ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ

 

Признаки и свойства	Прокариоты	Эукариоты
Морфологически	Отсутствует	Имеется
оформленное ядро
Нуклеоид@	Имеется	Отсутствует
Форма молекулы ДНК	Кольцевая	Линейная
Длина ДНК	1 (условно)	1000 (по отношению к прокариотам)
Ядерные белки, связанные с ДНК	Отсутствуют	Имеются
Некодирующая ДНК*	Как правило, отсутствует	Имеется
Плоидность генома	Гаплоидный	Диплоидный* *
Фенотипические	Каждая мутация реали-	Возможно сохранение
проявления мутаций	зуется в фенотипе	мутантного рецессивного гена в гетерозиготном состоянии
Деление митозом	Не характерно***	Характерно
Клеточная оболочка	Плазмалемма + клеточная стенка (из пептидогликанов)	Плазмалемма (+ клеточная стенка из целлюлозы у растений и хитина – у грибов)
Способ питания	Голофитный (всасыва-	Голозойный (захват
	ние растворенных	твердых частиц)
	веществ)
Система внутри-	Отсутствует (в/кл пото-	Имеется (в/кл потоки
клеточных мембран	ки не упорядочены)	упорядочены)
Рибосомы	Имеются, масса	Имеются
	небольшая
Митохондрии и	Отсутствуют	Имеются
хлоропласты
Цитоскелет	Отсутствует	Имеется
Локализация био-	Клеточная оболочка	Митохондрии
энергетических
структур
Эволюционные	Адаптивная эволюция	Прогрессивная (воз-
перспективы	(структурные пере-	можны глубокие струк-
	стройки невозможны)	турные преобразования)

Обозначения:

@ — находящаяся в центре прокариотической клетки структура, имеющая форму ромашки (центральная часть – остов – образован РНК, “лепестки” — 50 петель ДНК); * — участки ДНК, не кодирующие первичную структуру белков, рРНК и тРНК, выполняют регуляторные функции в клетке; ** — за исключением поло­вых клеток и соматических клеток некоторых водорослей, грибов, растений (мхов); *** — прокариотические клетки размножаются простым поперечным делением; в/кл — внутриклеточные.

Б. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛЕТКИ

1) Методы исследования структурной организации клетки.

Световая микроскопия.

• Получение четких изображений мелких (недоступных челове­ческому глазу) биологических объектов (микроорганизмов, кле­ток и тканей многоклеточных организмов и др.) с помощью мик­роскопа, в котором объект освещается видимым светом.

• Применяется для изучения строения клеток, тканей и орга­нов.

Электронная микроскопия.

• Получение детальных изображений макромолекул, вирусов, бактерий, клеток и тканей многоклеточных организмов и др. био­объектов при помощи электронных микроскопов, в которых в качестве источника освещения используется поток электронов;

• Применяется для изучения ультраструктуры клеток и их раз­личных структурных компонентов — биополимерных молекул, органелл; применяя электронноплотные маркеры (коллоидное золото и др.), можно исследовать и функциональную морфоло­гию клетки — закономерности поступления и трансформации в клетке различных веществ.

2) Методы исследования химической организации клетки.

Дифференциальное центрифугирование.

• Центрифугирование смеси, полученной в результате разру­шения клеток (ткани, органа), в специальных центрифугах при различных скоростях вращения ротора, что позволяет раздельно осаждать частицы с различной массой (ядра, органеллы, макро­молекулы).

• Получение чистых фракций различных субклеточных струк­тур для последующего биохимического и биофизического иссле­дований.

Электрофорез.

• Движение заряженных частиц (макромолекул и др.), взве­шенных в электролите, при наложении внешнего электрического поля; осуществляется в среде пористого наполнителя (хромато-графическая бумага, гели); в зависимости от величины и знака заряда частиц они перемещаются к катоду или аноду и занимают совершенно определенное место (зону).

• Используется для разделения сложных смесей биополиме­ров — белков, нуклеиновых кислот и др.

Рентгеноструктурный анализ.

• Основан на изучении дифракции, возникающей при взаимо­действии рентгеновского излучения с кристаллическим образцом.

• Применяется для исследования атомно-молекулярного стро­ения биологических полимеров — пептидов, полисахаридов, нук­леиновых кислот.

3) Методы исследования жизнедеятельности клетки.

Авторадиография.

• Изучение распределения радиоактивных компонентов по по­верхности гистологического среза основано на регистрации ядер­ного излучения (чаще всего, бета-частиц) с помощью фотоэмуль­сии.

• Применяется для исследования структурных основ и кинети­ческих характеристик метаболизма различных веществ в клетке (ткани).

Культура клеток.

• Выращивание изолированных клеток вне организма путем создания условий, благоприятных для их жизнедеятельности (пи­тательная среда, поступление кислорода, оптимальная темпера­тура).

• Используется для изучения особенностей поведения клеток в отсутствие влияний интегрирующих систем организма (нервной, эндокринной, иммунной); исследование взаимодействия клеток с клетками других типов, вирусами, бактериями.

Микрохирургия.

• Проведение различных микроманипуляций с клеткой или ее структурными компонентами: удаление или пересадка ядра (яд-

рышка), введение микроэлектродов, микроинъекции красителей и т.д.

• Используется как методический прием для решения различ­ных научных задач, в частности для изучения роли ядра и цито­плазмы в развитии зародыша.

Генная инженерия

В. МОРФОЛОГИЯ КЛЕТКИ

1) Общая (описательная) морфология клетки

• Размеры:

— клеток эукариот — от 5 —7 мкм (эритроциты млекопитаю­щих) до нескольких сот микрометров и более (яйцеклетки птиц).

• Форма

— клетки эукариот сферические (яйцеклетка), отрост-чатые (нервная клетка), в виде двояковогнутого диска (эритро­цит), веретенообразные (гладкомышечная клетка), плоские (эпи-телиоцит выстилки кровеносных сосудов), кубические (эпители-оцит выстилки канальцев почки), призматические (клетка кишеч­ного эпителия), неопределенные (амеба, зернистый лейкоцит) и др.

2) Основные принципы структурной организации клетки

1. Мембранный принцип.

Мембрана является универсальным строительным блоком боль­шинства клеточных структур.

а) Химический состав биологических мембран:

• Липиды: полярные (фосфолипиды, сфингомиелины — ос­новные структурообразующие липиды; в их молекуле имеются четко разграниченные гидрофильная и гидрофобная области) и неполярные (холесте­рин — главный регулятор вязкости и, соответственно, текучих свойств мембраны).

• Белки: по функции — структурные, ферментные, транспор­тные, рецепторные; по топографии в мембране — интегральные (крупные белки, пронизывающие толщу мембраны), периферические, поверхностные.

• Вода и минеральные элементы (Са2+, Mg2+ и др.).

• Углеводы и другие компоненты.

б)Молекулярная организация.

Под электронным микроскопом биологическая мембрана выг­лядит как двухконтурная трехслойная (два темных слоя с краев и один светлый слой в середине) структура толщиной около 8 нм.

• Основу биологической мембраны составляет двойной слой фосфолипидов, молекулы которых расположены в пространстве таким образом, что их заряженные головки образуют наружный гидрофильный слой, а незаряженные жирнокислотные хвосты, ориентированные внутрь, формируют гидрофобный слой.

в)Общие функции и свойства мембран.

• Разграничительная — мембраны отграничивают клетку от окружающей микросреды, ядро от цитоплазмы, формируют стенку ряда цитоплазматических органелл и включений, делят внутрен­ний объем цитоплазмы и клетки в целом на отдельные относи­тельно автономные “отсеки” — компартменты, в которых поддер­живается неравновесная концентрация веществ.

• Транспортная — через мембрану или вдоль нее осуществляет­ся перемещение различных веществ и частиц (механизмы транс­мембранного переноса см. в разделе “Клеточная оболочка”).

• Метаболическая — на поверхности и во внутреннем объеме мембраны протекают разнообразные биохимические реакции, ка­тализируемые встроенными в нее ферментами.

• Рецепторная — в конструкцию мембраны “вмонтированы” особые рецепторные белки, осуществляющие специфическое свя­зывание химических веществ-сигналов, идущих от других струк­турных компонентов клетки или из внеклеточного окружения. Благодаря им осуществляется регуляция и координация процес­сов, протекающих в мембранных структурах клетки.

• Способность к самосборке и саморазборке — в зависимости от химического состава и физико-химических характеристик мик­росреды мембраны распадаются на составляющие их химические компоненты или формируют новые мембранные структуры.

• Самозамыкаемость — мембраны не имеют свободных краев, способных взаимодействовать с водным окружением, и поэтому за­мыкаются в везикулярные, цилиндрические и другие образования.

• Асимметричность — поверхности плазматической и других мембран клетки существенно различаются по липидному составу и по набору связанных с ними белков.

г)Мембранные структурные клетки:

— плазмалемма (клеточная мембрана);

— ядерная оболочка;

— цитоплазматическая сеть;

— комплекс Гольджи;

— митохондрии;

— лизосомы;

— пероксисомы;

— пластиды.

 

2. Фибриллярно-трубчатый принцип.

Некоторые внутриклеточные структуры имеют нитчатое или трубчатое строение. При электронной микроскопии они выглядят сходным образом, поэтому такие структуры объединены в одну группу.

К ним относятся:

— хроматиновые структуры ядра (хроматин, хромосомы);

— микротрубочки;

— микрофиламенты;

— промежуточные филаменты;

— клеточный центр;

— базальное тельце жгутиков и ресничек;

— миофибриллы (органеллы специального значения, встреча­ющиеся в структурных элементах мышечных тканей).

 

3. Глобулярный принцип.

Одна из клеточных структур — рибосома — имеет шаровидную форму.

 

3) Схема структурной организации клетки.

 

КЛЕТКА

 

клеточная цитоплазма ядро

оболочка

 

 

гиалоплазма структу- нуклеоплазма структу-

рированная рированная

часть часть

 

 

органеллы включения

 

 

общего спец.

значения значения

 

1 – 11 12 – 18 ядерная ядрышко скелетные хромати-

оболочка структуры новые

струк-

туры

 

Примечание: А – органеллы общего значения: 1 — агранулярная цитоплазматическая сеть; 2 — грану­лярная цитоплазматическая сеть; 3 — пластинчатый аппарат Гольджи; 4— митохондрия; 5— лизосома; 6 — пероксисома; 7— клеточный центр; 8 — микротрубочки; 9— промежуточные филаменты; 10 — микрофила­менты; 11 — рибосома; Б – органеллы специального значения: 12 — миофибриллы; 13 — нейрофибриллы; 14 — синаптические пузырьки; 15— пластиды; 16 — вакуоли (15 и 16 – в растительных клетках); 17 — пищеварительная ваку­оль; 18— выделительная вакуоль (17 и 18 — у одноклеточных животных).

 

Плазматическая мембрана (плазмалемма)

1. Характерные черты строения

• Большая толщина плазматической мембраны (плазмалеммы) вследствие высокого содержания интегральных белков.

• Наличие гликокаликса — надмембранной войлокообразной структуры, образованной углеводными остатками интегральных белков (гликопротеидов).

• Наличие подмембранного комплекса, представляющего со­бой ажурную конструкцию, состоящую из микротрубочек, про­межуточных фибрилл, микрофиламентов и других структур (часть цитоскелета).

2. Функции.

•Защитная: физическая — за счет вязко-эластических свойств плазмалеммы; химическая — за счет буферных свойств относи­тельно автономного слоя жидкости, “пропитывающего” гликокаликс.

• Транспортная:

механизмы транспорта

 

с затратой без затраты

плазмалеммы плазмалеммы

 

диффузия ультрафильтрация активный

перенос

фагоцитоз пиноцитоз простая облегченная

Обозначения: 1 — захват плотных частиц; 2 — захват капелек жидко­сти [1 и 2 — соответственно эндоцитоз (если в клетку) и экзоцитоз (если из клетки]; 3 — транспорт веществ по градиенту концентрации; 4 — транс­порт веществ по градиенту концентрации, но с большей скоростью, так как осуществляется с помощью белков-переносчиков (без затраты энер­гии); 5 — транспорт веществ вместе с растворителем по градиенту гид­ростатического давления; 6 — транспорт субстратов против градиента концентрации, при участии мембранных белков-ферментов, с затратой энергии (нередко в процессе переноса субстрата через мембрану он под­вергается химической модификации).

• Рецепторная — специфическое восприятие химических сиг­налов, идущих из внешней по отношению к клетке среды, и их передача внутренним структурным компонентам клетки.

• Поддержание формы клетки.

• Участие в активном движении клетки.

• Формообразовательная — неоднородность строения клеточ­ной оболочки обеспечивает формирование разнообразных много­клеточных и колониальных структур — тканей многоклеточных организмов, колоний прокариот; частным случаем гетерогеннос­ти клеточной оболочки является наличие межклеточных контак­тов (см. ниже).

3. Специализированные образования плазматической мембраны.

Дифференцированность плазмалеммы наиболее выражена у поляризованных клеток, в частности, клеток эпителиев. Для таких клеток характерно наличие двух полюсов (апикального и базального). В соответствии с этим в плазматической мембране выделяют апикальную, латеральную (боковую) и базальную части.

На апикальной части плазмалеммы — жгутики, реснички и микроворсин­ки.

• Жгутики — длинные и немногочисленные; встречаются глав­ным образом у одноклеточных; у многоклеточных организмов ими снабжены некоторые специализированные клетки, например, сперматозоиды.

• Реснички — короткие и многочисленные; встречаются у од­ноклеточных и некоторых клеток многоклеточных организмов, на­пример клеток эпителия трахеи.

• Представляют собой пальцеобразные выросты плазмалеммы, содержащие внутри аксонему (цилиндр из 10 диад микротрубо­чек: 9 по периферии + 1 в центре), в основании которой лежит базальное тельце (строение аналогично центриоли).

• Функция — двигательная.

• Микроворсинки — многочисленные пальцеобразные выросты плазмалеммы, содержащие в центре пучок микрофибрилл, кото­рые переплетаются между собой у основания и образуют терми­нальную сеть. Имеются у клеток кишечного эпителия и эпителия почечных канальцев.

• Функции — пристеночное пищеваре­ние и всасывание.

На базальной части плазмалеммы — базальный лабиринт; включает древовидные впячивания базальной части плазматической мембраны и митохондрии; встречается в клет­ках эпителия почечных канальцев.

• Функции — транспорт воды и различ­ных веществ в клетку и из клетки.

Латеральная часть плазмалеммы принимает непосредственное участие в формировании межкле­точных контактов.

• С функциональных позиций подразде­ляются на три группы: адгезионные (обес­печивают механическое “скрепление” кле­ток; десмосомы, ленточные десмосомы, полудесмосомы), замыкающие (препятствуют проникновению веществ в межклеточные щели; плотный контакт), коммуникационные (передают химические и электри­ческие сигналы от клетки к клетке; щелевидные контакты, си­напсы).

Ядро

Общие функции ядра.

• Генетическая:

— Хранение наследственной информации.

— Передача наследственной информации в ряду поколений.

— Реализация наследственной информации.

• Регуляторная:

— Регуляция метаболизма, биоэнергетики, транспорта, рецеп­ции, сокращения и др. (через соответствующие белки: ферменты, транспортные, сократительные и т.д.).

• Метаболическая — биосинтез т-РНК, НАД и др.

 

Общая схема строения ядра.

• Неструктурированная часть — нуклеоплазма.

• Структурированная часть — ядерная оболочка, скелетные струк­туры (ядерный скелет), хроматиновые структуры {хроматин, хромо­сомы), ядрышко.

Нуклеоплазма.

• Физико-химические свойства — коллоид.

• Химический состав: вода и минеральные компоненты (Na, К, Mg, Ca и др.).

— Водорастворимые белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и продукты их метаболизма.

• Функции.

— Растворитель для полярных веществ.

— Среда для протекания процессов метаболизма, биоэнерге­тики, транспорта и др.

 

Ядерная оболочка (кариолемма).

• Ультраструктура .

— Наружная и внутренняя мембраны.

— Комплекс поры.

— Ламина (плотная пластинка, состоящая из промежуточных филаментов, располагается под внутренней мембраной).

— Перинуклеарное пространство.

— Пристеночные гранулы — для прикрепления нитей хроматиновых структур к внутренней мембране.

• Биохимическая характеристика.

— Липиды.

— Мембранные белки — рецепторные, транспортные и др.

• Функции.

— Разграничительная и опорная (для хроматиновых структур).

— Транспортная, через поры, через одну или две мембраны, путем “впячивания—выпячивания с последующим отрывом”.

• Биогенез: формируется в телофазе митоза из мембран ЦПС, комплекса Гольджи и др.

 

Ядерный скелет.

• Ультраструктура.

— Плотная пластинка (ламина) с поровыми комплексами.

— Фибриллярно-гранулярная сеть.

• Биохимическая характеристика: негистоновые белки, поли­сахариды, липиды, нуклеиновые кислоты.

• Функции.

— Поддержание формы ядра.

— Опора для хроматиновых структур.

— Участие в транспортных процессах.

• Биогенез: формируется в телофазе из растворенных белков.

 

Ядрышко.

• Структура: округлое компактное образование преимуществен­но нитчатого строения. Компоненты:

— Нуклеолонема (основная нит­чатая структура, состоит из рибонук-леопротеидных нитей).

— Гранулярный компонент (рибонуклеопротеидные гранулы).

— Ядрышковый хроматин .

• Биохимическая характеристика.

— ДНК (в форме дезоксирибонуклеопротеида) содержит гены, коди­рующие рРНК.

— Ферменты транскрипции.

— рРНК.

— Рибонуклеопротеиды (фибрил­лы и гранулы — рибосомы на разных стадиях созревания).

— Негистоновые белки.

— Минеральные компоненты.

• Функции.

— Биосинтез РНК.

— Сборка рибосомных частиц (белки приходят из цитоплазмы).

• Биогенез: формируется в телофазе при участии ядрышкового организато­ра — специального участка определен­ной хромососы.

 

Хроматиновые структуры.

• Хроматин и хромосомы — две фор­мы существования одного материала: в

ядрах неделящихся клеток — хроматин, в делящихся митозом или мейозом — хромосомы.

• Биохимическая характеристика хроматиновых структур.

— ДНК (в форме дезоксирибонуклеопротеида).

— Гистоновые белки.

— Негистоновые белки (регуляторные белки и др.).

— Ферменты (ДНК-полимераза, РНК-полимераза и др.).

— и-РНК, т-РНК.

• Молекулярная организация хроматиновых структур соответ­ствует по нуклеосомному принципу.

— Построены из однотипных структурных единиц — нуклеосом.

— Основу (сердцевину или кор) нуклеосомы составляет образование, состоящее из 8 молекул гистоновых белков, на которую намота­ны в виде левозакрученной суперспирали 2 витка ДНК.

— Молекула ДНК непрерывна и переходит с одной нуклеосо­мы на другую, соединяя их в линейную структуру — нуклеосомную нить.

Хроматин.

• Структура.

— Светооптическая характеристика: базофильные глыбки раз­личной плотности, располагающиеся преимущественно на пери­ферии ядра.

— Электронно-микроскопическая характеристика: сложно орга­низованная сеть из фибрилл и гранул, различных по размеру и электронной плотности.

— Фракции: эухроматин (деконденсированный; функциональ­но активен) и гетерохроматин (конденсированный; функциональ­но неактивен).

• Функции:

— хранение наследственного материала;

— самоудвоение генетической информации;

— реализация генетической информации (биосинтез иРНК и тРНК).

• Биогенез: формируется в телофазе митоза путем деспирали-зации хромосом.

 

Хромосомы.

• Структура.

— Светооптическая характеристика:

а) общая морфология хромосомы (центромера, плечи, теломеры и т.д.);

б) Модель структурной организации (модель ступенчатой спирализации) предполагает, что в хромосоме каждая нитчатая структура n-ого порядка формируется вследствие спирализации определенного множества нитей

(n – 1)-го порядка. Так, нуклеосомная нить х n ----- элементарная хромосомная нить х m ----- хромонема х 2 (4) ----- хроматида х 2 ----- хромосома.

• Морфологическая классификация и понятие о кариотипе:

— в зависимости от соотношения длины плеч (равноплечные, почти равноплечные, неравноплечные; особый ва­риант— спутничные хромосомы).

• Функции: хранение и передача генетической информации в ряду клеточных поколений.

• Биогенез: формируются в профазе в результате спирализации нитей хроматина.

— Кариотип — видоспецифический набор хромосом (характе­ризуется числом, размерами и формой хромосом).

 

Г. ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

1. Общие проявления жизнедеятельности клетки

А) Метаболизм.

Метаболизм — совокупность процессов обмена веществ и энер­гии внутри клетки и между клеткой и окружающей ее сре­дой.

• Составные части процесса метаболизма.

— Катаболизм {диссимиляция; энергетический обмен): разруше­ние биологических структур и сложных молекул до мономеров или конечных продуктов; сопровождается выходом энергии.

— Анаболизм {ассимиляция; пластический обмен): синтез слож­ных молекул из простых мономеров и сборка биологических струк­тур; сопровождается поглощением энергии.

• Звеньями, сопрягающими анаболизм и катаболизм, являют­ся энергия и ферменты: с одной стороны, для протекания реак­ций расщепления сложных органических соединений до простых и дальнейшего их окисления до неорганических веществ необхо­димы ферменты, с другой стороны, для биосинтеза белков-фер­ментов требуется энергия.