Строение клеточной мембраны

Любую клетку отграничивает плазматическая мембрана. Она настолько тонка, что её невозможно различить под световым микроскопом. Плазматическая мембрана, легко поврежденная микроиглой, способна к восстановлению, но при более грубом повреждении цитоплазма вытекает через прокол наружу и клетка погибает.

Согласно современной теории, плазматическая мембрана состоит из бислоя полярных липидов и встроенными в него молекулами глобулярных белков. Благодаря этим слоям мембрана, обладает эластичностью и относительной механической прочностью. Плазматическая мембрана большинства типов клеток состоит из трёх слоёв шириной примерно 2,5 нм каждый. Подобная структура, называемая “элементарной мембраной”, обнаружена и в большинстве внутриклеточных мембран. Биохимический анализ показал, что липиды и белки содержаться в них в отношении 1.0 : 1.7. Основную массу липидных компонентов образуют фосфолипиды, преимущественно лецитин и кефалин (рис. 1).

Плазмолемма - оболочка клетки, выполняющая отграничительную, транспортную и рецепторную функции. Она обеспечивает механическую связь клеток и межклеточные взаимодействия, содержит клеточные рецепторы гормонов и других сигналов окружающих клетку среды, осуществляет транспорт веществ в клетку из клетки как по градиенту концентраций - пассивный перенос, так и с затратами энергии против градиента концентраций - активный перенос.

В состав оболочки входят плазматическая мембрана, немембранный комплекс - гликокаликс и субмембранный опорно-сократительный аппарат.

В гликокаликсе содержится около 1 % углеводов, молекулы которых образуют длинные ветвящиеся цепи полисахаридов, связанные с белками мембраны. Находящиеся в гликокаликсе белки - ферменты участвуют в конечном внеклеточном расщеплении веществ. Продукты этих реакций в виде мономеров поступают в клетку. При активном переносе транспорт веществ в клетку осуществляется или поступлением молекул в виде раствора - пиноцитоз, или захватом крупных частиц - фагоцитоз.

В соответствии с функциональными и морфологическими особенностями тканей оболочка клеток образует характерные для них аппараты межклеточных контактов. Основные их формы: простой контакт (или зона слипания), плотный (замыкающий) и щелевой контакт. Разновидностью плотного контакта являются десмосомы.

Биологичекие мембраны действуют как диффузные барьеры. Благодаря своей избирательной проницаемости для ионов К+, Nа+, Cl- и т.п., а также высокомолекулярных соединений они разграничивают внутри- и межклеточные зоны реакций и создают электрические градиенты и градиенты концентрации веществ. Это делает возможным существование упорядоченных биологических структур со специфическими функциями.

Рис. 1. Структуры плазматической мембраны

Важнейшее свойство клетки и ее плазмолеммы — формирование межклеточных соединений (контактов).

Простойнеспециализированный (адгезионный) контактобразуется за счет элементов гликокаликса — трансмембранными гликопротеинами взаимодействующих мембран. Простые контакты не обеспечивают высокой прочности межклеточных взаимодействий. Иногда плазмолеммы контактирующих клеток в области простого контакта образуют интердигитации (взаимные пальцевидные внедрения участков цитоплазмы), которые придают контакту большую прочность.

Плотный (запирающий) контакт характерен для клеток однослойных эпителиев. При формировании плотного контакта внешние слои мембран в отдельных участках максимально сближаются. В точках соприкосновения мембран располагаются интегральные белки плазмолемм соседних клеток. В ряде случаев (в эпителии кишечного типа) плотные контакты формируют сплошные полосы, получившие название замыкающих пластинок. Эти контакты, помимо прочного соединения клеток, изолируют межклеточные щели и делают их плохо проницаемыми для ионов и молекул.

Десмосома. В межклеточной щели в области десмосомы располагается электронно-плотный слой, образованный взаимодействующими молекулами интегральных гликопротеинов плазмолемм соседних клеток. С помощью катионов кальция молекулы сцеплены в межклеточном пространстве. Десмосомы являются характерными контактами эпителиальных, эндотелиальных клеток, кардиомиоцитов и других, обеспечивая прочное сцепление взаимодействующих структур.

Щелевой контакт. В отличие от всех рассмотренных выше он представляет собой коммуникационное (обменное) соединение клеток. Через щелевой контакт происходит прямой обмен химическими веществами между клетками. Плазмолеммы соседних клеток в зоне щелевого контакта сближены до 2-3 нм.

Синаптические контакты или синапсы — специфические контакты между нервными клетками (межнейронные синапсы) или между нервными и другими клетками (нервно-мышечные синапсы и другие). Функциональная роль синаптических контактов заключается в передаче возбуждения или торможения с одной нервной клетки на другую или с нервной клетки на иннервируемую клетку.

Рецепторы клеток

Для регуляции деления, роста, развития, организации и обмена информацией, координации функций клетки взаимодействуют между собой. Это происходит путем выделения химических веществ и образования щелевидных контактов. Кроме этого, на плазматических мембранах клетки расположены сигнальные молекулы - белки, получившие название рецепторы. Рецепторы клеток связывают молекулу и инициируют ответ. Они представлены трансмембранных белков, имеющих специальный участок для связывания физиологически активных молекул - гормонов и нейромедиаторов. Многие рецепторных белков в ответ на связывание определенных молекул меняют транспортные свойства мембран. Вследствие этого может изменяться полярность мембран, генерироваться нервный импульс или изменяться обмен веществ.

Различают внутриклеточные рецепторы и рецепторы, располагающиеся на поверхности клетки в плазматической мембране. Среди них выделяют рецепторы двух типов - связанные с каналами клетки и не связаны с каналами. Они различаются между собой по скорости и избирательностью воздействия сигнала на определенные мишени. Рецепторы, связанные с каналами, после взаимодействия с химическими веществами (гормон, нейро- медиатор) способствуют образованию в мембране открытого канала, в результате чего сразу же меняется ее проницаемость. Рецепторы, не связанные с каналами, также взаимодействуют с химическими веществами, но другой природы, в основном это ферменты. Здесь эффект косвенный, относительно замедленный, но более длительный. Функция этих рецепторов лежит в основе обучения и памяти.

Большинство клеток многоклеточного организма специализированная на выполнении одной главной функции, и все они наделены характерным набором рецепторов. Это позволяет соответственно реагировать на химические сигналы, запускающие или модулируют данную функцию. Многие из сигнальных молекул действуют в очень низких концентрациях (преимущественно не более 10-8М), и рецепторы, которые с ними связываются, имеют также высокую родство (константа родства около 108 л / моль).

Одна и та же сигнальная молекула в клетках - мишеням может вызывать различные эффекты. Так, ацетилхолин стимулирует сокращение волокон скелетных мышц, но одновременно уменьшает частоту и силу сокращений мышцы сердца. Такие разные эффекты обусловлены различиями рецепторов. Число рецепторов к определенного вещества (лиганда) может колебаться в пределах от 500 до 100 000 на клетку и они располагаются на мембране случайно или сконцентрированы в определенных ее участках. Рецепторы клеточной поверхности составляют не более 0,1% всей массы белка плазматической мембраны и поэтому их трудно выделить в чистом виде. Это препятствие преодолевается применением методов клонирования последовательностей ДНК, кодирующих поверхностные рецепторы клеток.

Строение животной клетки

1. Цитоплазма, отделенная от окружающей среды плазмолеммой, включает в себя гиалоплазму, находящиеся в ней обязательные клеточные компоненты - органеллы, а также различные непостоянные структуры – включения (рис.2).

Гиалоплазма (hyalinos - прозрачный) - основная плазма, или матрикс цитоплазмы, представляет собой очень важную часть клетки, её истинную внутреннюю среду.

В электронном микроскопе матрикс имеет вид гомогенного и тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. Гиалоплазма является сложной коллоидной системой, включающей в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. Эта система способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное и обратно. В состав гиалоплазмы входят главным образом различные глобулярные белки. Они составляют 20-25% общего содержания белков в эукариотической клетке. К важнейшим ферментам гиалоплазмы относятся ферменты метаболизма сахаров, азотистых оснований, аминокислот, липидов и других важных соединений. В гиалоплазме располагаются ферменты активации аминокислот при синтезе белков, транспортные РНК (тРНК). В гиалоплазме при участии рибосом и полирибосом происходит синтез белков, необходимых для собственно клеточных нужд, для поддержания и обеспечения жизни данной клетки.

Органеллы - постоянно присутствующие и обязательные для всех клеток микроструктуры, выполняющие жизненно важные функции.

Различают мембранные органеллы - митохондрии, эндоплазматическую сеть (гранулярная и гладкая), аппарат Гольджи, лизосомы; немембранные органеллы: свободные рибосомы и полисомы, микротрубочки, центриоли и филаменты (микрофиламенты). Во многих клетках органеллы могут принимать участие в образовании особых структур, характерных для специализированных клеток. Так, реснички и жгутики образуются за счет центриолей и плазматической мембраны, микроворсинки - это выросты плазматической мембраны с гиалоплазмой и микрофиламентами, акросома спермиев - это производное элементов аппарата Гольджи и пр.

Рис. 2. Ультрамикроскопическое строение клетки животных организмов (схема)

1 – ядро; 2 – плазмолемма; 3 – микроворсинки; 4 – агранулярная эндоплазматическая сеть; 5 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 – аппарат Гольджи; 7 – центриоль и микротрубочки клеточного центра; 8 – митохондрии; 9 – цитоплазматические пузырьки; 10 – лизосомы; 11 – микрофиламенты; 12 – рибосомы; 13 – выделение гранул секрета.

Мембранные органеллы представляют собой одиночные или связанные друг с другом отсеки цитоплазмы, отграниченные мембраной от окружающей их гиалоплазмы, имеющие своё собственное содержимое, отличное по составу, свойствам и функциям:

Митохондрии - органеллы синтеза АТФ. Их основная функция связана с окислением органических соединений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии для синтеза молекул АТФ. Митохондрии ещё называют энергетическими станциями клетки, или органеллами клеточного дыхания.

Термин “”митохондрия” был введён Бенда в 1897 году. Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, т.к. они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут перемещаться, сливаться друг с другом, делиться. Форма и размеры митохондрий животных клеток разнообразны, но в среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина - от 1 до 10 мкм. Количество их в клетках сильно варьирует - от единичных элементов до сотен. Так, в клетке печени они составляют более 20% общего объема цитоплазмы. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4-5 раз больше поверхности её плазматической мембраны.

Митохондрии ограничены двумя мембранами толщиной около 7 нм. Наружная митохондриальная мембрана ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, её матрикс. Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания чаще имеют вид плоских гребней, или крист. Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гранулы - митохондриальные рибосомы.

Эндоплазматическая сеть была открыта К.Р. Портером в 1945 г. Эта органелла представляет собой совокупность вакуолей, плоских мембранных мешков или трубчатых образований, создающих как бы мембранную сеть внутри цитоплазмы. Различают два типа - гранулярную и гладкую эндоплазматическую сеть.

Гранулярная эндоплазматическая сеть представлена замкнутыми мембранами, отличительной чертой которых является то, что они со стороны гиалоплазмы покрыты рибосомами. Рибосомы участвуют в синтезе белков, выводимых из данной клетки. Кроме того, гранулярная эндоплазматическая сеть принимает участие в синтезе белков-ферментов, необходимых для организации внутриклеточного метаболизма, а также используемых для внутриклеточного пищеварения.

Белки, накапливающиеся в полостях сети, могут, минуя гиалоплазму, транспортироваться в вакуоли комплекса Гольджи, где они часто модифицируются и входят в состав либо лизосом, либо секреторных гранул.

Роль гранулярной эндоплазматической сети заключается в синтезе на её полисомах экспортируемых белков, в их изоляции от содержимого гиалоплазмы внутри мембранных полостей, в транспорте этих белков в другие участки клетки, а также в синтезе структурных компонентов клеточных мембран.

Агранулярная (гладкая) эндоплазматическая сеть также представлена мембранами, образующими мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться друг с другом. В отличие от гранулярной эндоплазматической сети на мембранах гладкой эндоплазматической сети нет рибосом. Диаметр вакуолей и канальцев обычно около 50-100 нм.

Деятельность гладкой ЭПС связана с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Гладкая ЭПС участвует в заключительных этапах синтеза липидов. Она сильно развита в клетках, секретирующих стероиды в корковом веществе надпочечников и сустентоцитах ( клетки Сертоли) семенников.

В поперечнополосатых мышечных волокнах гладкая ЭПС способна депонировать ионы кальция, необходимые для функции мышечной ткани.

Очень важна роль гладкой ЭПС в дезактивации различных вредных для организма веществ.

Комплекс Гольджи (КГ). В 1898 г. К. Гольджи, используя свойства связывания тяжелых металлов с клеточными структурами, выявил в нервных клетках сетчатые образования, которые он назвал внутренним сетчатым аппаратом.

Он представлен мембранными структурами, собранными вместе в небольшой зоне. Отдельная зона скопления этих мембран называется диктиосомой. Таких зон в клетке может быть несколько. В диктиосоме плотно друг к другу (на расстоянии 20-25 нм) расположены 5-10 плоских цистерн, между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. Кроме цистерн в зоне КГ наблюдается множество мелких пузырьков (везикул). КГ участвует в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в цитоплазматической сети, в их химических перестройках, созревании; в цистернах КГ происходит синтез полисахаридов, их комплексирование с белками и, главное, выведение готовых секретов за пределы клетки.

Лизосомы - это разнообразный класс шаровидных структур размером 0,2-0,4 мкм, ограниченных одиночной мембраной.

Характерным признаком лизосом является наличие в них гидролитических ферментов, расщепляющих различные биополимеры. Лизосомы были открыты в 1949 г. де Дьювом.

Пероксисомы - небольшие размером 0,3-1,5 мкм овальной формы тельца, ограниченные мембраной. Они особенно характерны для клеток печени, почек. Ферменты окисления аминокислот образуют перекись водорода, который разрушается ферментом каталаза. Каталаза пероксисом играет важную защитную роль, так как Н₂О₂ является токсическим веществом для клетки.

Немембранные органеллы

Рибосомы- элементарные аппараты синтеза белковых, полипептидных молекул - обнаруживаются во всех клетках. Рибосомы - это сложные рибонуклеопротеиды, в состав которых входят белки и молекулы РНК. Размер функционирующей рибосомы эукариотических клеток 25 х 20 х 20 нм.

Различают единичные рибосомы и комплексные рибосомы (полисомы). Рибосомы могут располагаться свободно в гиалоплазме и быть связанными с мембранами эндоплазматической сети. Свободные рибосомы образуют белки в основном на собственные нужды клетки, связанные обеспечивают синтез белков “” на экспорт”.

Микротрубочки относятся к фибриллярным компонентам белковой природы. В цитоплазме они могут образовывать временные образования (веретено деления). Микротрубочки входят в состав центриолей, а также являются основными структурными элементами ресничек и жгутиков. Они представляют собой прямые, неветвящиеся длинные полые цилиндры. Их внешний диаметр составляет около 24 нм, внутренний просвет - 15 нм, толщина сетки - 5 нм. Микротрубочки содержат белки - тубулины. Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки могут быть факторами ориентированного движения клетки в целом и её внутриклеточных компонентов, создавая факторы направленных потоков разных веществ.

Центриоли. Термин был предложен Т. Бовери в 1895 г. для обозначения очень мелких телец. Центриоли обычно расположенные в паре - диплосома, окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой отходят радиально тонкие фибриллы (центросфера). Совокупность центриолей и центросферы называют клеточным центром. Эти органеллы в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления и располагаются на его полюсах. В неделящихся клетках располагаются вблизи КГ.

Основой строения центриолей являются расположенные по окружности 9 триплетов микротрубочек, образующих таким образом полый цилиндр. Его ширина около 0,2 мкм, а длина 0,3-0,5 мкм.

Системы микротрубочек центриоли можно описать формулой: (9 х 3) + 0, подчеркивая отсутствие микротрубочек в её центральной части.

При подготовке клеток к митотическому делению происходит удвоение центриолей.

Полагают, что центриоли участвуют в индукции полимеризации тубулином при образовании микротрубочек. Перед митозом центриоль является одним из центров полимеризации микротрубочек веретена клеточного деления.

Реснички и жгутики. Это специальные органеллы движения. В основании ресничек и жгутика в цитоплазме видны мелкие гранулы - базальные тельца. Длина ресничек 5-10 мкм, жгутиков - до 150 мкм.

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост цитоплазмы с диаметром 200 нм. Он покрыт плазматической мембраной. Внутри расположена аксонема (“осевая нить”), состоящая из микротрубочек.

Аксонема в своём составе имеет 9 дуплетов микротрубочек. Здесь систему микротрубочек реснички описывают (9 х 2) + 2.

К фибриллярным компонентам цитоплазмы относятся микрофиламенты толщиной 5-7 нм и так называемые промежуточные филаменты, микрофибриллы, толщиной около 10 нм.

Микрофиламенты встречаются во всех типах клеток. По строению и функциям они бывают разные, но отличить их морфологически друг от друга трудно. Химический состав их разный. Они могут выполнять функции цитоскелета и участвовать в обеспечении движения внутри клетки.

Включения цитоплазмы.Это необязательные компоненты клетки, возникающие и исчезающие в зависимости от метаболического состояния клеток. Различают включения трофические, секреторные, экскреторные и пигментные. Трофические включения - это нейтральные жиры и гликоген. Наличие пигментных включений в цитоплазме может изменять цвет ткани. Нередко пигментация ткани служит диагностическим признаком.

Ядро обеспечивает две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением и передачей генетической информации, другую - с её реализацией, с обеспечением синтеза белка.

В ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность при митозе двум дочерним клеткам получить совершенно одинаковые в качественном и количественном отношении объемы генетической информации.

Другой группой клеточных процессов, обеспечиваемых активностью ядра, является создание собственного аппарата белкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК, но и транскрипция всех видов транспортных и рибосомальных РНК.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится.

Ядро неделящейся, интерфазной клетки обычно одно на клетку. Ядро состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы (кариолеммы) (рис. 3).

Кариоплазма или ядерный сок- микроскопически бесструктурное вещество ядра. Он содержит различные белки (нуклеопротеиды, гликопротеиды), ферменты и соединения, участвующие в процессах синтеза нуклеиновых кислот, белков и др. веществ, входящих в состав кариоплазмы. Электронно - микроскопически в ядерном соке выявляют рибонуклеопротеидные гранулы 15 нм в диаметре.

В ядерном соке выявлены также гликолитические ферменты, участвующие в синтезе и расщеплении свободных нуклеотидов и их компонентов, энзимы белкового и аминокислотного обмена. Сложные процессы жизнедеятельности ядра обеспечиваются энергией, освобождающейся в процессе гликолиза, ферменты которого содержатся в ядерном соке.

Хроматин. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. Такими же свойствами обладают и хромосомы, которые отчетливо видны во время митотического деления клеток. Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных хромосом.

Ядрышко. Это одно или несколько округлой формы тельца величиной 1-5 мкм, сильно преломляющих свет. Ядрышко - самая плотная структура ядра - является производным хромосомы.

В настоящее время известно, что ядрышко - это место образования рибосомальных РНК и полипептидных цепей в цитоплазме.

Ядрышко неоднородно по своему строению: в световом микроскопе можно видеть его тонковолокнистую организацию. В электронном микроскопе выделяют два основных компонента: гранулярный и фибриллярный. Фибриллярный компонент - это рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, гранулы - созревающие субъединицы рибосом.

Ядерная оболочка состоит из внешней ядерной мембраны и внутренней мембраны оболочки, разделенных перинуклеарным пространством. Ядерная оболочка содержит ядерные поры. Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран.

Поры имеют диаметр около 80-90 нм. Поперёк поры имеется диафрагма. Размеры пор у данной клетки обычно стабильны. Число пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

Рис. 3. Строение ядра эукариотической клетки.

Таблица 1. Виды транспорта веществ через мембрану.

Работа Na⁺- K⁺-насоса

В случае работы К⁺-Nа⁺-АТФазы, необходимой для переноса Na⁺ и K⁺, насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.

На схеме (рис. 4) видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:

1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);

2) связывание комплексом трех ионов натрия;

3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;

4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;

5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;

6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;

7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).

Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

Рис. 4. Работа Na⁺- K⁺-насоса.

Тесты:

1.У человека часто встречаются болезни, связанные с накоплением в клетках углеводов, липидов, и др. Причиной возникновения этих наследственных болезней является отсутствие реакций расщепления в определенных органоидах, которые называются…

А. Лизосомы

Б. Митохондрии

В. Эндоплазматическая сеть

Г. Аппарат Гольджи

Д. Ядро

2.Вещества выводятся из клетки в результате соединения мембранной структуры аппарата Гольджи с цитолеммой. Содержимое такой структуры Выбрасывается за пределы клетки. Этот процесс получил название:

А. Осмос

Б. Экзоцитоз

В. Эндоцитоз

Г. Активный транспорт

Д. Облегченная диффузия

3.Для изучения локализации биосинтеза белка в клетке, мышам ввели меченые тритием аминокислоты аланин и триптофан. Около каких органелл наблюдается накопление меченых аминокислот:

А. Клеточный центр

Б. Гладкая ЕПС

В. Рибосомы

Г. Лизосомы

Д. Аппарат Гольджи

4. При ревматизме у больного человека наблюдается разрушение клеток хрящей и как следствие нарушение функции суставов. В этом процессе принимает участие:

А. Комплекс Гольджи

Б. Клеточный центр.

В. Микротрубочки

Г. Лизосомы

Д. Рибосома.

5. Изучая электронограммы клеток печени крысы, студенты на одной из них увидели структуры овальной формы, двумембранные, внутренняя мембрана, которых образует кристы. Назовите эти органеллы.

А. Пероксисомы

Б. Ядро

В. Лизосомы

Г. ЭПС

Д. Митохондрии

6. В ядре клетки имеются непостоянные структуры, которые исчезают в начале деления клетки и появляются в конце его. Они содержат белок и РНК, их образование связано с хромосомами. Их функция очень важна для образование субъединиц рибосом. Называются они…

А. Гетерохроматин

Б. Нуклеосомы

В. Эухроматин

Г. Микрофибриллы

Д. Ядрышки

7. В клетках здоровой печени активно синтезируется гликоген и белки. Какие органеллы хорошо развиты

А. Лизосомы

Б. Клеточный центр.

В. Гранулярная и агранулярная ЭПС

Г. Митохондрии

Д. Пероксисомы

8. В одной из органелл клетки происходит завершение построения белковой молекулы и создание комплекса белковых молекул с углеводами, жирами. Назовите эту органеллу.

А. Эндоплазматическая сетка

Б. Комплекс Гольджи

В. Лизосомы

Г. Рибосомы

Д. Митохондрии

9. Во время исследования электронограммы в клетке обнаружена деструкция митохондрий. Какие процессы в клетке могут быть нарушены в результате этого

А. Дробление

Б. Разделение ядра

В. Кроссинговер

Г. Окисление органических веществ

Д. Цитокенез

10. У больного острый панкреатит, который может привести к аутолизу поджелудочной железы. С функциями каких органелл клетки может быть связан этот процесс

А. Центриолей

Б. Митохондрий

В. Рибосом

Г. Лизосом

Д. Микротрубочек

Задачи для контроля знаний:

1. Больному при лечении был назначен гормон надпочечников кортизон, одним из проявлений действия которого является резкая стимуляция процессов биосинтеза белка в клетках. В связи с этим в клетках происходят структурно функциональные изменения.

1) какие морфологические изменения возможны со стороны ядер клетки (показать на одной из электроннограмм).

2) с какими функциональными сдвигами в ядре будут связаны указанные вами структурные изменения?

3) какие морфологические изменения наблюдаются в цитоплазме клеток?

2. Культивировали две клеточных культуры. После внесения в обе культуры аминокислоты глицина, меченой радиоактивной меткой, в клетках этих культур в участке рибосом было обнаружено скопление радиоактивных меток, причем в одной из них накопление меток было интенсивнее. Ядра клеток какой культуры находятся в более активном состоянии? Какие особенности морфологии этих ядер можно обнаружить при электронном микроскопировании?

6. Материалы для разбора с преподавателем и контроля его усвоения:

6.1. Разбор с преподавателем узловых вопросов для освоения темы занятия.

6.2. Демонстрация преподавателем методик практических приемов по теме.

6.3. Материал для контроля усвоения материала:

Вопросы для разбора с преподавателем:

1. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки.

2. Химический состав клетки: макро- и микроэлементы.

3. Вода, значение водородных связей в процессах жизнедеятельности клетки.

4. Органические соединения – углеродсодержащие вещества живых организмов.

5. Строение цитоллемы. Принцип компартментации. Виды клеточных контактов. Транспорт через клеточную мембрану. Работа К/Nа-насоса.

6. Клеточная теория, её современное состояние.

7. Цитоплазма и цитоскелет. Циклоз.

8. Органеллы цитоплазмы – мембранные и немембранные, значение и принципы функционирования.

9. Включения в клетках, их функции.

10. Ядро – центральный информационный аппарат клетки. Структура интерфазного ядра. Строение и функции ядрышка.

11. Методы изучения структуры и функционирования клетки.

Практическая часть

1. Заполнить граф логической структуры “Строение эукариотической клетки”.

2. Изучить строение эукариотической клетки под микроскопом. Изучение электронограмм.

3. Изучить строение биологической мембраны и зарисовать в альбом.

5. Составить граф логической структуры “Виды транспорта веществ”.

6. Изучить по учебной таблице работу К/Nа-насоса, занести в протокол.

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

Вид деятельности	Система действий
1.ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА. 1   3   4   2 5	1. На электронограмме клетки найти клеточное ядро. 2. Изучить структуру клеточного ядра, обратить внимание на характер строения ядерной мембраны, её взаимоотношения с цитоплазматической сетью. Рассмотреть структуру кариоплазмы, хроматина, ядрышка. 3. Зарисовать ядро и обозначить: 1 - ядерная оболочка; 2 – кариоплазма; 3 - хроматин; 4 – ядрышко; 5 – поры ядерной оболочки.
2. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ХЛОРОПЛАСТОВ. 1 2 3	1. Изготовить микропрепарат из клеток листа валлиснерии (элодеи). 2. Положить препарат на предметный столик микроскопа. 3. При малом увеличении объектива найти место наиболее тонкого среза. 4. Перевести микроскоп на большое увеличение. Изучить строение клеток листа. Обратить внимание на форму, количество хлоропластов их движение. 5. Зарисовать 3-4 клетки в альбом, обозначить: 1 – хлоропласты; 2 - оболочка клетки; 3 - цитоплазма. 6. Убрать препарат.
ЭЛЕКТРОНОГРАММА ХЛОРОПЛАСТА.     1   2   3	1. Зарисовать электронограмму хлоропласта, на рисунке обозначить: 1 – мембрана; 2 – граны; 3 - строма.
3. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ МИТОХОНДРИЙ	1. Положить препарат на предметный столик. 2. Рассмотреть при малом увеличении препарат митохондрий в животной клетке. 3. Перевести микроскоп на большое увеличение. 4. Изучить препарат при большим увеличении.   Зарисовать 3-4 клетки, обозначить: 1 – оболочка; 2 - цитоплазма; 3 - ядро; 4 - митохондрии.
ЭЛЕКТРОНОГРАММА МИТОХОНДРИЙ 2 3 4 1	. Зарисовать электронограмму митохондрии, на рисунке об означить структуры.

8.Литература:

Основная:

4. Биология: В 2кн. Кн.1: Учеб. для мед.спец. вузов /под ред. В.Н.Ярыгина. 6-е изд. -М.:Высшая школа,2004.-С.29-32

5. Биология/А.А.Слюсарев, С.В.Жукова.- К.: Вища школа. Головное изд-во, 1992.- С.9-11

6. Биология. Руководство к практическим занятиям для студентов стоматологических факультетов под ред. акад. РАЕН проф. В.В. Маркиной. Изд. М. « ГЭОТАР- Медиа» 2010 г.

Дополнительная:

5. Медична біологія: Підручник /за ред.В.П.Пішака , Ю.І.Бажори.-Вінниця:Нова книга,2004.- С.28-30

6. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология : В 3т. Т.3.Пер. с англ. /Под ред.П. Сопера . М.:Мир, 1990.-С. 182-188,298-299.

7. Кемп П., Армс К. Введение в биологию: Пер. с англ.-М.:Мир, 1988.-С.19-21

8. Ченцов Ю.С. Общая цитология: учебник. 2-е изд..- М.: изд-во Моск. унив-та, 1984. – С.17-38

9. Конспект лекций.

Занятие №3

Тема:«Молекулярная организация ядра»

1.Актуальность темы: клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Знание закономерностей процессов, происходящих в ядре клетки, и назначение строения и функций тех или иных ядерных структур клетки необходимы для выявления характера патологических изменений в органе.

2.Учебные цели занятия: изучить классификацию хромосом человека в кариотипе, характеристику каждой группы хромосом, правила хромосом. Изучить виды и структуру хроматина. Научиться решать задачи по теме.

3. Цели развития личности: профессиональные

4.  Оснащение:а) методический материал, таблицы; б) световые микроскопы, в) постоянные микропрепараты, дидактический материал и технические средства обучения (кино- и видеофильмы, тренинговые и контролирующие компьютерные программы, мультимедийные атласы, альбомы, ситуационные задачи и др.).

5. Материалы для самоподготовки:

5.1. Вспомогательный учебный материал

Структура хромосом

Хромосомы — структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре (рис. 2).

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превышает 5 мкм (5-10^{- 4} см). Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза.

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются центромерой в области первичной перетяжки (рис.1). Каждая хроматида построена из хроматиновых петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется ДНК.

Рис 1. Хромосома до и после репликации.

С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается. Хромосомы могут находиться в двух состояниях: конденсированном (неактивном) и деконденсированном (активном).

Диплоидный набор хромосом организма называют кариотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в кариотипе. Для этого учитывают распределение видимых под микроскопом светлых и темных полос в хромосомах, обработанных специальными красителями. Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, очень сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом — 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны (XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (например, аллеля свертываемости крови). Хромосомы одной пары называют гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены.

Число, величина и форма хромосом в ядрах клеток являются важными знаками каждого вида. Набор хромосом соматических клеток данного вида называется кариотипом.

Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки – центромеры. Центромеры делят хромосомы на два плеча (рис. 2).

Рис. 2. Субмикроскопическое строение хромосомы

В зависимости от места расположения центромеры различают следующие типы хромосом (рис.3):

Рис.3. классификация хромосом по месту расположения первичной перетяжки

1,7 - метацентрические (равноплечие); 2- субметацентрические (неравноплечие); 3,4,5 - акроцентрические (палочковидные); 9- спутничные (имеют вторичную перетяжку, которая отделяет небольшой участок хромосомы, называемый спутником), 6- телоцентирические (перетяжка располагается терминально).

Таб. 1. Денверская классификация хромосом.

Хроматин — это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков

В структуру хроматина входят нуклеосомы. Молекулы ДНК упаковываются при помощи гистонов в спираль меньшей длины. Нуклеосомы — дискообразные частицы диаметром около 11 нм. Каждая нуклеосома состоит из набора 8 молекул гистонов; по две молекулы Н2А, Н2В, Н3, Н4. Эти гистоны образуют протеиновый стержень, вокруг которого обвивается определенный сегмент двуспиральной молекулы ДНК (рис. 4).

Гистон Н1 соединяет нуклеосомы друг с другом. Нить ДНК продолжается от нуклеосомы к нуклеосоме. Каждая нуклеосома отделяется от следующей участком линкерной ДНК, которая представляет собой приблизительно 60 пар азотистых оснований. Приблизительно 200 пар азотистых оснований ДНК располагается на одной нуклеосоме (рис 5).

Хроматин обладает следующими свойствами: высокой стабильностью структуры, что обеспечивает постоянство генома из поколения в поколение; способностью связывать гистоновые и негистоновые белки в зависимости от активности генома; возможностью изменять структуру в различные периоды клеточного цикла; возможностью существовать в виде эухроматина и гетерохроматина; способностью формировать хромосомы при делении клетки.

Хроматин выполняет следующие функции:

1. Хранение генетической наследственной информации в виде строгой последовательности нуклеотидов ДНК, стабилизированной белками и специальной упаковкой.

2. Перенос наследственной характеристики от родителей к потомкам посредством формирования хромосом.

3. Обеспечение роста клеток, поддержание их структуры и функций путем управления синтезом структурных белков.

4. Контроль метаболизма путем регуляции образования необходимых ферментов.

5. Формирование ядрышек, где образуются субъединицы хромосом. В зависимости от степени конденсации (спирализации) хроматин подразделяется на гетерохроматин и эухроматин.

Гетерохроматин сильно уплотнен и генетически неактивен. Обычно 90 % хроматина находится в такой форме. На электронно-микроскопических фотографиях гетерохроматин выглядит как сильноокрашенные темные области ядра. Эухроматин — малоконденсированный, деспирализованный. Поэтому при электронной микроскопии выявляется в виде светлых участков ядра. С этих участков хроматина происходит считывание информации и образование РНК. В клетках с интенсивным синтезом белка эухроматина больше.

Половой хроматин (тельца Барра)— небольшое хроматиновое тельце, определяющееся в 70 % интерфазных ядер соматических клеток особей женского пола. Образуется в результате стойкой спирализации и инактивации одной из двух Х-хромосом. Исследование полового хроматина имеет диагностическое значение.

Рис. 4. Упаковка ДНК в хромосому.

Рис. 5. Взаимное расположение ДНК и гистоновых белков в структуре хроматина.

Правила хромосом.

1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у собаки — 78, у курицы — 78).

2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению хромосому: одну — от отца, другую — от матери.

3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается от другой пары размером, формой, которая зависит от расположения центромеры,чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.

4. Правило непрерывности хромосом — перед делением клетка ДНК удваивается и к каждой из двух исходных нитей достраивается по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. Комплементарные нуклеотидные последовательности — это полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилом спаривания азотистых оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) и т. д. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосомы от хромосом.

Хромосомный анализ основан на подсчете количества хромосом. Хромосомные аномалии характеризуются большим или меньшим их числом. Второй тип хромосомных аномалий связан с нарушениями структуры хромосом. Исследование кариотипа производится на препаратах метафазных хромосом, получаемых из культуры лимфоцитов периферической крови, костного мозга, кожи.

Идиограмма (idiogram) [греч. idio — особый, свой, собственный и gramma — буква, запись] — графическое изображение кариотипа или отдельных хромосом со всеми структурными характеристиками: положение центромеры, спутников, хромомер и гетерохроматина, абсолютная длина плеч и др.

Рис 7. Идиограммы мужчины

Рис 8. Идиограммы женщины.

Тесты:

1. Ядра клеток обработали препаратом, который разрушил структуру гистона. Какие компоненты клетки изменятся вследствие этого в первую очередь

А. Рибосомы

Б.Ядерная оболочка

В. Хромосомы

Г. Митохондрии

Д. Плазматическая мембрана

2. Анализируется идиограмма кариотипа мужского организма. В диплоидном наборе нормальной соматической клетки обнаружены хромосомы. При подсчете их оказалось…

А.22 пары.

Б.23 пары.

В.24 пары.

Г.46 пар.

Д.44 пары.

3. Анализ идиограммы кариотипа женщины позволил установить, что в Х-хромосоме центромера расположена почти посередине. Такая хромосома имеет название:

А. Спутничная.

Б. Субакроцентрическая

В. Телоцентрическая.

Г. Акроцентрическая.

Д. Субметацентрическая.

4. Среди органических веществ клетки найден полимер, который состоит из десятков, сотен и тысяч мономеров. Молекула способна самовоспроизводиться и быть носителем информации. С помощью рентгеноструктурного анализа обнаружено, что молекула состоит из двух спирально закрученных нитей. Укажите это органическое соединение:

А. Целлюлоза

Б.РНК

В. ДНК

Г.Углевод

Д.Гормон

5. На электронной микрофотографии научный работник обнаружил структуру, образованную восемью молекулами белков и участком молекулы ДНК, которая делает около 1,75 оборотов вокруг них. Какую структуру обнаружил исследователь

А. Нуклеосому

Б. Элементарную фибриллу

В. Полухроматиду

Г. Хроматиду

Д. Хромосому

6. Ядрышко в ядре обеспечивает:
А. Образование субъединиц рибосом

Б. Образование молекул т-РНК

В. Образование молекул только и-РНК

Г. Образование структур одномемранных органелл

Д. Образование структур одномемранных органелл и рибосом

7. Что такое идиограмма?

А. Схематичное изображение всех субметацентрических хромосом клетки

Б. Схематичное изображение всех метацентрических хромосом клетки

В. Схематичное изображение всех акроцентрических хромосом клетки

Г. Графическое изображение кариотипа

Д. Графическое изображение ядрышка.

Задачи для контроля знаний:

Задача 1. Определить длину каждого плеча хромосомы, если вся ее длина 0,6 мкм., а центромерний индекс 0,25.

Задача 2. Ранее некоторые исследователи считали, что гетерохроматин - это скопление наиболее активных в данный момент генов (генов, с которых списывается в данный момент информация). Как можно, пользуясь методом электронной микроскопии, получить доказательства неверности данного предположения?

6.Материалы для разбора с преподавателем и контроля его усвоения:

6.1. Разбор с преподавателем узловых вопросов для освоения темы занятия.

6.2. Демонстрация преподавателем методик практических приемов по теме.

6.3. Материал для контроля усвоения материала:

Вопросы для разбора с преподавателем:

1. Ядро клетки в интерфазе.

2. Хроматин: уровни организации (упаковки) наследственного материала (эухроматин, гетерохроматин).

3. Хромосомы: химический состав, особенности морфологии. Субмикроскопическое строение. Динамика их структуры в клеточном цикле (интерфазные и метафазные хромосомы). Правила хромосом.

4. Кариотип: морфофункциональная характеристика и классификация хромосом человека (Денверская и по месту расположения центромеры).

5. Хромосомный анализ. Правила хромосом. Идиограмма кариотипа человека.

7.Практическая часть:

1. Изучить по микрофотографиям кариотипы разных организмов.

2. Изучить строение политенных хромосом, используя микропрепараты. Зарисовать в альбом (рис.9).

3. Познакомиться с принципами составления кариотипа человека. Составить идиограмму кариотипа человека.

4. Занести в протокол субмикроскопическое строение хромосом.

5. Решить задачи.

Рис. 9. Политенные хромосомы в слюнных железах хирономид. Видны диски (темные) и междиски, а также вздутия (пуфы).

8.Литература:

Основная:

1. Биология: В 2кн. Кн.1: Учеб. для мед.спец. вузов /под ред. В.Н.Ярыгина. 6-е изд. -М.:Высшая школа,2004.-С. С.123-125, 137

2. Биология/А.А.Слюсарев, С.В.Жукова.- К.: Вища школа. Головное изд-во, 1992.- С.25-31

3. Биология. Руководство к практическим занятиям для студентов стоматологических факультетов под ред. акад. РАЕН проф. В.В. Маркиной. Изд. М. « ГЭОТАР- Медиа» 2010 г.

Дополнительная:

4. Медична біологія: Підручник /за ред.В.П.Пішака , Ю.І.Бажори.-Вінниця:Нова книга,2004.- С. С.74-79

10. Албертс Г., Грей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир,1986. – В 3 т, 2-е изд. Т.1.- С. 40.

11. Набор хромосом для кариотипирования.

12. Конспект лекций

Занятие №4

Тема:«Молекулярные основы наследственности. Нуклеиновые кислоты. Репликация ДНК. Репарация и самокоррекция ДНК. Генетический код, его свойства»

1.Актуальность темы:изучение данной темы необходимо для понимания теоретических основ генетики. Знания о свойствах генетического кода позволяет решать многие проблемы биологии и медицины с совершенно новых позиций. Важное значение в наши дни приобретает биотехнология - основное направление промышленности по созданию пищевого белка и лекарственных препаратов. Лечение многих болезней (болезни обмена веществ и рак), возможно, будет только с точки зрения генетической инженерии. Генетическая инженерия использует введение в геном генов и хромосом с определенными свойствами. Все это будет возможно, если знать структуру нуклеиновых кислот, свойства генетического кода и применять эти достижения, основываясь на теоретических и практических данных.

2.Учебные цели занятия:изучить свойства генетического кода, стуктуру и функции нуклеиновых кислот. Изучить процессы репликации и репарации ДНК; уметь решать задачи по теме.

3.Цели развития личности:профессиональные

4. Оснащение:а) методический материал, таблицы; б) световые микроскопы, в) постоянные микропрепараты, дидактический материал и технические средства обучения (кино- и видеофильмы, тренинговые и контролирующие компьютерные программы, мультимедийные атласы, альбомы, ситуационные задачи и др.).

5. Материалы для самоподготовки:

5.1. Вспомогательный учебный материал

Репликация ДНК

Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию, таким образом получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.

Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. Молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄-конец и 5΄ - конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄ , а другая – в направлении от 3΄ к 5-концу. Однако 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в "удобном" для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущая нить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней. Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение репликации ДНК.

Особенностью репликации ДНК является то, что ДНК-полимераза не может начать процесс синтеза сама, ей нужна «затравка». Обычно в качестве такой затравки используется фрагмент РНК.

После окончания процесса репликации образовавшиеся молекулы разделяются. Каждая дочерняя нить соединяется с материнской в двойную спираль.

Репарация ДНК

Репарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов.

В зависимости от того, участвует ли видимый свет в модификации повреждений ДНК, репарацию можно подразделить на световую и темновую. Конкретно под световой репарацией понимается феномен фотореактивации, впервые описанный у актиномицетов. Механизм фотореактивации действует только на пиримидиновые димеры. В этом процессе участвует фермент фотореактивации, который связывается с димерами.

Под «темновой репарацией» понимают репарацию без участия света. В настоящее время известны две системы такого типа: эксцизионная репарация и пострепликативная рекомбинационная репарация. Репарация первого типа требует присутствия ферментов, которые узнают нарушения структуры ДНК, удаляют затронутые участки, замещая их нормальными нуклеотидными последовательностями, и, наконец, восстанавливают первоначальную структуру ДНК, замыкая полинуклеотидную цепь. Второй тип темновой репарации — пострепликативная рекомбинационная репарация — устраняет повреждения в ДНК после того, как произошла ее репликация.

Схема 1. Этапы темновой репарации.

Генетический код

Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).