Клітина як структурно – функціональна одиниця
Кліти́на (від грец. kytos — порожнина) — основна структурно-функціональна одиниця всіх живих організмів, за винятком вірусів, для якої характерний власний метаболізм та здатність до відтворення. Від оточуючого середовища клітина відмежована плазматичною мембраною (плазмалемою). Розрізняють два основні типи клітин: прокаріотичні, що не мають сформованого ядра, характерні для бактерій та архей, та еукаріотичні, в яких наявне ядро, властиві для всіх інших клітинних форм життя: рослин, грибів та тварин.
Усі живі організми (крім вірусів) складаються з однієї, або більшої кількості клітин. Відповідно, вони поділяються на одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні. До одноклітинних належать бактерії, археї, деякі водорості, гриби а також найпростіші.
Колоніальні та багатоклітинні організми складаються із великої кількості клітин, різниця між ними полягає у тому, що колоніальні організми складаються із не диференційованих або слабо диференційованих клітин, що можуть вільно виживати одна без одної. Клітини багатоклітинних організмів більш чи менш спеціалізовані на виконанні певних функцій і залежні одна від одної в процесах життєдіяльності. До багатоклітинних організмів належить зокрема і людина.
Клітинна теорія була сформульована у 1838-1839 рр. ботаніком Матіасом Шлейденом і зоологом Теодором Шванном. Ці вчені показали, що клітини тварин та рослин принципово схожі між собою, і на основі всіх накопичених до того часу знань постулювали, що клітина є структурною та функціональною одиницею всіх живих організмів. У 1858 році Рудольф Вірхов доповнив клітинну теорію твердженням лат. «Omnis cellula eх cellula» — «Кожна клітина з клітини».
Клітинна теорія є однією із основоположних ідей сучасної біології, вона стала незаперечним доказом єдності всього живого, і послугувала фундаментом для розвитку таких дисциплін як ембріологія, гістологія та фізіологія. Основні положення клітинної теорії не втратили своєї актуальності, проте від часу її створення, ця теорія була доповнена, і включає наступні твердження:
Клітина — елементарна одиниця будови, функціонування, розмноження і розвитку всіх живих організмів, поза межами клітини нема життя.
Клітина — цілісна система, що включає велику кількість закономірно зв'язаних один з одним елементів — органел.
Клітини різних організмів схожі (гомологічні) за будовою та основними властивостями та мають спільне походження.
Збільшення кількості клітин відбувається шляхом поділу вихідної клітини, після реплікації її ДНК: клітина від клітини.
Багатоклітинний організм — це нова система, складний ансамбль із великої кількості клітин, об'єднаних та інтегрованих в системи тканин і органів, зв'язаних одне із одним за допомогою хімічних факторів: гуморальних і нервових.
Клітини багатоклітинних організмів мають однаковий набір генетичної інформації, але відрізняються за рівнем експресії (роботи) окремих генів, що призводить до їх морфологічної та функціональної різноманітності — диференціації. [2]
Слід зазанчити, що в різних джерелах кількість та формулювання окремих положень сучасної клітинної теорії може відрізнятись.
Код ДНК властивості коду
Генетичний код – це система триплетів нуклеотидів, які визначають амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюга.
Дослідження генетичного коду розкрили його основні властивості:
- Триплетність – кожна амінокислота кодується послідовністю із трьох нуклеотидів – триплетом або кодоном (серед 64 кодонів 61 – змістовний і 3 незмістовні кодони – УАА, УГА та УАГ).
- Специфічність – один кодон відповідає лише одній амінокислоті.
- Виродженість (надлишковість) – одній амінокислоті відповідають кілька кодонів (наприклад серину чи лейцину відповідають 6 кодонів, метионіну – всього 1).
- Колінеарність – послідовність нуклеотидів в молекулі і-РНК точно відповідає амінокислотній послідовності у поліпептидному ланцюгу.
- Односпрямованість – зчитування інформації в процесі транскрипції і трансляції відбувається лише в напрямку 5' - 3' кінець.
- Неперекриваємість – останній нуклеотид попереднього кодону не належить наступному триплету.
- Безперервність – між триплетними „словами” відсутні „розділові знаки”.
- Універсальність – в усіх організмах одні і ті самі амінокислоти кодуються одними і тими ж нуклеотидами (проте така властивість характерна лише для ядерного генетичного коду; мітохондріальний генетичний код має деякі відмінності від ядерного).
На рівні генетичного коду та процесу біосинтезу білка реалізується центральна догма молекулярної біології: ДНК → РНК → білок.
енетичний код — набір правил розташування нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), що надає всім живим організмам можливість кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.
У ДНК використовується чотири нуклеотиди — аденін (А), гуанін (G), цитозин (С) і тімін (T), які в україномовній літературі також часто позначаються буквами А, Г, Ц і Т відповідно. Ці букви складають «алфавіт» генетичного коду. У РНК використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком тіміну, який замінений схожим нуклеотидом, — урацилом, який позначається буквою U (або У в україномовній літературі). У молекулах ДНК і РНК нуклеотиди складають ланцюжки і, таким чином, інформація закодована у вигляді послідовності генетичних «букв».
Генетичний код
Комплементарні нуклеотиди
Для синтезу білків в природі використовуються 20 різних амінокислот. Кожен білок є ланцюжком або декількома ланцюжками амінокислот в строго певній послідовності. Ця послідовність називається первинною структурою білка, що також у значній мірі визначає всю будову білка, а отже і його біологічні властивості. Набір амінокислот також універсальний для переважної більшості живих організмів.
Експресія генів або реалізація генетичної інформації у живих клітинах (зокрема синтез білка, що кодується геном) здійснюється за допомогою двох основних матричних процесів: транскрипції (тобто синтезу мРНК на матриці ДНК) і трансляції генетичного коду в амінокислотну послідовність (синтез поліпептідного ланцюжка на матриці мРНК). Для кодування 20 амінокислот, а також стоп-сигналу, що означає кінець білкової послідовності, достатньо трьох послідовних нуклеотидів. Набір з трьох нуклеотидів називається кодоном. Прийняті скорочення, що відповідають амінокислотам і кодонам, зображені на малюнку.
|
Комбінативна мінливість механізм виявлення нових комбінацій генів . Явище гетерозису
Комбінаційна мінливість.
Здатність організму змінюватись під впливом умов довкілля адаптує його до середовища. Мінливість — результат взаємодії генотипу та середовища. Вона буває двох видів: неспадкова (модифікаційна) і спадкова.
Спадкова мінливість — пов’язана зі зміною генотипу. Є два види мінливості: комбінативна та мутаційна. Комбінативна мінливість — поява нових поєднань ознак унаслідок перекомбінації генів. Джерелом комбінативної мінливості є статевий процес; рекомбінація генів у процесі кросинговеру.
Мейоз його біологічне значення
Мейоз (або редукційний поділ) — особливий вид поділу еукаріотичних клітин, характерний тільки статевим клітинам (не соматичним), унаслідок якого хромосомний набір зменшується вдвічі, клітини переходять з диплоїдного стану в гаплоїдний.
Мейоз складається з двох послідовних поділів, аналогічних мітотичним (з деякими відмінностями), інтерфаза між якими вкорочена, а у рослинних клітинах може бути взагалі відсутня.
Історія вивчення мейозу
Мейоз був вперше вивчений і описаний у яйцях морських їжаків німецьким біологом Оскаром Гертрігом у 1876 році.
У 1883 році мейоз був знову описаний, уже на хромосомному рівні, бельгійським вченим Едуардом фон Бенеденом.
Проте важливість мейозу у спадковості була описана лише у 1890 році німецьким біологом Августом Вайсманом.
Біологічне значення мейозу
Мейоз є досконалим механізмом, який забезпечує сталість каріотипу видів, які розмножуються статевим способом. Завдяки двом мейотичним поділам статеві клітини мають половинний, порівняно з нестатевими, набір хромосом. А набір хромосом, характерний для організмів певного виду, відновлюється під час запліднення.
Мейоз також забезпечує спадкову мінливість організмів.
.статеві клітини розвиток статевих клітин
Сперматогене́з - розвиток чоловічих статевих клітин (сперматозоїдів), що відбувається під регулюючим впливом гормонів. Одна з форм гаметогенезу.
Сперматозоїди розвиваються з клітин-попередників, які проходять редукційні розподілу (поділу мейозу) і формують спеціалізовані структури (акросома, джгутик та ін.) У різних групах тварин сперматогенез розрізняється. У хребетних тварин сперматогенез проходить за наступною схемою: у ембріогенезі первинні статеві клітини мігрують до зачатків гонади, де формують популяцію клітин, які називаються «сперматогонії», з початком статевої зрілості сперматогонії починають активно розмножуватися, частина з них диференціюється в іншій клітинний тип - «сперматоцити I порядку », які вступають в мейоз і після першого поділу мейозу дають популяцію клітин, які називаються «сперматоцити II порядку», які проходять другий розподіл мейозу і утворюють клітинний тип «сперматиди»; шляхом ряду перетворень сперматіда набуває форми і структури сперматозоїда (цей останній етап сперматогенезу називається «сперміогенез»).
[Ред.] Сперматогенез у людини
Сперматогенез у людини в нормі починається в пубертантному періоді (близько 12 років) і триває до глибокої старості. Тривалість повного сперматогенезу у чоловіків становить приблизно 73-75 днів. Один цикл зародкового епітелію триває приблизно 16 днів
Сперматозоїди утворюються в яєчках, а саме в звивистих сім'яних канальцях. Стінка сім'яного канальця ділиться базальною мембраною на люмінальну та адлюмінальну сторони. На люмінальной стороні розташовані клітини Сертолі (сустентоціти) і попередники статевих клітин (сперматогініі, сперматоціти I і II порядків і сперматиди).
Сперматагоніі, що лежать безпосередньо на базальній мембрані звивистих сім'яних канальців, проходять кілька послідовних стадій мітотичного поділу. Загальна кількість сперматогоній в яєчку чоловіка становить близько 1 млрд. Розрізняють дві основні категорії сперматогоний: А і В. Сперматогонії А, які діляться мітотично, зберігають здатність до поділу і підтримують свою популяцію. Решта дефференціруются в сперматогонії В, які "евакуюються" клітинними контактами сустентоцітов (утворюють під основою статевої клітини новий контакт і резорбує старий). Сперматогонії В діляться мітотично, диференціюючись у сперматоцит I порядку, що вступає в мейоз.
У результаті першого поділу мейозу утворюються дві дочірні клітини сперматоціти другого порядку, кожен з яких містить гаплоїдний набір (23 у людини) d-хромосом. Вторинні сперматоціти розташовані ближче до просвіту канальця. У другому поділі мейозу утворюються дві сперматиди. Таким чином, в результаті поділу однієї сперматогонії утворюються чотири сперматиди, кожна з яких має гаплоїдний набором хромосом.
У ході складного процесу сперміогенез сперматиди диференціюються у зрілі сперматозоїди. Диференціюються сперматиди лежать в поглибленнях плазматичної мембрани клітин Сертолі. Під час сперміогенезу комплекс Гольджі формує акросому, що містить протеолітичні ферменти, які при контакті з яйцеклітиною розчиняють ділянку її блискучої оболонки (zona pellucida).
Складний процес сперматогенезу регулюється гонадотропними гормонами гіпофізу і стероїдними гормонами яєчка. Після статевого дозрівання гіпоталамус починає виділяти гонадотропний рилізинг-гормон, під впливом якого гіпофіз секретує фолікулостимулюючий гормон (ФСГ), що стимулює розвиток і функціонування клітини Сертолі і лютеїнізуючий гормон (ЛГ), що стимулює клітини Лейдіга до вироблення тестостерону. Тестостерон впливає на розвиток клітин Сертолі, а також на попередники статевих клітин (в асоціації з андроген-зв'язує білком, виділеним клітинами Сертолі).
Секреторна активність гіпофіза регулюється клітинами Сертолі і клітинами Лейтіга. Тестостерон, що виділяється клітинами Лейдіга пригнічує активність гіпофіза до вироблення ЛГ і ФСГ. Ингибин і естрадіол, що утворюється в клітинах Сертолі, пригнічують гіпофіз до вироблення ФСГ і клітини Лейдіга до вироблення тестостерону. Морфофункціональний стан яєчка регулюється гормонами аденогіпофіза - ФСГ і ЛГ, причому рівень гормонів постійний, є лише незначні коливання.
Мітоз форми мітозу
Поділ клітини — процес, у якому клітина, що називається материнською клітиною, ділиться на дві нові клітини, що називаються дочірніми клітинами. Поділ клітини — зазвичай маленький сегмент великого клітинного циклу. Протягом мейозу, проте, клітини істотно змінюються, і не повертаються до початкового стану.
Поділ клітини — біологічна основа життя. У випадку одноклітинних організмів, наприклад, амеби, один поділ клітини утворює повний організм. У випадку багатоклітинних організмів, поділ клітини також може створити потомство, наприклад, рослини, які виростають від пагона. Але важливіше, поділ клітини надає можливість статевого розмноження організмів з одноклітинної зиготи, яка сама утворюється в результаті поділу статевої клітини. І після виростання до дорослого стану, поділ клітин дозволяє безперервне оновлення і ремонт організму.
Першочергове завдання при поділі клітини — копіювання геному початкової клітини. Перед тим, як поділ зможе відбутися, інформація генома, збережена у хромосомах, повинна реплікуватися, а копії геному розподілитися між частинами клітини. Багато елементів клітинної інфраструктури залучаються до зберігання генетичної інформації між поколіннями.
Типи поділу клітини
Три типи поділу клітини
Клітини можна поділити на два класи: дещо простіші прокаріотичні клітини без клітинного ядра, і клітини еукаріотів, де генетична інформація міститься у клітинному ядрі. Через їхні структурні відмінності, поділ еукаріотичних і прокаріотичних клітини відрізняється.
Більш того, картина поділу клітини статевих клітин еукаріотів (коли статеві клітини, сперма у чоловіків та яйцеклітини у жінок, спочатку зливаються, утворюючи гамети), відрізняється від поділу соматичних клітин еукаріотів.
Біологічне значення мітозу полягає в тім, що він забезпечує сталість числа хромосом у всіх клітках організму. У процесі мітозу відбувається розподіл ДНК хромосом материнської клітки строго нарівно між виникаючими з її двома дочірніми клітками. У результаті мітозу всі клітки тіла, крім полових, одержують ту саму генетичну інформацію. Такі клітки називаються соматичними (від гречок. "сома" - тіло).
Мітохондрії та пластиди . Філогенез мітохондрій . Гіпотеза ендосимбіозу
Мітохондрії і пластиди, подібно до ядерної ДНК і на відміну від ДНК прокаріот, містять інтрони. Тобто деяка форма передачі генів між ядерним геномом і геномом органел повинна була мати місце (ймовірно органела ? ядеро ? органела) або, альтернативно, механізм для виключення частин ранньої прото-мітохондріальної/пластидної ДНК повинен був мати місце в ранніх ендосимбіонтах. 1. Мітохондрії: будова, функції, оновлення Мітохондрії (від грец. mitos - нитка і chondron - зерня) належать до енергопродукційної системи клітини і до мембранного типу органел. Виявлено, що ферменти циклу Кребса та дихального ланцюга окислювального фосфорилювання локалізуються в мітохондріях. Мітохондрії присутні в усіх еукаріотичних клітинах, за винятком окремих видів амеб та зрілих еритроцитів тварин. Гомологами мітохондрій у прокаріот є мезосоми (від грец. mesos - середній і soma - тіло) - складчасті випинання клітинної мембрани. Будова мітохондрій. Розрізняють видовжені (овальні або циліндричні), інколи розгалужені мітохондрії завдовжки 3–7 мкм і завтовшки 0,2–1 мкм та круглі (кулясті) діаметром 0,2–1 мкм. У мітохондріях енергетичний процес починається в матриксі, де відбувається розщеплення пірувату в циклі трикарбонових кислот. Під час цього процесу звільнюються атоми водню. Транспорт атомів водню здійснюється по ланцюгу НАДН ? ФАДН2 ? КоQН2, в якому виділяється його кінетична енергія у вигляді теплоти. Далі атом водню дисоціює на протон і електрон), які акцептуються коферментом нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД). Кількість мітохондрій у клітинах різних типів буває різною і залежить від енергетичних потреб клітини. Так, у печінкових клітинах налічують до 500 дрібних мітохондрій, тоді як у малих лімфоцитах крові їх всього декілька. Кількість крист у мітохондріях також пов’язана з енергетичними потребами клітини, зокрема в м’язових клітинах мітохондрії містять дуже велику кількість крист. При підвищеній функції клітини мітохондрії набувають більш овальної або видовженої форми і кількість крист у них зростає. 2. Пластиди Пластиди (від грец. plastos - утворений, виліплений, оформлений) - характерні для автотрофних еукаріот (рослин); належать до автопродукуючих органел, побудованих із плоских міхурців - тилакоїдів, в яких відбувається процес біосинтезу. Вони оточені двома ліпопротеїновими мембранами. Мають власну ДНК і трансляційний апарат. З огляду на роль, походження і забарвлення пластиди поділяють на декілька характерних груп. Субмікроскопічна будова хлоропласта. На внутрішній поверхні мембран тилакоїдів гран знаходяться численні грибоподібні утвори - квантосоми фотосинтетичного фосфорилювання. Мембрани тилакоїдів містять комплекси барвників, які забезпечують перетворення світлової енергії в хімічну і називаються фотосистемами. За хімічною природою хлорофіл - складний ефір двоосновної хлорофілової кислоти з двома спиртами (фітолом і метанолом). Розрізняють декілька видів хлорофілу (a,b,c,d, бактеріохлорофіл, бактеріовіредин). Крім хлорофілу в хлоропластах містяться пігменти з групи каротиноїдів, зокрема оранжево-жовтий - каротин і жовтий - ксантофіл. 3. Залозистий епітелій: будова, класифікація, функції У вищих тварин виділяють чотири типи тканин: 1. епітеліальну; 2. тканини внутрішнього середовища; 3. м'язову; 4. нервову. Епітеліальна тканина є „прикордонною” і покриває організм зовні, а також вистилає більшість порожнин і органи; входить до складу печінки, легень, різних залоз. Основні функції, виконувані епітеліальною тканиною: - захисна; - трофічна (живильна); - покривна; - секреторна; - дихальна; - видільна. За походженням всі типи епітеліальної тканини походять від епітеліальної тканини походять від ектодерми (епідерміс шкіри, ротової порожнини, частини стравоходу та деяких інших поверхонь, що контактують із зовнішнім середовищем та можуть зазнавати механічного впливу) та ентодерми (епітелій внутрішніх ділянок шлунково-кишкового тракту, легень, залозистий епітелій тощо). Внутрішній шар серця та кровоносних судин, який дуже схожий на одношаровий плоский епітелій, але має мезодермальне походження, отримав власну назву – ендотелій). Вживають також поняття "складні епітелії" - багатошарові покривні утворення, що утворюються епітелієм і сполучною тканиною, яка завжди під ним розташована та складається з аморфної речовини і волокон. Висновки За походженням всі типи епітеліальної тканини походять від епітеліальної тканини походять від ектодерми (епідерміс шкіри, ротової порожнини, частини стравоходу та деяких інших поверхонь, що контактують із зовнішнім середовищем та можуть зазнавати механічного впливу) та ентодерми (епітелій внутрішніх ділянок шлунково-кишкового тракту, легень, залозистий епітелій тощо). Основна функція залозистого епітелію – секреція (виділення) різних речовин. Утворення та виділення секрету в мерокринних залозах відбувається без порушення цілісності залозистих клітин. В апокринних залозах під час виділення секрету верхівка клітини разом з гранулою секрету відривається. У людини до таких залоз відносять молочні та деякі потові. Залози з голокринним типом секреції у хребетних тварин та людини трапляються рідко. До них відносять сальні залози. При виділенні секрету - сала (sebum) відбувається повне руйнування залозистих клітин.
Гіпотеза ендосимбіозу