Molekulinė biologija – tai gamtos, gyvybės reiškinio supratimo mokslas, tiriant biologinius objektus molekuliniu lygmeniu.
Išskirtinis MB bruožas yra negyvų ar primityvių organizmų gyvybės reiškinių tyrinėjimas, ląstelių membranų, virusų, bakteriofagų, biopolimerų (baltymų, riebalų, nukleino rūgščių) sandaros ir funkcijų tyrimas. Molekulinei biologijai yra apie 50 metų, ji yra pagrįsta biochemijos, biofizikos ir fiziologijos riba. MB buvo įkurta 1953 m. balandį, kai Crickas ir Watsonas parašė straipsnį „Nature“, siūlydami erdvinę DNR molekulę. Šio modelio konstravimo pagrindas buvo rentgeno spindulių difrakcijos analizės darbas, kuriame dalyvavo Wilkinsonas ir Franklinas.
Medicininė genetika – tiria paveldimumo vaidmenį ir ligų atsiradimą.
Paveldimos ligos – tai ligos, kurias sukelia žalingos ląstelių paveldimo aparato (lytinės ląstelės ir zigotos) mutacijos.
Molekulinės biologijos raidos istorija. Pagrindiniai pasiekimai.
Pirmą kartą terminą „MB“ įvedė W. Astbury, išsiaiškinęs ryšį tarp pluoštinių baltymų molekulinės struktūros ir savybių. Be to, mokslininkai jį pritaikė 1945 m., bet kaip mokslas pradėjo vystytis 1953 m., kai Watson ir Crick atrado DNR molekulės modelį gyvų organizmų ląstelėse.
Pagrindiniai molekulinės biologijos raidos etapai
1. Pirmas laikotarpis 1935-1944 m
Max Delbrück ir Salvador Luria tyrinėjo bakterijas ir virusus
1940 metais George'as Beadle'as ir Edwardas Tatumas suformulavo hipotezę – „Vienas genas – vienas fermentas“. Tačiau kas yra genas fizikine ir chemine prasme, dar nebuvo žinoma. Yra fizikos, chemijos ir biologijos sandūra.
2. Antrasis laikotarpis 1944-1953 m
Įrodytas genetinis DNR vaidmuo. 1953 metais pasirodė DNR dvigubos spiralės modelis, už kurį jo kūrėjai Jamesas Watsonas, Francisas Crickas ir Maurice'as Wilkinsas buvo apdovanoti Nobelio premija.
3. Dogminis laikotarpis 1953-1962 m
Pagrindinė molekulinės biologijos dogma yra suformuluota:
Genetinės informacijos perdavimas vyksta DNR → RNR → baltymo kryptimi.
1962 metais buvo iššifruotas genetinis kodas.
4. Akademinis laikotarpis nuo 1962 m. iki šių dienų, kuriose nuo 1974 m genų inžinerijos periodas.
Pagrindiniai atradimai
1944 m Įrodymai dėl genetinio DNR vaidmens. Oswaldas Avery, Colinas McLeodas, McLeanas McCarthy.
1953 m DNR struktūros nustatymas. Jamesas Watsonas, Francisas Crickas.
1961 m Fermentų sintezės genetinio reguliavimo atradimas. André Lvovas, Francois Jacobas, Jacques'as Monod.
1962 m Genetinio kodo iššifravimas. Maršalas Nirnbergas, Heinrichas Mattei, Severo Ochoa.
1967 m Biologiškai aktyvios DNR sintezė in vitro. Arthuras Kornbergas (neformalus molekulinės biologijos vadovas).
1970 m Cheminė geno sintezė. Gobindas iš Korano.
1970 m Fermento atvirkštinės transkriptazės ir atvirkštinės transkripcijos reiškinio atradimas. Howardas Teminas, Davidas Baltimore'as, Renato Dulbeco.
1978 m Sujungimo anga. Filipas Šarpas.
1982 m Atidaromas automatinis sujungimas. Tomas Čekas.
Mikroskopas ir jo sandara. mikroskopija
Pagrindinės mikroskopo dalys:
Mechaniniai: trikojis, scena, vamzdis, revolveris ir mikro bei makro varžtai
Optinis: okuliaras, lęšiai
Apšvietimas: veidrodis, kondensatorius (šviesos paskirstymui), diafragma
Mikroskopija – ląstelių organelių, citoplazmos judėjimo tyrimas
Mikroskopijos technika:
Nustatykite mikroskopą į darbinę padėtį
Žiūrėdami pro mikroskopą, veidrodžiu pasiekite ryškų matymo lauką
Padėkite preparatą ant scenos, sulygiuodami objektyvą su skylute scenos centre
Nuleiskite vamzdelį makro varžtu kelių milimetrų atstumu nuo preparato
Žiūrėdami pro mikroskopą, pakelkite, kol atsiras aiškus objekto vaizdas.
Centruokite objektą, perkelkite mikroskopą į didelį padidinimą, pakeisdami objektyvą, pasiekite aiškų vaizdą
Nubraižykite tiriamo objekto eskizą
Ląstelė – elementarus gyvybės vienetas
Citologija - ląstelių mokslas.
Ląstelė yra gyvųjų organizmų vienetas, ląstelėje įsiterpusių organizmų dėka joje vyksta medžiagų apykaita, biologinės informacijos panaudojimas, paveldimumo ir kintamumo savybių pasireiškimas.
Ląstelių teorija. Ląstelių organizavimo tipai
1839 – Schwann suformulavo ląstelių teoriją, kurią vėliau papildė Schleydon, Virchow ir šiuolaikiniai mokslininkai.
Padėtis:
Gyvybę jos struktūriniame, funkciniame genetiniame santykyje teikia tik ląstelė. Ląstelė yra gyvybės šaltinis
Ląstelė atsiranda tik dėl ankstesnės motininės ląstelės dalijimosi. Ląstelės kaupia biologinę informaciją, perduoda ją iš kartos į kartą, saugo ir perduoda
Energija. Energiją paversti darbu, reguliuoti medžiagų apykaitą.
Struktūrinis ir funkcinis kūno vienetas – ląstelė
Korinio ryšio organizavimo tipai:
Prokariotai - nebranduoliniai (bakterijos, melsvadumbliai)
Eukariotai - turi branduolį (grybai, augalai ir gyvūnai)
Ląstelių struktūra
Ląstelės molekulinė struktūra ir pagrindiniai komponentai
ląstelių sienelės - kietas kiautas, susidedantis iš polisacharidų, celiuliozės. apsauginė funkcija.
Vakuolė- ertmė citoplazmoje, apsupta atskiru membranos sluoksniu ir užpildyta ląstelių sultimis. Vitaminų, mineralų atsargos organinės medžiagos
Citoplazminiai tiltai- plazmodesmata - sritys ląstelių membranos, neturinčios ląstelės sienelės, padeda susisiekti su kaimyninėmis ląstelėmis, taip užtikrinant medžiagų mainus tarp jų
plastidai- dažymas, fotosintezė, aprūpinimas maistinėmis medžiagomis
Citoplazma- terpė ląstelių organelėms, koloidinis baltymų, riebalų ir nukleorūgščių tirpalas. Ląstelių organelių judėjimas
Šerdis- Tai turi branduolinis apvalkalas ir poras, per kurias vyksta medžiagų apykaita. Saugo paveldimą informaciją. Funkcija: ląstelių dalijimasis
Mitochondrijos- dviejų membranų organelės - turi krisles ant vidinės membranos. Funkcija: kvėpavimas, energijos centras.
EPS – sklandžiai- baltymų sintezė grubus (granuliuotas)- riebalai ir angliavandeniai,
Lizosomos – funkcija – autolizė
Goldžio kompleksas- lizosomų, ląstelių organoidų susidarymas; kanalėlių, pūslelių ir „cisternų“ sistema, kurią riboja membranos.
Įsikūręs ląstelės citoplazmoje. Dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose, užtikrina medžiagų transportavimą iš aplinkąį citoplazmą ir tarp atskirų tarpląstelinių struktūrų.
Cilia- plonos siūliškos ir į šerius panašios ląstelių, galinčių atlikti judesius, ataugos. būdinga infuzorijai, ciliariniai kirminai, stuburiniams gyvūnams ir žmonėms – epitelio ląstelėms kvėpavimo takų, kiaušintakiai, gimda.
Flagella- gijinės judrios citoplazminės ląstelės ataugos, būdingos daugeliui bakterijų, visų gyvūnų ir augalų žvynelių, zoosporų ir spermatozoidų. Jie skirti judėti skystoje terpėje.
mikrovamzdeliai- baltymų intraląstelinės struktūros, sudarančios citoskeletą. Jie yra tuščiaviduriai cilindrai, kurių skersmuo yra 25 nm. Mikrotubulai atlieka svarbų vaidmenį ląstelėse konstrukciniai komponentai ir dalyvauja daugelyje ląstelių procesų, įskaitant mitozę, citokinezę ir vezikulinį transportą.
Mikrofilamentai(MF) – siūlai, susidedantys iš baltymų molekulių ir esantys visų eukariotinių ląstelių citoplazmoje. Jų skersmuo yra apie 6-8 nm.
Chromosomos – konstrukciniai elementai ląstelės branduolys turinčios DNR, kurioje yra paveldima organizmo informacija.
Voverės
- sudėtis: paprasta (tik iš aminorūgščių), kompleksinė (be aminorūgščių, kitų organinių junginių).
Baltymų erdvinio organizavimo ypatumai
Pirminė baltymo struktūra - Tai linijinė aminorūgščių grandinė, išsidėsčiusi tam tikra seka ir tarpusavyje sujungta peptidiniais ryšiais.
Antrinė baltymo struktūraŽemiausias baltymo erdvinio organizavimo lygis. Biopolimero erdvinės struktūros fragmentai, turintys periodinę polimero pagrindo struktūrą.
α - spiralė - peptidinės grandinės stuburas susisukęs į spiralė- kad aminorūgščių radikalai būtų nukreipti į išorę nuo spiralės
β - spiralė- peptidinių grandinių stuburai nėra susisukę, bet turi zigzago, sulankstytą konfigūraciją
Struktūrą lemia pirminė baltymo struktūra. Laikomas vandenilinių ryšių
Tretinė baltymo struktūra– baltyminio rutulinio ryšio tarp aminorūgščių radikalų susidarymas. Visiškas visos polipeptidinės grandinės lankstymas erdvėje, įskaitant šoninių radikalų lankstymą. Disulfidinės, joninės, vandenilio, hidrofobinės jungtys. Veiklos funkcijos įgijimas baltymu.
Struktūros mobilumas– svarbiausias būdas pakeisti biologinį aktyvumą.
Baltymų ketvirtinė struktūra susideda iš kelių subvienetų, subvienetų surišimas gali vykti tik susiformavus tretinei struktūrai. Pavyzdžiui, hemoglobinas, imunoglobulinas
Baltymų erdvinę struktūrą lemiantys veiksniai
Informacija apie tretinę struktūrą yra jos pirminėje struktūroje, tai yra, peptidinės grandinės aminorūgščių sekoje. Tretinės baltymo struktūros susidarymas vyksta nepriklausomai
Kvarterinę struktūrą sudaro:
Ligandos - paveikti baltymo struktūrą, stabilizuoti, keisti tretinę struktūrą, suvienyti rutuliukus, užtikrinti baltymų subvienetų mobilumą
Lydėjai užtikrinti teisingą naujai susidarančių baltymų lankstymą, pakartotinio lankstymo kontrolę, dalyvavimą baltymų pernešime ląstelėje.
Yra ligandų, kurie keičia 3 struktūrą.
Funkcijos:
pastatas (karotinas, kolagenas), tiesiogiai dalyvauja kuriant membranas ir citoskeletą
transportavimas (hemoglobinas, ATPazė)
variklis (aktinas ir miozinas),
energija,
apsauginis (imunoglobulinas, interferonas),
reguliuojantys (insulinas, histonas, represoriai),
receptorius (rodopsino, chelino receptorius),
katalizinis (ribonukleazė, DNR, RNR polimerazė)
fermentinis. Visi fermentai yra baltymai.
Savybės:
1. Įvairūs tirpumas vandenyje. Tirpūs baltymai sudaro koloidinius tirpalus. 2. Hidrolizė- veikiant mineralinių rūgščių ar fermentų tirpalams, sunaikinama pirminė baltymo struktūra ir susidaro aminorūgščių mišinys. 3. denatūravimas - baltymo molekulės praradimas, struktūrinė organizacija (iš lot. Denatūra – prarasti natūralias savybes)
Denatūracija vyksta veikiant: - aukštai temperatūrai - rūgščių, šarmų ir koncentruotų druskų tirpalams - sunkiųjų metalų druskų tirpalams - kai kurioms organinėms medžiagoms (formaldehidui, fenoliui) - radioaktyviajai spinduliuotei.
Dehidratacija
PH aplinkos keitimas
Renatūravimas - baltymo struktūros atkūrimas, kol bus sunaikinta pirminė molekulės struktūra ir atkurtos normalios aplinkos sąlygos.
Formavimosi etapai:
Transkripcija-informacijos iš DNR, apie baltymo struktūrą, perrašymas į i-RNR.
Transliacija - pirminės baltymo struktūros susidarymas, polipeptido (ribosomos citoplazmos) sintezė
sulankstomas - peptidinės grandinės sulankstymas į trimatę struktūrą
Modifikacija - angliavandenių komponentų prijungimas, tam tikrų aminorūgščių likučių oksidacija (sudėtingiems baltymams)
DNR struktūra
DNR yra cheminis genų pagrindas, kuriame sutelkta paveldima organizmo informacija.
Chemijos centre. Nukleino rūgščių struktūra grindžiama bendruoju principu:
Nukleino rūgštys-medžiaginis paveldimumo ir kintamumo substratas, informaciniai biopolimerai, koduojantys individualų genetinės programos rinkinį. Susideda iš nukleotidų (DNR nukleotidų, RNR nukleotidų) – biopolimerų, monomerų, kurie yra nukleotidai (atrasta 1868 m. – Misher) Nukleotidas susideda iš: 1) azoto bazės; 2) cukrus; 3) fosforo rūgšties likutis.
DNR struktūrinės organizacijos bruožas:
DNR molekulė turi: a) pirminė struktūra viena polinukleotidinė grandinė, turinti 2 galus. Pradžia 5" ir pabaiga 3". Polinukleotidą sudaro fosforo diesterio jungtis B) antrinė struktūra: 2 komplementarios ir antiparalelinės polinukleotidinės grandinės, sujungtos vandeniliniais ryšiais; IN) tretinė DNR struktūra: trimatė DNR molekulės spiralė, kurią sudaro 2 gijos, susuktos aplink savo ašį.
Sraigtinės skersmuo 2 nm Žingsnio ilgis 3,4 nm Kiekviename posūkyje yra 10 bazinių porų
DNR savybės ir funkcijos
Molekulės apima 2 tam tikru būdu tarpusavyje sujungtas polinukleotidų grandines. Adeninas – timinas – dviguba vandenilio jungtisGuaninas – Citozinas – triguba vandenilio jungtis
A, G – purinas – vienas benzeno žiedas
T, C - tarpinis - du benzeno žiedai.Labai svarbus!
2 polinukleotidų grandinių sujungimas DNR molekulėje: antiparalelizmas polinukleotidų grandinės. Vienos grandinės 5 colių galas yra sujungtas su kitos grandinės 3 colių galu
Nukleotidų sudėtis DNR paklūsta Chargaff taisyklėms - dvigubos spiralės grandinių komplementarumui
Yra dviejų formų: dešiniarankės spiralės B formos, kairiarankės spiralės Z formos, dažniausiai natūralios DNR B formos
Konformacinių transformacijų labilumas-tolerancija (iš B formos į Z formą tam tikromis sąlygomis)
DNR savybės:
Replikacija (savaiminis dvigubinimas) - praeina pusiau konservatyviu metodu.
Taisymas (atstatymas)
Funkcija: paveldimos informacijos saugojimas ir perdavimas
Mitochondrijų DNR struktūros ypatumai
Paveldima informacija eukariotų ląstelėje yra daugiausia 99,5% branduolyje, tai vadinama branduoline genetine informacija. Kita DNR dalis 0,5% yra citoplazmoje, mitochondrijose.
DNR mitochondrijų dėka sintetinami mitochondrijų baltymai, jie gali būti paveldimų ligų su mitochondrijų DNR mutacijomis šaltinis.
Mitochondrijų DNR nesusietas su baltymais („nuogas“), prisitvirtinęs prie vidinės mitochondrijų membranos ir neša informaciją apie maždaug 30 baltymų struktūrą. Norint sukurti mitochondriją, reikia daug daugiau baltymų, todėl informacija apie daugumą mitochondrijų baltymų yra branduolinėje DNR, o šie baltymai sintetinami ląstelės citoplazmoje. Mitochondrijos geba daugintis autonomiškai, DNR pagalba dalijamos į dvi dalis. Tarp išorinės ir vidinės membranos yra protonų rezervuaras, kuriame kaupiasi H +.
Pagrindiniai paveldimos informacijos perdavimo būdai.
paveldima informacija - saugomi DNR molekulėse.
paveldima informacija tai normalios ląstelės vystymosi ir funkcijos vadovas. Tarpininko vaidmuo paveldimos informacijos perdavimą atlieka RNR dėka RNR paveldima informacija yra gaunama iš branduolio į citoplazmą ir realizuojama specifinio baltymo pavidalu.
DNR replikacija. Replikacijos etapai
Replikacija - vyksta pusiau konservatyviu būdu. Pirminės DNR grandinės replikacijai grandinės turi atsiskirti viena nuo kitos, kiekviena atskirta grandinė tampa matrica (matrica), ant kurios bus susintetintos komplementarios dukterinių DNR molekulių grandinės.
Po kiekvieno motininės ląstelės dalijimosi ir jos DNR replikacijos dukterinėse ląstelėse yra DNR molekulė, susidedanti iš motininės grandinės ir naujai susintetintos dukterinės grandinės.
Kad įvyktų replikacija, DNR molekulėse yra vadinamosios pradinės kilmės regionai, juose yra seka, susidedanti iš 300 nukleotidų porų, kurias atpažįsta specifiniai baltymai.
DNR dviguba spiralė šiuose regionuose yra padalinta į 2 grandines, susidaro 2 replikacijos šakės, kurios juda priešingomis kryptimis nuo ori srities, tarp replikacijos šakių susidaro struktūra – vadinama replikacijos akimi.
Su fermento pagalba helikazės nutraukia vandenilinius ryšius ir DNR dviguba spiralė atsipalaiduoja replikacijos taškų ori pradžios taškuose.
Susidariusios pavienės DNR grandinės yra surištos specialiomis destabilizuojantys baltymai, kuris ištempti šerdis DNR grandinės, todėl jos gali prisijungti prie komplementarių nukleotidų.
Kiekvienoje grandinėje, esančioje replikacijos šakutės srityje, dalyvaujant fermentui DNR polimerazė atlieka papildomų grandinių sintezė.
Atskyrimas, spirale susuktos grandinės, pirminė DNR fermento pagalba helikazės priežasčių superspiralių atsiradimas. Bet fermentų dėka DNR topoizomerazės, kuris supjaustyti viena iš DNR grandžių numalšinti stresą, kaupiasi DNR dviguboje grandinėje.
Dar sintezėje naudojamas replikacijos procesas DNR ligazė V susiuvimas atskirus DNR segmentus į vieną grandinę. Gali būti toje pačioje DNR molekulėje tuo pačiu metu keli taškaiar aš – sintezės proceso pagreitis.
Kiekvienoje replikacijos akyje jie pradeda veikti 2 fermentų kompleksai:
Kompleksas juda viena kryptimi
Priešingai
Fermentinis kompleksas veikia taip, kad viena iš 2 jų susintetinamų grandinių augtų su švinu - pirmaujantis
O antrasis atsilieka - atidėtas
Fermentas DNR polimerazė atlieka polinukleotidų sintezė iš 5"Į3" galas. Palaipsniui grandinė ilgėja, tokia grandinėlė vadinama pirmaujantis. Ant kitos grandinės 2-osios grandinės sintezė DNR yra pernešama trumpais fragmentais, jie vadinami fragmentais kazokai. Kryptimi nuo 5” Į3“ pagal siuvimo tipą atgal su adata. Kakaki fragmentuose prokariotuose yra nuo 1000 iki 2000 nukleotidų, eukariotuose – nuo 100 iki 200.
Prieš tokio fragmento sintezę susidaro formavimas pradmenų RNR, apie 10 nukleotidų ilgio.
Su fermento pagalba DNR ligazės, pašalinus RNR pradmenį susidaro fragmentas, prijungtas prie ankstesnio fragmento.
Replikacijos žingsniai:
Paruošimas
Sruogų augimas naudojant DNR ir RNR polimerazę
Atskirų sekcijų kryžminis ryšys-DNR ligazė
bendrosios charakteristikos ląstelės
Cheminė sudėtis ląstelės
Bendrosios ląstelės charakteristikos
Ląstelės viena nuo kitos skiriasi dydžiu, forma, funkcija, gyvenimo trukme. Taigi ląstelių dydžiai svyruoja nuo 0,2–0,25 mikronų (kai kurios bakterijos) iki 155 mm (stručio kiaušinis su lukštu). Dauguma eukariotinių ląstelių yra nuo 10 iki 100 µm skersmens. Pagal formą ląstelės yra sferinės, ovalios, kubinės, prizminės, žvaigždinės, disko formos, su įvairiais procesais ir kt. Ląstelės forma priklauso nuo jos funkcijos. Daugialąsčiame organizme ląstelės atlieka įvairios funkcijos: vienos ląstelės sintetina virškinimo fermentus ar hormonus, kitos sugeria ir virškina mikrobus ir kt svetimkūniai, kiti vykdo deguonies pernešimą iš plaučių į audinius ir tt Taigi stuburinių gyvūnų ląstelės turi apie 200 rūšių specializacijų. Daugelis ląstelių yra polifunkcinės. Pavyzdžiui, kepenų ląstelės sintetina įvairius kraujo plazmos baltymus ir tulžį, kaupia glikogeną ir paverčia jį gliukoze, oksiduoja pašalines medžiagas. Priklausomai nuo jų specializacijos, ląstelės turi skirtinga trukmė gyvenimą. Taigi žmonėms minimali ląstelių gyvenimo trukmė yra 1-2 dienos (žarnyno epitelio ląstelės). , o maksimumas atitinka gyvenimo trukmę (neuronai).
Nepaisant didelės įvairovės, ląstelės turi bendrų bruožų pastatai. Ląstelę sudaro trys pagrindinės dalys: plazminė membrana, citoplazma Ir šerdis. Citoplazma sudaro pagrindinę ląstelės dalį ir yra vidinė pusiau skysta ląstelių aplinka ir turi sudėtingą fizikinę ir cheminę struktūrą. Citoplazmoje yra vandens, aminorūgščių, baltymų, angliavandenių, ATP, jonų neorganinių medžiagų(vyrauja baltymai). Citoplazma yra padalinta į tris dalis: hialoplazma, organelės ir intarpai. Hialoplazma- skysta klampi ląstelės citoplazmos fazė. Organelės(maži organai) – specializuoti nuolatiniai citoplazmos komponentai, turintys vienokią ar kitokią struktūrą ir atliekantys įvairias funkcijas ląstelės gyvenime. Visos ląstelės organelės yra glaudžiai tarpusavyje susijusios. Universalios eukariotinių ląstelių organelės yra branduolyje - chromosomos, citoplazmoje mitochondrijos, endoplazminis tinklas, Golgi kompleksas, lizosomos. Daugelyje ląstelių taip pat yra membraninių struktūrų, kurios padeda išlaikyti ląstelės formą - mikrovamzdeliai, mikrofibrilės ir kt. Inkliuzai- neprivalomi komponentai (rezervinių medžiagų arba medžiagų apykaitos produktų nuosėdos). Organelės yra dviejų tipų: membraninės (lizosomos, diktiosomos, endoplazminis tinklas, mitochondrijos, augalų ląstelių vakuolės, plastidės) ir nemembraninės (ribosomos, centriolės, mikrovamzdeliai, blakstienos ir žvyneliai).
Citoplazmos funkcijos:
1. Visų organelių sąveikos užtikrinimas.
2. Jame vyksta pagrindiniai medžiagų apykaitos procesai.
Išskyrus bendrų bruožų struktūroje ląstelės turi skaičių bendrų savybių. Jie apima judrumas, dirglumas, medžiagų apykaita Ir dauginimasis.
Mobilumas pasireiškia įvairių formų:
1) intraląstelinis judėjimas ląstelių citoplazma.
2) amebos judėjimas.Ši judėjimo forma išreiškiama pseudopodijų formavimu citoplazma link vieno ar kito dirgiklio arba nuo jo. Ši judėjimo forma būdinga ameboms, kraujo leukocitams, taip pat kai kurioms audinių ląstelėms.
3) Mirgantis judesys. Jis pasireiškia mažyčių protoplazminių ataugų – blakstienų ir žvynelių – dūžių pavidalu. Būdingas blakstienoms, daugialąsčių gyvūnų epitelio ląstelėms, spermatozoidams ir kt.
4) susitraukimo judėjimas. Jis suteikiamas dėl to, kad citoplazmoje yra specialus miofibrilių organoidas, kurio sutrumpėjimas ar pailgėjimas prisideda prie ląstelės susitraukimo ir atsipalaidavimo. Gebėjimas susitraukti labiausiai išvystytas raumenų ląstelėse.
Irzlumas išreikštas ląstelių gebėjimu reaguoti į dirginimą keičiant medžiagų apykaitą ir energiją.
Metabolizmas apima visas medžiagos ir energijos transformacijas, vykstančias ląstelėse.
dauginimasis viena iš pagrindinių funkcijų, būdingų gyviems daiktams apskritai ir ypač ląstelėms. Dauginimąsi užtikrina ląstelės gebėjimas dalytis ir formuoti dukterines ląsteles (kai kurios labai diferencijuotos ląstelės šį gebėjimą prarado). Būtent gebėjimas daugintis leidžia ląsteles laikyti mažiausiais gyvybės vienetais. Mažesni šių savybių vienetai nerodomi. R. Virchow rašė: „Ląstelė yra paskutinė morfologinis elementas visų gyvų kūnų, ir mes neturime teisės ieškoti tikros gyvenimo veiklos už jo ribų. (1858).
Ląstelių sandaros ypatumai įvairūs organizmai
Visi žinomi organizmai skirstomi į dvi grupes: prokariotai Ir eukariotų. KAM prokariotai susieti bakterijos (eubakterijos ir archebakterijos) a iki eukariotų – grybai, augalai Ir gyvūnai, kurių dauguma yra daugialąsčiai organizmai ir tik keli yra vienaląsčiai. Skirtumai tarp prokariotų ir eukariotų yra tokie reikšmingi, kad organizmų sistemoje jie skirstomi į superkaralystes.
eukariotų(iš graikų eu – geras, visiškai ir graikų karyon – šerdis) – organizmai, kurių ląstelėse yra susiformavę branduoliai. Eukariotams priklauso visi aukštesni gyvūnai, augalai, taip pat vienaląsčiai ir daugialąsčiai dumbliai, grybai ir pirmuonys.
prokariotai(iš lot. pro – prieš, prieš ir graikų karyon – branduolys) – organizmai, kurių ląstelės neturi membrana apriboto branduolio. Branduolio analogas yra nukleoidas, susidedantis iš apskritos DNR molekulės, susietos su nedideliu kiekiu baltymo. Prokariotinės ląstelės turi standų apsauginį apvalkalą (ląstelės sienelę), po kuria yra plazminė membrana. Plazminė membrana paprastai sudaro išsikišimus į citoplazmą - mezosomos. Redokso fermentai yra ant mezosomų membranų, o fotosintetiniuose prokariotuose – atitinkami pigmentai (bakteriochlorofilas, chlorofilas, fikocianinas). Dėl šios priežasties tokios membranos gali atlikti mitochondrijų, chloroplastų ir kitų organelių funkcijas. Tuo pačiu metu prokariotuose nėra chloroplastų, mitochondrijų, lizosomų, Golgi komplekso ir endoplazminio tinklo, būdingo eukariotų ląstelėms. Bakterijos yra labai mažos ir gali greitai daugintis paprasto dvejetainio dalijimosi būdu (prokariotuose mitozės nėra). IN optimalias sąlygas Prokariotinė ląstelė gali dalytis kas 20 minučių. Dėl spartaus dauginimosi greičio bakterijų populiacijos greitai prisitaiko prie aplinkos pokyčių ir užima visas įmanomas ekologines nišas gamtoje (dirvožemį, vandenį, orą, pelkes, vandenynų gelmes, karštąsias versmes ir kt.).
Taigi pagrindiniai skirtumai tarp eukariotų ir prokariotų yra šie:
1) Branduolio buvimas. Tai yra svarbiausia skiriamasis ženklas eukariotinės ląstelės.
2) Dydis. Prokariotinės ląstelės yra labai mažos (apie 1 mikroną). Eukariotinių ląstelių, kuriose yra pilnavertis branduolys, tūris yra 800–1000 kartų didesnis nei prokariotinių ląstelių tūris.
3) DNR struktūriniai ypatumai. Eukariotų DNR yra labai ilgos linijinės molekulės (nuo 10 7 iki daugiau nei 10 10 bazinių porų). Jie yra lokalizuoti branduolyje, susiję su histonais ir apima nekoduojančius regionus ( intronai). Priešingai, prokariotų DNR yra trumpesnės (iki 5-10 6 bazinių porų) žiedinės molekulės, išsidėsčiusios citoplazmoje ir be intronų.
4) Specializacija. Eukariotinių ląstelių struktūros ir funkcijos yra sudėtingesnės ir labiau specializuotos nei prokariotinių ląstelių struktūros ir funkcijos. eukariotinės ląstelės susideda iš specializuotų skyrių – organelių.
Organelės atlieka specifines funkcijas ląstelės gyvenime. prokariotinės ląstelės turi vieną membraninę sistemą, apimančią ir plazmalemą, ir įvairias iš jos ataugas, dažnai atliekančias specifines funkcijas.
5) Erdvinė RNR ir baltymų sintezės procesų disociacija. Eukariotuose jie patenka į įvairūs skyriai ląstelės ir jų reguliavimo mechanizmai nepriklauso vienas nuo kito. Priešingai, prokariotuose šie procesai yra daug paprastesni ir tarpusavyje susiję.
Pagal šiuolaikinės idėjos, prokariotai kartu su eukariotų protėviais yra vieni seniausių organizmų ir turi bendra kilmė. Argumentas už bendrą prokariotinių ir eukariotinių ląstelių kilmę yra esminis jų genetinio aparato panašumas.
Skirtumai tarp augalų ir gyvūnų ląstelių. Augalų ląstelė turi išorinę celiuliozės ir kitų medžiagų sienelę ant membranos. Ląstelės membrana yra išorinis apsauginis rėmas, suteikia augalų ląstelių turgorą, praleidžia vandenį, druskas, daugelio organinių medžiagų molekules. ląstelių sienelės augalai, bakterijos ir cianobakterijos trukdo fagocitozei, todėl jie praktiškai neturi fagocitozės. Augalų ląstelės yra sujungtos specialiais kanalais, užpildytais citoplazma ir apribotais plazmine membrana. Per šiuos kanalus, einančius per ląstelių sienelės, iš vienos ląstelės į kitą maistinių medžiagų, jonai ir kiti junginiai.
Susidarančios gyvūnų ląstelės įvairių audinių(epitelinis, raumeninis ir kt.), yra sujungti vienas su kitu plazmine membrana. Sujungimo vietose susidaro raukšlės arba ataugos, kurios suteikia sąnariams ypatingo tvirtumo. Daugumoje ląstelių (ypač gyvūnų) išorinė pusė Membrana yra padengta polisacharidų ir glikoproteinų sluoksniu (glikokaliksu). Glikokaliksas yra labai plonas, elastingas sluoksnis (nematomas šviesos mikroskopu). Glikokaliksas, kaip ir augalų celiuliozės sienelė, pirmiausia atlieka tiesioginio ląstelių ryšio su išorinė aplinka. Tačiau, skirtingai nei augalo sienelė, ji neatlieka atraminės funkcijos. Atskiri sklypai membranos ir glikokaliksas gali diferencijuotis ir virsti mikrovilliais (dažniausiai ląstelės paviršiuje, kuris liečiasi su aplinka); tarpląsteliniai ryšiai ir jungtys tarp audinių ląstelių, kurios turi skirtinga struktūra. Kai kurie iš jų atlieka mechaninį vaidmenį (tarpląsteliniai ryšiai), o kiti dalyvauja tarpląsteliniame medžiagų apykaitos procesai keičiant membranos elektrinį potencialą.
Visi gyvi dalykai susideda iš ląstelių. Ląstelė yra elementarus gyvoji sistema– visų gyvūnų ir augalų sandaros ir gyvenimo pagrindas. Ląstelės gali egzistuoti kaip nepriklausomi organizmai (pavyzdžiui, pirmuonys, bakterijos) ir kaip daugialąsčių organizmų dalis. Ląstelių dydis svyruoja nuo 0,1–0,25 µm (kai kurios bakterijos) iki 155 mm (stručio kiaušinis su lukštu).
Ląstelė geba maitintis, augti ir daugintis, dėl to ją galima laikyti gyvu organizmu. Tai savotiškas gyvų sistemų atomas. Jo sudedamosios dalys neturi gyvybiškai svarbių savybių. Iš įvairių gyvų organizmų audinių išskirtos ir į specialią maistinę terpę patalpintos ląstelės gali augti ir daugintis. Šis ląstelių gebėjimas plačiai naudojamas moksliniams tyrimams ir taikomiesiems tikslams.
Terminą „ląstelė“ 1665 m. pirmą kartą pasiūlė anglų gamtininkas Robertas Hukas (1635–1703), kad apibūdintų mikroskopu stebimą kamštienos pjūvio ląstelių struktūrą. Teiginys, kad visi gyvūnų ir augalų audiniai yra sudaryti iš ląstelių, yra esmė ląstelių teorija. Ląstelių teorijos eksperimentiniame pagrindime svarbus vaidmuo grojo vokiečių botanikų Matthiaso Schleideno (1804–1881) ir Theodoro Schwanno (1810–1882) darbai.
Nepaisant didelės įvairovės ir didelių skirtumų išvaizda ir funkcijos, visos ląstelės susideda iš trijų pagrindinių dalių – plazmos membrana, kontroliuoja medžiagų perkėlimą iš aplinkos į ląstelę ir atvirkščiai, citoplazma su įvairiomis struktūromis ir ląstelės branduolys, turintis genetinės informacijos nešiklį (žr. 7.7 pav.). Visi gyvūnai ir kai kurie augalų ląstelės turėti centrioliai- cilindrinės konstrukcijos, kurių skersmuo yra apie 0,15 mikrono, formuojančios ląstelių centrai. Paprastai augalų ląstelės yra apsuptos membrana - ląstelių sienelės. Be to, juose yra plastidai- citoplazminės organelės (specializuotos ląstelių struktūros), dažnai turinčios pigmentų, lemiančių jų spalvą.
Aplink ląstelę membrana susideda iš dviejų į riebalus panašių medžiagų molekulių sluoksnių, tarp kurių yra baltymų molekulės. Pagrindinė funkcija ląstelės – užtikrinti aiškiai apibrėžtų medžiagų judėjimą pirmyn ir atgal į jį. Visų pirma, membrana palaiko normali koncentracija kai kurios druskos ląstelės viduje ir vaidina svarbų vaidmenį jos gyvenime: pažeidus membraną, ląstelė iš karto žūva, o be kai kurių kitų struktūrinių komponentų ląstelės gyvavimas gali tęstis kurį laiką. Pirmasis ląstelės mirties požymis yra jos išorinės membranos pralaidumo pokyčių pradžia.
Ląstelės plazminės membranos viduje yra citoplazma kurių sudėtyje yra vandens sūrymu su tirpiais ir suspenduotais fermentais (kaip ir raumenų audiniai) ir kitos medžiagos. Citoplazmoje yra įvairių organelės - maži organai, apsupti jų membranų. Organelės apima, pvz. mitochondrijos -į maišelį panašūs dariniai su kvėpavimo fermentais. Jie konvertuoja cukrų ir išskiria energiją. Citoplazmoje taip pat yra mažų kūnelių - ribosomos, susidedantis iš baltymų ir nukleino rūgšties (RNR), kurių pagalba vykdoma baltymų sintezė. Tarpląstelinė aplinka yra gana klampi, nors 65–85% ląstelės masės sudaro vanduo.
Visose gyvybingose ląstelėse, išskyrus bakterijas, yra šerdis, o jame - chromosomos- ilgi gijiniai kūnai, susidedantys iš dezoksiribonukleino rūgšties ir prie jos prijungto baltymo.
Ląstelės auga ir dauginasi dalijantis į dvi dukterines ląsteles. Kai dukterinė ląstelė dalijasi, perduodamas visas chromosomų rinkinys, turintis genetinę informaciją. Todėl prieš dalijantis chromosomų skaičius ląstelėje padvigubėja, o dalijimosi metu kiekviena dukterinė ląstelė gauna po vieną jų rinkinį. Šis ląstelių dalijimosi procesas, užtikrinantis identišką genetinės medžiagos pasiskirstymą tarp dukterinių ląstelių, vadinamas mitozė.
Ne visos daugialąsčio gyvūno ar augalo ląstelės yra vienodos. Ląstelių modifikacija vyksta palaipsniui organizmo vystymosi procese. Kiekvienas organizmas išsivysto iš vienos ląstelės – kiaušinėlio, kuris pradeda dalytis, ir galiausiai susidaro daug skirtingų ląstelių – raumenų, kraujo ir kt.. Ląstelių skirtumus pirmiausia lemia šios ląstelės sintetinamų baltymų rinkinys. Taigi skrandžio ląstelės sintetinasi virškinimo fermentas pepsinas; kitose ląstelėse, pavyzdžiui, smegenų ląstelėse, jis nesusidaro. Visose augalų ar gyvūnų ląstelėse yra visa genetinė informacija, skirta sukurti visus tam tikro tipo organizmo baltymus, tačiau kiekvieno tipo ląstelėje sintetinami tik tie baltymai, kurių jai reikia.
Priklausomai nuo ląstelių tipo, visi organizmai skirstomi į dvi grupes - prokariotai Ir eukariotų. Prokariotams priskiriamos bakterijos, o eukariotams – visi kiti organizmai: pirmuonys, grybai, augalai ir gyvūnai. Eukariotai gali būti vienaląsčiai arba daugialąsčiai. Pavyzdžiui, žmogaus kūnas susideda iš 10 15 ląstelių.
Visi prokariotai yra vienaląsčiai. Jie neturi tiksliai apibrėžto branduolio: DNR molekulės nėra apsuptos branduolinės membranos ir nėra suskirstytos į chromosomas. Jų dalijimasis vyksta be mitozės. Jų dydžiai yra palyginti maži. Tuo pačiu metu požymių paveldėjimas juose yra pagrįstas DNR perkėlimu į dukterines ląsteles. Manoma, kad pirmieji organizmai, atsiradę maždaug prieš 3,5 milijardo metų, buvo prokariotai.
Jeigu vienaląstis organizmas, pavyzdžiui, bakterija, nemiršta nuo išorinis poveikis, tada jis lieka nemirtingas, tai yra, nemiršta, o padalinamas į dvi naujas ląsteles. Daugialąsčiai organizmai gyventi tik tam tikras laikas. Juose yra dviejų tipų ląstelės: somatinės – kūno ląstelės Ir lytinių ląstelių. Lytinės ląstelės, kaip ir bakterijos, yra nemirtingos. Po apvaisinimo susidaro somatinės ląstelės, kurios yra mirtingosios, ir naujos lytinės ląstelės.
Augalai turi specialių audinių - meristema, kurios ląstelės gali formuoti kitų tipų augalų ląsteles. Šiuo požiūriu meristemos ląstelės yra panašios į lytines ląsteles ir iš esmės taip pat yra nemirtingos. Jie atnaujina augalų audinius, todėl kai kurios augalų rūšys gali gyventi tūkstančius metų. Primityvūs gyvūnai (kempinės, jūros anemonai) turi panašus audinys ir jie gali gyventi neribotą laiką.
Aukštesniųjų gyvūnų somatinės ląstelės skirstomos į du tipus. Kai kurios iš jų apima ląsteles, kurios yra trumpalaikės, bet nuolat atnaujinamos tam tikro meristemos audinio. Tai apima, pavyzdžiui, epidermio ląsteles. Kitas tipas yra sudarytas iš ląstelių, kurios suaugusiame organizme nesidalija, todėl neatsinaujina. Pirmiausia tai nervina ir raumenų ląstelės. Jie kenčia nuo senėjimo ir mirties.
Tai visuotinai priimta Pagrindinė priežastis organizmo senėjimas – genetinės informacijos praradimas. DNR molekulės palaipsniui pažeidžiamos dėl mutacijų, dėl kurių miršta ląstelės ir visas organizmas. Pažeistos DNR molekulės dalys gali atsigauti dėl reparacinių fermentų. Nors jų galimybės yra ribotos, jos vaidina svarbų vaidmenį prailginant kūno gyvenimą.