Клетка человека и ее строение: Страница не найдена

Содержание

Программа по биологии


I. Общая биология

Общая биология — предмет об основных закономерностях жизненных явлений. Значение биологии для медицины, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства.

Основы цитологии

Основные положения клеточной теории. Клетка — структурная и функциональная единица живого. Строение и функция ядра, цитоплазмы и ееосновных органоидов. Особенности строения клеток прокариот, эукариот.

Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки. Органические вещества: липиды, АТФ, биополимеры (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты), их роль в клетке. Ферменты, их роль в процессах жизнедеятельности.Самоудвоение ДНК.

Обмен веществ и превращение энергии — основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.

Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакции матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.

Вирусы, особенности их строения и жизнедеятельности.

Размножение и индивидуальное развитие организмов

Деление клетки, мейоз и оплодотворение- основа размножения и индивидуального развития организмов. Подготовка клетки к делению. Удвоение молекул ДНК. Хромосомы, их гаплоидный и диплоидный набор, постоянство числа и формы.

Деление клетки и его значение.

Половое и бесполое размножение организмов. Половые клетки. Мейоз. Развитие яйцеклеток и сперматозоидов. Оплодотворение.

Развитие зародыша (на примере животных). Постэмбриональное развитие. Вредное влияние алкоголя и никотина на развитие организма человека.

возникновение жизни на Земле.)

Основы генетики

Основные закономерности наследственности и изменчивости организмов и их цитологические основы.

Предмет, задачи и методы генетики.

Моно- и дигибридное скрещивание. Законы наследственности, установленные Г.Менделем. Доминантные и рецессивные признаки. Аллельные гены. Фенотип и генотип. Гомозигота и гетерозигота. Единообразие первого поколения.

Промежуточный характер наследования. Закон расщепления признаков. Статистический характер явлений расщепления. Цитологические основы единообразия первого поколения и расщепления признаков во втором поколении. Закон независимого наследования и его цитологические основы.

Сцепленное наследование. Нарушение сцепления. Перекрест хромосом.

Генотип как целостная исторически сложившаяся система. Генетика пола. Хромосомная теория наследственности.

Значение генетики для медицины и здравоохранения. Вредное влияние никотина, алкоголя и других наркотических веществ на наследственность человека.

Роль генотипа и условий внешней среды в формировании фенотипа. Модификационная изменчивость. Норма реакции. Статистические закономерности модификационной изменчивости.

Мутации, их причины. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Н.И.Вавилов. Экспериментальное получение мутаций.

Мутации как материал для искусственного и естественного отбора. Загрязнение природной среды мутагенами и его последствия.

Генетика и теория эволюции. Генетика популяций. Формы естественного отбора: движущий и стабилизирующий.

Основы селекции

Генетические основы селекции растений, животных и микроорганизмов.

Задачи современной селекции. Н.И.Вавилов о происхождении культурных растений. Значение исходного материала для селекции.

Селекция растений. Основные методы селекции: гибридизация и искусственный отбор. Роль естественного отбора в селекции. Самоопылениеперекрестноопыляемых растений. Гетерозис. Полиплодия и отдаленная гибридизация. Достижения селекции растений.

Селекция животных. Типы скрещивания и методы разведения. Метод анализа наследственных хозяйственно-ценных признаков у животных-производителей. Отдаленная гибридизация домашних животных.

Селекция бактерий, грибов, ее значение для микробиологической промышленности (получение антибиотиков, ферментных препаратов, кормовых дрожжей и др.). Основные направления биотехнологии (микробиологическая промышленность, генная и клеточная инженерия).

Основы экологии

Предмет и задачи экологии, математическое моделирование в экологии. Экологические факторы. Деятельность человека как экологический фактор. Комплексное воздействие факторов на организм. Ограничивающие факторы. Фотопериодизм. Вид, его экологическая характеристика.

Популяция. Факторы, вызывающие изменение численности популяций, способы ее регулирования.

Рациональное использование видов, сохранение их разнообразия.

Биогеоценоз. Взаимосвязи популяций в биогеоценозе. Цепи питания. Правило экологической пирамиды. Саморегуляция. Смена биогеоценозов. Агроценозы. Повышение продуктивности агроценозов на основе мелиорации земель, внедрения новых технологий выращивания растений.

Охрана биогеоценозов.

Основы учения о биосфере

Биосфера и ее границы. Биомасса поверхности суши, Мирового океана, почвы. Живое   вещество,   его   газовая,   концентрационная,   окислительная   и восстановительная функции. Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. В.И.Вернадский о возникновении биосферы.

Биосфера и научно-технический прогресс

Биосфера в период научно-технического прогресса и здоровье человека. Проблемы окружающей среды: защита от загрязнения, сохранения эталонов и памятников природы, видового разнообразия, биоценозов, ландшафтов.

Эволюционное учение

Краткие сведения о додарвиновском периоде развития биологии. Основные положения эволюционного учения Ч.Дарвина. Значение теории эволюции для развития естествознания.

Критерии вида. Популяция- единица вида и эволюции. Понятие сорта растений и породы животных.

Движущие силы эволюции: наследственность, борьба за существование, изменчивость, естественный отбор. Ведущая роль естественного отбора вэволюции.

Искусственный отбор и наследственная изменчивость- основа выведения пород домашних животных и сортов культурных рэстений. Создание новых высокопродуктивных пород животных и сортов растений.

Возникновение приспособлений. Относительный характер приспособленности.

Микроэволюция. Видообразование.

Результаты эволюции: приспособленность организмов, многообразие видов.

Использование теории эволюции в сельскохозяйственной практике и в деле охраны природы.

Развитие органического мира

Доказательства эволюции органического мира. Главные направления эволюции. Ароморфоз, идеоадаптация. Соотношение различных направлений эволюции. Биологический прогресс и регресс. Краткая история развития органического мира.

Основные ароморфозы в эволюции органического мира.

Основные направления эволюции покрытосеменных, насекомых, птиц и млекопитающих в кайнозойскую эру.

Влияние деятельности человека на многообразие видов, природные сообщества, их охрана.

Происхождение человека

Ч.Дарвин о происхождении человека от животных.

Движущие силы антропогенеза: социальные и биологические факторы. Ведущая роль законов общественной жизни в социальном прогрессе человечества.

Древнейшие, древние и ископаемые люди современного типа.

Человеческие расы, их происхождение и единство. Антинаучная, реакционная сущность социального дарвинизма и расизма.

II. Растения

Ботаника — наука о растениях. Растительный мир как составная часть природы, его разнообразие, распространение на Земле. Цветковое растение и его строение.

Семя. Строение семян (на примере двудольного и однодольного растений). Состав семян. Условия прорастания семян. Дыхание семян. Питание и рост  проростка. Время посева и глубина заделки семян.

Корень. Развитие корня из зародышевого корешка. Виды корней. Типы корневых систем (стержневая и мочковатая).

Внешнее и внутреннее строение корня в связи с его функциями. Зона корня. Рост корня. Понятие ткани. Поглощение корнями воды и минеральных солей, необходимых растению. Удобрения. Дыхание корня. Значение обработки почвы, внесения удобрений, полива для жизни культурных растений. Корнеплоды (видоизменения корня). Значение корня.

Лист. Внешнее строение листа. Жилкование. Листья простые и сложные. Листорасположение. Особенности внутреннего строения листа в связи с его функциями, кожица и устьица, основная ткань листа, проводящие пучки. Дыхание листьев. Фотосинтез. Испарение воды листьями. Листопад. Значение листьев в жизни растений. Роль зеленых растений в природе и жизни человека.

Стебель. Понятие о побеге. Почки вегетативные и цветочные, их строение и расположение на стебле. Развитие побега из почки. Рост стебля в длину. Ветвление стебля. Формирование кроны. Внутреннее строение древесного стебля в связи с его функциями: кора, камбий, древесина, сердцевина. Рост стебля в толщину. Образование годичных колец. Передвижение минеральных и органических веществ по стеблю. Значение стебля. Видоизмененные побеги: корневища, клубень, луковица, их строение, биологическое и хозяйственное значение.

Вегетативное размножение цветковых растений. Размножение растений посредством побегов, корней, листьев в природе и растениеводстве (видоизмененными побегами, стеблевыми и корневыми черенками, отводками, делением куста, прививкой). Биологическое и хозяйственное значение вегетативного размножения.

Цветок и плод. Строение цветка: цветоножка, цветоложе, околоцветник (чашечка и венчик), тычинки, пестик или пестики. Строение тычинки и пестика. Соцветия и их биологическое значение. Перекрестное опыление насекомыми, ветром. Самоопыление. Оплодотворение, Образование семян и плодов. Значение цветков, плодов и семян в природе и жизни человека.

Растение и окружающая среда. Взаимосвязь органов. Основные жизненные функции растительного организма и его взаимосвязь со средой обитания.

Классификация цветковых растений. Многообразие дикорастущих и культурных цветковых растений и их классификация. Элементарные понятия о систематических (таксономических) категориях- вид, род, семейство, класс. Значение международных названий растений.

Класс двудольных растений. Семейство крестоцветных, розоцветных, бобовых, пасленовых, сложноцветных.

Класс однодольных растений. Семейство злаков, семейство лилейных.

Отличительные признаки растений основных семейств; их биологические особенности и народнохозяйственное значение. Типичные культурные и дикорастущие растения этих семейств. Влияние хозяйственной деятельности на видовое многообразие цветковых растений. Охрана редких видов растений. Красная книга.

Основные группы растений. Водоросли. Строение и жизнедеятельность одноклеточных водорослей (хламидомонада, плеврококк, хлорелла). Размножение водорослей. Нитчатые водоросли. Значение водорослей в природе и хозяйстве.

Мхи. Зеленые мхи. Строение и размножение кукушкина льна. Мох сфагнум, особенности его строения. Образование торфа, его значение.

Хвощ. Плаун. Папоротник. Строение и размножение.

Голосеменные. Строение и размножение голосеменных (на примере сосны и ели). Распространение хвойных, их значение в природе, в народном хозяйстве.

Покрытосеменные (цветковые). Приспособленность покрытосеменных к различным условиям жизни на Земле и господство в современной флоре.

Влияние хозяйственной деятельности человека на видовое многообразие растений. Охрана растений.

Развитие растительного мира на Земле. Основные этапы исторического развития и усложнения растительного мира на Земле. Создание культурных растений человеком. Достижения российских ученых в выведении новых сортов растений.

Бактерии, грибы, лишайники. Бактерии. Строение и жизнедеятельность бактерий. Распространение бактерий в воздухе, почве, воде, живых организмах. Роль бактерий в природе, медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Болезнетворные бактерии и борьба с ними.

Грибы. Общая характеристика грибов. Шляпочные грибы, их строение, питание, размножение. Условия жизни грибов в лесу. Съедобные и ядовитые грибы. Плесневые грибы. Дрожжи. Грибы-паразиты, вызывающие болезни.Роль грибов в природе и хозяйстве.

Лишайники. Строение лишайника. Симбиоз. Питание. Размножение. Роль лишайника в природе и хозяйстве.

III. Животные

Зоология — наука о животных. Значение животных в природе и жизни человека. Сходство и отличие животных и растений. Классификация животных.

Одноклеточные.  Общая  характеристика.   Обыкновенная  амеба.  Средаобитания. Движение. Питание. Дыхание. Выделение. Размножение.

Инцистирование.Зеленая эвглена — одноклеточный организм с признаками животного и растения. Инфузория-туфелька. Особенности строения и процессов жизнедеятельности. Раздражимость. Многообразие и значение одноклеточных. Малярийный паразит — возбудитель малярии. Ликвидация малярии как массового заболевания.

Тип Кишечнополостные. Общая характеристика типа. Пресноводный полип -гидра. Среда обитания и внешнее строение. Лучевая симметрия. Внутреннее строение (двухслойность, разнообразие клеток). Питание. Дыхание. Нервная система. Рефлекс. Регенерация. Размножение вегетативное и половое. Морские кишечнополостные (полипы и медузы) и их значение.

Тип Плоские черви. Общая характеристика типа. Внешнее строение. Мускулатура. Питание. Дыхание. Выделение. Нервная система. Размножение. Регенерация.

Тип Круглые черви. Общая характеристика типа. Внешнее строение. Полость тела. Питание. Размножение и развитие. Многообразие паразитических червей и борьба с ними.

Тип Кольчатые черви. Общая характеристика типа. Среда обитания. Внешнее строение. Ткани. Кожно-мускульный мешок. Полость тела. Системы органов пищеварения, кровообращения, выделения. Процессы жизнедеятельности. Нервная система. Регенерация. Размножение.

Тип Моллюски. Общая характеристика типа. Среда обитания и внешнее строение. Особенности процессов жизнедеятельности.

Тип Членистоногие. Общая характеристика типа. Класс Ракообразные. Речной рак. Среда обитания. Внешнее строение. Размножение. Внутреннее строение. Пищеварительная, кровеносная и дыхательная системы. Органы выделения. Питание, дыхание, выделение. Особенности процессов жизнедеятельности. Нервная система и органы чувств.

Класс Паукообразные. Паук-крестовик. Среда обитания. Внешнее строение. Ловчая сеть, ее устройство и значение. Питание, дыхание, размножение. Роль клещей в природе и их практическое значение. Меры защиты человека от клещей.

Класс Насекомые. Майский жук. Внешнее и внутреннее строение. Процесс жизнедеятельности. Размножение. Типы развития.

Отряды насекомых с полным превращением. Чешуекрылые. Капустная белянка. Тутовый шелкопряд. Шелководство. Двукрылые. Комнатная муха, оводы. Перепончатокрылые. Медоносная пчела и муравьи. Инстинкт. Наездники. Биологический способ борьбы с вредителями. Отряд насекомых с неполным превращением. Прямокрылые. Перелетная саранча — опасный вредитель сельского хозяйства. Роль насекомых в природе, их практическое значение. Сохранение их видового многообразия.

Тип Хордовые. Общая характеристика типа. Класс Ланцетники. Ланцетник -низшее хордовое животное. Среда обитания. Внешнее строение. Хорда. Особенности внутреннего строения. Сходство ланцетников с позвоночными и беспозвоночными.

Класс Рыбы. Общая характеристика класса. Речной окунь. Среда обитания. Внешнее строение. Скелет и мускулатура. Полость тела. Пищеварительная, кровеносная, дыхательная системы. Плавательный пузырь. Нервная система и органы чувств. Поведение. Размножение и развитие. Забота о потомстве. Многообразие рыб. Отряды рыб: акулы, осетровые, сельдеобразные, карпообразные, кистеперые. Хозяйственное значение рыб. Промысел рыб. Искусственное разведение рыб. Прудовое хозяйство. Влияние деятельности человека на численность рыб. Необходимость рационального использования рыбных богатств, их охраны (защита вод от загрязнения и др.).

Класс Земноводные. Общая характеристика класса. Лягушка. Особенности среды обитания. Внешнее строение. Скелет и мускулатура. Особенности строения внутренних органов и процессов жизнедеятельности. Нервная система и органы чувств. Размножение и развитие. Многообразие земноводных и их значение. Происхождение земноводных.

Класс Пресмыкающиеся. Общая характеристика класса. Прыткая ящерица. Среда обитания. Внешнее строение. Особенности внутреннего строения. Размножение. Регенерация. Многообразие современных пресмыкающихся. Отряд Чешуйчатые. Отряд Черепахи. Древние пресмыкающиеся: динозавры, зверозубые ящеры. Происхождение пресмыкающихся.

Класс Птицы. Общая характеристика класса. Голубь. Среда обитания. Внешнее строение. Скелет и мускулатура. Полость тела. Особенности внутреннего строения и процессов жизнедеятельности. Нервная система и органы чувств. Поведение. Размножение и развитие. Сезонные явления в жизни птиц, гнездование, кочевки и перелеты. Происхождение птиц. Приспособленность птиц к различным средам обитания. Птицы парков, садов, лугов и полей. Птицы леса. Хищные птицы. Птицы болот и побережий водоемов. Птицы степей и пустынь. Роль птиц в природе и их значение в жизни человека. Роль заповедников и зоопарков в сохранении редких видов птиц. Привлечение птиц. Птицеводство.

Класс Млекопитающие. Общая характеристика класса. Домашняя собака. Внешнее строение. Скелет и мускулатура. Полости тела. Система органов. Нервная система и органы чувств. Поведение. Размножение и развитие. Забота о потомстве. Отряды млекопитающих. Первозвери. Происхождение млекопитающих. Рукокрылые: летучие мыши. Грызуны. Хищные: собачьи, кошачьи. Ластоногие. Китообразные. Парнокопытные. Особенности строения пищеварительной системы жвачных. Породы крупного рогатого скота. Кабан. Домашние свиньи. Непарнокопытные. Дикая лошадь. Породы домашних лошадей. Приматы. Роль млекопитающих в природе и в жизни человека. Влияние деятельности человека на численность и видовое многообразие млекопитающих, их охрана.

IV.Человек и его здоровье

Анатомия, физиология и гигиена человека- науки, изучающие строение и функции организма человека и условия сохранения его здоровья. Гигиенические аспекты охраны окружающей среды.

Общий обзор организма человека. Общее знакомство с организмом человека (органы и системы органов). Элементарные сведения о строении, функциях и размножении клеток. Рефлекс. Краткие сведения о строении и функциях тканей. Ткани (эпителиальные, соединительные, мышечные и нервная).

Опорно-двигательная система. Значение опорно-двигательной системы. Строение скелета человека. Соединения костей: неподвижные, полуподвижные суставы. Состав, строение (макроскопическое) и рост костей в толщину. Мышцы, их строение и функции. Нервная регуляция деятельности мышц. Движения в суставах. Рефлекторная дуга. Работа мышц. Влияние ритма и нагрузки на работу мышц. Утомление мышц. Значение физических упражнений для правильного формирования скелета и мышц. Предупреждение искривления позвоночника и развития плоскостопия.

Кровь. Внутренняя среда организма: кровь, тканевая жидкость, лимфа. Относительное постоянство внутренней среды. Состав крови: плазма, форменные элементы. Группы крови. Значение переливания крови. Свертывание крови как защитная реакция. Эритроциты и лейкоциты, их строение и функции. Малокровие. Учение И.И.Мечникова о защитных свойствах крови. Борьба с эпидемиями. Иммунитет.

Кровообращение. Органы кровообращения: сердце и сосуды (артерии, капилляры, вены). Большой и малый круги кровообращения. Сердце, его строение и работа. Автоматия сердца. Понятие о нервной и гуморальной регуляции деятельности сердца. Движение крови по сосудам. Пульс. Кровяное

давление. Гигиена сердечно-сосудистой системы.

Дыхание. Значение дыхания. Органы дыхания, их строение и функция. Голосовой аппарат. Газообмен в легких и тканях. Дыхательные движения. Понятия о жизненной емкости легких. Понятие о гуморальной и нервной регуляции дыхания. Гигиена дыхания.

Пищеварение. Питательные вещества и пищевые продукты. Пищеварение, ферменты и их роль в пищеварении. Строение органов пищеварения. Пищеварение в полости рта. Глотание. Работы И.П.Павлова по изучению деятельности слюнных желез. Пищеварение в желудке. Понятие о нервно-гуморальной регуляции желудочного сокоотделения. Работы И.П.Павлова по изучению пищеварения в желудке. Печень, поджелудочная железа и их роль в пищеварении. Изменение питательных веществ в кишечнике. Всасывание. Гигиена питания.

Обмен веществ. Водно-солевой, белковый, жировой и углеводный обмен. Распад и окисление органических веществ в клетках. Ферменты. Пластический и энергетический обмен — две стороны единого процесса обмена веществ. Обмен веществ между организмом и окружающей средой. Норма питания. Значение правильного питания. Витамины и их значение для организма.

Выделение. Органы мочевыделительной системы. Функции почек. Значение выделения продуктов обмена веществ.

Кожа. Строение и функции кожи. Роль кожи в регуляции теплоотдачи. Закаливание организма. Гигиена кожи и одежды.

Нервная система. Значение нервной системы. Строение и функции спинного мозга и отделов головного мозга: продолговатого, среднего, промежуточного, мозжечка. Понятие о вегетативной нервной системе. Большие полушария головного мозга. Значение коры больших полушарий.

Анализаторы. Органы чувств. Значение органов чувств. Анализаторы. Строение и функции органов зрения. Гигиена зрения. Строение и функции органа слуха. Гигиена слуха.

Высшая нервная деятельность. Безусловные и условные рефлексы. Образование и биологическое значение условных рефлексов. Торможение условных рефлексов. Роль И.М.Сеченова и И.П.Павлова в создании учения о высшей нервной деятельности; его сущность. Значение слова. Сознание и мышление человека как функции высших отделов головного мозга. Антинаучность религиозных представлений о душе. Гигиена физического и умственного труда. Режим труда и отдыха. Сон, его значение. Вредное влияние курения и употребления спиртных напитков на нервную систему.

Железы внутренней секреции. Значение желез внутренней секреции. Понятие о гормонах. Роль гуморальной регуляции в организме.

Развитие человеческого организма. Воспроизведение организмов. Половые железы и половые клетки. Оплодотворение. Развитие зародыша человека. Особенности развития детского и юношеского организмов.

Ключ от клетки: как открыть живые ворота мембраны

Липидная мембрана клетки — основа клеточной оболочки любого живого организма — это удивительный умный «забор», через который клетка общается с организмом, питается, дышит, защищается от вторжения интервентов и чужаков, впускает нужные вещества и закрывается от нежелательных. Это целый комплекс security-мер с избирательным воздействием. Основной инструмент этой биохимической «коммуникации» — поры, опциональные отверстия в мембране. Своеобразный пропускной шлюз, который ученые активно изучают и описывают, чтобы в дальнейшем управлять им в собственных — благих, разумеется, целях.

В чем суть исследования и что сделано

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах и осуществили компьютерное моделирование их образования и эволюции. Они создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных других исследований и разрешила накопившиеся противоречия.

Результаты работы коллаборации ученых из НИТУ «МИСиС», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports: первая, вторая.

Липидные мембраны — это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций жизнедеятельности, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в свете разработки лекарств и терапевтических стратегий, таких, как доставка препаратов, поскольку именно мембрана в конечном счете решает и определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Соответственно, алгоритм «правильного» попадания вещества через мембрану путем создания поры — это и есть ID-карта в живую клетку.

Несмотря на то, что в мире существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку (например, антибиотик, чтобы убивать бактерии или антиопухолевый токсин, чтобы уничтожать клетки рака), до сих пор не было физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

Как сделано

Авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения живого «забора» приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного теоретического описания мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения для энергии поры, позволяющее описать состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой компьютерной модели ученые смогли объяснить несостыковки, наблюдавшиеся во многих работах, посвящённых данной тематике. Эта модель не только объясняет сам механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на механическое (укол, прокол) или электромагнитное воздействие (точечное облучение полем): в некоторых случаях оно приводит к управляемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки. Этот вариант, разумеется, нужно исключить в случае терапии, и наоборот — можно широко использовать для непосредственного устранения зараженных клеток.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости выдвинутой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует (возникает, растет и расширяется) пора в виртуальной мембране.

Рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов:

«Эта работа потребовала очень больших трудозатрат от всех участников проекта, большого объема машинного времени для расчётов методами молекулярной динамики, проведённых коллегами из лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН; долгой работы по построению моделей наблюдаемых процессов; и, главное проведения огромного массива расчетов, во многом аналитических, выполненных, в основном, Сергеем Акимовым, сотрудником ИФХЭ РАН и кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС».

Зачем сделано

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Грубо говоря, компьютерная модель сложной органической системы — липидной мембраны — поможет подбирать оптимальные режимы воздействия на нее для успешного прохода через «шлюз» клетки в обход всех security-мер и введения внутрь нужных концентраций нужных веществ. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих сложных и пока не поддающихся лечению нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, хореи Гентингтона и тд.

«Никогда раньше мы не проводили таких подробных и последовательных теоретических исследований. Их результат полностью оправдал потраченные усилия: нам впервые удалось построить полную модель процесса формирования пор в мембранах, позволяющую делать не только качественные, но и количественные предсказания».

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

Кле́тка— элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо состоят из множества клеток (многоклеточные животные, растения и грибы), либо являются одноклеточными организмами (многие простейшие и бактерии). Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии.

Обычно размеры растительных и животных клеток колеблются в пределах от 5 до 20 мкм в поперечнике. Типичная бактериальная клетка значительно меньше – ок. 2 мкм, а наименьшая из известных – 0,2 мкм.

Некоторые свободноживущие клетки, например такие простейшие, как фораминиферы, могут достигать нескольких сантиметров; они всегда имеют много ядер. Клетки тонких растительных волокон достигают в длину одного метра, а отростки нервных клеток достигают у крупных животных нескольких метров. При такой длине объем этих клеток небольшой, а поверхность очень велика.

Самые крупные клетки – это неоплодотворенные яйца птиц, заполненные желтком. Наибольшее яйцо (и, следовательно, наибольшая клетка) принадлежало вымершей громадной птице – эпиорнису (Aepyornis). Предположительно его желток весил ок. 3,5 кг. Самое крупное яйцо у ныне живущих видов принадлежит страусу, его желток весит ок. 0,5 кг

Одно время клетка рассматривалась как более или менее гомогенная капелька органического вещества, которую называли протоплазмой или живой субстанцией. Этот термин устарел после того, как выяснилось, что клетка состоит из множества четко обособленных структур, получивших название клеточных органелл («маленьких органов»).

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учѐный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В 1665 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему соты в ульях медоносных пчел, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «ячейка, клетка»).

В 1675 году итальянский врач М. Мальпиги, а в 1682 году — английский ботаник Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632—1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы (инфузории, амѐбы, бактерии). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки — эритроциты и сперматозоиды. Таким образом, уже к началу XVIII века учѐные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. В 1802—1808 годах французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 году

распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1825 году чешский учѐный Я. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в 1839 ввѐл термин «протоплазма». В 1831 году английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в 1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. С тех пор главным в организации клеток считается не мембрана, а содержимое.

Методы исследования клеток

Впервые клетки удалось увидеть только после создания световых микроскопов, с того времени и до сих пор микроскопия остается одним из важнейших методов исследования клеток. Световая (оптическая) микроскопия, несмотря на своѐ сравнительно небольшое разрешение, позволяла наблюдать за живыми клетками. В ХХ веке была изобретена электронная микроскопия, давшая возможность изучить ультраструктуру клеток.

В изучении клеточной формы и структуры первым инструментом был световой микроскоп. Его разрешающая способность ограничена размерами, сравнимыми с длиной световой волны (0,4–0,7 мкм для видимого света). Однако многие элементы клеточной структуры значительно меньше по размерам.

Другая трудность состоит в том, что большинство клеточных компонентов прозрачны и коэффициент преломления у них почти такой же, как у воды. Для улучшения видимости часто используют красители, имеющие разное сродство к различным клеточным компонентам. Окрашивание применяют также для изучения химии клетки. Например, некоторые красители связываются преимущественно с нуклеиновыми кислотами и тем самым выявляют их локализацию в клетке. Небольшая часть красителей

– их называют прижизненными – может быть использована для окраски живых клеток, но обычно клетки должны быть предварительно зафиксированы (с помощью веществ, коагулирующих белок) и только после этого могут быть окрашены.

Перед проведением исследования клетки или кусочки ткани обычно заливают в парафин или пластик и затем режут на очень тонкие срезы с помощью микротома. Такой метод широко используется в клинических лабораториях для выявления опухолевых клеток. Помимо обычной световой микроскопии разработаны и другие оптические методы изучения клетки: флуоресцентная микроскопия, фазово-контрастная микроскопия, спектроскопия и рентгеноструктурный анализ.

Оптическая микроскопия

В оптическом микроскопе увеличение объекта достигается благодаря серии линз, через которые проходит свет. Максимальное увеличение, которое можно достичь благодаря оптическому микроскопу, составляет около 1000. Еще одной важной характеристикой является

разрешение — расстояние между

двумя

точками, которые еще распознаются

отдельно, другими словами, разрешение

характеризует чѐткость изображения. Эта

величина ограничивается длиной световой

волны, и даже при использовании самого

коротковолнового

света —

ультрафиолетового —

можно

достичь

разрешения только около 200 нм; такое разрешение было получено еще в конце

XIX века. Таким образом, малейшие структуры, которые можно наблюдать под оптическим микроскопом, это митохондрии и бактерии, линейный размер которых составляет примерно 500 нм. Однако объекты размером меньше 200 нм видны в световом микроскопе только тогда, если они сами излучают свет. Эта особенность используется в флуоресцентной микроскопии, когда клеточные структуры или отдельные белки связываются со специальными флуоресцентными белками или антителами с флуоресцентными метками. На качество изображения, полученного с помощью оптического микроскопа, влияет также контрастность — еѐ можно увеличить, используя различные методы окраски клеток. Для изучения живых клеток используют фазовоконтрастную, дифференциальную интерференционно-контрастную и темнопольную микроскопию. Конфокальные микроскопы позволяют улучшить качество флуоресцентных изображений.

Электронная микроскопия

В 30-х годах XX века был сконструирован электронный микроскоп, в котором вместо света через объект пропускается пучок электронов. Теоретический предел разрешения для современных электронных микроскопов составляет около 0,002 нм, однако из практических причин для биологических объектов достигается разрешение только около 2 нм. С помощью электронного микроскопа можно изучать ультраструктуру клеток. Различают два основных типа электронной микроскопии:

сканирующую и трансмиссионную.

Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (РЭМ) используется для изучения поверхности объекта. Образцы зачастую покрывают тонкой пленкой золота. РЭМ

позволяет получать объемные изображения. Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия (ПЭМ) — используется для изучения внутреннего

строения клетки. Пучок электронов пропускается через объект, предварительно обработанный тяжелыми металлами, которые накапливаются в определенных структурах, увеличивая их электронную плотность. Электроны рассеиваются на участках клетки с большей электронной плотностью, в результате чего на изображениях эти области выглядят темнее.

Фракционирование клеток. Для установления функций отдельных компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, чаще всего это делается с помощью метода дифференциального центрифугирования. Разработаны методики, позволяющие получить чистые фракции любых клеточных органелл. Получение фракций начинается с разрушения плазмалеммы и образования гомогената клеток. Гомогенат последовательно центрифугируется при различных скоростях, на первом этапе можно получить четыре фракции: (1) ядер и крупных обломков клеток, (2) митохондрий, пластид, лизосом и пероксисом, (3) микросом — пузырьков аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума, (4) рибосом, в супернатанте останутся белки и более мелкие молекулы. Дальнейшее дифференциальное центрифугирование каждой из смешанных фракций позволяет получить чистые препараты органелл, к которым можно применять разнообразные биохимические и микроскопические методы.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

прокариоты (доядерные) — более простые по строению;

эукариоты (ядерные) — более сложные. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелѐные водоросли), и археи. Основное содержимое клетки, заполняющее весь еѐ объѐм, — вязкая зернистая

цитоплазма.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех)

— организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключѐн в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплѐнных изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином.

Строение эукариотической клетки. Схематическое изображение животной клетки.

Некоторые клетки, в основном растительные и бактериальные, имеют наружную клеточную стенку. У высших растений она состоит из целлюлозы. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.. У клеток животных клеточные стенки, как правило, отсутствуют.

Под клеточной стенкой растений расположена плазматическая мембрана или плазмалемма. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.

Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Плазматическая мембрана обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для

клетки среде. Она представляет собой двойной слой молекул (бимолекулярный слой, или бислой). В основном это молекулы фосфолипидов и других близких к ним веществ. Липидные молекулы имеют двойственную природу, проявляющуюся в том, как они ведут себя по отношению к воде. Головы молекул гидрофильные, т.е. обладают сродством к воде, а их углеводородные хвосты гидрофобны. Поэтому при смешивании с водой липиды образуют на ее поверхности пленку, аналогичную пленке масла; при этом все их молекулы ориентированы одинаково: головы молекул – в воде, а углеводородные хвосты – над ее поверхностью.

Вклеточной мембране два таких слоя, и в каждом из них головы молекул обращены наружу, а хвосты – внутрь мембраны, один к другому, не соприкасаясь таким образом с водой.

Кроме основных липидных компонентов, она содержит крупные белковые молекулы, которые способны «плавать» в липидном бислое и расположены так, что одна их сторона обращена внутрь клетки, а другая соприкасается с внешней средой. Некоторые белки находятся только на наружной или только на внутренней поверхности мембраны или лишь частично погружены в липидный бислой.

Основная функция клеточной мембраны заключается в регуляции переноса веществ в клетку и из клетки.

Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану:

Диффузия — проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Диффузный транспорт веществ осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры (вода, ионы), либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).

Облегченная диффузия — специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом, или молекулой и переносят их через мембрану.

Активный транспорт. Этот механизм сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными

белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Nа+/К+-насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Nа наружу, поглощая при этом ионы К+ .

Всочетании с активным транспортом ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Такая избирательная проницаемость физиологически очень важна, и ее отсутствие

–первое свидетельство гибели клетки. Это легко проиллюстрировать на примере свеклы. Если живой корень свеклы погрузить в холодную воду, то он сохраняет свой пигмент; если же свеклу кипятить, то клетки погибают, становятся легко проницаемыми и теряют пигмент, который и окрашивает воду в красный цвет.

Крупные молекулы типа белковых клетка может «заглатывать». Под влиянием некоторых белков, если они присутствуют в жидкости, окружающей клетку, в клеточной мембране возникает впячивание, которое затем смыкается, образуя пузырек – небольшую вакуоль, содержащую воду и белковые молекулы; после этого мембрана вокруг вакуоли разрывается, и содержимое попадает внутрь клетки. Такой процесс называется пиноцитозом (буквально «питье клетки»), или эндоцитозом.

Более крупные частички, например частички пищи, могут поглощаться аналогичным образом в ходе т.н. фагоцитоза. Как правило, вакуоль, образующаяся при фагоцитозе, крупнее, и пища переваривается ферментами лизосом внутри вакуоли до разрыва окружающей ее мембраны. Такой тип питания характерен для простейших, например для амеб, поедающих бактерий.

Экзоцитоз (экзо — наружу), благодаря нему, клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др..

Структура цитоплазмы.

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами», и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн),

которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому

ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки. Канальцы открываются и на поверхности клетки, и эндоплазматический ретикулум, таким образом, играет роль аппарата, через который внешняя среда может непосредственно взаимодействовать со всем содержимым клетки.

Крошечные тельца, называемые рибосомами, покрывают поверхность шероховатого эндоплазматического ретикулума, особенно вблизи ядра. Диаметр рибосом около 15 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой Их основная функция – синтез белков; к их поверхности прикрепляются матричная (информационная) РНК и аминокислоты, связанные с транспортными РНК. Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи)

представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы

(транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Лизосомы

Лизосомы (греч. «лизео» — растворяю, «сома» — тело) представляют собой небольшие округлые тельца. Эти мембранные органоиды клетки имеют овальную форму и диаметр 0,5 мкм Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Из-за своего разрушительного действия эти ферменты как бы «заперты» в лизосомах и высвобождаются только по мере надобности. Но если лизосома

повреждается от каких-либо внешних воздействий, то разрушается вся клетка или часть ее.

При внутриклеточном пищеварении ферменты выделяются из лизосом в пищеварительные вакуоли.

При голодании клетки лизосомы переваривают некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное переваривание обеспечивает клетке на какое-то время необходимый минимум питательных веществ.

Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов. Например, исчезновение хвоста у головастика лягушек происходит под действием ферментов лизосом.. В данном случае это нормально и полезно для организма, но иногда такое разрушение клеток носит патологический характер. Например, при вдыхании асбестовой пыли она может проникнуть в клетки легких, и тогда происходит разрыв лизосом, разрушение клеток и развивается легочное заболевание.

Ядро

Информационным центром клетки, местом хранения и воспроизводства наследственной информации, которая определяет все признаки данной клетки и организма в целом, является ядро. Удаление ядра из клетки, как правило, ведет к ее быстрой гибели. Форма и размеры ядра клетки очень изменчивый зависят от вида организма, а также от типа, возраста и функционального состояния клетки. Общий план

строения ядра одинаков у всех клеток эукариот. Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного матрикса (нуклеоплазмы), хроматина и ядрышка (одного или нескольких). От цитоплазмы содержимое ядра отделено двойной мембраной или так называемой ядерной оболочкой. Наружная мембрана в некоторых местах переходит в каналы эндоплазматического ретикулума; к ней прикреплены рибосомы. Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. . Этим определяется ведущая роль клеточного ядра в наследственности. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция— синтез молекул РНК на матрице ДНК. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Ядерная оболочка пронизана множеством пор, диаметр которых около 90 нм. Благодаря наличию пор, обеспечивающих избирательную проницаемость, ядерная оболочка контролирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой.

 

Цитоскелет

К элементам

цитоскелета относят белковые

фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания

формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, повидимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет, за исключением низших водорослей). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может

колебаться для разных организмов от 1 до 3.

Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.

Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путѐм синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.

Митохондрии

Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. В митохондриях протекает окисление органических веществ, сопряженное с синтезом

аденозинтрифосфата (АТФ). Распад АТФ с образованием аденозиндифосфата (АДФ) сопровождается выделением энергии, которая расходуется на различные процессы жизнедеятельности, например на синтез белков и нуклеиновых кислот, транспорт веществ внутрь клетки и из нее, передачу нервных импульсов или мышечное сокращение.

Митохондрии, таким образом, являются энергетическими станциями, перерабатывающими «топливо» – жиры и углеводы – в такую форму энергии, которая может быть использована клеткой, а следовательно, и организмом в целом.

Клетки живых организмов | Кинезиолог

Введение

 Самое ценное, что есть у человека — это его собственная жизнь и жизнь его близких. Самое ценное, что есть на Земле — это жизнь в целом. А в основе жизни, в основе всех живых организмов лежат клетки. Можно сказать, что жизнь на Земле имеет клеточное строение. Вот почему так важно знать, как устроены клетки. Строение клеток изучает цитология — наука о клетках. Но представление о клетках необходимо для хорошего понимания всех биологических дисциплин.

Что же такое клетка?

Определение понятия

Клетка — это структурная, функциональная и генетическая единица всего живого, содержащая наследственную информацию, состоящая из мембранной оболочки и цитоплазмы с органоидами, способная к поддержанию гомеостаза, обмену,  размножению и развитию. © 2015-2020 Сазонов В.Ф. © 2016-2020 kineziolog.su

Данное определение клетки является хотя и кратким, но достаточно полным. Оно отражает 3 стороны универсальности клетки: 1) структурную, т.е. как единицу строения,, 2) функциональную, т.е. как единицу деятельности, 3) генетическую, т.е. как единицу наследствености и смены поколений. Важной характеристикой клетки является наличие в ней наследственной информации в виде нуклеиновой кислоты — ДНК. Также определение отражает важнейшую черту строения клетки: наличие наружной мембраны (плазмолеммы), которая создаёт границу между клеткой и окружающей её средой. И, наконец, 4 важнейших признака жизни: 1) поддержание гомеостаза, т.е. постоянства внутренней среды в условиях её постоянного обновления, 2) обмен с внешней средой веществом, энергией и информацией (через клеточную мембрану), 3) способность к размножению, т.е. к самовоспроизведению, репродукции, 4) способность к развитию, т.е. к росту,  дифференцировке и формообразованию.

Более краткое, но неполное определение: Клетка — это элементарная (наименьшая и простейшая) единица жизни.

Более полное определение клетки:

Клетка — это ограниченная активной мембраной упорядоченная, структурированная система биополимеров, образующих цитоплазму, ядро и органоиды. Эта биополимерная система участвует в единой совокупности метаболических, энергетических и информационных процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Ткань — это совокупность клеток, сходных по строению, функциям и происхождению, совместно выполняющих общие функции. У человека в составе четырех основных групп тканей (эпителиальной, соединительной, мышечной и нервной) имеется около 200 различных видов специализированных клеток [Фалер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки: Руководство для врачей. / Пер. с англ. — М.: БИНОМ–Пресс, 2004. — 272 с.].

Ткани, в свою очередь, образуют органы, а органы — системы органов.

Живой организм начинается от клетки. Вне клетки жизни нет, вне клетки возможно только временное существование молекул жизни, например, в виде вирусов. Но для активного существования и размножения даже вирусам нужны клетки, пусть даже и чужие.

Строение клетки

 На рисунке, представленном ниже, даны схемы строения 6 биологических объектов. Проанилизируйте, какие из них можно считать клетками, а какие нельзя, согласно двум вариантам определения понятия «клетка».  Оформите свой ответ в виде таблички:

Название объекта Это клетка, потому что… Это не клетка, потому что… Примечание          
1 Животная клетка  имеет…              
2 Растительная клетка                
 3  …                

 

 

 

Видео: Строение клетки кратко

 
Строение клетки под электронным микроскопом
Мембрана

 Важнейшей универсальное структурой клетки является клеточная мембрана (синоним: плазмолемма), покрывающая клетку в виде тонкой плёнки. Мембрана регулирует отношения между клеткой и окружающей её средой, а именно: 1) она частично отделяет содержимое клетки от внешней среды, 2) связывает содержимое клетки с внешней средой.

Клеточная оболочка (=клеточная стенка, =целлюлозная оболочка)

Не следует путать тонкую клеточную мамбрану плазмолемму с толстой целлюлозной клеточной оболочкой, которая есть у растительных клеток. Мембрану не видно в световой микроскоп, она видна только под электронным микроскопом. А клеточную стенку видно уже под небольшим увеличением даже в школьные световые микроскопы (например, на препарате кожицы лука). И даже первооткрыватель клеток и создатель этого термина Роберт Гук смог увидеть её в свой ещё несовершенный световой микроскоп.

Клеточная оболочка состоит в основном из целлюлозы (=клетчатки). И этот материал наиболее удачно сочетает функцию опоры и защиты с процессом роста клетки. Также он обладает достаточно хорошей проницаемостью для обеспечения обмена между клеткой и внешней средой. Именно поэтому целлюлозная клеточная оболочка характерна почти для всех клеток в царстве растений. И, кстати, все хлопковые и льняные ткани, как и изделия из них, состоят как раз из целлюлозы клеточных оболочек. Корковые пробки, которыми укупоривают бутылки — тоже состоят из клеточных оболочек. Бумага — это тоже переработанные клеточные оболочки растительных клеток.

Ядро

Второй по значению и универсальности клеточной структурой является ядро. Оно есть не во всех клетках, в отличие от клеточной мембраы, поэтому мы и ставим его на второе место. В ядре находятся хромосомы, содержащие двойные нити ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Участки ДНК являются матрицами для построения информационных РНК, которые в свою очередь служат матрицами для построения в цитоплазме всех белков клетки. Таким образом, в ядре содержатся как бы «чертежи» строения всех белков клетки.

Цитоплазма

Это полужидкая внутренняя среда клетки, разделённая внутриклеточными мембранами на отсеки. Она обычно имеет цитоскелет для поддержания определённой формы и находится в постоянном движении. В цитоплазме находятся органоиды и включения.

Органоиды

На третье место можно поставить все остальные клеточные структуры, которые могут иметь собственную мембрану и называются органоидами.

Органоиды – это постоянные, обязательно присутствующие структуры клетки, выполняющие специфические функции и имеющие определенное строение. По строению органоиды можно разделить на две группы: мембранные, в состав которых обязательно входят мембраны, и немембранные. В свою очередь, мембранные органоиды могут быть одномембранными – если образованы одной мембраной и двумембранными – если оболочка органоидов двойная и состоит из двух мембран.

Включения

Включения — это непостоянные структуры клетки, которые появляются в ней и исчезают в процессе метаболизма. Различают 4 вида включений:  трофические (с запасом питательных веществ), секреторные (содержащие секрет), экскреторные (содержащие вещества «на выброс») и пигментные (содержащие пигменты — красящие вещества).

Клеточные структуры, включая органоиды (

подробнее)

Включения. Они не относятся к органоидам. Включения — это непостоянные структуры клетки, которые появляются в ней и исчезают в процессе метаболизма. Различают 4 вида включений: трофические (с запасом питательных веществ), секреторные (содержащие секрет), экскреторные (содержащие вещества «на выброс») и пигментные (содержащие пигменты — красящие вещества).

  1. Мембрана (плазмолемма).
  2. Ядро с ядрышком.
  3. Эндоплазматическая сеть: шероховатая (гранулярная) и гладкая (агранулярная).
  4. Комплекс (аппарат) Гольджи.
  5. Митохондрии.
  6. Рибосомы.
  7. Лизосомы. Лизосомы (от гр. lysis — «разложение, растворение, распад» и soma — «тело») — это пузырьки диаметром 200—400 мкм.
  8. Пероксисомы. Пероксисомы — это микротельца (пузырьки-везикулы) 0,1-1,5 мкм в диаметре, окружённые мембраной.
  9.  Протеасомы. Протеасомы – специальные органоиды для разрушения белков.
  10. Сферосомы. Только в растительных клетках. Содержат скопления гидролитических ферментов, липидов, ароматических аминокислот. Основная функция — синтез липидов.
  11. Фагосомы.
  12. Микрофиламенты. Каждый микрофиламент — это двойная спираль из глобулярных молекул белка актина. Поэтому содержание актина даже в немышечных клетках достигает 10% от всех белков.
  13. Промежуточные филаменты. Являются компонентом цитоскелета. Они толще микрофиламентов и имеют тканеспецифическую природу:
  14. Микротрубочки. Микротрубочки образуют в клетке густую сеть. Стенка микротрубочки состоит из одного слоя глобулярных субъединиц белка тубулина. На поперечном срезе видно 13 таких субъединиц, образующих кольцо.
  15. Клеточный центр.
  16. Пластиды.
  17. Вакуоли. Вакуоли – одномембранные органоиды. Они представляют собой мембранные «ёмкости», пузыри, заполненные водными растворами органических и неорганических веществ.
  18. Реснички и жгутики (специальные органоиды). Состоят из 2-х частей: базального тельца, расположенного в цитоплазме и аксонемы — выроста над поверхностью клетки, который снаружи покрыт мембраной. Обеспечвают движение клетки или движение среды над клеткой.

 Источник: http://meduniver.com/Medical/gistologia/24.html MedUniver

 

Видеолекция. В.Ф. Сазонов: Функционирование клетки. Общие представления о жизнедеятельности клетки живого организма

ы

 

 Видео: Внутренняя жизнь клетки (на рус.языке)

1. Видео по теме лекции: Одноклеточность

 2. Видеолекция: Клеточное строение организма

3. Видео: Строение клетки (на английском языке с русскими субтитрами). Рекомендуется для продвинутого уровня.

Видеолекция: Цитология. Сазонов С.В. — зав. кафедрой гистологии УГМУ, д.м.н., профессор

Видео: Клетки тела

Видео: Знакомство с клетками тела

4. Видео: Исторический подход к понятию «клетка» (для самостоятельного просмотра)

 

Видео: Органоиды клетки

 

 Видеолекция: Строение клетки, органоиды

 

 5. Видео: Обзор строения клетки: Разнообразие клеток человека (рекомендуется к просмотру в конце курса Цитологии для закрепления и расширения полученных ранее знаний)

Лектор: Егоров Егор Евгеньевич, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН

 Митоз и мейоз — текст лекции

Дополнительные материалы

Видеолекция по цитологии. Читает Сазонов С.В. — зав. кафедрой УГМУ, д.м.н., профессор. Перейти

 

Видеолекция: Биология клетки. д.б.н. Е. Шеваль

Содержание видео: 0:10 Наука о клетке 10:40 Плазматическая мембрана 25:10 Клеточные органеллы 34:15 Компактизованный геном 46:25 Живая клетка 55:10 Размножение клеток 1:08:00 Общение клеток 1:17:15 Гибель клеток 1:31:15 Межклеточное вещество 1:44:48 Ткани животных

клеточных структур и их три основные функции

Микроскопические контейнеры, известные как клетки , являются основными единицами живых существ на Земле. Каждый из них может похвастаться всеми характеристиками, которые ученые приписывают жизни. Фактически, некоторые живые существа состоят только из одной клетки. С другой стороны, ваше собственное тело имеет около 100 триллионов.

Почти все одноклеточные организмы представляют собой прокариот , и в общей схеме классификации жизни они принадлежат либо к домену бактерий, либо к домену архей.Люди, наряду со всеми другими животными, растениями и грибами, составляют эукариот .

Эти крошечные структуры выполняют те же задачи в масштабе «микро», чтобы сохранить себя неповрежденными, что вы и другие полноразмерные организмы выполняете в масштабе «макро», чтобы оставаться в живых. И очевидно, что если достаточное количество отдельных клеток не справляется с этими задачами, родительский организм потерпит неудачу вместе с этим.

Структуры внутри ячеек имеют индивидуальные функции, и в целом, независимо от структуры, они могут быть сокращены до трех основных задач: физический интерфейс или граница с определенными молекулами; систематические средства доставки химикатов внутрь, вдоль или из конструкции ; и специфическая, уникальная метаболическая или репродуктивная функция .

Прокариотические клетки против эукариотических клеток

Как уже упоминалось, хотя клетки обычно рассматриваются как крошечные компоненты живых существ, многие клетки — это живых существ.

Бактерии, которых нельзя увидеть, но они определенно дают почувствовать свое присутствие в мире (например, некоторые вызывают инфекционные заболевания, другие способствуют правильному старению таких продуктов, как сыр и йогурт, а третьи играют роль в поддержании здоровья пищеварительного тракта человека. ), являются примером одноклеточных организмов и прокариот.

Прокариотические клетки имеют ограниченное количество внутренних компонентов по сравнению с их эукариотическими аналогами. К ним относятся клеточная мембрана , рибосомы , дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и цитоплазма , четыре основные характеристики всех живых клеток; они подробно описаны ниже.

Бактерии также имеют клеточные стенки за пределами клеточной мембраны для дополнительной поддержки, а некоторые из них также имеют структуры, называемые жгутиками, плетевидные конструкции, состоящие из белка и помогающие организмам, к которым они прикреплены, перемещаться в окружающей среде.

Эукариотические клетки имеют множество структур, которых нет у прокариотических клеток, и, соответственно, эти клетки обладают более широким спектром функций. Возможно, наиболее важными являются ядро ​​ и митохондрии .

Клеточные структуры и их функции

Прежде чем углубляться в то, как отдельные клеточные структуры выполняют эти функции, полезно рассмотреть, что это за структуры и где их можно найти. Первые четыре структуры в следующем списке являются общими для всех ячеек в природе; другие обнаруживаются у эукариот, и если структура обнаруживается только в определенных эукариотических клетках, эта информация отмечается.

Клеточная мембрана: Это также называется плазматической мембраной , но это может вызвать путаницу, потому что эукариотические клетки на самом деле имеют плазматические мембраны вокруг своих органелл , многие из которых подробно описаны ниже. Он состоит из фосфолипидного бислоя или двух идентично сконструированных слоев, обращенных друг к другу в «зеркальном отображении». Это настолько же динамичная машина, насколько и простое препятствие.

Цитоплазма: Эта гелеобразная матрица представляет собой вещество, в котором находятся ядра, органеллы и другие клеточные структуры, как кусочки фруктов в классическом желатиновом десерте.Вещества перемещаются через цитоплазму путем диффузии или из областей с более высокой концентрацией этих веществ в области с более низкой концентрацией.

Рибосомы: Эти структуры, которые не имеют собственных мембран и поэтому не считаются настоящими органеллами, являются участками синтеза белка в клетках и сами состоят из белковых субъединиц. У них есть «док-станции» для рибонуклеиновой кислоты (мРНК), которая несет инструкции ДНК из ядра, и аминокислот, «строительных блоков» белков.

ДНК: Генетический материал клетки находится в цитоплазме прокариотических клеток, но в ядрах (множественное число от «ядра») эукариотических клеток. Состоящая из мономеров, то есть повторяющихся субъединиц, называемых нуклеотидами , из которых существует четыре основных типа, ДНК упакована вместе с поддерживающими белками, называемыми гистонами, в длинное волокнистое вещество, называемое хроматином , которое само разделено на хромосомы. у эукариот.

Органеллы эукариотических клеток

Органеллы представляют собой прекрасные примеры клеточных структур, которые служат различным, необходимым и уникальным целям, основанным на поддержании транспортных механизмов, которые, в свою очередь, зависят от того, как эти структуры физически связаны с остальной частью клетки.

Митохондрии , пожалуй, самые выдающиеся молекулы с точки зрения как их отличительного внешнего вида под микроскопом, так и их функции, заключающейся в использовании продуктов химических реакций, расщепляющих глюкозу в цитоплазме, для извлечения большого количества аденозинтрифосфата. (АТФ) до тех пор, пока присутствует кислород. Это известно как клеточное дыхание и происходит в основном на митохондриальной мембране.

Другие ключевые органеллы включают эндоплазматический ретикулум , своего рода клеточную «магистраль», которая упаковывает и перемещает молекулы между рибосомами, ядром, цитоплазмой и внешней частью клетки. Тела Гольджи , или «диски», которые отламываются от эндоплазматической сети, как маленькие такси. Лизосомы , которые представляют собой полые сферические тела, которые расщепляют продукты жизнедеятельности, образующиеся в ходе метаболических реакций клетки.

Плазменные мембраны являются привратниками клеток

Три функции клеточной мембраны — сохранение целостности самой клетки, служащая полупроницаемой мембраной, через которую могут проходить небольшие молекулы, и облегчая активный транспорт веществ с помощью встроенных «насосов». в мембране.

Молекулы, составляющие каждый из двух слоев мембраны, представляют собой фосфолипидов , которые имеют гидрофобные «хвосты» из жира, обращенные внутрь (и, следовательно, друг к другу), и гидрофильные фосфорсодержащие «головки», обращенные наружу. (и это по направлению к внутренней и внешней стороне самой органеллы или, в случае собственно клеточной мембраны, внутри и снаружи самой клетки).

Они являются линейными и перпендикулярными общей листовой структуре мембраны в целом.

Более пристальный взгляд на фосфолипиды

Фосфолипиды расположены достаточно близко друг к другу, чтобы не допустить попадания токсинов или больших молекул, которые могут повредить внутренние органы, если им будет предоставлен проход. Но они расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы позволить малым молекулам, необходимым для метаболических процессов, таким как вода, глюкоза (сахар, который все клетки используют для получения энергии) и нуклеиновые кислоты (которые используются для создания нуклеотидов и, таким образом, ДНК и АТФ, «энергетической валюты»). во всех камерах).

Мембрана имеет «насосы», встроенные в фосфолипиды, которые используют АТФ для ввода или вывода молекул, которые обычно не проходят через них либо из-за их размера, либо из-за того, что их концентрация выше на той стороне, куда молекулы перекачиваются. .Этот процесс назвал активным транспортом .

Ядро — это мозг клетки

Ядро каждой клетки содержит полную копию всей ДНК организма в виде хромосом; у человека 46 хромосом, 23 из которых унаследованы от каждого родителя. Ядро окружено плазматической мембраной, называемой ядерной оболочкой .

Во время процесса, называемого митозом , ядерная оболочка растворяется, и ядро ​​делится на две части после того, как все хромосомы скопированы или реплицированы.

За этим вскоре следует деление всей клетки, процесс, известный как цитокинез . Это приводит к созданию двух дочерних клеток, которые идентичны друг другу, а также родительской клетке.

Молекулярные выражения Биология клетки: ядро ​​клетки

Клеточное ядро ​​

Ядро — это узкоспециализированная органелла, которая служит центром обработки информации и административным центром клетки.Эта органелла выполняет две основные функции: она хранит наследственный материал клетки, или ДНК, и координирует деятельность клетки, включая рост, промежуточный метаболизм, синтез белка и воспроизводство (деление клетки).

Только клетки продвинутых организмов, известные как эукариот , имеют ядро. Обычно на клетку приходится только одно ядро, но есть исключения, такие как клетки слизистой плесени и группа водорослей Siphonales .Более простые одноклеточные организмы ( прокариот, ), такие как бактерии и цианобактерии, не имеют ядра. У этих организмов вся информационная и административная функции клетки рассредоточены по цитоплазме.

Сферическое ядро ​​обычно занимает около 10 процентов объема эукариотической клетки, что делает его одной из наиболее заметных особенностей клетки. Двухслойная мембрана, ядерная оболочка, отделяет содержимое ядра от цитоплазмы клетки.Оболочка пронизана отверстиями, называемыми ядерными порами, которые позволяют молекулам определенного типа и размера проходить туда и обратно между ядром и цитоплазмой. Он также прикреплен к сети канальцев и мешочков, называемой эндоплазматической сетью, где происходит синтез белка, и обычно усеян рибосомами (см. Рисунок 1).

Полужидкий матрикс, находящийся внутри ядра, называется нуклеоплазмой. В нуклеоплазме большая часть ядерного материала состоит из хроматина, менее конденсированной формы клеточной ДНК, которая формирует хромосомы во время митоза или деления клетки.Ядро также содержит одно или несколько ядрышек, органелл, которые синтезируют белковые макромолекулярные сборки, называемые рибосомами, и множество других более мелких компонентов, таких как тельца Кахаля, GEMS (Близнецы из спиральных тел) и кластеры межхроматиновых гранул.

Хроматин и хромосомы — Внутри ядра каждой клетки человека находится почти 6 футов ДНК, которая разделена на 46 отдельных молекул, по одной для каждой хромосомы, каждая примерно по одной.5 дюймов в длину. Упаковать весь этот материал в микроскопическое ядро ​​клетки — выдающееся достижение в области упаковки. Чтобы ДНК функционировала, ее нельзя втиснуть в ядро, как клубок. Вместо этого он объединен с белками и организован в точную компактную структуру — плотное нитевидное волокно, называемое хроматином.

Ядрышко — Ядрышко — это безмембранная органелла в ядре, которая производит рибосомы, структуры клетки, производящие белок.Под микроскопом ядрышко выглядит как большое темное пятно внутри ядра. Ядро может содержать до четырех ядрышек, но внутри каждого вида количество ядрышек фиксировано. После деления клетки ядрышко образуется, когда хромосомы объединяются в организующие области ядрышка. Во время деления клетки ядрышко исчезает. Некоторые исследования предполагают, что ядрышко может участвовать в старении клеток и, следовательно, может влиять на старение организма.

Ядерная оболочка — Ядерная оболочка представляет собой двухслойную мембрану, которая охватывает содержимое ядра на протяжении большей части жизненного цикла клетки.Пространство между слоями называется околоядерным пространством и, по-видимому, связано с шероховатой эндоплазматической сетью. Оболочка перфорирована крошечными отверстиями, называемыми ядерными порами. Эти поры регулируют прохождение молекул между ядром и цитоплазмой, позволяя некоторым молекулам проходить через мембрану, но не другим. На внутренней поверхности есть белковая оболочка, называемая ядерной пластиной, которая связывается с хроматином и другими ядерными компонентами. Во время митоза или деления клетки ядерная оболочка распадается, но восстанавливается, когда две клетки завершают свое формирование, и хроматин начинает распадаться и рассеиваться.

Ядерные поры — Ядерная оболочка перфорирована отверстиями, называемыми ядерными порами. Эти поры регулируют прохождение молекул между ядром и цитоплазмой, позволяя некоторым молекулам проходить через мембрану, но не другим. Строительные блоки для построения ДНК и РНК допускаются в ядро, а также в молекулы, которые обеспечивают энергию для создания генетического материала.

НАЗАД К СТРУКТУРЕ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ

НАЗАД К СТРУКТУРЕ КЛЕТКИ ЗАВОДА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2021, автор —
Майкл В. Дэвидсон
и Государственный университет Флориды.
Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Счетчик доступа с 1 октября 2000 г .: 1660344
Микроскопы предоставлены:

Все, что вам нужно знать о ячейке и ее частях

Клетка, являющаяся основной структурной, функциональной и биологической единицей всех живых организмов; это самая маленькая единица жизни. Они также считаются «кирпичиками жизни».

Человеческое тело содержит от 30 до 40 триллионов клеток. Большинство клеток человеческого тела — это красные кровяные тельца, которые составляют более 80 процентов, но на них приходится лишь около 4 процентов общей массы тела, поскольку их диаметр составляет всего 8 микрометров.

Клетка и ее части

Средний размер жировой клетки составляет приблизительно 100 микрометров, что составляет почти 19 процентов массы тела и менее 0,2 процента от общего числа клеток.Это открытие клетки в основном приписывают Роберту Гуку.

Спустя столетие среди ученых существовало множество мнений о клетках. Большинство дискуссий посвящено характеристикам клеточной регенерации и знанию клеток как фундаментальной единицы жизни. В конечном итоге клеточная теория была сформулирована в 1839 году, и ее приписывают Матиасу Шлейдену и Теодору Шванну. Хотя другие ученые, такие как Рудольф Вирхов, тоже внесли свой вклад.

(Подробнее — Культура клеток-Как выращивать клетки в лаборатории?)

Функции ячейки

  1. Организмы состоят из клеток, где некоторые специфические клетки, предназначенные для структурной поддержки, хотя это типичная функция, выполняется почти всеми клетками.
  2. Клеткам требуются питательные вещества для различных биохимических процессов, которые в дальнейшем приводят к образованию отходов, например. Кислород, углекислый газ и этанол, как и более мелкие молекулы, проходят через клеточную мембрану посредством простой диффузии, которая регулируется градиентом концентрации. В этом процессе не используются АТФ, и он называется пассивным транспортом. В то время как более крупные молекулы, такие как белки, проходят через клеточную мембрану посредством процесса, называемого активным транспортом.
  3. Метаболические реакции могут быть катаболическими или анаболическими.Производство энергии путем расщепления молекул называется катаболизмом, тогда как в анаболических реакциях энергия используется для производства сложных веществ из более простых.
  4. Размножение, являясь жизненно важным процессом, может осуществляться клетками посредством процессов митоза и мейоза. Митоз включает деление клеток с образованием новых клеток, что называется бесполым размножением. Мейоз возникает в гаметах или репродуктивных клетках. Это называется половым размножением.

Типы ячеек

  1. Прокариоты — это организмы без клеточного ядра.Это организмы, клетки которых расположены в сложных структурах с внутренними мембранами и цитоскелетом. Самая отличительная мембраносвязанная структура — это ядро; Таким образом, было дано имя прокариот .
  2. Наиболее фундаментальное отличие состоит в том, что эукариот организмов имеют (Eu) истинное ядро, содержащее их ДНК. Генетический материал, присутствующий в прокариотах , не является мембраносвязанным.

Типы клеток — прокариоты и эукариоты

  • В эукариотах есть митохондрии и хлоропласты, которые выполняют различные метаболические процессы и, как считается, произошли от эндосимбиотических бактерий.
  • Клеточные стенки прокариот обычно продуцируются пептидогликаном по сравнению с клеточными стенками эукариот . Многие эукариоты не имеют клеточной стенки.
  • Прокариоты меньше по размеру по сравнению с эукариотическими клетками . Прокариоты имеют более высокую скорость метаболизма, более высокую скорость роста и более короткое время генерации.
  • Прокариоты содержат только одну петлю стабильной хромосомной ДНК, присутствующей в области, называемой нуклеоидом, тогда как ДНК эукариотов находится на прочно связанных хромосомах. Хотя некоторые из эукариот, имеют сателлитные структуры ДНК, называемые плазмидами, что считается ключевым признаком прокариот; характерные гены у прокариот присутствуют на плазмидах.
  • Прокариоты имеют очень сжатые геномы, чем эукариот ; потому что генов прокариот лишены интронов, и между генами присутствуют большие некодирующие области. Prokaryote Гены также экспрессируются как опероны (группы), а не индивидуально, что обычно наблюдается у эукариот .

Сотовая организация

Клетка человека имеет плазматическую мембрану , ядро ​​n и итоплазму c .

  1. Плазматическая мембрана , которая окружает клетку и сохраняет ее целостность, регулирует прохождение молекул через клетку . Это бислой фосфолипидов, который считается полупроницаемым, поскольку он позволяет определенным молекулам проходить в клетке .
    Плазматическая мембрана
  2. Ядро расположено в центре, что можно наблюдать под микроскопом. Ядро состоит из хромосом и является центром управления метаболическими функциями и структурными особенностями клетки .Ядрышко — это область внутри ядра. Цитоплазма — это область между ядром и плазматической мембраной .
  3. Цитоплазма представляет собой полужидкую среду, содержащую воду и другие типы растворенных молекул. Полужидкая природа цитоплазмы обусловлена ​​наличием белков. Цитоплазма состоит из различных органелл меньшего размера, выполняющих определенную функцию. Органеллы образуют отсеки в ячейке для разделения различных клеточных активностей друг от друга.

Клетки имеют цитоскелет, который в основном представляет собой сеть взаимосвязанных нитей и микротрубочек, присутствующих в цитоплазме. Элементы цитоскелета поддерживают форму клеток , а также позволяют мобилизовать клетку и ее содержимое. (реснички и жгутики)

Плазменная мембрана — внешний слой клетки

Клетки окружены внешней плазматической мембраной. Плазматическая мембрана разделяет внутреннюю часть клетки , которая называется цитоплазмой. Важна целостность плазматической мембраны; это фосфолипидный бислой , который содержит прикрепленные (периферические) или встроенные (интегральные) белки.

Молекула фосфолипида имеет полярную по природе голову и неполярные хвосты. Заряжаемые полярные головы гидрофильны (водолюбивы) и обращены к водной среде.

Неполярные хвосты гидрофобны (боятся воды) и обращены к участку без воды. Когда фосфолипиды находятся в воде, они образуют сферический бислой из-за химических свойств головок и хвостов. При температуре тела бислой фосфолипидов находится в жидком состоянии.

Модель жидкой мозаики предполагает, что молекулы белка имеют изменяющуюся структуру внутри жидкого фосфолипидного бислоя. Наши плазматические мембраны также содержат молекулы холестерина, которые стабилизируют фосфолипидный бислой и предотвращают резкое снижение текучести при более низких температурах.

Цепи сахаров прикреплены к внешним поверхностям некоторых гликопротеинов и гликолипидов. Эти конкретные углеводные цепи помечают ячейку как подходящую для конкретного человека. (что может быть проблемой при отторжении при пересадке органа).

Некоторые гликопротеины имеют определенное подтверждение, которое позволяет им служить рецептором. Некоторые интегральные белки образуют каналы, по которым определенные молекулы могут проходить через клетки и помогают в транспортных процессах.

Ядро является важной структурой в человеческих клетках . Это очень важно, потому что в нем хранится генетическая информация, которая дает характеристики тела и его метаболические функции. Каждые клеток содержат копию генетической информации, но в каждой клетке типа одни гены экспрессируются, а другие репрессируются.

Активированная ДНК с мРНК контролирует синтез белка. Когда кто-то наблюдает за ядром через электронную микрофотографию, можно увидеть хроматин, который содержит ДНК и некоторые белки, а также некоторые РНК. Хроматин скручивается и превращается в хромосомы. Хроматин — это погруженная нуклеоплазма.

Ядро отличается от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая является продолжением эндоплазматической сети. Ядерная оболочка имеет ядерные поры, позволяющие белку проникать в ядро ​​и рибосомным субъединицам из ядра.

Двойная мембрана ядерной оболочки окружает и содержит клеточную ДНК и служит защитой для генетической информации, содержащейся внутри.

Рибосомы состоят из двух субъединиц, одна большая, а другая маленькая; каждая субъединица имеет свой собственный набор белков и рРНК. Синтез белка происходит на рибосомах .

Рибосомы

Рибосомы находятся в цитоплазме свободно либо по отдельности, либо в составе полирибосом (группы). Белки, продуцируемые рибосомами , прикрепленными к эндоплазматическому ретикулуму , могут далее секретироваться из клетки .

В состав эндомембранной системы входят:

1- Ядерная оболочка,

2- Эндоплазматическая сеть,

3- Аппарат Гольджи,

4- лизосомы и

5- Везикулы.

Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматическая сеть (ER) представляет собой сложную систему, состоящую из мембранных каналов и мешочков, которые сплющены и продолжаются с внешней мембраной ядерной оболочки. Rough ER покрыт рибосомами, обращенными к цитоплазме.

Эндоплазматическая сеть

Гладкий ER , будучи непрерывным с грубым ER , не имеет прикрепленных рибосом. Smooth ER синтезирует фосфолипиды, присутствующие в мембранах.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи назван в честь Камилло Гольджи , того, кто обнаружил его присутствие в 1898 году.Аппарат Гольджи состоит из 3-20 слегка изогнутых мешочков. В животных клетках одна сторона стопки обращена к ER , а другая сторона обращена к плазматической мембране . Пузырьки видны по краям мешочков.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи содержит определенные ферменты, которые изменяют белки и липиды.Везикулы, выходящие из аппарата Гольджи, перемещаются в другие части внутри ячейки . Некоторые везикулы переходят к плазматической мембране, где они высвобождают свое содержимое. Другие пузырьки, выходящие из аппарата Гольджи, — лизосомы.

Лизосомы

Лизосомы — это мембранные мешочки, образованные аппаратом Гольджи, который содержит гидролитические пищеварительные ферменты. Иногда, когда более крупные молекулы помещаются в клетку и когда лизосома сливается с ними, ее содержимое переваривается лизосомными ферментами в более простые субъединицы, которые затем попадают в цитоплазму.

Анатомия лизосомы: гидролитические ферменты, мембраны и транспортные белки.

Около частей клетки перевариваются собственной лизосомой, что называется самовоспламенением. Это важно в процессе разработки. Например. Пальцы человеческого эмбриона перепончатые на начальной стадии, но они освобождены друг от друга из-за лизосомного действия. Болезнь Тея-Сакса — это нарушение обмена веществ с участием неактивного лизосомального фермента в нервных клетках .

Пероксисомы и вакуоли

Пероксисомы на самом деле не являются частью эндомембранной системы , но они очень похожи на лизосомы по структуре. Это везикулы, похожие на лизосомы, содержащие ферменты. Ферменты пероксисомы служат для детоксикации наркотиков, алкоголя и других потенциальных токсинов. В печени и почках содержится большое количество пероксисом, поскольку эти органы помогают очищать кровь.Пероксисомы также расщепляют жирные кислоты, чтобы жиры могли метаболизироваться. Вакуоли присутствуют в человеческих клетках .

Митохондрии — электростанции клетки

Размер и форма митохондрий могут различаться, хотя они ограничены двойной мембраной. Внутренняя мембрана изогнута, образуя маленькие части, называемые кристами , которые выступают в матрицу, заполненную гелеобразной жидкостью.

Митохондрии

Митохондрии называют электростанциями клетки , поскольку митохондрии преобразуют химическую энергию углеводов в химическую энергию молекул АТФ. Для этого процесса митохондрии используют кислород и выделяют углекислый газ и воду. Таким образом, можно сказать, что митохондрий осуществляют клеточного дыхания .

Части переваренных углеводов, белков и липидов попадают в митохондриальный матрикс.Матрица содержит ферменты, метаболизирующие фрагменты до углекислого газа и воды. Выделяемая энергия используется для производства АТФ в кристах.

Цитоскелет помогает поддерживать форму клетки

Нитчатые белковые структуры образуют цитоскелет, который помогает поддерживать форму клетки и закрепляет органеллы. Цитоскелет включает микротрубочки, промежуточные филаменты и актиновые филаменты.

Микротрубочки представляют собой полую цилиндрическую структуру, стенка которой состоит из 13 продольных рядов глобулярного белкового тубулина.Микротрубочки можно собирать и разбирать. Его сборка регулируется центросомой около ядра. Центросома содержит центриоли.

Микротрубочки помогают поддерживать форму клетки и действуют как дорожки, по которым движутся органеллы. Например. Во время деления клетки микротрубочки образуют волокна веретена, которые помогают перемещению хромосом.

Промежуточные волокна прочные и устойчивы к нагрузкам и часто образуют ячеек соединений между ячейками.Нити актина длинные и очень тонкие, собраны в пучки.

Центриоли

Центриоли — короткие цилиндры. Каждая ячейка имеет пару центриолей в центросоме, и члены каждой пары центриолей расположены под прямым углом друг к другу. Перед делением клетки центриоли дублируются, и члены новой пары также располагаются под прямым углом.

Строение центриолей.

Во время деления клеток пары центриолей разделяются, так что каждая дочерняя клетка получает одну центросому.Центриоли участвуют в формировании веретенообразного аппарата в процессе деления клеток .

Одиночная центриоль образует опорную точку для каждой отдельной реснички или жгутика. Базальные тела осуществляют образование как ресничек, так и жгутиков.

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики выступающие. Реснички короче жгутиков . Клетки , которые имеют реснички или жгутики, способны к самодвижению или перемещению материала по поверхности.Например. сперматозоиды перемещаются посредством жгутиков. Клетки, выстилающие дыхательные пути, реснитчатые.

Реснички и жгутики

Эти реснички сметают остатки слизи обратно в глотку. Внутри маточных труб женщины реснитчатые клетки перемещают яйцеклетку к матке.

Связанные

Структурная организация человеческого тела — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите строение человеческого тела с точки зрения шести уровней организации
  • Перечислите одиннадцать систем органов человеческого тела и укажите по крайней мере один орган и одну основную функцию каждого из них.

Прежде чем вы начнете изучать различные структуры и функции человеческого тела, полезно рассмотреть его базовую архитектуру; то есть, как его самые маленькие части собираются в более крупные конструкции.Структуры тела удобно рассматривать с точки зрения фундаментальных уровней организации, которые усложняются: субатомные частицы, атомы, молекулы, органеллы, клетки, ткани, органы, системы органов, организмы и биосфера ((рисунок)).

Уровни структурной организации человеческого тела

Организацию тела часто обсуждают с точки зрения шести различных уровней возрастающей сложности, от мельчайших химических строительных блоков до уникального человеческого организма.

Уровни организации

Чтобы изучить химический уровень организации, ученые рассматривают простейшие строительные блоки материи: субатомные частицы, атомы и молекулы. Вся материя во Вселенной состоит из одного или нескольких уникальных чистых веществ, называемых элементами, знакомыми примерами которых являются водород, кислород, углерод, азот, кальций и железо. Самая маленькая единица любого из этих чистых веществ (элементов) — атом. Атомы состоят из субатомных частиц, таких как протон, электрон и нейтрон.Два или более атома объединяются в молекулу, такую ​​как молекулы воды, белков и сахаров, которые содержатся в живых существах. Молекулы — это химические строительные блоки всех структур тела.

Клетка — наименьшая самостоятельно функционирующая единица живого организма. Даже бактерии, которые являются чрезвычайно маленькими, независимо живущими организмами, имеют клеточную структуру. Каждая бактерия — это отдельная клетка. Все живые структуры анатомии человека содержат клетки, и почти все функции физиологии человека выполняются в клетках или инициируются клетками.

Клетка человека обычно состоит из гибких мембран, которые окружают цитоплазму, клеточную жидкость на водной основе вместе с множеством крошечных функциональных единиц, называемых органеллами. У человека, как и у всех организмов, клетки выполняют все жизненные функции. Ткань — это группа из множества похожих клеток (хотя иногда состоит из нескольких связанных типов), которые работают вместе для выполнения определенной функции. Орган — это анатомически отличная структура тела, состоящая из двух или более типов тканей. Каждый орган выполняет одну или несколько определенных физиологических функций.Система органов — это группа органов, которые работают вместе для выполнения основных функций или удовлетворения физиологических потребностей организма.

Эта книга охватывает одиннадцать различных систем органов человеческого тела ((Рисунок) и (Рисунок)). Отнесение органов к системам органов может быть неточным, поскольку органы, которые «принадлежат» одной системе, могут также выполнять функции, являющиеся неотъемлемой частью другой системы. Фактически, большинство органов участвуют более чем в одной системе.

Системы органов человеческого тела

Органы, которые работают вместе, сгруппированы в системы органов.

Системы органов человеческого тела (продолжение)

Органы, которые работают вместе, сгруппированы в системы органов.

Уровень организма — это высший уровень организации. Организм — это живое существо, имеющее клеточную структуру и способное самостоятельно выполнять все физиологические функции, необходимые для жизни. В многоклеточных организмах, включая человека, все клетки, ткани, органы и системы органов тела работают вместе, чтобы поддерживать жизнь и здоровье организма.

Обзор главы

Жизненные процессы человеческого тела поддерживаются на нескольких уровнях структурной организации. К ним относятся химический, клеточный, тканевый, орган, система органов и уровень организма. Более высокие уровни организации строятся из более низких уровней. Следовательно, молекулы объединяются, чтобы сформировать клетки, клетки объединяются, чтобы сформировать ткани, ткани объединяются, чтобы сформировать органы, органы объединяются, чтобы сформировать системы органов, а системы органов объединяются, чтобы сформировать организмы.

Обзорные вопросы

Самая маленькая самостоятельно функционирующая единица организма — это ________.

  1. ячейка
  2. молекула
  3. орган
  4. ткань

Совокупность похожих тканей, выполняющих определенную функцию, ________.

  1. орган
  2. органелла
  3. организм
  4. Органная система

За структурную поддержку и движение отвечает система тела ________.

  1. сердечно-сосудистая система
  2. эндокринная система
  3. мышечная система
  4. костная система

КРИТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МЫШЛЕНИЯ

Назовите шесть уровней организации человеческого тела.

Химический, клеточный, тканевый, орган, система органов, организм.

Частью какой системы организма являются женские яичники и мужские семенники? Могут ли эти органы быть членами более чем одной системы органов? Почему или почему нет?

Женские яичники и мужские семенники являются частями репродуктивной системы. Но они также секретируют гормоны, как и эндокринная система, поэтому яичники и семенники функционируют как в эндокринной, так и в репродуктивной системах.

Глоссарий

ячейка
наименьшая самостоятельно функционирующая единица из всех организмов; у животных клетка содержит цитоплазму, состоящую из жидкости и органелл
орган
Функционально отличная структура, состоящая из двух или более типов тканей
Система органов
Группа органов, которые работают вместе для выполнения определенной функции
организм
живое существо, имеющее клеточную структуру и способное самостоятельно выполнять все физиологические функции, необходимые для жизни
ткань
Группа подобных или близкородственных клеток, которые действуют вместе для выполнения определенной функции

Институт Аллена передал исследователям светящиеся стволовые клетки человека: выстрелы

В кластере светящихся стволовых клеток человека делится одна клетка.Клеточная мембрана показана фиолетовым цветом, а ДНК в делящемся ядре — синим. Белые волокна, соединяющие ядро, представляют собой веретена, которые помогают в делении клеток.

Институт клеточных исследований Аллена


скрыть подпись

переключить подпись

Институт клеточных исследований Аллена

В скоплении светящихся стволовых клеток человека делится одна клетка.Клеточная мембрана показана фиолетовым цветом, а ДНК в делящемся ядре — синим. Белые волокна, соединяющие ядро, представляют собой веретена, которые помогают в делении клеток.

Институт клеточных исследований Аллена

Некоммерческая исследовательская группа предлагает ученым новый способ изучения тайной жизни человеческих клеток.

В среду Институт клеточных исследований Аллена предоставил доступ к коллекции живых стволовых клеток, которые были генетически изменены, чтобы внутренние структуры, такие как ядро ​​и митохондрии, светились.

«Особенность этих клеток заключается в том, что они являются нормальными, здоровыми клетками, за которыми мы можем следить и видеть, что делает клетка, когда ее оставляют в покое», — говорит Сюзанна Рафельски, директор по разработке анализов в институте. Она говорит, что под микроскопом «на них приятно смотреть».

Делящиеся клетки

Слева : Покадровый фильм с большим увеличением показывает движущиеся и делящиеся ядра светящихся стволовых клеток человека. Ядро содержит большую часть ДНК клетки. Справа : Ядра внутри колонии стволовых клеток.

Изначально клетки происходили из кожи. Но они могут стать разными типами клеток, включая клетки сердца и мозга.

И они могут помочь ученым ответить на основные вопросы о том, как клетки специализируются в процессе своего развития, как болезнь изменяет клетку и как экспериментальные лекарства влияют на определенные типы клеток.

«Мы создаем мощный ресурс и инструмент, который может использовать любой биолог», — говорит Руванти Гунавардане, директор по стволовым клеткам и редактированию генов в институте Аллена.

Первоначально институт выпускает пять клеточных линий через Институт медицинских исследований Кориелла. Каждая линия имеет различную внутреннюю структуру, которая светится, что позволяет исследователям видеть, как эта структура движется и изменяется в течение жизни клетки.

«Что действительно круто, так это то, что мы можем наблюдать за клеткой, когда она делится», — говорит Гунавардане.

Любой ученый может заказать клетки в Интернете по цене, которая отражает только затраты на распространение. «Нашей целью было сделать это абсолютно доступным для любого человека, работающего со стволовыми клетками», — говорит Гунавардане.

Бьющиеся клетки сердца

Здоровые сердечные клетки бьются в чашке Петри.

До сих пор многим ученым приходилось полагаться на клетки, которые ненормально растут или имеют мутации, говорит Гунавардане.И не было хорошего способа увидеть внутренние структуры живой клетки без нарушения ее нормальной работы.

Новые клеточные линии являются продуктом передовых технологий, которые используются всего в нескольких лабораториях, — говорит Гунавардане. «Два года назад мы не смогли бы этого сделать», — говорит она.

Каковы различные части структуры клеток человека?

Основные части структуры клетки человека можно разделить на внешнюю плазматическую мембрану, обычно центральное ядро, цитоплазму и различные органеллы, которые находятся в цитоплазме.Плазматическая мембрана — это внешняя граница клетки, которая контролирует то, что входит в нее и выходит из нее. Ядро имеет особую собственную мембрану и содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) клетки. Цитоплазма содержит поддерживающие структуры и жидкость, а также органеллы, которые лежат между ядром и плазматической мембраной. Органеллы — это разные структуры, которые выполняют уникальные функции в клетке.

Плазматическая мембрана, в основном состоящая из липидов, придает структуре клетки человека ее основную форму и содержит другие части клетки.Он отделяет внутриклеточные части внутри клетки от внеклеточного пространства за ее пределами. Плазматическая мембрана регулирует то, что входит и выходит из клетки посредством различных химических процессов. У него есть участки снаружи, называемые рецепторами, которые получают химические сообщения от других клеток и позволяют клеткам общаться друг с другом. Мембраны клеток человека также имеют уникальные маркеры, которые позволяют другим клеткам отличать их от чужеродных клеток, таких как бактерии.

Цитоплазма образует остальную часть структуры клетки человека, за исключением ядра.Жидкая часть цитоплазмы содержит ферменты, а также другие белки и молекулы. Цитоплазма также содержит каркас, который придает клеточной структуре человека ее основную форму. В цитоплазме также находятся цитоплазматические органеллы, некоторые из которых участвуют в производстве и транспортировке белков или в обеспечении клетки энергией.

Цитоплазматические органеллы отвечают за выполнение ряда особых функций клетки.Одним из примеров является рибосома, которая является одним из участков, где образуются белки. Митохондрии часто называют клеточными энергетическими установками, потому что они обеспечивают клетку энергией. Аппарат Гольджи изменяет белки и липиды и транспортирует их в другие части клетки. Лизосома — это структура, которая может расщеплять липиды, белки и другие молекулы. Лизосомы иногда называют пищеварительной системой клетки.

В структуре клетки человека ядро ​​считается органеллой, но имеет собственные уникальные особенности и функции.Одна из этих особенностей — двойная мембрана, которая более жестко регулирует то, что может входить и выходить из ядра. Ядро содержит ДНК клетки, которую оно использует в модифицированной форме для управления производством белков и всех ферментов клетки. Он также содержит части ДНК, которые образуют хромосомы при делении клетки.

Эта карта поможет биологам узнать новые подробности о человеческом теле.

Прищуривай глаза так, что они почти закрываются.Теперь держите их такими, когда смотрите на мир. Вы не можете увидеть его красоту в деталях. Листья на деревьях, созвездия на ночном небе, слова на этом экране — все это размытое пятно.

В некотором смысле биологи прошлое столетие «прищурились» на человеческие клетки, наблюдая за их размером, формой, структурой и основными функциями, но упуская важные детали об их молекулярной идентичности. Пришло время полностью открыть глаза. Международный проект под названием Human Cell Atlas, сопредседателем которого мы являемся, призван помочь в этом.Исчерпывающий атлас всех типов клеток человека будет определять все клетки человеческого тела на основе производимых ими молекул. В четверг в Стокгольме около 200 ученых и сотрудников со всего мира соберутся на третью встречу, чтобы скоординировать эти глобальные усилия.

Секвенирование ДНК

показало нам, как гены различаются от человека к человеку и как эти варианты связаны с заболеваниями. Секвенирование РНК выявило, где в организме наиболее активны различные гены. Но мы в значительной степени применили эти два метода к тканям, которые мы смешиваем перед секвенированием, теряя при этом многие из определяющих характеристик отдельных клеток.

объявление

Новые методы профилирования отдельных ячеек появились в последние несколько лет, но они еще не применялись всесторонне и с высокой пропускной способностью. В результате мы только начали идентифицировать все виды клеток в человеческом теле — и, возможно, их сотни, которые нам еще предстоит описать.

Это проблема не только для биологов. Это должно иметь значение для всех. Без глубокого понимания того, что такое наши клетки и как они организуются, чтобы поддерживать наше здоровье, мы не можем понять, как они ошибаются при болезни.Неудивительно, что два из трех лекарств терпят неудачу при тестировании на людях — мы не понимаем, на какие клетки действуют лекарства.

объявление

Прошлой осенью мы с группой коллег запустили международный консорциум Human Cell Atlas. Он создаст своего рода «Карты Google» человеческого тела: вместо географических объектов, таких как континенты, страны, города, улицы и дома, эта карта человеческого тела будет увеличивать молекулярные и организационные особенности органов и тканей. , и клетки.

Три прорыва позволили реализовать столь амбициозную цель: изобретение технологий для создания молекулярных профилей отдельных клеток; разработка машинного обучения и связанных с ним методов анализа огромных наборов данных; и рост совместной науки между странами и дисциплинами.

Одноклеточные методы измерения генома теперь позволяют нам заглядывать внутрь отдельных клеток и собирать информацию о том, что говорит их ДНК, как она упакована, что она производит и как они меняются, когда клетки реагируют на изменения в окружающей их среде.Эти измерения теперь можно быстро проводить в тысячах ячеек за раз при удивительно низкой стоимости ячейки. Новые методы позволят нам даже измерять клетки, когда они встроены в свои естественные ткани.

Объем информации, получаемой с помощью этих методов, огромен; разобраться в этом — столь же непростая задача. К счастью, мы живем в эпоху больших данных, и теперь методы машинного обучения могут быть применены к биологической информации. Для их использования консорциум Human Cell Atlas планирует создать облачную платформу с открытым исходным кодом, которая позволит ученым всего мира загружать информацию, выполнять совместный анализ и сравнивать клетки многих типов, чтобы получить представление о них. здоровье и болезнь.На встрече в Стокгольме представители организации Chan Zuckerberg Initiative объявили, что профинансируют разработку этой платформы для координации данных и будут сотрудничать с тремя партнерскими организациями Human Cell Atlas, чтобы воплотить ее в жизнь.

Проект такого масштаба требует глобальных усилий. Благодаря проекту «Геном человека», положившему начало эре глубокого сотрудничества в области биологии, большинство ученых больше не хотят работать в одиночку — да и не могут, если хотят достичь своих целей! Около 500 ученых из примерно 20 стран уже участвуют в проекте Human Cell Atlas, участвуют во встречах, онлайн-обсуждениях и совместном планировании проектов.Мы ожидаем (и поощряем) других присоединиться.

Консорциум запустил пилотные проекты по созданию исчерпывающих клеточных карт клеток иммунной системы, мозга и нервной системы, кожи и различных типов опухолей. Ранняя работа уже дает важные результаты. Например, недавнее исследование одноклеточной геномики иммунной системы привело к неожиданной реклассификации известных иммунных клеток и открытию новых, что повлияло на способ разработки иммунотерапии рака.

Начиная с Древней Греции, первые анатомы, часто работая в секрете, создавали карты человеческого тела, которые показывали физические — а иногда и физиологические — взаимоотношения между органами и тканями. Проект Human Cell Atlas, работающий полностью в глазах общественности, направлен на то, чтобы открыть новую эру анатомии человека с высоким разрешением, которая сможет интерпретировать наше растущее количество геномных данных, непосредственно рассматривать биологию человека (а не через призму клетки). культура) и расшифровать регуляторные коды, которые отличают один тип клеток от другого, позволяют им взаимодействовать друг с другом и сохранять свою идентичность.Атлас клеток человека также вдохновит на разработку новых лекарств, позволит нам более разумно использовать существующие лекарства и улучшить диагностику заболеваний.

Совместная работа над достижением этой амбициозной цели станет захватывающим путешествием для международного научного сообщества в течение следующего десятилетия.

Мы не ожидаем, что Атлас клеток человека «решит» всю биологию — в науке каждое заключение порождает еще больше вопросов. Однако мы ожидаем, что это изменит области и принесет пользу ученым и врачам по всему миру.

Авив Регев, доктор философии, профессор биологии Массачусетского технологического института, директор обсерватории клеток Клармана и заведующий кафедрой Института Броуда в Кембридже, штат Массачусетс; она также является следователем Медицинского института Говарда Хьюза. Регев является членом научных консультативных советов компаний ThermoFisher Scientific, Driver Group и Syros Pharmaceuticals, а также внесен в список изобретателей некоторых опубликованных методов геномики единичных клеток.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *