1.
2. Тема 1. Химический состав организма человека.
1. Какова структура живой клетки, и каким образом она организована для выполнения
Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира — гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).
2. Каким образом клетки делятся, производя идентичные дочерние клетки? Что представляет собой химия наследственности? Что такое ген и как он функционирует?
Все клетки появляются путём деления родительских клеток. Большинству клеток свойственен клеточный цикл, состоящий из двух основных стадий: интерфазы и митоза. Интерфаза состоит из трех этапов. В течение 4–8 часов после рождения клетка увеличивает свою массу. Некоторые клетки (например, нервные клетки мозга) навсегда остаются в этой стадии, у других же в течение 6–9 часов удваивается хромосомная ДНК. Когда масса клетки увеличивается в два раза, начинается митоз. В типичной животной клетке митоз происходит следующим образом. В профазу центриоли удваиваются, две образовавшиеся центриоли начинают расходиться к разным полюсам клетки. Ядерная мембрана разрушается. Специальные микротрубочки выстраиваются от одной центриоли к другой, образуя веретено деления. Хромосомы разъединяются, но всё ещё остаются попарно сцепленными. Следующая после профазы стадия называется метафазой. Хромосомы, влекомые нитями веретена, выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. Центромеры, скреплявшие хромосомы, делятся, после чего дочерние хромосомы полностью разъединяются. В стадии анафазы хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Когда хромосомы достигают полюсов, начинается телофаза. Клетка делится надвое в экваториальной плоскости, нити веретена разрушаются, вокруг хромосом формируются ядерные мембраны. Каждая дочерняя клетка получает собственный набор хромосом и возвращается в стадию интерфазы. Весь процесс занимает около часа.
Химия наследственности:
В процессе репликации ДНК на каждой исходной цепи синтезируется комплементарная дочерняя цепь. Разнообразные ферменты действуют согласованно, раскручивая витки ДНК, расплетая двойную спираль и добавляя новые основания к каждой из двух строящихся дочерних цепей. Генетическая информация передается с помощью информационной (матричной) РНК. Длинные молекулы мРНК синтезируются по принципу комплементарности на одной цепи ДНК, а затем переносятся на цитоплазматические рибосомы. Этот процесс называют транскрипцией; он находится под жестким генетическим контролем. Последовательность из трех нуклеотидов в молекуле мРНК кодирует специфическую аминокислоту. На рибосомах мРНК взаимодействует с маленькими молекулами – транспортными РНК, которые связаны с определенными аминокислотами. Каждая тРНК имеет последовательность из трех оснований (антикодон), комплементарную кодону мРНК. Молекула тРНК связывается с помощью комплементарного антикодона с мРНК, а доставленная ею аминокислота связывается с концом растущей полипептидной цепи. Таким образом, аминокислота теперь соединена с белковой цепью пептидной связью, образованной с помощью специальных ферментов. Процесс синтеза белка называют трансляцией. Каждая из 20 аминокислот кодируется триплетом оснований (кодоном) в мРНК. Последовательность аминокислот в белке определена последовательностью кодонов в молекуле мРНК, которая и управляет синтезом этого конкретного белка. В конечном счете последовательность кодонов мРНК зависит от последовательности оснований ДНК, с которой мРНК была транскрибирована. Большинству аминокислот соответствуют три или четыре альтернативных кодона, каждому из которых соответствует своя тРНК. Не весь генетический материал несет информацию об аминокислотной последовательности белков. Большая часть генетической информации ядерной мРНК эукариот транскрибирована с фрагментов ДНК, названных интронами; эти фрагменты вырезаются из мРНК до того, как она попадет в цитоплазму. Остальные фрагменты мРНК, транскрибированные с участков ДНК, называемых экзонами, сшиваются в ядре до выхода мРНК в цитоплазму.
Ген:
Ген — это участок молекулы дезоксирибояуклеиновой кислоты — ДНК), который определяет порядок расположения аминокислот в первичной структуре какого-либо из белков живой клетки и тем самым обусловливает формирование признаков организма.
3. В живой клетке протекают тысячи различных химических реакций, каждая из которых катализируется специфическими ферментами. Каким же образом достигается их гармоническая синхронизация?
Очевидно, что клетке выгодно осуществлять реакции, поставляющие энергию, со скоростями, соответствующими ее энергетическим потребностям, и вырабатывать моно мерные единицы (аминокислоты, нуклеотиды, сахара) со скоростями, соответствующими потребностям в этих соединениях для синтеза биополимеров {белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов). Механизмы, благодаря которым осуществляется такая регуляция, стали предметом исследования биохимиков относительно недавно. Хотя некоторые детали остаются невыясненными, удалось установить общие принципы регуляторных механизмов; примеры регуляции скорости ферментативных превращений можно найти в разных разделах этой книги. Сюда относятся механизмы, подобные системам положительной и отрицательной обратной связи в инженерной электронике; они реализуются при функционировании ряда ферментов, участвующих в процессах биосинтеза; при этом обеспечивается постоянный поток, но не избыток необходимых промежуточных продуктов. В других случаях регуляция осуществляется путем репрессии или дерепрессии процесса образования ферментов биосинтеза.
4. Как организм регулирует объем и состав жидких сред, окружающих клетки, и крови, обеспечивающей связь между ними?
Поддержание клеточного гомеостаза. Клетка способна поддерживать относительное постоянство своей внутренней среды, т.е. клеточный гомеостаз. Основную роль в этом процессе играют цитоплазма клетки и ее мембрана. Например, коллоидно-осмотическое давление клетки поддерживается за счет определенного содержания белков, аминокислот, гидратированных ионов и воды. Активная реакция цитоплазмы (рН) сохраняется на относительно постоянном уровне благодаря наличию буферных систем клетки, в частности буферной системы гемоглобина. Клеточная мембрана выполняет в этом случае барьерную функцию, предотвращая существенные сдвиги клеточного гомеостаза.
Натрий, а также анионы хлора и гидрокарбоната – основные ионы внеклеточной жидкости. Они являются основными факторами, определяющими осмоляльность внеклеточной жидкости. Основные внутриклеточные анионы – фосфаты и органические анионы. Внутриклеточная жидкость – жидкая фаза цитоплазмы и ядра, вода которой составляет примерно 30-40% массы тела. Через нее осуществляются процессы клеточного метаболизма. Внеклеточная жидкость составляет 20% массы тела. Плазма – жидкое межклеточное вещество крови, в котором находятся белки и форменные элементы – эритроциты, тромбоциты и лейкоциты. Содержание белка в плазме около 70 г/л, а на долю «чистой» воды приходится 0,3% объема. Интерстициальная (тканевая, межклеточная) жидкость составляет 15% массы тела, является непосредственной питательной средой органа (микросреда). Состав и свойства микросреды специфичны для отдельных органов и соответствуют их структурно-функциональным особенностям. По определению К.Бернара тканевая жидкость – это «внутреннее море», в котором активно живут клетки. Лимфа является по существу составной частью и производной тканевой жидкости. Она переносит крупномолекулярные белки, частично жиры и углеводы.
5. С помощью, каких механизмов клетки "узнают" друг друга?
Клетки способны вступать во взаимодействия, образуя межклеточные контакты, в которых основная роль принадлежит клеточной мембране.
По функциональному значению для клетки выделяют следующие разновидности контактов: плотные замыкающие (изолирующие), механические, химические и синаптические.
Плотный замыкающий контакт, образующийся в результате слияния участков плазмолемм или интегральных белков мембран двух соседних клеток, может иметь значительную протяженность. Назначение контакта — простое механическое соединение клеток. Область контакта непроницаема для макромолекул и ионов и поэтому выполняет роль функционального барьера.
К механическим контактам относятся простой — сближение клеток на 15 нм (эпителий кожи — 20 нм); пальцевидное соединение и более сложно организованная десмосома протяженностью 0,5 мкм, характеризующаяся высокой электронной плотностью. Если в первых двух из них взаимодействуют только наружные слои клеточной оболочки (гликокаликс), то в области десмосомы между мембранами соседних клеток из гли-кокаликса формируется центральная пластинка, связанная с мембранами контактирующих клеток системой поперечных фибрилл, ориентированных от мембраны в матрикс клетки.