Биология клетки

1. БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Манжуло Ольга Сергеевна

2. ТЕМА 1. Клетка как элементарная живая система

3. 1.1. Системная организация материи

МАТЕРИЯ
вещество
поле
Материя всегда находится в движении
Все объекты мира являются системами, которые образуются в
природе самопроизвольно в результате процесса самоорганизации
Системы разного уровня сложности образуют иерархию
(микромир, макромир, мегамир)

4. 1.2. Уровни организации живой материи

• Свойства живой материи
определенный химический состав(C, O, N, H)
клеточное строение
обмен веществ и энергии с окружающей средой
саморегуляция(гомеостаз)
раздражимость и реактивность
наследственность
изменчивость и адаптивная эволюция
размножение
филогенез и онтогенез
дискретность
иерархичность

5.

• Иерархия живых систем
Молекулярно-генетический уровень
Простые органические молекулы (органическая химия)
Сложные органические молекулы (макромолекулы) (биоорганическая химия,
биохимия, молекулярная биология), в т.ч. гены (молекулярная биология, генетика)
Надмолекулярные комплексы (молекулярная биология), в т.ч. вирусы (вирусология)
Клеточные органоиды (цитология, или биология клетки)
Клеточно-организменный уровень
Клетки (цитология)
Ткани (гистология)
Органы (анатомия, морфология, физиология)
Системы органов (анатомия, морфология, физиология)
Организмы (анатомия, морфология, физиология, биология развития)
Популяционно-видовой уровень
Популяции (экология, генетика, теория эволюции)
Виды (экология, генетика, теория эволюции)
Экосистемный (биогеоценотически-биосферный) уровень
Биоценозы (экология, теория эволюции)
Биогеоценозы (экосистемы) (экология, теория эволюции)
Биосфера – глобальный биогеоценоз планеты Земля (экология, теория эволюции).
Клетка – это элементарная (простейшая) живая система, а жизнь – это эмерджентное
(качественно новое) свойство материи, которое появляется на определенном этапе ее
усложнения в ходе самоорганизации.

6.

1.3. Строение и функции основных биомолекул
Углеводы (сахара и полисахариды)
Липиды
Пептиды и полипептиды (белки)
Нуклеиновые кислоты
Полимер – сложная цепная молекула, состоящая из большого числа
однородных повторяющихся звеньев, мономеров, связанных между собой.
Для биополимеров мономерами выступают более простые органические
молекулы.
Олигомер – молекула, состоящая из небольшого числа связанных
мономеров.
Димер – молекула, состоящая из двух связанных мономеров.

7. УГЛЕВОДЫ Cx(H2O)y

Простые (моносахариды)
Сложные (ди-, олиго-, полисахариды)
Функции углеводов
1. Строительная
2. Энергетическая
3. Запасающая

8. ЛИПИДЫ

Жиры (триглицериды)
Сложные(фосфолипиды, гликолипиды,
сфинголипиды)

9. Гидрофильность и гидрофобность

Головки фосфолипидов гидрофильны, так как содержат в своем составе остаток
фосфорной кислоты – это полярное (заряженное) соединение и, следовательно,
притягивает воду.
Хвосты липидов гидрофобны, так как не имеют заряженных группировок и,
соответственно, отталкивают воду.
Поведение липидов в воде
Участок клеточной мембраны

10. Пептиды и белки

Пептиды – это соединения, мономерами
которых являются аминокислоты
Дипептиды – состоят из двух
аминокислот;
Олигопептиды – включают до 50
аминокислот;
Полипептиды (белки, или протеины) –
состоят из большего количества
аминокислот. Т.е., белки – это полимеры
из аминокислот.
Пептидные связи – ковалентные связи,
объединяющие карбоксильную группу
одной аминокислоты и аминогруппу
другой аминокислоты (при отщеплении
группы -ОН от первой и атома водорода
от второй).
Каждый конкретный белок имеет
уникальную комбинацию (линейную
последовательность) аминокислот!

11.

нейтральные гидрофобные
аминокислоты;
нейтральные гидрофильные
(полярные) аминокислоты;
основные аминокислоты, с
положительным зарядом;
кислые аминокислоты с
отрицательным зарядом
метионин и цистеин – серосодержащие аминокислоты
Набор аминокислот в каждом белке
определяет его свойства:
- кислотность-щелочность, т.е.
электроподвижность;
- гидрофильность-гидрофобность, т.е.
растворимость в воде;
- пространственную организацию и
функцию.

12. Структуры белка

• Первичная структура белка
-последовательность
(порядок чередования)
аминокислот в молекуле
белка
• Вторичная структура белка:
полипептидная молекула
сворачивается в спираль
(альфа-спираль) или в
«гармошку» (бетаскладчатость) за счет
водородных связей между
пептидными группами по
ходу молекулы.

13. Структуры белка

• Третичная структура белка –
глобула (клубок особой
конфигурации). Глобула
формируется при помощи
гидрофобных, ионных,
ковалентных(дисульфидных S-S)
связей
• Четвертичная структура –
объединение нескольких глобул.

14. Функции белков

Строительная (структурная, опорная) – коллаген;
Двигательная – миозин;
Транспортная – гемоглобин, транспортные каналы
клеточной мембраны;
Ферментативная (каталитическая) – ферменты синтеза и
расщепления;
Защитная – иммуноглобулины, антимикробные
пептиды;
Сигнальная – гормоны и другие сигнальные молекулы;
Рецепторная – рецепторы на поверхности клеточных
мембран;
Регуляторная – активаторы и репрессоры генов;
Энергетическая – белки расщепляются в последнюю
очередь, когда в организме израсходован весь запас
углеводов и липидов.

15. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – это самые
крупные полимерные макромолекулы,
мономерами которых являются
нуклеотиды. Нуклеотид, в свою очередь,
состоит из трех составляющих: азотистое
основание, сахар (рибоза или
дезоксирибоза) и остаток фосфорной
кислоты.
Выделяют два класса азотистых
оснований – пурины (состоят из двух
колец) и пиримидины (состоят из одного
кольца). К пуринам относят аденин и
гуанин, к пиримидинам – цитозин, тимин
и урацил.
Фосфодиэфирная
связь

16.

РНК
(рибонуклеиновая кислота)
ДНК
(дезоксирибонуклеиновая кислота)
сахар-пентоза – рибоза
азотистые основания:
аденин, гуанин, цитозин,
урацил;
одноцепочечная молекула.
o Первичная структура РНК последовательность нуклеотидов.
o Вторичная структура РНК –
неопределенная, локально может
образовывать двухцепочечные
участки (например, в тРНК).
o Третичная структура РНК неопределенная, формируется с
участием регуляторных белков.
сахар-пентоза – дезоксирибоза
азотистые основания: аденин,
гуанин, цитозин, тимин
двухцепочечная молекула (цепи
связываются по принципу
комплементарности: пуриновое с
пиримидиновым)
аденин = тимин (2 водородные связи),
гуанин ≡ цитозин (3 водородные связи).
o Первичная структура ДНК –
последовательность
нуклеотидов.
o Вторичная структура ДНК –
двойная спираль.
o Третичная структура
формируется с участием белков
гистонов.

17. Нуклеиновые кислоты

РНК
ДНК

18.

Функция ДНК
Функция РНК
хранение информации о
первичной структуре всех
белков и ее передача из
поколения в поколение при
размножении клеток и
организмов (генетическая,
или наследственная
информация)
реализация генетической
информации
(непосредственное участие в
построении белков)

19.

• Ген
–
участок молекулы, являющийся единицей
наследственной информации и ответственный за синтез
одного вида белка.
Один ген – один белок.
Совокупность всех генов данного организма формирует его
генотип, а совокупность всех признаков, реализующихся при
данном генотипе (т.е. совокупность всех белков, синтезируемых
в организме), объединяют понятием фенотип.
Генетический код
• Триплетность
• Избыточность
• Универсальность

20. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Маттиас Шлейден
Теодор Шванн
Рудольф Вирхов
высказал идею о том,
что клетка является
основной структурной
единицей растений;
основываясь
на
исследованиях
М.
Шлейдена,
сформулировал
клеточную теорию.
сформулировал одно
из
важнейших
положений клеточной
теории: "Всякая клетка
происходит из другой
клетки",
утвердив
мнение
о
преемственности
образования клеток.
предложил
новую
теорию образования
растительных клеток.

21. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

1. Клетка – наименьшая единица живого.
2. Клетки разных организмов сходны по
строению.
3. Клетка от клетки.
4. Клетки дифференцированы.
5. Клетка является частью целостного
организма.

22. ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ

Прокариоты (доядерные, безъядерные)
бактерии и синезеленые водоросли
малые размеры (0,1 – 1 мкм)
не имеют оформленного ядра
не имеют мембранных органоидов
размножаются делением надвое
образуют споры
Эукариоты(ядерные)
грибы, растения и животные
размер – 10-20 мкм
имеют ядро
содержат мембранные органоиды и
немембранные структуры

23.

Основные компоненты эукариотической клетки

24. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Поверхностный аппарат:
плазматическая мембрана
(плазмалемма),
• надмембранный комплекс
(гликокаликс),
• субмембранный комплекс
(кортикальный цитоскелет).
Основные функции:
• барьерная,
• транспортная,
• рецепторная,
• контактная.
Плазмалемма – тонкая (около 10 нм)
липопротеидная пленка, состоящая из
двойного слоя липидных молекул, в
который включены молекулы белка.
Белки составляют 40-75%.

25.

• Гликокаликс – внешний по отношению к
липопротеидной
мембране
слой,
совокупность
разветвленных
гликопротеидных и гликолипидных цепочек
на поверхности мембраны.
Имеет вид рыхлого волокнистого слоя
толщиной 3-4 нм (в некоторых случаях до 100
нм), покрывающего всю поверхность клетки.
играет важную роль в рецепторно-сигнальной
функции
обеспечивает адгезию клеток на внеклеточный
матрикс
обеспечивает сорбцию ферментов, пристеночное
пищеварение,
всасывание
(микроворсинки
кишечных всасывающих клеток)
выполняет роль ионных «ловушек», создает
локальное повышение концентрации ионов для
их
всасывания
(осморегулирующие
и
выделительные эпителии)
существенно влияет на состояние околоклеточной
среды (гликофорин создает отрицательный заряд
на поверхности эритроцитов, препятствуя их
агглютинации)
Гипертрофия
гликокаликса
приводит
к
образованию клеточных оболочек (стенок) у
бактерий, грибов, растений или кутикул у ряда
животных.

26.

Субмембранный
комплекс
образован элементами периферического
примембранного
цитоскелета
(кортикального цитоскелета) и белками,
обеспечивающими его связь с мембраной.
Такая
организация
определяется
как
жидкостно-мозаичная.
плазмалеммы
твердо-каркасная
Функционирование
кортикального
цитоскелета во многом определяет
подвижность клеточной поверхности и
движение целых клеток (формирование
псевдоподий, движение микроворсинок в
клетках кишечного эпителия, образования
перетяжки при клеточном делении и др.)

27. МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ

Различают адгезию и специальные
контакты
Адгезия – прилипание клеточной
поверхности к субстрату или другим
клеткам с помощью клейкого гликокаликса
Контакты
• Запирающие(плотное соединение)
- плотное слияние мембран соседних
клеток
с
помощью
интегральных белков.
специальных
• Заякоривающие
(сцепляющие
соединения) - соединяют клетки не
только
с
помощью
компонентов
мембраны, но также с участием
цитоскелета.
Фокальные
контакты,
десмосомы
и
полудесмосомы.

28.

• Щелевые
контакты
–
прямая
передача химических веществ из клетки в
клетку.
Мембраны контактирующих клеток сближаются
на расстояние 2-3 нм, образуя узкую щель, а
сам контакт осуществляется за счет белковых
комплексов – коннексонов, состоящих из белка
коннектина.
• Плазмодесмы -
канальцы, в которых
сливаются
плазмалеммы
и
сама
цитоплазма соседних клеток
• Синапс
характерен для нервной ткани.
Соединяют нейроны между собой (или с
каким-либо другим иннервируемым
элементом, например, мышцей) для
передачи нервного импульса высокой
эффективности.

29.

Генетический аппарат
Основу генетического аппарата
клетки составляет ДНК!
Нуклеоид у прокариот
Ядро у эукариот
Ядро
состоит
из
ядерной
оболочки, хроматина, ядрышка,
кариоплазмы, ядерного матрикса.
В интерфазном ядре можно выделить две
фракции
хроматина,
различающиеся
в
структурном и функциональном
Отношениях:
Эухроматин - активированный хроматин,
доступный для считывания информации;
Гетерохроматин – неактивный хроматин.
Выделяют
факультативный
(«необязательный») и конститутивный
(«обязательный»).
Максимально конденсирован хроматин во
время митотического деления клеток, когда
он обнаруживается в виде хромосом –
плотных удлиненных телец разной длины и
формы.

30.

1.Нуклеосомная
фибрилла,
или «бусины на нитке».
Нить ДНК накручивается на октамер
белков гистонов ( Н2А, Н2В, Н3 и Н4) и
образует комплекс в виде бусины –
нуклеосому.
2. Нуклеомерная фибрилла.
Гистоновый белок – Н1, связывается с
линкерными
участками
ДНК
и
сближает нуклеосомы между собой,
после
чего
вся
нуклеосомная
фибрилла еще раз спирализуется.
3.
Петельно-хромомерная
фибрилла, или хромонема.
Уровни компактизации хроматина
Нуклеомерная фибрилла собирается в
петли (петельные домены), которые
образуют розетки – хромомеры. Белки
– матриксины.
Хроматидный,
хромосомный уровень.
4.
или
Образуется в период митотического
деления клетки.

31.

Аппарат пластического
метаболизма
представлен отдельными белками-ферментами
или целыми надмолекулярными комплексами и
органоидами (лизосомы, рибосомы,
эндоплазматический ретикулум, аппарат
Гольджи)
анаболизм - совокупность реакций синтеза
собственных сложных веществ из более
простых (белков из аминокислот,
полисахаридов из моносахаридов,
моносахаридов из неорганических веществ и
т.д.);
катаболизм - совокупность реакций распада
(разложения) сложных веществ для
получения простых веществ – либо с целью
дальнейшего использования простых
веществ в качестве строительного материала
для реакций анаболизма, либо для их
дальнейшего расщепления в реакциях
энергетического метаболизма.
Аппарат энергетического
метаболизма
обеспечивает клетку энергией для осуществления
всех жизненных процессов – пластического
метаболизма, транспорта веществ, движения и
т.д.

32.

• Опорно – двигательный аппарат
В клетке есть свои внутриклеточные
«кости» и «мышцы» – цитоскелет.
Три типа опорно-двигательных структур
клетки:
промежуточные филаменты (8-10 нм)
пронизывают всю клетку, образуя систему
наподобие каркаса, выполняют чисто опорную
(скелетную) функцию (кератин, виментин,
периферин и др.)
микрофиламенты
сложные надмолекулярные комплексы, в
состав которых входят как опорные, так и
сократительные белки, выполняют опорнодвигательную функцию и обеспечивают
механизм мышечного сокращения. Основные
белки – актин и миозин.

33.

микротрубочки
полые
цилиндры
диаметром
22
нм,
построенные из глобулярного белка тубулина.
Представляют
собой
самособирающиеся,
динамичные, полярные структуры. Опорная и
двигательная функции.
Процесс
полимеризации
микротрубочек
начинается в чѐтко ограниченных участках
клетки, а именно – в центрах организации
микротрубочек (ЦОМТ), ещѐ называемых
клеточным центром.

34. Между клеткой и многоклеточным организмом

Клетки, сходные по функциям,
объединяются в ткани.
Ткань – система, состоящая из клеток и
межклеточного вещества, объединенных
для выполнения определенной функции.
У животных выделяют 4 типа тканей:
• Эпителиальные ткани – выполняют
функцию барьера между внутренней
средой организма и внешней средой.
• Ткани внутренней среды (ТВС)
выполняют
опорную,
защитную
трофическую (питательную) функции.
• Мышечные ткани –
–
и
обеспечивают
функцию движения.
• Нервная
ткань
–
выполняет
контролирующую
функцию,
т.е.
обеспечивает
управление
всеми
процессами в многоклеточном организме.