СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛЕТКИ

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛЕТКИ

Световая микроскопия.

Также были открыты методы, которые позволяли окрашивать органеллы, содержащие определенный фермент, а также определить его миграцию. Разрешающая способность светового микроскопа ограничена длиной световой волны:… Разрешающая способность – это способность давать раздельное изображение двух близких друг другу объектов.

Электронная микроскопия.

Физики предложили использовать вместо пучка света пучок электронов. Электроны могут отражаться от мелких предметов, которые невидимы в световой микроскоп. Движением электронов управляют электрические и магнитные поля. Разрешающая способность электронного микроскопа – 0,1 нм.

Трансмиссионный электронный микроскоп

Электроны проходят сквозь объект. В результате пучок электронов создает изображение объекта на фотографической пластинке.

 

Недостаток электронного микроскопа состоит в том, что в камере объектов должен поддерживаться высокий вакуум. Для электронов это необходимо, потому что в воздухе они отклоняются и подхватываются молекулами газа. Живая материя не может существовать в высоком вакууме, так как испаряется вода.

 

Сканирующий электронный микроскоп

Электроны отражаются от поверхности объекта и создают изображение при движении в обратном направлении. Разрешающая способность – 5 – 20 нм. Этому микроскопу не глубокий вакуум. С помощью сканирующего электронного микроскопа можно изучать живые объекты с достаточно жесткими покровами. Также можно получать превосходные фотографии, содержащие мельчайшие детали строения поверхности некоторых живых существ.

 

Электронный микроскоп высокого напряжения.

Напряжение – 500 000 – 1000 000 В. Большое ускорение электронов позволяет им проходить через сравнительно толстые срезы. С помощью этого микроскопа можно получать трехмерное изображение структур и изучать их.

 

Метод меченых атомов и ультрацентрифугирование.

Иногда необходимо проследить за каким-либо химическим соединением в клетке: узнать, куда оно транспортируется, во что превращается и т.д.

Исследователи научились заменять один из атомов в молекуле на радиоактивный изотоп. Такая молекула будет нести радиоактивную метку, которую легко можно обнаружить с помощью счетчика радиоактивных частиц.

Если необходимо выделить какие-либо отдельные части клетки, например, ядра или части мембран, используется метод ультрацентрифугирования. Фрагменты обычно имеют разные размеры и различную плотность. Они оседают на дно пробирки с разной скоростью. Чтобы процесс оседания шел быстрее, пробирки крутят на центрифуге. Центробежная сила превышает силу тяжести. Это ускоряет процесс оседания всех частиц.

 

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

В 1590г. Янсен изобрел микроскоп, в котором большое увеличение обеспечивалось соединением двух линз. В 1609 – 1610 гг Галилео Галилей подхватил эту идею, но усовершенствовал ее… 1625г. И. Фабер дал название прибору - «микроскоп».

СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КЛЕТКЕ, ИХ РОЛЬ

 

Элемент	Символ	Примерное содержание (%)	Значение для клетки и организма
Кислород	О		Входит в состав воды и органических веществ
Углерод	С		Входит в состав всех органических веществ
Водород	Н		Компонент воды и органических веществ
Азот	N		Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла, витаминов
Кальций	Ca	2,5	Входит в состав клеточной стенки растений; костей и зубов; повышает свертываемость крови и сократимость мышечных волокон
Фосфор	P		Входит в состав костной ткани и зубной эмали,нуклеиновых кислот, АТФ, некоторых ферментов
Сера	S	0,25	Входит в состав важнейших аминокислот (цистеина, цистина, метионина), некоторых витаминов, участвует в образовании дисульфидных связей в третичной структуре белка.
Калий	K	0,25	Содержится в клетке только в виде ионов; повышает активность ферментов белкового синтеза, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза, в генерации биоэлектрических потенциалов.
Хлор	Cl	0,2	Содержится преимущественно в виде отрицательного иона в организме животных; компонент соляной кислоты в желудочном соке.
Натрий	Na	0,10	Содержится в клетке только в виде ионов; обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов, участвует в поддержании и регулировании кислотно-щелочного равновесия организма.
Магний	Mg	0,07	Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активизирует энергетический обмен и синтез ДНК.
Иод	J	0,01	Входит в состав гормонов щитовидной железы
Железо	Fe	0,01	Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и моглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в транспорте электронов в процессах дыхания и фотосинтеза.
Медь	Cu	Следы	Входит в состав гемоцианинов у беспозвоночных и некоторых ферментов; участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина.
Марганец	Mn	-	Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов; участвует в развитии костей, ассимиляции азота и процессах фотосинтеза.
Молибден	Mo	-	Входит в состав некоторых ферментов (нитратредуктазы), участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями
Кобальт	Co	-	Входит в состав витамина В12, участвует в фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями и образовании эритроцитов
Бор	B	-	Влияет на ростовые процессы растений, активирует восстановительные ферменты дыхания.
Цинк	Zn	-	Входит в состав некоторых ферментов, расщепляющих полипептиды; участвует в синтезе растительных гормонов (ауксинов) и гликолизе.
Фтор	F	-	Входит в состав костей и эмали зубов.

ВОДА И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, ИХ РОЛЬ В КЛЕТКЕ.

Например, содержание воды в эмали зуба – 10%, в нервных клетках – 85%, в клетках развивающегося зародыша – 95%, в клетках молодого организма – 80%,… Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их… Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет…

УГЛЕВОДЫ, ИХ РОЛЬ В КЛЕТКЕ

Среди органических молекул, входящих в состав клетки выделяют углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Углеводы – это полимеры, которые образуются из моносахаридов путем… Углеводы делятся на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды). Среди моносахаридов по числу углеродных атомов…

Функции углеводов.

1. Энергетическая. При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Структурная. Например, целлюлоза, хитин.
3. Сигнальная. Например, поверхностный слой плазмалеммы состоит из олигосахаридов.
4. Защитная. Например, гепарин, который препятствует свертыванию крови в кровеносных сосудах.
5. Резервная. Например, гликоген и крахмал.

 

ЛИПИДЫ, ИХ РОЛЬ В КЛЕТКЕ

Фосфолипиды – это сложные эфиры глицерола, двух остатков жирных кислот…

Функции липидов.

1. Энергетическая – при расщеплении 1 грамма липидов выделяется 38,9 кДж энергии.
2. Структурная – входят в состав цитоплазматической мембраны.
3. Теплоизоляционная – входят в состав подкожной жировой клетчатки.
4. Гидроизоляционная – содержатся в копчиковой железе водоплавающих птиц. Это препятствует смачиванию перьев водой.
5. Механическая изоляция – подкожная жировая прослойка защищает внутренние органы от механических повреждений.
6. Метаболическая – при расщеплении 1 грамма жира выделяется 105 грамм воды.
7. Сигнальная – являются компонентами гликокаликса.

БЕЛКИ, ИХ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ

  Незаменимые аминокислоты Заменимые аминокислоты Аргинин Гистидин Валин Лизин Треонин Лейцин …   Все известные аминокислоты различаются между собой только радикалами. Радикалы содержат серу, азот, кольцевые…

Денатурация

Под влиянием физического и химического воздействия могут нарушаться четвертичная, третичная, вторичная и при наиболее жестких условиях – первичная. Если при изменении условий среды первичная структура молекулы белка остается неизменной, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка. Процесс восстановления структуры денатурированного белка называется ренатурацией.

Это свойство белков используется в медицинской и пищевой промышленности ( для приготовления медицинских препаратов, пищевых концентратов). Причины денатурации: нагревание или воздействие каких-либо излучений; сильные кислоты, сильные щелочи, концентрированные растворы солей, тяжелые металлы, органические растворители и детергенты.

Функции белков

ФЕРМЕНТЫ

В 90-х годах XIX века ученый Фишер предложил теорию ферментативного катализа «ключ-замок». Смысл теории заключался в том, что фермент и субстрат по… В 1959 году ученый Кошланд предложил теорию индуцированного соответствия.… Для понимания механизма действия ферментов важно знать теорию активного центра. Согласно этой теории в молекуле…

Важнейшие группы ферментов

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, которые состоят из: Азотистого основания Пентозы Остатка фосфорной кислоты    

Сравнительная характеристика ДНК и РНК.

ДНК	РНК
Двухцепочечная молекула	Одноцепочечная молекула
А, Т, Г, Ц + дезоксирибоза + остаток фосфорной кислоты	А. У, Г, Ц + рибоза + остаток фосфорной кислоты
Способна к репликации	Не способна к репликации
Находится в ядре, митохондриях, хлоропластах	Находится в ядре, митохондриях, хлоропластах, цитоплазме, в рибосомах
Хранит наследственную информацию	Выполняет различные функции в зависимости от вида

 

Виды одноцепочечных РНК

1. Рибосомальная РНК –содержит 3000 – 5000 нуклеотидов. Является компонентом цитоплазмы. Участвует в образовании рибосомы.
2. Транспортная РНК – содержит 76 – 85 нуклеотидов. Выполняет транспортную функцию. Приносит аминокислоты к месту биосинтеза белка.

1. Информационная (матричная) РНК – содержит 300 – 30000 нуклеотидов. Переносит информацию о структуре белка от молекулы ДНК в рибосомы, где синтезируются белки.

 

Все три типа РНК синтезируются на ДНК – матрице. Этот процесс называется транскрипцией.

Репликация ДНК

Под влиянием фермента спираль ДНК начинает с одного конца раскручиваться. На каждой матричной цепи собирается новая дочерняя. При этом соблюдается… В связи с антипараллельной структурой двух цепей ДНК возникает проблема их…

АТФ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ

АТФ – это нуклеотид, который состоит из трех остатков фосфорной кислоты, рибозы, аденина.

Во время разрыва двух макроэргических связей высвобождается большое количество энергии - 40 кДж. Эта энергия идет на нужды клетки.

Синтез АТФ происходит на кристах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования при клеточном дыхании и в хлоропластах в ходе фосфорилирования в световой фазе фотосинтеза.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, которая освобождается при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Фосфорилирование – включение в молекулу остатка фосфорной кислоты.

АТФ быстро обновляется. У человека распадается и вновь восстанавливается 2400 раз в сутки, так что средняя продолжительность ее жизни – 1 минута.

 

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ. ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА.

Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь,… Свойства и функции мембран. Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры, поскольку молекулы…

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА РАСТЕНИЙ

Клеточная стенка выполняет функции: Обеспечивает механическую прочность клетки; Защита от повреждений; Поддерживает форму и размер клеток;…   Когда клетка растет и делится, клеточная стенка называется первичной. Когда рост клетки прекращается, клеточная стенка…

ЦИТОПЛАЗМА: ГИАЛОПЛАЗМА, ЦИТОСКЕЛЕТ.

«Основное вещество» - цитозоль (гиалоплазма, матрикс) заполняет пространство между клеточными органеллами. При рассмотрении в световой микроскоп… Если рассматривать основное вещество в высоковольтный электронный микроскоп,… Микротрабекулярная решетка делит клетку на две части: богатую белком (тяжи решетки) и богатую водой, заполняющую…

ОРГАНОИДЫ КЛЕТКИ, ИХ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ

  Пропластидыимеются в меристематических тканях. У них внутренняя мембрана имеет…  

Лизосомы –представляют собой мешочки, окруженные одинарной мембраной (d=0,2 – 0,5 мкм). Лизосомы заполнены гидролитическими ферментами (протеазы, липазы, кислые фосфатазы). Реакция внутри лизосом кислая. Ферменты, находящиеся в лизосомах, синтезируются на шероховатой ЭПС и транспортируются в КГ. Далее от него отделяются пузырьки, которые содержат ферменты, подвергшиеся превращениям. Это первичные лизосомы. Далее первичные лизосомы могут сливаться с эндоцитозным пузырьком, образуя вторичную лизосому (пищеварительную вакуоль). Продукты переваривания поглощаются цитоплазмой клетки. Часть материала остается непереваренной. Вторичная лизосома с непереваренным материалом называется остаточным тельцем. Клетка освобождается от него путем эндоцитоза. Лизосомы играют важную роль в организме. Например, они могут участвовать в разрушении чужеродного материала, поступившего путем эндоцитоза. Это явление – гетерофагия. Автофагиейназывается процесс, с помощью которого уничтожают ненужные ей структуры. В этом случае старые органеллы заменяются новыми. Иногда лизосомы высвобождают свое содержимое, в результате происходит саморазрушение клетки – автолиз.

Вакуоли.Вакуоль – это мембранный мешок, который наполнен жидкостью, и стенка которого состоит из одинарной мембраны. В животных клетках содержатся небольшие вакуоли, которые являются пищеварительными, фагоцитозными, сократительными. В растительных клетках иная картина. В зрелых клетках паренхимы и колленхимы (и не только) имеется центральная большая вакуоль, которая окружена элементарной мембраной – тонопластом. Внутри содержится клеточный сок, состоящий из минеральных солей, сахаров, органических кислот, кислорода, углекислого газа, пигментов и некоторых отходов жизнедеятельности. Значение вакуолей огромно:

1. Вакуоли играют важную роль в поступлении воды в клетку путем осмоса. Осмотическое поглощение воды играют важную роль при растяжеии клеток во время их роста, а также в обзем водном режиме растения.
2. Иногда в вакуолях присутствуют пигменты – антоцианы. Они имеют красную, синюю, пурпурную окраску и некоторые родственные соединения, имеющие желтый и кремовый цвет. Эти пигменты определяют окраску цветков, плодов, почек, листьев. У листьев они обусловливают различные оттенки осенней окраски. Цвет антоцианов может изменяться в зависимости от кислотности среды: кислая – красный, нейтральная – фиолетовый, щелочная – синий. Реакция клеточного сока может меняться от сильнокислой, до слабокислой и слабощелочной, что вызывает соответствующие изменения цвета антоцианов.
3. В запасающих тканях растений содержатся не одна, а несколько вакуолей, в которых скапливаются запасные питательные вещества. Это жировые или белковые вакуоли. Например, алейроновые зерна – зерна запасного белка в клетках запасающих тканей семян бобовых, гречишных и других злаков.
4. Клеточный сок содержит фенолы – большой класс органических соединений, которые различаются своей полярностью и реакционной способностью. Например, танины. Также в вакуолярном соке встречаются алколоиды – азотсодержащие природные соединения. Например, морфин, хинин. В вакуолях может накапливаться латекс (млечный сок растений). Иногда у растений в вакуолях содержатся гидролитические ферменты, и тогда при жизни клетки вакуоли действуют как лизосомы.

Рибосомы –сферические гранулы, диаметром 15 – 35 нм. Состоит из двух нуклеопротеидных субъединиц, из равных количеств белка и РНК. Они имеют разную форму, химическое строение, разную величину. Удерживаются вместе благодаря ионам магния. Обнаружены в клетках всех организмов, а также и у прокариот. Располагаются свободно в цитоплазме, прикрепляются к наружной поверхности мембраны ядра, ЭПС, в митохондриях и хлоропластах. Рибосома защищает иРНК и синтезируемый белок от различных разрушающих ферментов: РНК-азы, протеазы. Начальная часть синтезированного белка находится в каналоподобной структуре.

Центриолиобразуют клеточный центр и представляют собой полые цилиндры длиной не более 0,5 мкм. Располагаются парами перпендикулярно друг другу. Накануне деления в клетке содержится две пары центриолей. Центриоли состоят из девяти пар микротрубочек. Основное свойство – участие в делении клетки – центриоли служат центрами образования веретена деления. В клетке центриоли располагаются вблизи ядра. Во время деления клеток (в профазе) одна центриоль отходит к одному полюсу клетки, вторая – к другому, определяя таким образом положение полюсов. Затем от центриолей отходят нити веретена деления и прикрепляются к центромерам хромосом. В анафазе эти нити притягивают хромосомы к полюсам клетки. После окончания деления центриоли остаются по одной в дочерних клетках, удваиваются и образуют клеточные центры.

Базальные тельцапо структуре идентичны центриолям. Обнаружены в основании ресничек и жгутиков. Образуются, вероятно, путем удвоения центриолей. Являются центрами организации микротрубочек, входящих в состав жгутиков и ресничек.

Реснички и жгутики– специализированные органоиды, представляющие собой цитоплазматические выросты. Они отвечают за передвижение либо всего организма (протисты, ресничные черви), либо жидкостей или частиц (носовая полость, трахея, яйцевод и т.д.)

Состоят из 20 микротрубочек: 9 пар периферических и 2 центральных. У основания – базальное тельце. Длина у жгутиков – 100 мкм и более. Если длина 10 -20 мкм, то это реснички. Скольжение микротрубочек вызывает биение жгутиков и ресничек, что обеспечивает перемещение клеток.

Строение и функции клеточного ядра.Ядро является одним из важнейших компонентов клетки. Оно было открыто в 1831 г. Р. Броуном. Ядро – обязательный компонент всех клеток растений и животных, за исключением предъядерных (бактерий, цианобактерий) и доклеточных (вирусы, фаги) организмов. У большинства клеток форма ядра шаровидная, но также встречаются ядра кольцевидные, палочковидные, веретеновидные, бобовидные, сегментированные и др. У молодых клеток ядро расположено в центре, у зрелых может смещаться в сторону. Размеры ядра от 3 до 25 мкм. Самое крупное ядро у яйцеклетки. Обычно в клетке имеется одно ядро, но иногда бывает и два, например, некоторые нейроны, клетки печени, костного мозга, мышц, соединительной ткани у животных, стенки пыльников у растений.

Ядро окружено ядерной оболочкой. Она образуется за счет расширения и слияния друг с другом цистерн ЭПС. Ядерная оболочка образована двумя мембранами, между которыми находится перинуклеарное пространство. Ширина его 20 – 50 нм. Оно сохраняет способность сообщаться с ЭПС. Наружная поверхность ядерной мембраны часто бывает покрыта рибосомами.

При слиянии в некоторых местах наружной и внутренней мембраны образуется пора. Она имеет сложное строение и не имеет открытого просвета. Отверстие закрыто диафрагмой. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц. Поры составляют 25% от поверхности ядра. Количество пор у одного ядра – 3000 – 4000. Число пор может меняться в зависимости от активности процессов в клетке. Через поры из ядра в цитоплазму выходят молекулы иРНК, тРНК, субъединицы рибосом, а в ядро – нуклеотиды, белки, ферменты, АТФ, вода, ионы. Внутреннее содержимое ядра (нуклеоплазма) находится в состоянии коллоида. Представляет собой раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, ферментов, минеральных солей. Нуклеоплазма заполняет пространство между ядерными органеллами и участвует в транспорте веществ, нуклеиновых кислот, субъединиц рибосом.

Хроматин – это глыбки, гранулы, сетевидные структуры ядра, отличаются по форме от ядрышек. Существует две разновидности хроматина:

• Гетерохроматин – подвержен окрашиванию (гранулы разм. 10 – 15 нм)
• Эухроматин – остается светлым после окрашивания (фибриллярные структуры толщиной 5 нм)

 

Гетерохроматин располагается вблизи внутренней поверхности ядра и вокруг ядрышек, а эухроматин располагается между гетерохроматином. Основу хроматина составляют нуклеопротеины , т.е. ДНК, упакованная различными белками (гистонами).

Ядрышки –плотные округлые тельца, погруженные в ядерный сок. В ядрах разных клеток, а также в ядре одной и той же клетки в зависимости от ее функционального состояния количество ядрышек колеблется от 1 до 5-7 и более. Ядрышки синтезируются на определенных участках хромосом, ответственных за синтез рРНК. Ими обладают не все хромосомы. Эти участки называются ядрышковыми организаторами. Они образуют петли. Верхушки петель разных хромосом притягиваются друг к другу и встречаются. Так образуется ядрышко. Ядрышки есть только в неделящихся клетках. Во время деления они исчезают, а после деления появляются вновь. Т.е. они не являются постоянными компонентами клетки, а также не являются самостоятельными структурами ядра. Кроме этого в ядрышке формируются рибосомы, которые потом перемещаются в цитоплазму.

Хромосомы.Представляют собой двойные цепи ДНК, окруженные сложной системой белков. У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка, центромера, которая делит хромосому на два плеча. Этот участок является утонченным и неспирализованным. Центромера регулирует движение хромосом при клеточном делении. К ней прикрепляется нить веретена, разводящая хромосомы к полюсам. Расположение центромеры определяет 3 основных вида хромосом:

• Равноплечие
• Неравноплечие
• Палочковидные

 

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, не связанную с прикреплением нити веретена деления. Этот участок и есть ядрышковый организатор.

Кариотип и его видовая специфичность. Количество хромосом во всех клетках организма в течение всей жизни от рождения и до смерти строго постоянно. Совокупность хромосом соматической клетки, характерной для данной систематической группы животных или растений, называется кариотипом.

Нормальный кариотип человека включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом ( либо ХХ, либо ХУ).

Количество хромосом в кариотипе не связано с уровнем организации животных и растений. Примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные.