Естественнонаучный Институт

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Естественнонаучный Институт

Кафедра Биологии

                                           

                   

                           

 

СБОРНИК МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ

К САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине

 

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

 

Уровень профессионального образования: высшее образование – бакалавриат

 

Направление подготовки: 06.03.01 Биология

 

Профиль подготовки: Биохимия

Квалификация выпускника: бакалавр

 

Форма обучения: очная, очно-заочная

 

Тула 2015 г.

Методические указания к самостоятельным работам составлены доцентом кафедры биологии к.б.н. Н.Л. Лагуновой и обсуждены на заседании кафедры биологии естественнонаучного института

Протокол № _____ от «___» ____________20____ г.

Зав. кафедрой ________________ Е.Н.Музафаров

 

 

Методические указания к самостоятельным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры биологии естественнонаучного института

Протокол № _____ от «_____» __________ 20_____ г.

Зав кафедрой __________________ Е.Н.Музафаров

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

СОДЕРЖАНИЕ.. 3

ВВЕДЕНИЕ.. 3

Раздел №1. Живые системы и их свойства. 4

Тема 1. НЕКОТОРЫЕ Проблемы биологии (ВЫБОР темы доклада по результатам анализа публикаций). 5

ТЕМА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ.. 13

Тема 3. БИОРИТМЫ. ТЕОРИЯ «ТРЕХ РИТМОВ». 22

 

Раздел №2. Метаболизм. Экспрессия генов. 28

ТЕМА 4. Метаболизм: обмен веществ и превращение энергии.. 28

ТЕМА 5. Экспрессия генов.. 36

 

Раздел №3. Клетка, ее строение и воспроизведение. 41

Тема 6. МЕМБРАННАЯ СИСТЕМА КЛЕТКИ.. 41

Тема 7. Методы изучения клеток.. 43

Тема 8. ОБЩИЙ ПЛАН СТРОЕНИЯ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ.. 46

ТЕМА 9. МИТОЗ. Жизненный цикл клетки. АПОПТОЗ. НЕКРОЗ. регуляция численности клеток в организме. Мейоз и его биологическое значение 51

Методическая литература для самостоятельной работы.. 60

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Общая биология - это современная наука о живом, включающая разделы о происхождении, строении, функционировании, росте, развитии, наследственности и изменчивости организмов, о взаимоотношениях организмов между собой и со средой. Изучение дисциплины «Общая биология» даёт необходимый объём знаний, умений и владений, позволяющих судить о результатах деятельности человека в окружающей среде и воздействии факторов, порожденных этой деятельностью, на организм человека, животных и растений, и, опосредовано - опять на человека, что важно на современном этапе развития производства и технологий. Знания, умения и владения, сформированные при изучении учебной дисциплины «Общая биология» необходимы для освоения дисциплин «Цитология с основами гистологии», «Микробиология с основами вирусологии», «Генетика и эволюция», «Экология и рациональное природопользование», «Биофизика», «Молекулярная биология», «Биохимия», а также прохождения учебно-ознакомительных и производственной практик.

Самостоятельное изучение теоретического материала предполагает такую работу с учебной литературой, итогом которой является конспект, схема, таблица, реферат. Для облегчения усвоения курса некоторые вопросы освещены в виде доступного дополнительного материала. Все задания для индивидуальной самостоятельной работы выдаются и принимаются преподавателем согласно графику выполнения самостоятельной работы. Самостоятельная работа выполняется студентами с использованием учебно-методической литературы, приведенной в Рабочей программе по дисциплине. Самостоятельно изучаемые вопросы курса включаются в вопросы для проведения промежуточной аттестации по предмету.

.

 

 

 

 

 Раздел №1. Живые системы и их свойства

 

Тема 1. НЕКОТОРЫЕ Проблемы биологии (ВЫБОР темы доклада по результатам анализа публикаций)

Биосфера и человечество

Быстрый рост населения земного шара ставит вопрос о границах биологической производительности биосферы Земли. Через 100-200 лет при сохранении современных способов ведения земного хозяйства и тех же темпов роста численности человечества почти половине людей не хватило бы не только пищи и воды, но и кислорода для дыхания. Вот почему в короткий срок, за время жизни 2-3 поколений людей признаётся необходимым, во-первых, организовать строгую охрану природы и ограничивать в разумных пределах многие промыслы и прежде всего истребление лесов; во-вторых, приступить к обширным мероприятиям, направленным на резкое повышение биологической производительности земной биосферы и интенсификацию биологических круговоротов как в природных, так и в культурных биогеоценозах.

Нормально функционирующая биосфера Земли не только снабжает человечество пищей и ценнейшим органическим сырьём, но и поддерживает в равновесном состоянии газовый состав атмосферы, растворы природных вод и круговорот воды на Земле. Т.о., количественный и качественный ущерб, наносимый человеком работе биосферы, не только снижает продукцию органического вещества на Земле, но и нарушает химическое равновесие в атмосфере и природных водах. При осознании людьми масштабов опасности и разумном отношении к среде своего обитания - биосфере Земли - будущее выглядит иначе. Научная и промышленная мощь людей уже достаточно велика для того, чтобы не только разрушать биосферу, но и производить мелиоративные, гидротехнические и иные работы любого масштаба.

Первичная биологическая продуктивность Земли связана с использованием солнечной энергии, поглощаемой в ходе фотосинтеза, и энергией, получаемой посредством хемосинтеза первичными продуцентами. Если человечество перейдёт к повышению средней плотности зелёного покрова Земли (для чего имеются технические возможности), то этим путём на энергетическом входе в биосферу биологическая производительность Земли может быть резко, в 2 - 3 раза, повышена. Этого можно достичь, если в процессе мелиорации и увеличения плотности зелёного покрова повысить участие в нём видов зелёных растений с высоким "коэффициентом полезного действия" фотосинтеза.

Для интродукции полезных видов в сообщества растений совершенно необходимо знание условий поддержания и нарушения биогеоценотического равновесия, иначе возможны биологические катастрофы: хозяйственно опасные "вспышки" численности одних видов, катастрофическое снижение численности других и т.д. Рационализируя биогеохимическую работу природных и культурных биогеоценозов, поставив на разумную основу охотничьи, зверобойные, рыбные, лесные и другие промыслы, а также введя в культуру из огромного запаса диких видов новые группы микроорганизмов, растений и животных, можно ещё в 2 - 3 раза повысить биологическую производительность и полезную человеку биологическую продуктивность биосферы.

Огромные возможности открывает и селекция окультуренных микроорганизмов и растений. В ближайшем будущем, когда селекционеры смогут использовать достижения быстро развивающихся современных молекулярной генетики и феногенетики, успехи этих исследований будут стимулированы развитием и использованием "экспериментальной" эволюции культурных растений, основанной на отдалённой гибридизации, создании полиплоидных форм, получении искусственных мутаций и т.п. Агротехнике также предстоит переход на новые формы, резко повышающие урожай (одно из реальных направлений - переход от монокультур к поликультурам).

Наконец, люди ближайшего будущего должны будут научиться улавливать на выходах из биологических круговоротов не малоценные, мелкомолекулярные продукты конечной минерализации органических остатков, а крупномолекулярное органическое вещество (типа сапропелей). Все эти пути и методы увеличения производительности биосферы лежат в пределах реального для науки и техники предвидимого будущего и наглядно иллюстрируют грандиозные потенциальные возможности развивающегося человеческого общества, с одной стороны, и значение биологических и экологических исследований самых разных масштабов и направлений для жизни человечества на Земле - с другой.

Все преобразовательные мероприятия, которые человек должен проводить в биосфере, невозможны без знания богатства главных форм и их взаимоотношений, что предполагает необходимость инвентаризации животных, растений и микроорганизмов в разных районах Земли, ещё далеко не завершенной. Во многих крупных группах организмов неизвестен даже качественный состав входящих в группу видов организмов. Развёртывание инвентаризации требует оживления и резкой интенсификации работ по систематике, экологии популяций, биоценологии и биогеографии.

Важное практическое направление биологических исследований в этом плане - изучение среды обитания человека в широком смысле и организация на этой основе рациональных способов ведения народного хозяйства. Это направление исследований связано с охраной природы и ведётся в основном в биогеоценологическом аспекте.

 

Регуляция функций клетки

Характерные черты процессов, происходящих в живой системе, - их взаимная согласованность и зависимость от регуляторных механизмов, обеспечивающих поддержание относительной стабильности системы даже при меняющихся условиях среды. Регуляция внутриклеточных процессов может достигаться изменением набора и интенсивности синтеза ферментных и структурных белков, влиянием на ферментативную активность, изменением скорости транспорта веществ через оболочку клетки и другие биологические мембраны.

Синтез белка зависит от синтеза молекул РНК, переносящих информацию с соответствующего гена - участка ДНК. Т.о., "включение" гена - начало синтеза на нём молекулы РНК, - одно из мест регуляции синтеза белка. Пока только для бактерий вскрыта одна из схем регуляции усвоения питательных веществ из среды, достигаемая включением и выключением генов, определяющих синтез необходимых ферментов. Молекулярный механизм включения генов (в особенности у многоклеточных организмов) не выяснен, и это остаётся первоочередной задачей молекулярной биологии.

Скорость синтеза белка может, по-видимому, регулироваться и непосредственно на месте синтеза - на рибосомах. Иная, более оперативная система регуляции основана на изменении ферментативной активности, что достигается взаимодействием тех или иных веществ с молекулой фермента и обратимой модификацией её третичной структуры. Если фермент катализирует начальную реакцию в цепи химических превращений, а вещество, подавляющее его активность, - конечный продукт этой цепи, то устанавливается система обратной связи, автоматически поддерживающая постоянную концентрацию конечного продукта. Скорость химических процессов в клетке может зависеть и от темпа поступления в клетку, её ядро, в митохондрии соответствующих веществ или скорости их выведения, что определяется свойствами биологических мембран и ферментов. В связи с отсутствием полного представления о регуляции внутриклеточных процессов над этой проблемой работают многие исследователи.

 

Классификация биоритмов

Классификация ритмов базируется на строгих определениях, которые зависят от выбранных критериев.

Классификация биоритмов по Ю. Ашоффу (1984 г.) подразделяется:

§ по их собственным характеристикам, таких как период;

§ по их биологической системе, например популяция;

§ по роду процесса, порождающего ритм;

§ по функции, которую выполняет ритм.

 

Диапазон периодов биоритмов широкий: от миллисекунд до нескольких лет. Их можно наблюдать в отдельных клетках, в целых организмах или популяциях. Для большинства ритмов, которые можно наблюдать в ЦНС или системах кровообращения и дыхания, характерна большая индивидуальная изменчивость. Другие эндогенные ритмы, например овариальный цикл, проявляют малую индивидуальную, но значительную межвидовую изменчивость.

У других ритмов периоды остаются неизменными в естественных условиях, то есть они синхронизированы с такими циклами внешней среды, как приливы, день и ночь, фазы Луны и время года. С ними связаны приливные, суточные, лунные и сезонные ритмы биологических систем. Каждый из указанных ритмов может поддерживаться в изоляции от соответствующего внешнего цикла. В этих условиях ритм протекает «свободно», со своим собственным, естественным периодом.

Наиболее распространена классификация биоритмов по Ф. Халбергу (1964), по частотам колебаний, то есть по величине, обратной длине периодов ритмов:

 

Зона ритмов	Область ритмов	Длина периодов
Высокочастотная	Ультрадианная	менее 0,5 ч
		0,5 — 20 ч
Среднечастотная	Циркадианная (Циркадная)	20 — 28 ч
	Инфрадианная	28 ч — 3 сут
Низкочастотная	Циркасептанная	7 + 3 сут
	Циркадисептанная	14 + 3 сут
	Циркавигинтанная	20 + 3 сут
	Циркатригинтанная	30 + 7 сут
	Цирканнуальная	1 год + 2 мес

 

Разберем чуть подробнее. Ритмы длительностью больше суток - инфрадианные ритмы. Примеры: впадение в зимнюю спячку (животные), менструальные циклы у женщин (человек).

Ритмы длительностью меньше суток - ультрадианные ритмы. Примеры: концентрация внимания, изменение болевой чувствительности, процессы выделения и секреции, цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8 -часового нормального сна у человека. В опытах на животных было установлено, что чувствительность к химическим и лучевым поражениям колеблется в течение суток очень заметно.

Центральное место среди ритмических процессов занимает циркадианный (циркадный, или околосуточный) ритм, имеющий наибольшее значение для организма. Понятие ввел в 1959 году Халберг. Циркадианный (околосуточный) ритм является видоизменением суточного ритма с периодом 24 часа, протекает в константных условиях и принадлежит к свободно текущим ритмам. Это ритмы с не навязанным внешними условиями периодом. Они врожденные, эндогенные, то есть, обусловлены свойствами самого организма. Период циркадианных ритмов (ЦР) длится у растений 23-28 часов, у животных 23-25 часов.

Поскольку организмы обычно находятся в среде с циклическими изменениями ее условий, то ритмы организмов затягиваются этими изменениями и становятся суточными. ЦР обнаружены у всех представителей животного царства и на всех уровнях организации. В опытах на животных установлено наличие ЦР двигательной активности, температуры тела и кожи, частоты пульса и дыхания, кровяного давления.

Суточным колебаниям оказались подвержены содержания различных веществ в тканях и органах, например, глюкозы, натрия и калия в крови, плазмы и сыворотки в крови, гормонов роста и др. По существу, в околосуточном ритме колеблются все показатели:

§ эндокринные,

§ гематологические,

§ показатели нервной системы,

§ мышечной,

§ сердечно-сосудистой,

§ дыхательной,

§ пищеварительной.

В этом ритме меняется содержание и активность десятков веществ в различных тканях и органах тела, в крови, моче, поте, слюне, интенсивность обменных процессов, энергетическое и пластическое обеспечение клеток, тканей и органов. ЦР подчинены чувствительность организма к разнообразным факторам внешней среды и переносимость функциональных нагрузок. У человека выявлено около 500 функций и процессов, имеющих циркадианную ритмику.

Установлена зависимость суточной периодики, присущей растениям, от фазы их развития. В коре молодых побегов яблони был выявлен суточный ритм содержания биологически активного вещества флоридзина, характеристики которого менялись соответственно фазам цветения, интенсивного роста побегов и т. д. Одно из наиболее интересных проявлений биологического измерения времени - суточная периодичность открывания и закрывания цветков у растений.

Важнейшие природные ритмы,

Теория «трёх ритмов»

Популярная в конце XX века теория «трёх ритмов» была предложена рядом авторов в конце XIX века в виде гипотезы и позже была экспериментально опровергнута. Гипотеза предполагала наличие многодневных ритмов, не зависящих как от внешних факторов, так и от возрастных изменений самого организма. Пусковым механизмом этих ритмов является только момент рождения человека, при котором возникают ритмы с периодом в 23, 28 и 33 суток, определяющие уровень его физической, эмоциональной и интеллектуальной активности.

Графическим изображением каждого из этих ритмов является синусоида. Однодневные периоды, в которые происходит переключение фаз («нулевые» точки на графике) и которые, якобы, отличаются снижением соответствующего уровня активности, получили название критических дней. Если одну и ту же «нулевую» точку пересекают одновременно две или три синусоиды, то такие «двойные» или «тройные» критические дни предполагались особенно опасными. Данная гипотеза не подтверждена научными исследованиями и основывается на бессистемных эмпирических наблюдениях.

Предположению о существовании «трех биоритмов» более ста лет. Её авторами стали три исследователя: психолог Герман Свобода, отоларинголог Вильгельм Флисс, изучавшие эмоциональный и физический биоритмы, и преподаватель Фридрих Тельчер, исследовавший интеллектуальный ритм.

Свобода, анализируя поведение своих пациентов, обратил внимание, что их мысли, идеи, импульсы к действию повторяются с определённой периодичностью. Он пошёл дальше и начал анализировать начало и развитие болезней, особенно цикличность сердечных и астматических приступов. Результатом этих исследований стало предположение существования ритмичности физических (22 дня) и психических (27 дней) процессов.

Доктора Вильгельма Флисса заинтересовала сопротивляемость организма человека болезням. Почему дети с одинаковыми диагнозами в одно время имеют иммунитет, а в другое - умирают? Собрав данные о начале болезни, температуре и смерти, он связал их с датой рождения. Расчёты показали, что изменения иммунитета можно попытаться прогнозировать с помощью 22-дневного физического и 27-дневного эмоционального биоритмов.

Фридрих Тельчер заметил, что желание и способность студентов воспринимать, систематизировать и использовать информацию, генерировать идеи время от времени изменяются, то есть имеют ритмический характер. Сопоставив даты рождений студентов, экзаменов, их результаты, он предложил интеллектуальный ритм с периодом 32 дня. Тельчер продолжал свои исследования, изучая жизнь творческих людей. В результате он предположил существование «пульса» интуиции - 37 дней.

Впоследствии исследования биоритмов продолжились в Европе, США, Японии. Особенно интенсивным этот процесс стал с появлением компьютеров. В 1970-1980 годах биоритмы завоевали весь мир. В том числе, производились аппаратные средства для подсчёта «биоритмов» (например, Casio Biolator). Сейчас мода на биоритмы прошла.

Академические исследователи отвергли «теорию трёх биоритмов». Теоретическая критика излагается, например, в научно-популярной книге признанного специалиста в хронобиологии Артура Уинфри. К сожалению, авторы научных (не научно-популярных) трудов не сочли нужным специально уделить время критике, однако ряд публикаций (на русском языке это, например, сборник под редакцией Юргена Ашоффа, книга Л. Гласса и М. Мэки и другие источники) позволяют сделать вывод, что «теория трёх биоритмов» лишена научных оснований. Гораздо убедительнее, однако, экспериментальная критика «теории». Многочисленные экспериментальные проверки 1970-80-х годов полностью опровергли «теорию» как несостоятельную. В настоящее время «теория трёх ритмов» научным сообществом не признаётся и рассматривается как псевдонаука.

Благодаря широкому распространению «теории трёх ритмов», слова «биоритм» и «хронобиология» нередко ассоциируются с псевдонаукой. На самом деле хронобиология представляет собой научную доказательную дисциплину, лежащую в традиционном академическом русле исследований, а путаница возникает в связи с неверным использованием названия научной дисциплины по отношению к псевдонаучной теории.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте характеристику инфрадианным и ультрадианным ритмам. Какие ритмам подчиняется человек, на каком уровне организации? Приведите примеры.

2. Каковы особенности планирования эксперимента на дневных животных и животных, ведущих ночной образ жизни? Тема эксперимента – на усмотрение выступающего.

3. Применение опытных фармпрепаратов в экспериментальных клиниках в течение суток – необходима ли корректировка по времени, например, контрольной и опытной группы?

4. Сочетание фактора усиления занятий фитнесом (у студента) или тренировок (у профессионального спортсмена) со временем суток – есть ли необходимость учитывать этот фактор?

Проблема расписания занятий: физкультура первой парой – есть ли вред и как его минимизировать? Сравните с проблемой перевода часов на зимнее (летнее) время для человека и сельскохозяйственных животных.

7. Время сдачи биологических жидкостей для анализа и приготовление экстрактов тканей живых организмов: надо ли планировать и как?

Как Вы относитесь к мнению психологов, что смена фаз луны вызывает изменения в поведении некоторых людей (в частности, известно, что в новолуние растёт число самоубийств, сердечных приступов и пр.)? Рассмотрите конкретную жизненную ситуацию и выразите к ней отношение с позиций биоэтики.

 

Раздел №2. Метаболизм. Экспрессия генов

Роль АТФ в метаболизме

АТФ - аденозинтрифосфат - является производ­ным нуклеотида аденозина, в котором к его фосфату линейно ковалентно присоединены еще 2 фосфата (ос­татка фосфорной кислоты). В силу ряда причин связь между двумя фосфатами энергетически очень насыщена и при ее разрыве выде­ляется большое количество энергии. Подобные связи называют макроэргическими, а вещества, обладающие ими, - макроэргами. При разрыве первой макроэргической связи в молекуле АТФ (между концевым и вто­рым фосфатами) выделяется 33 (40) кДж/моль и столько же при разрыве второй (между вторым и внутренним фос­фатами). Третья связь (между внутренним фосфатом и рибозой) макроэргической не является, хотя при ее разрыве также выделяется энергия.

 

       Таким образом, АТФ способен к двухступенчатому гидролизу с высвобож­дением 2 фосфатов, при этом выделяется 80 кДж/моль (теоретически) или 66 кДж/моль с вычетом всех фактических затрат:

 

АТФ → АДФ + Рi → АМФ + Рi.

33 кДж/М      33 кДж/М

 

Главная функция АТФ - хранение, перенос и вы­деление энергии, необходимой для протекания любых реакций.

Все процессы в клетке, которые обеспечивают ее энергией, в конечном счете, приводят к образованию АТФ из АДФ и фосфата (или из АМФ и 2 фосфатов). АТФ - достаточно стабильное соединение, он способен переме­щаться по всей клетке, «храня в себе» запас энергии. В том месте, где она необходима, АТФ расщепляется и выделяет «порцию» энергии. Образуется АТФ преиму­щественно в митохондриях.

АТФ является универсаль­ным переносчиком энергии. Все живые организмы Зем­ли используют его. Существуют и другие макроэргические связи и другие макроэрги (например ГТФ, которая используется преимущественно в биосинтезах), но только АТФ является «всеобщей энергетической валютой», которую «призна­ют» все химические процессы.

Теперь перейдем к рассмотрению примеров метабо­лических процессов, главнейшими среди которых, связанных с запасанием энергии в АТФ, является клеточное дыхание и фотосинтез.

 

Клеточное дыхание

Процесс разложения (окисления) глюкозы в клетке до CO₂ и Н₂О в присутствии свободного кислорода и запасания выде­лившейся при этом энергии называется клеточным ды­ханием. Его не следует путать с физиологическим дыха­нием - газобменом в легких или жабрах.

Вообще, под термином «окисление» понимают от­нимание у субстрата электронов. В биохимических про­цессах окисление чаще всего происходит путем одновре­менного отнимания от субстрата электронов и протонов, т.е. атомов водорода. Эти отнятые атомы водорода пере­даются на специальные переносчики: НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД (флавинадениндинуклеотид) и ФМН (флавинмононуклеотид). Эти переносчики являются коферментами многих ферментов-оксидоредуктаз.

 

Клеточное дыхание состоит из 3 этапов:

1. а) расщепление глюкозы до пирувата (гликолиз)

б) образование ацетилкофермента А;

2. преобразование ацетилкофермента А в цикле Кребса до СО₂;

3. окислительное фосфорилирование (работа ЭТЦ митохондрий).

 

Первая часть первого этапа (гликолиз) протекает в цитоплазме и не требует присутствия молекулярного кислорода О₂. Процесс со­стоит из 10 последовательных реакций и осуществляет­ся 9 ферментами. В ходе реакций образуется 2 молекулы АТФ (из АДФ и неорганического фосфата Р_i) и 2 молеку­лы восстановленного НАД•Н, а в результате 6-углеродная молекула глюкозы расщепляется на две 3-углеродных молекулы пирувата СН₃СОСООН (или C₃H₄O₃).

Дальнейшая судьба пирувата зависит от наличия О₂ в среде. Все процессы превращения пирувата в бескислород­ной среде в клетках бактерий носят название брожения. Наибольшее значение имеют следующие его виды.

Молочнокислое брожение осуществляют молочнокис­лые бактерии родов Streptococcus, Lactobacterium, Bifidobacterium и др. У них пируват восстанавливается до молочной кислоты. Этот процесс лежит в основе по­лучения кисломолочных продуктов.

Недостаток кисло­рода, возникающий в наших мышцах во время интен­сивных физических нагрузок, приводит к тому, что в них начинают идти процессы сбраживания глюкозы до молочной кислоты. Ее накоплением и объясняются бо­левые ощущения в мышцах после тяжелой работы или возобновления прерванных занятий спортом. Иногда именно процесс расщепления глюкозы до молочной кисло­ты называют гликолизом. Описанный выше первый этап расщепления глюкозы тогда представляет собой гликолиз без последней реакции (восстановления пирувата).

При спиртовом брожении пируват восстанавлива­ется до этилового спирта. Осуществляют его дрожжи Saccharomyces, бактерии Criptococcus; оно ответственно за винокурение. Известны также уксуснокислое, маслянокислое и другие виды брожения.

У аэробов в присутствии О₂ пируват переносится из цитоплазмы в митохондрии, преобразуется в ацетилкофермент А (с выделением НАД•Н), который поступает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, ЦТК) на молекулу щавеливо-уксусной кислоты (ЩУК), так начинается второй этап клеточного дыхания. На этом этапе происходит от­щепление карбоксильных групп в виде СО₂, а затем регенерация первичного акцептора цикла - ЩУК. Этап протекает с участием 7 ферментов и 2 мультиферментных комплексов через 19 реакций (из них 10 идут в виде двух неразрывных цепочек). При этом образуются 1 мо­лекула АТФ, 3 молекулы восстановленного НАД•Н и 1 молекула восстановленного ФАД•Н₂. Или, учитывая то, что из молекулы глюкозы первоначально образовалось 2 молекулы пирувата: 2 мо­лекулы АТФ, 6 молекул восстановленного НАД•Н и 2 молекулы восстановленного ФАД•Н_2.

Суммарное уравнение окисления глюкозы выглядит так:

 

С₆Н₁₂О₆ + 4АДФ + 4Рi + 10НАД⁺ + 2ФАД → 6СО₂ + 4АТФ + 10НАД•Н + 2ФАД•Н_2.

 

Образовавшийся СО₂ у животных поступает в кровь и удаляется из организма через органы дыхания (легкие или жабры), а у растений - через устьица.

Восстановленные НАД•Н и ФАД•Н₂ участвуют в третьем этапе клеточного дыхания - окислительном фосфорилировании. В результате происходит окисление атомов водорода молекулярным кислородом с образова­нием воды и запасание выделившейся энергии в виде АТФ. Однако процесс окисления осуществляется в не­сколько этапов последовательной передачей электронов по цепи молекул-переносчиков или электронотранспортной цепи (ЭТЦ). Она локализуется во внутренней мем­бране митохондрий.

В состав ЭТЦ входит ряд компонентов: убихинон (коэнзим Q) и цитохромы b , с₁, с, а и а₃. Пару цитохромов а и а₃ называют также цитохромом аа₃ или цитохромоксидазой.

В результате работы ЭТЦ атомы водорода с НАД•Н и ФАД•Н₂ разделяются на протоны и электроны. Элек­троны в конце концов переносятся на атомы кислоро­да, а протоны - в межмембранное пространство ми­тохондрий. Последние затем через пронизывающий всю мембрану белок АТФ-синтазу возвращаются в матрикс; при этом образуется АТФ из АДФ и фосфата.

Механизм образования АТФ продолжает изучаться. Наи­более широко распространена гипотеза Митчела (1961), согласно которой АТФ образуется за счет кинетической энергии протона, проходящего через АТФ-синтазу.

Один НАД•Н участвует в образовании 3 АТФ, а один ФАД•Н₂ - 2 АТФ. Таким образом, суммарное уравне­ние расщепления глюкозы можно записать в виде:

 

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38Н₃РО₄ + 38АДФ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ.

 

Кроме глюкозы окислению могут подвергаться га­лактоза, фруктоза, манноза, все 20 аминокислот, а так­же жирные кислоты и спирты липидов.

 

Анаэробное дыхание

Под анаэробным дыханием понимают принцип по­лучения энергии, при котором электроны, освобождаю­щиеся в процессе гликолиза, «сбрасываются» на неорга­нические вещества, а не на молекулярный О₂, как у аэро­бов. Неорганические молекулы при этом восстанавлива­ются. Строго говоря, этот процесс истинным дыханием не является и используемый термин не совсем удачен, тем не менее, он прижился.

Бактерии, «дышащие» та­ким способом, являются облигатными анаэробами и де­лятся на две основные группы: денитрификаторы - вос­станавливают азот:

 

(N⁺⁵O₃)^- → N^-3H₃

 

и сульфатредукторы - восстанавливают серу:

 

(S⁺⁶O₄)^2- → H₂S.

 

He следует путать клеточное (аэробное) дыхание, анаэробное дыха­ние и брожение. Все три пути различаются акцепторами электронов, высвобождающихся при окислении органи­ки: это О₂ в первом случае, NO₃^- и SO₄^2- - во втором и органические молекулы - в третьем.

Фотосинтез

Фотосинтез - это сложный процесс преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ и последующий синтез молекул глюкозы из СО₂ и Н₂O. Его суммарное уравнение можно записать следующим образом:

 

       hγ

6CO₂ + 6H₂О → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

 

Установлено, что фотосинтез включает в себя 3 прин­ципиально различных типа реакций:

♦ фотофизические;

♦ фотохимические;

♦ энзиматические (ферментативные).

В связи с этим в фотосинтезе выделяют 3 основных этапа:

1. Фотофизический. Заключается в поглощении кван­тов света (hγ) хлорофиллом.

 

                                                                         hγ

хл → хл*

(где хл - хлорофилл).

 

При этом электроны (е^-) молекул пигмента перехо­дят на более высокий энергетический уровень - возбуж­даются (обозначается значком *).

2. Фотохимический. Состоит из нескольких стадий, на которых происходят следующие события:

а. Энергия возбуждения тратится на разделение за­рядов. Это центральное событие фотосинтеза. На данной стадии происходит преобразование электромагнитной энергии в химический потенциал.

А^-

хл* → (хл)

Д ⁺

(где Д - донор е, а А - их акцептор).

 

б. Энергия «разделенного заряда» преобразуется в энергию химических связей. На этой стадии электроны «спускаются» по ЭТЦ хлоропластов, компоненты кото­рой напоминают компоненты ЭТЦ митохондрий.

 

Х1 ^е- → Х₂ ^е- → Х₃ ^е-... → НАДФ•Н, АТФ.

 

Это приводит к образованию НАДФ•Н и АТФ.

в. Фотолиз воды. У всех растений и цианобактерий (синезеленых водорослей) источником протонов для НАДФ•Н является вода. Расщепление воды под действи­ем света называют фотолизом воды:

 

        hγ

Н₂О → 1/2 О₂ + 2Н⁺ + 2е^-

 

Образовавшиеся е^- замещают электроны, отданные молекулой донора, а атомы кислорода объединяются в молекулы и как побочный продукт фотосинтеза удаля­ются в атмосферу.

3. Ферментативный. На этом этапе осуществляются процессы восстановительного превращения углеро­да:

 

НАДФ•Н, АТФ

CO₂ →→→ C₆H₁₂O_6.

 

Накопленная на предыдущих стадиях энергия ис­пользуется для восстановления углерода и синтеза угле­водов.

Часто процесс фотосинтеза разделяют на свето­вую и темновую стадии. К темновой при этом относят стадию восстановления углерода и образование орга­нического вещества, а к световой - все остальные, хотя обязательного присутствия квантов света требует лишь фотофизический этап, а также фотолиз воды. Фотохимическим же второй этап фотосинтеза называ­ется по той причине, что во время его протекания энер­гия света преобразуется в энергию химических свя­зей.

Хлорофилл а является основным светоулавливающим пигментом. Другие виды хлорофилла (например, b, с), а также каратиноиды и фикобилины расширяют спектр «используемого» света, а также защищают клет­ки от действия ультрафиолетовых лучей и активных форм кислорода.

 

Синтез глюкозы

Известны несколько путей фотоассимиляции СО₂ (синтеза глюкозы): цикл Кальвина (восстановительный пентозфоcфатный цикл или С₃-путь), цикл Хэтча-Слэка (С₄-путь), САМ-метаболизм. Наиболее распространенным из них является цикл Кальвина (назван в честь открыв­шего его Мелвина Кальвина).

По современным представлениям, он включает в себя 12 реакций, объединенных в 3 стадии.

1. Карбоксилирование. Молекулы СО₂ взаимодейству­ют с пятиуглеродным соединением, в результате чего образуются молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), содержащей три атома углерода:

 

       +6СО₂

6С₅ →→ 12С_3.

 

2. Восстановление. На этой стадии происходит восстанов­ление ФГК до альдегида с использованием НАДФ•Н и АТФ, образовавшихся при фотосинтезе, и удале­ние из цикла двух синтезированных молекул, кото­рые впоследствии дают молекулу глюкозы.

3. Регенерация акцептора. Из оставшихся 10 трехуглеродных соединений в результате молекулярных перестроек через промежуточные С₃ → С₇ сахара образуется 6 молекул исходного С₅ акцептора. Суммарная реакция цикла Кальвина:

 

6СО₂ + 18АТФ + 12НАДФ•Н → C₆H₁₂O₆ + 18АДФ +18Pi + 12НАДФ⁺ + 6Н₂О.

 

Энергетика фотосинтеза

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под дей­ствием энергии света называется фотофосфорилированием (в отличие от описанного выше окислительного фосфорилирования, где источником энергии является окис­ление органических субстратов). Продвижение электро­нов по электронтранспортной цепи приводит к возник­новению протонного градиента между стромой и тилакоидным пространством хлоропластов. Потенциальная энер­гия созданного градиента используется ферментом АТФ-синтазой для осуществления реакции фосфорилирования АДФ и образования АТФ.

Около половины образующихся при фотосинтезе АТФ расходуются на внутренние нужды клетки - ак­тивизацию и регуляцию различных метаболических си­стем, а остальная часть используется для ассимиляции СО₂ и синтеза глюкозы.

Биологическая роль фотосинтеза состоит в образо­вании органических веществ из неорганики. Именно из этой органики построены тела всех остальных организ­мов на Земле. Вторая функция - выделение О₂ в атмо­сферу (как побочного продукта).

 

Хемосинтез

Хемосинтез (хемоавтотрофия) - процесс получения необходимой организму энергии за счет окисления неор­ганических молекул, при этом источником углерода био­полимеров является СО₂.

Хемосинтез открыт в 1888 г. русским микробиоло­гом С.Н.Виноградским. В его основе лежит способность ряда бактерий окислять соединения N, S, Fe и других до высших степеней окисления, а выделяющуюся при этом энергию запасать в форме АТФ.

Нитрифицирующие бак­терии окисляют соединения азота:

 

N^-3H₃ → (N⁺³O₂)^- → (N⁺⁵O₃)^-

 

Серуокисляющие бактерии осуществляют та­кую цепочку:

 

H₂S^-2 →  S° → (S⁺⁴O₃)^2- →  (S⁺⁶O₄)^2-.

 

Известны железные бактерии (Fe⁺² → Fe⁺³), водородные бактерии (H⁰₂ →  Н⁺₂О), карбоксидобактерии (СО → СО₂) и другие. Все хемосинтетики - облигатные аэробы.

Нужно не смешивать анаэробное дыхание и хемосинтез. В первом случае источником энергии яв­ляется окисление органики, а во втором - неорганики. Кроме того, представители первой группы являются гетеротрофами, а хемосинтетики - автотрофы. Различа­ются эти организмы и по отношению к кислороду.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Метаболизм, сопровождающийся синтезом АТФ преимущественно АТФ-синтазами: фотофосфорилирование, брожение и окислительное фосфорилирование субстратов (клеточное дыхание). Промежуточный метаболизм – уксусное брожение и метаболизм восстанавливающих бактерий.

ТЕМА 5. Экспрессия генов

 

Генетическая информация хранится в виде опре­деленной последовательности нуклеотидов ДНК, а реа­лизуется в виде аминокислотной последовательности бел­ков; причем посредниками, переносчиками информации выступают РНК.

Таким образом, реализация генетической информа­ции происходит следующим образом:

 

ДНК → РНК → белок

 

Как видим, передача информации имеет односторон­нюю направленность. Единственное исключение состав­ляет небольшая группа вирусов (ретровирусы, в том чис­ле ВИЧ), способных по своей РНК строить ДНК при по­мощи специального фермента ревертазы. Никакие дру­гие живые организмы на это не способны.

В данном разделе необходимо ввести одно очень важ­ное определение. Ген - участок ДНК, в котором коди­руется аминокислотная последовательность одного бел­ка. Точнее – один ген – один полипептид. Более того, данное определение относится к структурным генам, тогда как еще в ДНК находятся другие гены, например, регуляторные. Необходимо подчеркнуть, что это - биохимическое определение гена.

Реализация информации, записанной в генах, на­зывается экспрессией генов. Этот процесс осуществляет­ся в 2 этапа:

первый - транскрипция;

второй - трансляция.

 

Транскрипция

Транскрипция - синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате возникает 3 типа РНК:

♦ матричная (мРНК);

♦ рибосомная (рРНК);

♦ транспортная (тРНК).

Процесс транскрипции требует больших затрат энер­гии в виде АТФ и осуществляется ферментом ДНК-зависимой-РНК-полимеразой трех типов и рядом так назы­ваемых вспомогательных факторов.

Одномоментно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки - гены.

Транскрипция, как и репликация ДНК, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к ком­плементарному связыванию. Аналогично репликации, при транскрипции полимераза (здесь уже РНК-полимераза) шаг за шагом подбирает и «сшивает» нуклеотиды, комплементарные матричной последовательности.

Отличительной особенностью транскрипции является то, что в РНК нет тимидина, его замещает уридин; соот­ветственно при транскрипции аденозин молекулы ДНК спаривается с уридином синтезируемой РНК. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК, которая назы­вается кодирующей. Вторая цепь является некодирующей.

Какая цепь будет кодирующей, определяется тем, на какой из них находится промотор - точка начала транс­крипции. Более того, любое считывание осуществляется по цепи ДНК в направлении 5’ → 3’(по нумерации углеродных атомов в дезоксирибозе). По второй цепи ДНК с направлением 3’ → 5’ (некодирующей) осуществляется репарация ДНК при повреждениях.

Цикл транскрипции состоит из 3 стадий:

♦ инициации;

♦ элонгации;

♦ терминации.

Им предшествует узнавание промотора, или подго­товительная стадия, на которой РНК-полимераза узнает промотор и связывается с ним. Одновременно происхо­дит локальное расплетение ДНК примерно на 10 пар нуклеотидов.

1. Инициация. На этой стадии происходит образова­ние нескольких начальных звеньев РНК. До этого комплекс полимераза-ДНК не стабилен и способен распадаться.

2. Элонгация. Продолжается дальнейшее расплетение ДНК и синтез РНК по кодирующей цепи в направлении 5’ → 3’.

3. Терминация. Как только полимераза достигает тер­минатора (точка окончания транскрипции), она не­медленно отщепляется от ДНК, локальный гибрид ДНК-РНК разрушается и новосинтезированная РНК транспортируется из ядра в цитоплазму. На этом транскрипция заканчивается.

Созревание РНК

Все образовавшиеся РНК непосредственно после трансляции не способны функционировать, так как они синтезируются в виде молекул-предшественников: пре-р, пре-т и пре-м РНК. Чтобы начать работать, пре-РНК должны подвергнуться процессингу (созреванию).

Под процессингом понимают совокупность биохимических реакций, при которых пре-РНК укорачиваются, подвер­гаются химическим модификациям, в результате кото­рых образуются зрелые РНК. В этом процессе участвует четвертый известный тип РНК - малая ядерная РНК (мяРНК), которая удерживает концы экзонов (участков, несущих информацию о структуре белковых молекул) при вырезании интронов (участков, не имеющих биологического смысла). После процессинга начинается сплайсинг - уточнение структуры м-РНК в ядрышках.

 

Генетический код

Биосинтез белка осуществляется в процессе транс­ляции, во время которой информация РНК реализуется в результате синтеза полипептидной цепи белка. Однако вначале ознакомимся с генетическим кодом.

Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующую­ся молекулу мРНК, которая выступает в качестве мат­рицы в процессе биосинтеза белка. Определенному со­четанию нуклеотидов ДНК, а, следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипеп­тидной цепи белка. Такая система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в цепи ДНК или РНК называется генетическим кодом.

Оказалось, что 3 нуклеотида, объединяясь в триплет (кодон), определяют 1 аминокислоту. Поскольку суще­ствуют 4 типа нуклеотидов, объединяясь по 3 в трип­лет, они дают 4³ = 64 варианта триплетов. Из них 3 (для мРНК - УАА, УГА и УАГ) являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 являются кодирующими.

Разные аминокислоты кодируются раз­ным числом триплетов: от 1 (метионин, АУГ) до 6 (лей­цин). Функцию «переводчика» с «языка» нуклеиновых кислот в клетке выполняет тРНК, а «местом перевода» является рРНК.

 

Свойства генетического кода

1. Код триплетен. Одна аминокислота кодируется тре­мя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеи­новой кислоты.

2. Код универсален. Все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код.

3. Код вырожден. Одна аминокислота кодируется бо­лее чем одним триплетом.

4. Код однозначен. Кодон соответствует одной единственной аминокислоте.

5. Код не перекрывается. Один нуклеотид не может входить в состав двух, а тем более трех кодонов в цепи мРНК.

6. Код не содержит знаков препинания. Все нуклеотиды цепи мРНК входят в состав кодонов.

 

Генетический код (мРНК)

 

Первый нуклеотид триплета мРНК	Второй нуклеотид триплета мРНК				Третий нуклеотид триплета мРНК
	У	Ц	А	Г
	фен	сер	тир	цис	У
У	фен	сер	тир	цис	Ц
	лей	сер	STOP	STOP	А
	лей	сер	STOP	три	Г
	лей	про	гис	арг	У
Ц	лей	про	гис	арг	Ц
	лей	про	глн	арг	А
	лей	про	глн	арг	Т
	иле	тре	асн	сер	Г
А	иле	тре	асн	сер	Ц
	иле	тре	лиз	арг	А
	мет	тре	лиз	арг	Г
	вал	ала	аеп	гли	У
Г	вал	ала	асп	гли	Ц
	вал	ала	глу	гли	А
	вал	ала	глу	гли	Г

Примечание: сокращения аминокислот общепринятые.

 

Трансляция

Трансляция - синтез полипептидной цепи с исполь­зованием мРНК в роли матрицы. Как и транскрипция, трансляция - сложный мно­гостадийный процесс, требующий значительных затрат энергии и участия большого числа (до 300) вспомогатель­ных молекул.

В трансляции участвуют все три основных типа РНК: м-, р- и тРНК. мРНК является информационной матри­цей; тРНК «подносят» аминокислоты и узнают кодоны мРНК; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, ко­торые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществля­ют синтез полипептидной цепи.

Процесс трансляции основывается на том, что каж­дому триплету мРНК (кодону) соответствует определенная аминокислота. Генетический код расшифровывают (реа­лизуют) тРНК.

Напомним, что тРНК имеет структуру, состоящую из четырех петель. К одной из них присоеди­няется аминокислота (акцепторная петля), в противо­положной (антикодоновой) находится триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК. Этот триплет на­зывают антикодоном. Так, аминокислоте триптофану соответствует кодон УГГ в мРНК, триптофановая тРНК имеет антикодон АЦЦ.

 

Цикл трансляции

Транскрипция состоит из подготовительного и трех основных этапов.

Подготовительный этап. На этом этапе происхо­дит присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК. Эти реакции протекают в цитоплазме и осуществ­ляются ферментами, которые также контролируют соот­ветствие аминокислоты типу тРНК (ее антикодону).

1. Инициация. Происходит образование цельной ри­босомы, присоединение мРНК и установление первой аминокислоты.

Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой и большой. В нерабочем состоя­нии они обычно не связаны друг с другом (говорят, что рибосома диссоциирована). В процессе же трансляции рибосомы находятся в «собранном» состоянии. Процесс диссоциации и сборки рибосом зависит от наличия ионов магния в клетке.

В цельной рибосоме выделяют участок присоедине­ния тРНК, «нагруженной» аминокислотой - акцептор­ный (А-сайт) и участок удержания тРНК с растущей полипептидной цепью - пептидильный (Р-сайт) (в моле­кулярной биологии выражение «участок цепи» часто заменяют термином «сайт»). Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет - она осу­ществляется через тРНК.

Во время инициации (при участии трех вспомога­тельных белковых факторов) происходит связывание мРНК с малой субъединицей рибосомы, затем к первому кодону своим антикодоном присоединяется «груженая» (несущая аминокислоту) тРНК, а после этого к образо­вавшемуся комплексу присоединяется большая субъеди­ница рибосомы.

Интересно, что первой аминокислотой всех белков у всех эукариотических организмов всегда является метионин, а у прокариот - формил-метионин.

2. Элонгация. Ко второму кодону (в А-сайт рибосо­мы) присоединяется еще одна «груженая» тРНК. Между карбоксильной группой (-СООН) первой аминокислоты и аминогруппой (-NH₂) второй образуется пептидная связь. После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и «повисает» на соединенной с ней ами­нокислоте второй тРНК. Пустая первая тРНК освобож­дается из комплекса с рибосомой, и Р-сайт становится незанятым. Рибосома «делает шаг» вдоль мРНК. При этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт. «Шаг» рибосомы всегда строго определен и ра­вен трем нуклеотидам (кодону). Движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией.

3. Терминация. Синтез полипептидной цепи идет до тех пор, пока рибосома не достигнет одного из трех стоп-кодонов. В этот момент белковая цепь отделяется, а ри­босома диссоциирует на субъединицы.

Практически все белки по окончании своего синте­за подвергаются созреванию или процессингу - реакциям посттрансляционных модификаций. После этого они (в основном по «трубопроводу» эндоплазматической сети) транспортируются к месту своего назначения.

Характерно, что мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом, осуществляющие синтез белка на од­ной молекуле мРНК, называют полисомами (обычно в них входят от 7 до 70 рибосом). В результа­те этого резко увеличивается «производительность» транс­ляции в единицу времени. Такой биосинтез характерен для секреторных и железистых клеток биологических организмов.

Реакции матричного синтеза

Репликация, транскрипция и трансляция представ­ляют собой примеры реакций матричного синтеза, ко­торые являются отличительной особенностью живой клет­ки. В реакциях этого типа по существующей материнс­кой молекуле («матрице») в соответствии с определен­ной закономерностью происходит синтез дочерней моле­кулы. Матрицей является ДНК или РНК, законом фор­мирования первичной последовательности дочерней мо­лекулы - принцип комплементарности.

Реакции мат­ричного синтеза имеют ряд преимуществ перед прочими реакциями.

§ Во-первых, точность передачи информации при использовании принципа комплементраности почти абсолютная.

§ Во-вторых, скорость протекания реакции очень велика.

§ В-третьих, возможно одновременное исполь­зование матрицы сразу несколькими ферментами (поли­сомы), а также многократное ее использование.

Энергетика трансляции

На включение одной аминокислоты в растущую по­липептидную цепь затрачивается энергия, соответству­ющая расщеплению 4 молекул АТФ до АДФ. Однако эффективно (на узнавание аминокислоты и образование пептидной связи) используется лишь около 10% выде­ляющейся энергии, остальная же ее часть рассеивается в виде тепла. Использование меньших количеств энер­гии ведет к тому, что трансляция идет медленно, с ошиб­ками и ненадежно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Геном, его характеристика.

Транскрипция, ее этапы.

Трансляция, ее этапы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Белки и липиды мембран.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какой метод изучения клетки или ее части основан на поглощении клеткой радиоактивного изотопа и выявлении его внутриклеточной локализации? Дайте краткую характеристику методу, ответьте на вопросы и выполните задания:

Тема 8. ОБЩИЙ ПЛАН СТРОЕНИЯ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

 

Основой строения эукариотических организмов является клетка (cellula) - наименьшая единица живого.

Эукариотические, собственно ядерные организмы — основная масса животных и растений, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей, которые не имеют оформленного ядра и являются прокариотическими организмами.

Клетка - это ограниченная активной мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров, образующих ядро и цитоплазму, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. Кроме клеток в организме находятся их производные, которые не имеют клеточного строения.

Обобщенное представление о строении клеток как единиц живого, об их воспроизведении и роли в формировании многоклеточных организмов носит название клеточной теории.

Появлению и формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал довольно длительный (более 300 лет) период накопления знаний о строении различных одноклеточных и многоклеточных организмов, растений и животных. Этот период связан с применением и усовершенствованием различных оптических методов исследований.

 

Реализация клеточных генов

Индивидуальное развитие, от одной клетки до многоклеточного зрелого организма - результат последовательного, избирательного выключения работы разных генов в различных клетках, называемого дифференцировкой.

Сходство в строении клеток определяется одинаковостью общеклеточных функций, направленных на поддержание жизни самих клеток и на их размножение. Разнообразие же в строении клеток - это результат их функциональной специализации (т.e. дифференцировки).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Схема строения клетки.

Профаза

После окончания S-периода интерфазы количество ДНК в ядре равно 4c, так как произошло удвоение хромосомного материала. Однако морфологически регистрировать удвоение числа хромосом в этой стадии не всегда удается. Собственно хромосомы как нитевидные плотные тела начинают обнаруживаться микроскопически в начале процесса деления клетки, а именно в профазе митотического деления клетки.

 Как интерфазные, так митотические хромосомы состоят из элементарных хромосомных фибрилл - молекул ДНП (дезоксирибонуклеопротеида). В последнее время принято считать, что на каждую хромосому приходится одна гигантская фибрилла ДНП, сложно уложенная в относительно короткое тельце - собственно митотическую хромосому.

Установлено, что в митотической хромосоме существуют боковые петли гигантской молекулы дезоксирибонуклеопротеида, которые в вытянутом состоянии могут достигать 30 мкм. При их компактизации (спирализации) образуются структуры промежуточного характера — так называемые хромонемные фибриллы (рис.7).

 

Рис. 7. Этапы компактизации ДНК в хромосому

Взаимодействие этих компонентов хромосом друг с другом и их взаимная агрегация приводят к конечной компактизации хроматина в виде митотической хромосомы.

У большинства хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки (центромеры), которая делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом называют акроцентрическими.

В области первичной перетяжки расположен кинетохор. От этой зоны во время митоза отходят микротрубочки клеточного веретена, связанные с перемещением хромосом при делении клетки. Некоторые хромосомы имеют, кроме того, вторичные перетяжки, располагающиеся вблизи одного из концов хромосомы и отделяющие маленький участок - спутник хромосомы. Вторичные перетяжки называют также ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. В этих местах локализована ДНК, ответственная за синтез рибосомных РНК.

Если попытаться подсчитать число хромосом в профазе, то их количество будет равно 2n. Но это ложное впечатление, потому что в профазе каждая из хромосом двойная, что является результатом их редупликации в интерфазе. В профазе эти сестринские хромосомы тесно соприкасаются друг с другом, взаимно спирализуясь одна относительно другой, поэтому трудно увидеть двойственность всей структуры в целом.

Позднее хромосомы в каждой такой паре начинают обособляться, раскручиваться. Двойственность хромосом в митозе наблюдается у живых клеток в конце профазы, когда видно, что общее их число в начинающей делиться клетке равно 4n. Следовательно, уже в начале профазы хромосомы состояли из двух сестринских хромосом, или, как их еще называют, хроматид. Число их (4n) в профазе точно соответствует количеству ДНК (4c).

В профазе происходит конденсация хромосом. Параллельно конденсации хромосом в профазе происходят исчезновение, дезинтеграция ядрышек в результате инактивации рибосомных генов в зоне ядрышковых организаторов. Одновременно с этим в середине профазы начинается разрушение ядерной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки.

Меняются в это время и структуры, связанные с синтезом белка. Происходит уменьшение количества гранулярного эндоплазматического ретикулума, он распадается на короткие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Значительно (до 25%) редуцируется число полисом как на мембранах, так и в гиалоплазме, что является признаком общего падения уровня синтеза белка в делящихся клетках.

Второе важнейшее событие при митозе тоже происходит во время профазы - это образование веретена деления. В профазе уже удвоенные в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположным концам клетки, где будут позднее формироваться полюса веретена. К каждому полюсу отходит по двойной центриоли, диплосоме. По мере расхождения диплосом начинают формироваться микротрубочки, отходящие от периферических участков одной из центриолей каждой диплосомы.

Сформированный аппарат деления в животных клетках имеет веретеновидную форму и состоит из нескольких зон: двух зон центросфер с центриолями внутри них и промежуточной между ними зоны волокон веретена. Во всех этих зонах имеется большое число микротрубочек.

Микротрубочки в центральной части аппарата деления, в собственном веретене деления, так же как микротрубочки центросфер, возникают в результате полимеризации тубулинов в зоне центриолей и около кинетохоров. В веретене деления принято различать два типа волокон (разной полярности): идущие от полюса к полюсу через центр веретена и хромосомные, соединяющие хромосомы с одним из полюсов.

У животных клеток центриоли и хромосомные кинетохоры являются центрами организации микротрубочек веретена деления. В индукции роста микротрубочек веретена в зоне полюса деления принимает участие одна из центриолей диплосомы, а именно материнская. Такое новообразование и рост нитей (пучков микротрубочек) веретена начинается именно в профазе митоза. В это же время становятся видны появляющиеся на хромосомах в местах первичных перетяжек пластинчатые кинетохоры, около которых позднее также появляются микротрубочки, идущие в направлении полюсов деления.

 

Метафаза

Метафаза занимает около трети времени всего митоза. Во время метафазы заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости веретена, образуя так называемую метафазную пластинку хромосом, или материнскую звезду.

К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна разделяющая их щель. Последним местом, где контакт между хроматидами сохраняется, является центромера.

 

Анафаза

Хромосомы все одновременно теряют связь друг с другом в области центромер и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противоположным полюсам клетки. Скорость движения хромосом равномерная, она может достигать 0,2-0,5 мкм/мин. Анафаза - самая короткая стадия митоза (несколько процентов от всего времени), но за это время происходит ряд событий. Главным из них является обособление двух идентичных наборов хромосом и перемещение их в противоположные концы клетки.

Движение хромосом складывается из двух процессов, расхождения их по направлению к полюсам и дополнительного расхождения самих полюсов.

Предположения о сокращении микротрубочек как о механизме расхождения хромосом в митозе не подтвердились, поэтому многие исследователи поддерживают гипотезу «скользящих нитей», согласно которой соседние микротрубочки, взаимодействуя друг с другом (например, хромосомные и полюсные) и с сократительными белками, тянут хромосомы к полюсам.

 

Телофаза

Телофаза начинается с остановки разошедшихся диплоидных (2n) наборов хромосом (ранняя телофаза) и кончается началом реконструкции новых интерфазных ядер (поздняя телофаза, ранний G1-период) и началом разделения исходной клетки на две дочерние (цитокинез, цитотомия).

В ранней телофазе хромосомы, не меняя своей ориентации (центромерные участки - к полюсу, теломерные - к центру веретена), начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы образуется новая ядерная оболочка. После замыкания ядерной оболочки начинается формирование новых ядрышек. Клетка переходит в новый G1-период.

 

Цитокинез

Важное событие, наступающее после телофазы - разделение клеточного тела - цитокинез или цитотомия - происходит у животных клеток путем образования перетяжки в результате впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. При этом в кортикальном, подмембранном слое цитоплазмы располагаются сократимые элементы типа актиновых фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приведет к впячиванию плазматической мембраны в области этого кольца, что завершается разделением клетки перетяжкой на две дочерние.

 

При повреждении митотического аппарата (действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) может произойти или задержка митоза в метафазе, или рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы и т.д. Нарушения цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

Жизненный цикл клетки

До сих пор много тайн клетки остаются неразгаданными. Загадочным во многом остается и запрограммированный генетически алгоритм ее жизни, названный жизненным циклом клетки (клеточным циклом). Жизненный цикл клетки (рис.8) начинается с момента ее образования после деления родительской клетки и заканчивается либо новым делением, либо превращением в специализированную клетку.

Рисунок 8. Жизненный цикл клетки: 1 - интерфаза; 2 - митоз; 3 - дифференцировка; 4 - функционирование специализированной клетки

 

Большинство клеток продолжает делиться. Им свойственен клеточный цикл, состоящий из периодически повторяющихся стадий: интерфазы (1) – этапа подготовки к делению и непосредственно процесса деления – митоза (2). Этапы дифференцировки (3) и функционирования специализированной клетки (4) обозначают выход клетки из цикла делений (пролиферации).

На стадии подготовки к делению происходит удвоение генетического материала (редупликация ДНК). Масса клетки во время интерфазы увеличивается до тех пор, пока она примерно вдвое не превысит начальную. Отметим, что сам процесс деления намного короче этапа подготовки к нему: митоз занимает примерно 1/10 часть клеточного цикла.

Цикличность (периодическое повторение) стадий интерфазы и митоза можно проиллюстрировать на примере фибробластов – одного из видов клеток соединительной ткани (рис. 9). Так, нормальные фибробласты эмбриона человека размножаются приблизительно 50 раз. Каков генетически запрограммированный предел возможных делений клетки – это одна из неразгаданных тайн биологии.

Рисунок 9. Цикличность стадий интерфазы и митоза: 1 - интерфаза, стадия подготовки к митозу, 2 - митоз (деление клетки)

Жизненный цикл клеток базального слоя эпидермиса в обычных условиях составляет 28-60 дней. При повреждении кожи (конкретнее – при повреждении мембран и разрушении клеток эпидермиса под воздействием внешних факторов) выделяются особые биологически активные вещества. Они значительно ускоряют процессы деления (это явление называется регенерацией), именно поэтому ранки и ссадины так быстро заживают. Максимальной регенеративной способностью обладает эпителий роговицы: одновременно в стадии митоза находятся 5-6 тысяч клеток, продолжительность жизни каждой из которых 4-8 недель.

Хотя все клетки появляются путем деления предшествующей (материнской) клетки (“Всякая клетка от клетки”), не все они продолжают делиться. Клетки, достигшие некоторой стадии развития при дифференцировке, могут терять способность к делению. Дифференцировка – возникновение различий в процессе развития первоначально одинаковых клеток, приводящее к их специализации. Процесс дифференцировки заключается в последовательном считывании и использовании наследственной информации, что обеспечивает синтез различных белков (в первую очередь ферментов), характерных для данного вида клеток. Другими словами, различия между клетками определяются набором белков, синтезируемых в клетках определенного вида. Различия между клетками определяются набором синтезируемых в них белков.

После дифференцировки и специализации клетка начинает активное функционирование. Интенсивность реакций метаболизма и сопряженного с ним энергетического обмена в это время максимальны. Процессы в клетке направлены на обеспечение постоянства внутренней среды и выполнение специфических функций: нейрон воспринимает и передает нервный импульс, эритроцит переносит кислород и так далее.

Далее следует процесс угасания (старения). Этот процесс запрограммирован генетически и, в первую очередь, проявляется уменьшением выработки и активности ферментов в клетке. При этом замедляются биохимические реакции, тормозится метаболизм и энергетический обмен. Стареющие клетки, как правило, имеют неудвоенное количество ДНК, но сохраняют жизнеспособность и некоторую метаболическую активность в течение определенного времени.

 

Апоптоз. Некроз

Естественная гибель клетки называется апоптоз. К сожалению, до сих пор процесс естественной гибели клеток до конца не изучен. Известно, что в клетке из-за блокирования ферментов прекращается синтез белка, а нет белка – нет и жизни. Морфологически апоптоз характеризуется разрушением ядра и цитоплазмы. “Осколки” погибшей клетки поглощаются и перерабатываются специальными клетками иммунной системы – фагоцитами. Но ведь клетки могут погибнуть и под воздействием случайных факторов (механических, химических и любых других). Случайная гибель клеток (а также ткани, органа) в биологии называется некрозом. Важно то, что естественная клеточная гибель (апоптоз) в отличие от некроза не вызывает воспаления в окружающих тканях.

В организме запрограммированная клеточная гибель выполняет функцию, противоположную митозу, и, тем самым, регулирует общее число клеток в организме. Апоптоз играет важную роль в защите организма при вирусных инфекциях. В частности, иммунодефицит при ВИЧ-инфекции определяется нарушениями в контроле апоптоза.

 

Мейоз

Мейоз (от греч. meiosis - уменьшение) или редукционное деление клетки - деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом - образованием специализированных половых клеток, или гамет, из недифференцированных стволовых.

С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса.

В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма.

Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов. Поскольку у межвидовых гибридов в ядре клеток сочетаются хромосомы родителей, относящихся к различным видам, хромосомы обычно не могут вступить в конъюгацию. Это приводит к нарушениям в расхождении хромосом при мейозе и, в конечном счете, к нежизнеспособности половых клеток, или гамет. Определенные ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные мутации (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).

Фазы мейоза

Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними (рис. 12).

 

 

 

Рис. 12. Фазы мейоза

Профаза I - профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:

· Лептотена или лептонема - упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).

· Зиготена или зигонема - происходит конъюгация - соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.

· Пахитена или пахинема - (самая длительная стадия) кроссинговер (перекрест), обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой.

· Диплотена или диплонема - происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток.

· Диакинез - ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки. Далее следует первое деление ядра клетки:

· Метафаза I - бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.

· Анафаза I - микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.

· Телофаза I - хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы, S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК:

· Профаза II - происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.

· Метафаза II - унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.

· Анафаза II - униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.

· Телофаза II - хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных клетки. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три так называемых редукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).

У некоторых простейших мейоз протекает иначе, чем описанный выше типичный мейоз многоклеточных. Например, может протекать только одно, а не два последовательных, мейотическое деление, а кроссинговер - проходить во время другой фазы мейоза. Предполагается, что такой одноступенчатый мейоз примитивен и предшествовал возникновению двухступенчатого мейоза, обеспечивающего эффективную рекомбинацию генома.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Стадии митоза.

Жизненный цикл клетки.

Старение и гибель клеток.

Апоптоз. Некроз.

Стадии мейоза.

Лептотена профазы мейоза.

Зиготена профазы мейоза.

Что такое бивалент?

Что такое коньюгация ?

Пахитена профазы мейоза.

Что такое кроссинговер?

Диплотена профазы мейоза.

Диакинез профазы мейоза.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Естественнонаучный Институт

Кафедра Биологии

                                           

                   

                           

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: