Введение в клеточную биологию Основные положения клеточной

Введение в клеточную биологию

Основные положения клеточной теории 1. Все живые организмы (исключая вирусы) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. 2. Клетки всех живых организмов имеют принципиальное сходство своего строения и обмена веществ. 3. Каждая клетка образуется только путем деления уже существующей клетки. 4. Активность многоклеточного организма слагается из активности его клеток и результатов их взаимодействия.

Разнообразие клеток Эукариотические/Прокариотические Одноклеточные/Многоклеточные Растительные/Животные Соматические/Половые Размер Форма Специализация

Строение животной (А) и растительной (Б) клеток

Строение плазматической мембраны

Структура фосфолипида (фосфатидилхолин)

Мембранные фосфолипиды

Холестерин (холестерол)

Холестерин в составе мембраны

От фосфолипидов зависят такие свойства мембран, как проницаемость, рецепторная функция, каталитическая активность мембраносвязанных ферментов. 1. Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. 2. Для мембран характерна текучесть - способность липидов и белков к латеральной диффузии. Скорость перемещения молекул зависит от микровязкости мембран, которая, в свою очередь, определяется относительным содержанием насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе липидов. Ацильные (алифатические) остатки ненасыщенных жирных кислот имеют так называемые «изломы» , которые препятствуют слишком плотной упаковке молекул в мембране и делают её более рыхлой, а следовательно и более «текучей» . 3. На текучесть мембран также влияют размеры углеводородных «хвостов» липидов, с увеличением длины которых мембрана становится более «текучей» .

Эксперимент Гортера и Гренделя (1925)

Органеллы (органоиды) — постоянные компоненты клетки, жизненно необходимые для её существования. Органеллы делятся на мембранные (одномембранные или двумембранные) и немембранные. К одномембранным относят эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы. К двумембранным - митохондрии, пластиды, клеточное ядро. Немембранные включают в себя рибосомы и клеточный центр. Отдельно рассматривается цитоскелет — обязательная, но постоянно меняющаяся структура клетки.

Эндоплазматический ретикулум - внутриклеточный органоид эукариотической клетки, представляющий собой разветвлённую систему из окружённых мембраной уплощённых полостей, пузырьков и канальцев.

Функции шероховатого ЭР: - синтез белков и их начальные посттрансляционные модификации (первичное гликозилирование); - синтез мембранных липидов и сборка мембран.

Функции гладкого ЭР: - Синтез гормонов; - Накопление гликогена; - Нейтрализация токсинов; - Депонирование кальция.

Аппарат Гольджи — мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Функции: - Сортировка белков; - Посттрансляционные модификации белков; - Синтез полисахаридов.

Лизосома — окружённый мембраной клеточный органоид, содержащий гидролитические ферменты. Лизосома отвечает за внутриклеточное переваривание макромолекул, в том числе при аутофагии.

Пероксисомы Функции пероксисом: - Удаление активных форм кислорода из клетки. Например, расщепление пероксида водорода ферментом каталазой; - Бета-окисление жирных кислот.

Вакуоль — одномембранный органоид, содержащийся в некоторых эукариотических клетках и выполняющий различные функции.

Вакуоли выполняют следующие функции: 1. Поддержание осмотического давления; 2. Вакуоли содержат некоторые пигменты (антоцианины); 3. У растений в вакуолях содержатся иногда гидролитические ферменты, и тогда при жизни клетки вакуоли действуют как лизосомы. 4. В вакуолях растения могут накапливаться отходы жизнедеятельности и некоторые вторичные метаболиты, которые могут играть защитную функцию. 5. Некоторые из компонентов вакуолярного сока играют роль запасных питательных веществ, при необходимости используемых цитоплазмой. Среди них в первую очередь следует назвать сахарозу, минеральные соли и инулин.

Цитоскелет Актиновые микрофиламенты окрашены в красный, микротрубочки — в зелёный, ядра клеток — в голубой цвет.

Цитоскелет — это клеточный каркас или скелет, находящийся в цитоплазме живой клетки. Он присутствует во всех клетках эукариот. Цитоскелет — динамичная, изменяющаяся структура, в функции которой входит поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям, экзо- и эндоцитоз, обеспечение движения клетки как целого, активный внутриклеточный транспорт и клеточное деление.

Строение микротрубочки

Образование фрагмопласта при клеточном делении у растений

Микротрубочки в клетке используются в качестве «рельсов» для транспортировки частиц. По их поверхности могут перемещаться мембранные пузырьки и митохондрии. Транспортировку по микротрубочкам осуществляют белки, называемые моторными. Выделяют два вида моторных белков: - цитоплазматические динеины; - кинезины.

Цитоплазматический динеин

Кинезин

Цитоплазматические ПФ есть не у всех эукариот, они обнаружены только у некоторых групп животных. Так, ПФ есть у нематод, моллюсков и позвоночных, но не найдены у членистоногих и иглокожих. У позвочноных ПФ отсутствуют в некоторых клетках (например, олигодендроцитах). В растительных клетках ПФ не обнаружены. ПФ особенно много в клетках, подверженных механическим нагрузкам: в эпителиях, где ПФ участвуют в соединении клеток друг с другом через десмосомы, в нервных волокнах, в клетках гладкой и поперечнополосатой мышечной ткани.

Основными функциями актиновых филаментов являются: поддержание формы и придание жесткости клетке; участие в формировании межклеточных соединений, участие в транспортных процессах - эндо- и экзоцитозе; участие в процессах перемещения клеточных органелл, транспортных и секреторных пузырьков и в образовании микроворсинок, в формировании специализированных для мышечных структур акто-миозиновых сократительных комплексов, а также в образовании клеточной перетяжки при цитотомии; участие в изменении формы клеток и амебоидном движении.

Макрофаг поглощает бактерию

Актин-спектриновый цитоскелет эритроцитов

Клеточное ядро Ядро – двумембранный компартмент, заключающий в себе генетический аппарат клетки. Функции ядра: 1) хранение наследственной информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления, 2) регуляция жизнедеятельности клетки путем регуляции синтеза различных белков, 3) место образования субъединиц рибосом.

Строение ядра

Ядерный матрикс — опорная структура ядра клетки, составленная периферической пластинкой (ламиной) и пронизывающими ядро тяжами. Считается, что матрикс построен преимущественно из негистоновых белков, формирующих сложную разветвлённую сеть, сообщающуюся с ядерной ламиной. Возможно, ядерный матрикс принимает участие в формировании функциональных доменов хроматина. В геноме эукариот имеются специальные А-Т-богатые участки прикрепления к ядерному матриксу (англ. S/MAR — Matrix/Scaffold Attachment Regions), служащие, как предполагается, для заякоривания петель хроматина на белках ядерного матрикса.

Ядро и его матрикс

Хроматин — это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

Если хроматин упакован плотно, его называют гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно, его называют эухроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется транскрипционной активностью.

Пример химической работы: фосфорилирование глюкозы

Пример электрической работы: поддержание мембранного потенциала (дополнительный механизм)

Осмотическая работа - работа по переносу различных веществ через мембраны против градиента концентрации

Механическая работа

Строение митохондрии

Окисление/восстановление NAD+

Электронтранспортная цепь митохондрий

Окислительно-восстановительный потенциал компонентов электронтранспортной цепи митохондрий

Хлоропласт - двумембранный органоид, имеющий сложное строение, а также содержащий хлорофилл, благодаря которому происходит процесс фотосинтеза.

Светозависимая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов

Антенный комплекс

Темновая фаза (светонезависимая) протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ. В ходе темновой фазы происходит фиксация углекислого газа и его восстановление до глюкозы в ходе цикла Кальвина. В ходе темновой фазы используются АТФ и НАДФН, синтезированные в световую фазу.

Цикл Кальвина