Строение эукариотической клетки. Эукариотические клетки Первые эукариотические клетки

Плазматическая мембрана (плазмалемма)

В основе всех мембран клетки лежит двойной слой молекул липидов . Их гидрофобные «хвосты», состоящие из остатков молекул жирных кислот, обращены внутрь двойного слоя. Снаружи располагаются гидрофильные «головки», состоящие из остатка молекулы спирта глицерина. В состав мембран чаще всего входят фосфолипиды и гликолипиды (их молекулы наиболее полярны), а также жиры и жироподобные вещества (например, холестерин). Липиды являются основой мембраны, обеспечивают ее устойчивость и прочность, т.е. выполняют структурную (строительную) функцию. Эта функция возможна благодаря гидрофобности липидов.

К заряженным головкам липидов, с помощью электростатических взаимодействий прикрепляются белки . Мембранные белки выполняют структурные, каталитические и транспортные функции.В зависимости от расположения различают погруженные, периферические и пронизывающие белки. Погруженные белки слегка погружены в двойной слой липидов и являются ферментами, которые катализируют различные биохимические реакции. Периферические белки расположены на поверхности двойного слоя липидов. Они стабилизируют расположение погруженных белков-ферментов. Пронизывающие белки пронизывают мембрану насквозь и выполняют транспортные функции.

На наружной поверхности мембраны расположены молекулы углеводов (олигосахариды), которые выполняют рецепторные функции. Олигосахариды воспринимают факторы внешней среды клетки и обеспечивают ее реакцию, изменяют проницаемость мембраны, обеспечивают «распознавание» клеток одного типа и соединение их в ткани. Совокупность олигосахаридов на поверхности животной клетки называется гликокаликсом.

Функции плазматической мембраны

1. Барьерная функция. Мембрана ограничивает проникновение в клетку чужеродных, токсичных веществ.
2. Регуляторная. Олигосахариды, располагающиеся на поверхности плазматической мембраны выполняют роль рецепторов, воспринимающих действие различных веществ и изменяющих проницаемость мембраны.
3. Каталитическая. На поверхности мембран располагаются многочисленные ферменты, катализирующие биохимические реакции.
4. Мембранный транспорт. Различают несколько видов мембранного транспорта.

А). Транспорт крупных молекул органических веществ, бактерий и вирусов путем эндоцитоза (проникновение в клетку) или экзоцитоза (выведение из клетки). Эндоцитоз - это поглощение веществ путем окружения их выростами плазматической мембраны. При этом различают фагоцитоз (поглощение твердых веществ) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Фагоцитоз характерен для одноклеточных организмов и для фагоцитов многоклеточных, которые таким путем обеспечивают уничтожение инородных частиц. Пиноцитоз характерен для одноклеточных организмов и для эпителиальных клеток кишечника. Экзоцитоз - выделение веществ из клетки - осуществляется в обратном порядке.

Б). Небольшие молекулы органических и неорганических веществ, ионы могут поступать в клетку путем пассивного транспорта (диффузии), если вещество перемещается из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Пассивный транспорт осуществляется всегда без затрат энергии.

Различают 2 вида пассивного транспорта: обычную диффузию и облегченную диффузию.

Путем обычной диффузии перемещаются:

1. жирорастворимые вещества - напрямую через мембрану
2. гидрофильные мелкие молекулы (воды, углекислого газа) и ионы - через белковые поры, которые образованы пронизывающими белками

Облегченная диффузия осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Таким образом переносятся крупные гидрофильные молекулы, например, глюкоза. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком. Образуется комплекс, хорошо растворимый в мембране, что облегчает проникновение глюкозы в клетку. Скорость облегченной диффузии выше, чем у обычной диффузии.

В). Транспорт веществ через мембрану может осуществляться и путем активного транспорта. Активный транспорт осуществляется только с затратами энергии, так как происходит перемещение веществ из области низкой концентрации в область высокой концентрации. Наиболее изучен процесс переноса ионов натрия и калия с помощью калий-натриевого насоса.

Цитоплазма

Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органоидов и включений.

Гиалоплазма - жидкая (желеобразная) часть клетки, представляет собой раствор органических и неорганических веществ. Ее функции:

1. По гиалоплазме перемещаются различные вещества (и-РНК, т-РНК, аминокислоты, АТФ и др).
2. В гиалоплазме протекают разнообразные биохимические реакции.
3. Гиалоплазма обеспечивает химическое взаимодействие всех клеточных структур и объединяет их в одно целое.
4. В гиалоплазме откладываются разнообразные по химическому составу включения.

Включения - это непостоянные клеточные структуры, представляют собой отложения веществ , временно не участвующих в обмене веществ клетки. По химическому составу и по функциям включения могут быть различными.

Примеры включений:

1. минеральные (например, кристаллы солей)
2. трофические (гранулы белков, полисахаридов, капли липидов)
3. витаминные
4. пигментные (например, гранулы пигмента в клетках сетчатки глаза) и др.

Органоиды - это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции. В зависимости от строения цитоплазматические органоиды разделяют на мембранные органоиды и немембранные органоиды.

Особенности строения и функций мембранных органоидов

Мембранные органоиды - полые структуры, стенки которых образованы одинарной или двойной мембраной.

1. Органоиды, образованные одинарной мембраной: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли. Эти органоиды имеют сходный химический состав мембран и образуют внутриклеточную систему синтеза и транспорта веществ.
2. Двумембранные органоиды. Их стенки образованы двойной мембраной. Это – митохондрии (во всех!!! эукариотических клетках) и пластиды (только в клетках растений!!!).

Одномембранные органоиды

1.Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

ЭПС - это одномембранный органоид, состоящий из полостей и канальцев, соединенных между собой. Эндоплазматическая сеть структурно связана с ядром: от наружной мембраны ядра отходит мембрана, образующая стенки эндоплазматической сети. ЭПС бывает 2 видов: шероховатая (гранулярная) и гладкая (агранулярная). В любой клетке присутствуют оба вида ЭПС.

На мембранах шероховатой ЭПС располагаются многочисленные мелкие гранулы - рибосомы, специальные органоиды, с помощью которых синтезируются белки. Поэтому нетрудно догадаться, что на поверхности шероховатой ЭПС синтезируется белки, которые проникают внутрь шероховатой ЭПС и по ее полостям могут переместиться в любое место клетки.

Мембраны гладкой ЭПС лишены рибосом, но зато в ее мембранах встроены ферменты, осуществляющие синтез углеводов и липидов. После синтеза углеводы и липиды тоже могут перемещаться по мембранам ЭПС в любое место клетки Степень развития вида ЭПС зависит от специализации клетки. Например, в клетках, синтезирующих белковые гормоны, будет лучше развита гранулярная ЭПС, а в клетках, синтезирующих жироподобные вещества - агранулярная ЭПС.

Функции ЭПС:

1. Синтез веществ. На шероховатой ЭПС синтезируются белки, а на гладкой - липиды и углеводы.
2. Транспортная функция. По полостям ЭПС синтезированные вещества перемещаются в любое место клетки.

2. Комплекс Гольджи

Комплекс Гольджи (диктиосома) представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, которые называются цистернами. Цистерны полностью изолированы друг от друга и не соединяются между собой. По краям от цистерн ответвляются многочисленные трубочки и пузырьки. От ЭПС время от времени отшнуровываются вакуоли (пузырьки) с синтезированными веществами, которые перемещаются к комплексу Гольджи и соединяются с ним. Вещества, синтезированные в ЭПС, усложняются и накапливаются в комплексе Гольджи.

Функции комплекса Гольджи

1. В цистернах комплекса Гольджи происходит дальнейшее химическое преобразование и усложнение веществ, поступивших в него из ЭПС. Например, формируются вещества, необходимые для обновления мембраны клетки (гликопротеиды, гликолипиды), полисахариды.
2. В комплексе Гольджи происходит накопление веществ и их временное «хранение»
3. Образованные вещества «упаковываются» в пузырьки (в вакуоли) и в таком виде перемещаются по клетке.
4. В комплексе Гольджи образуются лизосомы (сферические органоиды с расщепляющими ферментами).

3. Лизосомы («лизис» - распад, растворение)

Лизосомы - мелкие сферические органоиды, стенки которых образованы одинарной мембраной; содержат литические (расщепляющие) ферменты. Сначала лизосомы, отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи, содержат неактивные ферменты. При определенных условиях их ферменты активизируются. При слиянии лизосомы с фагоцитозной или пиноцитозной вакуолью образуется пищеварительная вакуоль, в которой происходит внутриклеточное переваривание различных веществ.

Функции лизосом:

1. Осуществляют расщепление веществ, поглощенных в результате фагоцитоза и пиноцитоза. Биополимеры расщепляются до мономеров, которые поступают в клетку и используются на ее нужды. Например, они могут быть использованы для синтеза новых органических веществ или могут подвергаться дальнейшему расщеплению для получения энергии.
2. Разрушают старые, поврежденные, избыточные органоиды. Ращепление органоидов может происходить и во время голодания клетки.
3. Осуществляют аутолиз (расщепление) клетки (рассасывание хвоста у головастиков, разжижение тканей в зоне воспаления, разрушение клеток хряща в процессе формирования костной ткани и др.).

4. Вакуоли

Вакуоли - сферические одномембранные органоиды, представляющие собой резервуары воды и растворенных в ней веществ. К вакуолям относятся: фагоцитозные и пиноцитозные вакуоли, пищеварительные вакуоли, пузырьки, отшнуровывающиеся от ЭПС и комплекса Гольджи. Вакуоли животной клетки - мелкие, многочисленные, но их объем не превышает 5% от всего объема клетки. Их основная функция - транспорт веществ по клетке, олсуществление взаимосвязи между органоидами.

В клетке растений на долю вакуолей приходится до 90% объема. В зрелой растительной клетки вакуоль одна, занимает центральное положение. Мембрана вакуоли растительной клетки - тонопласт, ее содержимое - клеточный сок. Функции вакуолей в растительной клетке: поддержание клеточной оболочки в напряжении, накопление различных веществ, в том числе отходов жизнедеятельности клетки. Вакуоли поставляют воду для процессов фотосинтеза.

В состав клеточного сока могут входить:

-запасные вещества, которые могут использоваться самой клеткой (органические кислоты, аминокислоты, сахара, белки).

-вещества, которые выводятся из обмена веществ клетки и накапливаются в вакуоли (фенолы, дубильные вещества, алкалоиды и др.)

-фитогормоны, фитонциды,

-пигменты (красящие вещества), которые придают клеточному соку пурпурный, красный, синий, фиолетовый цвет, а иногда желтый или кремовый. Именно пигменты клеточного сока окрашивают лепестки цветков, плоды, корнеплоды

Канальцево-вакуолярная система клетки (система транспорта и синтеза веществ)

ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли составляют единую канальцево-вакуолярную систему клетки. Все ее элементы имеют сходный химический состав мембран, поэтому возможно их взаимодействие. Все элементы КВС берут начало от ЭПС. От ЭПС отшнуровываются вакуоли, поступающие к комплексу Гольджи, от комплекса Гольджи отшнуровываются пузырьки, сливающиеся с мембраной клетки, лизосомы.

Значение КВС:

1. Мембраны КВС делят содержимое клетки на отдельные отсеки (компа ртменты), в которых протекают определенные процессы. Это делает возможным одновременное протекание в клетке различных процессов, иногда прямопротивоположных.
2. В результате деятельности КВС происходит постоянное обновление мембраны клетки.

Двумембранные органоиды

Двумембранный органоид - это полая структура, стенки которой образованы двойной мембраной. Известно 2 вида двумембранных органоидов: митохондрии и пластиды. Митохондрии характерны для всех клеток эукариот, пластиды встречаются только в клетках растений. Митохондрии и пластиды являются компонентами энергетической системы клетки, так в результате их функционирования синтезируется АТФ.

1. Строение и функции митохондрий

Митохондрия – двумембранный полуавтономный органоид, осуществляющий синтез АТФ.

Форма митохондрий разнообразна, они могут быть палочковидными, нитевидными или шаровидными. Стенки митохондрий образованы двумя мембранами: внешней и внутренней. Внешняя мембрана - гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки - кристы. Во внутренней мембране встроены многочисленные ферментные комплексы, которые осуществляют синтез АТФ.

Складчатость внутренней мембраны имеет большое значение. На складчатой поверхности может расположиться больше ферментных комплексов, чем на гладкой поверхности. Количество складок в митохондрии может изменяться в зависимости от потребности клеток в энергии.Если клетка нуждается в энергии, то число крист увеличивается. Соответственно увеличивается и число ферментных комплексов, расположенных на кристах. В результате будет образовано большее количество АТФ. Кроме того, в клетке может возрастать общее количество митохондрий. Если клетка не нуждается в большом количестве энергии, то количество митохондрий в клетке снижается и уменьшается количество крист внутри митохондрий.

Внутреннее пространство митохондрий заполнено бесструктурным однородным веществом (матриксом). В матриксе располагаются кольцевые молекулы ДНК, РНК и мелкие рибосомы (как у прокариот). В ДНК митохондрий записана информация о строении митохондриальных белков. РНК и рибосомы осуществляют их синтез. Рибосомы митохондрий мелкие, по строению они очень похожи на рибосомы бактерий. . Некоторые ученые считают, что митохондрии образовались из бактерий, проникших в эукариотическую клетку Возможно, это происходило на начальных этапах возникновения жизни.

Митохондрии называют полуавтономными органоидами. Это означает, что они зависят от клетки, но в то же время сохраняют некоторую самостоятельность. Так, например, митохондрии сами синтезируют собственные белки, в том числе и ферменты своих ферментных комплексов. Кроме того, митохондрии могут размножаться путем деления независимо от деления клетки.

2. Пластиды

Хлоропласты имеют оболочку из 2 мембран. Наружная оболочка гладкая, а внутренняя образует многочисленные пузырьки (тилакоиды). Стопка тилакоидов - грана. Граны располагаются в шахматном порядке для лучшего проникновения солнечного света. В мембранах тилакоидов встроены молекулы зеленого пигмента хлорофилла, поэтому хлоропласты имеют зеленый цвет. С помощью хлорофилла осуществляется фотосинтез. Таким образом, главная функция хлоропластов - осуществление процесса фотосинтеза.

Пространство между гранами заполнено матриксом. В матриксе находятся ДНК, РНК, рибосомы (мелкие, как у прокариот), капли липидов, зерна крахмала.

Хлоропласты, так же как и митохондрии, являются полуавтономными органоидами растительной клетки, так как могут самостоятельно синтезировать собственные белки и способны делиться независимо от деления клетки.

Хромопласты - пластиды, имеющие красную, оранжевую или желтую окраску. Окраску хромопластам придают пигменты каротиноиды, которые расположены в матриксе. Тилакоиды развиты слабо или вообще отсутствуют. Точная функция хромопластов неизвестна. Возможно, они привлекают к созревшим плодам животных.

Лейкопласты - бесцветные пластиды, расположены в клетках бесцветных тканей. Тилакоиды неразвиты. В лейкопластах накапливается крахмал, липиды и белки.

Пластиды могут взаимно превращаться друг в друга: лейкопласты - хлоропласты - хромопласты.

Особенности строения и функций немембранных органоидов

1. Рибосома - немембранный органоид клетки, осуществляющий биосинтез белка. Состоит из двух субъединиц - малой и большой. Рибосома состоит из 3-4 молекул р-РНК, образующих ее каркас, и нескольких десятков молекул различных белков. Рибосомы синтезируются в ядрышке. В клетке рибосомы могут располагаться на поверхности гранулярной ЭПС или в гиалоплазме клетки в виде полисом. Полисома - это комплекс и-РНК и нескольких рибосом, считывающих с нее информацию. Функция рибосом - биосинтез белка. Если рибосомы располагаются на ЭПС, то синтезируемые ими белки используются на нужды всего организма, рибосомы гиалоплазмы синтезируют белки на нужды самой клетки. Рибосомы прокариотических клеток мельче, чем рибосомы эукариот. Такие же мелкие рибосомы находятся в митохондриях и пластидах.
2. Микронити - нити сократимого белка актина или миозина, расположенные в поверхностном слое гиалоплазмы, непосредственно под плазматической мембраной. Способны к сокращению, в результате происходит перемещение гиалоплазмы, впячивание или выпячивание клеточной мембраны, образование перетяжки во время деления клетки.
3. Микротрубочки - полые цилиндрические структуры клетки, состоящие из несократимого белка тубулина. Микротрубочки не способны к сокращению. Стенки микротрубочки образованы 13 нитями белка тубулина. Микротрубочки располагаются в толще гиалоплазмы клеток. Функции микротрубочек:
4. создают эластичный и довольно прочный клеточный каркас, который поддерживает форму клетки.
5. образуют веретено деления клетки и таким образом участвуют в распределении хромосом при митозе и мейозе
6. обеспечивают передвижение органоидов
7. входят в состав ресничек, жгутиков, клеточного центра.
8. Центриоли - цилиндрическая структура, стенки которой образованы 9 триплетами микротрубочек. Центриоли расположены парами перпендикулярно друг другу. В области центриолей образуются микротрубочек веретена деления. Совокупность центриолей и микротрубочек веретена деления называют клеточным центром.
9. Реснички и жгутики - органоиды движения. Главная функция - передвижение клеток или перемещение вдоль клеток окружающей их жидкости или частиц. В многоклеточном организме реснички характерны для эпителия дыхательных путей, маточных труб, а жгутики - для сперматозоидов. Реснички и жгутики отличаются только размерами - жгутики более длинные. В их основе - микротрубочки, расположенные по системе 9(2) + 2. Это значит, что 9 двойных микротрубочек (дуплетов) образуют стенку цилиндра, в центре которого располагаются 2 одиночные микротрубочки. Опорой ресничек и жгутиков являются базальные тельца. Базальное тельце имееет цилиндрическую форму, образовано 9 тройками (триплетами) микротрубочек, в центре базального тельца микротрубочек нет.

Микронити, микротрубочки, центриоли, а в некоторых клетках - реснички и жгутики с базальными тельцами образуют опорно-двигательную систему клетки или цитоскелет. Цитоскелет пронизывает всю гиалоплазму, определяет форму клетки и ее изменение во время деления или перемещения некоторых клеток, обеспечивает перемещение органоидов в клетке.

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КЛЕТКИ

В состав информационной системы клетки входят: ядро, рибосомы и разнообразные органические молекулы (и-РНК, белки-ферменты, АТФ и др.) Информационная система клетки обеспечивает хранение, воспроизводство и реализацию генетической информации, заключенной в ДНК.

Генетическая информация - это информация о свойствах организма, которая передается по наследству. Поскольку все свойства организмов зависят от разнообразных белков, то генетическая информация содержит сведения о строении белков. Генетическая информация записана в ДНК различными последовательностями ее нуклеотидов.

Место хранения генетической информации - ядро. Там же происходит ее воспроизводство путем удвоения ДНК.

Реализация генетической информации осуществляется в цитоплазме в процессе биосинтеза белка с помощью рибосом. Перенос информации из ядра в цитоплазму осуществляется молекулами и-РНК.

Информационная система функционирует только в периодах между делениями клетки. Во время деления ядро распадается, ДНК суперспирализуется, считывание генетической информации становится невозможным и биосинтез белка прекращается.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА

Ядро - важнейшая составная часть эукариотической клетки. Ядро не является органоидом клетки, так как во время деления клетки распадается.

Функции ядра:

1. хранение генетической информации и ее воспроизводство
2. управление жизнедеятельностью клетки путем реализации генетической информации, заключенной в ДНК.

В строении ядра различают 4 основных компонента:

-ядерная оболочка (кариолемма)

-ядерный сок (кариоплазма, кариолимфа, нуклеплазма)

Ядрышко

Хроматин.

Оформленное ядро присутствует в клетке только в периоде между ее делениями (в интерфазе). Во время деления клетки оболочка ядра распадается, исчезает ядрышко, а хроматин спирализуется и преобразуется в хромосомы.

Ядерная оболочка состоит из 2 близко расположенных мембран - наружной и внутренней. Между ними находится пространство. Наружная мембрана переходит в мембрану эндоплазматической сети, к ней могут быть прикреплены рибосомы. Через определенное расстояние обе мембраны сливаются друг с другом, образуя отверстия - ядерные поры. Число пор может изменяться в зависимости от активности ядра.

Функции ядерной оболочки:

1. Защитная. Защищает генетический материал от различных отрицательных воздействий.
2. Обеспечивает локализацию (размещение) генетического материала в определенном месте клетки.
3. Через поры ядра происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. В ядро поступают белки-гистоны и рибосомные белки, синтезирующиеся в цитоплазме. Из ядра в цитоплазму перемещаются и-РНК, т-РНК, субъединицы рибосом.
4. Ядерная оболочка обеспечивает определенную реакцию среды внутри ядра, что необходимо для его нормального функционирования
5. Структурная. Ядерная оболочка придает ядру определенную форму

В кариоплазме ядра располагается хроматин. Хроматин является нуклеопротеидом, так как состоит из ДНК (75%) и белков (25%). Участки ДНК обвивают группы из 8 молекул белков, в результате ДНК конденсируется (укорачивается) и становится более компактной. Степень конденсации хроматина в разных участках ядра различна. В связи с этим различают гетерохроматин и эухроматин.

Эухроматин выглядит как сеть из тонких нитей. Эухроматин генетически активен, генетическая информация ДНК копируется на молекулы РНК (процесс транскрипции), переносится в цитоплазму, где на ее основе синтезируются различные белки.

Гетерохроматин находится в более конденсированном состоянии, поэтому генетически неактивен (в его состав входит неинформативная ДНК), генетическая информация не реализуется.

Перед делением клетки хроматин спирализуется и конденсируется (уплотняется), образуются плотные Х-образные тельца - митотические хромосомы. Линейные размеры ДНК уменьшаются в 10 000 раз. К этому времени ядерная оболочка разрушается и митотические хромосомы свободно лежат в цитоплазме клетки.

Митотические хромосомы в начале деления состоят из двух хроматид. Каждая хроматида представляет собой суперспирализованную молекулу ДНК. Молекулы ДНК двух хроматид являются абсолютно одинаковыми молекулами, несут одинаковую генетическую информацию, так как образовались в результате удвоения одной материнской мо лекулы ДНК. Хроматиды соединены в области перетяжки - центромеры. Центромера делит каждую хроматиду на 2 плеча. У некоторых хромосом образуется дополнительная перетяжка - ядрышковый организатор. На его основе образуется ядрышко.

Во время деления клетки хромосомы тоже делятся. Каждая хромосома разделяется на 2 хроматиды, которые с этого момента являются самостоятельными хромосомами палочковидной формы.Таким образом, в начале деления клетки хромосомы представляют собой х-образные тельца (образованы двумя суперспирализованными молекулами ДНК), в конце деления - палочковидные тельца (образованы одной суперспирализованнной молекулой ДНК).

Во время интерфазы происходит удвоение молекулы ДНК, поэтому в начале деления, после конденсации хроматина, вновь образуется Х-образная хромосома из 2 хроматид.

Ядрышко - округлое, плотное тельце внутри ядра, мембраной не огранечено. Представляет собой скопление органических молекул и формирующихся субъединиц рибосом.

Ядрышко образуется в зоне ядрышкового организатора. Ядрышковый организатор - это определенный участок какой-либо хромосомы, в котором располагаются гены р-РНК. На их основе синтезируется р-РНК. Р-РНК соединяется с рибосомными белками, которые поступают в ядро из цитоплазмы через ядерные поры. Образуются рибонуклеопротеиды, из них формируются субъединицы рибосом. Таким образом, ядрышко - это место образования субъединиц рибосом.

Во время деления клетки хроматин конденсируется, прекращается синтез молекул р-РНК и ядрышко распадается.

Кариоплазма или ядерный сок - матрикс ядра, в котором располагаются ядрышко и хроматин. Представляет собой гелеобразное вещество, в его состав входят ферменты, рибосомные белки, белки-гистоны, нуклеотиды, продукты деятельности ядрышка и хроматина.

Функции кариоплазмы:

1. Связывает в единое целое все части ядра.

2. Через кариоплазму происходит транспорт различных веществ.

ХРОМОСОМНЫЕ НАБОРЫ

Хромосомный набор - совокупность хромосом клетки. Хромосомные наборы разных видов организмов могут отличаться числом хромосом, их размерами и формой. Совокупность количественных (число хромосом и размеры) и качественных (форма хромосом) признаков хромосомного набора называется кариотипом. Кариотип является постоянным для каждого вида и его особенности передаются по наследству.

Изучение хромосомных наборов позволило установить следующие факты:

1. У организмов одного вида все клетки имеют одинаковые хромосомные наборы.
2. В соматических клетках все хромосомы парные, поэтому хромосомные наборы называются диплоидными (2n). Хромосомы одной пары называются гомологичными. Они одинаковы по форме, размерам, набору генов. Одна из гомологичных хромосом является материнской, а другая - отцовской.
3. В половых клетках содержится только какая-то одна хромосома из пары. Хромосомные наборы половых клеток называются гаплоидными (n).
4. В хромосомном наборе различают аутосомы и половые хромосомы. Аутосомы одинаковы у особей мужского и женского пола. Половые хромосомы содержат гены, определяющие признаки пола и различаются у самцов и самок. Половые хромосомы бывают двух видов: Х-хромосомы и У-хромосомы. У человека у особей женского пола в хромосомном наборе две Х-хромосомы, а у особей мужского пола - ХУ.
5. Число хромосом в хромосомном наборе может быть одинаковым у разных видов (но кариотипы обязательно будут различаться!) Например, 48 хромосом имеют шимпанзе, таракан, перец. Поэтому можно сделать вывод, что число хромосом не говорит о видовой принадлежности и не указывает на эволюционное родство видов.
6. Число хромосом не зависит от уровня организации вида. Например, в хромосомном наборе сазана 104 хромосомы, а у человека - 46 хромосом.

РАЗЛИЧИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ И ЖИВОТНОЙ КЛЕТОК

В строении и функционировании животной и растительных клеток имеются как общие черты, так и различия. Различия заключаются в следующем:

1. У растительной клетки над клеточной мембраной располагается толстая и прочная клеточная оболочка из полисахаридов (целлюлоза, пектин, гемицеллюлоза). Молекулы целлюлозы в клеточной стенке располагаются параллельно друг другу и соединены между собой большим количеством водородных связей. Целлюлоза придает клеточной стенке прочность. Пространство между молекулами целлюлозы заполнено другими углеводами, имеющими рыхлую структуру. Благодаря им клеточная оболочка во время роста клеток может растягиваться. Клеточная оболочка имеет поры. Через них из клетки в клетку проходят тяжи цитоплазмы - плазмодесмы. Через плазмодесмы происходит обмен веществами между соседними клетками. У животных клеток клеточная оболочка и плазмодесмы отсутствуют. Клеточная мембрана покрыта очень тонким слоем углеводов, входящим в состав гликокаликса.
2. В клетках растений есть особые двумембранные органоиды - пластиды. Различают 3 вида пластид: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.
3. В клетках высших растений отсутствуют центриоли, а клеточный центр представлен только микротрубочками. В клетках низших растений, как и в клетках животных, центриоли имеются.
4. Вакуоли в растительных клетках занимают до 90% их объема. В молодых клетках вакуоли мелкие и многочисленные. Затем они сливаются и образуется одна большая вакуоль. Вакуоль растительной клетки заполнена клеточным соком. Клеточный сок - это водный раствор сахаров, аминокислот, витаминов, пигментов, неорганических солей. Вакуоль выполняет несколько функций: придает упругость клетке, запасает органические вещества, в ней откладываются отбросы обмена веществ. В клетках животных вакуоли занимают небольщой объем (до 5 %). Это в основном сократительные, пищеварительные, фагоцитарные вакуоли.
5. В растительных клетках углеводы запасаются в виде крахмала, а в животных клетках - в виде гликогена.
6. По способу питания растения являются фотоавтотрофами, а животные - гетеротрофами.

СТРОЕНИЕ ПРОКАРИОТ

Прокариоты - организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра. Надцарство прокариот состоит из одного царства - царства Дробянок, к которому относятся бактерии и сине-зеленые водоросли Рассмотрим строение прокариот на примере бактерий.

1. Бактерии имеют самые мелкие клетки - от 0,5 до 10 мкм. Для сравнения: средний размер животной клетки - 40 мкм.
2. Бактериальная клетка покрыта снаружи плазматической мембраной типичного строения. Над мембраной у всех бактерий находится прочная клеточная стенка, выполняющая защитные функции.
3. Клеточная стенка многих бактерий окружена слизистой капсулой из полисахаридов. Слизь хорошо удерживает воду, поэтому слизистая капсула защищает бактериальную клетку от высыхания. Толщина слизистой капсулы зависит от условий, в которых находится бактерия. Например, у почвенных бактерий слизистая капсула развита очень хорошо, а у водных бактерий отсутствует.
4. У некоторых бактерий имеются органоиды движения - один или несколько жгутиков, которые закреплены с помощью базального тельца, расположенного под мембраной.
5. Матрикс бактериальной клетки - гиалоплазма.
6. У бактерий нет ограниченного мембраной ядра. Его заменяет кольцевая молекула ДНК (бактериальная «хромосома»), расположенная в центре бактериальной клетки. Место расположения ДНК называется нуклеоидом. ДНК прокариот не соединена с белками. Ядрышка нет. Настоящих хромосом нет.
7. В бактериальной клетке отсутствуют эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, пластиды и др. мембранные органоиды. Их функции выполняют мезосомы - внутренние впячивания мембраны клетки. У фотосинтезирующих бактерии образуются специальные мезосомы, в мембранах которых располагаются молекулы бактериального хлорофилла. Такие мезосомы осуществляют фотосинтез.
8. Рибосомы бактерий более мелкие и по размерам совпадают с рибосомами митохондрий и пластид эукариот. Функции рибосом, как и у эукариот - синтез белка. Из-за высокой скорости размножения и роста бактерии нуждаются в большом количестве белка, поэтому рибосомы могут иногда составлять до 40% массы клетки.
9. Органические вещества запасаются в виде крахмала или гликогена, иногда в виде жира.

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Клеточная теория - одно из наиболее важных биологических обобощений, согласно которому все организмы имеют клеточное строение.

Клеточная теория возникла в результате анализа огромного количества фактического материала, который был получен в течение 200 лет. Изучение клетки стало возможным после открытия микроскопа.

1665 г. - Роберт Гук при помощи примитивного светового микроскопа увидел на срезе пробки крошечные «ячейки», которые он назвал клетками.

1671 г. - Мальпиги, Грю, Фонтана подтвердили исследования Гука на других биологических объектах. Ученые указывают на наличие клеточных стенок.

1677 г. - Левенгук усовершенствовал микроскоп. Отшлифованные вручную линзы давали увеличение в 275 раз. С помощью своего микроскопа Левенгук открыл одноклеточных животных.

В 19 веке были созданы микроскопы с увеличением в 1200 раз, с хорошим, четким изображением без искажения. Были открыты протоплазма и ядро. Знания накапливались, совершенствовалась техника микроскопирования. Опираясь на имеющиеся данные и собственные исследования немецкий ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн в 1839 году почти одновременно, независимо друг от друга, пришли к выводу, что клетка является элементарной единицей строения всех растительных и животных организмов. М.Шлейден и Т.Шванн сформулировали основные положения клеточной теории, которая впоследствии развивалась многими учеными. Ошибки Шлейдена и Шванна заключались в следующем:

Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу.

4.Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.

5.Активность организма слагается из активности и взаимодействия составляющих его самостоятельных клеток.

6.Клеточное строение всех организмов говорит о единстве их происхождения.

Плазмалемма (клеточная оболочка) животных клеток образована мембраной, покрытой снаружи слоем гликокаликса толщиной 10-20 нм.Плазмалемма выполняет отграничивающую, барьерную, транспортную и рецепторную функции. Благодаря свойству избирательной проницаемости плазмалемма регулирует химический состав внутренней среды клетки. В плазмалемме размещены молекулы рецепторов, которые избирательно распознают определенные биологически активные вещества (гормоны). В пластах и слоях соседние клетки удерживаются благодаря наличию разного вида контактов, которые представлены участками плазмалеммы, имеющими особое строение. Изнутри к мембране примыкает кортикальный (корковый) слой цитоплазмы толщиной 0,1-0,5 мкм.

Цитоплазма. В цитоплазме находится целый ряд оформленных структур, имеющих закономерные особенности строения и поведения в разные периоды жизнедеятельности клетки. Каждая из этих структур несёт определенную функцию. Отсюда возникло сопоставление их с органами целого организма, в связи с чем они получили названиеорганеллы , илиорганоиды . В цитоплазме откладываются различные вещества - включения (гликоген, капли жира, пигменты). Цитоплазма пронизана мембранами эндоплазматической сети .

Эндоплазматическая сеть (ЭДС) . Эндоплазматическая сеть - это разветвлённая сеть каналов и полостей в цитоплазме клетки, образованная мембранами. На мембранах каналов находятся многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Различают 2 вида мембран ЭДС - гладкие и шероховатые. На мембранах гладкой эндоплазматической сети находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Основная функцияшероховатой эндоплазматической сети - синтез белков, который осуществляется в рибосомах, прикрепленных к мембранам.Эндоплазматическая сеть - это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой транспортируются вещества внутри клетки и из клетки в клетку.

Рибосомы осуществляют функцию синтеза белков. Рибосомы представляют собой сферические частицы диаметром 15-35нм, состоящие из 2 субъединиц неравных размеров и содержащие примерно равное количество белков иРНК. Рибосомы в цитоплазме располагаются или прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут объединяться в комплексы -полирибосомы . Рибосомы присутствуют во всех типах клеток.

Комплекс Гольджи. Основным структурным элементомкомплекса Гольджи является гладкая мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, или крупные вакуоли, или мелкие пузырьки. Цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу, конденсируются внутри его структур и "упаковываются" в виде секрета, готового к выделению, либо используются в самой клетке в процессе её жизнедеятельности.

Митохондрии. Всеобщее распространение митохондрий в животном и растительном мире указывают на важную роль, которуюмитохондрии играют в клетке.Митохондрии имеют форму сферических, овальных и цилиндрических телец, могут быть нитевидной формы. Размеры митохондрий 0,2-1мкм в диаметре, до 5-7мкм в длину. Длина нитевидных форм достигает 15-20мкм. Количество митохондрий в клетках различных тканей неодинаково, их больше там, где интенсивны синтетические процессы (печень) или велики затраты энергии. Стенка митохондрий состоит из 2-х мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, а от внутренней внутрь органоида отходят перегородки - гребни, или кристы. На мембранах крист находятся многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене.Основная функция митохондрий - синтезАТФ.

Лизосомы - небольшие овальные тельца диаметром около 0,4мкм, окруженные одной трехслойной мембраной. В лизосомах находится около 30 ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др. вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называетсялизисом , поэтому и органоид названлизосомой . Полагают, что лизосомы образуются из структур комплекса Гольджи либо непосредственно из эндоплазматической сети.Функции лизосом : внутриклеточное переваривание пищевых веществ, разрушение структуры самой клетки при её отмирании в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена зародышевых тканей на постоянные, и в ряде других случаев.

Центриоли. Клеточный центр состоит из 2-х очень маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Эти тельца называютсяцентриолями . Стенка центриоли состоит из 9-ти пар микротрубочек. Центриоли способны к самосборке и относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Центриоли играют важную роль в клеточном делении: от них начинается рост микротрубочек, образующих веретено деления.

Ядро. Ядро - важнейшая составная часть клетки. Оно содержит молекулыДНКи поэтому выполняет две главные функции: 1) хранение и воспроизведение генетической информации, 2) регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Клетка утратившаяядро , не может существовать. Ядро также неспособно к самостоятельному существованию. Большинство клеток имеет одно ядро, но можно наблюдать 2-3ядра в одной клетке, например в клетках печени. Известны многоядерные клетки с числом ядер в несколько десятков. Формы ядер зависят от формы клетки. Ядра бывают шаровидные, многолопастные. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран, имеющих обычное трёхслойное строение. Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами, внутренняя мембрана гладкая. Главную роль в жизнедеятельности ядра играет обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Содержимое ядра включает ядерный сок, или кариоплазму, хроматин и ядрышко. В состав ядерного сока входят различные белки, в том числе большинство ферментов ядра, свободные нуклеотиды, аминокислоты, продукты деятельности ядрышка и хроматина, перемещающиеся из ядра в цитоплазму.Хроматин содержит ДНК, белки и представляет собой спирализованные и уплотненные участки хромосом.Ядрышко представляет собой плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке. Число ядрышек колеблется от 1 до 5-7 и более. Ядрышки есть только в неделящихся ядрах, во время митоза они исчезают, а после завершения деление образуются вновь. Ядрышко не является самостоятельным органоидом клетки, оно лишено мембраны и образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК. В ядрышке формируются рибосомы, которые затем перемещаются в цитоплазму.Хроматином называют глыбки, гранулы и сетевидные структуры ядра, интенсивно окрашивающиеся некоторыми красителями и отличные по форме от ядрышка.

2) 1. Клеточная теория

Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

Появлению и формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал довольно длительный период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных. Этот период был связан с развитием применения и усовершенствования различных оптических методов исследований.

Роберт Гук первым наблюдал с помощью увеличительных линз подразделение тканей пробки на «ячейки», или «клетки». Его описания послужили толчком для появления систематических исследований анатомии растений, которые подтвердили наблюдения Роберта Гука и показали, что разнообразные части растений состоят из тесно расположенных «пузырьков», или «мешочков». Позднее А. Левенгук открыл мир одноклеточных организмов и впервые увидел клетки животных. Позднее клетки животных были описаны Ф. Фонтана; но эти и другие многочисленные исследования не привели в то время к пониманию универсальности клеточного строения, к четким представлениям о том, что же являет собой клетка. Прогресс в изучении микроанатомии и клетки связан с развитие микроскопирования в XIX в. К этому времени изменились представления о строении клеток: главным в организации клетки стала считаться не клеточная стенка, а собственно ее содержимое, протоплазма. В протоплазме был открыт постоянный компонент клетки – ядро. Все эти многочисленные наблюдения позволили Т. Шванну в 1838 г. сделать ряд обобщений. Он показал, что клетки растений и животных принципиально сходны между собой. «Заслуга Т. Шванна заключалась не в том, что он открыл клетки как таковые, а в том, что он научил исследователей понимать их значение». Дальнейшее развитие эти представления получили в работах Р. Вирхова. Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии, послужили главным фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она дала основы для понимания жизни, для объяснения родственной взаимосвязи организмов, для понимания индивидуального развития.

Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и на сегодняшний день, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток. В настоящее время клеточная теория постулирует:

1) Клетка – элементарная единица живого: – вне клетки нет жизни.

2) Клетка – единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц – органелл или органоидов.

3) Клетки сходны – гомологичны – по строению и по основным свойствам.

4) Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала: клетка от клетки.

5) Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных.

6) Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т.е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – к дифференцировке.

Представление о клетке как о самостоятельной жизнедеятельной единице было дано еще в работах Т. Шванна. Р. Вирхов также считал, что каждая клетка несет в себе полную характеристику жизни: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне ее».

Современная наука полностью доказала это положение. В популярной литературе клетку часто называют «атомом жизни», «квантом жизни», подчеркивая тем самым, что клетка – это наименьшая единица живого, вне которой нет жизни.

Такая общая характеристика клетки должна в свою очередь опираться на определение живого – что такое живое, что такое жизнь. Очень трудно дать окончательное определение живого, жизни.

М.В. Волькенштейн дает следующее определение жизни: «живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, важнейшими функционирующими веществами которых являются белки и нуклеиновые кислоты». Живому свойствен ряд совокупных признаков, таких, как способность к воспроизведению, использование и трансформация энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость. И такую совокупность этих признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Мы можем выделить из клетки отдельные ее компоненты или даже молекулы и убедиться, что многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Так, выделенные актомиозиновые фибриллы могут сокращаться в ответ на добавление АТФ; вне клетки прекрасно «работают» многие ферменты, участвующие в синтезе или распаде сложных биоорганических молекул; выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок, разработаны неклеточные системы ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и т.д. Можно ли считать все эти клеточные компоненты, структуры, ферменты, молекулы живыми? Можно ли считать живым актомиозиновый комплекс? Думается, что нет, хотя бы потому, что он обладает лишь частью набора свойств живого. То же относится и к остальным примерам. Только клетка как таковая является наименьшей единицей, обладающей всеми вместе взятыми свойствами, отвечающими определению «живое».

3) Основу поверхностного аппарата клеток (ПАК) составляет наружная клеточная мембрана, или плазмалемма. Кроме плазмалеммы в ПАК имеется надмембранный комплекс, а у эукариот - и субмембранный комплекс. Основными биохимическими компонентами плазмалеммы (от греч. плазма - образование и лемма - оболочка, корка) являются липиды и белки. Их количественное соотношение у большинства эукариот составляет 1:1, а у прокариот в плазмалемме преобладают белки. В наружной клеточной мембране обнаруживается небольшое количество углеводов и могут встречаться жироподобные соединения (у млекопитающих - холестерол, жирорастворимые витамины). В 1925 г. Е. Гортер и Ф. Грендел (Голландия) предположили, что основу мембраны составляет двойной слой липидов - билипидный слой. В 1935 г. Дж.Даниэли и Г.Даусон предложили первую пространственную модель организации мембран, получившую название "сэндвич", или "бутербродная " модель. По их мнению, основой мембраны является билипидный слой, а обе поверхности слоя покрыты сплошными слоями белков. Дальнейшее изучение клеточных мембран, включая плазмалемму, показало, что почти во всех случаях они имеют сходное строение. В 1972 г. С.Зингер и Г.Николсон (США) сформулировали представление о жидкостно-мозаичном строении клеточных мембран (рис.). Согласно этой модели, основу мембран составляет билипидный слой, но белки в нем расположены отдельными молекулами и комплексами, т.е. мозаично (от франц. mosaique - мозаика; изображение, составленное из отдельных кусков). В частности, молекулы интегральных (от лат. интегер - целый) белков могут пересекать билипидный слой, полуинткгральных - частично погружаться в него, а периферических (от греч. периферия - окружность) - располагаться на его поверхности (рис.). Современная молекулярная биология подтвердила справедливость жидкостно-мозаичной модели, хотя были обнаружены и другие варианты клеточных мембран. В частности, у архебактерий основу мембраны составляет монослой сложного по строению липида, а некоторые бактерии содержат в цитоплазме мембранные пузырьки, стенки которых представлены белковым монослоем. Надмембранный комплекс поверхностного аппарата клеток характеризуется многообразием строения (рис.). У прокариот надмембранный комплекс в большинстве случаев представлен клеточной стенкой различной толщины, основу которой составляет сложный гликопротеин муреин (у архебактерий - псевдомуреин). У целого ряда эубактерий наружная часть надмембранного комплекса состоит из еще одной мембраны с большим содержанием липополисахаридов.У эукариот универсальным компонентом надмембранного комплекса являются углеводы - компоненты гликолипидов и гликопротеинов плазмалеммы. Благодаря этому его исходно называли гликокаликсом (от греч. гликос - сладкий, углевод и лат. каллум - толстая кожа, оболочка). Кроме углеводов, в состав гликокаликса относят периферические белки над билипидным слоем. Более сложные варианты надмембранного комплекса встречаются у растений (клеточная стенка из целлюлозы), грибов и членистоногих (наружный покров из хитина). Субмембранный (от лат. суб - под) комплекс характерен только для эукариотических клеток. Он состоит из разнообразных белковых нитевидных структур: тонких фибрилл (от лат. фибрилла - волоконце, ниточка), микрофибрилл (от греч. микрос - малый), скелетных (от греч. скелетон - высушенное) фибрилл и микротрубочек. Они связаны друг с другом белками и формируют опорно-сократительный аппарат клетки. Субмембранный комплекс взаимодействует с белками плазмалеммы, которые, в свою очередь, связаны с надмембранным комплексом. В результате ПАК представляет собой структурно целостную систему. Это позволяет ему выполнять важные для клетки функции: изолирующую, транспортную, каталитическую, рецепторно-сигнальную и контактную.

4) В мембранах содержатся также гликолипиды и холестерол. Гликолипиды - это липиды с присоединенными к ним углеводами. Как и у фосфолипидов, угликолипидов имеются полярные головы и неполярные хвосты. Холестерол близок к липидам; в его молекуле также имеется полярная часть.

Выберите рубрику Биология Тесты по биологии Биология. Вопрос — ответ. Для подготовки к ЕНТ Учебно-методическое пособие по биологии 2008 г Учебная литература по биологии Биология-репетитор Биология. Справочные материалы Анатомия, физиология и гигиена человека Ботаника Зоология Общая биология Вымершие животные Казахстана Жизненные ресурсы человечества Действительные причины голода и нищеты на Земле и возможности их устранения Пищевые ресурсы Ресурсы энергии Книга для чтения по ботанике Книга для чтения по зоологии Птицы Казахстана. Том I География Тесты по географии Вопросы и ответы по географии Казахстана Тестовые задания, ответы по географии для поступающих в ВУЗы Тесты по географии Казахстана 2005 Информация История Казахстана Тесты по Истории Казахстана 3700 тестов по истории Казахстана Вопросы и ответы по истории Казахстана Тесты по истории Казахстана 2004 Тесты по истории Казахстана 2005 Тесты по истории Казахстана 2006 Тесты по истории Казахстана 2007 Учебники по истории Казахстана Вопросы историографии Казахстана Вопросы социально-экономического развития Советского Казахстана Ислам на территории Казахстана. Историография советского Казахстана (очерк) История Казахстана. Учебник для студентов и школьников. ВЕЛИКИЙ ШЕЛКОВЫЙ ПУТЬ НА ТЕРРИТОРИИ КАЗАХСТАНА И ДУХОВНАЯ КУЛЬТУРА В VI-XII вв. Древние государства на территории Казахстана: Уйсуны, Канглы, Хунну Казахстан в древности Казахстан в эпоху средневековья (XIII — 1 пол. XV вв.) Казахстан в составе Золотой Орды Казахстан в эпоху монгольского владычества Племенные союзы Саков и Сарматов Раннесредневековый Казахстан (VI-XII вв.) Средневековые государства на территории Казахстана в XIV-XV вв ХОЗЯЙСТВО И ГОРОДСКАЯ КУЛЬТУРА РАННЕСРЕДНЕВЕКОВОГО КАЗАХСТАНА (VI-XII вв.) Экономика и культура средневековых государств Казахстана XIII-XV вв. КНИГА ДЛЯ ЧТЕНИЯ ПО ИСТОРИИ ДРЕВНЕГО МИРА Религиозные верования. Распространение ислама Хунну: археология, происхождение культуры, этническая история Хуннский некрополь Шомбуузийн Бэльчээр в горах монгольского Алтая Школьный курс истории Казахстана Августовский переворот 19-21 августа 1991 года ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ Казахско-китайские отношения в XIX веке Казахстан в годы застоя (60-80-е годы) КАЗАХСТАН В ГОДЫ ИНОСТРАННОЙ ИНТЕРВЕНЦИИ И ГРАЖДАНСКОЙ ВОЙНЫ (1918-1920 ГГ.) Казахстан в годы перестройки Казахстан в новое время КАЗАХСТАН В ПЕРИОД ГРАЖДАНСКОГО ПРОТИВОСТОЯНИЯ НАЦИОНАЛЬНО-ОСВОБОДИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ 1916 ГОДА КАЗАХСТАН В ПЕРИОД ФЕВРАЛЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОКТЯБРЬСКОГО ПЕРЕВОРОТА 1917 г. КАЗАХСТАН В СОСТАВЕ СССР Казахстан во второй половине 40-х — середине 60-х годов. Общественно-политическая жизнь КАЗАХСТАНЦЫ В ВЕЛИКОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ВОЙНЕ Каменный век Палеолит (древнекаменный век) 2,5 млн.-12 тыс. до н.э. КОЛЛЕКТИВИЗАЦИЯ МЕЖДУНАРОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ НЕЗАВИСИМОГО КАЗАХСТАНА Национально-освободительные восстания Казахского народа в ХVIII-ХIХ вв. НЕЗАВИСИМЫЙ КАЗАХСТАН ОБЩЕСТВЕННО-ПОЛИТИЧЕСКАЯ ЖИЗНЬ В 30-е ГОДЫ. НАРАЩИВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ МОЩИ КАЗАХСТАНА. Общественно-политическое развитие независимого Казахстана Племенные союзы и ранние государства на территории Казахстана Провозглашение суверенитета Казахстана Регионы Казахстана в раннем железном веке Реформы управления Казахстаном СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ В ХIХ-НАЧАЛЕ XX ВЕКА Средние века ГОСУДАРСТВА В ПЕРИОД РАСЦВЕТА СРЕДНЕВЕКОВЬЯ (Х-ХIII вв.) Казахстан в XIII-первой половине XV веков Раннесредневековые государства (VI-IX вв.) Укрепление Казахского ханства в XVI-XVII веках ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ: УСТАНОВЛЕНИЕ РЫНОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ История России ИСТОРИЯ ОТЕЧЕСТВА XX ВЕК 1917 ГОД НОВАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА ОТТЕПЕЛЬ ПЕРВАЯ РУССКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ (1905-1907) ПЕРЕСТРОЙКА ПОБЕДИВШАЯ ДЕРЖАВА (1945-1953) РОССИЙСКАЯ ИМПЕРИЯ В МИРОВОЙ ПОЛИТИКЕ. ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА РОССИЯ В НАЧАЛЕ XX ВЕКА Политические партии и общественные движения в начале XX века. РОССИЯ МЕЖДУ РЕВОЛЮЦИЕЙ И ВОЙНОЙ (1907-1914) СОЗДАНИЕ В СССР ТОТАЛИТАРНОГО ГОСУДАРСТВА (1928-1939) Обществознание Различные материалы по учебе Русский язык Тесты по русскому языку Вопросы и ответы по русскому языку Учебники по русскому языку Правила русского языка

Строение клетки

Строение клеток

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от лат. pro

Строение хромосом

Схема строения хромосомы в поздней профазе - метафазе митоза. 1-хроматида; 2-центромера; 3-короткое плечо; 4-длинное плечо.

Хромосо́мы (др.-греч. χρῶμα - цвет и σῶμα - тело) - нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия всё чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.

Морфология хромосом лучше всего видна в клетке на стадии метафазы. Хромосома состоит из двух палочкообразных телец - хроматид. Обе хроматиды каждой хромосомы идентичны друг другу по генному составу.

Хромосомы дифференцированы по длине. Хромосомы имеют центромеру или первичную перетяжку, две теломеры и два плеча. На некоторых хромосомах выделяют вторичные перетяжки и спутники. Движение хромосомы определяет Центромера, которая имеет сложное строение.

ДНК центромеры отличается характерной последовательностью нуклеотидов и специфическими белками. В зависимости от расположения центромеры различают акроцентрические, субметацентрические и метацентрические хромосомы.

Как говорилось выше, некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. Они, в отличие от первичной перетяжки (центромеры), не служат местом прикрепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хромосом. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организаторами. В ядрышковых организаторах расположены гены, ответственные за синтез РНК. Функция других вторичных перетяжек еще не ясна.

У некоторых акроцентрических хромосом есть спутники - участки, соединенные с остальной частью хромосомы тонкой нитью хроматина. Форма и размеры спутника постоянны для данной хромосомы. У человека спутники имеются у пяти пар хромосом.

Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют сохранению их целостности. Следовательно, теломеры ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. Они имеют одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д.). Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.

Исследование тонкой структуры хромосом показало, что они состоят из ДНК, белка и небольшого количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки - гистоны заряжены положительно. Этот комплекс ДНК с белком называют хроматином. Хроматин может иметь разную степень конденсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином, деконденсированный хроматин - эухроматином. Степень деконденсации хроматина отражает его функциональное состояние. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых локализована большая часть генов. Различают структурный гетерохроматин, количество, которого различается в разных хромосомах, но располагается он постоянно в околоцентромерных районах. Кроме структурного гетерохроматина существует факультативный гетерохроматин, который появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматических районов. Подтверждением существования этого явления в хромосомах человека служит факт генетической инактивации одной Х-хромосомы в соматических клетках женщины. Его суть заключается в том, что существует эволюционно сформировавшийся механизм инактивации второй дозы генов, локализованных в Х-хромосоме, вследствие чего, несмотря на разное число Х-хромосом в мужском и женском организмах, число функционирующих в них генов уравнено. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, тогда его можно обнаружить в виде плотных хромосом

Размеры молекул ДНК хромосом огромны. Каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Они могут достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Из хромосом человека самая большая - первая; ее ДНК имеет общую длину до 7 см. Суммарная длина молекул ДНК всех хромосом одной клетки человека составляет 170 см.

Несмотря на гигантские размеры молекул ДНК, она достаточно плотно упакована в хромосомах. Такую специфическую укладку хромосомной ДНК обеспечивают белки гистоны. Гистоны располагаются по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, образуя нуклеосому (образование, состоящее из нити ДНК, намотанной вокруг октамера гистонов). Размер нуклеосомы около 10 нм. Нуклеосомы имеют вид нанизанных на нитку бусинок. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упакованы в виде спирали, на каждый виток такой спирали приходится шесть нуклеосом. Так формируется структура хромосомы.

Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Каждый организм характеризуется определенным набором хромосом (число, размеры и структура), который называется кариотипом. Кариотип человека представлен двадцатью четырьмя разными хромосомами (22 пары аутосом, Х- и Y-хромосомы). Кариотип - это паспорт вида. Анализ кариотипа позволяет выявлять нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.

Длительное время полагали, что кариотип человека состоит из 48 хромосом. Однако в начале 1956 г. было опубликовано сообщение, согласно которому число хромосом в кариотипе человека равно 46.

Хромосомы человека различаются по размеру, расположению центромеры и вторичных перетяжек. Впервые подразделение кариотипа на группы было проведено в 1960 г. на конференции в г. Денвере (США). В описание кариотипа человека первоначально были заложены два следующих принципа: расположение хромосом по их длине; группировка хромосом по расположению центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические).

Точное постоянство числа хромосом, их индивидуальность и сложность строения свидетельствуют о важности выполняемой ими функции. Хромосомы выполняют функцию основного генетического аппарата клетки. В них в линейном порядке расположены гены, каждый из которых занимает строго определенное место (локус) в хромосоме. В каждой хромосоме много генов, но для нормального развития организма необходим набор генов полного хромосомного набора.

Строение и функции ДНК

ДНК - полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение - некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК - 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес - десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека - около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) - тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) - аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой - 3"-углеродом (3"-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина - всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином - три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин - тимин, гуанин - цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина - тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы - сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» - комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК - хранение и передача наследственной информации.

Репарация («ремонт»)

Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.

Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.

Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).

Строение и функции РНК

РНК - полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение - некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания РНК - урацил, цитозин, пуриновые основания - аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК - иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК - тРНК, 3) рибосомная РНК - рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса - 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон - три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса - 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Строение и функции АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах.

АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.

Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты - в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).

Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).

АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.

Свойства гена

1. дискретность - несмешиваемость генов;
2. стабильность - способность сохранять структуру;
3. лабильность - способность многократно мутировать;
4. множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
5. аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
6. специфичность - каждый ген кодирует свой признак;
7. плейотропия - множественный эффект гена;
8. экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;
9. пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;
10. амплификация - увеличение количества копий гена.

Классификация

1. Структурные гены - уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК. (См. также статью гены домашнего хозяйства).
2. Функциональные гены - регулируют работу структурных генов.

Генети́ческий код - свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический код

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.

Свойства

1. Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
2. Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
4. Однозначность (специфичность) - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
5. Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
6. Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).
7. Помехоустойчивость - мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными ; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными .

Биосинтез белка и его этапы

Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и тРНК.

Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы мРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путём присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни мРНК. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК, - альтернативный сплайсинг.

Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК (тРНК), которые образуют с аминокислотами комплексы - аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК, имеющая соответствующий антикодон, «подходящий» к кодону мРНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез белка обеспечивается за счёт АТФ.

Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации.

Причины мутаций

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные . Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10 − 9 - 10 − 12 на нуклеотид за клеточную генерацию.

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая рекомбинация.

Роль мутаций в эволюции

При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора. Так, мутанты-меланисты (темноокрашенные особи) в популяциях березовой пяденицы в Англии впервые были обнаружены учеными среди типичных светлых особей в середине XIX века. Темная окраска возникает в результате мутации одного гена. Бабочки проводят день на стволах и ветвях деревьев, обычно покрытых лишайниками, на фоне которых светлая окраска является маскирующей. В результате промышленной революции, сопровождающейся загрязнением атмосферы, лишайники погибли, а светлые стволы берез покрылись копотью. В результате к середине XX века (за 50-100 поколений) в промышленных районах темная морфа почти полностью вытеснила светлую. Было показано, что главная причина преимущественного выживания черной формы - хищничество птиц, которые избирательно выедали светлых бабочек в загрязненных районах.

Если мутация затрагивает «молчащие» участки ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кода на синонимичный, то она обычно никак не проявляется в фенотипе (проявление такой синонимичной замены может быть связано с разной частотой употребления кодонов). Однако методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования филогении - изучения происхождения и родственных связей различных таксонов, в том числе и человека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «молекулярными часами». Теория «молекулярных часов» исходит также из того, что большинство мутаций нейтральны, и скорость их накопления в данном гене не зависит или слабо зависит от действия естественного отбора и потому остается постоянной в течение длительного времени. Для разных генов эта скорость, тем не менее, будет различаться.

Исследование мутаций в митохондриальной ДНК (наследуется по материнской линии) и в Y-хромосомах (наследуется по отцовской линии) широко используется в эволюционной биологии для изучения происхождения рас и народностей, реконструкции биологического развития человечества.

Строение клетки

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток - прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки - более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки - протопласт - отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро, орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех) - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты - митохондрии, а у водорослей и растений - также и пластиды.

Строение эукариотической клетки

Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)

Эукариотические клетки от простейших организмов до клеток высших растений и млекопитающих, отличаются сложностью и разнообразием структуры. Типичной эукариотической клетки не существует, но из тысяч типов клеток можно выделить общие черты. Каждая эукариотическая клетка состоит из цитоплазмы и ядра.

Строение эукариотической клетки .

Плазмалемма (клеточная оболочка) животных клеток образована мембраной, покрытой снаружи слоем гликокаликса толщиной 10-20 нм. Плазмалемма выполняет отграничивающую, барьерную, транспортную и рецепторную функции. Благодаря свойству избирательной проницаемости плазмалемма регулирует химический состав внутренней среды клетки. В плазмалемме размещены молекулы рецепторов, которые избирательно распознают определенные биологически активные вещества (гормоны). В пластах и слоях соседние клетки удерживаются благодаря наличию разного вида контактов, которые представлены участками плазмалеммы, имеющими особое строение. Изнутри к мембране примыкает кортикальный (корковый) слой цитоплазмы толщиной 0,1-0,5 мкм.

Цитоплазма. В цитоплазме находится целый ряд оформленных структур, имеющих закономерные особенности строения и поведения в разные периоды жизнедеятельности клетки. Каждая из этих структур несёт определенную функцию. Отсюда возникло сопоставление их с органами целого организма, в связи с чем они получили название органеллы , или органоиды . В цитоплазме откладываются различные вещества - включения (гликоген, капли жира, пигменты). Цитоплазма пронизана мембранами эндоплазматической сети .

Эндоплазматическая сеть (ЭДС) . Эндоплазматическая сеть - это разветвлённая сеть каналов и полостей в цитоплазме клетки, образованная мембранами. На мембранах каналов находятся многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Различают 2 вида мембран ЭДС - гладкие и шероховатые. На мембранах гладкой эндоплазматической сети находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Основная функция шероховатой эндоплазматической сети - синтез белков, который осуществляется в рибосомах, прикрепленных к мембранам. Эндоплазматическая сеть - это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой транспортируются вещества внутри клетки и из клетки в клетку.

Рибосомы осуществляют функцию синтеза белков. Рибосомы представляют собой сферические частицы диаметром 15-35нм, состоящие из 2 субъединиц неравных размеров и содержащие примерно равное количество белков и РНК . Рибосомы в цитоплазме располагаются или прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут объединяться в комплексы - полирибосомы . Рибосомы присутствуют во всех типах клеток.

Комплекс Гольджи. Основным структурным элементом комплекса Гольджи является гладкая мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, или крупные вакуоли, или мелкие пузырьки. Цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу, конденсируются внутри его структур и "упаковываются" в виде секрета, готового к выделению, либо используются в самой клетке в процессе её жизнедеятельности.

Митохондрии. Всеобщее распространение митохондрий в животном и растительном мире указывают на важную роль, которую митохондрии играют в клетке. Митохондрии имеют форму сферических, овальных и цилиндрических телец, могут быть нитевидной формы. Размеры митохондрий 0,2-1мкм в диаметре, до 5-7мкм в длину. Длина нитевидных форм достигает 15-20мкм. Количество митохондрий в клетках различных тканей неодинаково, их больше там, где интенсивны синтетические процессы (печень) или велики затраты энергии. Стенка митохондрий состоит из 2-х мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, а от внутренней внутрь органоида отходят перегородки - гребни, или кристы. На мембранах крист находятся многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Основная функция митохондрий - синтез АТФ .

Лизосомы - небольшие овальные тельца диаметром около 0,4мкм, окруженные одной трехслойной мембраной. В лизосомах находится около 30 ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и др. вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называется лизисом , поэтому и органоид назван лизосомой . Полагают, что лизосомы образуются из структур комплекса Гольджи либо непосредственно из эндоплазматической сети. Функции лизосом : внутриклеточное переваривание пищевых веществ, разрушение структуры самой клетки при её отмирании в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена зародышевых тканей на постоянные, и в ряде других случаев.

Центриоли. Клеточный центр состоит из 2-х очень маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Эти тельца называются центриолями . Стенка центриоли состоит из 9-ти пар микротрубочек. Центриоли способны к самосборке и относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Центриоли играют важную роль в клеточном делении: от них начинается рост микротрубочек, образующих веретено деления.

Ядро. Ядро - важнейшая составная часть клетки. Оно содержит молекулы ДНК и поэтому выполняет две главные функции: 1) хранение и воспроизведение генетической информации, 2) регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Клетка утратившая ядро , не может существовать. Ядро также неспособно к самостоятельному существованию. Большинство клеток имеет одно ядро, но можно наблюдать 2-3ядра в одной клетке, например в клетках печени. Известны многоядерные клетки с числом ядер в несколько десятков. Формы ядер зависят от формы клетки. Ядра бывают шаровидные, многолопастные. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран, имеющих обычное трёхслойное строение. Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами, внутренняя мембрана гладкая. Главную роль в жизнедеятельности ядра играет обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Содержимое ядра включает ядерный сок, или кариоплазму, хроматин и ядрышко. В состав ядерного сока входят различные белки, в том числе большинство ферментов ядра, свободные нуклеотиды, аминокислоты, продукты деятельности ядрышка и хроматина, перемещающиеся из ядра в цитоплазму. Хроматин содержит ДНК, белки и представляет собой спирализованные и уплотненные участки хромосом. Ядрышко представляет собой плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке. Число ядрышек колеблется от 1 до 5-7 и более. Ядрышки есть только в неделящихся ядрах, во время митоза они исчезают, а после завершения деление образуются вновь. Ядрышко не является самостоятельным органоидом клетки, оно лишено мембраны и образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК. В ядрышке формируются рибосомы, которые затем перемещаются в цитоплазму. Хроматином называют глыбки, гранулы и сетевидные структуры ядра, интенсивно окрашивающиеся некоторыми красителями и отличные по форме от ядрышка.