ЛЕКЦИЯ № 5
По медицинской биологии и генетике
Для студентов 1 курса лечебного факультета
Тема: «Обменные процессы в жизненном цикле клетки».
Время - 90 мин.
Учебные и воспитательные цели:
1. Ознакомить со способами размножения клеток, механизмами регуляции деления клеток.
2. Дать понятие клеточной пролиферации и ее медицинских аспектах.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Бекиш О.-Я. Л. Медицинская биология. Курс лекций для студентов мед. ВУЗов. - Витебск, 2000 с.59-69.
2. Биология /Под ред.В.Н. Ярыгина/ 1-я книга - М.:Вш,1997. - с. 54-59.
3. О.-Я. Л. Бекиш, Л.А. Храмцова. Практикум по мед.биологии. - Изд. «Белый Ветер», 2000 - с. 29-32.
4. Основы общей биологии /Под ред. Э.Либберта/. - М.: Мир, 1982. - с. 206-209.
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
1. Мультимедийная презентация.
РАСЧЕТ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ
| № п/п | Содержание | Расчет рабочего времени |
| 1. | Клетка - открытая система. | |
| 2. | Организации энергетического обмена в клетке. | |
| 3. | Пластический обмен в клетке в процессе фотосинтеза, хемосинтеза и биосинтеза белка. | |
| 4. | Поток информации в клетке | |
| 5. | Жизненный цикл клетки. Авторепродукция клеток. | |
| 6. | Клеточная пролиферация и ее значение для медицины. | |
| 7. | СРС | |
| Всего: |
Вопрос 1
Клетка является открытой, саморегулирующейся системой. Для нее характерен поток вещества, энергии, информации, обеспечивающие обменные процессы. Для клетки, как и в целом для организма различают внешний и внутренний обмен. Внешний обмен - это обмен с внешней средой: поступление питательных веществ, выделение продуктов метаболизма. Внутренний обмен осуществляется путем катаболизма (диссимиляции) и анаболизма (ассимиляции). Ассимиляция осуществляется путем реакций пластического обмена (биосинтез белков, жиров, углеводов, фотосинтез). По типу ассимиляции организмы делят на автотрофные и гетеротрофные. Диссимиляция осуществляется путем реакций энергетического обмена (синтез АТФ за счет энергии расщепления сложных органических веществ). По типу диссимиляции организмы бывают анаэробные и аэробные.
Вопрос 2
Энергия – это «способность производить внешнее действие» (М. Планк, т.е. совершать работу). По виду обмена веществом или энергией с окружающей средой различают виды систем: изолированные, адиабатические (возможен обмен энергий кроме тепловой), замкнутые (невозможен обмен веществ, но возможен обмен энергий в любой форме), открытые системы - возможен любой обмен веществом и энергией.
Все клетки и живые организмы являются гетерогенными открытыми системами. Первичным источником энергии для жизни на Земле является солнечная энергия. Для всех клеток живых организмов органические вещества (углеводы, жиры, частично белки) с их химической энергией служат источником энергии, необходимой для функции организма. Автотрофные организмы сами синтезируют энергию в таком виде, гетеротрофные - получают ее от автотрофных. Энергия химических связей, освобождающаяся при распаде органических веществ, не используется в клетках сразу для осуществления работы, а превращается в энергию макроэргических связей молекулы АТФ.
В процессе фотосинтеза солнечная энергия в растительных клетках сначала превращается в энергию молекул АТФ, НАДФН+Н+, а затем молекул органических веществ. В клетках гетеротрофных организмов поток энергии начинается с поступления готовых органических веществ, а затем обеспечивается процессами брожения и дыхания. Брожение происходит в гиалоплазме в анаэробных условиях. При этом продуктами диссимиляции органических веществ являются две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) и две молекулы АТФ. Поэтому выход энергии при брожении невелик. Он составляет 40%, а 60% - рассеивается в виде тепла.
Высокоэнергетичным процессом является дыхание, при котором окислительное фосфорилирование, происходящее в матриксе и на мембранах крист митохондрий приводит к образованию еще 36 молекул АТФ. В сумме энергия одной молекулы глюкозы трансформируется в энергию 38 молекул АТФ.
Общая схема потока энергии:
Энергетический выход на кислородном этапе - 36 АТФ (цикл Кребса – 2 АТФ, электронтранспортная цепь 34 АТФ).
Процесс энергетического обмена включает: подготовительный этап, бескислородный и кислородный. На первом этапе наблюдается образование мономеров из сложных органических веществ. Во втором - участвует более 10 ферментативных реакций цитоплазмы. На этом этапе завершается энергетический обмен организмов анаэробов. При этом из АДФ и фосфатов клетки синтезируется только 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты. Однако энергетический выход составляет только 2 молекулы АТФ.
У высоко организованных животных и человека гликолиз является обязательным дополнительным источником энергии к аэробиозу. При недостатке кислорода в мышцах продолжаются анаэробное расщепление пировиноградной кислоты. При этом пировиноградная кислота превращается в молочную.
 |
(ПВК) (молочная кислота)
Полное извлечение энергии из промежуточного продукта распада пировиноградной кислоты происходит на кислородном этапе, включающем цикл Кребса в матриксе митохондрий и дыхательную цепь на мембранах крист (10 реакций последовательного превращения трикарбоновых кислот). В цикле Кребса в результате последовательного превращения образуется 2 молекулы АТФ, 6СО2, 8НАДН+Н+ и 2ФАДН2. Последние являются переносчиками водорода к мембранам крист. В дыхательной цепи образуются 34 АТФ и конечный продукт распада – вода. Всего на кислородном этапе энергетический выход составляет 36 АТФ. Общий выход энергии – 38 АТФ.
На синтез АТФ клетка использует 67% энергии поступающих в нее органических веществ.
Вопрос 3
Структуры живых организмов непостоянны. Они разрушаются и образуются заново. Процесс обновления осуществляется за счет потока вещества.
Поток вещества характеризуется пластическим обменом в клетке:
1. Фотосинтез - это синтез органического вещества из неорганических с использованием солнечной энергии в хлоропластах.
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2
2. Хемосинте. При хемосинтезе происходит преобразование энергии окисления неорганических веществ в энергию химических связей органических веществ. Энергия, которая выделяется при окислении соединений: сероводорода (серные бактерии), аммиака (нитрифицирующие бактерии), закиси железа (железобактерии) - используется для восстановления двуокиси углерода до органических соединений.
3. Биосинтез белка: белок → аминокислота → собственный белок.
Последовательность процессов синтеза полипептидных цепей белковой молекулы представляется следующим образом:
1. Транскрипция – процесс синтеза и- РНК в ядре с молекулы ДНК по принципу комплементарности. Процесс включает этапы:
- образование первичного транскрипта;
- процессинг;
- сплайсинг.
Образование зрелой и-РНК включает периоды инициации, элонгации и терминации синтеза.
2. Трансляция - перенос информации о структуре белка с и-РНК на синтезирующийся полипептид. Происходит в цитоплазме на рибосоме. И включает следующие процессы:
- активация аминокислоты специфическим ферментом (аминоацил Т-РНК - синтетаза) в присутствии АТФ с образованием аминоациладенилата (тройной комплекс);
- присоединение активированной аминокислоты к специфической т-РНК с высвобождением аденозинмонофосфата (АМФ);
- связывание этого комплекса с рибосомами;
- включение аминокислот в белок с высвобождением т-РНК.
Рибосома контактирует в каждый момент только с небольшим участком и-РНК, возможно равным одному триплету (кодону). Рибосома движется по и-РНК кодон за кодоном. На и-РНК одновременно может быть несколько рибосом, образующих полисому. В рибосому, движущуюся по и-РНК, т-РНК поставляет активированные аминокислоты. Аминокислота прикреплена на черешок т-РНК, на изгибе последней имеется триплет, получивший название антикодона. При совпадении антикодона т-РНК с кодоном и-РНК, по принципу комплементарности, аминокислота включается в полипептидную цепь.
Вопрос 4
Каждой клетки, живому организму свойственен обмен информации. На уровне клетки организм получает информацию о том, что происходит в окружающей среде. Непрерывный поток информации поступает в организм и там перерабатывается, другой такой поток информации все время выходит из организма, служащего, в свою очередь, передатчиком. При гормональной связи химические сигналы в виде гормонов попадают в организм, но только определенные клетки – мишени специфических органов способны принять данный сигнал. Так, тиреотропный гормон гипофиза регулирует функцию щитовидной железы. В нервной системе информационным параметром служит число импульсов в единицу времени (частота импульсов). Количество информации в том или ином сигнале измеряют в битах.
У человека максимальный поток информации, направленный, главным образом, по зрительному анализатору внутрь, оценивается в 108 - 109 бит\с, что составляет 109 бит за 80 лет жизни (для сравнения: книга среднего объема содержит около 106 бит. Для управления поведением человека, активностью его физиологических функций необходим выходной (направление из мозга) поток информации объемом 107 бит\с. Он обеспечивается подключением программ памяти.
Поток внутренней информации в организме осуществляется с помощью коры головного мозга и желез внутренней секреции. Клетка воспринимает поток внешней информации из межклеточной жидкости при помощи рецепторов клеточной мембраны. Внутренняя информация содержится в ДНК. В потоке внутренней информации принимает участие ядерная и цитоплазматическая ДНК, РНК, ферменты. Поток информации обеспечивает наследственную преемственность поколений.
Вопрос 5
Период времени от деления материнской клетки до ее собственного деления или гибели называют жизненным циклом (или клеточным). Для клеток неделящихся клеточных популяций клеточный цикл составляет период от образования клетки до ее смерти (тела нейронов, миокарда). В жизненном цикле клеток размножающейся клеточной популяции можно различить два больших периода:
1. Интерфаза - период между делениями, когда клетка растет, функционирует, подготавливается к делению;
2. Митоз - деление клетки.
Интерфаза имеет три периода:
Постмитотический, или пресинтетический период G1.
В этот период клетки растут, синтезируют РНК, белки, накапливается энергия, но синтез ДНК отсутствует. Этот период характеризуется тем, что клетка содержит 2п хромосом, каждая из которых образована одной, а не двумя хроматидами. Хромосомы деспирализованы. Если количество ДНК, содержащееся в 23 хроматидах (п) обозначить "с", то в G1 генетическая характеристика: 2n 1 хроматида 2С.
2. Синтетический период S:
В клетках идет активный синтез ДНК, ее редупликация. Каждая хромосома достраивает недостающую хроматиду. Генетическая характеристика: 2n 2 хроматиды 4С.
3. Постсинтетический, или премитотический период G2:
В клетке идет синтез белков митотического аппарата, накапливается энергия. Генетическая характеристика: 2n 2 хроматиды 4С.
Одной из основных биологических особенностей клетки как элементарной живой системы является ее способность к авторепродукции. Репродукция клеток лежит в основе развития, роста, размножения и регенерации организма.
