Раздел биологии изучающий строение клетки. Все о клетке. Клетка - это

Биология - наука о живых системах, закономерностях и механизмах их возникновения, существования и развития.

Существующая живая природа прошла длительный многоэтапный путь исторического развития. Элементарной структурной единицей биологических систем является клетка.

Впервые клетки с помощью микроскопа увидел и описал в 1665 г. Р. Гук. В 1839 г. Т. Шванн и М. Шлейден создали клеточную теорию, согласно которой клетки являются основой живых существ. В 1858 г. Р. Вирхов дополнил клеточную теорию положением о том, что всякая клетка происходит от другой клетки в результате деления.

Клетки характеризуются физико-химическими свойствами, размерами, формой.

Клетки делятся на прокариотические и эукариотические. Прокариотические клетки более древние (возникли около 3-3,5 млрд лет назад) и устроены более просто. Они образуют организмы-прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли). Эукариотические клетки возникли позже (около 1-1,4 млрд лет назад), имеют более сложное строение и образуют одноклеточные и многоклеточные организмы-эукариоты (растения, грибы, животные).

Особую группу мельчайших организмов, не имеющих клеточного строения, составляют вирусы. Они занимают пограничное состояние между живыми биологическими системами и неживыми и произошли, очевидно, от клеточных организмов. Изучение морфофункциональных особенностей различных бактерий и вирусов является важным моментом для понимания их участия в возникновении и развитии стоматологических заболеваний человека.

Тема 1.1. Клеточный и неклеточный уровни организации биологических систем

Цель. Знать основные современные методы изучения клеток. Знать и уметь анализировать структуру клеточных и неклеточных организмов при световой или электронной микроскопии. Иметь представление о физико-химических свойствах клеток, функциях их структур.

Задание для студентов

Работа 1. Методы изучения клеток

Изучите и перепишите в тетрадь таблицу.

Название методов	Их характеристика
1. Световая микроскопия	Изучение клеток в световой микроскоп на основе цитохимических, гистохимических, иммунохимических и других исследований. При этом выявляются определенные вещества (например, гликоген, липиды), химические группы (например, альдегидные, аминогруппы) или маркированные специфическими антителами вещества
2. Электронная микроскопия	Трансмиссивная (просвечивающая) электронная микроскопия основана на прохождении излучаемого электронной пушкой пучка электронов через клеточные структуры с неоднородной электронной плотностью, что на флюоресцирующем экране создает плоскостное изображение объекта. Сканирующая (растровая) электронная микроскопия основана на сканировании электронным пучком поверхности изучаемого объекта
3. Поляризационная микроскопия	Изучение структур на основе лучепреломления. Направленный на объект поляризованный пучок света пропускается через расположенный между объективом и окуляром анализатор, определяющий в зависимости от пространственного расположения молекул в объекте характер отклонения плоскости поляризации света

Окончание табл.

Название методов Их характеристика

4. Флюоресцентная микроскопия	Изучение способности веществ излучать видимый свет при освещении объекта ультрафиолетовыми лучами (аутофлюоресценция) или при окраске флюоресцентными красителями, связывающимися с различными структурами или веществами клеток. Например, акридиновый оранжевый, связываясь с ДНК, дает желтозеленое свечение, а с РНК - красно-оранжевое
5. Культура тканей	Клетки предварительно выделяют из органов и тканей и культивируют в специальных приборах в условия стерильности с использованием питательных сред и определенного газового состава. Культура тканей используется для цитологических, фармакологических, токсикологических, микробиологических, генетических исследований, в целях биотехнологий и биоинженерии
6. Рентгеноструктурный анализ	Исследование атомной структуры веществ с помощью дифракции рентгеновских лучей. При этом определяется род атомов, их расположение в структуре кристаллов, жидкостей, молекул

Работа 2. Химический состав клетки

Изучите и перепишите таблицу.

Работа 3. Молекулярная организация биологической мембраны

(по Б. Альберту, 1994) Изучите по рис. 1 трехмерное изображение мембраны. Обратите внимание на то, что липиды в мембране образуют бислой (представлены фосфолипидами, холестеролом и гликолипидами). Белки погружены в бислой липидов, их меньше, молекулы крупнее. Отметьте, что белки могут передвигаться в липидах и именно они в основном определяют специфику функций мембран.

Работа 4. Строение бактерии

Изучите по рис. 2 строение прокариотической (бактериальной) клетки.

Рис. 1. Строение биологической мембраны:

1 - липидный бислой; 2 - молекула белка; 3 - молекула липида

Рис. 2. Строение прокариотической клетки:

1 - жгутик; 2 - рибосомы; 3 - запасные питательные вещества; 4 - капсула; 5 - плазматическая мембрана; 6 - кольцевая молекула ДНК (нуклеоид); 7 - стенка клетки; 8 - мезосома; 9 - цитоплазма; 10 - тилакоиды (фотосинтетические мембраны)

Работа 5. Строение животной клетки

Изучите на микропрепаратах и по рис. 3 и 4 строение животной клетки, включения гликогена и жира. Зарисуйте несколько клеток.

Рис. 3. Строение животной клетки:

1 - оболочка клетки; 2 - цитоплазма; 3 - ядро

Рис. 4. Включения гликогена в клетках эпителия: 1 - включения гликогена в цитоплазме клеток

A. Строение клеток многослойного плоского ороговевающего эпителия слизистой оболочки твердого неба человека. Окраска гематоксилином - эозином (по Л.И. Фалину, 1963).

Б. Включения гликогена в цитоплазме клеток эпителия слизистой оболочки губы человека. ПАС-реакция (по Л.И. Фалину, 1963).

B. Включения жира в цитоплазме клеток печени. Окраска осмием. Рассмотрите под большим увеличением микроскопа клетки печени.

Найдите в цитоплазме жировые включения в виде круглых черных капель различной величины. Зарисуйте несколько клеток с включениями жира.

Обозначьте: 1 - оболочка клетки; 2 - ядро; 3 - цитоплазма с жировыми включениями.

Работа 6. Строение поверхностного аппарата животной клетки (по А.А. Заварзину, 1982) Изучите по рис. 5 и зарисуйте молекулярную структуру поверхностного аппарата.

Рис. 5. Строение поверхностной структуры животной клетки: 1 - поверхностный аппарат клетки; 2 - надмембранные структуры (гликокаликс); 3 - плазматическая мембрана; 4 - субмембранные структуры (микрофиломенты и микротрубочки); 5 - билипидный слой; 6 - интегральный белок; 7 - полуинтегральные белки; 8 - туннельный белок; 9 - поверхностный белок; 10, 11 - гликопротеиды и гликолипиды гликокаликса

Работа 7. Органеллы эукариотических клеток

Заполните таблицу, указав функции перечисленных органелл.

Работа 8. Ультрамикроскопическое строение животной и растительной клетки

Изучите на электроннограммах, по рис. 6 строение эукариотических клеток.

Рис. 6. Строение эукариотической клетки:

а - животного происхождения; б - растительного происхождения; 1 - ядро с хроматином и ядрышком; 2 - плазматическая мембрана; 3 - клеточная стенка; 4 - плазмодесмы; 5 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 - гладкая эндоплазматическая сеть; 7 - образующиеся пиноцитозные вакуоли; 8 - пластинчатый комплекс; 9 - лизосомы; 10 - жировые включения; 11 - центросома; 12 - митохондрии; 13 - полирибосомы; 14 - вакуоль; 15 - хлоропласт

Работа 9. Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток

Изучите и перепишите таблицу.

Характерные особенности	Прокариотические клетки	Эукариотические клетки
Поверхностный аппарат клетки: Надмембранные структуры; Плазматическая мембрана; Субмембранные структуры	Образованы клеточной стенкой, содержат упрочняющий материал - муреин. Снаружи от клеточной стенки у ряда бактерий располагается капсула Имеется. Образует впячивания внутрь цитоплазмы - мезосомы и тилакоиды Не выражены	У растительных клеток образованы клеточной стенкой, содержащей целлюлозу, а у животных клеток - гликокаликсом, состоящим из молекул гликолипидов и гликопротеидов Образуют опорно-сократительную систему, состоящую из микрофибрилл и микротрубочек
Органеллы цитоплазмы	Рибосомы	Эндоплазматическая сеть, центросома, митохондрии, пластинчатый комплекс, рибосомы, лизосомы. Растительные клетки имеют вакуоль и пластиды
Ядерный аппарат	Ядро отсутствует. Нуклеоид - одна кольцевидная хромосома, расположенная в цитоплазме. Состоит из ДНК и небольшого количества белков	Ядро имеет двухмембранную оболочку, кариоплазму, хроматин (хромосомы), ядрышки. Хромосомы состоят из ДНК и белков

Работа 10. Строение вируса

Изучите по рис. 7 строение бактериофага и его электронную микрофотографию (по Н. Грину, 1990). Зарисуйте схему строения вируса, обозначьте его структуры.

Рис. 7. Строение вируса:

а - строение бактериофага; б - электронная микрофотография бактериофага; 1 - головка вируса; 2 - воротничок; 3 - стержень; 4 - чехол; 5 - базальная пластинка с шипами и отростками

Работа 11. Особенности строения: ДНК- и РНК-содержащих вирусов животных (по А.П. Коротяеву, 1998) Изучите рис. 8 и зарисуйте на выбор несколько вирусов различной формы и размеров.

Рис. 8. ДНК- (а) и РНК-содержащие (б) вирусы

Вопросы для самоподготовки

1. Каковы основные свойства биологических систем?

2. Какие уровни организации биологических систем являются эволюционно обусловленными?

3. Каковы основные положения клеточной теории Т. Шванна, М. Шлейдена, Р. Вирхова? Современное состояние клеточной теории?

4. Каковы основные физико-химические свойства клетки?

5. Каково современное представление о молекулярной организации биологической мембраны и ее функциях?

6. Как устроены прокариотические клетки?

7. Как устроены эукариотические клетки?

8. Как устроены вирусы?

9. Какие существуют гипотезы происхождения эукариотических клеток?

Тестовые задания

1. ОРГАНЕЛЛАМИ ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Митохондрии

2. Рибосомы

3. Центросома

4. Пластинчатый комплекс

2. УСТОЙЧИВОСТЬ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ВИДОВ БАКТЕРИЙ

К ЛИЗОЦИМУ СЛЮНЫ И СЛЕЗ ОБЪЯСНЯЕТСЯ НАЛИЧИЕМ

В ИХ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКЕ:

2. Мягких липидов

3. Муреина

4. Полисахаридов

3. БОЛЕЗНЕТВОРНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ВИДОВ БАКТЕРИЙ ОБУСЛОВЛЕНЫ НАЛИЧИЕМ В ИХ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКЕ:

1. Полисахаридов. муреина

2. Полисахаридов. липидов

3. Полисахаридов. капсульных полисахаридов

4. Полисахаридов. белков

4. ПО СОВРЕМЕННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ, КЛЕТКА - ЭТО

1. Открытая

2. Закрытая

3. Элементарная

4. Универсальная

5. Целостная

5. СВОЙСТВАМИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Целостность и дискретность

2. Размножение

3. Метаболизм

4. Низкая энтропия (негэнтропия)

5. Наследственность и изменчивость

6. Высокая энтропия

6. ЭВОЛЮЦИОННО-ОБУСЛОВЛЕННЫМИ УРОВНЯМИ ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Молекулярно-генетический

2. Клеточный

3. Тканевый

4. Популяционно-видовой

5. Биогеоценотический

7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ КЛЕТОК ОБЕСПЕЧИВАЮТ:

1. Компартментацию

2. Барьерную функцию

3. Формирование рибосом и полисом

4. Транспорт веществ

5. Рецепцию

Установите соответствие.

8. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТОК:

1. Световая микроскопия

2. Поляризационная микроскопия

3. Флюоресцентная микроскопия

4. Электронная микроскопия

5. Рентгеноструктурный анализ

6. Культура тканей

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА:

а) Исследование живых клеток в питательной среде

б) Изучение конфигурации молекул биополимеров

в) Изучение клеточных структур на основе рассеивания ими пучка электронов

г) Изучение клеток в световом микроскопе

д) Исследование клеток, окрашенных веществами-флюорохромами

е) Изучение клеток на основе двойного лучепреломления)

9. ТИП КЛЕТКИ:

1. Прокариотическая

2. Эукариотическая

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОВЕРХНОСТНОГО АППАРАТА:

а) Клеточная стенка содержит муреин

б) Клеточная стенка содержит целлюлозу

в) Плазматическая мембрана

г) Гликокаликс содержит липопротеины и гликолипиды

д) Субмембранные структуры - микрофибриллы и микротрубочки.

10. ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТОК

ЭУКАРИОТ:

1. Гладкая эндоплазматическая

сеть (ЭПС)

2. Рибосомы

3. Митохондрии

4. Центросома

5. Пластинчатый комплекс

6. Лизосомы

ИХ ФУНКЦИИ:

а) Синтез белка

б) Синтез углеводов и липидов

в) Деление клеток

г) Образование энергии

д) Внутриклеточное переваривание веществ

е) Выделение веществ из клетки

Литература

Основная

Кн. 1. - С. 18-21, 24-51, 54-55.

Пехов А.П.

Дополнительная

Альберт Б., Брейд Д. и др. Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1994. - Т. 1.

Гилберт С. Биология развития. - М.: Мир, 1995. - Т. 1-3. Грин Н, Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. Заварзин А.А., Харазова А.Д. Основы общей цитологии. - Л.:

Изд-во ЛГУ, 1982.

Тема 1.2. Организация наследственного материала у про- и эукариот. Реализация генетической

информации и ее регуляция

Цель. Знать молекулярную структуру и свойства нуклеиновых кислот, хромосом, стадии биосинтеза белка, принципы регуляции генной активности. Уметь выявлять ДНК в ядрах клеток с помощью реакции Фельгена.

Задание для студентов

Работа 1. ДНК в ядрах клеток

На постоянном препарате под большим увеличением микроскопа рассмотрите в ядрах клеток эпителия слизистой оболочки ротовой полости ДНК, выявленную с помощью реакции Фельгена.

Зарисуйте несколько ядер, в которых ДНК окрашена в пурпурномалиновый цвет.

Работа 2. Молекулярная структура ДНК эукариот

Рассмотрите рис. 1. Зарисуйте строение вторичной (2) структуры

Рис. 1. Строение ДНК эукариот.

Структуры ДНК: 1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная.

А - аденин; Г - гуанин - пуриновые азотистые основания; Ц - цитозин; Т - тимин-пиримидиновые азотистые основания; Д - дезоксирибоза; Ф - остаток фосфорной кислоты; Н - нуклеотид

Работа 3. Структурно-функциональная организация ДНК у про- и эукариот

Изучите таблицы, перепишите их в рабочую тетрадь.

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
Количество генов	4 тыс. (Е. coli)	Около 30 тыс. (человек)
Количество ДНК	4 млн пар нуклеотидов	3-7 млрд пар нуклеотидов
Кодирующие последовательности
Связь ДНК с гистонами	Отсутствует	Формирует нуклеосомы
Укладка ДНК	Кольцевая, содержит 100 петель по 40 тыс. пар нуклеотидов	Линейная с замкнутыми в теломеры концами, имеет 4 уровня спирализации
Количество репликонов
Активно работающие участки	Более 90% генов	Менее 10% генов
Процессинг	Отсутствует	Осуществляется при переходе пре-мРНК из ядра в цитоплазму
Регуляция транскрипции	Оперонная	Сложная каскадная

Работа 4. Организация наследственного материала у прокариот (нуклеоид)

Рассмотрите рис. 2 и обратите внимание на укладку ДНК в виде петель.

Рис. 2. Укладка ДНК в нуклеоиде прокариот:

1 - кольцевая молекула ДНК; 2 - укладка ДНК в виде петель; 3 - белки, связывающие петли ДНК

Работа 5. Уровни организации интерфазного хроматина

Рассмотрите по рис. 3 уровни организации наследственного материала у эукариот.

Рис. 3. Схема различных уровней компактизации хроматина: а - нуклеосомная нить; б - микрофибрилла; в - интерфазная хромонема; г - молекулярная организация нуклеосомной нити: 1 - нуклеосома; 2 - ДНК; 3 - гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4; 4 - гистон Н1

Работа 6. Биосинтез белка у прокариот и эукариот

Изучите и зарисуйте процесс биосинтеза белка по схеме 1.

Схема 1. Биосинтез белка у прокариот (а) и эукариот (б)

Работа 7. Транскрипция и процессинг у эукариот

Изучите транскрипцию и процессинг по рис. 4.

Рис. 4. Транскрипция и процессинг у эукариот:

1 - ДНК; 2 - пре-мРНК; 3 - РНК-полимераза; 4 - кодогенная цепь ДНК; 5 - экзоны; 6 - интроны; 7 - зрелая мРНК; Т - терминатор; КЭП и поли-А - концевые последовательности нуклеотидов; ТАЦ и АУГ - инициаторные триплеты

Работа 8. Трансляция. Этапы рибосомного цикла

Изучите и зарисуйте по рис. 5 процесс трансляции.

Рис. 5. Процесс трансляции:

1 - малая субъединица рибосомы; 2 - большая субъединица рибосомы; 3 - аминоацильный (А) центр; 4 - пептидильный (П) центр; 5 - АУГ-инициаторный триплет мРНК; 6 - терминатор мРНК; 7 - инициаторная тРНК; 8 - аминокислоты формирующегося полипептида; 9 - колпачок

Работа 9. Регуляция активности генов у прокариот (схема Жакоба-Моно)

Рассмотрите и зарисуйте изображение регуляции синтеза белка путем индукции и репрессии (рис. 6).

Рис. 6. Регуляция синтеза белка путем индукции (а, б) и репрессии (в, г): а - структурные гены оперона блокированы; б - дерепрессирование генов индуктором; в - при недостаточном количестве конечного продукта (корепрессора) оперон дерепрессирован, а при избыточном - блокирован (г)

Работа 10. Основные принципы регуляции активности генов у эукариот

Изучите и перепишите.

1. У эукариот не установлено оперонной организации генов, так как гены, определяющие синтез ферментов одной цепи биохимических реакций, могут быть рассеяны в геноме и не имеют, как у прокариот, единой регулирующей системы (ген-регулятор, промотор, оператор и т.д.).

2. Регуляция транскрипции у эукариот комбинационная, т.е. активность каждого гена регулируется большим числом генов-регуляторов.

3. У многих эукариотических генов в ДНК имеется несколько зон, узнаваемых разными белками.

4. У эукариот существуют белки-регуляторы, контролирующие работу других регуляторных белков, и их действие может характеризоваться плейотропным эффектом.

5. В регуляции экспрессии эукариотических генов важную роль играют гены энхансеры (усиливают транскрипцию) и сайленсеры (тормозят транскрипцию).

6. В регуляции транскрипции участвуют гормоны, а генной активности - гистоны хромосом.

7. Регуляция экспрессии генов осуществляется на всех этапах реализации наследственной информации.

Вопросы для самоподготовки

1. Каковы особенности организации наследственного материала у про- и эукариот?

2. Какова молекулярная организация и функции нуклеиновых кислот?

3. Что такое ген? Какое определение гена Вы считаете более точным?

4. Каковы особенности строения генов у про- и эукариот?

5. Что такое генетический код и каковы его свойства?

6. Каковы основные этапы биосинтеза белка, в чем их сущность?

7. Каковы механизмы регуляции генной активности у прокариот (схема Жакоба-Моно)?

8. Каковы основные принципы регуляции генной активности у эукариот?

Тестовые задания

Выберите один правильный ответ.

1. ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЕДИНИЦЕЙ ФУНКЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА ЯВЛЯЕТСЯ:

2. ТРАНСКРИПЦИЮ ОСУЩЕСТВЛЯЕТ ФЕРМЕНТ

1. ДНК-полимераза

2. РНК-полимераза

3. Геликаза

3. МУЛЬТИГЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА И КОМПЛЕКСЫ В ГЕНОМЕ

1. Прокариоты

3. Эукариоты

Выберите несколько правильных ответов.

4. СВОЙСТВАМИ ДНК КАК ВЕЩЕСТВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Химическая стабильность

2. Репликация

3. Репарация

4. Способность к трансляции

5. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА ПРОИСХОДИТ С УЧАСТИЕМ ОРГАНЕЛЛ:

1. Лизосомы

2. Гладкая ЭПС

3. Рибосомы

4. Полисомы

6. ОСОБЕННОСТЯМИ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Отсутствие оперонной организации генов

2. Наличие оперонной организации генов

3. Наличие комбинационной регуляции транскрипции

4. Регуляция экспрессии генов на всех этапах реализации генетической информации

Установите соответствие.

7. ТРИПЛЕТЫ ДНК:

ТРИПЛЕТЫ мРНК:

Установите правильную последовательность.

8. УПАКОВКИ ДНК В ХРОМОСОМЕ ЭУКАРИОТ:

1. Хромонема

2. Хроматида

3. Нуклеосомная нить

4. Микрофибрилла

9. БИОСИНТЕЗА БЕЛКА У ЭУКАРИОТ:

1. Трансляция

2. Транскрипция

3. Процессинг

4. Посттрансляция

10. РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ПРОКАРИОТ

(СХЕМА ЖАКОБА-МОНО):

1. Считывание информации со структурных генов

2. Образование комплекса индуктор-репрессор

3. Поступление индуктора в цитоплазму прокариота

4. Освобождение оператора от репрессора

5. Образование полицистронного транскрипта

6. Синтез отдельных пептидов

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. - Кн. 1. - С. 65-138, 147-152, 163-171.

Пехов А.П. Биология с общей генетикой. - М.: Изд-во РУДН, 1993. - С. 95-112, 141-154, 166-171.

Дополнительная

Альберт Б. и др. Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1994. -

Гильберт С. Биология развития. - М.: Мир, 1994. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Н.: Сибирское университетское издательство, 2003.

Тема 1.3. Воспроизведение на клеточном уровне

Цель. Знать жизненный цикл клеток, процессы, протекающие в митотическом цикле и при терминальной дифференцировке. Иметь представление о механизмах регуляции клеточного цикла. Уметь определять на микропрепаратах фазы митоза и вычислять митотический коэффициент. Знать сущность и биологическое значение мейоза.

Задание для студентов

Работа 1. Клеточный цикл

Соматические клетки организма образуются в результате митоза. В дальнейшем возможны три варианта жизненного пути (цикла) клеток:

1. Клетки готовятся к делению и заканчивают свою жизнь митозом (митотический цикл).

2. Клетки дифференцируются, функционируют и погибают.

3. Клетки переходят в период G 0 , в котором могут находиться от нескольких часов до многих лет. При определенных условиях они могут перейти из этого периода в митотический цикл или терминальную дифференцировку.

Изучите и зарисуйте схему жизненного цикла клеток, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Жизненный цикл клеток:

G 1 - пресинтетический период; S - синтетический период; G 2 - постсинтетический период;

МЦ (митотический цикл) = G 1 + S + G 2 + митоз;

G 0 - период клеточного цикла, который включает:

Клетки пролиферативного пула медленнообновляющихся тканей;

Клетки, вышедшие из МЦ для репарации ДНК;

Клетки, не способные пройти МЦ из-за дефицита питательных веществ или факторов роста;

Резервные и стволовые клетки; n - гаплоидный набор хромосом;

c - одинарный набор ДНК

Работа 2. Удвоение хромосом и репликация ДНК у эукариот

Удвоение ДНК и хромосом происходит в S-периоде митотического цикла.

Репликация ДНК начинается одновременно во многих местах - точках инициации (рис. 2а). Происходит прикрепление комплекса ферментов («репликативная машина»), ДНК освобождается от гистонов и расплетается, образуется репликационный глазок (рис. 2б). Разделение исходных матричных и синтез новых дочерних цепей ДНК в глазке происходят одновременно в обе стороны в репликационных вилках (рис. 2в). После удвоения ДНК с ними соединяются гистоны, и хромосома становится двойной, состоящей из двух хроматид, которые соединены в области центромеры (рис. 2г).

Рис. 2а. Начало репликации ДНК в хромосоме

Рис. 2б. Образование репликационных глазков и репликационных вилок

Рис. 2в. Синтез ДНК в репликационной вилке:

1 - матричные цепи ДНК; 2 - фермент геликаза, разделяющий цепи матричной ДНК; 3 - ДСБ-белки, препятствующие воссоединению цепей ДНК; 4 - праймаза; 5 - РНК-затравка (синтезируется РНК-полимеразой - праймазой); 6 - ДНКполимераза, синтезирующая дочерние цепи; 7 - лидирующая дочерняя цепь ДНК; 8 - лигаза, соединяющая фрагменты Оказаки отстающей цепи ДНК; 9 - фрагмент Оказаки (150-200 нуклеотидов); 10 - топоизомераза

Рис. 2г. Завершение удвоения ДНК и хромосомы

Изучите схему репликации ДНК и удвоения хромосом, представленную на рис. 2а-2г. Зарисуйте рис. 2в.

Работа 3. Митоз растительных клеток

Рассмотрите под большим увеличением микроскопа микропрепарат корешка лука. Найдите клетки, находящиеся в интерфазе и разных фазах митоза. Зарисуйте и обозначьте:

I - стадии митоза: 1 - профаза;

2 - метафаза;

3 - анафаза;

4 - телофаза;

II - интерфаза (неделящаяся клетка).

Работа 4. Митоз клеток человека

Рассмотрите под малым увеличением цитогенетический препарат лимфоцитов крови человека. Найдите клетку в стадии митоза. Переведите на большое увеличение, поставив иммерсионный объектив (х90). Рассмотрите на препарате метафазную пластинку. Обратите внимание на строение хромосом человека, их размеры, расположение центромеры, количество хроматид в метафазной хромосоме. Определите набор хромосом, найдите гомологичные хромосомы. Зарисуйте метафазные хромосомы с различным расположением центромер.

Работа 5. Определение митотического коэффициента

На микропрепаратах корешка лука посчитайте число делящихся и неделящихся клеток в нескольких полях зрения (около 1000 клеток). Определите митотический коэффициент по формуле:

Число митозов

МК выражается в промилле (%о).

Работа 6. Виды тканей в зависимости от уровня клеточной пролиферации

Стабильные - все клетки находятся в состоянии необратимой дифференцировки. Гибель части клеток в течение жизни организма ведет к убыванию общего количества клеток в ткани.

Растущие - количество клеток в ткани увеличивается, так как доля клеток, идущих в митотический цикл, превышает долю клеток, идущих в дифференцировку.

Обновляющиеся - происходит размножение клеток, однако общее количество клеток остается постоянным, так как половина клеток переходит в необратимую дифференцировку и погибает.

Изучите и перепишите таблицу.

Вид ткани	Усредненные параметры пролиферации
	P c , % T, часы МК, %%
Быстро обновляющиеся ткани: красный костный мозг; эпителий ротовой полости, языка, пищевода, желудка и тонкой кишки; эпидермис кожи
Медленно обновляющиеся ткани: паренхима печени, паренхима почки		Не определяется. Скорость обновления клеток - около 6 мес
Стабильные ткани: эмаль зубов, кардиомиоциты, нервная ткань	Не определяется
Растущие: эмбриональные, регенерирующие, опухолевые		От 6-10 и более

Примечание: P c - пролиферативный пул; Т - продолжительность митотического цикла; МК - митотический коэффициент. Пролиферативный пул - доля клеток, находящихся во всех фазах митотического цикла и в пуле G 0 , способных к размножению.

Работа 7. Стволовые клетки. Их биологическое и медицинское значение

Стволовые клетки - это клетки, сохраняющие способность к размножению в течение всей жизни организма. В эмбриональном периоде они нужны для развития органов и тканей, в постэмбриональном - для роста организма, обновления тканей, регенерации и вегетативного размножения.

Изучите таблицу.

Вид стволовых клеток Характеристика Значение

Тотипотентные	Способны давать начало любому виду клеток (бластомеры на ранних этапах дробления)	С эмбриональных тотипотентных клеток начинается развитие организма при половом размножении. Соматические дают начало новым организмам при вегетативном размножении
Полипотентные (плюрипотентные)	Способны давать разные виды клеток (клетки зародышевых листков; клетки красного костного мозга)	Формирование органов и тканей развивающегося организма. Необходимы для обновления или регенерации тканей, в которых нет собственных стволовых клеток - эритроцитов и лейкоцитов, нейронов, кардиомиоцитов
Унипотентные	При размножении образуют клетки только одного вида (эпителий ротовой полости, слюнных желез)	Источник клеток для роста, обновления и регенерации органов
Реконструированные эмбриональные	Выделенные эмбриональные стволовые клетки, в которых методами генной инженерии изменен состав генов	Использование в медицине позволяет выращивать органы и ткани с заданными свойствами. Их применение для репродуктивного клонирования является источником генномодифицированных организмов

Применение стволовых клеток в медицине и стоматологии

Совершенствование методов выделения стволовых клеток, изучение факторов, регулирующих их рост и дифференцировку, открывает широкие возможности для использования таких клеток в медицине. Стволовыми клетками, взятыми из пуповинной крови или из других тканей, можно заменять собственные поврежденные клетки в любых органах, не опасаясь их отторжения. Применение эмбриональных клеток, терапевтическое клонирование и использование методов генной инженерии позволят выращивать органы и ткани и получать доступный материал для трансплантации. В настоящее время у экспериментальных животных из стволовых клеток удается получить целые зубы или их отдельные ткани (эмаль, пульпу и другие). Так, зародыши зуба, выращенные у мышей из клеток зубного сосочка, после имплантации взрослым животным вместо удаленных резцов прижились и сформировали полноценные зубы. У человека из стволовых клеток пульпы или апикального бугорка удаленных зубов мудрости удалось вырастить корни и периодонтальные связки, на основе которых восстановили (пока - с помощью обычных методов протезирования) коронку зуба. Таким образом в дальнейшем планируется получение материала для аутотрансплантации. Использование мезенхимальных стволовых клеток и композитных материалов позволило разработать имплантаты для замещения костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии. Необходимо отметить, что в настоящее время применение стволовых клеток находится на стадии экспериментальных исследований или клинических испытаний. Их широкое внедрение в практическую медицину - дело ближайшего будущего.

Работа 8. Различные направления дифференцировки клеток ротовой полости

Изучите и зарисуйте схему 1.

Схема 1. Направления дифференцировки клеток ротовой полости Работа 9. Регуляция размножения клеток

В обновляющихся тканях постоянное количество клеток поддерживается в результате саморегуляции, осуществляемой по принципу отрицательной обратной связи. При уменьшении количества клеток включаются механизмы, активирующие протоонкогены. Индукция этих генов ведет к синтезу факторов роста, оказывающих митогенную стимуляцию на клетки, находящиеся в Go -периоде, в том числе стволовые клетки. Происходит их усиленное размножение и увеличение количества. Избыток клеток ведет к репрессии протоонкогенов и активации генов-супрессоров, отвечающих за синтез ингибиторов клеточной пролиферации. Периодические колебания числа делящихся клеток, проявляющиеся в суточных ритмах пролиферации, позволяют достичь состояния динамического равновесия - количество клеток поддерживается на том уровне, который необходим для данной ткани.

Изучите схему 2. Приведите примеры факторов роста и ингибиторов клеточного деления.

Схема 2. Саморегуляция клеточной пролиферации

Работа 10. Сравнительная характеристика нормальных клеток и клеток злокачественных опухолей

Спонтанно или при действии канцерогенных факторов могут происходить мутации протоонкогенов или генов супрессоров, регулирующих размножение клеток. Протоонкогены превращаются в онкогены, которые не реагируют на регуляторные факторы и образуют большое количество факторов роста. Повреждение генов-супрессоров не позволяет сдерживать избыточное размножение клеток - возникает опухоль. Для клеток опухоли характерна генетическая нестабильность - в них возникают новые мутации, которые еще больше нарушают регуляцию клеточной пролиферации. Доброкачественная опухоль может трансформироваться в злокачественную.

Изучите таблицу.

Параметры Нормальные клетки Опухолевые клетки

Окончание табл.

Параметры	Нормальные клетки	Опухолевые клетки
Пролиферативный пул	Постоянный для каждой ткани	Прогрессивно увеличивается
Межклеточные контакты	Ограничивают увеличение количества клеток при контактном торможении	Нарушены: нет контактного торможения пролиферации
Клеточная мембрана	Обеспечивает возможность размножения клеток при контакте с базальной мембраной или другими опорными структурами	Изменена: возможно размножение клеток без контакта с опорными структурами
Адгезия клеток	Нормальная	Снижена: возможен отрыв клеток и метастазирование
Временная характеристика	Одновершинный суточный ритм митозов	Нарушение ритма митозов: двувершинный, инвертированный, отсутствие ритма
Пространственная организация	Строго определенная	Нарушена вследствие утраты контроля пролиферации и изменения клеточных контактов
Деление клеток		Значительное количество нарушений митозов, амитозы
Набор хромосом	Строго определенный (кариотип)	Значительные изменения числа и структуры хромосом

Работа 11. Мейоз, его особенности по сравнению с митозом

а) Под большим увеличением микроскопа рассмотрите препарат поперечного среза матки аскариды. Найдите овоциты первого порядка на стадии мейоза 1.

Зарисуйте и обозначьте:

1 - овоцит;

2 - цитоплазма;

3 - тетрада.

б) Используя материалы учебника, лекций и наглядных пособий, изучите стадии редукционного и эквационного делений мейоза. Отметьте различия митоза и мейоза. Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое жизненный цикл клеток?

2. Что такое митотический цикл, из каких периодов он состоит? Что происходит в различные периоды митотического цикла?

3. Как образуются новые клетки? Чем заканчивается жизнь клеток?

4. Какие молекулярные процессы лежат в основе удвоения молекулы ДНК? Как происходит удвоение хромосом?

5. Фазы митоза. Биологическая сущность и значение митоза.

6. Что такое политения, эндомитоз и полиплоидия?

7. Что такое митотический коэффициент и как он определяется?

8. Какие виды тканей различают в зависимости от их митотической активности? Чем они характеризуются?

9. Чем отличаются жизненные циклы нормальных и опухолевых клеток?

10. Каковы механизмы регуляции клеточного деления?

11. Что такое стволовые клетки? Виды стволовых клеток и их значение для стоматологии.

12. Клеточные циклы и направления дифференцировки при образовании тканей органов ротовой полости человека.

13. Каково биологическое значение и сущность мейоза?

14. Как изменяется набор хромосом, хроматид и ДНК в процессе мейоза?

15. Какие процессы ведут к рекомбинации генетического материала при мейозе?

Тестовые задания

Выбрать один правильный ответ.

1. УДВОЕНИЕ ХРОМОСОМ ПРОИСХОДИТ В ПЕРИОДЕ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:

1. Пресинтетическом

2. Постсинтетическом

3. Синтетическом

5. Go -периоде

2. УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МОЛЕКУЛ ДНК В ХРОМОСОМАХ ОБЕСПЕЧИВАЕТ:

3. Эндомитоз

5. Политения

3. СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СОХРАНЯЮТСЯ В ПЕРИОДЕ

КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА:

5. В дифференцировке

4. В МЕЙОЗЕ РАСХОЖДЕНИЕ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ

ПРОИСХОДИТ В:

1. Профазе I

2. Метафазе I

3. Анафазе I

4. Метафазе II

5. Анафазе II

Выберите несколько правильных ответов.

5. КОНЪЮГАЦИЯ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ В МЕЙОЗЕ

НЕОБХОДИМА ДЛЯ:

1. Удвоения хромосом

2. Кроссинговера

3. Репарации

4. Амплификации

5. Упорядоченного расположения гомологичных хромосом

6. К БЫСТРО ОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ТКАНЯМ ОТНОСЯТСЯ:

1. Нервная

2. Эпителий кишечника

3. Паренхима печени

4. Красный костный мозг

5. Эмаль зубов

6. Эпителий языка

7. Эмбриональные ткани

Установите соответствие.

7. КОЛИЧЕСТВО КЛЕТОК:

1. Не изменяется

2. Увеличивается

3. Уменьшается

а) Растущие

б) Медленно обновляющиеся

в) Быстро обновляющиеся

г) Стабильные

8. ПОСЛЕ ДЕЛЕНИЯ:

3. Эндомитоз

КОЛИЧЕСТВО ХРОМОСОМ (n) И ДНК (с)

СОСТАВЛЯЕТ В КЛЕТКЕ:

9. ФЕРМЕНТ:

1. Геликаза

2. РНК-полимераза

3. ДНК-полимераза

а) Синтез праймеров

б) Вырезание праймеров

в) Разъединение матричных цепей ДНК

г) Стабилизация матричных цепей ДНК

д) Синтез дочерних цепей ДНК

е) Сшивание фрагментов Оказаки

Установить правильную последовательность. 10. СОБЫТИЯ ПРИ РЕПЛИКАЦИИ ДНК:

1. Разделение цепей ДНК

2. Соединение фрагментов Оказаки

3. Синтез праймеров

4. Удаление праймеров

5. Синтез фрагментов Оказаки

Литература

Основная

Биология / Под ред. В.Н. Ярыгина. - М.: Высшая школа, 2001. -

Кн. 1. - С. 55-60, 72-79, 118-144, 200-207.

Пехов А.П. Биология и общая генетика. - М.: Изд-во РУДН, 1993. -

С. 64-80, 107-112.

Дополнительная

Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Лушников Е.Ф., Абросимов А.Ю. Гибель клетки (апоптоз). - М.: Медицина, 2001.

Епифанова О.И. Лекции о клеточном цикле. - М.: КМК, 2003.

(ядерные). Прокариотические клетки - более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Прокариотическая клетка

Эукариотическая клетка

Строение эукариотической клетки

Поверхностный комплекс животной клетки

Состоит из гликокаликса , плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы . Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана , толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира - гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет из себя «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов , полисахаридов , гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в нее молекулами белков , в частности, поверхностных антигенов и рецепторов . В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета - упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты . Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий . При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).

Структура цитоплазмы

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды . На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек , служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов , играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы , относят к гранулярному (или шероховатому ) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному ) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов . Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки .

Аппарат Гольджи

Ядро

Цитоскелет

Центриоли

Митохондрии

Сопоставление про- и эукариотической клеток

Наиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970-1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета . Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий.

Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот - обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеткок организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот - например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних. Так, размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5-5 мкм , размеры эукариотических - в среднем от 10 до 50 мкм. Кроме того, только среди эукариот попадаются поистине гигантские клетки, такие как массивные яйцеклетки акул или страусов (в птичьем яйце весь желток - это одна огромная яйцеклетка), нейроны крупных млекопитающих, отростки которых, укрепленные цитоскелетом, могут достигать десятков сантиметров в длину.

Анаплазия

Разрушение клеточной структуры (например, при злокачественных опухолях) носит название анаплазии .

История открытия клеток

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа . Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «келья, ячейка, клетка»). В году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, -) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы. Таким образом, уже к началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. Однако клеточная теория строения организмов сформировалась лишь к середине XIX века, после того как появились более мощные микроскопы и были разработаны методы фиксации и окраски клеток. Одним из её основоположников был Рудольф Вирхов , однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы.

См. также

• Сравнение строения клеток бактерий, растений и животных

Ссылки

• Molecular Biology Of The Cell, 4е издание, 2002 г. - учебник по молекулярной биологии на английском языке
• Цитология и генетика (0564-3783) публикует статьи на русском, украинском и английском языках по выбору автора, переводится на английский язык (0095-4527)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Клетка (биология)" в других словарях:

БИОЛОГИЯ - БИОЛОГИЯ. Содержание: I. История биологии.............. 424 Витализм и машинизм. Возникновение эмпирических наук в XVI XVIII вв. Возникновение и развитие эволюционной теории. Развитие физиологии в XIX в. Развитие клеточного учения. Итоги XIX века … Большая медицинская энциклопедия

- (cellula, cytus), основная структурно функциональная единица всех живых организмов, элементарная живая система. Может существовать как отд. организм (бактерии, простейшие, нек рые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных,… … Биологический энциклопедический словарь

Клетки аэробных спорообразующих бактерий имеют палочковидную форму и в сравнении с неспороносными бактериями, как правило, более крупных размеров. Вегетативные формы спороносных бактерий обладают более слабым активным движением, хотя им… … Биологическая энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Клетка (значения). Клетки крови человека (РЭМ) … Википедия

Все живые существа и организмы на состоят из клеток: растения, грибы, бактерии, животные, люди. Несмотря на минимальный размер, все функции целого организма выполняет клетка. Внутри нее протекают сложные процессы, от которых зависит жизнеспособность тела и работа его органов.

Вконтакте

Структурные особенности

Учёные занимаются изучением особенности строения клетки и принципов ее работы. Детально рассмотреть особенности структуры клетки можно только при помощи мощного микроскопа.

Все наши ткани — кожные покровы, кости, внутренние органы состоят из клеток, которые являются строительным материалом , бывают разных форм и размеров, каждая разновидность выполняет определённую функцию, но основные особенности их строения сходны.

Сначала выясним, что лежит в основе структурной организации клеток . В ходе проведенных исследований ученые установили, что клеточным фундаментом является мембранный принцип. Получается, что все клетки образованы из мембран, которые состоят из двойного слоя фосфолипидов, куда с наружной и внутренней стороны погружены молекулы белков.

Какое свойство характерно для всех типов клеток: одинаковое строение, а также функционал — регулирование процесса обмена веществ, использование собственного генетического материала (наличие и РНК ), получение и расход энергии.

В основе структурной организации клетки выделяются следующие элементы, выполняющие определенную функцию:

• мембрана — клеточная оболочка, состоит из жиров и протеинов. Ее основная задача – отделять вещества, находящиеся внутри, от внешней среды. Структуру имеет полупроницаемую: способна пропускать и оксид углерода;
• ядро – центральная область и главный компонент, отделяется от других элементов мембраной. Именно внутри ядра находится информация о росте и развитии, генетический материал, представленный в виде молекул ДНК, входящих в состав ;
• цитоплазма — это жидкая субстанция, образующая внутреннюю среду, где происходят разнообразные жизненно важные процессы, содержит в себе очень много важных компонентов.

Из чего состоит клеточное содержимое, каковы функции цитоплазмы и ее основных компонентов:

1. Рибосома — важнейший органоид, который необходим для процессов биосинтеза белков из аминокислот, белки выполняют огромное количество жизненно важных задач.
2. Митохондрии – ещё один компонент, находящийся внутри цитоплазмы. Его можно описать одним словосочетанием – энергетический источник. Их функция заключается в обеспечении компонентов питанием для дальнейшего производства энергии.
3. Аппарат Гольджи состоит из 5 – 8 мешочков, которые соединены между собой. Основная задача этого аппарата – передача протеинов в другие части клетки для обеспечения энергетического потенциала.
4. Очистку от повреждённых элементов производят лизосомы .
5. Транспортировкой занимается эндоплазматическая сеть, по которой белки перемещают молекулы полезных веществ.
6. Центриоли отвечают за воспроизводство.

Ядро

Поскольку — клеточный центр, поэтому следует уделить его строению и функциям особое внимание. Данный компонент является важнейшим элементом для всех клеток: содержит наследственные признаки. Без ядра стали бы невозможными процессы размножения и передачи генетической информации . Посмотрите на рисунок, изображающий строение ядра.

• Ядерная оболочка, которая выделена сиреневым цветом, пропускает внутрь нужные веществам и выпускает обратно через поры — маленькие отверстия.
• Плазма представляет собой вязкую субстанцию, в ней находятся все остальные ядерные компоненты.
• ядро размещается в самом центре, имеет форму сферы. Его главная функция – образование новых рибосом.
• Если рассмотреть центральную часть клетки в разрезе, то можно увидеть малозаметные синие переплетения — хроматин, главное вещество, который состоит из комплекса белков и длинных нитей ДНК, несущих в себе необходимую информацию.

Клеточная мембрана

Давайте подробнее рассмотрим работу, строение и функции этого компонента. Ниже представлена таблица, наглядно показывающая важность внешней оболочки.

Хлоропласты

Это ещё один наиважнейший компонент. Но почему о хлоропластах не было упомянуто раньше, спросите вы. Да потому, что этот компонент содержится только в клетках растений. Главное различие между животными и растениями заключается в способе питания: у животных оно гетеротрофное, а у растений автотрофное. Это означает, что животные не способны создавать, то есть синтезировать органические вещества из неорганических – они питаются готовыми органическими веществами. Растения же, напротив, способны осуществлять процесс фотосинтеза и содержат особые компоненты — хлоропласты. Это пластиды зеленого оттенка, содержащие вещество хлорофилл. С его участием энергия света преобразуется в энергию химических связей органических веществ.

Интересно! Хлоропласты в большом объеме сосредоточены главным образом в надземной части растений — зелёных плодах и листьях.

Если вам зададут вопрос: назовите важную особенность строения органических соединений клетки, то ответ можно дать следующий.

• многие из них содержат атомы углерода, которые обладают различными химическими и физическими свойствами, а также способны соединяться друг с другом;
• являются носителями, активными участниками разнообразных процессов, протекающих в организмах, либо являются их продуктами. Имеются ввиду гормоны, разные ферменты, витамины;
• могут образовывать цепи и кольца, что обеспечивает многообразие соединений;
• разрушаются при нагревании и взаимодействии с кислородом;
• атомы в составе молекул объединяются друг с другом с помощью ковалентных связей, не разлагаются на ионы и потому медленно взаимодействуют, реакции между веществами протекают очень долго — по нескольку часов и даже дней.

Строение хлоропласт

Ткани

Клетки могут существовать по одной, как в одноклеточных организмах, но чаще всего они объединяются в группы себе подобных и образуют различные тканевые структуры, из которых и состоит организм. В теле человека существует несколько видов тканей:

• эпителиальная – сосредоточена на поверхности кожных покровов, органов, элементов пищеварительного тракта и дыхательной системы;
• мышечная — мы двигаемся благодаря сокращению мышц нашего тела, осуществляем разнообразные движения: от простейшего шевеления мизинцем, до скоростного бега. Кстати, биение сердца тоже происходит за счёт сокращения мышечной ткани;
• соединительная ткань составляет до 80 процентов массы всех органов и играет защитную и опорную роль;
• нервная — образует нервные волокна. Благодаря ей по организму проходят различные импульсы.

Процесс воспроизводства

На протяжении всей жизни организма происходит митоз – так называют процесс деления, состоящий из четырёх стадий:

1. Профаза . Две центриоли клетки делятся и направляются в противоположные стороны. Одновременно с этим хромосомы образуют пары, а оболочка ядра начинает разрушаться.
2. Вторая стадия получила название метафазы . Хромосомы располагаются между центриолями, постепенно внешняя оболочка ядра полностью исчезает.
3. Анафаза является третьей стадией, на протяжении которой продолжается движение центриолей в противоположном друг от друга направлении, а отдельные хромосомы также следуют за центриолями и отодвигаются друг от друга. Начинает сжиматься цитоплазма и вся клетка.
4. Телофаза – окончательная стадия. Цитоплазма сжимается до тех пор, пока не появятся две одинаковые новые клетки. Формируется новая мембрана вокруг хромосом и появляется одна пара центриолей у каждой новой клетки.

Интересно! Клетки у эпителия делятся быстрее, чем у костной ткани. Все зависит от плотности тканей и других характеристик. Средняя продолжительность жизни основных структурных единиц составляет 10 дней.

Строение клетки. Строение и функции клетки. Жизнь клетки.

Вывод

Вы узнали каково строение клетки — самой важной составляющей организма. Миллиарды клеток составляют удивительно мудро организованную систему, которая обеспечивает работоспособность и жизнедеятельность всех представителей животного и растительного мира.

Клетка………………………………………………………………1

Строение клеток……………………………………………………2

Цитология…………………………………………………………..3

Микроскоп и клетка………………………………………………..4

Схема строения клетки…………………………………………….6

Деление клетки……………………………………………………10

Схема митотического деления клетки…………………………...12

Клетка

Клетка - элементарная часть организма, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизводству и развитию. Клетка - основа строения и жизнедеятельности всех живых организмов и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы, так и в составе многоклеточных организмов (клетки ткани). Термин «Клетка» предложен английским микроскопистом Р. Гуком (1665). Клетка - предмет изучения особого раздела биологии - цитологии. Более систематическое изучение клеток началось в девятнадцатом веке. Одним из крупнейших научных теорий того времени была Клеточная теория, утверждавшая единство строения всей живой природы. Изучение любой жизни на клеточном уровне лежит в основе современных биологических исследований.

В строении и функциях каждой клетки обнаруживаются признаки, общие для всех клеток, что отражает единство их происхождения из первичных органических веществ. Частные особенности различных клеток - результат их специализации в процессе эволюции. Так, все клетки одинаково регулируют обмен веществ, удваивают и используют свой наследственный материал, получают и утилизируют энергию. В то же время разные одноклеточные организмы (амёбы, туфельки, инфузории и т.д.) довольно сильно различаются размерами, формой, поведением. Не менее резко различаются клетки многоклеточных организмов. Так, у человека имеются лимфоидные клетки - небольшие (диаметром около 10 мкм) округлые клетки, участвующие в иммунологических реакциях, и нервные клетки, часть которых имеет отростки длиной более метра; эти клетки осуществляют основные регуляторные функции в организме.

Первым цитологическим методом исследования была микроскопия живых клеток. Современные варианты прижизненной световой микроскопии - фазово-контрастная, люминесцентная, интерференционная и др. - позволяют изучать форму клеток и общее строение некоторых её структур, движение клеток и их деление. Детали строения клетки обнаруживаются лишь после специального контрастирования, что достигается окраской убитой клетки. Новый этап изучения структуры клетки - электронная микроскопия, имеющая значительно большее разрешение структуры клетки по сравнению со световой микроскопией. Химический состав клеток изучается цито - и гистохимическими методами, позволяющими выяснить локализацию и концентрацию вещества в клеточных структурах, интенсивность синтеза веществ и их перемещение в клетках. Цитофизиологические методы позволяют изучать функции клеток.

Строение клеток

Клетки всех организмов имеют единый план строения, в котором четко проявляется общность всех процессов жизнедеятельности. Каждая клетка включает в свой состав две неразрывно связанные части: цитоплазму и ядро. Как цитоплазма, так и ядро характеризуются сложностью и строгой упорядоченностью строения и, в свою очередь, в состав их входит множество разнообразных структурных единиц, выполняющих совершенно определенные функции.

Оболочка. Она осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).

Оболочка - таможня клетки. Она зорко следит за тем, чтобы в клетку не проникли ненужные в данный момент вещества; наоборот, вещества, в которых клетка нуждается, могут рассчитывать на ее максимальное содействие.

Оболочка ядра двойная; состоит из внутренней и наружной ядерных мембран. Между этими мембранами располагается перинуклеарное пространство. Наружная ядерная мембрана обычно связана с каналами эндоплазматической сети.

Оболочка ядра содержит многочисленные поры. Они образуются смыканием наружной и внутренней мембран и имеют различный диаметр. В некоторых ядрах, например ядрах яйцеклеток, пор очень много и они с правильными интервалами расположены на поверхности ядра. Количество пор в ядерной оболочке варьирует в различных типах клеток. Поры расположены на равном расстоянии друг от друга. Так как диаметр поры может изменяться, и в ряде случаев ее стенки обладают довольно сложной структурой, создается впечатление, что поры сокращаются, или замыкаются, или, наоборот, расширяются. Благодаря порам кариоплазма входит в непосредственный контакт с цитоплазмой. Через поры легко проходят довольно крупные молекулы нуклеозидов, нуклеотидов, аминокислот и белков, и таким образом осуществляется активный обмен между цитоплазмой и ядром.

Цитология

Наука, изучающая строение и отправление клеток, называется цитологией.

За последнее десятилетие она достигла больших успехов, что в значительной мере связано с разработкой новых методов исследования клетки.

Основным «орудием» цитологии служит микроскоп, позволяющий изучать строение клетки при увеличении в 2400-2500 раз. Клетки изучают в живом виде, а также после специальной обработки. Последняя сводится к двум основным этапам.

Сначала клетки фиксируют, т. е. убивают их быстродействующими ядовитыми для клеток веществами, не разрушающими их структуры. Вторым этапом является окраска препарата. Она основана на том, что разные части клетки с разной степенью интенсивности воспринимают некоторые красители. Благодаря этому удается отчетливо выявить различные структурные компоненты клетки, которые без окраски благодаря сходному коэффициенту преломления не видны. Очень часто применяют метод изготовления срезов. Для этого ткани или отдельные клетки после специальной обработки заключают в твердую среду (парафин, целлоидин), после чего при помощи особого прибора - микротома, снабженного острой бритвой, раскладывают на тонкие срезы толщиной от 3 микрон (микрон = 0,001 мм).

1. Не все организмы имеют клеточное строение.

Клеточная организация явилась результатом длительной эволюции, которой предшествовали неклеточные (доклеточные) формы жизни. Фиксированные и окрашенные препараты перед изучением заключают в среду с высоким коэффициентом преломления (глицерин, канадский бальзам и др.). Благодаря этому они становятся прозрачными, что облегчает исследование препарата.

В современной цитологии разработан ряд новых методов и приемов, применение которых чрезвычайно углубило знания о строении и физиологии клетки.

Очень большое значение для изучения клетки имеет применение биохимических и цитохимических методов. В настоящее время мы можем не только изучать строение клетки, но и определять ее химический состав и изменения его в процессе жизнедеятельности клетки. Многие из этих методов основаны на применении цветных реакций, позволяющих различать определенные химические вещества или группы веществ. Изучение распределения разных по своему химическому составу веществ в клетке путем цветных реакций представляет собой цитохимический метод. Он имеет большое значение для исследования обмена веществ и других сторон физиологии клетки.

Микроскоп и клетка

В современной цитологии широко применяют ультрафиолетовую микроскопию. Ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза, но воспринимаются фотографической пластинкой. Некоторые играющие особо важную роль в жизни клетки органические вещества (нуклеиновые кислоты) избирательно поглощают ультрафиолетовые лучи. Поэтому по снимкам, изготовленным в ультрафиолетовых лучах, можно судить о распределении нуклеиновых веществ в клетке.

Разработан ряд тонких методов, позволяющих изучать проникновение разных веществ в клетку из окружающей среды.

Для этого, в частности, применяют прижизненные (витальные) красители. Это такие красящие вещества (например, нейтральный красный), которые проникают в клетку, не убивая ее. Наблюдая за живой витально окрашенной клеткой, можно судить о путях проникновения и накопления веществ в клетке.

Особенно большую роль в развитии цитологии, а также в изучении тонкого строения простейших сыграла электронная микроскопия.

Электронный микроскоп основан на ином принципе, чем световой оптический микроскоп. Объект изучают в пучке быстро летящих электронов. Длина волны электронных лучей во много тысяч раз меньше длины волны световых лучей. Это позволяет получить значительно большую разрешающую способность, т. е. гораздо большее увеличение, чем в световом микроскопе. Пучок электронов проходит сквозь изучаемый объект и затем падает на флуоресцирующий экран, на котором и проецируется изображение объекта. Чтобы объект был проницаемым для электронного пучка, он должен быть очень тонким. Обычные микротомные срезы толщиной в 3-5 мк для этого совершенно непригодны. Они полностью поглотят пучок электронов. Были созданы особые приборы - ультрамикротомы, которые позволяют получать срезы ничтожной толщины, порядка 100-300 ангстрем (ангстрем - единица длины, равная одной десятитысячной микрона). Различия в поглощении электронов разными частями клетки настолько малы, что без специальной обработки на экране электронного микроскопа они не могут быть обнаружены. Поэтому изучаемые объекты предварительно обрабатываются веществами, непроницаемыми или труднопроницаемыми для электронов. Таким веществом является четырехокись осмия (Os04). Она в различной степени поглощается разными частями клетки, которые благодаря этому по-разному задерживают электроны.

Применяя электронный микроскоп, можно получить увеличения порядка 100000.

Электронная микроскопия открывает новые перспективы в изучении организации клетки.

Схема строения клетки

На рис. 15 и рис. 16 сопоставлена схема строения клетки, как она представлялась в двадцатых годах этого столетия и как она представляется в настоящее время.

Снаружи клетка отграничена от окружающей среды тонкой клеточной мембраной, которая играет важную роль в регуляции поступления веществ в цитоплазму. Основное вещество цитоплазмы имеет сложный химический состав.

Основу его составляют белки, которые находятся в состоянии коллоидного раствора. Белки - это сложные органические вещества, обладающие крупными молекулами (молекулярный вес их очень высок, измеряется десятками тысяч по отношению к атому водорода) и большой химической подвижностью. Кроме белков, в цитоплазме присутствуют и многие другие органические соединения (углеводы, жиры), среди которых особенно большое значение в жизни клетки играют сложные органические вещества - нуклеиновые кислоты. Из неорганических составных частей цитоплазмы следует прежде всего назвать воду, которая по весу составляет значительно больше половины всех веществ, входящих в состав клетки. Вода важна как растворитель, так как реакции обмена веществ протекают в жидкой среде. Кроме того, в клетке присутствуют ионы солей (Са2+, К+, Na+, Fe2+, Fe3+ и др.).

В основном веществе цитоплазмы располагаются органоиды - постоянно присутствующие структуры, выполняющие определенные функции в жизни клетки. Среди них важную роль в обмене веществ играют митохондрии. В световом микроскопе они видны в форме небольших палочек, нитей, иногда гранул.

Электронный микроскоп показал, что структура митохондрий очень сложна. Каждая митохондрия имеет оболочку, состоящую из трех слоев, и внутреннюю полость.

От оболочки в эту полость, заполненную жидким содержимым, вдаются многочисленные перегородки, не доходящие до противоположной стенки, называемые к р иста м и. Цитофизиологические исследования показали, что митохондрии являются органоидами, с которыми связаны дыхательные процессы клетки (окислительные). Во внутренней полости, на оболочке и кристах локализуются дыхательные ферменты (органические катализаторы), обеспечивающие сложные химические превращения, из которых слагается процесс дыхания.

В цитоплазме, кроме митохондрий, имеется сложная система мембран, образующая в совокупности эндоплазматическую сеть (рис. 16).

Как показали электронномикроскопические исследования, мембраны эндоплазматической сети двойные. Со стороны, обращенной к основному веществу цитоплазмы, на каждой мембране расположены многочисленные гранулы (называемые «тельцами Паллада» по имени открывшего их ученого). В состав этих гранул входят нуклеиновые кислоты (а именно рибонуклеиновая кислота), благодаря чему их называют также рибосомами. На эндоплазматической сети при участии рибосом осуществляется один из основных процессов жизнедеятельности клетки - синтез белков.

Часть цитоплазматических мембран лишена рибосом и образует особую систему, называемую аппаратом Гольджи.

Это образование обнаружено в клетках уже довольно давно, ибо его удается выявить особыми методами при исследовании в световом микроскопе. Однако тонкая структура аппарата Гольджи стала известна лишь в результате электронномикроскопических исследований. Функциональное значение этого органоида сводится к тому, что в области аппарата концентрируются различные синтезируемые в клетке вещества, например зерна секрета в железистых клетках и т. п. Мембраны аппарата Гольджи находятся в связи с эндоплазматической сетью. Возможно, что на мембранах аппарата Гольджи протекает ряд синтетических процессов.

Эндоплазматическая сеть связана с наружной оболочкой ядра. Эта связь играет, по-видимому, существенную роль во взаимодействии ядра и цитоплазмы. Эндоплазматическая сеть имеет также связь с наружной мембраной клетки и местами непосредственно переходит в нее.

При помощи электронного микроскопа в клетках был обнаружен еще один тип органоидов - лизосомы (рис. 16).

По размерам и форме они напоминают митохондрии, но легко отличаются от них по отсутствию тонкой внутренней структуры, столь характерной и типичной для митохондрий. По представлениям большинства современных цитологов, в лизосомах содержатся переваривающие ферменты, связанные с расщеплением крупных молекул органических веществ, поступающих в клетку. Это как бы резервуары ферментов, постепенно используемых в процессе жизнедеятельности клетки.

В цитоплазме животных клеток обычно по соседству с ядром располагается центросома. Этот органоид имеет постоянную структуру. Он слагается из девяти ультрамикроскопических палочковидных образований, заключенных в особо дифференцированную уплотненную цитоплазму. Центросома - органоид, связанный с делением клетки.

Рис. 16. Схема строения клетки, по современным данным, с учетом электронномикроскопических исследований:

1 - цитоплазма; 2 - аппарат Гольджи, з- центросома; 4 - митохондрии; 5 - эндоплазматическая сеть; 6 - ядро; 7 - ядрышко; 8 - лизосомы.

К роме перечисленных цитоплазматических органоидов клетки, в ней могут присутствовать различные специальные структуры и включения, связанные с обменом веществ и выполнением различных специальных, свойственных данной клетке функций. В животных клетках обычно присутствует гликоген, или животный крахмал. Это резервное вещество, потребляемое в процессе обмена веществ как основной материал для окислительных процессов. Часто имеются жировые включения в форме мелких капель.

В специализированных клетках, таких, как мышечные клетки, имеются особые сократимые волоконца, связанные с сократительной функцией этих клеток. Ряд специальных органоидов и включений имеется в растительных клетках. В зеленых частях растений всегда присутствуют хлоропласты - белковые тела, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, при участии которого осуществляется фотосинтез - процесс воздушного питания растения. В качестве резервного вещества здесь обычно находятся крахмальные зерна, отсутствующие у животных. В отличие от животных, растительные клетки обладают, кроме наружной мембраны, прочными о б о57 лочками из клетчатк и, что обусловливает особую прочность растительных тканей.

Деление клетки

В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом в процессе Митоза. В результате деления образуются две клетки, идентичные исходной по генетическим свойствам и с обновленным составом ядра и цитоплазмы. Процессы самовоспроизведения хромосом, их деления, образования двух ядер и деления цитоплазмы разделены во времени, составляя в совокупности Митотический цикл клетки. В случае, если после деления клетка начинает готовиться к следующему делению, митотический цикл совпадает с жизненным циклом клетки. Однако во многих случаях после деления (а иногда и перед ним) клетки выходят из митотического цикла, дифференцируются и выполняют в организме ту или иную специальную функцию. Состав таких клеток может обновляться за счёт делений малодифференцированных клеток. В некоторых тканях и дифференцированные клетки способны повторно входить в митотический цикл. В нервной ткани дифференцированные клетки не делятся; многие из них живут так же долго, как организм в целом, то есть у человека - несколько десятков лет. При этом ядра нервных клеток не утрачивают способности к делению: будучи пересажены в цитоплазму раковых клеток, ядра нейронов синтезируют ДНК и делятся. Опыты с клетками-гибридами показывают влияние цитоплазмы на проявление ядерных функций. Неполноценная подготовка к делению предотвращает митоз или искажает его течение. Так, в некоторых случаях не происходит деления цитоплазмы и образуется двуядерная клетка. Многократное деление ядер в неделящейся клетке приводит к появлению многоядерных клеток или сложных надклеточных структур (симпластов), например в поперечнополосатых мышцах. Иногда репродукция клетки ограничивается воспроизведением хромосом, и образуется полиплоидная клетка, имеющая удвоенный (сравнительно с исходной клеткой) набор хромосом. Полиплоидизация приводит к усилению синтетической активности, увеличению размеров и массы клетки.

Одним из основных биологических процессов, обеспечивающих преемственность форм жизни и лежащих в основе всех форм размножения, является процесс деления клетки. Этот процесс, известный под названием кариокинеза, или митоза, с удивительным постоянством, лишь с некоторыми вариациями в деталях, осуществляется в клетках всех растений и животных, в том числе и простейших. При митозе происходит равномерное распределение хромосом, претерпевающих удвоение между дочерними клетками. От любого участка каждой хромосомы дочерние клетки получают половину. Не вдаваясь в детальное описание митоза, отметим лишь его основные моменты (рис.).

В первой стадии митоза, называемой профазой, в ядре становятся отчетливо видимыми хромосомы в форме нитей.

Рис. Схема митотического деления клетки:

1 - неделящееся ядро;

2-6 - последовательные этапы изменения ядра в профазе;

7-9 - метафаза;

10 - анафаза;

11-13 - телофаза. разной длины.

В неделящемся ядре, как мы видели, хромосомы имеют вид тонких, неправильно расположенных нитей, переплетающихся друг с другом. В профазе происходит их укорачивание и утолщение. Вместе с тем каждая хромосома оказывается двойной. По длине ее проходит щель, разделяющая хромосому на две рядом лежащие и совершенно подобные друг другу половины.

На следующей стадии митоза - метафазе - оболочка ядра разрушается, ядрышки растворяются и хромосомы оказываются лежащими в цитоплазме. Все хромосомы располагаются при этом в один ряд, образуя так называемую экваториальную пластинку. Существенные изменения претерпевает центросома. Она делится на две части, которые расходятся, и между ними образуются нити, формирующие а х р о м атиновое веретено. Экваториальная пластинка хромосом располагается по экватору этого веретена.

На стадии анафазы происходит процесс расхождения к противоположным полюсам дочерних хромосом, образовавшихся, как мы видели, в результате продольного расщепления материнских хромосом. Расходящиеся в анафазе хромосомы скользят по нитям ахроматинового веретена и в конце концов собираются двумя группами в области центросом.

Во время последней стадии митоза - телофазы - происходит восстановление структуры неделящегося ядра. Вокруг каждой группы хромосом образуется ядерная оболочка. Хромосомы вытягиваются и утончаются, превращаясь в длинные, беспорядочно расположенные тонкие нити. Выделяется ядерный сок, в котором появляется ядрышко.

Одновременно со стадиями анафазы и телофазы происходит разделение на две половины цитоплазмы клетки, которое осуществляется обычно путем простой перетяжки.

Как видно из нашего краткого описания, процесс митоза сводится в первую очередь к правильному распределению хромосом между дочерними ядрами. Хромосомы состоят из пучков нитевидных молекул ДНК, расположенных по продольной оси хромосомы. Видимому началу митоза предшествует, как это теперь установлено точными количественными измерениями, удвоение ДНК, молекулярный механизм которого мы уже рассмотрели выше.

Таким образом, митоз и расщепление хромосом во время него является лишь видимым выражением процессов удвоения (ауторепродукции) молекул ДНК, осуществляемого на уровне молекул. ДНК определяет через посредство РНК белковый синтез. Качественные особенности белков «закодированы» в структуре ДНК. Поэтому очевидно, что точное разделение хромосом в митозе, базирующееся на редупликации (ауторепродукции) молекул ДНК, лежит в основе «наследственной информации» в ряде следующих друг за другом поколений клеток и организмов.

Число хромосом, так же как их форма, размеры и т. п., является характерным признаком каждого вида организмов. У человека, например, имеется 46 хромосом, у окуня - 28, у мягких пшениц - 42 и т. п.

Клеточная биология (биология клетки, цитология) - наука о клетке.

Клеточная биология — раздел биологии, предметом которого является клетка, элементарная единица живого. Клетка рассматривается как система, включающая в себя отдельные клеточные структуры, их участие в общеклеточных физиологических процессах, пути регуляции этих процессов. Рассматривается воспроизведение клеток и их компонентов, приспособление клеток к условиям среды, реакции на действие различных факторов, патологические изменения клеток. и механизмы их гибели.

Цитология и клеточная биология

Термин «Клеточная биология» или «Биология клетки» во второй половине XX века вытеснил исходный первоначальный термин «Цитология», который определял науку о клетке. Цитология принадлежит к ряду «счастливых» биологических дисциплин, таких как биохимия , биофизика , и генетика , развитие которых за последние 60 лет было особенно бурным («биологическая революция») и произвело в биологии кардинальные изменения в понимании организации и сути жизненных явлений. Классическая цитология, которая в начале была, главным образом. описательной морфологической наукой, впитав в себя идеи, факты и методы биохимии, биофизики и молекулярной биологии, стала общебиологической дисциплиной, изучающей не только строение, морфологию, но и функциональные и молекулярные аспекты поведения клеток, как элементарных единиц живой природы.

Хотя первые описания и представления о клетке появились более 300 лет тому назад, детальное изучение клеток было связано с развитием микроскопии в XIX веке. В это время были сделаны главные описания внутриклеточной организации и была сформулирована т.н. клеточная теория (Т. Шванн . Р. Вирхов), главными постулатами которой являются: клетка - элементарная единица живого; вне клетки нет жизни (по Р. Вирхову «жизнь есть деятельность клетки, особенности первой есть особенности и последней»); клетки сходны (гомологичны) по своему строению и по своим основным свойствам; клетки увеличиваются в числе, размножаются только путем деления исходных клеток. Клеточная теория не только оказала значительное влияние на развитие таких общебиологических дисциплин, как гистология , эмбриология и физиология, но и произвела настоящий переворот в медицине, показав, что в основе любых заболеваний организма лежит клеточная патология, т.е. изменение функционирования отдельных групп клеток в составе органов и тканей.

Большую роль в становлении и развитии отечественной биологии и в дальнейшем - клеточной биологии сыграли научные школы таких исследователей, как И.И. Мечников , Н.К. Кольцов , Д.Н. Насонов и другие.

К концу XIX века были описаны многие внутриклеточные компоненты (ядро, хромосомы , митохондрии и др.), был охарактеризован митоз как единственный способ размножения клеток, была создана хромосомная теория наследственности (цитогенетика). В это же время и в начале XX века интересы цитологии были направлены на выяснение функционального значения внутриклеточных компонентов (цитофизиология). Решению этих задач помогло развитие таких направлений как цитохимия, культивирование клеток, связанных с внедрением новых методических приемов (флуоресцентная микроскопия, количественная цитохимия, авторадиография, дифференциальное центрифугирование и др.).

Качественным переломом в анализе клеточных компонентов и их функционального значения было внедрение в 50-ых годах XX века электронной микроскопии, что позволило исследовать клетки на субмикроскопическом уровне. Совокупность электронно-микроскопических и молекулярно-биологических методов дала возможность тесно связать изучение морфологии компонентов клеток с выявлением их биохимических особенностей и установить их функциональное значение. Именно в середине XX века стал употребляться термин «клеточная биология» как определение науки, которая изучает не только строение клеток, но и функционально-биохимические характеристики их структур и отдельных этапов жизни клеток вообще. В это же время был открыт клеточный цикл (молекулярная последовательность событий при размножении клеток), его регуляция на молекулярном уровне, дана функционально-биохимическая характеристика многих старых и вновь обнаруженных внутриклеточных структур.

Учение о клетке

В настоящее время с позиций современной молекулярной биологии можно сделать следующее определение, что такое клетка: клетка - это ограниченная активной липопротеидной мембраной упорядоченная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических (обменных) и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Внутриклеточные структурные элементы представляют собой функциональные подсистемы, или системы второго порядка. Так, клеточное ядро является системой хранения, воспроизведения и реализации генетической информации, заключенной в ДНК хромосом; гиалоплазма (основная плазма) - система основного промежуточного обмена и синтеза мономеров, а также синтеза белков на рибосомах; цитоскелет - опорно-двигательная система клетки; вакуолярная система - система синтеза, модификации и транспорта некоторых белковых полимеров и образования многих клеточных липопротеидных мембран; митохондрии - органеллы энергообеспечения всех функций клетки за счет синтеза АТФ; пластиды растительных клеток - система фотосинтеза АТФ и синтеза углеводов; плазматическая мембрана - барьерно-рецепторно-транспортная система клетки.

Важно подчеркнуть, что все эти подсистемы клетки образуют некое сопряженное единство, находящееся во взаимной зависимости. Так, нарушение функции ядра сразу сказывается на синтезе белков, нарушение структуры и функции митохондрий прекращает все синтетические и обменные процессы, нарушение элементов цитоскелета останавливает внутриклеточный транспорт и т.д.

Современная биохимия и молекулярная биология, изучающие химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток, не могут обходиться без информации о структурах, на которых эти процессы происходят; так же как и в клеточной биологии при изучении структур и их функционального значения невозможно обходиться без знания молекулярных процессов, происходящих на этих структурах. Поэтому все чаще в названиях различных руководств и учебников применяется термин «молекулярная биология клетки».

Изучение биологии клетки имеет огромное практическое значение: это изучение физиологии организмов, использование клеток в биотехнологических разработках, использование данных клеточной биологии в практической медицине. Так, например, сведения из области клеточной биологии необходимы при изучении злокачественного роста клеток, для цитодиагностики заболевания, для применения стволовых клеток и т.д. Более того, любые заболевания человека нельзя понять без привлечения данных из клеточной биологии.

Выдающиеся отечественные ученые-цитологи

И.И.Мечников (1845-1916) - знаменитый русский биолог и патолог, один из основоположников экспериментальной цитологии и иммунологии, создатель научной школы, почетный член Петербургской АН, один из основателей Пастеровского института в Париже. В 1883 году И.И.Мечников открыл явление фагоцитоза, выдвинул фагоцитарную теорию иммунитета (1901); за работы по изучению иммунитета совместно с П.Эрлихом был удостоен Нобелевской премии в 1908 году.

Огромное влияние на развитие биологии, генетики и цитологии в нашей стране оказала научная школа Н.К.Кольцова (1872-1940). Это был исследователь, идеи которого на десятилетия опередили многие открытия, ставшие основами современных представлений в генетике и биологии клетки. Н.К.Кольцовым в 1903 году была обнаружена внутренняя фибриллярная система, которая была им определена как скелетная цитоплазматическая структура, определяющая форму и движение клеток. В настоящее время эта система получила название цитоскелет, в его состав входят белковые полимеры, из которых образуются микротрубочки и нитчатые структуры (микрофиламенты, промежуточные филаменты). Другим важнейшим достижением Н.К.Кольцова было предвидение матричного принципа удвоения наследственных структур. По его представлениям, малые молекулы ядра собираются на уже существующем шаблоне, а затем «сливаются» в полимерную молекулу, в копию шаблона. В то время (1927) еще не было известно о макромолекулах ДНК, но идея о том, что постоянная консервативная наследственная матрица не уничтожается и не возникает заново, но переходит от родителей к потомкам, было великим предсказанием. Можно считать, что это утверждение Н.К.Кольцова и явилось началом развития молекулярной биологии. Многолетние исследования о форме и поведении клеток (цитоскелет) и матричная гипотеза - величайшая заслуга Н.К.Кольцова как «пророка в своем отечестве» в развитии биологии. Огромная заслуга Н.К.Кольцова, кроме того, состоит в том, что он воспитал целую плеяду своих учеников-последователей: генетиков, физиологов, эмбриологов и цитологов. К ним относятся В.В. Сахаров, Б.Л.Астауров, С.С. Четвериков , Д.П. , А.С. Серебровский, Г.И. Роскин и другие. Теперь принято говорить о биологической российской школе Н.К.Кольцова. Его имя теперь носит институт биологии развития РАН.

Большую роль в создании отечественной цитологии сыграл Д.Н. Насонов (1895-1957). Работы Дмитрия Николаевича, посвященные изучению аппарата Гольджи, были высоко оценены специалистами и стали классическими. При изучении работы аппарата Гольджи Д.Н. Насонов выдвинул гипотезу о ведущей роли этого органоида в клеточном секреторном процессе. Намного позднее с помощью электронномикроскопической авторадиографии эта гипотеза получила полное подтверждение (Леблон, 1966) и стала аксиомой функционального значения этой структуры. В 1956 году по инициативе Дмитрия Николаевича был организован Институт цитологии АН СССР.

Одним из учеников Н.К.Кольцова был Г.И.Роскин (1882-1964), работавший с ним с 1912 года. Он исследовал скелетные и сократимые структуры в различных клетках, начиная с одноклеточных и кончая гладкими и поперечно-полосатыми мышцами многоклеточных организмов. Им было сделано заключение, что сократимые и опорные элементы образуют весьма сложные системы, обеспечивающие двигательные и опорные функции - эти системы были названы статокинетическими. Этот цикл работ является продолжением исследований цитоскелета, начатых Н.К.Кольцовым.

С 1930 по 1964 г. Г.И.Роскин заведовал кафедрой гистологии при Московском государственном университете. Продолжая изучать сократимые элементы клетки, Г.И. Роскин уделял большое внимание изучению цитологии раковых клеток, что привело к открытию противоракового препарата круцина, некоторое время использовавшегося в клинике. Особое внимание Г.И. Роскин уделял внедрению в гистологию и цитологию методов цитохимии, позволяющих локализовать в клетках те или иные полимеры или отдельные аминокислоты. В это время кафедра гистологии стала пропагандистом цитохимических методов, которые нашли широкое применение не только в биологических исследованиях, но и в медицине. Позднее В.Я. Бродский, ученик Г.И. Роскина, стал развивать количественные гистохимические исследования, используя специальную цитофотометрическую аппаратуру. Это привело к появлению новых биохимических и биофизических методов, которые широко используются в клеточной биологии.

Большой вклад в изучение строения и поведения опухолевых клеток внесен работами Ю.М. Васильева (р.1928) и его учеников. В течение многих лет его школа изучает механизмы движения нормальных и опухолевых клеток. Им впервые выявлена роль системы микротрубочек и других элементов цитоскелета в определении направления миграции как нормальных, так и опухолевых клеток. Он руководит лабораторией механизмов канцерогенеза Онкологического научного центра РАМН.

Ю.С. Ченцов (1930г.р.) заведовал кафедрой клеточной биологии и гистологии с 1970 по 2010. Он является одним из основателей московской школы электронных микроскопистов. Им и его учениками впервые создана трехмерная реконструкция центриоли и описано ее поведение в клеточном цикле. Ю.С.Ченцов - один из авторов открытия ядерного белкового остова (матрикса), он показал, что ядерный матрикс представляет собой неотъемлемую часть интерфазных и митотических хромосом. Ю.С.Ченцов сыграл большую роль в изучении ультраструктуры клеточного ядра и митотической хромосомы. В работах по изучению митохондрий в мышечной ткани, Ю.С.Ченцов стал одним из авторов открытия митохондриального ретикулума и особой структуры - межмитохондриальных контактов. (Daniel Mazia, 1912-1996), американский цитолог, сыгравший большую роль в изучении процессов деления и воспроизводства клеток, в исследовании структуры митотического веретена и репродукции центросом. Считал клетку супрамолекулярной системой, состоящей из множества взаимосвязанных молекулярных систем.

Кейт Портер (Keith Robert Porter, 1912-1997) - канадский биолог, один из основателей электронно-микроскопического подхода в биологии. Разработал методы изготовления ультратонких срезов, методы использования сеток с покрытием в электронной микроскопии, а также предложил использовать тетраокись осмия для работы с электронно-микроскопическими препаратами. К. Портеру принадлежит открытие цитоскелетных микротрубочек и эндоплазматического ретикулума, аутолизосом и окаймленных вакуолей. Благодаря ему был основан первый ведущий журнал по клеточной биологии, который носит сейчас название “Journal of Cell Biology”.

Джордж Паладе (George Emil Palade, 1912-2008) - американский биолог румынского происхождения. Обнаружил на поверхности цистерн эндоплазматического ретикулума рибонуклеиновые частицы, названные гранулы Паладе. Впоследствии выяснилось, что гранулы Паладе представляют собой ассоциированные с эндоплазматическим ретикулумом рибосомы. Паладе много работал над исследованием вакуолярной системы и везикулярного транспорта в клетке. В 1974 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Кристиан Рене де Дюв (Christian Rene de Duve, 1917-2002) - бельгийский цитолог и биохимик, открывший существование в клетке пищеварительных органелл - лизосом. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Альбер Клод (Albert Claude, 1899-1983) - бельгийский биохимик, благодаря которому цитология из науки описательной стала наукой функциональной. Показал непосредственную связь между внутриклеточными структурами и происходящими в клетке биохимическими процессами, участвовал во внедрении в цитологию биохимических и физических методов. А.Клод писал, что клетка - “самостоятельная и самообеспечивающаяся единица живой материи, способная накапливать, преобразовать и использовать энергию”. Лауреат Нобелевской премии (1974).

Рекомендуемая литература

Ю.С. Ченцов. Введение в клеточную биологию

Ю.С. Ченцов. Цитология: учебное пособие для университетов и медицинских вузов.

Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D. Molecular biology of the cell

Молекулярная биология клетки. Пер с англ. / Под редакцией Б. Альбертса

Lodish H., Besk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Balximore D., Darnell J. Molecular cell biology.