Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Прота еукаріотичні клітини. Модуль I. Біологічні особливості життєдіяльності людини. Основи генетики людини Лекція 1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИТТЯ. РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИВОГО Рівні організації живого Біосферний Екосистемний Популяційно-видовий Організмовий Клітинний Молекулярний ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ КЛІТИНИ Основоположники клітинної теорії Теодор Шванн ( Theodor Schwann; 1810 —1882) — німецький цитолог, гістолог і фізіолог, автор клітинної теорії. Маттіас Якоб Шлейден ( Matthias Jakob Schleiden; 1804—1881) — немецкий биолог (ботанік). Основоположники клітинної теорії Ру́дольф Людвіг Карл Вірхов ( Rudolf Ludwig Karl Virchow; 1821—1902) Визначний німецький вчений, лікар, патологоанатом, гістолог, фізіолог, основоположник клітинної теорії в биології, теорії клітинної патології в медицині; був відомий також як археолог, антрополог і палеонтолог. • Клітинна теорія є основою для біології. Теорія, яка була сформулирована в середине ХІХ сторіччя, створила базу для розуміння закономірностей живого світу і для розвитку еволюційного вчення. Маттіас Шлейден і Теодор Шван сформулювали клітинну теорію, опираючись на численні дослідження клітин (1838). Рудольф Вірхов пізніше (1858) доповнив її найважливішим положенням (кожна клітина з клітини). Основні положення сучасної клітинної теорії Клітина – це елементарна одиниця живого. Клітини різних організмів гомологічні за своєю будовою. Клітини можуть утворюватись тільки від материнської клітини шляхом поділу. Клітини багатоклітинного організму взаємозв’язані і підпорядковані вищим рівням організації Клітини поліпотентні, тобто мають повний набір генетичної інформації, яка передається під час поділу від клітини до клітини. МЕТОДИ ВИВЧЕННЯ КЛІТИН Методи вивчення клітин Мікроскопічні методи Цитохімічні методи Імуногістохімічні методи Метод диференційного центрифугування Мікроскопічні методи вивчення клітин Світлова мікроскопія: • Темнопольна; • Фазово-контрастна; • Інтерференційна; • Поляризаційна. Ультрафіолетова мікроскопія • Люмінісцентна. Електронна мікроскопія • Трансмісійна; • Сканувальна Конфокальна мікроскопія Сучасний лазерний конфокальний мікроскоп Першою клітинною формою, що утворилась у процесі еволюції, була прокаріотична. Прийнято вважати, що попередниками сучасних еукаріотичних клітин були організми, подібні до сучасних бактерій. БУДОВА ПРОКАРІОТИЧНИХ ТА ЕУКАРІОТИЧНИХ КЛІТИН Клітина Еукаріотична Протистів Рослин Прокаріотична Тварин Бактерій Ціанобактерій Будова еукаріотичної клітини Рослинна і тваринна клітини 1. цитоскелет; включення; 3. мітохондрія; 4.цитоплазма; 5.гранулярна ендоплазматична сітка; 6.ядро; арануярна ендоплазматична сітка; комплекс Гольджі; 9.лізосома; 10.плазматична мембрана; 11.вакуоля; 12.тонопласт; 13.хлоропласт; 14.плазмодесми; 15.клітинна стінка; 16.центріолі. Будова прокаріотичної клітини 7 6 5 4 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Капсула; Клітинна стінка; Плазматична мембрана; Нуклеоїд; Рибосоми; Мезосома; Джгутик. 3 2 1 Прокаріотична та еукаріотична клітини 1. Плазматична мембрана; 2. Цитоплазма; 3. ДНК; 4. Нуклеоїд; 5. Ядро; 6. Рибосоми. ПЛАЗМАТИЧНА МЕМБРАНА ТА ЇЇ БУДОВА Будова плазматичної мембрани Сучасна рідинномозаїчна модель структури плазматичної мембрани була запропонована С.Сенгером і Дж.Нікольсоном у 1972 році й удосконалена С.Сенгером у 1981 році. 1. Гідрофобні хвости фосфоліпідів; 2. Гідрофільні головки; 3. Два шари фосфоліпідів; 4. Гліколіпід; 5. Глікопротеїд; Вуглевод; 7. Трансмембранний протеїн; 8. Холестерол; 9. Периферійний білок; 10.Філаменти цитоскелетую Структура мембранного фосфоліпіда Холін Полярна гідрофільна зона Фосфат Нітроген Оксиген Гліцерол Фосфор Неполярна гідрофобна зона Жирна кислота Карбон Гідроген Подвійний зв’язок ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ ПЛАЗМАТИЧНУ МЕМБРАНУ Везикулярний транспорт речовин через мембрану клітини Фагоцитоз. Піноцитоз Калій-натрієвий насос 1. 2. 3. 4. Інтегральний глікопротеїн зв’язує іони Na+; Фосфорилювання білків насосу спричиняє зміну їх конформації, що викликаї вивільнення іонів Na+ назовні; Зв’язування калію викликає дефосфорилювання білків насосу; Дефосфорилювання білків насосу викликає повернення їх до вихідного коформаційного стану 1 Дифузія 2 3 4 А. проста дифузія через мембрану; В. Полегшена дифузія за участью білкової системи. Транспорт речовин через мембрану клітини. Мембранні транспортні білки Активний транспорт Na+/K+ насос Полегшена дифузія НАДМЕМБРАННІ КОМПЛЕКСИ Надмембранні комплекси: Тваринної клітини глікокалікс Рослинної клітини – клітинна стінка Плазмоліз у клітинах листка елодеї ЦИТОПЛАЗМА ТА ЇЇ СТРУКТУРА. ЦИТОЗОЛЬ. ЦИТОСКЕЛЕТ Цитоплазма • Цитоплазма – частина клітини, розташована між плазмолемою і ядром. • Співвідношення між об’ємами ядра і цитоплазми – ядерноцитоплазматичне співвідношення (ЯЦС). Клітина Ядро Цитоплазма ЯЦС = V ядра / Vклітини - Vядра Цитоскелет 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Плазматична мембрана; Мітохондрія; Мікротрубочки; Проміжні філаменти; Мікрофіламенти; Ендоплазматична сітка; Ядро. • • • Цитоскелет – це опорно-рухова система клітини. Основними його функціями є підтримка форми клітини та забезпечення переміщення внутрішньоклітинних компонентів. Складається з трьох основних утворень: мікротрубочок, проміжних філаментів і актинових філаментів. Класифікація включень за функціональним призначенням Трофічні включення: Секреторні включення: Пігментні включення: Жовткові включення; Секреторні гранули з травними ферментами; Зерна меланіну у меланоцитах; Крохмаль і глікоген; Жирові краплини Гормони. Ліпофусину у нейронах; Хлорофіл і каротиноїди. Захисні включення рослин: Глікозиди; алкалоїди; Друзи кристалів у вакуолях. ОРГАНЕЛИ КЛІТИНИ Ендоплазматична сітка Ендоплазматична сітка ЕПС (ендоплазматичний ретикулум) поділяється на два субкомпартменти: гладенька (агранулярна) ЕПС і шорстка (гранулярна) ЕПС, що містить на своїй поверхні рибосоми. Основними функціями агранулярної ЕПС є синтез ліпідів і олігосахаридіфв, участь у процесах детоксикації, депонування іонів кальцію. Головною функцією гранулярної ЕПС є участь у синтезі білків, їх згортанні і глікозилюванні. 1. 2. 3. 4. 5. Ядро; Оболонка ядра; Гранулярна ендоплазматична сітка; Агранулярна ендоплазматична сітка; Рибосоми. • Апарат Гольджі складається зі Апарат стопок цистерн, проміжки між якими менші за товщину цистерн. • До складу апарату Гольджі входять три функціональновідмінні компартменти: Цис-, мембрани проміжниого і транскомпартменту, а також дрібні мембранні пухирці Гольджі, які транспортують білки і ліпіди з одного компартменту в інший. • Основними функціями є модифікація олігосахаридів, які входять до складу глікопротеїдів, сортування білкових і Формування глікопротеїдних молекул, первинних утворення первинних лізосом, лізосом збирання протеогліканів. Гольджі Секреторні вакуолі Цистерна Секреторні вакуолі Вакуолярна система клітини • Вакуолярною системою називають систему одномембранних органел, які виконують загальну функцію синтезу, модифікації, сортування та виведення з клітини біополімерів, а також функцію синтезу складових мембран цієї системи, плазмолеми та інших клітинних мембран. • До вакуолярної системи належать гладенька і гранулярна ендоплазматичні сітки, апарат Гольджі, лізосоми, екзоцитарні пухирці, секреторні гранули. Одномембранні органели лізосоми • Лізосоми це одномембранні органели, які являють собою невеликі везикули, наповнені гідролітичними ферментами. • Функції лізосом: внутрішньоклітинне перетравлення біополімерів, лізіс мікроорганізмів і вірусів, звільнення від структур і макромолекул, що втратили функціональне значення, утилізація надлишку поживних речовин. 1.мембранні білки; 2.гідролітичні ферменти; 3.мембрана; 4.фосфоліпідний шар. Одномембранні органели пероксисоми Пероксисоми (мікротільця) – це невеликі кулеподібні одномембранні органели, які мають електроннощільну кристалоїдну структуру всередині. Функції – знешкодження пероксиду водню за участю ферменту каталази, окиснення метанолу, беруть участь у перетворенні жирів на цукри, у процесах фотодихання у рослин. • Пероксисоми не мають власного генетичного апарату, але нові пероксисоми утворюються шляхом поділу. 1.кристалоїдна структура; 2.мембрана; 3.фосфоліпідний шар 5 4 3 2 1 Двомембранна органела - мітохондря Основною функцією мітохондрій є аеробний синтез АТФ, який відбувається в результаті окиснення органічних субстратів. 1. Зовнішня мембрана; 2. Внутрішня мембрана; 3. Міжмембранний простір; 4. Матрикс; 5. Кристи. Перебудови пластид Протопластиди Хромопласти – жовті, жовтогарячі, червоні пластиди, містять каротиноїди, утворюються з хлоропластів. Хлоропласти – крупні 310 мкм двомембранні органели, мають зелені пігменти хлорофіли та жовті каротиноїди. Лейкопласти – невеликі безбарвні пластиди, що не мають ламелярної системи. На світлі можуть перетворюватись у хлоропласти. Двомембранна органела рослин хлоропласт Рисунок 1 Рисунок 1. Хлоропласти в клітинах листка елодеї. Рисунок 2. Будова хлоропласта. 1. Зовнішня мембрана; 2. Внутрішня мембрана; 3. Грани; 4. Строма. Основна функція хлоропластів – фотосинтез. Рисунок 2 Немембранні органели У пресинтетичний період інтерфази в клітині містяться дві центріолі. Таку пару центріолей називають клітинним центром. Під час синтетичного періоду інтерфази центріолі подвоюються. Під час ітозу з центріолей формуються мікротрубочки веретена поділу. Центр організації мікротрубочок. Немембранні органели Рибосома складається з двох субодиниць тільки під час трансляції. Органели руху Будова джгутика і базального тільця Джгутики, війки і псевдоподії Війки інфузорій Джгутик внутрішній виріст руховий білок «лінкерний» білок плазматична мембрана Джгутики трихомонади Базальне тільце Псевдоподії амеби Вакуолі Рис. 1. Вакуоля рослинної клітини з клітинним соком. Мембрана, яка відокремлює вакуолю від цитоплазми називається тонопластом. Функції такої вакуолі: підтримання тургурного тиску в клітині, виділення продуктів обміну клітини. Рис. 2. Скоротливі вікуолі прісноводних одноклітинних організмів. Функції – підтримання водносольового балансу. Рисунок 1 вакуоля Рисунок 1. Рисунок 2 Ядро – обов’язкова частина клітин багатьох одноклітинних і всіх багатоклітинних організмів. Саме за наявністю чи відсутністю оформленого ядра з оболонкою всі клітинні організми поділяють на основні надцарства: Прокаріоти та Еукаріоти. ЯДРО І ЙОГО СТРУКТУРА Будова ядра Функції ядра: 1. Збереження генетичної інформації в ряду поколінь клітин і організмів: репарація ДНК, реплікація ДНК, регуляція процесів точного розподілу молекул ДНК при поділі клітини. 2. Реалізація генетичної інформації створення апарату білкового синтезу: транскрипція всіх видів РНК, утворення субодиниць рибосом, процесинг, регуляція синтетичних процесів. 3 1 2 4 3 5 Ядро клітини 1 - ядерная оболонка; 2 - поры ядерної оболонки; 3 - хроматин; 4 - ядерце; 5 - рибосоми на ендоплазматичній сітці Функції ядра Збереження генетичної інформації в ряду поколінь клітин і організмів: репарація ДНК, реплікація ДНК, регуляція процесів точного розподілу молекул ДНК при поділі клітини. Реалізація генетичної інформації створення апарату білкового синтезу: транскрипція всіх видів РНК, утворення субодиниць рибосом, процесінг, регуляція синтетичних процесів. Поверхневий апарат ядра Ядерна оболонка (каріолема) • Складається з двох ядерних мембран – зовнішньої та внутрішньої, розділених перинуклеарним простором (люменом), який становить єдине ціле з порожнинами ендоплазматичної сітки. Ядерно-поровий комплекс А С В Електронні мікрофотографії ядерных пор (А і В). Реконструкція цієї структури (С). Ультраструктура ядерної ламіни Ядерна ламіна Ядерна ламіна – волокнистосітчаста структура, яка прилягає до всієї внутрішньої поверхні ядерної оболонки. Складається з білків ламінів. З внутрішньою ядерною мембраною ламіна пов’язана через специфічні інтегральні білки мембрани. З іншого боку, білки ядерної ламіни пов’язані також з білками хроматину. Ядерна оболонка Організація хроматину. Хромосоми • Забеспечення правильності компактної упаковки молекул ДНК є необхідною умовою перебігу процесів транскрипції, репарації та реплікації ДНК і рівномірного розподілу подвоєного набору ДНК між дочірніми клітинами під час мітозу. Хімічною основою хромосом є хроматин – комплекс ДНК з гістонами і негістоновими білками. Метафазна хромосома людини (растрова електронна мікроскопія) Організація хроматину: A – конденсована метафазна хромосома; B - C – спіралізація хроматинового волокна; D –соленоїд; E – нуклеосоми відокремлені ділянками лінкерної ДНК; F – молекула ДНК. Типи метафазних хромосом
