ферментов, разлагающих конкурирующие молекулы).

В какой-то момент эволюции возникли РНК-ферменты, катализирующие синтез молекул липидов (т.е. жиров). Молекулы липидов обладают одним замечательным свойством: они полярные и имеют линейную структуру, причём толщина одного из концов молекулы больше, чем у другого. Поэтому молекулы липидов во взвеси самопроизвольно собираются в оболочки, близкие по форме к сферическим. Так что РНК, синтезирующие липиды, получили возможность окружать себя липидной оболочкой, значительно улучшившую устойчивость РНК к внешним факторам.

Постепенное увеличение длины РНК приводило к появлению многофункциональных РНК, отдельные фрагменты которых выполняли различные функции.

Первые деления клеток происходили, видимо, под действием внешних факторов. Синтез липидов внутри клетки приводил к увеличению её размеров и к потере прочности, так что большая аморфная оболочка разделялась на части под действием механических воздействий. В дальнейшем возник фермент, регулирующий этот процесс.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток - прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки - более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки - протопласт - отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро, орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.

У прокариотических клеток есть цитоплазматическая мембрана, также как и эукариотических. У бактерий мембрана двуслойная (липидный бислой), у архей мембрана довольно часто бывает однослойной. Мембрана архей состоит из веществ, отличных от тех, из которых состоит мембрана бактерий. Поверхность клеток может быть покрыта капсулой, чехлом или слизью. У них могут быть жгутики и ворсинки.

Рис.1. Строение типичной клетки прокариот

Клеточное ядро, такое как у эукариот, у прокариот отсутствует. ДНК находится внутри клетки, упорядоченно свернутая и поддерживаемая белками. Этот ДНК-белковый комплекс называется нуклеоид. У эубактерий белки, которые поддерживают, ДНК отличаются от гистонов, которые образуют нуклеосомы (у эукариот). А у архибактерий гистоны есть, и этим они похожи на эукариот. Энергетические процессы у прокариотов идут в цитоплазме и на специальных структурах - мезосомах (выростах клеточной мембраны, которые закручены в спираль для увеличения площади поверхности, на которой происходит синтез АТФ). Внутри клетки могут находиться газовые пузырьки, запасные вещества в виде гранул полифосфатов, гранул углеводов, жировых капель. Могут присутствовать включения серы (образующейся, например, в результате бескислородного фотосинтеза). У фотосинтетических бактерий имеются складчатые структуры, называемые тилакоидами, на которых идет фотосинтез. Таким образом, у прокариот, в принципе, имеются те же самые элементы, но без перегородок, без внутренних мембран. Те перегородки, которые имеются, являются выростами клеточной мембраны.

Форма прокариотических клеток не так уж и разнообразна. Круглые клетки называются кокки. Такую форму могут иметь как археи, так и эубактерии. Стрептококки – это кокки, вытянутые в цепочку. Стафилококки – это «грозди» кокков, диплококки –кокки, объединенные по две клетки, тетрады - по четыре, и сарцины – по восемь. Палочкообразные бактерии называются бациллами. Две палочки – диплобациллы, вытянутые в цепочку – стрептобациллы. Еще выделяют коринеформные бактерии (с расширением на концах, похожим на булаву), спириллы (длинные завитые клетки), вибрионы (коротенькие загнутые клетки) и спирохеты (завиваются не так, как спириллы). Ниже проиллюстрировано все выше сказанное и приведены два представителя архебактерий. Хотя и археи, и бактерии относятся к прокариотическим (безядерным) организмам, строение их клеток имеет некоторые существенные отличия. Как уже было отмечено выше, бактерии имеют липидный бислой (когда гидрофобные концы погружены в мембрану, а заряженные головки торчат с двух сторон наружу), а археи могут иметь монослойную мембрану (заряженные головки имеются с двух сторон, а внутри единая целая молекула; эта структура может быть более жесткой, чем бислой). Ниже представлено строение клеточной мембраны архебактерии.

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех) - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты - прокариоты - митохондрии, а у водорослей и растений - также и пластиды.

Животная клетка

Строение клетки животного базируется на трех основных составляющих – ядро, цитоплазма и клеточная оболочка. Вместе с ядром цитоплазма образует протоплазму. Клеточная оболочка – это биологическая мембрана (перегородка), которая отделяет клетку от внешней среды, служит оболочкой для клеточных органоидов и ядра, образует цитоплазматические отсеки. Если поместить препарат под микроскоп, то строение животной клетки легко можно увидеть. Клеточная оболочка содержит три слоя. Внешний и внутренний слои белковые, а промежуточный – липидный. При этом липидный слой делится еще на два слоя – слой гидрофобных молекул и слой гидрофильных молекул, которые располагаются в определенном порядке. На поверхности клеточной мембраны располагается особая структура – гликокаликс, которая обеспечивает избирательную способность мембраны. Оболочка пропускает необходимые вещества и задерживает те, которые приносят вред.

Рис.2. Строение животной клетки

Строение животной клетки нацелено на обеспечение защитной функции уже на этом уровне. Проникновение веществ через оболочку происходит при непосредственном участии цитоплазматической мембраны. Поверхность этой мембраны достаточно значительна за счет изгибов, выростов, складок и ворсинок. Цитоплазматическая мембрана пропускает как мельчайшие частицы, так и более крупные. Строение животной клетки характеризуется наличием цитоплазмы, в большинстве своем состоящей из воды. Цитоплазма – это вместилище для органоидов и включений.

Кроме этого цитоплазма содержит и цитоскелет – белковые нити, которые участвуют в процессе деления клетки, отграничивают внутриклеточное пространство и поддерживают клеточную форму, способность сокращаться. Важная составляющая цитоплазмы – гиалоплазма, которая определяет вязкость и эластичность клеточной структуры. В зависимости от внешних и внутренних факторов гиалоплазма может менять свою вязкость – становиться жидкой или гелеобразной. Изучая строение животной клетки, нельзя не обратить внимание на клеточный аппарат – органоиды, которые находятся в клетке. Все органоиды имеют собственное специфическое строение, которое обусловлено выполняемыми функциями.

Ядро – центральная клеточная единица, которая содержит наследственную информацию и участвует в обмене веществ в самой клетке. К клеточным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, клеточный центр, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, пластиды, лизосомы, вакуоли. Подобные органоиды есть в любой клетке, но, в зависимости от функции, строение животной клетки может отличаться наличием специфических структур.

Функции клеточных органоидов: - митохондрии окисляют органические соединения и аккумулируют химическую энергию; - эндоплазматическая сеть благодаря наличию специальных ферментов синтезирует жиры и углеводы, ее каналы способствуют транспорту веществ внутри клетки; - рибосомы синтезируют белок; - комплекс Гольджи концентрирует белок, уплотняет синтезированные жиры, полисахариды, образует лизосомы и готовит вещества к выведению их из клетки или непосредственному использованию внутри нее; - лизосомы расщепляют углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и жиры, по сути, переваривая поступающие в клетку питательные вещества; - клеточный центр участвует в процессе деления клетки; - вакуоли, благодаря содержанию клеточного сока, поддерживают тургор клетки (внутреннее давление).

Строение клетки живого чрезвычайно сложно - на клеточном уровне протекает множество биохимических процессов, которые в совокупности обеспечивают жизнедеятельность организма.

Биология клетки в общих чертах известна каждому из школьной программы. Предлагаем вам вспомнить изученное когда-то, а также открыть для себя что-то новое о ней. Название "клетка" было предложено еще в 1665 году англичанином Р. Гуком. Однако лишь в 19 веке ее начали изучать систематически. Ученых заинтересовала, среди прочего, и роль клетки в организме. Они могут быть в составе множества различных органов и организмов (икринок, бактерий, нервов, эритроцитов) или же быть самостоятельными организмами (простейшими). Несмотря на все их многообразие, в функциях и строении их обнаруживается много общего.

Функции клетки

Все они различны по форме и зачастую по функциям. Могут отличаться довольно сильно и клетки тканей и органов одного организма. Однако биология клетки выделяет функции, которые присущи всем их разновидностям. Именно здесь всегда происходит синтез белков. Этот процесс контролируется Клетка, которая не синтезирует белки, в сущности мертва. Живая клетка - это та, компоненты которой все время меняются. Однако основные классы веществ при этом остаются неизменными.

Все процессы в клетке осуществляются с использованием энергии. Это питание, дыхание, размножение, обмен веществ. Поэтому живая клетка характеризуется тем, что в ней все время происходит энергетический обмен. Каждая из них обладает общим важнейшим свойством - способностью запасать энергию и тратить ее. Среди других функций можно отметить деление и раздражимость.

Все живые клетки могут реагировать на химические или физические изменения среды, окружающей их. Это свойство называется возбудимостью или раздражимостью. В клетках при возбуждении меняется скорость распада веществ и биосинтеза, температура, потребление кислорода. В таком состоянии они выполняют функции, свойственные им.

Строение клетки

Ее строение довольно сложно, хотя она считается самой простой формой жизни в такой науке, как биология. Клетки расположены в межклеточном веществе. Оно обеспечивает им дыхание, питание и механическую прочность. Ядро и цитоплазма - основные составные части каждой клетки. Каждая из них покрыта мембраной, строительный элемент для которой - молекула. Биология установила, что мембрана состоит из множества молекул. Они расположены в несколько слоев. Благодаря мембране вещества проникают избирательно. В цитоплазме находятся органоиды - мельчайшие структуры. Это эндоплазматическая сеть, митохондрии, рибосомы, клеточный центр, комплекс Гольджи, лизосомы. Вы лучше поймете, как выглядят клетки, изучив рисунки, представленные в этой статье.

Мембрана

Эндоплазматическая сеть

Этот органоид был назван так из-за того, что он находится в центральной части цитоплазмы (с греческого языка слово "эндон" переводится как "внутри"). ЭПС - очень разветвленная система пузырьков, трубочек, канальцев различной формы и величины. Они отграничены от мембранами.

Различаются два вида ЭПС. Первый - гранулярная, которая состоит из цистерн и канальцев, поверхность которых усеяна гранулами (зернышками). Второй вид ЭПС - агранулярная, то есть гладкая. Гранами являются рибосомы. Любопытно, что в основном гранулярная ЭПС наблюдается в клетках зародышей животных, тогда как у взрослых форм она обычно агранулярная. Как известно, рибосомы являются местом синтеза белка в цитоплазме. Исходя из этого, можно сделать предположение, что гранулярная ЭПС бывает преимущественно в клетках, где происходит активный синтез белка. Агранулярная сеть, как считается, представлена в основном в тех клетках, где протекает активный синтез липидов, то есть жиров и различных жироподобных веществ.

И тот и другой вид ЭПС не просто принимает участие в синтезе органических веществ. Здесь эти вещества накапливаются, а также транспортируются к необходимым местам. ЭПС также регулирует обмен веществ, который происходит между окружающей средой и клеткой.

Рибосомы

Митохондрии

К энергетическим органоидам относятся митохондрии (на фото выше) и хлоропласты. Митохондрии - это своеобразные энергетические станции каждой клетки. Именно в них извлекается энергия из питательных веществ. Митохондрии имеют изменчивую форму, однако чаще всего это гранулы или нити. Число и размеры их непостоянны. Это зависит от того, какова функциональная активность той или иной клетки.

Если рассмотреть электронную микрофотографию, можно заметить, что митохондрии имеют две мембраны: внутреннюю и наружную. Внутренняя образует выросты (кристы), устланные ферментами. Благодаря наличию крист общая поверхность митохондрий увеличивается. Это важно для того, чтобы деятельность ферментов протекала активно.

В митохондриях ученые обнаружили специфические рибосомы и ДНК. Это позволяет этим органоидам самостоятельно размножаться в процессе деления клетки.

Хлоропласты

Что касается хлоропластов, то по форме это диск или шар, имеющий двойную оболочку (внутреннюю и наружную). Внутри этого органоида также имеются рибосомы, ДНК и граны - особые мембранные образования, связанные как с внутренней мембраной, так и между собой. Хлорофилл находится именно в мембранах гран. Благодаря ему энергия солнечного света превращается в химическую энергию аденозинтрифосфат (АТФ). В хлоропластах она используется для синтеза углеводов (образуются из воды и углекислого газа).

Согласитесь, представленную выше информацию нужно знать не только для того, чтобы сдать тест по биологии. Клетка - это строительный материал, из которого состоит наш организм. Да и вся живая природа - сложная совокупность клеток. Как вы видите, в них выделяется множество составных частей. На первый взгляд может показаться, что изучить строение клетки - непростая задача. Однако если разобраться, эта тема не так уж и сложна. Ее необходимо знать, чтобы хорошо разбираться в такой науке, как биология. Состав клетки - одна из основополагающих ее тем.

Цитология и клеточная биология

Учение о клетке

Выдающиеся отечественные ученые-цитологи

Рекомендуемая литература

Строение и функции растительной клетки

Строение и функции органоидов растительной клетки

Цитоплазматические образования – органеллы

Ядро

Ядрышко

Аппарат Гольджи

Лизосомы

Микротрубочки

Вакуоль

Пластиды

Митохондрии

Эндоплазматическая сеть

Рибосомы

Функции клетки

Строение клетки

Мембрана

Эндоплазматическая сеть

Рибосомы

Митохондрии

Хлоропласты