Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 1: «Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки»

Цель: изучение молекулярной биологии и медицинской генетики, как современных дисциплин, раскрытие и изучение новых проблем в данных областях. Изучение молекулярной структуры и функции основных компонентов клетки.

Молекулярная биология - современная наука, накопившая за 50 лет большой запас знаний и фактов, но продолжает развиваться и изучает новые проблемы.

Особенно в течение 20лет получены следующие знания в области молекулярной и клеточной биологии:

1.Как работает клетка, каков ее химический состав, т.е. строения макромолекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов.

2.Изучены составные части, органеллы клетки.

3.Был завершен проект «Геном», который позволил установить полную последовательность нуклеотидов ДНК, образующей геном человека.

Это позволило изучить гены, кодирующие многие ферменты, белки, понять процессы жизнедеятельности, их нарушения, патогенез многих болезней, особенно наследственных, связанных с мутациями генов, которые влекут патологические изменения соответствующего биохимического превращения и вызывают клинические симптомы.

Генетика стала для медицины важной наукой, особенно понимание роли наследственности для здоровья и патологии.

Наследственность лежит в основе всех жизненных проявлений.

Медицинская генетика изучает:

1.Роль наследственности в патологии человека;

2.Закономерности передачи от поколения к поколению наследственных болезней;

3.Разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии, включая болезни с наследственной предрасположенностью.

4.Медицинскаягенетика выявляет взаимодействие биологических и средовых факторов в патологии человека.

Указанные направления синтезируют медицинские и генетические открытия и достижения, направляя их на борьбу с болезнями и улучшение здоровья человека.

Медицинская генетика, составляя важнейшую часть теоретической медицины, рассматривает в связи с патологией следующие вопросы:

1) какие наследственные механизмы поддерживают гомеостаз организма и определяют здоровье индивида;

2) каково значение наследственных факторов (мутации или сочетание определенных аллелей) в этиологии болезней;

3) каково соотношение наследственных и Седовых факторов патогенезе болезней;

4) какова роль наследственных факторов в определении клинической картины болезней (и наследственных, и ненаследственных);

5) влияет ли (и если влияет, то как) наследственная конституция на процесс выздоровления человека и исход болезней;

6) как наследственность определяет специфику фармакологического и других видов лечения.

Как теоретическая и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно расширяться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.

Для врача образование по медицинской генетике включает в себя основы общей генетики (менделизм, учение о хромосомах, химические основы наследственности), основные положения генетики человека (человек как объект генетического исследования) и клиническую генетику.

Клиническая генетика в строгом смысле слова - прикладной раздел медицинской генетики, т.е. применение достижений последней для решения клинических проблем у пациентов или в их семьях. Эти проблемы следующие: что у больного (диагноз), как ему помочь (лечение), как предупредить рождение больного потомства (прогноз и профилактика). В настоящее время клиническая генетика основывается на геномике, цитогенетике, биохимической генетике, иммуногенетике, формальной генетике, включая популяционную и эпидемиологическую, генетике соматических клеток и молекулярной генетике.

Человек сталкивается с новыми факторами среды (избыток информации, стрессы, загрязнение атмосферы) повышение уровня мутационного процесса.

Поэтому знание медицинской генетики позволяет выбрать правильные методы лечения, диагностику наследственных болезней.

Клетки - это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное ныне как клеточная теория Шлейдена и Шванна сложилось в 1838-39 гг.

В современном изложении клеточная теория Шлейдена и Шванна содержит 3 положения.

1 положение соотносит клетку с живой природой планеты в целом. Его формулировка: жизнь, какие бы сложные или простые формы она ни принимала, в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается в конечном итоге только клеткой. Роль клетки, как первоисточника жизни, обусловлено тем, что именно является биологической единицей, с помощью которой происходит извлечение из внешней среды, превращение и использование организмами энергии и веществ. В клетке сохраняется и используется биологическая информация.

2 положение указывает на то, что в настоящих условиях новые клетки возникают путем деления предшествующих клеток.

3 положение клеточной теории соотносит клетку с многоклеточными организмами, для которых характер принцип целостности и системной организации. Его формулировка: структурно-функциональными единицами многоклеточных существ являются клетки. Не следует забывать, что многоклеточный организм характеризуется рядом особых свойств, которые не являются суммой качеств и свойств отдельных клеток. Третье положение клеточной теории иллюстрирует проблему взаимоотношения части и целого. В 1858 г. Вирхов обосновал "клеточную патологию", согласно которой болезни человека имеют в своей основе нарушение клеток.

Клетки могут существовать как отдельный организм (бактерии, водоросли и т.д.), так и в составе тканей многоклеточных животных и растений. Хотя клетки достаточно разнообразны и отличаются друг от друга по размерам, форме, химическому составу и функциям, но число главных типов клеточной организации ограничено двумя. Выделяют прокариотический и эукариотический типы. Эукариотический тип, в свою очередь, делится на 2 подтипа: подтип, характерный для простейших, и подтип, характерный для многоклеточных.

Клеткам прокариотического типа характерны малые размеры (не более 0.5- 3 мкм в диаметре или по длине). Строение прокариот: питоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, включения типа гликогена, липидов. Развитая система мембран внутри клетки отсутствует. Также имеется ядерная область, которая содержит единственную кольцевую ДНК. Характерно отсутствие гистонов. Также нет клеточного центра, цитоплазма не способна к движению. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли.

Особенностью клеточной организации простейших является то, что в структурном отношении они соответствуют уровню одной клетки, а в функциональном - целому организму. Поэтому у простейших присутствуют образования, выполняющие на клеточном уровне функции органов, систем органов многоклеточного организма. Например, у инфузорий цитостом, цитофарингс и порошица аналогичны пищеварительной системе, а сократительные вакуоли аналогичны выделительной системе.

Эукариотический подтип, характерный для многоклеточных. Строение клеток как растений, так и животных, в общих чертах сходно. У клеток растений основными отличиями от животных клеток являются: наличие хлоропластов, крупной центральной вакуоли, клеточной стенки. Размеры клеток прямо не связаны с величиной организма, поскольку последняя зависит от количества клеток. В среднем, диаметр большинства клеток колеблется от 10 до 100 мкм, объем - 200 - 15000 мкм2. Естественно, существуют и очень большие клетки, примером которой является яйцеклетки.

В традиционном изложении клетку рассматривают ках объект, ограниченный оболочкой, в котором содержатся оформленное ядро и цитоплазма, в которой распределены органоиды и клеточные включения. Чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности клетки играют клеточные мембраны. Биологические мембраны выполняют много функций: барьерную, регуляторную, сигнальную, обеспечивают избирательную проницаемость, межклеточную коммуникацию (связь), электрическую возбудимость и т.д.

Биомембраны отделяют клеточное содержимое от внешней среды, регулируют обмен между клеткой и средой, делят клетку на отсеки или компартменты, предназначенные для раздельного протекания тех или иных метаболических путей. Ряд химических реакций в клетке протекает непосредственно на мембранах. На них располагаются и рецепторы для распознавания внешних сигналов из окружающей среды.

Строение мембран. Существует несколько моделей строения мембран. В настоящее время принята жидко-мозаичная модель Сингера и Николсона. Согласно этой модели, липиды образуют бислой, в котором плавают белки. Из-за различной степени погружения белковых молекул образуется своеобразная мозаика, что и отражено в названии модели.

Если суммировать известные нам данные о строении биологических мембран, можно выделить следующие положения:

1.разные типы мембран отличаются по своей толщине, но в большинстве случаев она составляет 5-10 нм.

2.мембраны - это липопротеиновые структуры, на внешней стороне к липидам и / или белкам прикреплены углеводные компоненты, на долю которых приходится от 2 до 10%.

3.липиды спонтанно образуют бислой, так как их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.

4.мембранные белки выполняют разнообразные функции.

5.углеводные компоненты образуют надмембранный комплекс, называемый гликокаликсом, участвуют в механизмах распознования.

Состав мембранных липидов достаточно разнообразен. Мембранные липиды обеспечивают "жидкое", "рыхлое" состояние бислоя. Жидкое состояние мембран -важный фактор, обеспечивающий транспорт, активность мембраносвязанных белков и процесс слияния отдельных мембран друг с другом. Липидный бислой обладает рядом важных свойств.

К их числу относятся: способность к самосборке, полупроницаемость и диэлектрические свойства. Способность к самосборке позволяет быстро восстанавливать поврежденную целостность клеточной мембраны, полупроницаемость лежит в основе транспорта через мембраны. Диэлектрические свойства липидов не позволяют передавать заряд, поэтому на наружной и внутренней поверхности мембраны может образовываться разность потенциалов, которая называется мембранным потенциалом.

Мембранные белки условно можно разделить на две группы. К первой относятся структурные белки, ко - второй - белки, выполняющие наряду со структурными и другие функции. В их числе следует особо выделить транспортную функцию, функцию маркировки и рецепции, ферментативную функцию, а также участие в преобразовании энергии в процессах дыхания и фотосинтеза. Большую роль играют комплексы белков с углеводами, называемые гликопротеинами. На свободных поверхностях гликопротеинов, ориентированных на внешнюю сторону мембраны, находятся олигосахаридные цепи, напоминающие антены. Их функция - распознавание внешних сигналов, т.е. они играют роль информационных молекул. С функцией распознавания связан процесс регуляции иммунного ответа, объединение клеток в ткани. Кроме гликопротеидов функцию распознавания выполняют и гликолипиды. Нарушение гликокаликса приводит к внедрению в клетку вирусов и т.д.

Одной из наиболее важной функцией мембран является транспортная. Известны 4 процесса транспорта через плазматическую мембрану, причем два из них не требуют затрат энергии и называются пассивными, а два последние - активные, т.е. протекают с потреблением энергии. Простейшим видом транспорта через мембрану является осмос или диффузия воды.

Другим видом пассивного транспорта является диффузия по градиенту концентрации, т.е. из области с высокой концентрацией в более низкую. Этим видом транспорта в клетку попадают малые молекулы (с массой не более 150 Да), а также кислород, углекислый газ и азот. Эти вещества проходят по туннельным мембранным белкам. У таких молекул имеется канал, пропускающий вещества определенного типа. Пассивная диффузия характерна для молекул или ионов, не имеющих заряда. Другим видом пассивной диффузии является растворение вещества в липидном бислое. Так в клетку попадают спирты, глицерол.

Частным случаем является облегченная диффузия. В этом случае веществу помогает пройти мембранный барьер специфический транспортный белок или белок - переносчик. Этот белок соединяется на одной стороне мембраны с веществом, а на другой стороне - его отдает. Такой транспорт веществ осуществляется по электрохимическому градиенту. Примером является транспорт глюкозы в эритроциты.

Принцип работы белков- переносчиков. Это образование канала в молекуле белка из-за конформационных подвижек, или механизм понг-пинга. В стадии понг - участок для соединения белка - переносчика с веществом открыт во внешнюю среду, пинг - участок закрывается из-за конформационных изменений белка и открывается вовнутрь клетки.

Активный транспорт - это сопряженный с потреблением энергии процесс переноса веществ против электрохимического градиента. Например, рассмотрим ионы натрия, калия и хлора. Их содержание в плазме крови намного отличается от такового в эритроцитах. Исследования последних лет показали, что в клетке активно действует натриевый насос, выкачивающий ионы натрия из клеток. Чаще всего он сопряжен с калиевым насосом, который закачивает ионы калия вовнутрь клетки. Такой объединенный насос называется калий, натриевый насос. Насос - это белок, пронизывающий мембрану насквозь. С внутренней стороны мембраны к нему подходят ионы натрия и АТФ, снаружи - ионы калия. Считается, что обмен ионами происходит путем конформационных изменений белка. Известны также и другие виды белков-насосов.

Механизм работы транспортных белков. Различают 3 вида механизма работы транспортных белков: унипорт, симпорт и антипорт. При унипорте белок переносит вещество через мембрану, при симпорте перенос вещества или иона сопряжен с переносом другого иона. Примером симпорта является перенос глюкозы в клетку, сопряженный с переносом натрия. При антипорте происходит одновременный перенос как вовнутрь, так и из клетки. Примером является натрий, калиевый насос. Принцип работы транспортных белков -обычно понг-пинг.

Через плазматическую мембрану транспортируются и макромолекулы. Процесс, с помощью которого клетки захватывают крупные молекулы, называется эндоцитозом. Процесс выхода крупных молекул из клетки называется экзоцитозом. Общим для этих видов транспорта является то, транспортируемое вещество окружено плазматической мембраной и находится в виде пузырька или везикулы. Механизм образования везикулы и её судьба в клетке зависит от типа эндоцитоза.

Эндоцитоз. Эндоцитоз можно разделить на 2 основных типа: фагоцитоз и пиноцитоз. Пиноцитоз присущ всем клеткам. С его помощью клетка поглощает жидкости и мелкие гранулы. При фагоцитозе происходит поглощение крупных частиц:вирусов, бактерий, клеток или их обломков. Фагоцитоз осуществляется с участием специализированных клеток: макрофагов и гранулоцитов. Механизм эндоцитоза: при захвате вещества из межклеточного пространства происходит впячивание или инвагинация плазматической мембраны, образуется эндоцитозная везикула, похожая на колбу. Шейка везикулы сливается, отшнуровывается от мембраны. Судьба везикул различна: они могут направляться к комплексу Гольджи или транспортируются к лизосомам, сливаются с ними, образуя вторичные лизосомы или фаголизосомы.

Эндоцитоз подразделяется 2 типа: жидкофазный неспецифичный и адсорбционный рецепторный (с очень быстрым избирательным захватом макромолекул). Название и судьба везикул, образующихся при адсорбционном эндоцитозе, зависят от типа поглощаемого вещества. Если поглощаемым веществом является гормон, то такая везикула снабжена рецепторами, позволяющим ей достичь конкретного места в клетке, например, комплекса Гольджи. Такая везикула называется рецептосомой. Если содержимое везикулы сливается с лизосомой, то такие везикулы называются окаймленными пузырьками, так как они содержат белок - клатрин. Опосредуемый рецепторами эндопитоз имеет и свои теневые стороны, поскольку ряд вирусов, например, СПИДа, гепатита, полимиелита атакуют клетки именно по этому механизму.

Экзоцитоз имеет большое значение для клетки. С его помощью клетка, например, обновляет свои мембраны, осуществляет секреторную деятельность. Механизм экзоцитоза: вещества в везикулах отпочковываются от комплекса Гольджи или от эндоплазматического ретикулума, транспортируются к мембране, сливаются с ней, после чего содержимое везикулы выполняет свое предназначение. Экзоцитоз может быть непрерывным, так и прерывистым. Вещества, высвобождаемые в процессе экзоцитоза, можно разделить на 3 группы: 1.вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью, например, антигены; 2. вещества внеклеточного матрикса, 3.сигнальные молекулы (гормоны, медиаторы)

Изменение свойств биомембран, возникающие под влиянием факторов внешней и внутренней среды, лежат в основе развития многих патологических состояний и процессов. Нарушение функции биомембран может быть следствием развития патологических процессов. Это привело к возникновению такого понятия как "патология биомембран" Патология биомембран может быть связана с мембранными липидами, мембранными белками, включая рецепторы, а также с гликокаликсом. Например, биомембраны являются мишенями действия ядов, токсинов, радиоактивного излучения, ультрафиолета. Нарушение функций мембранных рецепторов часто выступает причиной патологии иммунной системы. Механизмы возникновения и развития таких заболеваний как гипертония, атеросклероз и т.д, связаны с нарушением структуры и функции мембранных белков и липидов. Изучение строения, свойств и функций биомембран в условиях нормы позволит лучше усвоить причины и механизмы их нарушения в при действии негативных факторов.

набором внутриклеточных структур, осуществляющих главные функции клетки. Здесь рассматриваются структура и функции следующих внутриклеточных структур: ядро, митохондрии, пероксисомы, гладкий эндоплазматический ретикулум, шероховатый эндоплазматический ретикулум.

Внутриклеточное движение