АДЕНОЗИНТРИФОСФОРНАЯ КИСЛОТА

Особым нуклеотидом, образованным азотистым основанием аденином, углеводом рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, трансмембранного переноса, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими.

Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.

 

Таким образом, клетки животных, растений и микроорганизмов схожи по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира. Основой всего живого являются нуклеиновые кислоты и белки.

 

Лекция 5. Клетка и ее строение.

 

Клетка – основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, грибы или водоросли) или в составе тканей многоклеточных организмов.

Термин «клетка» был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г. впервые используя микроскоп для изучения срезов пробки, он заметил множество мелких образований, похожих на ячейки пчелиных сот. Гук дал им название «ячейки» или клетки.

Накопление научных сведений о живых клетках происходило очень медленно и только в первой половине XIX века были сформулированы основы клеточной теории (1838-58 гг.). Их авторами были немецкие ученые – ботаник Матиас Шлейден, физиолог Теодор Шванн и патолог Рудольф Вирхов.

Современную клеточную теорию можно свести к следующим основным положениям:

1. Все живые организмы состоят из клеток; клетка – единица строения, функционирования, размножения и индивидуального развития живых организмов; вне клетки нет жизни;

2. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу;

3. На современном этапе развития живого клетки не могут образовываться из неклеточного вещества, они появляются только из ранее существовавших клеток путем деления;

4. Клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства их происхождения.

По современным представлениям клетка – это возникшая в результате эволюции открытая биологическая система, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящая из ядра и цитоплазмы, способная к саморегуляции и самовоспроизведению. Клетки исключительно разнообразны по форме, строению и функциям. Размеры их варьируют от 0,5 микрометров (малый лимфоцит) до 200 микрометров (яйцеклетка).

На Земле существует две группы организмов. Первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения. Организмы второй, более многочисленной группы, группы имеют клеточное строение. В последней группе выде ляют два типа организации клеток: прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные).

 

Прокариотические организмы

К прокариотическим или доядерным организмам относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Их генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, находится в цитоплазме и не отграничен от нее оболочкой. Этот аналог ядра называется нуклеоидом.

Прокариотические клетки защищены клеточной оболочкой, наружная часть которой образована гликопептидом муреином. Внутренняя часть клеточной стенки представлена плазматической мембраной, выпячивания которой в цитоплазму образуют мезосомы, участвующие в построении клеточных перегородок, репродукции, и являются местом прикрепления ДНК. В цитоплазме органелл мало, но присутствуют многочисленные мелкие рибосомы. Микротрубочки отсутствуют, движения цитоплазмы не происходит.

Дыхание у бактерий осуществляется в мезосомах, у сине-зеленых водорослей – в цитоплазматических мембранах. Хлоропластов и других клеточных органелл, окруженных мембраной, нет. Размножаются прокариоты путем бинарного деления, очень быстро. Например, кишечная палочка каждые 20 минут удваивает свою численность.

 

Эукариотические организмы

К ним относятся царства растений, грибов и животных.

Эукариотические клетки крупнее прокариотических и состоят из трёх компонентов: поверхностного аппарата, цитоплазмы и ядра.

 

Поверхностный аппарат клетки

 

Основная часть поверхностного аппарата клетки – плазматическая мембрана (плазмалемма). Клеточные мембраны – важнейший компонент живого содержимого клетки – построены по общему принципу. Согласно жидкостно-мозаичной модели, предложенной в 1972 г. Николсоном и Сингером, в состав мембран входит бимолекулярный слой липидов, в который включены молекулы белков.

Липиды – это водонерастворимые вещества, молекулы которых имеют 2 полюса. Один конец молекулы обладает гидрофильными свойствами, его называют полярным. Другой полюс гидрофобный, или неполярный. В мембране молекулы липидов двух параллельных слоев обращены друг к другу неполярными концами, а их полярные полюса остаются снаружи, образуя гидрофильные поверхности.

Кроме липидов, в состав плазмалеммы входят белки. Их можно разделить на 3 группы: периферические, погруженные (полуинтегральные) и пронизывающие (интегральные). Большинство белков мембраны являются ферментами. Полуинтегральные белки образуют на мембране биохимический «конвейер», на котором в определенной последовательности осуществляется превращение веществ.

Положение погруженных белков в мембране стабилизируется периферическими белками. Интегральные белки обеспечивают передачу информации в двух направлениях: через мембрану в сторону клетки и обратно. Интегральные белки бывают двух типов: переносчики и каналообразующие. Последние выстилают пору, заполненную водой. Через нее осуществляется прохождение ряда растворенных неорганических веществ с одной стороны мембраны на другую.

Плазмалемма ограничивает клетку снаружи, выполняя роль механического барьера. Через нее осуществляется транспорт веществ внутрь клетки и наружу. Мембрана обладает свойством полупроницаемости. Молекулы проходят через нее с различной скоростью – чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану.

На внешней поверхности плазматической мембраны в животной клетке белковые и липидные молекулы связаны с углеводными цепями, образуя гликокаликс. Углеводные цепи выполняют роль рецепторов. Благодаря им осуществляется межклеточное узнавание. Клетка приобретает способность специфически реагировать на воздействия извне.

Под плазмалеммой со стороны цитоплазмы имеются кортикальный слой и внутриклеточные фибриллярные структуры, обеспечивающие механическую устойчивость мембраны.

У растительных клеток кнаружи от мембраны расположена плотная структура – клеточная стенка, состоящая из полисахаридов (целлюлозы). Компоненты клеточной стенки синтезируются самой клеткой, выделяются из цитоплазмы и собираются вне клетки, вблизи плазматической мембраны, образуя сложные комплексы. Клеточная стенка у растений выполняет защитную функцию, образует внешний каркас, обеспечивает тургорные свойства клеток. Она регулирует поступление воды в клетку. Вследствие этого возникает внутреннее давление, препятствующее дальнейшему поступлению воды.

 

Цитоплазма

 

Цитоплазма – это внутреннее содержимое клетки, состоящее из основного вещества (гиалоплазмы), органелл и включений.

Гиалоплазма заполняет пространство между клеточными органеллами. Она содержит около 90% воды и различные белки, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, ионы неорганических соединений, другие вещества. Крупные белковые молекулы образуют коллоидный раствор, который может переходить из золя (невязкое состояние) в гель (вязкий). В гиалоплазме протекают ферментативные реакции, метаболические процессы (гликолиз), синтез аминокислот и жирных кислот. На рибосомах, свободно лежащих в цитоплазме, происходит синтез белков.

Гиалоплазма содержит множество белковых филаментов (нитей), пронизывающих цитоплазму и образующих цитоскелет. Цитоскелет определяет форму клеток и обеспечивает движение цитоплазмы (циклоз).

 

Органеллы

 

Органеллы – постоянные компоненты клетки, имеющие определенное строение и выполняющие специфические функции. Их можно разделить на 2 группы: мембранные и немембранные. Мембранные органеллы могут иметь одну или две мембраны. К одномембранным относят органеллы вакуолярной системы: эндоплазматичексий ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и другие вакуоли. К двумембранным органеллам относят митохондрии и пластиды. Немембранными органеллами считают рибосомы, клеточный центр, микротрубочки и микрофиламенты.

Эндоплазматический ретикулум – это система цистерн и каналов, стенка которых образована мембраной. Он пронизывает цитоплазму в разных направлениях и делит ее на изолированные отсеки (компартменты). Благодаря этому в клетке осуществляются специфические биохимические реакции. Ретикулум выполняет также синтетическую и транспортную функции.

Если на поверхности эндоплазматической мембраны есть рибосомы, ее называют шероховатой, если рибосом нет – гладкой. На рибосомах осуществляется синтез белков. Белки проходят через мембрану в цистерны эндоплазматического ретикулума, где приобретают третичную структуру, и транспортируются по каналам к месту потребления. На гладком ретикулуме происходит синтез липидов и стероидов.

Эндоплазматический ретикулум – основное место биосинтеза и построения мембран цитоплазмы. Отчленяющиеся от него пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органелл: аппарата Гольджи, лизосом и вакуолей.

 

Аппарат Гольджи обычно расположен около клеточного ядра. Наиболее крупные органеллы находятся в секреторных клетках.

Основным элементом аппарата является мембрана, образующая уплощенные цистерны – диски. Они располагаются друг над другом. Каждая стопка Гольджи (у растений называемая диктиосомой) содержит от 4 до 6 цистерн. Края цистерн переходят в трубочки, от которых отчленяются пузырьки, транспортирующие заключенное в них вещество к месту его потребления. Отчленение пузырьков происходит на одном из полюсов аппарата. Со временем это приводит к исчезновению цистерны. На противоположном полюсе аппарата осуществляется сборка новых дисков-цистерн. Они формируются из пузырьков, отпочковывающихся от гладкого эндоплазматического ретикулума. Содержимое этих пузырьков становится содержимым аппарата Гольджи, в котором подвергается дальнейшей переработке.

Функции аппарата Гольджи разнообразны: секреторная, синтетическая, строительная и накопительная. В его цистернах происходит синтез полисахаридов, осуществляется их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеидов. С помощью пузырьков Гольджи готовые секреты выводятся за пределы клетки. Аппарат Гольджи образует муцин – важный компонент слизи; участвует в секреции воска, растительного клея; иногда принимает участие в транспорте липидов. В нем происходит укрупнение белковых молекул. Он участвует в построении плазмалеммы и мембран вакуолей. В аппарате Гольджи формируются лизосомы.

 

Лизосомы – пузырьки больших или меньших размеров, заполненные гидролитическими ферментами (протеазами, нуклеазами, липазами и др.). лизосомы в клетках не представляют собой самостоятельных структур. Они образуются за счет активности эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи и напоминают секреторные вакуоли. Основная функция лизосом – внутриклеточное расщепление и переваривание веществ, поступивших в клетку или находящихся в ней, и удаление их из клетки.

Выделяют первичные и вторичные лизосомы. Первичные представляют собой пузырьки, отграниченные от цитоплазмы одинарной мембраной. Ферменты, находящиеся в лизосомах, синтезируются на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и транспортируются к аппарату Гольджи. В его цистернах вещества подвергаются дальнейшим превращениям. Пузырьки с набором ферментов, отделившиеся от цистерн аппарата Гольджи, называют первичными лизосомами. Они участвуют во внутриклеточном пищеварении и иногда в секреции ферментов, выделяющихся из клетки наружу (например, при резорбции костной ткани).

Первичные лизосомы могут сливаться с фагоцитарными и пиноцитарными вакуолями, образуя вторичные лизосомы. В них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем эндоцитоза и усвоение их. Вторичные лизосомы – это пищеварительные вакуоли, ферменты которых доставлены с помощью мелких первичных лизосом. У простейших во вторичных лизосомах происходит переваривание частиц пищи, проникших в клетку. Вторичные лизосомы могут выполнять защитную функцию, когда, например, лейкоциты захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии.

Есть еще аутолизосомы, ферменты которых разрушают отработанные органеллы самой клетки. Известно более 25 генетических заболеваний, связанных с патологией лизосом.

 

Вакуоли содержатся только в растительных клетках. Они могут быть мелкими и крупными. Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной – тонопластом. Центральные вакуоли образуются из мелких пузырьков, отщепляющихся от эндоплазматического ретикулума. полость вакуоли заполнена клеточным соком – водным раствором неорганических солей, сахаров, органических кислот и других веществ.

Центральная вакуоль выполняет функцию поддержания тургорного давления в клетке. В вакуолях запасается вода для фотосинтеза, питательные вещества и продукты метаболизма, предназначенные для выведения из клетки. В них откладываются пигменты, определяющие окраску.

 

Все рассмотренные органеллы образуют вакуолярную систему клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга при перестройке и изменении функции мембран.

 

Пероксисомы – мельчайшие пузырьки, содержащие набор ферментов. Своё название они получили от пероксида водорода – промежуточного продукта в цепи биохимических реакций, протекающих в клетке. Ферменты пероксисом (каталаза и др.) нейтрализуют токсичный пероксид водорода, вызывая его распад с выделением воды и кислорода. Эти органеллы участвуют в обменных реакциях – в метаболизме липидов, холестерина и др.

При генетическом нарушении у людей, когда в клетках печени и почек новорожденного отсутствуют пероксисомы (болезнь Цевельгера), ребенок живет всего несколько месяцев.

 

Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках. Основная функция митохондрий связана с окислением органических соединений и использованием энергии, освобождающейся при распаде этих соединений, для синтеза молекул АТФ.

Число, размеры и форма митохондрий в клетке различны и непостоянны. Они могут иметь вытянутую, округлую, спиральную и палочковидную форму. В клетках, нуждающихся в большом количестве энергии, митохондрий много. Например, в одной печеночной клетке их может быть около 1000.

Локализация митохондрий различна. Обычно они скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где велика потребность в энергии АТФ. Например, в скелетных мышцах митохондрии находятся вблизи миофибрилл.

Каждая митохондрия окружена двумя мембранами. Наружная митохондриальная мембрана, отделяющая ее от гиалоплазмы, гладкая. Наружную мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство. Внутренняя мембрана, ограничивающая матрикс митохондрий, образует многочисленные складки (кристы). Чем больше крист присутствует в митохондрии, тем интенсивнее протекают окислительно-восстановительные процессы. Например, митохондрии миокарда содержат втрое больше крист, чем митохондрии клеток печени.

В матриксе митохондрий находятся различные ферменты, кольцевая молекула ДНК, рибосомы, РНК. На митохондриальных рибосомах синтезируются белки, специфические для органеллы. Митохондрии относят к полуавтономным органеллам. На внутренней мембране присутствуют белки, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в дыхательной цепи, ферменты, участвующие в синтезе АТФ, и специфические транспортные белки. Наружная мембрана содержит ферменты, участвующие в синтезе митохондриальных липидов.

Митохондрии размножаются поперечным делением или фрагментацией на более короткие.

 

Пластиды – двумембранные органеллы растительных клеток. Различают 3 вида пластид: хлоро-, хромо- и лейкопласты.

Хлоропласты ограничены двумя мембранами – внешней и внутренней. Между мембранами есть межмембранное пространство. Зеленый пигмент хлорофилл находится в системе мембран, которые погружены во внутреннее содержимое пластид (матрикс или строму). В строме находятся кольцевые молекулы ДНК, рибосомы, РНК, различные ферменты. Хлоропласты размножаются делением. Пластиды способны к синтезу собственных белков. Как и митохондрии, пластиды относят к полуавтономным органеллам. В хлоропластах происходит фотосинтез, в результате которого связывается углекислый газ, выделяется кислород и образуются органические вещества.

Хромопласты – окрашенные пластиды, не участвующие в фотосинтезе.

Их окраска обусловлена наличием красных, желтых и оранжевых пигментов. Хромопласты образуются из хлоро- или лейкопластов. Они сосредоточены в лепестках цветов и плодах. Их функция – привлечение насекомых-опылите-лей цветов и животных, распространителей плодов.

Лейкопласты – бесцветные пластиды, лишенные пигментов. Они приспособлены для хранения запасов питательных веществ (крахмала). Их особенно много в корнях, семенах, корневищах и клубнях.

 

Рибосомы относят к немембранным органеллам клетки. На рибосомах осуществляется соединение аминокислотных остатков в полипептидные цепочки (синтез белка). Рибосомы очень малы и многочисленны.

Каждая рибосома состоит из 2 частей: малой и большой субъединиц. В первую входят молекулы белка и одна молекула рибосомальной РНК (р-РНК), во вторую – белки и 3 молекулы р-РНК. Белок и р-РНК по массе в равных количествах участвуют в образовании рибосом. р-РНК синтезируется в ядрышке.

В синтезе белка, кроме рибосом, принимают участие информационная РНК (и-РНК) и транспортная РНК (т-РНК). и-РНК несет генетическую информацию о синтезе белка от ядра. Эта информация закодирована в последовательном расположении нуклеотидов в молекуле и-РНК. Последняя присоединяется к поверхности малой субъединицы. т-РНК доставляет из цитоплазмы к рибосоме необходимые аминокислоты, из которых строится полипептидная цепь. В растущей полипептидной цепи каждая аминокислота занимает соответствующее место, что определяет качество синтезируемого белка. в процессе синтеза белка рибосома перемещается вдоль и-РНК.

В синтезе одной полипептидной цепочки участвует множество рибосом, соединенных последовательно друг с другом и-РНК. Такой комплекс из рибосом называют полисомой. Рибосомы удерживают в нужном положении аминокислоты, и-РНК и т-РНК до тех пор, пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь.

Рибосомы могут свободно находиться в цитоплазме или быть связанными с эндоплазматическим ретикулумом, образуя его шероховатую разновидность. Белки, образовавшиеся на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума, обычно поступают в его цистерны. Белки, синтезируемые на свободных рибосомах, остаются в гиалоплазме.

Рибосомы присутствуют также в митохондриях и пластидах.

 

Микротрубочки и микрофиламенты принадлежат к элементам цитоскелета. Микротрубочки – тончайшие цилиндры диаметром 24 нм, стенки которых образованы белком тубулином. Глобулярные субъединицы этого белка располагаются по спирали. Микротрубочки определяют направление перемещения внутриклеточных компонентов, в том числе расхождение хромосом к полюсам клетки при делении ядра.

Микрофиламенты – тонкие нити диаметром 6 нм, состоящие из белка актина. Они образуют кортикальный слой под плазмалеммой.

 

Клеточный центр располагается около ядра и состоит из парных центриолей и центросферы. Центриоли характерны для животных клеток, их нет у высших растений, низших грибов и некоторых простейших. Центриоли окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой радиально отходят тонкие фибриллы – центросферы. Основу центриолей составляют 9 триплетов микротрубочек, расположенных по окружности и образующих полый цилиндр. Триплеты микротрубочек по кольцу объединены фибриллами. Радиальные фибриллы от каждого триплета отходят к центру, где они соединяются друг с другом. В интерфазных клетках присутствуют 2 центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. Центриоли участвуют в организации цитоплазматических микротрубочек и в формировании веретена деления при митозе.

 

Базальные тельца находятся в цитоплазме в основании ресничек и жгутиков и служат для них опорой. Каждое базальное тельце представляет собой цилиндр, образованный 9 триплетами микротрубочек. Базальные тельца способны восстанавливать реснички и жгутики после их потери.

 

К органеллам специального назначения можно отнести реснички и жгутики. Они встречаются в клетках мерцательного эпителия, в сперматозоидах, у простейших, у зооспор водорослей, мхов, папоротников и т.д. клетки, имеющие реснички или жгутики, способны двигаться или обеспечивать движение тока жидкостей вдоль их поверхности. Жгутики отличаются от ресничек длиной.

Реснички и жгутики представляют собой тонкие цилиндрические выросты цитоплазмы, покрытые плазмалеммой. В основании находятся базальные тельца. На поперечном срезе видно, что по периметру располагаются 9 пар микротрубочек и одна пара в центре. Между соседними периферическими парами имеются перемычки. От каждой периферийной пары к центральной направлены радиальные нити. Ближе к основанию реснички и жгутика центральная пара микротрубочек обрывается и замещается полой осью. Периферические пары, проникая в цитоплазму, приобретают третью микротрубочку. В результате получается структура, характерная для базального тельца.

В цитоплазме клеток присутствуют включения – непостоянные компоненты, выполняющие функцию запаса питательных веществ (капли жира, глыбки гликогена), различных секретов, подготовленных к выведению из клетки. К включениям относят и некоторые пигменты (гемоглобин, липофусцин и др.). Включения синтезируются в клетке и используются в процессе обмена.

Клеточное ядро

 

Ядро в живых клетках было открыто и описано в 1833 г. английским ученым Р. Броуном. Ядро присутствует во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых эритроцитов и ситовидных трубок растений. Как правило, клетки имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки.

Ядро бывает шаровидной или овальной формы. В некоторых клетках встречаются сегментированные ядра. Размеры ядер 3-10 мкм в диаметре.

Ядро необходимо для жизни клетки. Оно регулирует ее активность. В ядре хранится наследственная информация, заключенная в ДНК и при делении клетки передающаяся дочерним клеткам. Ядро определяет специфичность белков, синтезируемых в клетке. В ядре содержится множество белков, необходимых для обеспечения его функций. Здесь же синтезируется РНК.

Ядро имеет ядерную оболочку, отделяющую его от цитоплазмы, кариоплазму (ядерный сок), одно или несколько ядрышек, хроматин.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных перинуклеарным пространством. В ней имеются поры, играющие важную роль в переносе веществ в цитоплазму и выведении из нее. Поры не являются постоянными образованиями. Их число меняется в зависимости от функциональной активности ядра. Количество пор увеличивается в период наибольшей ядерной активности. Наружная мембрана ядра имеет выросты в цитоплазму, с их помощью перинуклеарное пространство связано непосредственно с эндоплазматическим ретикулумом, образуя единую систему сообщающихся каналов. Главную роль в жизнедеятельности ядра играет обмен веществ между ядром и цитоплазмой. На наружной мембране с внешней стороны находятся рибосомы, синтезирующие специфические белки.

Кариоплазма – внутреннее содержимое ядра, представляет собой раствор белков, нуклеотидов, ионов, более вязкий, чем гиалоплазма. В нем присутствуют также фибриллярные белки. В кариоплазме находятся ядрышки и хроматин. Ядерный сок обеспечивает нормальное функционирование генетического материала.

Ядрышки – обязательный компонент ядра. Они обнаруживаются в интерфазных ядрах и представляют собой мелкие тельца шаровидной формы. Ядрышки имеют большую плотность, чем ядро. Здесь происходит синтез р-РНК, других видов РНК и образование субъединиц рибосом.

Возникновение ядрышек связано с определенными зонами хромосом, называемыми ядрышковыми организаторами. Количество ядрышек определяется числом ядрышковых организаторов. В них содержатся гены р-РНК.

Хроматин (окрашенный материал) – плотное вещество ядра, хорошо окрашиваемое основными красителями. В состав хроматина входят молекулы ДНК в комплексе с белками (гистонами и негистонами) и РНК. В неделящихся (интерфазных) ядрах хроматин может равномерно заполнять объем ядра, находясь в деконденсированном состоянии. Этот диффузный хроматин (эухроматин) генетически активен. Иногда в интерфазном ядре бывают видны глыбки хроматина, представляющие собой участки конденсированного хроматина (гетерохроматина). Это неактивные участки. Например, в клетках женского организма, где присутствуют две Х-хромосомы, одна находится в активном диффузном состоянии, а вторая – в неактивном конденсированном. Во время деления ядра хроматин окрашивается интенсивнее, происходит его конденсация – образование более спирализованных (скрученных) нитей, называемых хромосомами. Термин «хромосома» был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером.

Хромосома сформирована комплексом ДНК с белками – дезоксирибонуклеопротеидом. Большая часть белков представлена основными белками – гистонами, обеспечивающими специфическую укладку ДНК в хромосоме. Гистоны формируют сферические образования – нуклеосомы, вокруг которых происходит спирализация молекулы ДНК. Дезоксирибонуклеопротеид представлен в виде нитей (хромонем). Утолщенные участки хромонем называются хромомерами.

Строение хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, то есть в метафазе и начале анафазы митоза. В метафазе митоза каждая хромосома состоит из двух хроматид, образовавшихся в результате редупликации и соединенных центромерой (первичной перетяжкой). В центральной части центромеры находятся кинетохоры, к которым во время митоза прикрепляются микротрубочки нитей веретена. В анафазе хроматиды отделены друг от друга. Из них образуются дочерние хромосомы, содержащие одинаковую генетическую информацию. Центромера делит хромосому на 2 плеча. Хромосомы с равными плечами называют равноплечими или метацентрическими; с плечами неодинаковой длины – неравноплечими или субметацентрическими; с одним коротким и вторым почти незаметным плечом – палочковидными или акроцентрическими.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, отделяющую спутник. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. В них в интерфазе происходит образование ядрышка. В ядрышковых организаторах находится ДНК, отвечающая за синтез р-РНК. Плечи хромосом оканчиваются участками, называемыми теломерами, не способными соединяться с другими хромосомами.

Число, размеры и форма хромосом в наборе у разных видов могут варьировать. Совокупность признаков хромосомного набора называют кариотипом. Хромосомный набор специфичен и постоянен для особей каждого вида. У человека 46 хромосом. В соматических клетках, имеющих диплоидный набор хромосом, хромосомы парные. Их называют гомологичными. Одна хромосома в паре происходит от материнского организма, другая – от отцовского. Каждая пара хромосом в наборе индивидуальна. Хромосомы из разных пар называют негомологичными.

В кариотипе различают половые хромосомы (у человека это Х-хромосома и Y-хромосома) и аутосомы (все остальные). Половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом.

Изменения в структуре хромосом или в их числе возникают в результате мутаций.

Лекция 6. Основы физиологии клетки.

 

Жизнедеятельность клетки как единицы биологической активности обеспечивается совокупностью взаимосвязанных, приуроченных к определенным внутриклеточным структурам, упорядоченных во времени и пространстве метаболических процессов. Эти процессы образуют 3 потока: информации, энергии и веществ. Все названные потоки осуществляются непрерывно и составляют необходимое условие охранения клетки как живой системы.

Поток информации в клетке

 

Благодаря наличию потока информации клетка на основе многовекового эволюционного опыта предков приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, а также передает в ряду поколений.

В потоке информации участвуют ядро (в частности, ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (и-РНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, т-РНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуры и используются в качестве катализаторов или структурных белков. Кроме основного по объему заключенной информации ядерного генома в эукариотических клетках функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых растениях – и хлоропластов.

 

Внутриклеточный поток энергии

 

Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения – брожением, фото- и хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде АТФ. Энергия АТФ, непосредственно или в виде других макроэргических соединений (например, креатинфосфат), в разнообразных метаболических процессах преобразуется в различные виды работы – химическую (биосинтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную. Макроэргическим называют соединение, в химических связях которого запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. Универсальным соединением такого рода служит АТФ. Основное количество энергии заключено в связи, присоединяющий третий остаток фосфорной кислоты.

Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы – анаэробный гликолиз. Из двух механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки энергией, гликолиз менее эффективен. В связи с неполным окислением, прежде всего глюкозы, в процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии. Недоокисленные продукты гликолиза поступают в митохондрии, где в условиях полного окисления отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию.

Особенность потока энергии растительной клетки состоит в наличии фотосинтеза – механизма преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Механизмы клеточного энергообеспечения отличаются эффективностью. Коэффициенты полезного действия хлоропласта и митохондрии, достигая соответственно 25 и 45-60%, существенно превосходят аналогичный показатель двигателя внутреннего сгорания (17%).

 

Внутриклеточный поток веществ

 

Реакции дыхательного обмена не только поставляют энергию, но и снабжают клетку строительными белками для синтеза разнообразных молекул. Ими являются многие продукты расщепления пищевых веществ. Особая роль в этом принадлежит одному из этапов дыхательного обмена – циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Через этот цикл проходит атомов углерода большинства соединений, служащих промежуточными продуктами синтеза химических компонентов клетки. В цикле Кребса происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот.

 

Биосинтез белка

 

Каждый вид растений и животных имеет особый, характерный только для него набор белков. Даже у особи одного вида, включая человека, белки различаются по свойствам. Набор белков – основа индивидуальной и видовой специфичности. Наследственная информация о строении белков хранится в молекулах ДНК. ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Молекулы ДНК входят в состав хромосом ядра, а сборка белковых молекул осуществляется в цитоплазме на рибосомах. Информация к рибосомам из ядра поступает через посредника – и-РНК.

Для перевода последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и и-РНК в последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка используется специальный «шифр» – генетический код. Генетический код – это система записи информации в молекулах и-РНК, которая отражена в последовательности нуклеотидов, предопределяющих порядок расположения аминокислот в молекулах белков. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на и-РНК.

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов, названная триплетом, или кодоном.

2. Вырожденность. Каждая аминокислота зашифрована более, чем одним кодоном. Исключение – метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Для кодирования 20 аминокислот используется 61 комбинация нуклеотидов. Триплет АУГ, кодирующий метионин, называют стартовым. С него начинается синтез белка. Три кодона (УАА, УАГ, УГА) несут информацию о прекращении синтеза белка. Их называют триплетами терминации.

3. Универсальность. У всех организмов на Земле одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.

4. Однозначность. Каждый триплет кодирует тольо одну аминокислоту.

5. Колинеарность – совпадение последовательностей аминокислот в синтезируемой молекуле белка с последовательностью триплетов в и-РНК.

 

Этапы синтеза белка

Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно представить в виде трех этапов: транскрипции, процессинга и трансляции.

1. Транскрипция – процесс синтеза молекулы и-РНК на молекуле ДНК, выступающей в роли матрицы. Молекула ДНК на участке гена раскручивается, и списывание информации происходит с одной из двух нитей молекулы ДНК, называемой кодогенной. Сборку молекулы и-РНК по принципу комплементарности осуществляет фермент РНК-полимераза. Скорость сборки достигает 50 нуклеотидов в секунду. Списывание происходит только с части молекулы ДНК (гена), длина молекулы и-РНК в сотни раз короче, чем ДНК. Некоторые участки и-РНК не несут информацию о будущей молекуле белка. Их присутствие связано с особенностями строения генов и механизма транскрипции. Эти участки молекулы и-РНК, называемые интронами, необходимо удалить.

2. Процессинг – процесс созревания молекулы и-РНК, сопровождающийся удалением интронов и сращиванием (сплайсингом) остающихся фрагментов (экзонов – кодирующих последовательностей). Поэтому длина созревшей и направляющейся к рибосомам молекулы и-РНК оказывается короче первоначальной. Такую РНК называют матричной (м-РНК).

3. Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице м-РНК на рибосомах. Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных т-РНК. Молекулы т-РНК, состоящие из 85-100 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что напоминают по форме лист клевера. В клетке присутствует около 40 молекул т-РНК. На вершине листа т-РНК имеется триплет, называемый антикодоном. Он комплементарен нуклеотидам кодона м-РНК. К основанию молекулы т-РНК присоединяется соответствующая аминокислота – та, которую кодирует триплет, комплементарный антикодону. Это процесс осуществляется с помощью фермента – кодазы, с затратой энергии АТФ.

Трансляция состоит из 3-х последовательных фаз: инициации, элонгации и терминации.

· Инициация. На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Последовательно объединяются м-РНК, малая субъединица рибосомы, первая т-РНК со своей аминокислотой, специальные ферменты, называемые факторами инициации, и большая субъединица рибосомы.

· Элонгация. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субъединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, кодирующий аминокислоту метионин.

На рибосоме имеются 2 участка для связывания двух молекул т-РНК. в одном участке, называемом пептидильным, уже находится первая т-РНК. это всегда одна и та же т-РНК, несущая аминокислоту метионин. С него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы – аминоацильный – поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочки из аминоацильного участка в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Это этап требует затраты энергии. т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму. Аминоацильный центр освобождается.

В него поступает новая т-РНК, связанная с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь, и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК вновь перемещается в пептидильный центр. Таким образом, в растущей белковой молекуле аминокислоты оказываются соединенными в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны в м-РНК.

Процесс элонгации, удлинения белковой цепи продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трех кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это триплеты терминации – УАА, УГА, УАГ. Ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.

· Терминация – завершение синтеза белковой молекулы. В клетке не существует т-РНК с антикодонами, комплементарными триплетам терминации. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка.

Лекция 7. Жизненный цикл клетки.

 

Увеличение число клеток происходит путем деления исходной клетки. Обычно делению клеток предшествует редупликация хромосомного аппарата, синтез ДНК. Время существования клетки от деления до следующего деления или смерти называют клеточным (жизненным) циклом.

В организме высших позвоночных не все клетки постоянно делятся. Есть специализированные клетки, потерявшие способность к делению (нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, нейроны). Другие клетки способны постоянно делиться. Они обнаружены в обновляющихся тканях (например, эпителиальных) и в кроветворных органах. Многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, начинают делиться в процессе восстановления после повреждения органа и репаративной регенерации органов и тканей.

Клетки, находящиеся в клеточном цикле, содержат различное количество ДНК, в зависимости от стадии этого цикла. Мужские и женские половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (n) и количество ДНК (с). При оплодотворении происходит слияние этих клеток, в результате чего образуется диплоидная клетка с набором хромосом 2n и количеством ДНК 4с. удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. Клетки начинают делиться только после этого периода.

 

Подготовка клетки к делению

 

В клеточном цикле можно выделить собственно митоз (деление клетки) и интерфазу, включающую пресинтетический (постмитотический) – G₁ период, синтетический (S) период и постсинтетический (премитотический) – G₂ период.

Подготовка клетки к делению происходит в интерфазе. Пресинтетический период интерфазы – самый длительный. У эукариот он может продолжаться от 10 часов до нескольких суток. В пресинтетическом периоде (G₁), наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидный набор хромосом (2n) и 2с генетического материала ДНК. В этот период начинается рост клеток, синтез белков и РНК. Происходит подготовка клеток к синтезу ДНК (S-период). Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.

В синтетический период происходит репликация молекул ДНК, синтез белков-гистонов, с которыми связана каждая нить ДНК. Синтез РНК увеличивается соответственно количеству ДНК. В этом же периоде начинается удвоение центриолей. После репликации каждая хромосома содержит удвоенное количество ДНК – 4с. Число хромосом при этом не меняется (2n). У млекопитающих S-период митотического цикла длится 6-12 часов.

В постсинтетический период (G₂) происходит синтез РНК, накапливается энергия в молекулах АТФ, необходимая для деления клетки, завершается удвоение центриолей, митохондрий, пластид, синтезируются белки, из которых строится веретено деления, заканчивается рост клетки. Ни содержание ДНК (4с), ни число хромосом (2n) не изменяется. В интерфазном ядре хромосомы под световым микроскопом не видны. Продолжительность этого периода – 3-6 часов. Длительность клеточного цикла неодинакова у разных клеток, но постоянна для данной ткани. Например, в культуре раковых клеток человека длительность G₁ периода равна 8,5 часа, S – 6,2 часа, G₂ – 4,6 часа. Длительность митоза составляет 0,6 часа. Весь клеточный цикл длится 19,9 часа.

Деление клетки

 

Существуют три способа деления клетки: митоз, амитоз, мейоз.