Введение в биологию и цитологию Типы клеточной организации

Введение в
биологию и
цитологию
Типы клеточной организации
Строение клетки
План:
Предмет биологии
Основные свойства живого
Уровни организации живого
Современная система живой природы
Основные положения клеточной
теории
 Типы клеточной организации
 Строение растительной клетки





Биология –
от греч. «биос» -жизнь, «логос» - наука

Жан Батист Ламарк

Термин введен в
1802г. Ж.-Б.
Ламарком
Биология
• Как упорядоченная
система знаний
возникла в Древней
Греции
• Пленей – создал
первую энциклопедию
растений и животных
• Аристотель –создал
первую систему живых
организмов
Теофраст – основатель ботаники
Предмет биологии – жизнь
во всех ее проявлениях




Аристотель: «питание, рост,
одряхление»
Биша: « совокупность функций
сопротивляющихся смерти»
Опарин: « особая форма
движения материи»
Энгельс: « способ
существования белковых тел»
Общие свойства живых
организмов
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Дискретность
Системность (иерархичность)
Обмен веществом, энергией и информацией
(открытые системы)
Раздражимость
Саморегуляция и адаптация к внешней среде
Самовоспроизведение
Рост и развитие
Наследственность
Изменчивость
М.В.Волькенштейн (1965г)

« Живые организмы
представляют собой
открытые,
саморегулирующиеся и
самовоспроизводящиеся
системы, важнейшими
функциональными
веществами которых
являются белки и
нуклеиновые кислоты»
Михаил
Владимирович
Волькенштейн
1912- 1992
Уровни организации живого
Уровень
организации
Элементарная
структурная
единица
Элементарное
явление
Молекулярногенетический
Молекула ДНК
репликация
Клеточный
клетка
Жизненный цикл
Организменный
организм
онтогенез
Популяционновидовой
популяция
Свободное
скрещивание
(панмиксия)
биогеоценотический
Биогеоценоз
(экосистема)
Круговорот веществ
и поток энергии
Современная система живой природы
(Margulis, Schwartz, 1982)
Живые организмы
Империя Noncellulata
(неклеточные организмы)
Царство Вирусы
Virae
Империя Cellulata
(клеточные организмы)
Надцарство Procaryota
(доядерные организмы)
Царства:
1.Archaebacteria
(Архебактерии)
2. Eubacteria
(Настоящие бактерии)
3. Oxyphotobacteria
(оксифотобактерии)
Надцарство Eucaryota
(ядерные организмы)
Царства:
1. Protoctista
(протоктисты)
2. Animalia
(животные)
3. Fungi
(грибы)
4. Plantae
(растения)
Клеточная теория
Сформулирована немецкими учеными:
• ботаником Маттиасом Шлейденом (1837г.)
• Физиологом Теодором Шванном (1839г.)
М. Шлейден
Т.Шванн
Основные положения
клеточной теории
• Все живые организмы независимо от
уровня организации состоят из клеток и
продуктов их жизнедеятельности
• Клетки разных организмов гомологичны
(сходны) по своему строению
Основные положения
клеточной теории
• Новые клетки
образуются только
путем деления уже
существующих.
Omnis cellula e cellula
(Рудольф Вирхов
1858г.)
Основные положения
клеточной теории
4.Многоклеточный организм
представляет собой сложную
иерархически организованную систему
клеток, объединенных в ткани и
органы. Согласованная работа и
взаимодействие клеток
обеспечиваются нервной и
гуморальной регуляцией
Сравнительная характеристика прокариотической
и эукариотической клеток
Признак
Прокариоты
Эукариоты
Размер
2-3 * 10 мкм
10 *100 мкм
Генетический
материал
Кольцевая молекула ДНК (генофор),
не отграничена от цитоплазмы , ядра
нет(нуклеоид)
ДНК- линейные молекулы, связанные
с белками-гистонами , образует
хромосомы, находятся в ядре
Органеллы
Мембранные отсутствуют , их
заменяют мезосомы, есть рибосомы
70S типа
Присутствуют мембранные и
немембранные, рибосомы 80S типа
Способ деления
Прямое деление перетяжкой пополам
(бинарное)
Митоз, мейоз
Цитоскелет
Отсутствуют, движения цитоплазмы
нет
Есть, цитоплазма подвижна (циклоз)
жгутики
20мкм, не содержат микротрубочек,
не покрыты плазмалеммой, состоят
из белка флагеллина
20мкм, состоят из микротрубочек,
покрыты плазмалеммой
клеточная
стенка
Есть, состоит из муреина
У растений из целлюлозы, у грибов из
хитина, у животных - отсутствует
Обмен веществ
наличие аскорбиновой кислоты
необязательно
требование к наличию аскорбиновой
кислоты
Сравнительная характеристика животной,
растительной и грибной клеток
Признак
Животная
Растительная
Грибная
Клеточная
стенка
Нет
Есть, целлюлоза Есть, хитин
Пластиды
Нет
Есть
Нет
Вакуоли
Нет
Есть
Нет
Центриоли
Есть
Нет
Нет
Резервное
энергетическое
вещество
Гликоген
Крахмал
Гликоген
Растительная клетка
Протопласт (живое содержимое)
мембрана
Ядро
•
•
•
•
Ядерная
оболочка
Кариоплазма
Хроматин
ядрышко
Цитоплазма
•Гиалоплазма
•органоиды
Производные протопласта
и др. продукты
жизнедеятельности
включения
Клеточный сок
(в вакуоли)
Клеточная
стенка
Гиалоплазма
• Жидкая часть цитоплазмы. Представляет собой
коллоидный раствор.
• Функции:
• -обеспечивает взаимодействие между всеми
структурами цитоплазмы
• -определяет осмотические и буфферные свойства
клетки
• -осуществляется гликолиз
• -осуществляется биосинтез мономеров орг. Веществ
• -осуществляется биосинтез белков для «внутреннего
потребления»
Органоиды- постоянные структуры
цитоплазмы, имеющие определенное строение
и функции.
• Общего назначения –есть
во всех клетках,
обеспечивают все процессы
жизнедеятельности клетки.
• ЭПС
• Аппарат Гольджи
• Лизосомы
• Митохондрии
• Пластиды
• Рибосомы и т.д.
• Специального назначения –
есть только в
специализированных
клетках, предназначены для
выполнения клеткой
определенной функции.
• Микроворсинки
• Реснички
• Жгутики
• Миофибриллы
• нейрофибриллы
Классификация органоидов по
строению
• Мембранные
• Одномембранные:
•
•
•
•
ЭПС
Аппарат Гольджи
Лизосомы
Вакуоли
• Двумембранные:
• Митохондрии
• пластиды
•
•
•
•
Немембранные:
Рибосомы
Клеточный центр
цитоскелет
Включения – непостоянные структуры
цитоплазмы, обычно не имеющие сложного строения.
Являются продуктами жизнедеятельности клетки
• Трофические – запасные питательные вещества
клетки (зерна крахмала, белка, капли жира, гликоген и т.д.)
• Секреторные – пузырьки с синтезуруемыми клеткой
веществами, подлежащими выводу из клетки ( гормоны,
ферменты)
• Экскреторные -
конечные продукты обмена веществ,
шлаки (кристаллы оксалата кальция у растений)
• Пигментные – красящие вещества (меланин в клетках
кожи)
Эндоплазматическая сеть
• ЭПС- система мембранных
полостей, которая
пронизывает всю
цитоплазму.
• Гранулярная содержит на
поверхности рибосомы,
гладкая- без рибосом
• Функции:
• -Синтез веществ
(гранулярная - белки,
гладкая –липиды и углеводы)
• Транспорт синтезированных
веществ
• -синтез и сборка
компонентов мембран
• -делит клетку на отсеки
Аппарат Гольджи
• Аппарат Гольджи – система
плоских мембранных
полостей, образующих
стопку (диктиосому), по
краям которых
отпочковываются пузырьки.
• Функции:-накопление и
созревание веществ,
синтезированных в ЭПС
• -упаковка и выведение в-в
(секреция)
• - синтез полисахаридов
• - образование лизосом
• -обновление плазмалеммы
Лизосомы
• Лизосомы- мембранные
пузырьки, содержащие
гидролитические ферменты
• Первичные- содержат
только ферменты
• Вторичные- ферменты +
субстрат
• Функции:
• -внутриклеточное
пищеварение
• -уничтожение дефектных
органоидов
• -уничтожение бактерий и
вирусов
• -уничтожение личиночных
органов
Вакуоли
•
Вакуоли –мембранные полости,
заполненные водными
растворами. В растительной
клетке – крупная центральная
вакуоль. Ее мембрана
называется тонопластом, а
содержимое клеточным
соком. Функция: поддерживает тургор клеткирегуляция водно-солевого
обмена-хранение запасных
питательных веществотложение конечных продуктов
обмена.У животных клеток
могут иметься более мелкие
пищеварительные и
выделительные вакуоли ( у
простейших)
Митохондрии
•
•
•
•
Митохондрии- двумембранные
органоиды различной формы.
Наружная мембрана – гладкая,
внутренняя образует складки –
кристы (содержат электроннотранспортную цепь, фермент
АТФ-синтетазу. Внутреннее
содержимое –матрикс (
коллоидный раствор,
содержащий ферменты,
кольцевую ДНК, РНК, рибосомы
70S)
Функции:- синтез АТФ за счет
энергии, выделяющейся при
окислении органических
веществ-синтез стероидов
Образуются путем деления
перешнуровкой
Произошли путем симбиоза
Пластиды
•
•
•
•
Пластиды- двумембранные
органоиды линзовидной формы.
Бывают 3х типов:
Хлоропласты – зеленые, содержат
хлорофилл. Наружная мембрана
гладкая, внутренняя образует
плоские мешочки – тиллакоиды,
которые собраны в стопки –граны.
Внутреннее содержимое – строма
(содержит ферменты, кольцевую
ДНК, РНК, рибосомы 70S).
Функция: фотосинтез
Хромопласты - красные,
оранжевые, содержат каротиноиды.
Придают окраску плодам (томаты),
цветкам (календула), осенним
листьям.
Лейкопласты – бесцветные,
находятся в семенах, корнях,
клубнях. Функция: хранение
запасных питательных веществ
Рибосомы
• Рибосомы -самые мелкие
органоиды. Состоят их двух
субъединиц: большой и
малой. Каждая субъединица
состоит из рибосомной РНК
и белков. Синтезируются в
ядрышке.
• Функция: сборка белка из
аминокислот (трансляция).
• В объединении субъединиц
принимают участие ионы
Мg+2.
Клеточный центр
• Клеточный центр –
расположен в
геометрическом центре
клетки, вблизи ядра. Состоит
из двух центриолей,
расположенных
перпендикулярно друг другу
и лучистой сферы вокруг
них.
• Центриоли –цилиндрические
структуры, состоящие из 9
триплетов микротрубочек.
• Функция: участвуют в
делении клетки (формируют
полюса и веретено деления)
Цитоскелет:
микротрубочки и филаменты
• Микротрубочки – трубочки,
диаметром 25 нм, состоящие
из белка тубулина, способны
к самосборке.
• Функция:
• -поддерживают форму
клетки («кости»)
• -участвуют в транспорте
(«дороги»)
• - образуют веретено деления
• - входят в состав
центриолей, ресничек,
жгутиков.
Реснички и жгутики
• Реснички и жгутики –
выросты на поверхности
клетки, покрытые
мембранной. Внутри
находится аксонема,
состоящая из 9 пар
микротрубочек, в центре две
непарные микротрубочки.
• Функция: движение клетки
(простейшие,
сперматозоиды), создание
тока жидкости (эпителий
дыхательных путей).
Строение мембраны
Химический состав:
• Липиды
• Белки
• углеводы
липиды
• Фосфолипиды
• Сфинголипиды
• Стериды
Молекула фосфолипида
состоит из гидрофильной
головки и 2х гидрофобных
хвостов.
Образуют бимолекулярный
слой. Подвижны.
Функция: барьерная (создают
поверхности раздела фаз)
белки
По расположению в мембране:
•
Поверхностные
(периферические)
•
Интегральные
(погруженные и сквозные)
По функции:
•
Структурные
•
Ферменты
•
Переносчики
•
Рецепторы
Также как и липиды подвижны.
углеводы
Образуют длинные ветвящиеся
цепочки.
Химически связаны либо с
белками (гликопротеиды), либо
с липидами (гликолипиды).
Образуют надмембранный
слой.
Углеводный слой мембраны
называется гликокаликс.
Функция: рецепторная
(узнавание клеток, гормонов,
вирусов и т.д.)
Подмембранный слой
Образован элементами
цитоскелета.
Функция:
•Придает мембране прочность
•Обеспечивает подвижность
Общие свойства мембран
•
•
•
•
•
Подвижность
Ассимметричность
Замкнутость
Избирательная проницаемость
Изменение фазового состояния
(вязкости)
Функции мембраны
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Барьерная (отграничивает клетку от окружающей среды)
Транспортная (обмен веществ между клеткой и окружающей
средой)
Рецепторная (воспринимает информацию из окружающей
среды)
Ферментативная (осуществляет биохимические реакции)
Участвует в образовании межклеточных контактов
Участвует в реакциях иммунитета (фагоцитоз, синтез
антител)
Участвует в образовании мембранного потенциала
Участвует в образовании специальных органоидов
(микроворсинки, реснички, жгутики).
Транспорт веществ
Пассивный
Активный
Идет без затрат энергии по
градиенту концентрации ( из
большей в меньшую – по закону
диффузии).
Относится:
-простая диффузия (вода,
кислород, углекислый газ,
липофильные вещества)
-облегченная диффузия с
помощью белков-переносчиков
(глюкоза, аминокислоты)
-осмос ( вода)
-фильтрация (ионы)
Идет с затратой энергии против
градиента концентрации (из
большей в меньшую)
Относится:
-транспорт низкомолекулярных
веществ с помощью белковпереносчиков (ионные насосы)
-везикулярный транспорт
высокомолекулярных веществ
(эндоцитоз, экзоцитоз)
Диффузия
• Молекулы
растворяются в
мембране а затем во
внутриклеточной
жидкости
Зависит от:
1. Размеров молекул
2. Разности
концентраций по обе
стороны мембраны
3. способности в-ва
растворяться в
липидах
(липофильности)
Путем диффузии
проникают:
1. Мелкие незаряженные
молекулы (О2, СО2,
Н2О)
Фильтрация
• Транспорт простых
ионов через
специальные ионные
каналы, образованные
интегральными белками
• Важное значение
ионные каналы имеют
для нервных и
мышечных клеток
(натриевые, калиевые,
кальциевые каналы)
Осмос
• Осмос – это
одностронняя
диффузия молекул
растворителя через
полупроницаемую
мембрану
• Осмотическое давление
– давление, которое
нужно приложить к
полупроницаемой
мембране, чтобы
прекратить осмос
Р=сRT
Растворы
• Растворы, имеющие одинаковое осмотическое
давление называются изотоническими
• Если р-р А имеет осмотическое давление больше,
чем р-р В, то он называется гипертоничеким.
• Раствор В по отношению к р-ру А является
гипотоническим
10%
Раствор А
гипертонический
>
1%
Раствор В
гипотонический
Осмотические явления
• При помещении клетки
в гипертонический
р-р вода по градиенту
концентрации выходит
из клетки. Клетка
сморщивается. Это
явление называется
плазмолиз.
• При помещении клетки
в изотонический
раствор она
восстанавливает свой
объем, происходит
деплазмолиз
Осмотические явления
• При помещении клетки в гипотонический р-р вода по
градиенту концентрации поступает в клетку. Это
приводит к набуханию клетки и разрыву мембраны.
Явление называется цитолизом или
гипотоническим шоком
Осмотические явления
• Разрушение клеток крови в гипотоническом р-ре
называется гемолизом.
• У растительной клетки разрыву мембраны
препятствует клеточная стенка
Активный транспорт
• Перенос
низкомолекулярн
ых веществ
против градиента
концентрации с
помощью белков
переносчиков.
Относятся
ионные насосы
• Перенос
высокомолекуляр
ных веществ с
помощью эндо- и
экзоцитоза
(везикулярный
транспорт
Активный транспорт
Натрий-калиевый насос
В клетке всегда больше иона
калия, а в окружающей среде
больше натрия. Такое
распределение ионов
поддерживается за счет работы
насоса. Насос – это сквозной
белок, состоящий из двух
субъединиц. Он одновременно
выполняет функцию фермента –
катализирует гидролиз АТФ. При
гидролизе 1 молекулы АТФ из
клетки выносится 3 иона натрия и
закачивается 2 иона калия. Так как
из клетки вынесено больше «+»
ионов, чем внесено, на мембране
возникает заряд – мембранный
потенциал
Везикулярный транспорт:
а)эндоцитоз
б) экзоцитоз
Ядро – один из основных структурных
компонентов клетки. Открыто Броуном в
1831 году
Функции:
• Хранение генетической
информации (обеспечивается
репарацией ДНК)
• Передача ген. информации
(репликация ДНК и ее
распределение при делении
клетки)
• Реализация ген. информации
(транскрипция РНК,
образование рибосом)
Структурные компоненты ядра
• Ядерная оболочка
• Ядерный сок
(кариоплазма)
• Хроматин
• ядрышко
Ядерная оболочка
• Состоит из двух мембран –
наружной и внутренней, между
которыми имеется
перинуклеарное пространство.
• Наружная ядерная мембрана
переходит в ЭПС и может быть
покрыта рибосомами.
• К внутренней мембране
прилегает пластинка из
промежуточных филаментов –
ядерная ламина.
• К ней прикрепляются нити
хроматина
• В ядерной оболочке имеются
поры.
• Ядерный сок (кариоплазма)–
гелеобразный коллоидный
раствор.
Хроматин
• нуклеопротеидные нити
Химический состав:
• ДНК – 40%
• Белки -60% (гистоновые
40%, негистоновые -20%).
Гистоновые белки (Н1, Н2А,
Н2В, Н3, Н4) образуют
нуклеосомы, участвуют в
упаковке ДНК, ограничивают
транскрипцию.
Негистоновые белки- в
основном ферменты
Структурные состояния
хроматина
Хроматин в интерфазе может
находиться в двух состояниях:
•
Эухроматин –
деспирализованный, в виде
тонких нитей, активный.
(считывается информация).
Плохо окрашивается.
•
Гетерохроматин –
спирализованный, в виде
плотных клубочков, неактивный
(не считывается информация).
Интенсивно окрашивается.
•
При подготовке клетки к
делению происходит упаковка
всего хроматина и образование хромосом
Этапы упаковки хроматина
1.
2.
3.
4.
5.
Нуклеосомный
Нуклеомерный
Хромомерный
Хромонемный
Хроматидный
Хромосомы
• палочковидные структуры разной
длины.
• Образуются при делении клетки.
• Служат для точного распределения
генетического материала при делении
клетки.
• Хромосома имеет первичную перетяжку
–центромеру (1), которая делит
хромосому на два плеча (2).
• К центромере во время деления
прикрепляются нити веретена деления.
• Концы плеч заканчиваются
теломерами, которые препятствуют
слипанию хромосом.
Ядрышко
• небольшое округлое
электронноплотное тельце,
• Некоторые хромосомы ( 13, 14, 15,
21, 22) имеют вторичную
перетяжку, которая отделят
небольшой участок – спутник.
• В области вторичной перетяжки
находится ядрышковый
организатор. Здесь находится
ДНК, отвечающая за синтез
рибосомной РНК.
Фунцкия ядрышка: синтез
рибосомной РНК и сборка рибосом.
• При делении клетки ядрышко
исчезает.
Правила хромосом
• Правило постоянства числа хромосом - Каждый вид живых
организмов имеет определенное постоянное число хромосом.
• Правило парности хромосом. Число хромосом в
соматических клетках всегда четное, это связано с тем, что
хромосомы составляют пары. Хромосомы одной пары имеют
одинаковое строение и набор генов. Они называются
гомологичными
• Правило индивидуальности хромосом. Каждая пара
хромосом характеризуется своими особенностями.
• Правило непрерывности хромосом. Хромосомы способны к
авторепродукции. В основе лежит репликация ДНК по
полуконсервативному механизму.
Кариотип
• диплоидный набор
хромосом, свойственный
соматическим клеткам
организмов данного вида
• Является
видоспецифическим
признаком и
характеризуется
определенным числом,
строением и генетическим
составом хромосом.
• Термин был предложен в
1924 году Г.А. Левитским.
Кариотип
• В кариотипе человека
46 хромосом или 23
пары.
• Из них 22 пары
одинаковые у мужчин и
женщин, их называют
аутосомами.
• Пара хромосом, по
которой мужской и
женский организмы
различаются
называются половыми
или
гетерохромосомами.
Кариотипирование
• Изучается кариотип на стадии
метафазы митоза.
• Берут клетки крови, сеют на
специальную питательную среду
• Культивируют 1-2 суток
• Останавливают деление, добавляя
колхицин
• Готовят микропрепарат, окрашивают
его
• Находят клетки на стадии метафазы
(метафазная пластинка)
• Фотографируют
• Составляют кариограмму
(идеограмму) и анализируют ее
Международные классификации хромосом
Денверская (1960г.)
• Хромосомы делят на
группы
(A,B,C,D,E,F,G),учитывая
размеры и положение
центромеры,
Парижская (1970г.)
• Проводится дифференциальное
окрашивание (смесь Гимзы или
флюоресцентные красители)
• Каждой хромосоме присвоен
номер