Введение в курс медицинской биологии. Структурно - функциональная организация клетки

живых существ. Биология изучает процессы жизнедеятельности организмов, их жизненные циклы, взаимосвязи с окружающей средой, происхождение, историческое и индивидуальное развитие. Многообразие живой природы так велико, что о БИОЛОГИИ правильно говорить как о комплексе естественных наук, которые изучают жизнь живых существ с разных сторон. Термин “БИОЛОГИЯ” впервые был введен в 1802 году одновременно учеными Ламарком и Тревиранусом. Современная биология – это сложный высокодифференцированный комплекс фундаментальных и прикладных достижений живой природы.

происхождение, эволюцию, географическое распространение, численность и структуру популяций человека в пространстве и времени. МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ изучает наследственность человека, его генетическую систему, генотипические и индивидуальные отличия людей, их экологию, физиологию, особенности поведения. В медицинских вузах некоторые биологические дисциплины выделились в самостоятельные науки, такие как АНАТОМИЯ, ФИЗИОЛОГИЯ, ГИСТОЛОГИЯ, БИОХОМИЯ, МИКРОБИОЛОГИЯ. Курс медицинской биологии является базой для изучения других теоретических дисциплин \ ФАРМАКОЛОГИИ, БИОХИМИИ\, а также клинических дисциплин \ТЕРАПИИ, ПЕДИАТРИИ, ИНФЕКЦИОННЫХ БОЛЕЗНЕЙ, ХИРУРГИИ и др./

Энгельс в своем труде “Диалектика природы”: ’’ Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка’’. ’’Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.’’ ’’Анти-Дюринг “ Современное определение жизни было дано русским ученым ВОЛЬКЕНШТЕЙНОМ: ’’ Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующие и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.’’

и энергии /самообновление/.
3. Репродукция /самовоспроизведение/.
4. Саморегуляция.
5. Раздражимость и движение.
6. Биологическая ритмичность.
7. Наследственность и изменчивость.
8. Рост и развитие.
9. Способность противостоять увеличению энтропии.
10. Дискретность и целостность.

коды наследственной информации.
- элементарное явление: воспроизведение этих кодов по принципу матричного синтеза или конвариантной редупликации молекулы ДНК.
- экологические проблемы уровня: рост мутагенных факторов и увеличение доли мутаций в генофондах.

циклы клеток.
- экологические проблемы уровня: рост клеточной патологии в результате загрязнения среды, нарушения воспроизведения клеток.

Каждая клетка – относительно автономная самостоятельно функционирующая единица.
Клетки у многоклеточных объединяются в ткани и системы органов.

из которых они состоят.
- элементарное явление: комплекс физиологических процессов , обеспечивающих жизнедеятельность.
Элементарная единица жизни – организм.
Регулирующая система уровня - генотип.
Наследственная информация , закодированная в генотипе реализуется определенными фенотипическими проявлениями, определяет механизм адаптации и формирует определенное поведение живых существ в конкретных условиях среды.
- экологические проблемы уровня: снижение адаптационных возможностей организмов, развитие пограничных состояний у человека.

явление: видообразование на основе
естественного отбора.
Популяция – основная единица эволюции.
Регулирующая система уровня - ее генофонд, который определяет эволюционные перспективы и экологическую
пластичность популяций.
Причины, вызывающие изменение генофонда популяций :
мутации, комбинативная изменчивость, популяционные волны, изоляция. Реализация изменений осуществляется путем естественного отбора .

состава /.

5. Биосферно – биогеоценотический уровень.
- элементарная структура: биогеоценозы.
- элементарное явление: динамические взаимосвязи биогеоценозов в масштабах биосферы.
Биогеоценоз – элементарная единица потока энергии и круговорота веществ.
Регулирующая система – генопласт – совокупность генофондов и генотипов адаптированных друг к другу популяций в окружающей их среде.

биогеоценозами осуществляется не только материально – энергетический обмен, но и постоянная конкурентная борьба, что придает биосфере большую динамичность.
- Экологические проблемы уровня : увеличение количества антропоценозов и их глобальное распространение , загрязнение среды, разрушение озонового экрана Земли..
Биологические уровни организации живой природы взаимно связаны между собой по принципу биологической иерархии.
Система нижнего уровня обязательно входит в состав более высшего уровня.

простейшие,
сине-зеленые грибы,
водоросли./ растения,
животные/.

самообновлению, самовоспроизведению и развитию.
Клетка – основная структурно-функциональная и генетическая единица живого. Через нее идут потоки вещества, энергии и информации. Это динамически стойкая открытая система, состоящая из многих взаимосвязанных элементов.
Клетка – основа строения прокариот, одноклеточных, грибов, растений и животных.

ядрышко; 3 — поры ядерной оболочки; 4 — митохондрия; 5 — эндоцитозное впячивание; 6 — лизосома; 7 — агранулярный эндоплазматический ретикулум; 8 — гранулярный эндоплазматический ретикулум с полисомами; 9 — рибосомы; 10 — комплекс Гольджи; 11 — плазматическая мембрана. Стрелки указывают направление потоков при эндо- и экзоцитозе.

– 0,5 – 3 мкм.
2. Отсутствует ядерная мембрана , т.е. нет морфологически обособленного ядра.
3. Генетический материал представлен одной длиной кольцевой молекулой ДНК, упакованной в клетке в виде петель /нуклеоид/.Гистоновые белки не выявлены, отсутствует нуклеосомная организация хроматина. Молекулярная масса ДНК прокариот составляет 2,5×109 ±0,5×109 ,что соответствует примерно 2000 структурных генов.
4. Отсутствуют мембранные органоиды.

мезосомы/,выполняющих функцию образования АТФ.
6. Отсутствует клеточный центр, не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение.
7. Покрыты клеточной стенкой, содержащей гликопептид муреин – механически плотный защитный элемент клеточной стенки.
8. В цитоплазме могут содержаться плазмиды – мелкие кольцевые молекулы ДНК, содержащие один или несколько генов.
9. Размножаются амитозом каждые 20 минут.

Особенности строения:
1. Форма клеток разнообразная, размеры колеблются в пределах от 5 до 100 мкм.
2. Клетки имеют сходный химический состав и обмен веществ.
3. Клетки разделены системой мембран на компартменты.
4. Генетический материал сосредоточен преимущественно в хромосомах, которые имеют сложное строение и образованы нитями ДНК и гистоновыми белковыми молекулами.
5. В цитоплазме находятся мембранные органоиды, центриоли.
6. Деление клеток митотическое.

В животных клетках наследственная информация хранится в ядре и митохондриях.
В растительных клетках - в ядре, митохондриях и пластидах.
Ядро состоит из:
1. Ядерная оболочка;
2. Кариоплазма;
3. Хроматин;
4. Ядрышко.
Форма ядра зависит от формы самой клетки и от функций, которые она выполняет.

индекс - соотношение объемов ядра и цитоплазмы.

Изменение этого соотношения есть одной из причин клеточного деления или нарушения обмена веществ.
Ядерная оболочка интерфазного ядра состоит из двух элементарных мембран /наружной и внутренней/ ; между ними находится перинуклеарное пространство , которое через каналы эндоплазматического ретикулума связано с разными участками цитоплазмы.
Обе ядерные мембраны пронизаны порами, через которые осуществляется избирательный обмен веществ между ядром и цитоплазмой.
Изнутри ядерная оболочка покрыта белковой сеткой – ядерной ламиной, что обуславливает форму и объем ядра.

внутреннюю основу ядра.

Внутренний ’’скелет ” ядра имеет большое значение для обеспечения упорядоченного течения основных процессов транскрипции, репликации, процессинга.
Снаружи ядро также покрыто микрофиламентами , которые являются элементами цитоскелета клетки. Наружная ядерная мембрана имеет на своей поверхности рибосомы и связана с мембранами эндоплазматического ретикулума.
Ядерная оболочка обладает избирательной проницаемостью. Потоки веществ регулируются специфическими особенностями белков мембран и ядерных пор /от 1000 до 10000 /.

генетически материал и созданы условия для его сохранения и удвоения.
2. Отделение содержимого ядра от цитоплазмы.
3 .Поддержание формы и объема ядра.
4. Регуляция потоков веществ / из ядра через поры в цитоплазму поступают различные виды РНК и субъединицы рибосом, а в середину ядра переносятся необходимые белки, вода, ионы.
Кариоплазма – однородная бесструктурная масса, заполняющая пространство между хроматином и ядрышками.
Она содержит воду/ 75-80%/, белки, нуклеотиды, аминокислоты, АТФ, различные виды РНК, субчастицы рибосом , промежуточные продукты обмена веществ и осуществляет взаимосвязь структур ядра и цитоплазмы.

виде
переплетающихся хроматиновых нитей. Это – комплекс ДНК и белков /дезоксирибонуклеопротеид- ДНП /. В процессе митоза, спирализуясь, хроматин образует хорошо видимые интенсивно окрашивающиеся структуры – ХРОМОСОМЫ.
Ядрышки / одно или несколько/– гранулярные, округлые, сильно окрашиваемые структуры, не имеющие мембраны.
Ядрышки состоят из белков, РНК, липидов и ферментов. Содер-
жание ДНК не более 15% и находится преимущественно в центре его.
Ядрышки фрагментируются в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания.
В ядрышках выделяют 3 участка:
1 Фибриллярный;
2. Гранулярный;
3. Слабоокрашенный.
Фибриллярный участок ядрышка состоит из нитей РНК. Это
место активного синтеза рибосомной РНК на рРНК- генах вдоль молекулы ДНК деконденсированного хроматина.
.

цитоплазмы. Это место объединения РНК и рибосомальных белков и образования зрелых малых и больших субъединиц рибосом.

- Слабоокрашенный участок ядрышка содержит ДНК/не активную/, которая не транскрибируется.
Образование ядрышек связано со вторичными перетяжками метафазных хромосом /ядрышковые организаторы/, в области которых локализованы гены , кодирующие синтез р-РНК. В клетках человека эти функции выполняют хромосомы №13, 14, 15, 21,22, которые имеют сателлиты или спутники.
Основные функции ядрышек.
1.Синтез рибосомной РНК.
2. Образование субъединиц рибосом.

2. Регуляция всех процессов жизнедеятельности клетки;
3. Репарация ДНК;
4. Синтез всех видов РНК;
5. Образование рибосом.
6. Реализация наследственной информации путем регуляции синтеза белков.
ХРОМОСОМЫ.
Хромосомы – нитевидные структуры, хорошо видимые в световой микроскоп только в процессе деления клеток, образуются из хроматина в процессе его конденсации.
В зависимости от степени конденсации хроматин подразделяется на
1. Гетерохроматин – сильно спирализованный и генетически неактивный , выявляется в виде сильно окрашенных темных участков ядра.
2. Эухроматин - малоконденсированный, генетически активный, выявляется в виде светлых участков ядра.

Основные или гистоновые белки – 40% ;
3. Негистоновые /кислые или нейтральные/ - 20% ;
4. Следы РНК, липидов, полисахаридов, ионы металлов.
ХРОМОСОМЫ:
в интерфазном ядре при делении /митозе, мейозе/
деспирализованные спирализованные
/деконденсированные/ / конденсированные/
имеют вид длинных, тонких имеют вид Х-образных струк -
хроматиновых нитей, не тур, максимально спирализо-
видны в световой микроскоп . ванных в метафазе митоза и
видимых в световой мик-
роскоп.

ДНП или двух сестринских хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки или центромеры.
Центромера - /наименее спирализированная часть хромосомы/ делит тело хромосомы на 2 плеча.
Центромера – нереплицированный участок ДНК, где
располагаются специальные белки, образущие кинетохоры, к ко-
торым прикрепляются нити ахроматинового веретена. Это способст-
вует делению дочерних хроматид во время анафазы.
Концы плеч хромосом называются ТЕЛОМЕРАМИ . Это
генетически неактивные спирализированные участки, которые препятствуют соединению хромосом между собой, обеспечивая их индивидуальность.
Потеря этих участков может сопровождаться хромосомными ПЕРЕСТРОЙКАМИ.

середины хромосомы и плечи имеют
разную длину.
3. АКРОЦЕНТРИЧЕСКИЕ – центромера значительно
смещена к одному концу хромосомы и одно плечо
очень короткое.
4. ТЕЛОЦЕНТРИЧЕСКИЕ – патологические хромосомы.
Возникают при полной потере короткого плеча.
Короткое плечо обозначают латинской буквой – р, длинное – q.
Некоторые хромосомы имеют ВТОРИЧНЫЕ ПЕРЕТЯЖКИ, отделяющие от тела хромосомы участок – спутник /спутничные хромосомы/.

В зависимости от расположения ЦЕНТРОМЕРЫ различают следующие виды хромосом:

– 12; Кошка - 38 ;
Зеленая лягушка – 26; Собака - 78 ;
Окунь - 28 ; Курица – 78 ;
Кролик – 44 ; Аскарида - 2 ;
Таракан – 48 ; Дрозофила – 8;
Шимпанзе - 48 ; Карп - 104;
Лошадь - 66 ; Рак - 254;
Голубь - 80 ;
2. Парности хромосом.
Каждая хромосома соматических клеток имеет гомологичную –сходную по размерам, расположению центромеры и содержанию генов.

размерами, расположением центромеры и содержанием генов.
4. Непрерывности хромосом.
В процессе удвоения генетического материала дочерняя молекула ДНК синтезируется на основе информации материнской молекулы ДНК /каждая хромосома от хромосомы/.
ХРОМОСОМНЫЕ НАБОРЫ.
Различают 2 типа клеток:
Соматические Половые
Диплоидный набор Гаплоидный набор хромосом 2n =46 n =23

у обоих полов . Разный набор у мужских и
женских особей.
У ЧЕЛОВЕКА : 22 пары аутосом и 2 пары гетерохромосом:
XX - у женщины,
XY - у мужчины.
КАРИОТИП –совокупность хромосом клетки, характеризующаяся определенным числом, величиной и формой, присущая данному виду.
В кариотипе все хромосомы парные /гомологичные/; они содержат аллельные гены и коньюгируют при мейозе.
ИДИОГРАММА – систематизированный кариотип, в котором хромосомы располагаются в порядке уменьшения их величины.

крови, клетки эмбриона, фибробласты кожи, клетки плаценты, ворсинчатой оболочки плода, клетки амниотической жидкости.
Препарат, на котором хорошо видны хромосомы называется МЕТАФАЗНОЙ ПЛАСТИНКОЙ.
МЕТОДИКА:
1. Несколько капель крови из вены или пальца помещают в пробирку с питательной средой №199 и фитогемагглютинином /ФГА/, стимулирующим деление клеток.
2. Помещают в термостат при t= 37 С на 72 часа. За это время клетки проходят 3 митоза.
3.Добавляют колхицин, который растворяет нити веретена и останавливает деление на стадии метафазы.

друга.

5. Готовят временный препарат: 1 каплю культуры капают на предметное стекло с высоты 1 м, для того, чтобы клетки разбились и хромосомы расположились далеко друг от друга.
6. Препарат фиксируют, окрашивают по Романовского-Гимза.
7. Изучают с помощью светового микроскопа под иммерсией.
КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА.
В 1960 году английский генетик ПАТАУ разработал классификацию хромосом, которая была принята на международном генетическом Конгрессе в американском городе ДЕНВЕРЕ .
Согласно Денверской классификации все аутосомы разделены на 7 групп в зависимости от их длины и расположения центромеры.

Хромосомы располагаются попарно по мере убывания их величины , с учетом положения центромеры, наличием вторичных перетяжек и спутников и нумеруются арабскими цифрами от большей / № 1/ к меньшей / № 22/.
Исключение составляют половые хромосомы, которые не нумеруются и выделяются особо.
Группы хромосом хорошо отличаются друг от друга. Пары хромосом внутри групп можно отличить только с помощью методов дифференциальной окраски хромосом. Это было положено в основу
Парижской классификации хромосом /1971/.
При дифференциальной окраске в каждой паре хромосом выявляется характерный только для нее уникальный порядок чередования темных и светлых полос- гетеро- и эухроматиновых участков.

В 4,5 крупные субметацентрические.
С 6 -12 средние субметацентрические,
6 пара сходна с Х-хромосомой.
D 13 -15 средние акроцентрические, имеют
спутники.
Е 16 -18 короткие, 16-метацентрическая,
17 -18 – субметацентрические.
F 19, 20 мелкие, метацентрические.
G 21 -22 самые мелкие, акроцентрические,
сходны с Y-хромосомой.

отношение / в % / длины короткого плеча к длине всей хромосомы.
Длина самой большой хромосомы человека – 11 мкм / № 1 /.
Длина самой маленькой хромосомы человека – 2,3 мкм / № 21,22 /.
Классификация всех хромосомных болезней человека основана на данных классификациях хромосом.
Пример: Трисомия по 21 паре хромосом – болезнь Дауна.
Цитогенетика – наука о генетическом аппарате
клетки.

хромосоме человека достигает примерно 4 см, а суммарная длина ДНК ядра одной клетки равна в среднем 1,74 м. Уложить такую длинную цепь в 46 хромосом можно только благодаря очень эффективной конденсации.
1.Первый уровень упаковки ДНК – нуклеосомный – спирализация ДНК на гистоновых белках и образование нуклеосомной нити.
Гистоны подразделяются на 5 классов: Н1, H2А, Н2В,, Н3, Н4. В состав их входит от 102 до 215 аминокислот.
8 гистоновых белков / 2Н2А + 2Н2В + 2Н3 + 2Н4 / соединяются вместе, образуя шаровидную структуру – КОР /октамер /, на котором спирализируется ДНК и делает 1 ¾ оборота.

из 146 п.н.
Свободная ДНК, находящаяся между нуклеосомами называется ЛИНКЕРНОЙ или связующей и включает в среднем около 60 п. н.

в 7 раз; нуклеосомная нить имеет толщину 10-11 нм.

2. Второй уровень упаковки – соленоидный – спирализация нуклеосомной нити с помощью гистона Н1 и образованием спирали толщиной 30 – 40 нм. Один виток спирали соленоида содержит 6 – 10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити ДНК еще в 6 раз.
В сумме нить ДНК укорачивается в 42 раза.

хроматид с образованием эухроматиновых и гетерохроматиновых участков. Длина укорачивается еще в 5 раз, а толщина увеличивается до 500 -600 нм.
Максимальной спирализации хромосомы достигают в метафазе
митоза.
Общий итог конденсации - укорочение нити ДНП в 8 -10 тысяч раз.

3. Третий уровень упаковки -хроматидный или петлевой –конденсация соленоида на негистоновых белках с образованием петель и изгибов, которые составляют основу хроматиды и обнаруживаются в профазе.
Длина ДНК укорачивается в 10-20 раз, а толщина увеличивается до 300 нм. Общий итог укорочения в 1600 раз.