Биология клетки. Основы общей и медицинской генетики презентация

Курс «Биология»
Учебный раздел 1.
Биология клетки
Учебный раздел 2.
Основы общей и медицинской генетики
Учебный раздел 3.
Паразитология

Рекомендуемые учебные пособия

Тема: Биология клетки
Лекция № 1

Биология (греч. βιολογία — βίος, биос, «жизнь»; др.-греч. λόγος — учение ) – наука о жизни.
Термин введен в 1802 г.
Ж.-Б. Ламарком
Ламарк Жан Батист Пьер Антуан де-Моне (1744-1829) - французский естествоиспытатель-энциклопедист, создавший первую целостную теорию исторического развития живой природы, окончил Парижский университет (1776), член Парижской АН (с 1783 г.), работал в Ботаническом саду в Париже, Музее естественной истории, ввел термины "биология" (1802), "зоология беспозвоночных" (1794) и определил их содеpжание.
Объекты изучения биологии

Биология – комплекс наук о живой природе, о строении, функциях, происхождении, развитии, многообразии и распространении организмов и сообществ, их взаимоотношениях и связях с внешней средой.
общебиологические (цитология, генетика, эволюционное учение и др.)
морфологические (например: анатомия, гистология, патологическая анатомия)
физиологические (физиология растений, животных, нормальная физиология, патологическая физиология)
экологические (биогеография, паразитология)
пограничные (биохимия, биофизика, молекулярная биология, системная биология и др.)

Основная задача биологии –
познание сущности жизни
«Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот»
Михаил Владимирович Волькенштейн.
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой…»
Фридрих Энгельс.

Основные свойства живой материи
1. Определенный химический состав. (О, С, Н. N, P, Ca, S)
2. Обмен веществ, энергии и информации.
3. Гомеостаз.
4. Раздражимость и возбудимость.
5. Питание, выделение, дыхание, метаболизм, движение.
6.Самовоспроизведение (размножение).
7. Рост и развитие. Смерть.
8. Наследственность и изменчивость.
9. Адаптация (саморегуляция).
10. Дискретность и целостность.
11. Иерархичность (части (или элементы целого) расположены в порядке от низшему к высшего)

Молекулярно-генетический
(Элементарная единица (ЭЕ) - геном, Элементарное явление (ЭЯ) – репликация ДНК, синтез АТФ и т.д.)
Субклеточный
(ЭЕ - органелла, ЭЯ – функция органоида)
Клеточный (ЭЕ - клетка, ЭЯ – обмен веществ,, биосинтез белка, размножение)
Тканевой (ЭЕ - ткань, ЭЯ – функция ткани)
Органный (ЭЕ - орган, ЭЯ – функция органа)
Организменный (ЭЕ - особь, ЭЯ – рост и развитие, раздражимость)
Популяционно-видовой (ЭЕ - популяция, ЭЯ – изменение генофонда популяции)
Биогеоценотический (ЭЕ - биогеоценоз,
ЭЯ – поток энергии и круговорот веществ)
Биосферный (ЭЕ - биосфера, ЭЯ – глобальные круговороты веществ)
Уровни организации живой материи
Микро-системы
Мезо-системы
Макро-системы

Формы жизни
Клеточные
Неклеточные
Прокариоты
Эукариоты
Вирусы
Царства
Животные
Растения
Грибы
Протисты
Бактерии
Вирусы
Многоклеточные
Одноклеточные

Клеточная теория, впервые сформулирована Т. Шванном (1838) и дополнена Р. Вирховым (1858), данными молекулярной биологии, систематики и т.д.
Все живые организмы состоят из клеток. Вне клетки нет жизни.
Клетки всех организмов сходны между собой по строению, химическому составу и свойствам.
Клетка является открытой системой, через которую проходят и преобразуются потоки веществ, энергии и информации.
Клетки могут образовываться только из клеток путем деления.
Клеточное строение всех ныне живущих организмов – свидетельство единства происхождения.
Клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани. Они тотипотентны.

Клетка как система
Клетка – это целостная неделимая система, в которой можно выделить ряд связанных между собой подсистем с определенными функциями: мембраны, цитозоль, ядро, митохондрии и др., работающих согласованно.
Для жизни клетке необходимо постоянно взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь материей, энергией и информацией.

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны С. Сингера и Г. Николсона (1972).
Барьерно-рецепторно-транспортная система клетки
Фосфолипид

Функции биологических мембран
барьерная – мембраны ограничивают цитоплазму от межклеточного пространства, а клеточные органеллы от цитоплазмы, предохраняют клетку от проникновения большинства веществ,
транспортная – обеспечивают избирательную проницаемость веществ, создание трансмембранного потенциала,
рецепторная – рецепторы мембран воспринимают химические сигналы от гормонов, медиаторов и др. и обуславливают способность изменять метаболическую активность клетки,
межклеточное узнавание – клетки способны узнавать себе подобных и удерживаться вместе.
образование межклеточных контактов – участвуют во взаимодействии клеток и образовании тканей,
структурная – обеспечивают образование органелл и протекание множества разнонаправленных метаболических процессов.

Виды транспорта
Пассивный транспорт
Активный транспорт
Na+/K+ - насос

Транспорт в мембранной упаковке
Экзоцитоз – процесс обратный пиноцитозу

Цитоплазма
Гиалоплазма -
Система основного промежуточного обмена.
Органоиды
Включения

Гиалоплазма
90% воды
белки
аминокислоты
нуклеотиды
ионы неорганических соединений

Органоиды
Постоянные структуры цитоплазмы, имеющие определенное строение и выполняющие в клетке определенные функции.
Мембранные:
одномембранные,
двумембранные
Общего назначения
Специального назначения
Немембранные

Вакуолярная система внутриклеточного транспорта клетки
Эндоплазматическая сеть

Функции эндоплазматической сети
транспортировка всех веществ в клетке,
компартментализация цитоплазмы - способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке,
синтетическая: на гранулярной ЭПС происходит синтез белков, на гладкой – синтез липидов, стероидных гормонов и углеводов,
отчленяющиеся от ЭПС пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органоидов: аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом и вакуолей,
гомеостаз Са2+ и его депонирование (гладкая ЭПС),
детоксикация (этанола, барбитуратов - гладкая ЭПС).

Аппарат Гольджи

Функции аппарата Гольджи
концентрирование веществ, благодаря дегидратации (обезвоживанию),
сортировка и упаковка,
образование комплексных соединений (гликозилирование),
формирование первичных лизосом, пероксисом, вакуолей и секреторных гранул.

Лизосомы

Вторичная лизосома= Эндосома
Классификация лизосом
Первичная лизосома
Аутофагосома
=аутофагирующая вакуоль
Фаголизосома
=пищеварительная вакуоль
Остаточное тельце

Функции лизосом
Внутриклеточное пищеварение,
Аутолиз и разрушение остатков органоидов
Участие в процессах инволюции, т.е. обратном развитии тканей, например, матки после родов, утрате хвоста у головастиков лягушек и т.д.
Участие в защитных реакциях клетки (переваривание и обезвреживание чужеродных веществ, микробов, поглощенных путем фагоцитоза)

Митохондрии
Органеллы энергообеспечения клетки-
место синтеза АТФ

Хлоропласт
Пластиды
Система синтеза АТФ и фотосинтеза
пропластида лейкопласт хлоропласт
амилопласт хромопласт

Фотосинтезирующая система хлоропласта

Рибосомы
Элементарные клеточные
машины синтеза белка

Цитоскелет – опорно-двигательная система клетки
Центриоли

Микротрубочки – тончайшие трубочки, стенки которых образованы белком тубулином.
Микрофиламенты – тонкие белковые нити, состоят из белка актина. Участвуют в образовании нитей веретена деления и цитоскелета.
Микротрубочки, промежуточные филаменты,
микрофиламенты

Микроворсинки, реснички, жгутики
Участвуют в движении клеток.
Тонкие цилиндрические выросты цитоплазмы, состоят из микротрубочек и покрыты цитоплазматической мембраной.
Жгутики отличаются от ресничек длиной.
У основания ресничек и жгутиков лежат базальные тельца.

Включения
Относительно непостоянные компоненты цитоплазмы,
не имеют мембраны и представляют собой
продукты, подлежащие выведению из организма - секреторные (инсулин в клетках поджелудочной железы),
экскреторные (мочевая и щавелевая кислоты),
запасные питательные вещества (гликоген, крахмал, белки, жиры, углеводы),
пигменты (меланин, гемоглобин).

Все системы клетки находятся во взаимозависимости.
Главным регулятором всех функций клетки является ядро.
Без ядра клетка вскоре погибает.
В ядре эукариотических клеток сосредоточен генетический материал.
Ядро чаще одно, локализовано в центре клетки, имеет округлую форму.
Ядро.

Строение ядра

Строение ядра
Оболочка образована наружной и внутренней мембранами.
Перинуклеарное пространство между мембранами.
Ядерная ламина – сеть белков, покрывающих внутреннюю мембрану изнутри.
Оболочка пронизана порами (поровый комплекс).

Кариоплазма – внутреннее содержимое ядра, коллоидный раствор белков и нуклеиновых кислот.
Ядрышки образуются в области специальных частей некоторых хромосом, имеющих гены рРНК – ядрышковые организаторы – ЯОР.
Главная функция ядрышек – образование субъединиц рибосом.

Хроматин
Хроматин – комплекс ДНК и белков в соотношении 1:1,3.
Количество хроматиновых нитей соответствует диплоидному набору хромосом в G1 и G0 периодах интерфазы.
Белки: щелочные – гистоны и кислые (или нейтральные) – негистоновые белки.
В процессе деления клетки хроматин удваивается, спирализуется и образует хорошо видимые окрашенные структуры – хромосомы.

1 уровень укладки хроматина - нуклеосомный

2 уровень укладки хроматина -нуклеомерный
«соленоид» - элементарная хромосомная фибрилла
Гистон Н1

3 уровень укладки хроматина – петлевой или хромомерный
Негистоновые белки

4 уровень упаковки хроматина – хромонемный – образование хромосомы

Функции ядра
Хранение наследственной информации, записанной в молекулах ДНК.
Реализация наследственной информации путем регуляции синтеза белков.
Передача наследственной информации последующим поколениям в результате репликации ДНК, образования хромосом и их деления.

p
q
Морфология окрашенных хромосом
хроматида
кинетохор
микротрубочки кинетохора
центромера
теломера

Кариотип - хромосомный комплекс данного вида, характеризующийся определенным числом, строением и генным составом хромосом
Гомолог – это хромосома с такой же структурой и таким же набором генов.
Кариотип соответствует диплоидному набору хромосом.

Формула хромосом 2n2c - диплоидный набор каждая хромосома состоит из одной хроматиды.
n - число хромосом в гаплоидном наборе хромосом. 2n - клетка диплоидная. 2c - число наборов хроматид (chromatida).

Жизненный (клеточный) цикл клетки
Период жизни клетки от ее образования до собственного деления или гибели
Он включает два важных периода – интерфазу и митоз или мейоз.

Механизм репликация ДНК
геликаза
праймаза
лигаза
лидирующая цепь
отстающая цепь
фрагмент Оказаки
РНК праймер
ДНК-полимераза
ДНК-полимераза III
ДНК-полимераза III

Цитокинез животной клетки

Биологическое значение митоза заключается в точном равномерном распределении дочерних молекул ДНК – хроматид с содержащейся в них генетической информацией между дочерними клетками.
Так поддерживается постоянство кариотипа (т.е. набора хромосом) в поколениях клеток, и все клетки организма содержат одинаковый по количеству и качеству набор хромосом.

Размножение – это способность организмов производить себе подобных
Молекулярные основы размножения:
репликация – удвоение молекулы ДНК
равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками при их делении.
Основные способы размножения:
бесполое и половое.

Деление надвое

Основа бесполого размножения – репликация ДНК и митоз.
Основа полового размножения – образование и слияние гаплоидных гамет (гаметогенез и оплодотворение).
При образовании гамет некоторые клетки делятся особым способом – мейозом, в результате которого формируется гаплоидный набор хромосом.
Главное преимущество полового размножения – появление генетически и фенотипически разнообразного потомства.

Мейоз I
Профаза I
Метафаза I
Анафаза I
Телофаза I
2n4с
2n4с
2n4с
2n4с
n2с
n2с

Мейоз II
Профаза II
Метафаза II
Анафаза II
Телофаза II
n2с
n2с
2n2с
nс
nс
nс
nс

Биологическое значение мейоза
Благодаря мейозу во всех живых организмах при половом размножении поддерживается постоянство числа хромосом одного вида из поколения в поколение.
Образуется большое количество различных комбинаций негомологичных хромосом в результате независимого расхождения материнских и отцовских хромосом в 1 делении.
В процессе кроссинговера происходит рекомбинация на уровне генов (отцовских и материнских) и образование качественно новых хромосом.

Этапы овогенеза
I – размножение
II - рост
III - созревание

В 1953 г. молодые ученые из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили трехмерную модель молекулы ДНК – двухцепочечная правозакрученная спираль

нуклеотид

Нуклеотиды
Пурины
Пиримидины
Аденин –А
Гуанин -G
Цитозин –С
Тимин –Т
Урацил –U
(в РНК вместо Т)

Отличия ДНК от РНК
РНК - одноцепочечная молекула.
В нуклеотидах РНК вместо тимина присутствует урацил (пиримидин).
Углеводом в РНК является рибоза, а не дезоксирибоза.
РНК распределены практически по всей клетке, а ДНК сосредоточена в ядре.
Содержание РНК в клетке сильно колеблется и зависит от интенсивности синтеза белка, содержание ДНК практически постоянно.

Ген
Ген - это участок молекулы ДНК, включающий регуляторные последовательности и соответствующий одной единице транскрипции, в которой находится информация о структуре одной полипептидной цепи или молекулы РНК.

Классификации генов
РНК-кодирующие
Белок-кодирующие
Митохондриальные
Структурные
Функциональные:
-модуляторы (супрессоры, активаторы, модификаторы)
-регуляторы и операторы
Конститутивные
Регулируемые (индуцибельные)

Генетический код – способ хранения генетической информации.
Триплетные кодоны мРНК и соответствующие им аминокислоты

Центральная догма молекулярной биологии:
ДНК
РНК
Белок
Трансляция
Реализация генетической информации
Признак

Этапы трансляции