Цитология.

1. Транспорт веществ через плазмолемму. Пассивный транспорт и его разновидности. Активный транспорт, его виды и механизмы. Ионные насосы, генерация потенциалов покоя и действия.

Из внешней среды в клетку растения непрерывно поступают питательные веще­ства. Живая клетка обладает способностью к избирательному накоплению питательных веществ. Питательные вещества могут поступать и накапливаться в клеточной оболочке, цитоплазме, вакуоли. Кальций повышает вязкость цитоплазмы, форма плазмолиза вогнутая. Калий снижает - форма плазмолиза выпуклая. Перенос веществ через мембрану (плазмалемму) может идти пас­сивным и активным путем. При пассивном поступлении веществ через мембра­ну основой переноса и в этом случае является диффузия. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и от растворимости вещества в липидной фазе мембраны. Большинство веществ транспортируются с помощью белков: каналы, переносчики, помпы.

Пассивное поглощение - не требующее затраты энергии. Связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного ве­щества. Пе­редвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Движущей силой пассивного транспорта является электрохимический потенциал (трансмембранный), он может возникать в силу разных причин: 1. Поступление ионов идет по градиенту концентрации (градиенту химиче­ского потенциала), однако благодаря разной проницаемости мембраны с боль­шей скоростью поступает либо катион, либо анион. На мембране возникает разность электрических потенциалов, что приводит к диффузии противоположно заряженного иона. 2. При наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих оп­ределенные ионы. 3. В результате активного транспорта либо катиона, либо аниона. В этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала.

Каналы - трансмембранные белки, которые действуют как поры. Их называют селективными фильтрами. Транспорт через каналы пассивный. Специфичность транспортируемого вещества определяется свой­ствами поверхности поры. Через каналы передвигаются ионы. Скорость транспорта зависит от их величины и заряда. Если пора открыта, то вещества проходят быстро. Имеется меха­низм «ворот». Интегральные мембранные белки, представляю­щие канал через мембрану для проникновения воды - аквапорины.

Активный транспорт - транспорт, идущий против градиента электрохи­мического потенциала, т. е. по направлению от меньшего к большему его значению. Активный транспорт тре­бует затраты энергии.

Переносчики - это специфические белки, способные связываться с переноси­мым веществом. В структуре этих белков имеются группировки, определенным образом ориентированные на наружную или внутреннюю поверхность. В ре­зультате изменения конформации белков вещество передается наружу или внутрь. Пассивный перенос называется облегченной диффузией. Ион реагирует со своим переносчиком на поверхности мембраны или вблизи нее. Комплекс переносчика с ионом подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду с образованием предше­ственника переносчика. Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе только определенных веществ.

Насосы (помпы) - интегральные транспортные белки, осуществляющие ак­тивное поступление ионов. Энергия поставляется процес­сами дыхания и фотосинтеза и в основном аккумулирована в АТФ. Насосы: 1. Электрогенные, которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накопле­нию заряда одного типа на одной стороне мембраны. 2. Электронептральные, при которых перенос иона в одном направлении со­провождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.

Если переносчик транспортирует два вещества в противоположном направ­лении, то такой встречный перенос получил название антипорт. Симпорт – в одном направлении.

Осмос - это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов. Диффузия - это процесс, ведущий к равномерно­му распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не про­пускает молекулы растворенного вещества. Осмотический потенциал равен разности между химическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чистой воды и всегда отри­цателен. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, цитоплазма отста­ет от клеточной оболочки - плазмолиз. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Под влиянием внутреннего давления кле­точная оболочка растягивается, клетка переходит в напряженное состояние - тургор. Энергетический уровень воды отражаемый ско­ростью диффузии, называют химическим потенциалом, или, применительно к воде, водным потенциалом. Осмотическое давление: P=icRT, где i – изотонический коэф., с - концентрация вещества в молях, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура. i=1+a(n-1).

Силу, с которой вода входит, в клетку, называют сосущей силой S. Она тождественна водному потенциалу клетки. Величина сосущей силы определяется осмотическим давлением клеточного сока (п*) и тургорным (гидростатическим) давле­нием в клетке (Р), которое равно противодавлению клеточной стенки, возникающему при ее эластическом растяжении: S = п*-Р.

Когда клетка полностью насыщена водой (полностью тургесцентна), ее сосущая сила равна нулю, а тургорное давление равно по­тенциальному осмотическому: S=0; Р =п*.

Потенциалы. ПП: К-е каналы открыты, Na-е закрыты, К по градиенту выходит из клетки. Cl двигается по каналам медленнее, увеличивая отрицательный заряд, который связан с ионами органических кислот. На поверхности мембраны положительный заряд, внутри клетки – отрицательный заряд. ПД: Если на клетку действует раздражитель, то происходит перезарядка мембраны, на ней регистрируется положительный заряд – потенциал действия. У возбудимых клеток местное снижение мембранного потенциала (МП) до крити­ческого уровня приводит к дальнейшему быстрому падению его величины (фаза деполяризации), после чего МП возвра­щается к величине, близкой к исходному значению. Так воз­никает ПД, или спайк.

Фаза деполяризации связана с входом в клетки ионов Са²⁺ и вы­ходом С1 (у водорослей). Реполяризация объясняется выхо­дом К⁺. Н⁺, К⁺-насос восстанавливает затем нару­шенное ионное равновесие. Ионные и электрические сдвиги, лежащие в основе ПД, служат тем универсальным механизмом, с помощью которого ПД влияет на физиологические процессы в клетках. Сигнальная роль ПД очевидна у растений, способ­ных к быстрым двигательным реакциям. Может вы­полнять информационные функции и у других растений. Так, прорастание пыльцы на рыльце кукурузы сопровождается генерацией импульсов, распространяющихся по нитевидному пестику вплоть до завязи.

2. Основные положения клеточной теории. Основные типы клеток и их сравнительная характеристика. Прокариотные и эукариотные клетки, общее и отличия. Различия в строении клеток растений, животных и грибов. Неклеточные формы жизни.

Клетка служит основой строения растений и животных. Для прокариот и простейших, низших грибов и некоторых во­дорослей понятия «клетка» и «организм» совпадают. Можно сказать, что клетка - это элементарная биологическая систе­ма, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Такое представление о клетке установилось в науке не сразу. Сама клетка, точнее клеточная оболочка, была откры­та в XVII в. английским физиком Гуком. Рассматривая под микроскопом срез пробки, Гук обнаружил, что она состоит из ячеек, разделенных перегородками. Эти ячейки он назвал клетками. В 1831 г. английский ботаник Броун обнару­жил в клетках ядро. Шлейден доказал, что в любой растительной клетке есть ядро. В конце 30-х годов XIX в. немецкий физиолог Шванн - хотя клетки животных очень разнообразны и отличаются от растительных, ядра всех клеток очень сходны. Клеточная теория строения была сформулирована Шванном в 1839 г. Основные положения: 1) клетка явля­ется структурно-функциональной единицей, а также еди­ницей развития всех живых организмов; 2) клеткам при­суще мембранное строение; 3) ядро - главная составная часть клетки; 4) клетки размножаются только делени­ем; 5) клеточное строение организма - свидетельство того, что растения и животные имеют единое происхождение.

Клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самопроизведению.

Общие признаки: 1. Единство структурных систем - цитоплазмы и ядра. 2. Сходство процессов обмена веществ и энергии. 3. Единство принципа наследственного кода. 4. Универсальное мембранное строение. 5. Единство химического состава. 6. Сходство процесса деления клеток.

Признаки	Растительная	Животная
Пластиды	Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты	нет
Размер	10-100 мкм	10-30 мкм
Способ питания	Автотрофный (фототрофный, хемотрофный)	Гетеротрофный (сапротрофный, паразитический)
Синтез АТФ	В хлоропластах, митохондриях	В митохондриях
Расщепление АТФ	В хлоропластах и всех частях клетки, где необходимы затраты энергии	Во всех частях клетки, где необходимы затраты энергии
Клеточный центр	У низших растений	Во всех клетках
Кл. стенка	Целлюлозная, расположена снаружи от клеточной мембраны	тонкая, из гликопротеинов и гликолипидов
Центриоли	нет	есть
Положение ядра	у высокодиффер. раст.кл. оттеснены кл.соком к переферии. Пристеночное положение	Занимают центральное положение
Включения	Запасные питательные вещества в виде зёрен крахмала, белка, капель масла; вакуоли с клеточным соком; кристаллы солей	Запасные питательные вещества в виде зёрен и капель (белки, жиры, углеводы, гликоген); конечные продукты обмена, кристаллы солей, пигменты
Способ деления	Цитокинез, путем образования посередине клетки фрагмопласта	Деление путем образования перетяжки
Главный резервный пит.углевод	крахмал	Гликоген
Вакуоли	Крупные полости, заполненные клеточным соком – водным раствором различных веществ (запасные или конечные продукты). Осмотические резервуары клетки	Сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли. Обычно мелкие

У грибов – эукариоты, нет хлорофилла, зап. пит. в-во – гликоген, клеточная стенка с хитином, нет пластид.

Признак	Прокариоты	Эукариоты
Клет. стенка	Муреин	Гликокаликс (клетки животных), целлюлозная клеточная стенка (клетки растений)
Цитоплазм мембрана	Состоит из двойного слоя липидов, в котором на разных уров­нях располагаются молекулы белков. Сохраняет форму клет­ки, защищает цитоплазму от физических и химических по­вреждений, делает возможным контакт и взаимодействие клеток в тканях и органах, избирательно обеспечивает транс­порт веществ и выведение конечных продуктов обмена
ЭПС	нет	Система мембранных трубочек и ка­налов
Комплекс Гольджи	нет	Состоит из стопки мембранных упло­щенных мешочков, по краям кото­рых ответвляются трубочки, отделя­ющие мелкие пузырьки. Осуществ­ляет накопление, преобразование, транспорт органических молекул
Митохондрии	Отсутствуют, анало­гичные функции выполняют мезосомы	Осуществляют окисление органических молекул, синтез АТФ
Пластиды	Отсутствуют, анало­гичные функции выполняют тилакоиды	Имеются только в клетках фототрофов. Функ­ция - фотосинтез
Вакуоли	нет	Крупные полости, отграниченные мембраной и заполненные клеточ­ным соком
Рибосомы	Мелкие. Осуществляют сборку белковых моле­кул	Органеллы округлой формы. Состоят из рРНК и белков
Клеточные включения	Капли, гранулы, крис­таллы	Капли, гранулы, кристаллы. Основные функции: трофические, секреторные, пигмент­ные, балластные
Ядро	Отсутствует. Имеется нуклеоид, образован­ный одной кольцевид­ной молекулой ДНК	Типичное, отграничено ядерной обо­лочкой. Содержит хромосомы, обра­зованные линейными молекулами ДНК и белками
	Нуклеоид не отграничен мембраной от цитоплазмы	Ядро отграничено мембранами от цитоплазмы
	ДНК представлена плазмидами	ДНК локализована в органеллах
	Дыхательная система локализована в цитоплазм. мембране	Дых. сист. локализована в митохондриях
	В клет. стенке имеются пептидогликаны	нет
	Митоз отсутствует	Имеется митоз
	Отсутствует фаго- и пиноцитоз. Не способны к амебоидному движению

Вирусы – внутриклеточные паразиты, в большинстве случаев вызывающие заболевания человека, животных, растений, микроорганизмов. Ивановский в 1892 г. открыл вирусы. В 1898 самостоятельно повторно открыл вирусы Беринг. 1898 – Гамалей открыл фаги. 1917 – Эррель открыл фаги повторно. Вирусы на питательных средах не растут, изучение шло теоритическим путем.. 1935 – Стеци получил вирус табачной мозайки в чистом кристаллическом виде. Вирусы поражают все группы органов. У человека 75% заболеваний – вирусы. Вирусы существуют в двух состояниях: 1) вирион – внеклеточная, когда вирус находится в состоянии покоя. 2) вегетативное – внутриклеточная активная форма, включает весь цикл репродукции вируса в клетке хозяина. Вирионы вирусов состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. Последняя носит наз­вание капсида (футляр). Вирионы более сложноорганизованных вирусов на поверхности белкового капсида имеют дополнительную внешнюю оболочку - суперкапсид. Капсиды образован белками – капсогенами, уложенными строго определенным образом. Капсиды вирионов различных вирусов животных, растений и бактерий могут быть построены по одному плану, в основе которого лежит отно­сительно простой геометрический принцип - спиральной или изо­метрической симметрии (спиральные и изометрические). Наиболее хорошо изученным вирусом, имеющим спиральный капсид, является вирус табачной мозаики. Капсид вируса табачной мозаики нас­читывает 130 витков. Внутри капсида образуется полый канал диаметром 4 нм. Генетическим материалом вируса табачной мозаики является одноцепочечная РНК, плотно уложенная в желобке спирального капсида. Капсиды вирионов многих вирусов имеют форму симметричного многогранника, чаще всего икосаэдра - изометрические. Нуклеиновая кислота вируса совмещает в себе функции обеих кислот - ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты вирусов отличаются крайним разнообразием. Вирусы содержат как обычные природные формы нуклеиновых кислот - двухцепочечную ДНК и одноцепочечную РНК, так и одноцепочечную ДНК и двухцепочеч­ную РНК. Суперкапсид вирусов представ­лен двойным слоем липидов, в который погружены молекулы специ­фических белков. Липиды суперкапсида, состоящие из нейтральных жиров, фосфолипидов, холестерина, сфингомиелина, имеют клеточное происхождение и вирусный геном не кодирует их синтез. Обычно суперкапсид вируса формируется путем модифи­кации участков цитоплазматической мембраны клетки хозяина в момент сборки вириона и выхода его из клетки.

3. Регуляция процессов в клетке: генная, ферментная и мембранная. Регуляция работы генов прокариот. Особенности генной регуляции эукариот. Виды ферментной регуляции: аллостерическая, каскадная, зимогенная.

Известны следующие механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: 1) Метаболитная регуляция. 2) Ферментная регуляция. 3) Генная регуляция. В этом случае изменяется количество ферментных молекул в клетке из-за включения или выключения синтеза ферментов. Регулирующие факторы действуют на ДНК, РНК или рибосомы. 4) Мембранная регуляция. Различают контактную и дистанционную мембранную регуляцию активности ферментов. Контактная регуляция – связывание ферментов с мембранами или их освобождение меняет их активность. Дистанционная мембранная регуляция активности ферментов осуществляется косвенным путем в результате транспорта через мембраны субстратов и коферментов, удаления продуктов реакции, ионных и рН сдвигов в компартментах клетки.

Метаболитная регуляция. Она происходит в результате изменения концентрации метаболитов и не затрагивает активность или число ферментных молекул. Различают регуляцию в местах разветвления путей обмена веществ и регуляцию по принципу обратной связи. В первом случае ферменты конкурируют за один и тот же субстрат и выбор пути определяется концентрацией общего для конкурирующих ферментов субстрата и степенью сродства фермента к субстрату. Под обратной связью понимается влияние более позднего члена цепи взаимосвязанных реакций на более ранний.

Ферментная регуляция. При этом типе регуляции изменяется активность ферментов. Изменение ферментативной активности может осуществляться несколькими путями: а) Обратимое или необратимое превращение неактивных предшественников ферментов - зимогенов в активные ферменты. Например, -амилаза инактивирована в запасающих клетках эндосперма семян злаков из-за соединения с запасными белками посредством дисульфидных связей ( -S-S-). К началу прорастания семян из живых клеток алейронового слоя в эндосперм поступают вещества, разрушающие дисульфидные связи. Активированная -амилаза принимает участие в гидролизе запасного крахмала; б) Изменение активности фермента под влиянием эффекторов. Связываясь с ферментом, эффекторы могут повышать его активность - это положительные эффекторы - активаторы или уменьшать ее - это отрицательные эффекторы - ингибиторы. Эффектор может влиять на активность фермента, взаимодействуя с активным центром (изостерический эффект) или изменяя конформацию ферментной молекулы в результате связывания с ее аллостерическим центром (аллостерический эффект). Изостерический эффект происходит в том случае, когда эффектор и субстрат похожи по своему строению и конкурируют друг с другом за активный центр фермента. Такой тип ингибирования называют конкурентным ингибированием.

Аллостерическая регуляция. Во многих строго биосинтетических реакциях основным типом регуляции скорости многоступенчатого ферментативного процесса является ингибирование по принципу обратной связи. Это означает, что конечный продукт биосинтетической цепи подавляет активность фермента, катализирующего первую стадию синтеза, которая является ключевой для данной цепи реакции. Поскольку конечный продукт структурно отличается от субстрата, он связывается с аллостерическим (некаталитическим) центром молекулы фермента, вызывая ингибирование всей цепи синтетической реакции. Предположим, что в клетках осуществляется многоступенчатый биосинтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собственным ферментом:

Скорость подобной суммарной последовательности реакций в значительной степени определяется концентрацией конечного продукта Р, накопление которого выше допустимого уровня оказывает мощное инги-бирующее действие на первую стадию процесса и соответственно на фермент E₁.

Впервые существование подобного механизма контроля активности ферментов метаболитами было обнаружено у Е.coli при исследовании синтеза изолейцина и ЦТФ. Оказалось, что изолейцин, являющийся конечным продуктом синтеза, избирательно подавляет активность треонин-дегидратазы, катализирующей первую стадию последовательного процесса превращения треонина в изолейцин, насчитывающего пять ферментативных реакций: