1599152194_Лекция 1 - 2. Лекция 1 Клеточный уровень организации жизни
 Скачать 26.61 Kb.
|
ЛЕКЦИЯ 1Клеточный уровень организации жизни.План лекции: 1. Основные положения современной клеточной теории. 2. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки. Вопрос 1. Клетка – это сложная динамичная саморегулирующаяся система. В настоящее время известно два типа клеточной организации: прокариоты и эукариоты. Все имеющиеся сведения о клетке были систематизированы в 1838-1839 годах немецкими учеными – ботаником Шлейденом и зоологом Шванном. Они сформулировали положения клеточной теории, которые, в основном, актуальны и сегодня. В 1859 году патологоанатом Рудольфом Вирховым было внесено изменение, которое касалось размножения клеток: « каждая клетка из клетки». Положения современной клеточной теории: 1. Клетка – элементарная единица живого. 2. Клетки разных организмов гомологичны по своему строению и основным свойствам. 3. Клетка – единая система, включающая множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц – органоидов или органелл. 4. Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала (ДНК): клетка от клетки. 5. Многоклеточный организм – это сложный ансамбль из множества клеток, объединенных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических, гуморальных и нервных факторов (молекулярная регуляция). 6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т.е. обладают генетическим потенциалом всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации. Но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит их к морфологическому и функциональному разнообразию – дифференцировке. Вопрос 2. Традиционно в эукариотической клетке выделяют поверхностный аппарат, ядро и цитоплазму. Поверхностный аппарат клетки: а) цитоплазматическая мембрана: состоит из двойного слоя фосфолипидов и белков. Липиды образуют барьер для водорастворимых молекул, который определяет внутреннюю среду клетки и обеспечивает передвижение белков в плоскости мембраны. Белки могут быть периферическими и интегральными (трансмембранные и нетрансмембранные). Последние могут обеспечивать эндоцитоз и быть переносчиками молекул; б) надмембранный комплекс – гликокаликс в животной клетке, образован углеводами (полисахаридами), ассоциированными с белками или липидами, выполняющими рецепторную функцию. в) субмембранный комплекс – микротрубочки и микрофиламенты, образующие цитоскелет. Функции мембраны: 1) структурная, 2) транспортная, 3) рецепторная, 4) защитная, 5) связь с внешней средой, 6) межклеточные контакты В цитоплазме выделяют основное вещество, включения и органоиды. Основное вещество – это внутренняя среда клетки. Она объединяет и связывает все внутриклеточные структуры, заполняет пространство между ними. Включения - это непостоянные структуры в клетке, которые отражают различные стороны ее биологической активности. Бывают: а) трофические – отражают повседневный метаболизм и накапливаются в клетке; б) секреторные – выводятся из клетки; в) специфические – связаны с выполнением определенных функций. Органоиды – постоянные структуры в клетке. Могут быть общего и специального (присутствуют в специализированных клетках) значения. Их делят на: а) одномембранные, б) двумембранные, в) немембранные. Одномембранные : 1. Эндоплазматическая сеть – выделяют два типа: а) гранулярный – представлен замкнутыми мембранами, которые образуют каналы, содержат рибосомы в виде полисом; ее функции: синтез белка (секреторный, белки мембран и т.д.), транспорт белков от места синтеза к другим участкам и к аппарату Гольджи, сборка компонентов клеточной мембраны; б) гладкий – теряет рибосомы, вторичен по отношению к гранулярному; функции – транспортная, синтез липидов, синтез полисахаридов, детоксикация вредных продуктов обмена, синтез в небольших количествах некоторых водорастворимых витаминов. Мембраны ЭПР делят цитоплазму на отдельные участки – компартменты. Область внутри ЭПР не сообщается с цитоплазмой и белки ЭПР не принимают участие в обменных процессах цитоплазмы. 2. Аппарат Гольджи – мембраны ЭПР постепенно переходят в мембраны этой структуры. Структурной единицей является диктиосома. Это плотно расположенные плоские мешки – цистерны, уложенные в стопку по 5 - 7 . С одной стороны – проксимальная зона мелких вакуолей, а с другой стороны дистальная зона крупных вакуолей. Проксимальная зона – переходная из ЭПР. Функции: накопление продуктов, синтезированных в ЭПР; их химические перестройки и сегрегация; модификация белков и фосфорилирование аминокислот, участие в секреторных процессах, источник всех клеточных лизосом. 3. Лизосомы – одномембранные пузырьки с гетерогенным содержимым. Основная функция – это осуществление внутриклеточного переваривания веществ. Типы лизосом: 1) первичные – содержат только активные гидролитические ферменты; 2) вторичные: а) гетеролизосомы – образуются путем слияния первичной лизосомы с эндоцитозной вакуолью; б) аутолизосомы – в качестве субстрата выступают отработавшие структуры самой клетки; 3) остаточные тельца – содержат непереваренные остатки. Двумембранные органоиды: Митохондрии - энергетические станции клетки. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует впячивания – кристы и ограничивает внутреннее содержимое (матрикс). На кристах расположены элементарные частицы, ферменты, рибосомы. Митохондрии содержат собственную молекулу ДНК, РНК, аппарат белкового синтеза. Однако он являются полуавтономными органоидами, так как только 15% белка митохондрий кодирует их ДНК, остальной белок кодирован ядерным геномом клетки. Основная функция митохондрий – синтез АТФ. Немембранные органоиды: Рибосомы – состоят из двух субъединиц (большой и малой). По химическому составу представляют рибонуклеопротеидный комплекс, количество РНК и белков может быть различным. Их сборка осуществляется в особых участках хромосом – ядрышковых организаторах. Основная функция – синтез полипептида. Полисомы – это несколько рибосом, объединенных одной матричной РНК. В клетке могут находиться в собранном и в диссоциированном состоянии. Располагаются свободно в цитоплазме, а также на мембранах ЭПР, митохондрий, пластид, на внешней мембране ядра. К элементам опорно-двигательной системы относят микротрубочки, микрофиламенты. (самостоятельно) Ядро – основные компоненты: а) ядерная оболочка – из двух мембран (наружной и внутренней), в местах соприкосновения которой находятся перфорации белковой природы – ядерные поры. Через них осуществляется ядерно-цитоплазматический обмен. б) кариоплазма – ядерный сок. Он заполняет пространство между компонентами ядра и обеспечивает взаимосвязь между ними. в) ядрышко – расположены в особых участках хромосом (ядрышковых организаторах). В них синтезируется р-РНК и образуются компоненты рибосом. г) хроматин – основное вещество ядра, названное так за способность хорошо окрашиваться основными красителями. Это надмолекулярный комплекс, состоящий из ДНК, гистоновых белков и небольшого количества РНК. Находится в клетке в двух функциональных состояниях: 1. метаболической активности – во время интерфазы, когда в клетке идут процессы матричного синтеза 2. метаболического покоя – во время митоза, когда хроматин максимально спирализуется, принимает вид укороченных телец – хромосом, и участвует в процессах распределения генетической информации между дочерними клетками. В настоящее время все указанные структуры объединяют в клеточные системы функционирования: Клеточное ядро – система хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Гиалоплазма – система основного промежуточного обмена. Полисома – система синтеза белка. Цитоскелет – опорно-двигательная система. Митохондрии – система энергообеспечения. Вакуолярная система – система синтеза и внутриклеточного транспорта белковых полимеров и генезиса клеточных мембран. Плазматическая мембрана – барьерно-рецепторно-транспортная система. ЛЕКЦИЯ 2. СТРУКТУРНО - ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА План: Химическая организация генетического материала, структура ДНК. Основные принципы и этапы репликации ДНК. Репарация как механизм поддержания генетического гомеостаза. Вопрос 1. Впервые ДНК выделил биохимическим методом швейцарский ученый Фридрих Мишер. ДНК – это биополимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из: азотистого основания: пуринового (аденина или гуанина) или пиримидинового (цитозина или тимина), дезоксирибозы остатка фосфорной кислоты. Эдвин Чаргафф – американский биохимик – обнаружил, что количественное содержание гуанина равно содержанию цитозина, а содержание тимина – содержанию аденина. Он сформулировал «Правило Чаргаффа»: А+Г =1 Ц+Т Соединения азотистого основания и сахара называются нуклеозиды, а с присоединенным фосфатом – нуклеотид. Окончательную структуру установили Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 году. Первичная структура ДНК – полинуклеотидная цепь, где нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями; Вторичная структура – две антипараллельные цепи, которые связаны водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями. Между А и Т двойная, между Г и Ц тройная. Цепи направлены антипараллельно, т.е. 5’конец одной цепи соединяется с 3’-концом другой цепи. Третичная – право или левозакрученная спираль, десять пар нуклеотидов составляют полный оборот 360 градусов. Основания находятся на расстоянии 0, 34 нм друг от друга и внутри спирали, а фосфатные группы снаружи. Длина шага 3,4 нм, диаметр 2 нм. Вопрос 2. Одно из основных свойств ДНК – свойство самокопирования или репликации. Ее основное значение - обеспечение потомства генетической информацией, полной и точной, а в основе лежит матричный механизм. Процесс репликации был изучен в лаборатории Артура Корнберга в 1955 - 1957 годах. Она основывается на следующих принципах: 1. Комплементарность – азотистые основания должны своей пространственной структурой друг друга дополнять. 2. Полуконсервативность – каждая молекула состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. 3. Антипараллельность. Репликация у эукариот имеет несколько точек инициации и проходит под контролем ферментативного комплекса. Участок начала расхождения цепей называется репликативной вилкой. Именно здесь происходит синтез дочерних цепей. Единицей репликации является репликон - фрагмент от точки начала репликации до ее окончания. Ферментативный комплекс катализирует репликацию только в одном направлении – от 5`- 3`. Цепи материнской ДНК направлены антипараллельно, поэтому только одна из новых цепей будет синтезироваться непрерывно – лидирующая цепь. Вторая цепь – отстающая, синтезируется в виде фрагментов. Они называются фрагментами Оказаки. Они затем сшиваются и образуется непрерывная вторая цепь. Синтез фрагментов начинается на фрагменте РНК, который впоследствии удаляется. Это РНК - затравка или праймер. Рассмотрим ферментативный комплекс, осуществляющий репликацию: 1. ДНК – геликаза – разрывает водородные связи, расплетает двойную спираль 2. Белки – дестабилизаторы – распрямляют участки цепи ДНК, не давая им сомкнуться, и делая ее основания доступными для основного фермента репликации. 3. ДНК – топоизомераза – разрывает фосфодиэфирные связи. 4. РНК – праймаза – синтезирует РНК-затравку, делая доступным 3’-конец молекулы ДНК для основного фермента 5. ДНК – полимеразы – осуществляют непрерывный синтез лидирующей цепи и фрагментов Оказаки на отстающей. Только одна из новых цепей будет синтезироваться непрерывно – лидирующая цепь. Вторая цепь – отстающая, синтезируется в виде фрагментов. Они называются фрагментами Оказаки. Они затем сшиваются, и образуется непрерывная вторая цепь. Синтез фрагментов начинается на фрагменте РНК, который впоследствии удаляется. Это РНК- затравка или праймер. 6. ДНК – лигаза сшивает фрагменты Оказаки в единую цепь. Высокая точность репликации обеспечивается специальными механизмами, которые осуществляют коррекцию, т.е. устраняют ошибки. Суть механизма коррекции в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице. Если все же произошла ошибка, то в работу включаются ферменты репарации. Репарация – это восстановление молекулярной структуры поврежденной ДНК. Она осуществляется особым ферментативным комплексом эндонуклеаз. |