«Зомби-клетки» внутри нас
В вашем теле живут клетки-зомби. Они не совсем мёртвые. Такие клетки скорее живые, но они больше не делятся и могут свою «зомби-сущность» передавать соседям. И соседние клетки тоже превращаются в зомби! Зомби-клетки повышают риск рака и разных других заболеваний — например, артеросклероза. Сейчас учёные активно думают о том, как от таких клеток избавиться. Однако есть нюанс: наши внутренние «зомби» выполняют и полезные функции.
Учёные называют «зомби» сенесцентными клетками. И накопление этого типа клеток в нашем организме — очень важный элемент человеческого старения. Говоря простым языком, сенесцентные клетки — это клетки, которые ранее обладали способностью делиться, но из-за накопления разных повреждений делиться больше не могут. Обычно количество «зомби» с возрастом увеличивается. Из-за этого появляются разные старческие заболевания, возникает боль в суставах, нарушения когнитивных функций, системные воспаления и так далее.
Откуда в нашем теле берутся сенесцентные клетки? Это точно не старые клетки — некоторые «зомби» образуются ещё на стадии эмбрионального развития. Чаще всего сенесцентные клетки, вызывающие заболевания, появляются из-за ошибок, мутаций в ДНК и иных повреждений. Клетка, в которой накопилось много повреждений, выходит из клеточного цикла и как бы говорит: «Всё, я дальше делиться не буду». А ещё «зомби» сигнализируют о своём состоянии иммунной системе, выбрасывая провоспалительные факторы. На эти факторы «приходит» иммунная система и некоторые сенесцентные клетки утилизирует.
Ещё «зомби» могут образовываться из-за повышенной активности отдельных генов. Например, когда клетка подозревает, что может стать раковой, она превращается в сенесцентную. И это хорошо! А сейчас приведу пример, который всем понятен — родинки. Наверняка мои читатели слышали про меланому — рак кожи. Родинки — это не меланома, но в родинках клетки начинают очень активно делиться. Затем в них включается механизм сенесценции — и они делиться перестают. И родинка оказывается «зафиксированной» в своём размере и не превращается в раковую опухоль.
Важно сказать, что сенесцентные клетки могут быть очень разными как по происхождению, так и по свойствам. Поэтому некоторые учёные очень скептично относятся к термину «сенесцентные клетки» — ведь не всегда понятно, какие именно клетки имеются в виду. Интуитивно может показаться, что, раз клетка перестала делиться, значит, в ней что-то сломалось. Но на самом деле «зомби» — это клетки, в которых сработал специальный и целенаправленный механизм, который ограничивает клеточное деление. Так задумано — это не случайная поломка. Это, скорее всего, специальная «поломка» ради предотвращения онкологического заболевания.
Когда клетка сильно повреждается и не может эти повреждения исправить, у неё есть две опции. Первая — запрограммированная клеточная смерть, самоубийство клетки или апоптоз. Вторая — превращение в «зомби». Во втором случае клетка выживает, но перестаёт делиться.
Перед тем как выбрать одну из двух опций клетка пытается себя починить. Когда в клетке повреждается ДНК, включается огромное количество механизмов «репарации». Активируются разные белки, которые пытаются это дело исправить. Однако, если ошибку устранить не получается, клетке приходится выбирать одну из двух упомянутых опций.
Существует по меньшей мере четыре вида сенесценции:
Репликативное старение. У большинства клеток есть встроенный ограничитель делений — предел Хейфлика. При каждом делении кончики хромосом — теломеры — укорачиваются. И через 40-60 делений клетка перестаёт делиться — это и есть репликативное старение. Это старение особенно распространено у крупных видов животных — в частности, у человека;
Сенестенция, вызванная стрессом. Здесь речь идёт не о депрессии, а о том, что клетка может повреждаться из-за ультрафиолетового излучения, ионизирующей радиации, активных форм кислорода и так далее. В результате клетка перестаёт делиться;
Сенесценция, вызванная онкогенами. Онкогены — это гены, чья повышенная активность увеличивает риск рака. Если клетка «замечает» онкогены, то перестаёт делиться;
Сенесценция эмбрионального развития. У человека есть разные эмбриональные структуры, которые не должны чересчур разрастись в утробе. А некоторые структуры даже должны исчезнуть совсем — например, плавники и хвостик у зародыша. Благодаря сенесцентному механизму младенцы появляются на свет без хвоста!
В общем, сенесценция — это довольно нужно и важно. И всё же есть учёные, которые называют сенесцентные клетки «зомби» и считают, что от некоторых из них нужно избавляться — чтобы победить старение.
Итак, у сенесценции есть плюсы и минусы. Сначала расскажу о плюсах. Благодаря «зомби» организм предотвращает появление некоторых онкологических заболеваний. Учёные создавали ГМ-животных с отключенным геном p16. p16 — один из ключевых генов, запускающих сенесцентность. В результате подопытные массово страдали от рака. То есть полностью сенесценцию отключать нельзя! Кроме того, учёные выяснили, что «зомби» иногда помогают регенерировать ткани кожи и мышц. А сенесценция клеток поджелудочной железы может увеличивать выработку инсулина. Сенесценция же клеток печени предотвращает цирроз. В общем, «зомби» делают массу всего полезного. Кстати, такие «зомби» встречаются даже у сверхдолгожителей — голых землекопов.
При этом сенесцентные клетки обладают и рядом «недостатков». Так, с возрастом в нашем теле накапливается очень много «зомби». Особенно опасны клетки, ставшие «зомби» из-за повреждений в ДНК. Они начинают производить молекулы, которые могут вызывать хронические воспаления в тканях вокруг. Так, есть очень важная провоспалительная молекула — интерлейкин-6. Она нужна для коммуникации клеток между собой. Интерлейкин-6 активирует высокую температуру при заболеваниях, влияет на исход некоторых видов рака... Когда клетки перестают делиться из-за сенесценции, порой они начинают производить в 40 раз больше интерлейкина-6. От этого могут повреждаться соседние клетки — и у них тоже включается сенесценция. Происходит цепная реакция.
И ещё один момент: в нашем теле есть «спящие» эндогенные вирусы, которые изначально встроены в наш геном. Они попали туда в ходе эволюции и зашифрованы прямо в нашей ДНК. Так вот, в норме особые клеточные механизмы подавляют вирусы и не дают им сделать ничего плохого. Однако, как показало недавнее исследование, «зомби» не подавляют такие эндогенные вирусы. И в итоге клетка собирает из своего же генома вирусные частицы и заражает ими здоровые клетки. Заражённые клетки, в свою очередь, тоже становятся сенесцентными. Но всё не так плохо: авторы упомянутого исследования создали антитела против вирусных частиц — и остановили заражение.
Но всё же сенесцентные клетки опасны в первую очередь из-за хронического воспаления, которое они вызывают. Инфекции в организме нет, а воспаление есть. И иммунитет борется, по сути, с самим организмом. В итоге из-за хронического системного воспаления возникают артрит, атеросклероз и прочие неприятные «старческие» заболевания. Иногда из-за воспаления возникает рак, деменция, болезнь почек, депрессия. А ещё выраженность системного хронического воспаления очень неплохо предсказывает вероятности смерти человека.
Откуда мы знаем, что сенесцентные клетки существуют и работают? Надо признать: есть учёные, которые скептически относятся к концепции сенесцентных клеток. Как минимум потому, что «зомби» трудно дать точное определение — уж очень разными они бывают. Но одна команда исследователей провела эксперимент, показавший «работоспособность» сенесцентных клеток. Итак, учёные взяли клетки эпителия в предраковом состоянии — в них уже «назрели» мутации, вызывающие рак. Потом эти предраковые клетки исследователи смешали либо с сенесцентными клетками, либо с обычными, несенесцентными, которые могут делиться. А дальше ввели и первую, и вторую смесь подопытным грызунам. Оказалось, что при введении смеси из предраковых и сенесцентных клеток повышается и риск появления рака, и скорость роста опухоли. А при введении другой смеси — с нормальными клетками — таких страшных последствий не наблюдалось.
Считается, что рак — это результат мутаций в клетках. Но на самом деле на успешность и активность раковой клетки влияют ещё и соседние клетки. И если рядом с потенциально мутантной раковой клеткой находятся сенесцентные клетки, шанс развития рака повышается.
Другая команда учёных поставила ещё один опыт — взяла свиные клетки и превратила часть из них с помощью радиации в сенесцентные. Затем и нормальные клетки, и «зомби» исследователи перенесли в почки молодых мышей. Выяснилось, что из-за сенесцентных клеток у грызунов начали возникать фиброзы, воспаления и различные повреждения почек. Похожий опыт провела ещё одна группа учёных: они брали из жировой ткани мышек как сенесцентные, так и нормальные клетки, которые способны делиться. Далее специалисты понемногу пересаживали клетки другим грызунам. Выяснилось, что мышки, которым подсаживали «зомби-клетки», начали проявлять признаки старения — они хуже бегали, становились слабее. Чем больше грызун получал сенесцентных клеток, тем дряхлее он становился. В ходе эксперимента учёные выяснили, что 1 сенесцентная клетка на 10 000 нормальных примерно в 5 раз увеличивает риск смерти.
Что же делать — избавляться от «зомби» или нет? Видимо, надо оставить механизм сенесценции в покое — но при этом можно устранять уже получившиеся «зомби» по мере их накопления. Как это сделать? Наши гены должны активироваться в определённых условиях. Поэтому у каждого гена есть регуляторный участок, который «говорит», где именно и в каких условиях ген будет работать (пример такого участка — промотор, который находится перед началом гена и показывает, с какого места его «считывать»). Так мы можем «подсмотреть», какие гены активируются в сенесцентных клетках. В общем, учёные выяснили, что у существенной части сенесцентных клеток их сенесцентность запускалась уже упомянутым геном p16. У p16, как и у любого другого гена, есть промотор — вот его-то и можно «приделать» к другому гену. Тогда при «запуске» p16 параллельно запустится и тот второй ген. А теперь фокус: приклеиваем промотор p16 к гену, который запускает запрограммированную смерть клетки! Тогда в момент, когда клетка по какой-то причине «решит» стать сенесцентной, она тут же себя и убьёт.
А можно пойти ещё более хитрым путём. Например, сделать так, чтобы наш дополнительный ген, к которому мы приклеили промотор от p16, срабатывал бы только при наличии синтетического вещества, которого не бывает в организме человека. То есть, когда мышке или человеку вводят это секретное вещество, все клетки, где активен p16, убьются. Так исчезнут клетки с повреждённой ДНК, которые больше не делятся. Но будет ли такая «зачистка» полезна для здоровья?
Учёные выяснили, что да, «зачистка» скорее полезна. Исследователи в ходе своего эксперимента удаляли сенесцентные клетки у ГМ-мышей — и продолжительность жизни грызунов немного выросла! При этом животные выглядели моложе сверстников и были более активными, любознательными и бодрыми. Это круто — получается, удаление сенесцентных клеток поможет в борьбе со старением.
Но, увы, такая генная терапия должна происходить до рождения — а мы с вами взрослые люди, нас в эмбриональное состояние уже не вернуть. Что же нам делать? Как избавиться от вредных клеток? Хорошие новости: уже разработаны препараты — сенолитики — которые могут уничтожить некоторые типы сенесцентных клеток. По крайней мере, так показали опыты на животных. Так вот, самая известная комбинация сенолитиков — это дазатиниб и кверцетин. Дазатиниб — это вообще лекарство от рака и опухолей. А кверцетин — это природное вещество, которое достаточно часто встречается в продуктах питания. Исследования показали, что кверцетин усиливает действие дазатиниба.
Я уже описывал эксперимент, авторы которого пересаживали мышам сенесцентные клетки из жировой ткани. Так вот, в той работе учёные брали клетки у ГМ-доноров со светящимися клетками. Клетки доноров отличались от клеток реципиентов, их можно было легко увидеть под микроскопом. В ходе опыта реципиентам давали дазатиниб и кверцетин — и выяснилось, что сенолитики устраняли светящихся «зомби», но не устраняли нормальные светящиеся клетки. А ещё учёные поставили дополнительный эксперимент на старых мышах, чей возраст примерно эквивалентентен возрасту 80-летних стариков. Им давали те же дазатиниб и кверцетин. «С момента лечения продолжительность жизни мышей увеличилась на 36%», — резюмировали авторы статьи. Но на самом деле старые мышки просто чуть-чуть дольше протянули.
Другие учёные показали, что дазатиниб и кверцетин замедляют старение лёгких у мышей. А ещё одни исследователи поставили эксперимент на людях — правда, людей было всего 9, то есть выборка оказалась ничтожно мала. Тем не менее, учёные заявили, что сенолитики снизили число «зомби» в тканях. А вот как препараты повлияли на продолжительность жизни, непонятно — люди, в отличие от мышей, слишком долго живут, на них такие эксперименты ставить сложно.
Кроме микса из дазатиниба и кверцетина, существуют и другие сенолитики. Например, популярен экспериментальный препарат навитоклакс — тоже средство против рака. Вы, наверное, спросите: как противоопухолевое лекарство от рака помогает против сенесцентных клеток? Ведь раковые клетки суперактивно делятся, а «зомби» не делятся вовсе. Но у этих двух типов клеток есть нечто общее — у них постоянно включены «сигналы об ошибке», о повреждениях. Правда, «зомби» в ответ на сигнал перестают делиться, а раковые клетки сигнал игнорируют и очень активно делятся.
В одной работе учёные исследовали сенесцентные клетки в сердцах грызунов. Да-да, в сердце тоже могут появляться «зомби» — это приводит к фиброзу и гипертрофии сердца, что увеличивает риск внезапной смерти. В общем, учёные вызывали инфаркт у мышей. И выяснили, что старые 23-месячные грызуны, которым ранее давали навитоклакс, выздоравливали после инфаркта как 3-месячные мышки. Это как если бы 70-летний старик отошёл от инфаркта как подросток.
К сожалению, у сенолитиков есть побочные эффекты — в частности, малоприятный кашель с кровью. А теперь — к хорошим новостям:
Для борьбы с «зомби» нужны не такие высокие дозировки, как для борьбы с раком;
Сенолитики можно принимать не постоянно, а курсами: попил, а потом дальше живёшь и «копишь» своих «зомби» лет 10-20;
Есть такой сенолитик — квертицин — который идёт в комбо с дазатинибом и почти не имеет побочек. Сам по себе это флавоноид, которого много в разных фруктах и овощах, особенно в каперсах. Правда, есть овощи ради кверцитина бесполезно: чтобы получить нужное количество вещества, придётся есть по полкило каперсов в день. Что делает кверцитин? Он подавляет белок, который не даёт клетке убить себя, говорит ей «Живи!» Грубо говоря, этот белок как психотерапевт. А кверцитин приходит и убивает психотерапевта, а клетка такая: «Всё, не хочу больше жить».
Сейчас много хайпа вокруг ещё одного сенолитика — физетина. Он тоже встречается в разных фруктах и овощах — в яблоках, огурцах, луке, винограде. Биохакеры очень любят кушать физетин! Но есть нюанс. Существует научная программа тестирования интервенций — Interventions Testing Program. Она беспристрастно испытывает всякие средства против старения — три разных лаборатории в США независимо тестируют предлагаемые способы на мышах, самцах и самках. В общем, согласно Interventions Testing Program, физетин жизнь не продлевает.
Но вообще, даже если физетин или другой сенолитик работает на мышах, это не значит, что он будет работать и на нас с вами. Из 100 препаратов, которые работают на грызунах, лишь 10 оказываются эффективными на людях. Так что ждём исследований сенолитиков на людях — чтобы понять, какие из них работают — и работают без серьёзных побочных эффектов.
У нас есть часть тела, где клетки вообще не делятся — это наш мозг. Да-да, нейроны делиться не умеют, а ещё они с годами могут ухудшаться и дряхлеть. У дряхлых нейронов может, например, уменьшаться объём митохондрий. А ещё стареющие нейроны могут выделять интерлейкин-6. А значит, вызывать старческое хроническое воспаление в мозге. То же самое может происходить и с клетками, которые питают и берегут нейроны — например, с астроцитами. И даже у стволовых клеток может случаться сентенция!
В общем, кажется, дела плохи: в нашем мозге, скорее всего, с возрастом настанет старческое хроническое воспаление. Кстати, были опыты, в ходе которых в мозг мышам вводили интерлейкин-6 — и это приводило к ухудшению когнитивных функций грызунов. А ещё учёные знают, что у пациентов с Паркинсоном и Альцгеймером в спинномозговой жидкости находится много противовоспалительных маркёров.
Учёные исследовали влияние сенолитиков на мозг мышей. Оказалось, что сенолитики могут избирательно устранять «сенесцентноподобные» нейроны — повреждённые нейроны, которые вызывают воспаления. И в итоге у грызунов после устранения «проблемных» нейронов улучшились когнитивные способности. Вывод тут простой: лучше потерять немного повреждённых нейронов сегодня, но предотвратить воспаление и сохранить гораздо большее количество здоровых нейронов завтра.
Но всё же пока учёные не знают точно, стоит ли избавляться от «зомби» с помощью лекарств, предназначенных для лечения рака. А ещё устранение сенесцентных клеток — не панацея от старости, ведь «зомби» — лишь один из симптомов этого неприятного процесса. У старения больше дюжины причин!
Тем не менее, обращать внимание на сенесцентные клетки важно, потому что они приводят к системным воспалениям, а такие воспаления — сильный предсказатель смертности у людей. Недаром есть исследование: у людей, которые прожили больше 110 лет, гораздо ниже уровни маркеров воспаления — таких как интерлейкин-6. И это не совпадение. Так что продолжаем изучать сенолитики!
Напоследок расскажу про недавние эксперименты на мушках-дрозофилах. Авторы работы решили объединить два метода продления жизни:
Они удаляли «зомби»;
А ещё омолаживали другие клетки организма с помощью факторов Яманаки, превращая их в стволовые — чтобы они активнее делились и восполняли удалённые дряхлые клетки.
Учёные пришли к выводу, что вместе эти два способа дали результат лучше, чем использование лишь одного метода. Это в очередной раз говорит о том, что старение — это множество разных процессов. И чтобы его победить, нужно использовать одновременно разные методы — чинить митохондрии, увеличивать число стволовых клеток и уменьшать число «зомби», удлинять теломеразу и устранять мутации. Думаю, в будущем возникнет комбинированная терапия против старения — и люди будут жить значительно дольше, чем сейчас.
Кинезин - моторный белок
В этом ролике показан кинезин - моторный белок, который перемещает молекулы по клетке. Он питается АТФ и перемещает молекулы по микротрубочкам со скоростью 2000 нм/с.
источник https://t.me/mir_teh/1465
Как подготовить машину к долгой поездке
Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.
Справочник по теме "Основы цитологии"
ГЛАВА I . Химический состав клетки
1.1 Химические элементы в составе клетки
Химические элементы, входящие в состав клетки, подразделяются на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Всего в состав клетки входят около 60 химических элементов. Они в свою очередь образуют вещества клетки. Различают неорганические и органические вещества. В состав неорганических веществ не входит углерод, кроме СО, СО2, Н2СО3, и карбонатов. В клетке неорганические вещества представлены водой (до 98%), солями минеральных кислот, а также соответствующими анионами и катионами (1%).
Макроэлементы (кислород, углерод, водород) входят в состав всех органических веществ клетки и воды, они составляют до 62%, фосфор входит в состав ДНК, АТФ, ферментов, костной ткани и эмали зубов, содержание его в организме 1%; катион кальция входит в состав оболочки клетки у растений, в состав костей и зубов у животных, также он участвует в свертываемости крови, его бывает до 2,5%.
Микроэлементы (сера, катионы калия и натрия и другие). Сера входит в состав белков, витаминов и ферментов, ее содержится 0,01-1%; катионы калия и натрия участвуют в проведении нервного импульса, поддерживают осмотическое давление в клетке, стимулируют синтез гормонов, их содержание по 0,25%; катион магния (0,1%) входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК и энергетический обмен; катион железа входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активизирует деятельность ферментов (0,07%). Анион хлора (0,2%) является компонентом желудочного сока, а анион йода (0,1%) - обязательным компонентом гормона тироксина (щитовидная железа).
Ульрамикроэлементы (менее 0,01%) участвуют в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализируют внутриклеточные окислительные процессы. Катионы меди и марганца повышают урожайность растений, активизируют процессы фотосинтеза и кроветворения; анионы бора влияют на ростовые процессы растений; анионы фтора входят в состав эмали зубов.
Неорганических веществ (в основном воды) в организме содержится 20-98%. Вода является источником кислорода и водорода при фотосинтезе, универсальным растворителем, терморегулятором клетки и организма в целом, стабилизатором структур клетки благодаря полярности молекул, транспортером веществ, осморегулятором; обеспечивает ряд физических свойств клетки: упругость, тургор, объем.
1.2 Основные органические вещества и их функции
Соединения, в состав которых входит углерод, называют органическими веществами. В живых клетках органические вещества представлены белками (10-20%), липидами (1-5%), углеводами (0,2-2,0%). нуклеиновыми и другими органическими кислотами(0.1-0.5%).
Липиды - это сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительный остаток фосфорной кислоты Различают простые липиды (нейтральный жир и воск), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, липопротенды) и стеронды. Липиды обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью. Они выполняют следующие функции:
1) структурная (совместно с белками входят в состав мембран, обеспечивают их полупроницаемость);
2) регуляторная (некоторые гормоны имеют липидную природу);
3) защитная (сохранение тепла, защитный каркас для внутренних органов; подкожный жир обеспечивает эластичность);
4) источник воды для животных организмов;
5) компонент витаминов (D, Е), растительных пигментов;
6) форма депонирования энергии (1 г жира дает39 кЛж или 9,5 ккал энергии).
Углеводы - это моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза), хорошо растворимые в воде и сладкие на вкус, дисахариды (сахароза, мальтоза, солодовый сахар), хорошо растворимые в воле и сладкие на вкус, и полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген), плохо растворимые или нерастворимые в воде. Их функции:
1) энергетическая - 1 г глюкозы дает 17,1 кДж(4,2 ккал) энергии;
2) компоненты ДНК, РНК и АТФ;
3) запасное питательное вещество (гликоген и крахмал);
4) строительная (целлюлоза - оболочка растительной клетки).
Белки - это биополимеры, в роли мономеров выступают 20 аминокислот. Растения синтезируют все аминокислоты, животные - только часть. Те аминокислоты, которые не синтезируются животной клеткой, называются незаменимыми, они должны поступать с пищей.
В воде белки плохо растворяются. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию.
Белки выполняют следующие функции:
1) каталитическая (ферменты: амилаза, пепсин, трипсин и др.);
2) транспортная - перенос веществ (гемоглобин, вещества-переносчики);
3)защитная-связывание молекул чужеродных веществ (антитела, иммуноглобулины, интерферон);
4) регуляторная (гормоны белковой природы: инсулин, глюкагон и др.);
5) сократительная (белки мышц: актин и миозин):
6) структурная (белки шерсти, шелка);
7) энергетическая (при окислении 1 г белка з 17,1 кДж или 4,2 ккал);
8) рецепторная, или сигнальная (родопсин).
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - это биополимеры, мономерами являются нуклеотиды. Состав нуклеотида: рибоза или дезоксирибоза, азотистое основание - аденин, гуанин, цитозин, тимин, ура-цил, остаток Н3PO4. Могут быть представлены двойной спиралью (ДНК) либо Одной цепью (РНК). Образуют хромосомы (ДНК). Строит тело рибосомы (РНК). Молекула ДНК способна к денатурации. Их функции состоят в хранении и передаче наследственной информации, генетического кода, также они участвуют в биосинтезе белка.
АТФ (аденинотрифосфат) - это особый нуклеотид. Молекула состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. АТФ принадлежит важнейшая роль в энергетике клетки, ее молекулы обеспечивают энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу, активный транспорт, поддержание температуры и т. п.
ГЛАВА II . Структурная организация клетки
2.1 Основные части клетки и их функции
Клеточная стенка состоит из целлюлозы, окружает растительные клетки, имеет множество пор. Она придает клетке прочность, поддерживает определенную форму, защищает ее, является скелетом растения.
Наружная клеточная мембрана - это двумембранная клеточная структура. Состоит из билипидного слоя и мозаично вкрапленных белков, снаружи располагаются углеводы. Она обладает полупроницаемостью. На наружной поверхности животной клетки имеется слой гликокаликса.
Функции клеточной мембраны:
1) разделительная (ограничивает внутреннее содержимое от наружной среды);
2) избирательная проницаемость (вещества, способные растворяться в липидах, проходят через мембрану, растворяясь в ней; перемещение ионов, мономеров мелких молекул происходит с помощью специальных белков-переносчиков; различают пассивную и активную диффузию);
3) секреторная (образование и выделение клеткой веществ во внешнюю среду).
Цитоплазма - это гиалоплазма, органеллы (ЭПС, митохондрии, рибосомы и др.) и цитоплазматические включения. Она выполняет все функции, характерные для этих образований.
Гиалоплазма - это жидкая среда цитоплазмы, в которой расположены органеллы и включения. Она представляет собой коллоидный раствор. Выполняет следующие функции:
1) связующая (обеспечивает взаимосвязь всех частей клетки);
2) истинная внутренняя среда, компоненты которой участвуют во всех процессах метаболизма;
3) транспортная (благодаря вязкости и способности к перемещению обеспечивает перемещение веществ).
Ядро – это важный структурный компонент эукариотической клетки, который содержит молекулы ДНК – генетическую информацию. Имеет округлую или овальную форму. Ядро хранит, передает и реализует наследственную информацию, а также обеспечивает синтез белка.
Вакуоли - это крупные пузырьки с преимущественно водным содержимым (могут входить минеральные соли, сахар, пигменты, органические кислоты и ферменты). Они образуются из пузыревидных расширений ЭПС или пузырьков Гольджи. Различают сократительные (пульсирующие) вакуоли, они служат для осмотической регуляции прежде всего у пресноводных простейших и центральную вакуоль растительной клетки, которая возникает из небольших вакуолей и пузыревидных расширений ЭПС (все они сливаются). Центральная вакуоль занимает большую часть объема клетки. Содержимое вакуоли - клеточный сок. Их функции:
1) хранение различных веществ, в том числе и конечных продуктов обмена (глюкоза, фруктоза, яблочная и лимонная кислота, некоторые пигменты);
2) поддержание осмотического давления в клетке;
3) выполнение функций лизосом (иногда).
2.2 Мембранные и немембранные органоиды(органеллы)
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это ультрамикроскопическая система мембран, образующих трубочки, канальцы, цистерны и пузырьки. Строение мембран универсальное, вся сеть объединена в единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки и наружной клеточной мембраной. Гранулярная ЭПС несет рибосомы, а гладкая лишена их. ЭПС разделяет внутриклеточные среды и обеспечивает транспорт веществ. Гладкая ЭПС синтезирует липиды и углеводы, запасает ионы кальция в мышцах, обезвреживает ядовитые вещества в печени. Гранулярная ЭПС участвует в процессе биосинтеза белка и синтезе липидов и углеводов.
Аппарат Гольджи - это система плоских полых емкостей (цистерн), по краям которых ответвляются трубочки, отделяющие мелкие пузырьки и представляющие собой неактивные лизосомы. В растительных клетках аппарат содержит полисахариды, которые используются для строения целлюлозной оболочки. Это наиболее подвижная и изменяющаяся органелла. Ее функции:
1) накопление, упаковка и выделение продуктов внутриклеточного синтеза, продуктов метаболизма, токсинов;
2) обновление мембран;
3) производство лизосом;
4) в растительной клетке - строительство клеточной стенки, синтез липидов и углеводов.
Лизосомы - это округлые или овальные образования с одиночной мембраной. Содержат более 30 ферментов. Число лизосом зависит от жизнедеятельности клетки и ее физиологического состояния. Их функции:
1) внутриклеточное пищеварение (осуществляют гидролитическое расщепление белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов);
2) самопереваривание отмирающих клеток (лизис);
3) уничтожение поврежденных органоидов клетки.
Митохондрии - состоят из двойной мембранной оболочки, внутренняя образует выросты - кристы. Внутренняя полость заполнена матриксом. Органоид содержит кольцевую молекулу ДНК, рибосомы, ферменты, белки, липиды, витамины и РНК. В клетке имеется до 1 500 митохондрий. Живут они несколько дней, размножаются поперечным делением. Их функции:
1) снабжение клетки энергией, которую она накапливает в форме АТФ (расщепление углеводов, окисление жирных кислот, аминокислот с освобождением энергии и запасание ее в виде энергии связей в молекулах АТФ);
2) синтез некоторых аминокислот (глутаминовой) и активное накопление ионов.
Пластиды - это хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Хлоропласты - микроскопические органеллы, которые встречаются в клетках, образующих листья, поверхности стебля, молодые плоды. Реже они могут находится в эпидермисе и венчике цветка. Имеют двойную мембрану. Внутренняя образует выросты в виде стопок (гранов). Они содержат пигменты и различные ферменты. Имеется молекула ДНК. Внутренняя полость - матрикс. Пигменты хлоропластов - это хлорофилл А и хлорофилл Б, а также каротиноиды (каротины, оранжево-красные, и ксантофиллы, желтые, реже красные).
Функции хлоропластов:
1) фотосинтез (преобразование энергии света в химическую энергию органических веществ);
2) синтез некоторых аминокислот и жирных кислот;
3) сохранение временных запасов крахмала.
Лейкопласты - бесцветные пластиды округлой формы. Встречаются в подземных частях растений, семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Они содержат ДНК, зерна крахмала, единичные тилакоиды. Служат местом отложения запасных питательных веществ (главным образом, зерен крахмала). Хромопласты - ярко окрашенные пластиды (желтые, оранжевые, красные), часто округлой формы. Внутренних выростов очень мало или совсем отсутствуют. Придают яркую окраску осенним листьям, зрелым плодам и лепесткам цветков. Служат для привлечения насекомых-опылителей и растительноядных животных.
Рибосомы - это ультрамикроскопические органеллы округлой или грибовидной формы. Состоят из двух асимметричных субъединиц (большая и малая). Содержат специфическую рРНК и белок. В клетке их более 10 000. Встречаются как в свободном состоянии, так и на мембранах ЭПС. Входят в состав митохондрий и хлоропластов. Необходимы для синтеза первичной структуры белковых молекул из аминокислот.
Клеточный центр - это ультрамикроскопическая органелла. Состоит из двух центриолей. Каждая имеет цилиндрическую форму. Центриоли расположены перпендикулярно друг другу. Клеточный центр участвует в делении клетки животных и низших растений. Центриоли служат центрами образования веретена деления. После окончания деления центриоли остаются в дочерних клетках, удваиваются и образуют клеточный центр.
Органеллы движения - это:
1) реснички, многочисленные цитоплазматические выросты на поверхности мембраны; способствуют удалению частичек пыли (реснитчатый эпителий), обеспечивают передвижение одноклеточных организмов;
2) жгутики, единичные цитоплазматические выросты на поверхности клетки; способствуют передвижению (сперматозоиды, зооспоры, одноклеточные организмы);
3) ложные ножки (псевдоподобии), амебовидные выступы цитоплазмы; образуются у отдельных клеток (лейкоциты) многоклеточных организмов либо у отдельных одноклеточных организмов (амеба); служат для захвата пищи и передвижения;
4) миофибриллы, тонкие нити длиной 1 см и более; служат для сокращения мышечных волокон, вдоль которых они расположены.
ГЛАВА III . Обмен веществ и превращение энергии в клетке
В клетках с участием ферментов непрерывно идут процессы как синтеза веществ, так и расщепления. Вся совокупность этих процессов носит название метаболизма.
Метаболизм (обмен веществ и энергии) - процесс, охватывающий усвоение пищевых веществ и построение из них тела организма (анаболизм) и распад в нем (катаболизм). На уровне клетки это превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов.
Катаболизм (диссимиляция, или энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления, переход веществ, богатых энергией, в простые, менее энергетически богатые вещества.
Анаболизм (ассимиляция, или пластический обмен) - совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ, сопровождающаяся поглощением энергии.
Пластический обмен:
В результате пластического обмена из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки. Наиболее интенсивно пластический обмен происходит в процессе роста организма. К наиболее важным процессам анаболизма, имеющим огромное значение для жизни на Земле, относят фотосинтез и биосинтез белков.
Энергетический обмен:
Энергия для жизнедеятельности клетки заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. Например, из пептидных связей освобождается около 12 кДж/моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2 800 кДж/моль (то есть на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:
С6Н12О6 + 6О2 = 6CO2 + 6 H2O + 2 800 кДж
Энергетический обмен протекает в несколько этапов.
ГЛАВА IV. Стадии жизненного цикла клетки
Интерфаза - период между делениями клеток.
Различают:
1) пресинтетический период (интенсивный синтез белка и рост клетки);
2) синтетический период (редупликация ДНК, синтез белков хромосом, утолщение хромосом);
3) постсинтетический период (интенсивная подготовка к митозу).
Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Характерен для всех видов тканей и для всех ядерных организмов. Обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Лежит в основе бесполого размножения организма.
Мейоз - характерен для жизненного цикла только половых клеток и спорообразования у растений. Из исходной материнской клетки образуется 4 гаметы - клетки с набором хромосом, 2 раза меньшим чем у исходной.
Амитоз - прямое деление ядра, без образования хромосом и веретена деления, возможно разделение цитоплазмы. Встречается в различных тканях специализированных, обреченных на гибель клеток. Хромосомный набор распределяется приблизительно.
Улучшить и создать с нуля — какие возможности открывает генная инженерия? Рассказывают ученые Пермского Политеха
Фото: freepik
Еще до открытия ДНК человек научился выводить представителей животных и растений, соответствующих его запросам. Сегодня возможности генной инженерии позволяют не только создать улучшенный организм «из ничего», но и изменить гены человека, избавив того от болезней. Как работает генная инженерия, где связь между ГМО, вакциной и овощами, что сделали с яблоком, чтобы оно не темнело, и чем чревато создание сверхчеловека, рассказали ученые ПНИПУ.
Как работает генная инженерия?
Генная инженерия — это раздел молекулярной биологии, посвященный созданию искусственных генетических систем с нужными свойствами. Она представлена совокупностью методов, приемов и технологий, позволяющих улучшать существующие наборы генов, — геномы, и создавать новые.
Все сведения о строении и функционировании организма зашифрованы в молекуле ДНК. Эта информация передается от родителей к потомкам, поэтому ее называют наследственной. Молекулу ДНК можно разделить на функциональные участки — гены, в них зашифрована информация о строении конкретных белков. Их набор в организме определяет весь спектр его признаков — вплоть до цвета глаз и структуры волос у человека.
— Таким образом, появление признака у организма определяется наличием определенных белков, а их присутствие зависит от наличия кодирующих их генов. Чтобы добавить новое свойство организму, нам надо ввести в его ДНК ген, кодирующий нужный белок, и обеспечить условия для его экспрессии —протекания многоступенчатого процесса синтеза белка. Или, наоборот, если необходимо избавиться от какой-либо черты, можно удалить соответствующий ген или снизить уровень его экспрессии, — объясняет Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.
Например, чтобы добавить ген в генетический набор организма, его необходимо выделить из ДНК организма-донора, получить большое количество его копий и поместить в модифицируемый организм. Для этой процедуры подойдет любая клетка, и обычно используется материал, который легче извлечь без повреждений донора, например, из крови человека. Выделенный фрагмент может вводиться в свободной форме или в составе вектора — молекулы ДНК, которая способна встроиться в геном хозяина или самовоспроизводиться в его клетках. В качестве векторов применяют плазмиды (небольшие кольцевые молекулы ДНК), фаги (вирусы бактерий), вирусы. Вирусный вектор могут вводить в кровь и другие ткани, а также через ингаляции, то есть вводить непосредственно в организм.
Генная инженерия открывает большие возможности в сферах фармацевтики и медицины, животноводства и сельского хозяйства. Самые увлекательные примеры тому приведены ниже.
Факт 1. Генная инженерия — новейшее поколение инструментов, которые применяются для изменения наследственной информации
Предшественниками инновационного раздела биологии являются селекция и индуцированный мутагенез. Первое — это длительный процесс отбора особей с генетическими изменениями, возникшими естественным путем. Например, домашнюю лису вывел генетик Дмитрий Беляев в 1950-е годы. Произошло это благодаря скрещиванию самых послушных и неагрессивных представителей серебристо-черной лисы.
Второе — искусственное получение мутаций с помощью химического или радиационного воздействия, однако оно слабо поддается контролю. В отличие от этих методов, генная инженерия позволяет редактировать генетическую информацию быстро и направленно.
Факт 2. Генные инженеры смогут создавать ранее не существовавшие формы жизни
Методы генной инженерии позволяют конструировать новые, ранее не существовавшие гены, собирая их из фрагментов ДНК разных организмов или воспроизводя химически. Сейчас ученые работают с модификацией известных науке существ. Однако в будущем технологии позволят создать искусственный организм с нуля. На данный момент известен лишь один пример искусственного организма – небольшая бактерия с синтезированным ДНК.
Факт 3. С помощью ГМО получают вещества, необходимые для жизнедеятельности и здоровья человека
Как объясняет Анна Ахова, генетически модифицированные организмы (ГМО), то есть организмы, генетическая информация которых изменена искусственно, применяются как объекты для научных исследований, в сельском хозяйстве и для производства целевых веществ. Поэтому чаще всего объектами для генетических манипуляций становятся бактерии (в основном, кишечная палочка), мыши, крысы, сельскохозяйственные растения и животные, промышленно-значимые продуценты (организмы, которые могут создавать органические вещества из неорганических), например дрожжи.
— Генные инженеры способны также воссоздать некоторые природные процессы, например, синтез гормонов человека за пределами его организма. Они извлекают ген производства человеческого инсулина и помещают его в бактерию. Ее переносят в условия (питательную среду), при которых она может беспрепятственно синтезировать гормон. На выходе получается производство по получению инсулина, необходимого для людей, больных сахарным диабетом, — рассказывает Анастасия Зорина, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.
Еще один пример — при помощи генно-модифицированной кишечной палочки получают гормон роста соматотропин, который необходим для нормального роста и развития детей, поскольку способствует удлинению костей с момента рождения ребенка и до конца его полового созревания. Схожим образом воссоздают белок интерферон, который справляется с вирусной инфекцией.
Факт 4. Манипуляции с генами взрослого человека помогают в борьбе с наследственными заболеваниями
Методы генной инженерии применяют для лечения генетически обусловленных заболеваний, в том числе опухолей. Если развитие заболевания объясняется дефектом одного гена, то его можно заменить здоровой копией. Для этого либо выделяют клетки из организма пациента, генетически модифицируют их и вводят обратно в организм, либо сразу вводят улучшенную ДНК в организм, как объясняет Анна Ахова.
Так работает препарат для лечения β-талассемии — заболевания, при котором из-за дефектного гена снижается способность вырабатывать гемоглобин. Лекарство представляет собой функциональный ген, упакованный в вирус-«переносчик», который встраивается в ДНК стволовых клеток костного мозга (предшественников клеток крови). Кроме того, некоторые виды опухолей пытаются лечить за счет введения в организм генов, кодирующих супрессоры — белки, сдерживающие развитие злокачественных образований.
Факт 5. Вакцины также являются генно-модифицированными продуктами
Например, известная комбинированная векторная вакцина для профилактики коронавирусной инфекции COVID-19. В качестве переносчика выступает аденовирус, в него встроен фрагмент генетического материала коронавируса, кодирующего особый белок, который вызывает иммунный ответ.
— Уникальным вариантом вакцин являются трансгенные растения (томаты, табак, бананы, морковь, картофель), в ДНК которых введены гены, чьи белковые продукты вызывают иммунный ответ. Сейчас разрабатываются съедобные вакцины для профилактики гепатита В, кори, холеры, — рассказывает Анна Ахова.
Как это работает: вирус вводят в молодое растение. По мере его роста, формируются вирусные белки, но не инфекционная часть вируса. Съедая плод с такими белками, иммунитет человека формирует антитела для борьбы с вирусом. Организм становится защищенным, а люди не заболевают.
Факт 6. Нетемнеющие яблоки, безлактозное молоко и противовредительные посевы существуют в наши дни
Генетическая модификация растений обеспечивает повышение урожайности, приобретение устойчивости к гербецидам и насекомым, улучшению внешнего вида и питательности, повышению сохранности. Например, получены яблоки, которые не коричневеют на срезе. Это явление часто объясняют окислением железа, но на самом деле мякоть темнеет за счет окисления антиоксидантов при участии фермента полифенолоксидазы. Снижение экспрессии гена, кодирующего этот фермент, замедляет проявление окраски. Другой пример — это введение в геном растения (табака, кукурузы, риса, зерновых) генов, способствующих синтезу вещества, отпугивающего насекомых. Растение приобретает способность синтезировать токсин, становится несъедобным для вредителей. При этом для человека оно не опасно.
Геном животных улучшают, чтобы повысить скорость их роста, качество мяса или шерсти, сопротивляемость болезням, изменить состав молока, чтобы снизить количество аллергенов, лактозы. Интересно, что первым генетически модифицированным животным, разрешенным к продаже в качестве продукта питания, стал лосось. За счет введения генов из тихоокеанской чавычи и американской бельдюги лосось растет быстрее и в течение всего года.
Почему с генной инженерией стоит быть осторожным?
По словам кандидата биологических наук, доцента кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ Анастасии Зориной, в результате халатности ученого, работающего с ГМО, последние могут попасть в окружающую среду, а там начать взаимодействовать с дикими видами. Это способно привести к нежелательным последствиям, в том числе вытеснению дикого видового разнообразия и нарушению экосистем.
— Молекулярно-биологические процессы остаются не до конца изученными, а генетические системы достаточно сложны, поэтому невозможно со 100%-й точностью предсказать все последствия генетических манипуляций. Модификация ДНК может происходить не только в нужных ученым участках, но и в других областях молекулы со сходным строением. При внедрении чужеродной генетической информации может изменяться работа собственных генов. Но это создает трудности лишь для генных инженеров в их попытках получить организмы с заданными свойствами. Не стоит бояться генетически модифицированных организмов и полученных на их основе продуктов, — добавляет Анна Ахова.
— В теории, ученые имеют возможность создать множество модификаций человеческого генома, которые могут дать ему преимущества в борьбе за жизнь: невосприимчивость к вирусам и бактериям, отсутствие наследственных заболеваний, способность к быстрой регенерации клеток и тканей с возможностью отращивать потерянные конечности и т.д. Однако сразу же встает вопрос — имеем ли мы право вмешиваться в законы природы, эволюции? Создание идеального человека может привести, как минимум, к перенаселению. И это только один из множества примеров негативного последствия создания «сверхчеловека», — заключает Анастасия Зорина.
Цитология. егэ по биологии
На рисунке изображена органелла эукариотической клетки. Назовите элементы по цифрами 1 и 2, приведите их структурные и функциональные различия.
1) Под цифрой 1 - шероховатая ЭПС, так как видим расположенные рибосомы на ЭПС
2) Под цифрой 2 - гладкая ЭПС, так как поверхность гладкая, рибосомы отсутствуют
3) Основное структурное различие между шероховатой и гладкой ЭПС - присутствие на шероховатом ЭПС связанных с ним рибосом
4) Гладкая ЭПС выполняет функцию синтеза липидов и углеводов, а шероховатая ЭПС - функцию синтеза белка.
Цитология. клетка. егэ биология
Установите соответствие между характеристиками и структурами органоида, обозначенными цифрами 1, 2, 3, 4 на рисунке.
СТРУКТУРЫ
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
ХАРАКТЕРИСТИКИ
А) кодирует ферменты
Б) содержит белки - переносчики электронов
В) увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны
Г) место протекания реакций цикла Кребса
Д) комплекс, синтезирующий белки
Е) служит средой для ферментативных реакций
Разбор подготовлен онлайн-школой EGE hub. Приходи к нам, подготовим на 85+ 🥰
Верные подписи к рисунку: 1 - рибосомы, 2 - митохондриальная ДНК, 3 - матрикс, 4 - кристы, 5 - наружная мембрана, 6 - перемитохондриальное пространство.
Верные характеристики элемента 1: комплекс, синтезирующий белки.
Верные характеристики элемента 2: кодирует ферменты.
Верные характеристики элемента 3: место протекания реакций цикла Кребса, служит средой для ферментативных реакций.
Ответ: 244313