07:42 

Goddess Of Ravens
Advocatus diaboli
28.05.2017 в 18:29
Пишет Royal Heart:

Биология клетки

10 лекций биолога Евгения Шеваля об устройстве и функционировании самой элементарной живой системы

Клетка является элементарной живой системой, изучением которой занимается несколько научных дисциплин. В рамках курса лекций "Биология клетки" будут освещены вопросы, касающиеся организации и функционирования клетки. В частности, речь пойдет о структуре клетки, особенностях формирования ее компонентов – органелл. Также будут рассмотрены механизмы размножения и гибели клеток, принципы формирования упорядоченных клеточных ансамблей – бактериальных пленок и тканей животных, процессы общения клеток, которые позволяют создавать многоклеточные организмы, внутри которых жизнь каждой клетки подчинена интересам целого.

Евгений Шеваль
доктор биологических наук, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ



Каково значение изучения клетки в биологии? Как развивалась клеточная биология? Какие существуют различия между эукариотами и прокариотами? И каково устройство клетки?.

Жизнь устроена достаточно сложно, но то, что ее создает, - это некая элементарная система – клетка. Клетка является основой жизни, и вне клетки жизни нет. Эта идея, может быть, не очень новая, но еще недавно ее пытались оспаривать. И сейчас ведутся разговоры, потому что существуют так называемые внеклеточные формы жизни: вирусы, прионы. Да, действительно, вроде бы вирус может "убежать" из клетки, но тем не менее это именно временный "побег". Некий набор генов убежал из клетки, но он должен вернуться для того, чтобы существовать вечно. Без клетки, вне клетки и с разрушением клетки жизнь прекращается. Жизнь – это клетка.

Все клетки можно разбить на два основных типа – это клетки прокариотные и эукариотные. Прокариотные – это доядерные формы жизни, эукариотные – настоящие ядерные организмы, к ним относимся и мы, люди. Принципиальное отличие только одно – то, каким образом в клетке организован геном. Либо геном существует, как бы «плавает» внутри клетки – как у прокариот, то есть у бактерий, сине-зеленых водорослей. Либо, как у эукариот, гены окружены определенной оболочкой и существуют в отдельном, структурно обособленном компартменте.

Человек, рядовой многоклеточный организм, - это сто миллиардов клеток. Они очень разные. Они образуют эти разные клетки в огромном количестве в упорядоченную, хорошо работающую систему. Для того чтобы создать этот многоклеточный организм, клетки должны были стать разными, чтобы одни выполняли одну функцию, а другие – другую. Одноклеточный организм, например, одноклеточная инфузория-туфелька, - очень сложно организованная клетка, которая одновременно и организм. Разные части этой клетки играют разную функцию. В многоклеточном организме уже разные клетки взяли на себя разные функции – клетки стали разными.

Плазматическая мембрана
Биолог Евгений Шеваль о клеточной стенке растений, целостности мембраны и цитотоксических T-лимфоцитах



Какие свойства мембраны обеспечивают постоянство среды внутри клетки? Как организм регулирует концентрацию воды? И какую функцию в организме выполняют цитотоксические T-лимфоциты? Об этом рассказывает кандидат биологических наук Евгений Шеваль.

Клетка отделена от окружающего ее пространства, которое для клетки обычно агрессивно и не благоприятствует прохождению жизненных процессов; она отделена тончайшей плазматической мембраной. Это очень тонкая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Это то, что фактически отделяет жизнь от не-жизни. Мембрана состоит из липидов, содержит некоторое количество белков и по свойствам несколько напоминает мыльный пузырь.

Если поместить клетку в раствор, в котором будет больше соли, чем внутри клетки, то вода из клетки начнет буквально отсасываться, потому что ее концентрация больше в клетке и меньше вне клетки. Этот эксперимент часто ставят с достаточно распространенным аквариумным растением элодеей. Листок элодеи очень тонкий, и если опустить его в солевой раствор, то клетки буквально сжимаются. Наоборот, если поместить клетку в раствор, где очень много воды, клетка начнет набухать, потому что в нее поступает вода, - вплоть до того, что она может лопнуть.

Если лишить мембрану целостности – сделать в ней нанометровую дырку, через которую будут свободно проходить вода, ионы, то эта клетка обречена. Кстати, это свойство организмы научились использовать, потому что иногда клетку надо убить. В человеческом организме есть специальные клетки, цитотоксические T-лимфоциты, которые, в частности, отвечают за то, чтобы убивать клетки, которые организму не нужны. Это может быть клетка, в которой в этот момент размножается вирус, или чужеродная клетка – например, трансплантирован какой-либо орган, - естественно, для организма это нечто чужеродное, и такие клетки надо убить.

Клеточные органеллы
Биолог Евгений Шеваль об основных частях клетки и информации в клетке, клеточном конвейере и неизвестном в клетках



Из каких основных частей состоит клетка? Как происходит синтез белка в клетке? И какое значение имеют различные органеллы?
Клетка, которая является одной из важнейших биологических систем, устроена очень сложно. Она выполняет массу функций, в ней идет масса процессов. Можно сказать, что практически каждый год открываются новые органеллы – структурные части клетки. Они могут быть более важными, могут быть менее важными, но их постоянно открывают.

Органелла – это элементарная субструктура внутри клетки, которая выполняет определенную функцию. Есть две основные части клетки, которые можно назвать органеллами, - это ядро и цитоплазма. Ядро содержит молекулы ДНК, то есть гены, а цитоплазма в основном обслуживает эти гены. Если ядро и цитоплазма большие, есть еще одна очень маленькая часть клетки – поверхностная мембрана, которая находится на поверхности клетки. Это тончайшая мембрана (10 нанометров), тонкая пленка, которая ограничивает внутреннее пространство клетки.

Существуют сложные клетки, в которых много функционирующих органелл, – мы хорошо знаем это и изучаем их. Это важно, поскольку большинство болезней, с которыми человек сталкивается, появляются из-за того, что что-либо "сломалось" в клетке. Если мы знаем, что "сломалось", мы всегда можем вмешаться: починить или, наоборот: иногда надо что-то "сломать", чтобы вылечить ту или иную болезнь. Как формируется эта сложная система? Клетка - не дом, нет никакой проектной документации, никакого умного "прораба". Клетки просто из поколения в поколение в течение миллиардов лет существуют и формируются. Понять, как это происходит, – сейчас задача номер один.

Компактизованный геном



Совокупность генетической информации клетки, ее геном, является наиболее важной ее частью, которая определенным образом должна быть организована, чтобы, с одной стороны, проходили процессы, которые позволят ей поддерживать свое существование; с другой стороны, она должна регулярно удваиваться, чтобы потом делиться надвое и передаваться из поколения в поколение.

В обычной клетке человека содержится 46 хромосом, то есть 46 молекул ДНК. Молекула ДНК тоненькая, ее толщина составляет два нанометра, но длинная: в сумме в одной клетке находится примерно 180 см - если выставить их в один ряд - молекул ДНК. Одна хромосома, хорошенькая и маленькая - это примерно 4 см ДНК. Получается, что крохотная хромосома, тем не менее, содержит очень тонкую, но длинную молекулу, которая должна потом стать компактнее. В клетке существует именно компактизованный геном.

В свое время оказалось, что в ядре, где «накиданы» молекулы, они не перемешаны хаотически, но по-прежнему занимают каждая свою зону. Эти зоны были названы хромосомными территориями. Их активно изучали: оказалось, что есть некоторые неслучайности. Например, если в хромосоме много генов, которые работают в данном типе клеток, из них идет синтез РНК, то есть, если в хромосоме много работающего материала, она находится где-то в центре ядра. Если же в хромосоме мало работающих генов, она, как правило, лежит на периферии ядра, на ядерной оболочке.

Живая клетка



Как традиционно в клеточной биологии изучали клетку? Почему так важно понимание её функционирования? В чем сложность исследования живой клетки? Как флуоресцентные белки помогли изучению её на молекулярном уровне?
Традиционно считается, что биология — старая наука. Она появилась, когда не было еще никакой биохимии, да и химии еще толком не было. Клеточная биология еще зарождалась, и изучались мертвые клетки. Чтобы посмотреть на клетку, ее фиксировали — наносили специальные вещества, которые останавливают все процессы. На основании таких наблюдений была составлена картина, в целом правильная, но статичная. По статичной картине мы можем сказать, как, например, устроен дом, но, как в нем живут люди, сказать нельзя, потому что они ходят, приезжают, уезжают. То же самое и в клетке.


В 2000 году в США, в Национальном институте здоровья, выяснили, что белки в клетке движутся с сумасшедшей скоростью. Сначала никто не обратил внимания, потом никто не поверил, затем все сказали: «Гениально!» Это действительно заставляет пересмотреть все, что мы думаем об устройстве клетки. Это уже не стабильная клетка, устроенная, как машина, в которой все на своем месте, все логично и правильно. Молекула постоянно двигается. Она не находится всегда там, где ей нужно работать. Она «поработала» и уходит из того места, где ей нужно находиться, начинает двигаться по всей клетке. Получается хаос, случайное движение.

В настоящий момент все ищут, но пока никто не нашел способов направленной доставки молекул в конкретную точку ядра. Белки «бегают», тем не менее из этого молекулярного хаоса складывается эффективно работающая клетка. Клетка достаточно сложно устроена. Как из хаоса молекул возникает порядок более высокого уровня — это сейчас один из главных вопросов для тех, кто занимается структурой клетки.

Размножение клеток



В чем сложность сегрегации геномов? Как работают белковые моторы? С какими опасностями связан процесс построения новой клетки?
Размножение клетки содержит два главных события. Первое событие это редупликация (или репликация) генетической информации, то есть удвоение молекулы ДНК. В ходе этого процесса молекула ДНК, которая содержит генетическую информацию довольно точно, с небольшими ошибками, конечно, копируется, и мы получаем две идентичные молекулы ДНК. Дальше следует второй процесс, который должен произойти. Между ними должна произойти сегрегация генома. Эти две элементарных копии генома должны разойтись, и на их основе должны сформироваться две новые клетки.

С микротрубочками связаны специальные белки, которые называются "моторы", которые умеют по микротрубочкам ходить. Тут важно, что микротрубочки полярны. Тот конец, который связан с центриолью, называется "минус-концом", конец, торчащий от центриоли, называется "плюс-кольцом", он должен потом соединиться с хромосомой. Моторы ходят либо в одну сторону, либо в другую сторону, соответственно, они могут, например, двигать эти центриоли, связывать микротрубочки друг с другом.

Многочисленные очень тяжелые болезни, связанные с аномалиями количества хромосом, могут быть вызваны именно проблемами митоза. Это многие генетические заболевания, рак. Процесс очень опасный. Тем не менее, именно таким случайным образом, с очень высокой вероятностью, создается упорядоченная система.

Общение клеток



Как нервные клетки передают информацию? Какими способами могут общаться клетки? Какие химические вещества участвуют в этом общении? И как работает иммунная система?

Клетки в многоклеточном организме «понимают» свое окружение, они дают информацию о себе, и их функционирование скоррелировано. Например, клетка мозга понимает, что делает клетка кожи или клетка языка: постоянно идет координация усилий, чтобы организм был целостным. Эти механизмы по общению клеток, по тому, как они отдают и получают сигналы, очень сильно развились по мере эволюции многоклеточных организмов.

Нервные клетки умеют получать информацию о том, что происходит во внешней среде, передавать электрический импульс по своей мембране в мозг, обрабатывать его, возвращать обратно и отдавать сигнал мышце. Например, сигнал о том, что нужно отдернуть руку от огня. Они выделяют вещество, которое называется нейромедиатор. Он взаимодействует со следующей нервной клеткой, в ней появляется нервный импульс, распространяется, приходит к следующей клетке и так далее.

В ходе эволюции клетки научились узнавать не только те факторы, которые клетка выделила, но и то, что происходит внутри соседних клеток. Это делает иммунная система. Она постоянно проверяет, что происходит внутри клеток. Обычная клетка неопасна для организма, но ведь это может быть клетка, которая заражена вирусом, или опухолевая клетка, которая опасна. Поэтому клетки должны постоянно узнавать, что происходит с их «соседями».

Гибель клеток



Как протекает процесс апоптоза? Какие ферменты отвечают за смерть клеток? Какие существуют пути развития программы апоптоза? И какое прикладное значение имеют исследования программируемой клеточной смерти?
В многоклеточном организме большая часть клеток не живет на протяжении всей жизни этого организма. Есть, конечно, нейроны, которые живут всю жизнь, как они сформировались в младенчестве, так они потом и существуют. Большинство клеток живет какое-то определенное время, а потом умирает. Процесс смерти очень сложный, упорядоченный и должен проходить интеллигентно.

Клетка не может просто умереть, распасться, потому что тогда продукты распада будут разрушать все вокруг. Она должна умереть так, чтобы не повредить окружающим клеткам. Поэтому процесс гибели клеток очень жестко запрограммирован. Есть специальные белки, с помощью которых клетка сама себя очень интеллигентно убивает. Процесс гибели клеток обычно называется "программируемая клеточная гибель".

Существует несколько вариантов программируемой клеточной гибели. Наиболее изучен в настоящее время процесс, который называется "апоптоз". Главная особенность апоптоза заключается в том, что в ядре происходит компактизация хроматина. Клетка не набухает, она, наоборот, немного сжимается, потом разваливается на небольшие фрагменты, и эти фрагменты захватываются специальными клетками, макрофагами, которые переваривают остатки погибшей клетки.

Межклеточное вещество



На что клетка тратит энергию? Из чего состоит межклеточное вещество? Что обеспечивает прочность ткани?
Произошел переход от доядерных, то есть прокариотических, форм (бактерии, архебактерии) к эукариотам (животные, растения, все остальные). Появление ядра позволило резко увеличить размер клетки. Соответственно, эукариоты прекрасно едят прокариот. Это было эволюционно очень важное событие. Эукариоты получили новый шанс, заняли новые экологические ниши. Прокариоты потом научились бороться с ними, даже бытует мнение, что человек — это всего лишь питательный бульон для чумной палочки.

Важную роль играют волокна, потому что ткани надо придать прочность. Прежде всего это коллагеновые волокна. Их на самом деле очень много, и они активно изучаются. Коллаген — это самый распространенный белок человеческого организма. Если взять просто сухую массу, примерно треть наших белков — это коллаген. Его может быть в ткани меньше, тогда она будет менее прочной, может быть больше, тогда ткань будет более прочной.

Кость — это абсолютно живая ткань, в ней есть специальные клетки, которые создают межклеточное вещество. Оно содержит огромное количество коллагена.

Ткани животных



Какие существуют типы тканей в многоклеточном организме? Каковы функции эпителия? Что представляют собой мышечные клетки? И как происходит гибель клеток?
Все типы клеток (у человека их больше 200) можно разложить в определенные комплексы, которые они формируют, - ткани. Тканей в многоклеточном организме на самом деле не так много, потому что существуют четкие функции, которые в этом организме должны быть выполнены. Формально говоря, их четыре. Что такое многоклеточный организм с точки зрения клеток? Это мешок, внутри которого клетки чувствуют себя комфортно. И первый тип ткани, который клетки должны создать, - тот, что отделит их от внешней среды.

Ткани внутренней среды, вырабатывая определенное межклеточное вещество, могут превратиться, например, в хрящ, кость. Появляются различные функции - питательная, амортизирующая, скелетная. В ходе эволюции сформировались 2 типа тканей, которые отвечают за специальные функции. Это мышечная и нервная ткани. Эти ткани устроены наиболее интересно. Нервная ткань - это не только клетки, которые передают нервные импульсы, но и целый ряд эндокринных желез. Нервные клетки способны выделять различные вещества, которые нужны для передачи сигнала между клетками, эти же вещества могут быть использованы как гормоны.

Основной тип клеток крови - эритроциты (красные кровяные тельца) - обновляется три раза за год. Этот процесс должен проходить очень аккуратно, чтобы не вызвать воспаление. Клетка умирает апоптозом, программируемым способом, распадается на кусочки. В организме есть клетки, которые, как падальщики, бегают по всему организму и съедают все, что погибло.

URL записи

@темы: чужое и прекрасное, медицина

URL
   

Всё проходит.

главная