Молекулярная биология - это наука о познании природы, о явлении жизнедеятельности, путем изучения биообъектов на молекулярном уровне.

Отличительной чертой МБ является изучение явлений жизни на неживых или примитивных организмах, изучает клеточные мембраны, вирусы, бактериофаги, структуру и функции биополимеров (белки, жиры, нуклеиновые кислоты). Молекулярной биологии около 50 лет, основана на границе биохимии, биофизики и физиологии. МБ основана в 1953 году в апреле, когда Крик и Уотсон написали статью в журнале «Nature» с предложением пространственной молекулы ДНК. Основанием построения для этой модели, послужили работы по рентгеноструктурному анализу, в которых участвовали Уилкинсон и Франклин.

Медицинская генетика - изучает роль наследственности и возникновения заболеваний.

Наследственные болезни- болезни, причиной которых являются вредные мутации в наследственном аппартае клеток (в гаметах и зиготе).

История развития молекулярной биологии. Основные достижения.

Впервые термин «МБ» ввел У. Астбери, который выяснил зависимость между молекулярной структурой и свойствами волокнистых белков. Далее ученые применили его в 1945 году, но как наука начала развиваться в 1953 году с момента открытия модели молекулы ДНК Уотсоном и Криком в клетках живых организмов.

Основные этапы развития молекулярной биологии

1. Первый период 1935-1944 гг.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением бактерий и вирусов

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген -один фермент". Но что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали. Здесь происходит стык физики, химии и биологии.

2. Второй период 1944-1953гг.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962 гг.

Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:

Перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4. Академический период с 1962 г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный субпериод.

Ocновныe открытия

1944 г. Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти.

1953 г. Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик.

1961 г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно.

1962 г. Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа.

1967 г. Синтез invitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии).

1970 г. Химический синтез гена. Гобинд Корана.

1970 г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, ДэвидБалтимор, Ренато Дульбеко.

1978 г. Открытие сплайсинга. Филипп Шарп.

1982 г. Открытие автосплайсинга. ТомасЧек.

Микроскоп и его строение. Микроскопирование

Основные части микроскопа:

Механическая: штатив, предметный столик, тубус, револьвер и микро и макро винты

Оптическая: окуляр, объективы

Осветительная: зеркало, конденсатор(для распределения света), диафрагма

Микроскопирование - изучение органоидов клетки, движение цитоплазмы

Техника микроскопирования:

Установить микроскоп в рабочее положение

Глядя в микроскоп, добиться яркого поля зрения с помощью зеркала

Положить препарат на предметный столик, совмещая объектив с отверстием в центре столика

Опустить с помощью макровинта тубус на расстоянии несколько миллиметров от препарата

Глядя в микроскоп приподнимать до появления четкого изображения объекта

Центрировать объект, перевести микроскоп на большое увеличение, путем замены объектива, добиться четкого изображения

Зарисовать изучаемый объект

Клетка - элементарная единица живого

Цитология- наука о клетке.

Клетка-единица живого, благодаря заложенным в клетке организмам, в ней происходит обмен веществ, использование биологической информации, проявление свойств наследственности и изменчивости.

Клеточная теория. Типы клеточной организации

1839г-Шванн сформулировал клеточную теорию, в последствии была дополнена Шлейдоном, Вирховым, и современными учеными

Положение:

Жизнь в ее структурном, функциональном генетическом отношении обеспечивается только клеткой. Клетка- первоисточник жизни

Клетка возникает только в результате деления предыдущей материнской клетки. Клетки хранят биологическую информацию, передают из поколения в поколения, хранят и переносят

Энергию. Превращают энергию в работу, регулируют обмен веществ.

Структурно-функциональная единица организма - клетка

Типы клеточной организации:

Прокариоты – безъядерные (бактерии, сине-зеленые водоросли)

Эукариоты - есть ядро (грибы, растения и животные)

Строение клетки

Молекулярная структура и основные компоненты клетки

Клеточная стенка - твердая оболочка, состоящая из полисахаридов, целлюлозы. Защитная функция.

Вакуоль -полость в цитоплазме, окруженная отдельным слоем мембраны и заполненная клеточным соком. Запас витаминов, минеральных органических веществ

Цитоплазматические мостики - плазмодесмы - участки оболочки клетки, лишенные клеточной стенки, служат для контакта с соседними клетками, тем самым обеспечивая обмен веществ между ними

Пластиды - окраска, фотосинтез, запас питательных веществ

Цитоплазма -среда для органоидов клетки, коллоидный раствор белков, жиров и нуклеиновых кислот. Движение органоидов клетки

Ядро - имеет ядерную оболочку и поры, через которые происходит обмен веществ. Хранит в себе наследственную информацию. Функция: деление клетки

Митохондрии - двумембранные органеллы - имеет на внутренней мембране кристы. Функция: дыхание, энергетический центр.

ЭПС – гладкая - синтез белков, шероховатая (гранулярная) - жиры и углеводы,

Лизосомы – функция – автолиз

Аппарат Гольджи - образование лизосом, клеточный органоид; система канальцев, пузырьков и «цистерн», отграниченных мембранами.

Расположена в цитоплазме клетки. Участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ из окружающей среды в цитоплазму и между отдельными внутриклеточными структурами.

Реснички – тонкие нитевидные и щетинковидные выросты клеток, способные совершать движения. Характерны для инфузорий, ресничных червей, у позвоночных и человека - для эпителиальных клеток дыхательных путей, яйцеводов, матки.

Жгутики – нитевидные подвижные цитоплазматические выросты клетки, свойственные многим бактериям, всем жгутиковым, зооспорам и сперматозоидам животных и растений. Служат для передвижения в жидкой среде.

Микротрубочки – белковые внутриклеточные структур, входящие в состав цитоскелета. Представляют собой полые внутри цилиндры диаметром 25 нм. В клетках микротрубочки играют роль структурных компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз, цитокенез и везикулярный транспорт.

Микрофиламенты (МФ) – нити, состоящие из молекул белка и присутствующие в цитоплазме всех эукариотический клеток. Имеют диаметр около 6-8 нм.

Хромосомы – структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация организма.

Белки

- по составу: простые (только из аминокислот), сложные(помимо аминокислот другие органические соединения

Особенности пространственной организации белков

Первичная структура белка - Представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями.

Вторичная структура белка – Низший уровень пространственной организации белка. Фрагменты пространственной структуры биополимер, имеющие периодическое строение полимерного остова.

α - спираль - остов пептидной цепи закручивается в спираль - так что радикалы аминокислот обращены кнаружи от спирали

β – спираль - остовы пептидных цепей не скручены, а имеют зигзагообразную, складчатую конфигурацию

Структура определяется первичной структурой белка. Удерживается водородными связями

Третичная структура белка – образование белковой глобулы связи между радикалами аминокислот. Полная укладка в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов. Дисульфидные, ионные, водородные, гидрофобные связи. Приобретение белком функции активности.

Подвижность структуры - важнейший способ изменения биологической активности.

Четвертичная структура белка- состоит из нескольких субъединиц, связывание субъединиц может происходить лишь после образования третичной структуры. Пример- гемоглобин, иммуноглобулин

Факторы, определяющие пространственную структуру белков

Информация о третичной структуре заключается в его первичной структуре, то есть последовательность аминокислот пептидной цепи. Формирование третичной структуры белка происходит самостоятельно

Четвертичную структуру формируют:

Лиганды- влияют на структуру белка, стабилизируют, меняют третичную структуру, объединяет глобулы, обеспечивают подвижность субъединиц белка

Шапероны- обеспечивают правильный фолдинг новообразованных белков, контроль за рефолдингом, участие во внутриклеточном транспорте белков.

Есть лиганды, которые меняют 3-чную структуру.

Функции:

строительная (каротин, коллаген), непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелета

транспортная (гемоглобин, АТФаза)

двигательная (актин и миозин),

энергетическая,

защитная (иммуноглобулин, интерферон),

регуляторная (инсулин, гистон, репрессоры),

рецепторная(родопсин, хелино - рецептор),

каталитическая (рибонуклеаза, ДНК, РНК-полимераза)

ферментативная. Все ферменты являются белками.

Свойства:

1. Разная растворимость в воде. Растворимые белки образуют коллоидные растворы. 2. Гидролиз - под действием растворов минеральных кислот или ферментов происходит разрушение первичной структуры белка и образование смеси аминокислот. 3. Денатурация- утрата белковой молекулы, структурной организации (от лат. Denature –лишиться природных свойств)

Денатурация происходит под действием: - высокой температуры - растворов кислот, щелочей и концентрированных растворов солей - растворов солей тяжёлых металлов - некоторых органических веществ (формальдегида, фенола) - радиоактивного излучения

Обезвоживание

Изменение PH- среды

Ренатурация - восстановление структуры белка, пока не произошло разрушение первичной структуры молекулы и не восстановились нормальные условия среды.

Этапы формирования:

Транскрипция -переписывание информации с ДНК, о структуре белка, на и-РНК.

Трансляция- образование первичной структуры белка, синтез полипептида(цитоплазма рибосомы)

Фолдинг – сворачивание пептидной цепи в пространственную структуру

Модификация - присоединение углеводных компонентов, окисление определенных аминокислотных остатков (для сложных белков)

Строение ДНК

ДНК - химическая основа генов, в которых сконцентрирована наследственная информация организма.

В основе хим. строения нуклеиновых кислот лежит общий принцип:

Нуклеиновые кислоты –материальный субстрат наследственности и изменчивости, информационные биополимеры, кодирующие индивидуальный набор генетической программы. Состоят из нуклеотидов (нуклеотид ДНК, нуклеотид РНК)- биополимеры, мономерами, которого являются нуклеотиды (открыл в 1868 г.- Мишер) Нуклеотид состоит из: 1) азотистое основание; 2)сахар; 3)остаток фосфорной кислоты.

Особенность структурной организации ДНК:

Молекула ДНК имеет: А) первичную структуру- одна полинуклеотидная цепь, у которой имеется 2 конца. Начало 5" и конец 3". Полинуклеотид образуется благодаря фосфорной диэфирной связи Б) вторичная структура: 2 комплиментарные и антипараллельные полинуклеотидной цепи, соединенные между собой водородными связями; В) третичная структура ДНК : Трехмерная спираль молекулы ДНК, которая состоит из 2х цепей закрученных вокруг собственной оси.

Диаметр спирали 2 нм Длина шага 3,4 нм В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов

Свойства и функции ДНКа

Молекулы включают 2 полинуклеотидной цепи, связанные между собой определенным образом. Аденин – Тимин - двойная водородная связь Гуанин – Цитозин - тройная водородная связь

А,Г- пуриновые – одно бензольное кольцо

Т,Ц - перемединовые - два бензольных кольца. Очень важно!

Объединение 2х полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК: антипараллельность полинуклеотидных цепей. 5" конец одной цепи соединен с 3" концом другой

Состав нуклеотидов в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа- комплиментарность цепей двойной спирали

Существует в двух формах: право-закрученной спирали B-форма, левозакрученная спираль-Z-форма, в основном природная ДНК- B-форма

Лабильность-допускание конфармационных превращений (из B-формы в Z-форму при определенных условиях)

Свойства ДНК:

Репликация(самоудвоение)- проходит полуконсервативным методом.

Репарация (восстановление)

Функция: хранение и передача наследственной информации

Особенности строения митохондриальной ДНКа

Наследственная информация в эукариотической клетке находится в основном в ядре 99,5 %, это называется ядерная генетическая информация. Другая часть ДНКа 0,5 % находится в цитоплазме, в митохондриях.

Благодаря митохондриям ДНКа синтезируются митохондриальные белки, они могут быть источником наследственных заболеваний при мутациях митохондриального ДНКа.

Митохондриальная ДНК не связана с белками («голая»), прикреплена к внутренней мембране митохондрии и несет информацию о строении примерно 30 белков. Для построения митохондрии требуется гораздо больше белков, поэтому информация о большинстве митохондриальных белков содержится в ядерной ДНК, и эти белки синтезируются в цитоплазме клетки. Митохондрии способны автономно размножаться путем деления надвое с помощью ДНКа. Между наружной и внутренней мембранами находится протонный резервуар, где происходит накопление Н+

Основные пути передачи наследственной информации.

Наследственная информация – хранится в молекулах ДНК.

Наследственная информация- это инструкция для нормального развития и функции клетки. Роль посредника передачи наследственной информации выполняет РНК , благодаря РНК наследственная информация выводится из ядра в цитоплазму и реализуется в виде конкретного белка.

Репликация ДНК. Этапы репликации

Репликация - проходит полуконсервативным путем. Для репликации цепи материнской ДНК должно произойти отделение цепей друг от друга, каждая отделившаяся цепь становится матричной (матрицей), на которых будут синтезироваться комплиментарные цепи дочерних молекул ДНК.

После каждого деления материнской клетки и репликации ее ДНК, дочерние клетки содержат молекулу ДНК, состоящую из материнской цепи и вновь синтезированной дочерней цепи.

Для того чтобы осуществилась репликация имеются на молекулах ДНК так называемые участки ори (ori-origin), они включают последовательность, состоящих из 300 нуклеотидных пар, узнаваемых специфическими белками.

Двойная спираль ДНК в этих участках разделяется на 2 цепи, образуются 2 репликационные вилки, которые движутся в противоположных направлениях от участка ori, между репликационными вилками образуется структура – называемая репликационным глазком.

С помощью фермента геликазы разрываются водородные связи и двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации-точки ori.

Образующиеся при этом одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками , которые растягивают остовы цепей ДНК, делая их доступными для связывания с комплиментарными нуклеотидами.

На каждой из цепей в области репликационной вилки при участии фермента ДНК-полимераза осуществляет синтез комплиментарных цепей.

Разделение , спирально-закрученных цепей, родительской ДНК при помощи фермента геликазы вызывает появление супервитков . Но благодаря ферментам ДНК-топоизомеразы , которые перерезают одну из нитей ДНК и ослабляют напряжение, накопившееся в двойной цепи ДНК.

Еще в синтезе в процессе репликации используется ДНК-лигаза в сшивании отдельных участков ДНК в одну цепь. На одной молекуле ДНК может находиться одновременно несколько точек ori – ускорение процесса синтеза .

В каждом репликационном глазке начинают работать 2 ферментативных комплекса :

Комплекс перемещается в одну сторону

В противоположную

Ферментативный комплекс функционирует так, что одна из 2-х синтезируемых ими цепей растет с некоторым опережением – лидирующая

А вторая отстает – запаздывающая

Фермент ДНК полимераза осуществляет синтез полинуклеотида от 5” к 3” концу . Постепенно происходит удлинение цепи, такая цепь называется лидирующая. На другой цепи синтез 2-й цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами, их называют фрагменты оказаки. В направлении от 5” к 3” по типу шитья назад иголкой. Фрагменты оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, у эукариот от 100 до 200.

Синтезу такого фрагмента предшествует образование РНК затравки , длиной около 10 нуклеотидов.

С помощью фермента ДНК-лигазы , образуется фрагмент, соединенный с предшествующим фрагментом, после удаления РНК-затравки.

Этапы репликации:

Подготовка

Нарастание цепи с помощью ДНК и РНК-полимеразы

Сшивание отдельных участков-ДНК-лигаза

Общая характеристика клетки

Химический состав клеток

Общая характеристика клетки

Клетки отличаются друг от друга по размеру, форме, функциям, продолжительности жизни. Так размеры клеток варьируют от 0,2-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Диаметр большинства эукариотных клеток составляет от 10 до 100 мкм. По форме клетки бывают шаровидные, овальные, кубические, призматические, звездчатые, дисковидные, с разнообразными отростками и другие. Форма клетки зависит от выполняемой ею функции. В многоклеточном организме клетки выполняют различные функции: одни клетки синтезируют пищеварительные ферменты или гормоны, другие поглощают и переваривают микробы и другие инородные тела, третьи осуществляют перенос кислорода от легких к тканям и т. д. Так клетки позвоночных животных имеют около 200 типов специализаций. Многие клетки полифункциональны. Например, клетки печени синтезируют различные белки плазмы крови и желчь, накапливают гликоген и превращают его в глюкозу, окисляют чужеродные вещества. В зависимости от специализации клетки имеют разную продолжительность жизни. Так у человека минимальная продолжительность жизни клеток составляет 1-2 суток (клетки кишечного эпителия), а максимальная соответствует продолжительности жизни (нейроны).

Несмотря на огромное разнообразие, клетки имеют общие черты строения. В клетке различают три основные части: плазматическую мембрану, цитоплазму и ядро. Цитоплазма составляет основную часть клетки и представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток и имеет сложное физико-химическое строение. В состав цитоплазмы входят вода, аминокислоты, белки, углеводы, АТФ, ионы неорганических веществ (преобладают белки). Цитоплазму подразделяют на три части: гиалоплазму, органоиды и включения. Гиалоплазма - жидкая вязкая фаза цитоплазмы клетки. Органоиды (маленькие органы) – специализированные постоянные компоненты цитоплазмы, обладающие тем или иным строением и выполняющие в жизнедеятельности клетки различные функции. Все органоиды клетки тесно связаны между собой. Универсальными органоидами эукариотных клеток являются в ядре– хромосомы , в цитоплазме – митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы. Во многих клетках присутствуют также мембранные структуры, способствующие поддержанию формы клетки – микротрубочки, микрофибриллы и др. Включения - необязательные компоненты (отложения запасных веществ или продуктов метаболизма). Органоиды бывают двух типов: мембранные (лизосомы, диктиосомы, эндоплазматический ретикулум, митохондрии, вакуоли растительных клеток, пластиды) и немембранные (рибосомы, центриоль, микротрубочки, реснички и жгутики).

Функции цитоплазмы:

1. Обеспечение взаимодействия всех органоидов.

2. В ней протекают основные процессы обмена веществ.

Кроме общих особенностей в строении, клетки имеют ряд общих свойств. К ним относятся подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение.

Подвижность проявляется в различных формах:

1) Внутриклеточное движение цитоплазмы клетки.

2) Амебовидное движение. Эта форма движения выражается в образовании цитоплазмой псевдоподий в сторону того или иного раздражителя или от него. Эта форма движения присуща амебе, лейкоцитам крови, а также некоторым тканевым клеткам.

3) Мерцательное движение. Проявляется в виде биений крошечных протоплазматических выростов – ресничек и жгутиков. Присуща инфузориям, клеткам эпителия многоклеточных животных, спермиям и др.

4) Сократительное движение. Обеспечивается благодаря присутствию в цитоплазме специального органоида миофибрилл, укорочение или удлинение которого способствуют сокращению и расслаблению клетки. Способность к сокращению наиболее развита у мышечных клеток.

Раздражимость выражается в способности клеток реагировать на раздражение изменением обмена веществ и энергии.

Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, протекающие в клетках.

Размножение одна из основных функций, характерных для живого вообще и для клетки в частности. Размножение обеспечивается способностью клетки к делению и образованию дочерних клеток (некоторые высокодифференцированные клетки эту способность утратили). Именно способность воспроизводить самих себя и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого. Более мелкие единицы этих свойств не проявляют. Р. Вирхов писал: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне ее» (1858).

Особенности строения клеток различных организмов

Все известные организмы подразделяются на на две группы: прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии (эубактерии и архебактерии) а к эукариотам – грибы, растения и животные, большинство из которых являются многоклеточными организмами и только некоторые – одноклеточными. Различия между прокариотами и эукариотами так существенны, что в системе организмов их выделяют в надцарства.

Эукариоты (от греч. эу – хорошо, полностью и греч. karyon – ядро) – организмы, клетки которых содержат оформленные ядра. К эукариотам относятся все высшие животные, растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы, простейшие.

Прокариоты (от лат. pro – раньше, перед и греч. karyon - ядро) – организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра. Аналогом ядра является нуклеоид, состоящий из кольцевой молекулы ДНК, связанной с небольшим количеством белка. Клетки прокариот имеют жесткую защитную оболочку (клеточная стенка), под которой находится плазматическая мембрана. Плазматическая мембрана обычно образует выпячивания внутрь цитоплазмы – мезосомы. На мембранах мезосом располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих прокариот соответствующие пигменты (бактериохлорофилл, хлорофилл, фикоцианин). Благодаря этому такие мембраны, способны выполнять функции митохондрий, хлоропластов и других органоидов. В тоже время хлоропласты, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, присущие клеткам эукариот, у прокариот отсутствуют. Бактерии очень малы и способны быстро размножаться путем простого бинарного деления (митоз у прокариот отсутствует). В оптимальных условиях прокариотическая клетка способна делиться каждые 20 минут. Благодаря быстрому темпу размножения, бактериальные популяции стремительно адаптируются к изменениям окружающей среды и занимают в природе все возможные экологические ниши (почву, воду, воздух, болота, океанические глубины, горячие источники и др.).

Таким образом, основными отличиями эукариот от прокариот являются:

1) Наличие ядра. Это наиболее важный отличительный признак эукариотических клеток.

2) Размер. Клетки прокариот имеют очень небольшие размеры (около 1 мкм). Объем эукариотических клеток, содержащих полноценное ядро, в 800-1000 раз больше объема клеток прокариот.

3) Особенности строения ДНК. ДНК эукариот представляют собой очень длинные линейные молекулы (от 10 7 до более чем 10 10 пар оснований). Они локализованы в ядре, связаны с гистонами и включают некодирующие области (интроны ). Напротив, ДНК прокариот представляют собой более короткие (до 5ּ10 6 пар оснований) кольцевые молекулы, расположенные в цитоплазме и не имеющие интронов.

4) Специализация. Структуры и функции эукариотических клеток сложнее и более специализированы, чем структуры и функции клеток прокариот. Эукариотические клетки состоят из специализированных отделов – органоидов.

Органоиды выполняют специфические функции в жизни клетки. Прокариотические клетки обладают единой мембранной системой, включающей как плазмалемму, так и различные выросты из нее, зачастую выполняющие специфические функции.

5) Пространственная разобщенность процессов синтеза РНК и белков. У эукариот протекают в различных отделах клеток и механизмы их регулирования не зависят один от другого. У прокариот, напротив, эти процессы значительно проще и взаимосвязаны.

Согласно современным представлениям, прокариоты вместе с предками эукариот относятся к наиболее древним организмам и имеют общее происхождение. Довод в пользу единого происхождения клеток прокариот и эукариот заключается в принципиальном сходстве их генетического аппарата.

Отличия растительных и животных клеток. У растительной клетки поверх мембраны имеется наружная стенка из целлюлозы и других материалов. Клеточная оболочка представляет собой внешний защитный каркас, обеспечивает тургор растительных клеток, пропускает воду, соли, молекулы многих органических веществ. Клеточная стенка растений, бактерий и цианобактерий препятствует фагоцитозу и поэтому фагоцитоз у них практически отсутствует. Клетки растений соединяются с помощью особых каналов, заполненных цитоплазмой и ограниченных плазматической мембраной. По этим каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной клетки в другую поступают питательные вещества, ионы и другие соединения.

Клетки животных, образующие различные ткани (эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединений образуются складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность. У большинства клеток (особенно животных) наружная сторона мембраны покрыта слоем полисахаридов и гликопротеидов (гликокаликс). Гликокаликс - очень тонкий, эластичный слой (в световой микроскоп не виден). Гликокаликс, как и целлюлозная стенка растений, прежде всего, осуществляет функцию непосредственной связи клеток с внешней средой. Однако, в отличие от растительной стенки он не обладает опорной функцией. Отдельные участки мембраны и гликокаликса могут дифференцироваться и превращаться в микроворсинки (обычно на поверхности клетки, которая контактирует с окружающей средой); межклеточные соединения и связи, находящиеся между клетками ткани, имеющими различную структуру. Одни из них играют механическую роль (межклеточные соединения), а другие участвуют в межклеточных обменных процессах, изменяя электрический потенциал мембраны.

Все живое состоит из клеток. Клетка представляет собой элементарную живую систему – основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1–0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).

Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Это своеобразный атом живых систем. Составляющие ее части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Термин «клетка» впервые предложил 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703) для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды немецких ученых-ботаников Маттиаса Шлейдена (1804–1881) и Теодора Шванна (1810–1882).

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации (см. рис. 7.7). Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды – цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки – обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма , содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65–85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро , а в нем –хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом .

Не все клетки многоклеточного животного или растения одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Каждый организм развивается из одной клетки – яйца, которое начинает делиться, и в конечном итоге образуется множество отличающихся друг от друга клеток – мышечные, кровяные и др. Различия клеток определяются прежде всего набором белков, синтезируемых данной клеткой. Так, клетки желудка синтезируют пищеварительный фермент пепсин; в других клетках, например клетках мозга, он не образуется. Во всех клетках растений или животных имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного вида организмов, но в клетке каждого типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы – прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Тело человека, например, состоит из 10 15 клеток.

Прокариоты все одноклеточные. В них нет четко очерченного ядра: молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Их деление происходит без митоза. Размеры их относительно небольшие. В то же время наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 3,5 млрд лет назад, были прокариоты.

Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от внешнего воздействия, то он остается бессмертным, т. е. не умирает, а делится на две новые клетки. Многоклеточные организмы живут лишь определенное время. Они содержат два типа клеток: соматические – клетки тела и половые клетки. Половые клетки, так же как и бактерии, бессмертны. После оплодотворения образуются соматические клетки, которые смертны, и новые половые.

Растения содержат особую ткань – меристему , клетки которых могут образовывать другие типы клеток растений. В этом отношении клетки меристемы похожи на половые и в принципе тоже бессмертны. Они обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды растений могут жить тысячи лет. У примитивных животных (губки, актинии) есть подобная ткань, и они могут жить неограниченно долго.

Соматические клетки высших животных делятся на два вида. Одни из них включают клетки, живущие недолго, но постоянно возобновляющиеся за счет своего рода ткани меристемы. К ним относятся, например, клетки эпидермиса. Другой вид составляют клетки, которые во взрослом организме не делятся, и поэтому не возобновляются. Это прежде всего нервные и мышечные клетки. Они подвержены старению и гибели.

Принято считать, что главная причина старения организма – утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря репаративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.