Клетка как открытая живая система: потоки вещества, энергии и информации в клетке, их связь с различными клеточными структурами.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 15Следующая ⇒

Клетка -элементарная структурная, функциональная и генетическая единица, составляющая основу жизнедеятельности и развития живых организмов.

Жизнедеятельность клетки как единицы биологической активности обеспечивается совокупностью взаимосвязанных, приуроченных к определенным внутриклеточным структурам, упорядоченных во времени и пространстве обменных (метаболических) процессов. Эти процессы образуют три потока: информации, энергии и веществ. Благодаря наличию потока информации клетка на основе многовекового эволюционного опыта предков приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, а также передает в ряду поколений.

В потоке информации участвуют ядро (конкретно ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуры и используются в качестве катализаторов или структурных белков. Кроме основного по объему заключенной информации ядерного генома в эукариотических клетках функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых растениях — и хлоропластов.

Поток информации:

транскрипц. трансляц.

ДНК → и РНК → Белок

Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения — брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения (например, креатинфосфат), в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную. Макроэргическим называют соединение, в химических связях которого запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. Универсальным соединением такого рода служит АТФ. Основное количество энергии заключено в связи, присоединяющей третий остаток фосфорной кислоты.

Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы — анаэробный гликолиз. Из двух механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки энергией, анаэробный гликолиз менее эффективен. В связи с неполным (в отсутствие кислорода) окислением, прежде всего глюкозы, в процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии. Недоокисленные продукты гликолиза (пируват) поступают в митохондрий, где в условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию.

Из преобразователей энергии химических связей АТФ в работу наиболее изучена механохимическая система поперечно-полосатой мышцы. Она состоит из сократительных белков (актомиозиновый комплекс) и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии.

Особенность потока энергии растительной клетки состоит в наличии фотосинтеза — механизма преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Механизмы энергообеспечения клетки отличаются эффективностью. Коэффициенты полезного действия хлоропласта и митохондрий, достигая соответственно 25 и 45—60%, существенно превосходят аналогичный показатель паровой машины (8%) или двигателя внутреннего сгорания (17%).

Энергетич.обмен (диссимиляция/катаболизм) в животной клетке

этапы	место	Сущность хим реакц	Биологич смысл реакц
Подготовит.	Наружн.поверх. Клет.мембраны	Распред.молекул биополимеров на мелкие молекулы, белки-а.к, крахмал-глюкоза	Подготовка вещ-в к дальнейшим превращениям
Бескислор.	Цитоплазма клеток	C6H12O6+2H3PO4+2AДФ→ 2C3H6O3+2АТФ+2H2O	Дальнейшее превращ вещ-в, образовавшихся на 1 эт., синтез 2 молекул АТФ, освоб-ся в 48 ккал эн.
Кислородн.	митохондрии	2С3Н6O3+6O2+3АДФ+36H3PO4→ 6CO2+6H2O+36АТФ+36H2O	Окончат расщепление вещ-в до CO2 B H2O, синтез 36 мол-л АТФ, освободив-ся 635 ккал.

Реакции дыхательного обмена не только поставляют энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Ими являются многие продукты расщепления пищевых веществ. Особая роль в этом принадлежит одному из этапов дыхательного обмена — циклу Кребса, осуществля-емому в митохондриях. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов (углеродных скелетов) большинства соединений, служащих промежуточными продуктами синтеза химических компонентов клетки. В цикле Кребса происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ , объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Транспорт вещ-в: пассивный (- без затраты Е, по градиенту концентрации.

– простая диффузия H2O, O2, CO2, спирт, наркотики. – облегченная диф. –раствор.в липидах), активный (с затратой Е против град.конц. на 2К+ выводится 3Na+ наружу), транспорт в сост мембран пузырька: экзоцитоз, эндоцитоз(пино-, фаго-)

Потоки информации, энергии и веществ осуществляются непрерывно и составляют необходимое условие сохранения клетки как живой системы.

Кроме структур и процессов, прямо включенных в названные потоки, в клетке функционируют механизмы, которые также являются жизненно необходимыми. Так, лизосомы, воздействуя ферментами на пиноцитированный или аутофагированный материал, обеспечивают гидролитическое расщепление макромолекул до низкомолекулярных соединений. Они же обусловливают разрушение внутриклеточных структур, утративших свое функциональное значение. Образовавшиеся при этом химические соединения включаются в потоки энергии, веществ и информации. Пероксисомы ликвидируют возникающие в клетке пероксиды, токсичные для живой протоплазмы. Организация внутриклеточных транспортных потоков обусловливается наличием и активностью микротрубочек, микрофибрилл.

Клеточный цикл, его периодизация и характеристика. Значение интерфазы и митоза. Проблема клеточной пролиферации в медицине. Понятие о митотической активности ткани. Ингибиторы и стимуляторы митоза. Роль кейлонов.

Клет.цикл – период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Обязательным компонентом клеточного цикла явл-ся митотический цикл –комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологически событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Это период между окончанием одного деления и началом последующего. Этот период в митотич.цикле наз – интерфазой. 3 способа деления клетки- митоз(непрямое деление клетки), амитоз (прямое деление клетки, при кот.ядро нах-ся в интерфазном состоянии), мейоз – редукционное деление. Митоз обеспечивает точную передачу наследственной информации каждому из дочерних ядер. Биологич.значение митотич.цикла – обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений образ клеток, равноценных по объему и содержанию, наследственной информации.

Интерфаза

G1 → S → G2 → профоза → метофаза → анафаза→ телофаза

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

2п-2с 2п-4с 2п-4с 2п-4с 2п-4с 4п-4с → 2п-2с

→ 2п-2с

Апоптоз-запрограмированная клеточная гибель

С10 стадия покоя

Интерфаза (подготовка клетки к делению. Удвоение ДНК, накопление вещ-в, разделение хлоропластов митохондрии)

профоза( первая фаза-хромосомы спирализуются, укорациваются, утолщаются и становятся видны. Хромосомы спирализуются и приобретают вид нитей. Ядрышко разрушается. Распадается ядерная оболочка. В цитоплазме уменьшается количество структур шероховатой сети. Резко сокращается число полисом. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, между ними микротрубочки образуют веретено деления)

метофаза ( Заканчивается образование веретена деления. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка). Микротрубочки веретена деления связаны с кинетохорами хромосом. Каждая хромосома продольно расщепляется на две хроматиды (дочерние хромосомы), соединенные в области кинетохора)

в анафазе (центромеры делятся и хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к разным полюсам. Связь между хроматидами нарушается, и они в качестве самостоятельных хромосом перемещаются к полюсам клетки со скоростью 0, 2—5 мкм/мин. По завершении движения на полюсах собирается два равноценных полных набора хромосом)

телофаза – заканчивается митоз, (хромосомы состоящие из одной хроматиды нах-ся у полюсов клетки, ядро полностью разделилось, образовалась ядерная оболочка, деление цитоплазмы, респерализация хромосом)

Митотический индекс: МИ=М/N *100% - число митозов на 1000 клеток или

МИ=М/N *1000% - число митозов на 1000 клеток

М – число делящихся клеток, N – общее число клеток

Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении. Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. У млекопитающих время митоза составляет1—1, 5 ч, 02-периода интерфазы —2—5 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Главные события митотического цикла заключаются в редупликации (самоудвоении) наследственного материала материнской клетки и в равномерном распределении этого материала между дочерними клетками. Указанным событиям сопутствуют закономерные изменения химической и морфологической организации хромосом — ядерных структур, в которых сосредоточено более 90% генетического материала эукари-отической клетки (основная часть внеядерной ДНК животной клетки находится в митохондриях).

С начала 60-х гг. появились новые взгляды на значение для старения и продолжительности жизни закономерностей клеточной пролиферации . Пролиферация

новообразование клеток и внутриклеточных структур (митохондрий, эндоплазматической сети, рибосом и др.). Лежит в основе роста и дифференцировки тканей, обеспечивает непрерывное обновление структур организма. П. различных клеток иммунокомпетентной системы является основой иммуногенеза. С помощью П. ликвидируется образовавшийся при повреждении тканей дефект и нормализуется нарушенная функция. П. может возникать и вследствие нарушения гормональных влияний, приводя к уродливому увеличению органа, например при акромегалии. П. клеток, утративших способность дифференцироваться в клетки того или иного органа, ведет к возникновению опухолей. Одни органы и ткани обладают очень высокой способностью к П. клеток (соединительная, кроветворная. костная ткань, печень, эпидермис, эпителий слизистых оболочек), другие — более умеренной (скелетные мышцы, поджелудочная железа, слюнные железы и др.), третьи — совсем или почти лишены этой способности (ц.н.с., миокард). В последних длительное функциональное напряжение, а также репарация повреждения после действия патогенных факторов обеспечивается П. внутриклеточных структур в сохранившихся клетках, которые при этом увеличиваются в объеме, подвергаются гипертрофии

На основании подсчета числа делений фибробластов, высеваемых в культуру ткани от эмбриона человека и от людей в возрасте 20 лет и выше, было сделано заключение о пределе клеточных делений (лимит Хейфлика), которому соответствует видовая длительность жизни. Показано, что фибробласты мыши способны удваивать свою численность 14—28 раз, цыпленка —15—35, человека—40—60, черепахи—72—114 раз. Проверка результатов, о которых идет речь, выявила, что представление об ограниченности числа клеточных делений в индивидуальном развитии является неточным.

В опухолях атипичные клетки делятся митотическим способом. В результате деления образуются идентичные измененной клетки. Деление происходит многократно. В итоге опухоль быстро растет.

Высокую митотическую активность клеток в ткани связывают с накоплением в ней гликогена. При понижении количества гликогена интенсивность деления клеток снижается. Эффект реактивного торможения митотической активности клеток начинает проявляться у незрело рождающихся животных только с 3—6-го по 14-й день после рождения, приобретая черты, свойственные взрослым животным. Вместе с тем в этот период начинает как раз формироваться холинергическая передача импульсов в нервной системе, повышается интенсивность окислительных процессов, увеличивается мембранный потенциал клеток, снижается их автоматическая активность и появляется избирательная хемочувствительность. Согласно современным представлениям, сущность процесса клеточной дифференцировки сводится к выключению ферментативных систем, ответственных за синтез ДНК и митотических белков, и сдвигу метаболизма в сторону формирования специализированных ферментов, необходимых для выполнения главной функции клеток данной ткани. При нарушении в старости холинергического влияния на органы и ткани в их клетках метаболизм возвращается к процессам гликолиза, изменяются соотношения между его ферментами и ферментами дыхательной цепи и создаются условия для проявления неконтролируемой митотической активности клеток.

Ингибитор митоза - вещество, блокирующее митоз. Стимуляторы митоза -??????

В настоящее время известен ряд веществ, которые побуждают клетки к делению, например фитогемагглютинин, некоторые гормоны, а также комплекс веществ, выделяющихся при повреждении тканей. Открыты также и тканеспецифичные ингибиторы клеточного деления — кейлоны. Их действие заключается в подавлении или замедлении скорости деления клеток в тех тканях, которые их вырабатывают. Например, эпидермальные кейлоны действуют только на эпидермис. Будучи тканеспецифичными, кейлоны лишены видовой специфичности. Так, эпидермальный кейлон трески действует и на эпидермис млекопитающего. Кейлоны — низкомолекулярные белки и гликопротеиды, служащие медиаторами межклеточного взаимодействия в пределах отдельных тканей. Выделяемые делящимися клетками, кейлоны тормозят в окружающих (соседних) клетках реакции митоза, скорость синтеза нуклеиновых кислот и белков. При воспалении они играют наибольшую роль в регуляции процесса пролиферации. Активность кейлонов регулируют (тормозят) антикейлоны.

6.Строение и свойства нуклеиновых кислот, их роль в передаче, хранении и воспроизведении наследственной информации (правила Чаргаффа, работы Ф. Крика и Д. Уотсона). Современные представления о механизме редупликации ДНК.

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота)

признаки	ДНК	РНК
Местонахождение в клетке	Ядро, митохондрии, хлоропласты, центриоли	Ядро, цитоплазма
Строение макрономолекулы	Двойные полинуклеотидная цепочка	Единарное полинукл.цепочка
Мономеры	Дезоксирибонуклеотиды	Рибонуклеотиды
Свойства	Редупликация по принципу комплем. А=Т, Т=А, Г=Ц, Ц=Г, репарация	-
Функции	Хранение, передача и реализация генет.информ.	иРНК- несет информ.о первичном строении белка рРНК – структурн. компонент рибосом, участвующ.в синтезе белка тРНК – переносит активир.а.к.к рибосомам
Состав нуклеотида	Азотистые основания (пуринов-А, F, перимицин –Т, Ц), углевод –дезоксирибаза, остаток H3PO4	Азостист.основ (пир-У, Ц) Углевод-рибоза Остаток Н3РО4

ДНК –носитель ген.инф.у всех живых организмов 9за исключ ретровирусов).

Функции:

1.хранение, реализация и передача ген. инф. в ряду поколений. 99% в кл. в ядре в составе хромосом, а оставшийся 1% в клет. центре, митохондриях и пластидах. Расшифровали молекулу ДНК 1953 Крик, Уотсон, Уилкансов. ДНК – 2х цепочная молекула, биополимер, мономером каждой цепи - нуклеотид.

Состав нуклеотида ДНК: уш.-дезоксирибоза, ост. H3PO4 и одно из 4 азотистых оснований. Пуриновые: аденин и гуанин. Пирими: тинин и цитозин. Первичная структура ДНК-посл-ть черед-я нуклеотидов АТГУАА

Связи между нуклеотидами-коваленные, фосфодиэфирные 3'-5', секвинирование-опред-е первичная структура ДНК. Вторичная структура ДНК-наличие 2х цепей.

– принцип комплимент-ти пространств. и хими-е соответствие нуклеидов друг к другу. А-Т Г-У

- принцип антипараллельности-свободы атом с дезоксириб.

5' Ц 3'

3' Г 5' – матричная, с нее осущ-я процесс транскр-и

и РИК Ц

Смысловой или кадогенной явл. 5'-3'

На комплементарности основано правило Чаргафа.

А=Т А+Г = 1

Г=Ц Т+Ц

Коэффициент специфичности: А+Т ≠ 1

Г+Ц

Третичная стр-а- двойная правозакр.спираль (В-форма). Третичная структура поддерж.за счет водородных св., между азотист.основ А=Г

Г=Ц

Фосфодиэф.крепче вод. Диаметр спирали ДНК 2нм. На одни оборот спирали = 10 пар основ. Длина шага =3, 4 нм. 0, 34-расстояние между нуклеотидами.

Свойства ДНК:

1.репарация-восст-е после повреждения. Сущ несколько мех-мо репарации, но основной экцизионный (вырез-е) А-Т А-Ц 1этап: вырез-е или удерж поврежд участка

Т-А Т-Ц

Г-Ц Г-Ц

2.фермиты ДНК рипарирующие нуклеазы:

А-Т по матрице сохран.цепи ДНК по пр-ком встраив нужные нукл. Ферм. ДНК -полимераза

Т-А

Г-Ц

3.вшивание вновь синтезированного участка в мол.ДНК. ферм: ДНК-лигаза.

2св-ва ДНК: репликация (редупликация)-самоудв-е. в инет.Sпер.интерфаза.

Механизмы редупликации:

1.основной, самый распрполуконсервативный.Во вновь синтез мол-е ДНК одна цепь старая, другая новая синтез.

2.консервативный.одна мол-ла ДНК старая другая полностью новая

3.дисперсионная хар-на для ряда вирусов.дочерняя ДНК сост. из отддельных кусочков новых и старых.

Этапы полуконсервативной редупл-и:

1.раскручивание спирали ДНК с разрывом водородных св.и образ.репликативной вилки. Ферм: ДНК-геликаза. Необходимо участие дестабилизир.белков –связ-я с цепями ДНК и препятств.образ-ю водор-св.

2.синтез новой цепи ДНК по матрице материнской с сохранением принципа комплимен-ти и антипараллельности. Ферм: ДНК-помимераза. Ферм.только в напр-и 3'-5'. Одна цепь синтез.непрерывная –ведущая цепь. Вторая цепь –в виде отдельных кусочков. Фрагменты-оказаки.

Для синтеза цепи необходимо праймер- 5-10 нуклеотидов, за сборку праймера отвечает праймоза.

3 этап: соед-е фрагментов оказаки в ед.цепь.

Ферм: ДНК-лигазы.

У большинства организмов репи-я идет с образоанием множества реплек.вилок, что резко ускор.процесс.

Генетический код. (гамов) -это система записи ген.информации в виде опред.последовательности нуклеот.в мол-ле ДНК.

Соответствие порядка нуклеотидов в мол-ле ДНК порядку АК в белке-коллинеарность.

Св-во кода: 1.триплентность(каждая АК код-я 3 нуклеотидами) кодои. 2.линейность, неперекрываемость АТГУАТ. Каждый нуклеотид входит в состав одного кодола, трипиды не наклад. Друг на друга. 3.без запятых, т.е.считывание информации идет по 3 нуклеотида, в одном направлении без вставок между нуклеот. 4.специфичность, одназначность.кодон-кодир.только одну АК. 5. Вырожденность или избыточность АК может кодироваться несколькими кодами. 6.универсальность: код одинаков для всех живых организмов.

Всего в коде 64 кодона из них 61 смысловой кодирующей АК и 3 ноисанс.кодоны – стоп-кодоны.

РНК- одноцепочная мол-ла, биополимер, мономер-нуклеотид. Состав: нуклеотиды: рибоза, остаток Н3РО4 и одно из 4 азотистых осований.

Фосфодиэф.св.

Виды: 20 различных видов.

М.я.РИК-малые яд, регулирующие процесс транскрипции.

Основные 3: рРНК(85%) входит в состав рибосом, участв.в синтезе белка.

ртРНК-транспорт АК к рибосомам (10%).иРНК – мРНК-матричная посредник между ДНК и белком 5%

Поток информации: транскрипц. трансляц.

ДНК → и РНК → Белок

Транскрипция – синтез иРНК

Этапы: 1.инициация (начало) основной фермент транкрипции.РНК-полимераза соед-я с началом транскрипции – промотор (начало транкср. Не содержит информации)

2.энонгация – синтез иРНК

3.терминация.

Существуют несколько видов ДНК-плимероз, но основной РНК –полимераза2.

Трансляция –осущ-ся в рибосомах, кот.нах-ся на стенках гранулярной ЭПС.

Рибосома сот. Из 2х субъект: малая (к кот.присоед.иРНК), большая (нах-ся 2 функциональных центра: аминокислотный (присоед.тРНК с АК), и пиптидальные, где фермент отвеч.за соед АК –пептиддии-трансфераза.

Этапы: 1.акцивацияАК т.е.присоед-е АК к тРНК (использ-я энергия АТФ) фермент-аминоация тРНК синтеза.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒