ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

Цитология – относительно новая наука о структуре и функции клеток. Прошла 3 этапа:

 

1 этап – описание и наблюдение.

Это стало возможным в 1590г благодаря световому микроскопу братьев Янсенами.

Термин клетка впервые предложил английский ученый-физик Роберт Гук, который рассмотрел срез мертвой растительной ткани (пробки). Он впервые описал клеточные оболочки, образующие структуры, по форме напоминающие ячейки пчелиных сот.

Позже, голландский натуралист Антони ван Левенгук усовершенствовал микроскоп при помощи линз, открыл и описал одноклеточных и животные клетки позвоночных: эритроциты и сперматозоиды.

 

2 этап – создание клеточной теории.

Поскольку к 18 веку были описаны клетки и растений, и животных, стало очевидно сходство их строения. Это позволило Матиусу Шлейдену и Теодору Шванну к 1839г сформулировать 2 из 3^ех положений клеточной теории.

1) Все организмы состоят из одинаковых структурных единиц - клеток.

2) Клетки растений и животных сходны по строению, образуются и растут по одним и тем же законам.

Однако ученые ошибочно полагали, что новые клетки возникают путем образования из неклеточного вещества. Это было опровергнуто Рудольфом Вирховым в 1858г.

3) Всякая клетка происходит из другой клетки.

 

3 этап – становление современной клеточной теории.

В 1930х годах был изобретен электронный микроскоп, что позволило намного глубже изучить строение и функционирование различных компонентов клетки. На основании полученных результатов были сформулированы основные положения клеточной теории.

 

Основные положения современной клеточной теории

 

• Все живые организмы состоят из клеток.

 

• Клетка – элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения, индивидуального развития живых организмов. Вне клетки жизни нет.

• Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу. В них сходным образом протекают процессы хранения и реализации наследственного материала, обмена веществ.

 

• Новые клетки возникают только путем деления из ранее существовавших.

 

• Клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства их происхождения.

 

• Клетки в многоклеточных организмах специализированы: они выполняют разные функции, а также образуют ткани, из которых строятся органы, системы органов, и организм, как единое целое.

 

Методы исследования

Световая микроскопия

  • Фазово-контрастная микроскопия позволяет получить более контрастное…  

Электронная микроскопия

  3) Витальное/прижизненное изучение клеток • Цитофизиологический метод - изучение физиологических процессов в отдельных изолированных клетках.

Количество составляющих аминокислот

- олигопептиды: от 2^х до 10^ти аминокислот

- полипептиды: до 100 аминокислот - собственнополипептиды; больше 100 – протеины или белки. Количество а-т в протеинах может доходить до нескольких миллионов

 

 

2) Структура/форма белковой молекулы

 

- фибриллярные белки - полипептидные цепи в форме нити, плохо растворимые в воде. Кератин волос, миозин мышц, коллаген костей, фибриноген крови.

- глобулярные белки - полипептидые цепи в форме шара, хорошо растворимые в воде. Миоглобин, ферменты, белки плазмы крови.

 

Состав

 

- простые - протеины - состоят только из остатков а-т. (альбумины, глобулины)

- сложные - протеиды - помимо аминокислот они содержат простетическую группу - небелковый компонент. Названия даются в зависимости от его природы:

- хромопротеиды - пигмент. Гемоглобин, миоглобин, хлорофилл, цитохромы

- нуклеопротеиды - НК. Участвуют в хранении и передаче наследственной инф

- гликопротеиды - углеводы. Клеточные мембраны

- липопротеиды - липиды. Ферменты плазматических мембран

- фосфопротеиды - фосфаты. ЦНС, молоко, куриный желток

- металлопротеиды - металлы. Различные ферменты

 

Уровни организации белка

 

1) Первичная структура - линейная последовательность аминокислот, соединенных между собой в полипептидную цепь при помощи пептидных связей. Данная последовательность закодирована в ДНК, она определяет свойства и функции белков,.

 

2) Вторичная структура - полипептидная цепь. Она может иметь форму спирали (альфа) или формировать складки (бета). Вторичная структура стабилизируется водородными связями, возникающими между близлежащими группами С=О и NH.

 

3) Третичная структура - полипептидная спираль или складчатый слой, свернутый в строго определенную конфигурацию, формируя при этом клубок - глобулу. Она поддерживается водородными, дисульфидными и гидрофобными связями. Ферменты, антитела, гормоны.

 

4) Четвертичная структура - совокупность нескольких третичных структур, складывающиеся в определенную конфигурацию. Фиксируются силами межмолекулярного взаимодействия, водородными, ионными, ковалентными и иными связями. Характерна не для всех белков.

Гемоглобин состоит из 4 полипептидных цепей, каждая из которых связана с одной группой гемо, в центре которой находится ион Fe, удерживающий кислород.

 

Денатурация – нарушение структуры белковой молекулы. Она возникает вследствие воздействия физических и химических факторов.

Ренатурация – процесс восстановления. Он возможен только если нарушены 4^ая, 3^ая или 2^ая структуры. Нарушение 1^ой структуры необратимо.

Деструкция – полное разрушение белковой молекулы

Функции белков

 

 

Транспортная

- участие в активном транспорте веществ через плазматические мембраны против градиента концентрации за счет белков-переносчиков

- гемоглобин транспортирует О₂ и СО₂ между альвеолами легких и клетками организма

- цитохромы отвечают за перемещение электронов в фотосистемах

- фермент Na-K-АТФаза обеспечивает работу натри-калиевого насоса.

 

2) Двигательная

- белок тубулин входит в состав микротрубочек (веретено деления)

- белок флагелинн обеспечивает движение жгутиков прокариот

- актин и миозин обеспечивают сокращение мышц

 

Рецепторная

- фитохром - светочувствительный белок, участвует в фотопериодической реакции растений

- родопсин - основной зрительный пигмент палочек

- гликопротеиды - компоненты гликокаликса, отвечает за межклеточное взаимодействие животных клеток.

 

Энергетическая

Белки - сложные, высокомолекулярные соединения, которые могут служить источником энергии для клетки. При расщеплении 1г белка выделяется 17,6кДж энергии.

 

Структурная

- обязательный компонент всех клеточных мембран и других клеточных структур.

 

6) Ферментативная/каталитическая

- ферменты

 

Запасающая

- эндосперм семян

- альбумин яйца

- козеин молока

 

Гормональная

- инсулин

 

Иммунологическая

- антитела, иммуноглобулины

- интерферон

 

Токсическая

- яды грибов, змей, пауков, насекомых

 

Ферменты

 

Ферменты - вещества белковой природы, которые присутствуют во всех живых клетках и выполняют функции биокатализаторов. Они увеличивают скорость биохимических реакций в миллионы раз. С точки зрения химического состава, ферменты состоят из белковой части – апофермента и небелкового компонента. Если он представлен неорганическим соединением, то называется кофактор, если же органическим веществом, то называется коэнзим.

 

Свойства ферментов: высокая специфичность

- фермент и его субстрат строго соответствуют друг другу, как ключ и замок.

- катализирование определенной реакции

- действие в определенной последовательности

 

Классификация по типу катализируемой реакции

- оксидоредуктазы - катализируют ОВР

- изомеразы - катализируют изомеризацию

- трансферазы - катализируют перенос функциональных групп

- лигазы - катализируют реакции синтеза с участием энергии АТФ

- гидролазы - катализируют гидролиз (реакции расщепления сложных органических веществ на простые путем присоединения воды)

- лиазы - катализируют негидролитическое отщепление/присоединение функциональной группы

 

ЛИПИДЫ

 

Липиды – разнородная группа низкомолекулярных маслянистых гидрофобных веществ. Эти жироподобные вещества входят в состав всех клеток и играют важную роль в жизненных процессах. В растительных клетках липиды синтезируются в каналах гладкой ЭПС. В животной клетке жиры поступают вместе с пищей, расщепляются до глицерина и жирных кислот, и вновь синтезируются собственные жиры. В клетках содержится 5-15% сухой массы. Они нерастворимы в воде, но растворимы в малополярных растворителях, таких как бензин, бензол, эфир, хлороформ.

 

Простые липиды

Насыщенные (твердые животные жиры) - стеариновая, пальмитиновая, масляная кислоты. Говяжий, свиной жир. Ненасыщенные (жидкие растительные масла) - олеиновая, линолевая, линоленовая.…  

Сложные липиды

Липоиды - сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и спиртов. Содержат нелипидный компонент. - фосфолипиды - соединение липидов с остатком фосфорной кислоты - гликолипиды - соединение липидов с углеводами

Редукционное деление

Хроматин спирализуется, образуются хромосомы. Происходит коньюгация – сближение гомологичных хромосом, которые попарно соединяются, образуя…   Метафаза1 – 2n4c

Эквационное деление

Профаза2 – n2с Хроматин конденсируется, формируя хромосомы. Ядерная оболочка распадается,…  

ФОРМИРОВАНИЕ

• Сперматогенез: сперматиды превращаются в сперматозоиды (nc), приобретают свойственные им признаки и подвижность.   • Овогенез: практически отсутствует

Инициация

Синтез молекул иРНК по ДНК может протекать в ядре, митохондриях и пластидах. Под действием ферментов ДНК-геликазы и ДНК-топоизомеразы участок молекулы ДНК раскручивается, разрываются водородные связи. Считывание информации идет только с одной нити ДНК, которая называется кодирующейкодогенной. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотером - зоной ДНК, которая содержит старт-сигнал ТАТА.

 

Элонгация

Процесс выстраивания нуклеотидов по принципу комплиментарности. РНК-полимераза продвигается по кодирующей цепи и соединяет между собой нуклеотиды, образуя полинуклеотидную цепь. Процесс продолжается до стоп-кодона.

 

Терминация

Окончание синтеза: фермент и синтезированная молекула РНК отделяеются от ДНК, двойная спираль ДНК восстанавливается.

 

Процессинг

Превращение молекулы иРНК в мРНК в ходе сплайсинга в ядре под действием ферментов. Идет удаление интронов -участков, не несущих инф об аминокислотной последовательности и сшивание экзонов - участков, кодирующих последовательность аминокислот. Далее идет присоединение стоп-кодона АУГ, кэпирование для 5’ конца и полиаденилирование для защиты 3’ конца. Образуется зрелая м-РНК, она короче и идет к рибосомам.

 

Трансляция

Процесс перевода нуклеотидной последовательности триплетов м-РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Идет в цитоплазме на рибосомах.

 

Инициация

Синтезированная мРНК через ядерные поры идет в цитоплазму, где с помощью ферментов и энергии АТФ соединяется с малой субъединицей рибосом. Затем инициаторная тРНК с аминокислотой метианин соединяется с пептидильным центром. Далее в присутствии Mg²⁺ идет присоединение большой субъединицы.

 

Элонгация

Удлинение белковой цепи. Аминокислоты с помощью собственной тРНК доставляются к рибосомам. По форме молекулы т-РНК напоминают трилистник, на среднем из которых имеется антикодон, комплиментарный нуклеотидам кодона м-РНК. К противоположному основанию молекулы тРНК присоединяется соответствующая аминокислота.

Первая т-РНК закрепляется в пептидильном центре, а вторая - в аминоациальном. Затем аминокислоты сближаются и между ними образуется пептидная связь, возникает дипептид, первая т-РНК уходит в цитоплазму. После этого, рибосома делает 1 трехнуклеотидный шаг по м-РНК. В результате чего, вторая т-РНК оказывается в пептидильном центре, освобождая аминоацильный. Процесс присоединения аминокислокты идет с затратой энергии АТФ и требует наличия фермента аминоацил-т-РНК-синтетаза.

 

Терминация