Лекция 1_Лечфак_2022. Лекция 1 Структурная организация клеток прокариот и эукариот. Молекулярные основы наследственности и изменчивости
 Скачать 4.96 Mb.
|
|
Лекционный курс по биологии для студентов специальности «Лечебное дело» Профессор кафедры биологии, д.б.н. Корытина Гульназ Фаритовна Курс «Биология» 1 семестр Лекция 1 Структурная организация клеток прокариот и эукариот. Молекулярные основы наследственности и изменчивости. Лекция 2 Основы общей и медицинской генетики. Лекция 3 Паразитизм и его экологические основы. Медицинская протозоология. Биология – комплекс наук о живой природе, о строении, функциях, происхождении, развитии, многообразии и распространении организмов и сообществ, их взаимоотношениях и связях с внешней средой. • общебиологические (цитология, генетика, эволюционное учение и др.) • морфологические (например: анатомия, гистология, патологическая анатомия) • физиологические ( физиология растений, животных, нормальная физиология, патологическая физиология) • экологические (биогеография, паразитология) • пограничные (биохимия, биофизика, молекулярная биология, системная биология и др.) Рекомендуемые учебные пособия Структурная организация клеток прокариот и эукариот Лекция № 1 часть 1 План • Клеточная теория и ее современное состояние. • Структурная организация клеток прокариот и эукариот • Строение ядра клетки • Химический состав хроматина, уровни укладки молекулы ДНК • Морфология хромосом Молекулярно-генетический (Элементарна Единица - геном, Элементарное Явление – репликация ДНК, синтез АТФ и т.д.) Субклеточный (ЭЕ - органелла, ЭЯ – функция органоида) Клеточный (ЭЕ - клетка, ЭЯ – обмен веществ, биосинтез белка, размножение) Тканевой (ЭЕ - ткань, ЭЯ – функция ткани) Органный (ЭЕ - орган, ЭЯ – функция органа) Организменный (ЭЕ - особь, ЭЯ – рост и развитие, раздражимость) Популяционно-видовой (ЭЕ - популяция, ЭЯ – изменение генофонда популяции) Биогеоценотический (ЭЕ - биогеоценоз, ЭЯ – поток энергии и круговорот веществ) Биосферный (ЭЕ - биосфера, ЭЯ – глобальные круговороты веществ) Уровни организации живой материи Микро- системы Мезо- системы Макро- системы Формы жизни Клеточные Неклеточные Прокариоты Эукариоты Вирусы Царства Животные Растения Грибы Археи Протисты Бактерии Вирусы Многоклеточные Одноклеточные 1. Все живые организмы состоят из клеток . Вне клетки нет жизни. 2. Клетки всех организмов сходны между собой по строению, химическому составу и свойствам . 3. Клетка является открытой системой , через которую проходят и преобразуются потоки веществ, энергии и информации . 4. Клетки могут образовываться только из клеток путем деления. 5. Клеточное строение всех ныне живущих организмов – свидетельство единства происхождения . 6. Клетки многоклеточных организмов специализированы : они выполняют разные функции и образуют ткани. Современная клеточная теория сформулирована Т. Шванном и М. Шледеном (1839), дополнена Р. Вирховым (1858) • Клетка является простейшей биологической системой макромолекул, обладающей высокой упорядоченностью, способная к развитию, регенерации и размножению. Это первая динамически устойчивая открытая система. • Клетка – основная структурная, функциональная, генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Прокариоты (доядерные) Бактерии Сине-зеленые водоросли Прокариоты - организмы малых размеров (0,5-5 мкм), лишенные ядра и не имеющие мембранных органоидов. Наследственный материал представлен одной кольцевой молекулой ДНК - нуклеоидом. Только одноклеточные организмы. Клетки прокариот • Эукариоты имеют ядро, окруженное ядерной оболочкой, • генетический материал в виде нитей ДНК в комплексе с гистонами, • мембранные органоиды в цитоплазме. • Размеры клеток 5-100 мкм. • Известны одно- и многоклеточные организмы. Животные Растения Хлоропласты Эукариоты (ядерные) Клетка как система • Клетка – это целостная неделимая система, в которой можно выделить ряд связанных между собой подсистем с определенными функциями: мембраны, цитозоль, ядро, митохондрии и др., работающих согласованно. • Для жизни клетке необходимо постоянно взаимодействовать с окружающей средой , обмениваясь материей, энергией и информацией. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны С. Сингера и Г. Николсона (1972). Барьерно -рецепт о р но -тр ансп о рт на я систе ма кл етк и Фосфолипид Функции биологических мембран • барьерная – мембраны ограничивают цитоплазму от межклеточного пространства, а клеточные органеллы от цитоплазмы, предохраняют клетку от проникновения большинства веществ, • транспортная – обеспечивают избирательную проницаемость веществ, создание трансмембранного потенциала, • рецепторная – рецепторы мембран воспринимают химические сигналы от гормонов, медиаторов и др. и обуславливают способность изменять метаболическую активность клетки, • межклеточное узнавание – клетки способны узнавать себе подобных и удерживаться вместе. • образование межклеточных контактов – участвуют во взаимодействии клеток и образовании тканей, • структурная – обеспечивают образование органелл и протекание множества разнонаправленных метаболических процессов. Виды транспорта Na + /K + - насос Транспорт в мембранной упаковке Экзоцитоз – процесс обратный пиноцитозу Схема строения животной клетки центросома вакуоль лизосома ядро кариоплазма кариолемма ядрышки плазматическая мембрана аппарат Гольджи пиноцитозный пузырек цитоплазма центриоли микроворсинки рибосомы микротрубочки митохондрия пиноцитоз вакуоль гладкий эндоплазматический ретикулум лизосома шероховатый эндоплазматический ретикулум митохондрия микрофиламент Цитоплазма Гиалоплазма - Система основного промежуточного обмена. Органоиды Включения гиалоплазма 90% воды белки аминокислоты нуклеотиды ионы неорганических соединений Органоиды Постоянные структуры цитоплазмы, имеющие определенное строение и выполняющие в клетке определенные функции. Мембранные: одномембранные, двумембранные Общего назначения Специального назначения Немембранные Вакуолярная система внутриклеточного транспорта клетки Эндоплазматическая сеть Гладкая (агранулярная) Шероховатая (гранулярная) – есть рибосомы Функции эндоплазматической сети 1. транспортировка всех веществ в клетке, 2. компартментализация цитоплазмы - способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке, 3. синтетическая : на гранулярной ЭПС происходит синтез белков, на гладкой – синтез липидов, стероидных гормонов и углеводов, 4. отчленяющиеся от ЭПС пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органоидов : аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом и вакуолей. Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) Функции аппарата Гольджи 1. концентрирование веществ, благодаря дегидратации (обезвоживанию), 2. сортировка и упаковка, 3. образование комплексных соединений (гликозилирование), 4. формирование первичных лизосом, пероксисом, вакуолей и секреторных гранул. Лизосомы Протеазы Нуклеазы Липазы Гидролазы Вторичная лизосома= Эндосома Классификация лизосом Первичная лизосома Аутофагосома =аутофагирующая вакуоль Фаголизосома =пищеварительная вакуоль Остаточное тельце Функции лизосом 1. Внутриклеточное пищеварение , 2. Аутолиз и разрушение остатков органоидов 3. Участие в процессах инволюции , т.е. обратном развитии тканей, например, матки после родов, утрате хвоста у головастиков лягушек и т.д. 4. Участие в защитных реакциях клетки (переваривание и обезвреживание чужеродных веществ, микробов, поглощенных путем фагоцитоза) Митохондрии Органеллы энергообеспечения клетки- место синтеза АТФ Хлоропласт Пластиды Система синтеза АТФ и фотосинтеза пропластида лейкопласт хлоропласт амилопласт хромопласт Рибосомы Элементарные клеточные машины синтеза белка Цитоскелет – опорно-двигательная система клетки Центриоли Микротрубочки – тончайшие трубочки, стенки которых образованы белком тубулином. Микрофиламенты – тонкие белковые нити, состоят из белка актина. Участвуют в образовании нитей веретена деления и цитоскелета. Микротрубочки, промежуточные филаменты, микрофиламенты • Участвуют в движении клеток. • Тонкие цилиндрические выросты цитоплазмы, состоят из микротрубочек и покрыты цитоплазматической мембраной. • Жгутики отличаются от ресничек длиной. • У основания ресничек и жгутиков лежат базальные тельца. Микроворсинки, реснички, жгутики Включения Относительно непостоянные компоненты цитоплазмы, не имеют мембраны •продукты, подлежащие выведению из организма - секреторные (инсулин в клетках поджелудочной железы), •экскреторные (мочевая и щавелевая кислоты), •запасные питательные вещества (гликоген, крахмал, белки, жиры, углеводы), •пигменты (меланин, гемоглобин). Включения Капля жира Зерна крахмала Основные различия растительной и животной клетки •Все системы клетки находятся во взаимозависимости. •Главным регулятором всех функций клетки является ядро. •Без ядра клетка вскоре погибает. •В ядре эукариотических клеток сосредоточен генетический материал. •Ядро чаще одно , локализовано в центре клетки, имеет округлую форму. Ядро. Его строение и функции. Функции ядра • Хранение наследственной информации, записанной в молекулах ДНК. • Реализация наследственной информации путем регуляции синтеза белков. • Передача наследственной информации последующим поколениям в результате репликации ДНК , образования хромосом и их деления. Строение ядра Строение ядра • Оболочка образована наружной и внутренней мембранами. • Перинуклеарное пространство между мембранами. • Ядерная ламина – сеть белков, покрывающих внутреннюю мембрану изнутри. • Оболочка пронизана порами (поровый комплекс). Поры – это сложные очень крупные белковые каналы, через которые осуществляется, сопровождаемая затратами энергии АТФ, транспортировка субъединиц рибосом, тРНК и мРНК из ядра в цитоплазму, а белков, АТФ, нуклеотидов в кариоплазму. Количество ядерных пор колеблется от 1 тыс. до 10 тыс. на ядро. •Кариоплазма – внутреннее содержимое ядра, коллоидный раствор белков и нуклеиновых кислот. •Ядрышки образуются в области специальных частей некоторых хромосом, имеющих гены рРНК – ядрышковые организаторы – ЯОР. •Главная функция ядрышек – образование субъединиц рибосом. Хроматин комплекс ДНК и белков в соотношении 1:1,3. Количество хроматиновых нитей соответствует диплоидному набору хромосом в G1 и G0 периодах интерфазы. Белки: щелочные – гистоны и кислые (или нейтральные) – негистоновые белки В процессе деления клетки хроматин удваивается, спирализуется и образует хорошо видимые окрашенные структуры – хромосомы. 1 уровень укладки хроматина - нуклеосомный 2 уровень укладки хроматина - нуклеомерный «соленоид» - элементарная хромосомная фибрилла Гистон Н1 3 уровень укладки хроматина – петлевой или хромомерный Негистоновые белки 4 уровень упаковки хроматина – хромонемный – образование хромосомы • Кариотип - хромосомный комплекс данного вида, характеризующийся определенным числом, строением и генным составом хромосом Гомолог – это хромосома с такой же структурой и таким же набором генов. Кариотип соответствует диплоидному набору хромосом. Морфология метафазных хромосом Субметаце нтрические Акроцент рические Телоцен трически е Типы хромосом метацентрическая субметацентрическая акроцентрическая телоцентрическая Продольная организация хромосом Эухроматин и гетерохроматин Жизненный (клеточный) цикл клетки Период жизни клетки от ее образования до собственного деления или гибели Он включает два важных периода – интерфазу и митоз или мейоз. Хромосомный набора в процессе ЖЦК подвергается изменениям. Обозначим как n-гаплоидный набор хромосом, c – количество копий ДНК. Тогда в G0 – 2n2c G1 – 2n2c S – 2n4c G2 – 2n4c М – 2n4c-4n4c-2n2c Механизм репликация ДНК геликаза праймаза лигаза лидирующая цепь отстающая цепь фрагмент Оказаки РНК прай мер ДНК- полимераза ДНК- полимераза III ДНК- полимераза III S – synthesis (репликация ДНК) 2n2c 2n4c 2n4c 4n4c 2n2c 2n2c G1 Метафаза – по экватору Анафаза – расхождение Телофаза Профаза – спирализация митоз Биологическое значение митоза заключается в точном равномерном распределении дочерних молекул ДНК – хроматид с содержащейся в них генетической информацией между дочерними клетками. Так поддерживается постоянство кариотипа (т.е. набора хромосом) в поколениях клеток, и все клетки организма содержат одинаковый по количеству и качеству набор хромосом. Тема: Способы размножения организмов. Мейоз. Гаметогенез. Лекция № 1 часть 2 Размножение – это способность организмов производить себе подобных Молекулярные основы размножения: • репликация – удвоение молекулы ДНК и равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками при их делении. Основные способы размножения: бесполое и половое. Деление надвое Основа бесполого размножения – репликация ДНК и мит оз. Основа полового размножения – образование и слияние гаплоидных гамет (гаметогенез и оплодотворение). При образовании гамет клетки делятся особым способом – мейозом , в результате которого формируется гаплоидный набор хромосом. Главное преимущество полового размножения – появление генет ически и фенот ипически разнообразного пот омст ва. Биологическое значение мейоза • Благодаря мейозу во всех живых организмах при половом размножении поддерживается постоянство числа хромосом одного вида из поколения в поколение. • Образуется большое количество различных комбинаций негомологичных хромосом в результате независимого расхождения материнских и отцовских хромосом в 1 делении. • В процессе кроссинговера происходит рекомбинация на уровне генов (отцовских и материнских) и образование качественно новых хромосом. Тема: «Молекулярные основы наследственности. Структурная и химическая организация ДНК и РНК. Ген как единица наследственности. Этапы биосинтеза белка» Лекция № 1 Часть 3 В 1953 г. молодые ученые из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили трехмерную модель молекулы ДНК – двухцепочечная правозакрученная спираль нуклеотид Нуклеотиды Пурины Пиримидины Аденин –А Гуанин -G Цитозин –С Тимин –Т Урацил –U (в РНК вместо Т) Первичная структура ДНК – полинуклеотидная цепь 3’ 5’ 3’ 5’ Структура ДНК – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи (5’ -3’ и 3’-5’), связанные водородными связями между азотистыми основаниями Третичная структура ДНК Функции ДНК • Хранение генетической информации • Передача генетической информации • Реализация генетической информации РНК - рибонуклеиновые кислоты Линейные молекулы, построенные подобно одной из цепей ДНК. В отдельных областях образуют комплементарные связи. РНК образуется по матрице ДНК. Основные отличия ДНК от РНК ДНК РНК Отличия ДНК от РНК • РНК - одноцепочечная молекула. • В нуклеотидах РНК вместо тимина присутствует урацил (пиримидин). • Углеводом в РНК является рибоза, а не дезоксирибоза. • РНК распределены практически по всей клетке, а ДНК сосредоточена в ядре. • Содержание РНК в клетке сильно колеблется и зависит от интенсивности синтеза белка, содержание ДНК практически постоянно. Ген это участок молекулы ДНК, включающий регуляторные последовательности и соответствующий одной единице транскрипции, в которой находится информация о структуре одной полипептидной цепи или молекулы РНК. Классификации генов • РНК-кодирующие • Белок-кодирующие • Митохондриальные • Структурные • Функциональные: -модуляторы (супрессоры, активаторы, модификаторы) -регуляторы и операторы • Конститутивные • Регулируемые (индуцибельные) Центральная догма молекулярной биологии: ДНК РНК Белок Трансляция Реализация генетической информации Признак Генетический код – способ хранения генетической информации. Триплетные кодоны мРНК и соответствующие им аминокислоты Этапы трансляции Благодарю за внимание! Dna Molecule, Artwork Artwork of a DNA (deoxyribonucleic acid) molecule showing the double helix (spiral) structure. This genetic molecule found in all living cells is responsible for inherited genetic traits. |