Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

 

РАЗДЕЛ I

 

         Молекулярно-клеточный  уровень организации жизни

 

       Глава 1.       Клетка – основная форма организации живой материи……..

                     Предмет, задачи и методы цитологии……………

                      Основные положения клеточной теории………..

                  Биология клетки………….

                  Химический состав клетки

                  Неорганические вещества клетки……..

                  Органические соединения клетки…………                                   

                                    Протеины……………………………………………

                                    Углеводы……………………………………………..

                                    Липиды…………………………………………

                                Нуклеиновые кислоты…………………………………

                  Структурно-функциональная организация эукариотической клетки……

                               Молекулярное строение, свойства и функции клеточных мембран…………..

                                 Поверхностные рецепторы клеточных  мембран. Болезни. ……………..

                                 Механизмы транспорта веществ и трансмембранной передачи сигнала ……………….                          

                                 Цитоплазма как сложноструктурированная система…….

                                   Цитоскелет, структура и роль в клетке………..

                     Классификация. Структура и функции внутриклеточных органелл…………

                                 Ядро клетки…………………………..

                                 Хроматин, хромосомы, гаплоидия и диплоидия, кариотип…….

                                Митохондрии,  общая структура и функции………………………………

                                    Заболевания, обусловленные дефектами  митохондрий……….

                              Свободные рибосомы и полирибосомы                                                                 

                               Эндоплазматическая сеть:гранулярная эндоплазматическая сеть,

                               гладкая эндоплазматическая сеть……………..

                               Комплекс Гольджи   

                     Органеллы, удаляющие отходы и  чужеродные частицы                           

                                Лизосомы, структура и функции, болезни накопления…………..                                                         

                                Пероксисомы, структура и функции, пероксисомные болезни…..

                                Протеасомы, структура и функции………………………………

                               Включения клетки…………………………………………………

                  

 

 

БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

 

 

 

Клетка – основная форма организации живой материи

 

              Мир живой природы представлен огромным разнообразием  организмов, являющихся представителями царств Растений, Животных, Грибов, Бактерий и Архей  (устар. Архебактерий). На первый взгляд  кажется, что между кроликом, розой, подосиновиком и цианобактерией нет ничего общего, чтобы могло  бы их объединить и указать на общность происхождения. Однако это не так. Всех представителей перечисленных царств объединяет одна общая черта – клеточное строение. Клетка представляет собой наименьшую единицу, проявляющую признаки и свойства жизни. Существуют еще эволюционно неклеточные организмы – вирусы, но форма их организации подтверждает концепцию о том, что клетка  представляет собой основную форму жизни, поскольку они не способны к воспроизведению без помощи клетки, в которой паразитируют.

                Клетки существуют как самостоятельные клетки-организмы (Бактерии, Протисты) или входят в состав тканей многоклеточных организмов, представляя собой элементы, подчиненные целостному организму.

          По числу клеток различают одно-, мало- и многоклеточные живые существа. Человеческий организм является многоклеточным; новорожденный  состоит из 2 • 1012 клеток, а взрослый  – из ста триллионов (1014), включая симбионтов – бактерий желудочно-кишечного тракта  и кожных покровов.  Существуют эволюционно неклеточные организмы, вторично потерявшие клеточное строение (например, некоторые водоросли). Каждая отдельная клетка обладает всеми признаками самостоятельного организма. В клетках многоклеточных организмов, вследствие их специализации, отдельные из этих признаков могут претерпевать изменения или ограничения.

             Возникновение многоклеточности привело к специализации отдельных клеток, разделению функций между ними, формированию разных типов клеток. В организме человека насчитывается более двухсот клеточных типов. (Совсем недавно открыты стволовые клетки, дендритные клетки и третий тип клеток в сетчатке глаза, наряду с палочками и колбочками). В процессе морфофункциональной дифференцировки (лат. differentia – различие) клеток в тканях многоклеточных организмов возникли элементарные структуры, в значительной степени, отклоняющиеся от типичной клетки. Такие отклонения могут идти как в сторону усложнения, например, крупные многоядерные комплексы (симпласты, синцитии, плазмодии), так и в сторону упрощения организации строения, например, лишенные ядер зрелые эритроциты млекопитающих.

               В зависимости от наличия ядерного аппарата выделяют два типа клеток: прокариоты, то есть клетки, не имеющие морфологически обособленного ядра, и эукариоты – клетки, ядерное содержимое которых обособлено от цитоплазмы. К прокариотам относятся бактерии, цианобактерии (устар. – сине-зеленые водоросли) и актиномицеты, а к эукариотам – водоросли, грибы, клетки высших растений и животных. Различают половые клетки – гаметы и соматические – остальные клетки тела. Размеры клеток колеблются от 1 мкм до нескольких сантиметров в диаметре (например, яйцеклетки рыб и птиц).

         В многоклеточных организмах клетки представляют собой элементы, подчиненные целостному организму. Интеграцию клеток осуществляют гуморальная, нервная, иммунная и эндокринная системы. Согласно взглядам В.Я. Александрова и М.Д. Голубовского, клетка владеет разными видами целесообразного поведения, что у человека называется эрудиция и ум. Клеточная «эрудиция» – хранение большого набора генетических программ; клеточный «ум» – способность включать в определенных условиях соответствующую программу поведения (в ответ на стресс клетки генерируют изменение своих компонентов и приступают к поиску адаптивных генетических программ поведения). Клетки нашего организма общаются между собой на химическом языке, выделяя особые физиологические вещества - информоны. К их числу относятся медиаторы, выделяющиеся из нервных окончаний непосредственно на поверхность той клетки, которой адресован сигнал, модуляторы, диффундирующие в окружающее пространство и меняющие состояние близлежащих клеток, а также гормоны. Гормоны выделяются специализированными клетками эндокринных желез и разносятся током крови по всему организму, воздействуя на клетки-мишени, в которых есть рецепторы, способ-

ные распознать молекулы гормона.

      Организм человека построен приблизительно из десяти триллионов клеток, которые формируют четыре основных типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Каждая ткань представлена многочисленными клеточными типами. К настоящему времени изучена структура и функция около 200 фенотипов клеток, приспособленных для выполнения многочисленных функций. Клеточный фенотип зависит от того, какие гены в них экспрессируются, т.е. работают. Хотя все клетки имеют одинаковый генетический материал в пределах одной особи, тем не менее, клеточные типы отличаются друг от друга фенотипами. Нервная клетка отличается от мышечной, соединительной или эпителиальной клеток. 

          Клетка – один из основных структурно-функциональных  элементов живой материи, ее элементарная живая система, обладающая всеми  важнейшими характеристиками  живого. Мы изучаем клетки, чтобы понять, каково их молекулярное строение, с одной стороны, и чтобы выяснить, как они взаимодействуют между собой в процессе развития столь сложного организма, как человек – с другой.

 

 

Основные хронологические вехи в изучении клетки

 

1665 г. - английский  физик Роберт Гук усовершенствовал  микроскоп (добавил конденсор для лучшего освещения объекта) и предложил использовать этот прибор для изучения различных объектов. Рассматривая под микроскопом тонкий срез пробки дерева, Гук впервые увидел ячейки, похожие на пчелиные соты. Единице, входящей в состав увиденной им структуры, он присвоил название «клетка» (англ. - cell, лат. - cellula, греч. - kytos). Изучая свежий срез стебля бузины и других растений, он также обнаружил, что клетки заполнены «питательным соком». Таким образом, Р. Гук, внедряя увеличительный прибор в научную деятельность, попутно открыл клетку и установил клеточное строение стебля растений.

1671 г. - англичанин  Неемия Грю, исследуя под микроскопом  органы растений обнаружил, отдаленную аналогию в строении мануфактурной ткани и строении органов растений. На основании такого сравнения он вводит понятие «ткань» в науку, изучающую морфологию растений. Позднее понятие «ткань» стало основополагающим понятием гистологии (науки о тканях).

1674 г. - голландский  натуралист Антони Ван Левенгук  первым открыл простейших, бактерии, пластиды, сперматозоиды животных, дрожжевые грибки, эритроциты лягушки и мн. др. микроструктуры живых и неживых объектов.

 

1781 г. – итальянский естествоиспытатель Феликс Фонтана первый увидел и изобразил на рисунках клетки животных с ядрами.

1831 г. – шотландский ученый Роберт Броун описал в клетках листьев орхидеи структуру, которой дал название «ядро» (лат. - nucleus, греч. - canon) и ввел одноименное понятие в науку.

1838 г. – немецкий зоолог Теодор Шванн обосновал клеточную теорию строения растительных и животных организмов.

1840 г. – Николай Железнов впервые описал амитоз. Амитоз (греч. отрицательная приставка a-, mitos - нить) прямое деление ядра - деление клеточного ядра на две или несколько частей без образования хромосом и ахроматинового веретена.

1856 г. – немецкий патолог, анатом Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию утверждением: «Omhis cellula е cellula» - «Всякая клетка от клетки». Это утверждение (закон Вирхова) акцентирует внимание на то, что клетка не может возникнуть из неживого вещества, а рождается путем деления материнской клетки.

1874 г. – французский гистолог Жан Батист Карнуа вводит понятие «биология клетки», которое определяет начало цитологии (греч. cytos - клетка, logos - учение) как науки о форме, организации, функции и эволюции клеток.

1875 г. – Эдвард Адольф Страсбургер впервые подробно описал митоз и хромосомы.

1878 г. – Петр Иванович Перемежко открыл и описал митоз в животных клетках.

1879-1882 гг. - немецкий гистолог Вальтер  Флеминг описал очередность фаз  митоза в животных клетках. Ввел  термины хроматин, митоз, амитоз, кариокинез.

1882 г. – Вальтер Флеминг описал мейоз в клетках животных, а польский ботаник Адольф Страсбургер - в клетках растений. Позднее (1882) Страсбургер предложил термины профаза, метафаза, анафаза, гаплоидное и диплоидное число хромосом.

1890г. – Альтман обнаружил митохондрии с помощью специального окрашивания.

1898г. – итальянский гистолог Камилло Гольджи, окрашивая нервные клетки азотнокислым серебром, открыл в цитоплазме сетчатый аппарат, впоследствии названный его именем, - комплекс, или аппарат Гольджи.

 

 

 

            Эукариотическая клетка - это элементарная, живая, саморегулирующаяся упорядоченная система биополимеров, отграниченная активной мембраной, состоящая из двух неразрывно связанных компонентов (ядра и цитоплазмы) и подчиненная высшим регуляторным механизмам целостного организма (нервной, гуморальной, иммунной и эндокринной систем).                    

 

         

 Наука о строении, функциях, развитии и происхождении клеток животных и растений, а также одноклеточных организмов и бактерий называется цитологией (греч. kytos – клетка + logos учение). В настоящее время в цитологии сформировалось шесть основных направлений:

 

1) цитоморфологии, изучающей особенности структурной организации клетки, основными методами исследования которой служат различные способы микроскопии как фиксированной (светооптическая, электронная, поляризационная микроскопия), так и живой клетки (фазово-контрастная и люминесцентная микроскопия);

   2) цитофизиологии, изучающей жизнедеятельность клетки как единой живой системы, а также функционирование и взаимодействие ее внутриклеточных структур; для решения этих задач применяют различные экспериментальные приемы в сочетании с методами культуры клеток и тканей, микрокиносъемки и микрургии;

 3) цитохимии, исследующей молекулярную организацию клетки и ее отдельных компонентов, а также химические изменения, связанные с процессами обмена веществ и функциями клетки; цитохимические исследования проводят светомикроскопическим и электронно-микроскопическим методами, методами цитофотометрии, авторадиографии и фракционного центрифугирования  с последующим химическим анализом различных фракций клетки;

 4) цитогенетики, изучающей закономерности структурной и функциональной организации хромосом эукариотных организмов;

 5) цитоэкологии, исследующей реакции клеток на воздействие факторов окружающей среды и механизмы адаптации к ним;