Биология клетки

1. Особенности   действия законов т\д в биосистемах.  Энтропия открытых систем. Стационарное состояние и условия минимума скорости прироста энтропии. Теорема Пригожина.

Термодинамика –изучает общие закономерности превращения энергии при ее переносе в форме теплоты или работы.

Т\д система – совокупность макроскопических объектов, тел, полей кот., обмениваются энергией между собой и окр. Ср.

Биосистемы – это открытые системы – происходит обмен с окр.ср. и энергией и веществом, с т. зр. т\д-ки. При изучении  жив. систем чаще взаимопревращ.  4  формы энергии тепл, хим., электричество, электомагнитная.

1 закон т\д – количество энергии поглощенной системой идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил.

Q= ∆U+pV  , где Q – количество энергии, ∆U – внутренняя энергия системы,

pV – внешняя, Из первого закона следует А =Q-∆U – работа совершается за счет изменения внутренней  энергии системы или за счет сообщенного системе некоторого количества тепла. Живая система не может работать как тепловая машина (КПД →Температура→ денатурация белка), в ней  работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы или за счет энтропийного фактора.

Энтальпия – мера теплоспособности системы. «+» - в ходе реакции поглощается теплота, «-« - выделяется.

Опытным путем доказано, прямая эквивалентность химической энергии которая освобождалась  в организме в ходе обмена веществ  и тепловой энергии, которую выделял организм во внешнюю среду. Эквивалентность прихода и расхода энергии в опытах, показывает  что и пути превращении продуктов питания в метаболических процессах и в химических реакциях живой клетки, являются эквивалентными, с точки зрения суммарных тепловых эффектов.

2 закон т\д  – устанавливает закономерности перехода какого-либо вида    энергии – в работу, - в др. виды энергии.

- теплота не может  самопроизвольно переходить от  менее нагретого к более; - самопроизвольно  могут протекать процессы с  переносом энергии по градиенту(от  более высокого к более низкому); - при совершении работы какая либо часть энергии бесполезно растрачивается в виде тепла ( -трении).

Мера рассеивания энергии, ее деградация является – Энтропия .В животных системах источником работы является химическая энергия, которая переходит в работу и тепло. Тепло рассеивается и этот процесс полностью необратим. Энтропия связана с понятием градиент, при необратимости процессов энтропия растет с понижением градиента. Большинство биологических процессов необратимы с т. зр. т\д критерия необратимости в этих процессах. И в замкнутых системах не обратимые процессы протекают в направлении возрастания энтропии.

Стационарное  состояние – такое если параметры системы  в течении времени не изменяются. Открытая система не может находится в т\д равновесии.

- 1-открытая систем;-2 –свободная  энергия не минимальна, s – энтропия не максимальна – работа может совершатся.- 3 – Необратимые реакции (скорость протекания одних больше скорости протекания других. Открытая система обменивается с окр.ср. веществом и энергией – изменения энтропии в такой системе делят на 2 части.

dS=dS_i +dS_e 

dS – Общее изменение энтропии в системе

dS_i -Часть энтропии обусловленная изменением внутри системы.

dS_e – Поток энтропии обусловленный взаимодействием с окр. ср.

dS_i

+	=0
Когда изменения необратимые	Когда система претерпевает обратные изменения

dS_e

=0	-
Изолированная система          (нет обмена с окр. Ср.) →тогда общий  поток dS=dSi	И больше  dSi →то общее изменение в открытой системе отрицательно, т.о. теория открытых систем предполагает случайное понижение энтропии в системе, за счет взаимодействия с окр. Ср. при этом  dSi =-dSe  общая энтропия  =0, что соответствует стационарному состоянию.

Теорема Пригожина – доказал основное свойство стационарного состояния при неизменных внешних условиях в частично равновесной, открытой системем в С\С, значение скорости прироста S, за счет внутренних необратимых процессов (S_i) достигает отличного от нуля, постоянного – минимального – положительного значения. Принцип минимального прироста энтропии, или теорема Пригожина -  это количественный критерий для определения общей направленности самопроизводящих изменений в открытой системе или критерий ее эволюции, т.е. по изменению величины ежесекундного прироста S можно предсказать переход системы в конечное С\С если все процессы протекают вблизи равновесия.

 

2. Клеточная  теория.клетка-элементарная еденица  живого.клетки прокариот и эукариот.увеличение  числа клеток.гомологичность в  строении клеток.многоклеточный  организм-сложный ансамбль клеток.

Клеточная теория-это  обобщенные представления о строении клеток как едениц живого,об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

заслуга швана:

1-клетка-элементарная еденица живого

2-клетки разных организмов гомологичны  по своему строению

3-размножение клеток происходит  путем деления исходной клетки

4-многоклеточные организмы  представляют собой сложный ансамбль  клеток, объединенные в целостные  интегрированные системы тканей  и органов, подчиненных и связанных  между собой межклеточными, гуморальными  и нервными формами регуляции.

Живому свойствен ряд  совокупных признаков, таких как  способность к воспроизведению (репродукции),использовании  и трансформации энергии, метаболизм, чувствительность, изменчивость. Такую  совокупность этих признаков можно  обнаружить на клеточном уровне.

Клетка как таковая обладает всеми вместе взятыми свойствами, отвечающими определению живое.

Клетки делят на прокариотические и эукариотические. Содержимое прокариотной клетки одето плазматической мембраной, играющей роль активного барьера  между собственно цитоплазмой клетки и внешней средой.обычно снаружи есть еще и клеточная стенка или оболочка-продукт клеточной активности. У прокариотической клетки нет морфологически выраженного ядра, но присутствует в виде так называемого нуклеоида-зона заполненная ДНК. В матриксе цитоплазмы прокариот клетки располагаются многочисленные рибосомы, цитоплазматические мембраны же обычно выражены не так сильно,как у эукариотических клеток.

Эукариотические клетки, как правило, больше прокариотических. В них есть ядро. В цитоплазме существует целый набор специфических структур, органелл, выполняющих отдельные специфические функции: мембранные структуры-система ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды, центриоли. Наличие мембранных структур-микротрубочки,микрофиламенты и тд.

Общие черты прокариотической и эукариотической клеток: обе  одеты плазматической мембраной, синтез белка у них происходит на рибосомах, сходны синтез РНК и репликация ДНК, похожи и биоэнергетические процессы.

Клетка-это ограниченная активность мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров (белков, НК) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Гомологичность клеток-сходство по коренным свойствам и отличие по второстепенным. Все клетки организмов растительного и животного происхождения сходны, гомологичны. Гомология определяется тем, что клеточные функции можно грубо подразделитьна 2 группы: обязательные и факультативные. Обязательные функции направлены на поддержание жизнеспособности самих клеток, осуществляются специальными внутриклеточными структурами. Прокариотические клеткимогут отличаться друг от друга толщиной и устройством клеточной стенки, складчатостью плазматической мембраны и тд. Но общий план строения прокариотической клетки остается постоянный. Это же наблюдается и у эукариотической клетки. Схожи в строении животные и растительные клетки.

У всех эукариотических  клеток всегда есть ядро. Строение и функции внутриклеточных структур также похожи по строению у всех эукариотических клеток. Такое сходство определяется гомологичностью общеклеточных функций, связанных с поддержанием самой системы.

Но есть большое разнообразие клеток в пределах одного многоклеточного организма (нервные, мышечные).Различия клеток связана со специализацией их функций, с развитием особых клеточных аппаратов. Так в мышечной клетке покроме основных структур, есть в большом количестве фибриллярные элементы.

Гомологичность в строении клеток  определяется сходством общеклеточных функий, направленных на поддержание жизни самих клеток и на их размножение. Разнообразие же в строении клеток-это результат функциональной специализации или в следствии эволюционной приспособленности, изменчивости.

Размножение клетоке  прокариотич. И эукариот. Происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение  ее генетического материала (редупликация ДНК). Прокар. клетка делится бинарным образом, простой перегородкой, без участия каких-либо специальных аппаратов деления.

У эукар.кл. способом деления  является митоз (или мейоз). При этом образуется специальный аппарат  деления-клеточное веретено. Другая форма клеточного деления-амитоз, или  простое деление-может встречаться в ряде паталогических случаев или при делении прлиплоидных ядер.

Организм человека развивается  всего из 1 клетки, зиготы, содержит более 100 различных типов клеток. Индивидуальное развитие от 1 кл. до многоклеточного  зрелого организма-результат последовательного избирательного включения работы разных генных участков хромосом в различных клетках. Это приводит к дифференцировке клеток.

 

3. Жизненный  цикл клетки; пресинтетическая, синтетическая,  постсинтетическая фаза; митоз, его  характеристика.

Клеточный цикл – существование кл от деления до след деления или смерти. У одноклеточных особей клеточн цикл совпадает с жизнью особи. В непрерывно размножающихся кл клеточн цикл совпадает с митотическим циклом и состоит из 4х периодов (3 первых составляют интерфазу) со  строгой последовательностью сменяющихся друг за другом: пресинтетический или постмитотический (G₁), синтетический (S), постсинтетический или премитотическая (G₂) и митоза (М). Различные периоды клеточн цикла отличаются др от др по общему содержанию в кл белка, ДНК, РНК и по уровню их синтеза. В G₁ - периоде происходит активный рост и функционирование кл, обусловленные возобновлением транскрипции и накоплением синтезированных белков, а также подготовка к синтезу ДНК. Должна быть достигнута критическая масса цитоплазмы. В S - периоде происходит репликация ДНК. Продолжительность зав-т от скорости репликации ДНК (0,5 – 2 мкм/мин), от числа и величины репликонов, от числа включенных репликонов. Также идет удвоение материала хромосом. Для прохождения S – периода необходим синтез РНК и белков начавшийся еще в G₁ -периоде. Параллельно синтезу ДНК идет интенсивно синтез гистонов в цитоплазме и происходит их миграция в ядро, где они связываются с ДНК. В S – периоде происходит синтез рРНК использующееся уже в G₂ – периоде для синтеза белков, необходимых для митоза. G₂ –период – осуществляется подготовка к делению, в том числе синтез белков веретена деления. Самая короткая из 3 стадий. Происходит синтез РНК и рРНК. В рез-те заключит этап клеточного цикла – митоза – редуплицированные хромосомы расходятся в дочерние кл. У покоящихся клеток выделяют G₀–период – период покоя. Интерфаза период клеточного цикла м/у 2 последовательными митозами, по времени до 90% клеточн цикла. Митоз – непрямое деление. Биологическое значение состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных хромосом м/у дочерними кл, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток. Выделяют неск-ко фаз, постепенно и непрерывно переходящих др. в др: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Длительность стадий различна, зав-т от типа кл, физиологического состояния организма, но наиболее продолжительны первая и последняя. Профаза – конденсация хромосом, распад ядрышек и начало формирование веретена деления, снижение активности транскрипции (к концу профазы синтез РНК прекращается). Веретено деления образуется либо с участием центриолей, образуя митотический аппарат (в кл животных), либо без них (в кл высш раст). У простейших веретено деления может образовываться в ядре (каритотека во время митоза не разрушается) – закрытый митоз. Распад кариотеки на фрагменты, начин-ся беспорядочное движение хромосом в центральной части кл. Метафаза – завершается образование веретена деления. Хромосомы перестают двигаться и выстраиваются по экватору веретена, образуя экваториальную пластинку. Синтез белка снижен на 20 – 30 % по сравнению с интерфазой. В поздней метафазе хромосомы упорядочены (“застывшие”). Если посмотреть с полюса, то хромосомы лежат так, что центромерные участки расположены к центру веретена деления, плечи – к периферии – назыв-ся – “материнская звезда” (только у животных), у растений – по экватору без особого порядка. Завершается процессы обособления сестринских хроматид. Анафаза – самая короткая стадия. Хар-ся разделением сестринских хроматид и расхождением к противоположным полюсам  кл. V=0,2 – 5 мкм/мин. Хромосомы приобретают V-образную форму. У некоторых высш раст нет выраженной центромеры, и волокно веретена  контактирует со многими точками на поверхности хромосом. Иногда расхождение хромосом сопровождается расхождением полюсов. Телофаза – длится с момента прекращения движения хромосом до окончания процессов, связанных с реконструкцией дочерних ядер (деспирализации и активации хромосом, образование кариотеки, формирование ядрышек). Главное – разделение кл тела, цитотомия или цитокинез. У растений – образуется внутриклеточное образование клеточной перегородки, у животных – перетяжек, впячивания плазматической мембраны внутрь кл. Митоз не всегда заканчивается разделением кл. Так в эндосперме раст некоторое время может идти деление ядер без деления цитоплазмы. Также делятся ядра у плазмодиев миксомицетов.

 

4. Макромолекулы  как основа организации биологических  структур. Принципы образования  вторичной, троичной и четвертичной  структуры биомакромолекул и надмолекулярных структур.

Основу структурной  организации живого составляют макромолекулы, прежде всего важнейшие биополимеры  – белки и нуклеиновые кислоты. В макромолекулах происходят сложные  процессы трансформации энергии, включающие миграцию энергии электронного возбуждения и транспорт электронов. В основе функционирования макромолекул лежит электронно-конформационные взаимодействия, которые проявляются в самых различных процессах, где участвуют биологически активные макромолекулярные комплексы. Тепловые движения атомов, входящие в полипептидную цепь, их повороты и вращения вокруг связей приводят к созданию большого количества внутренних степеней свободы. Это приводит к свертыванию цепи и образованию клубков макромолекул – макроскопические системы, в которых проявляются статический характер параметров (размеры, формы, степень свертывания). Как физический объект их своеобразие проявляются в сочетании как статических так и механических особенностей поведения макромолекул. С одной стороны большое число взаимодействий атомов создают большое количества степеней свободы и возможны создания различных конформаций, с другой стороны наличие химической связи между атомами ограничено -возможно образование конформеров. Взаимодействия атомов химической ковалентной связи определяет:

1. цепное строение биополимеров.
2. соединения друг с другом мономеров.

Клетки и их органоиды  – гетерогенные системы. Их существование  и функционирование определяется межмолекулярными взаимодействиями нековалентного характера (взаимодействуют слабо, потому что сильные взаимодействия создали бы устойчивые жестские структуры, лишенные молекулярной подвижности, а молекулярная подвижность необходимо для выполнения различных задач (регуляция химических реакций, трансформация энергии).

Слабое взаимодействие в биологических системах:

1. Вандервальсовы силы
2. Ионные связи
3. Водородные связи
4. Гидрофобные взаимодействия

Первичная структура – линейная. Важную роль в конформации полипептидов играют вандевальсовые силы, гидрофбные взаимодействия, водородные связи.

Вторичная структура. Пептидная цепь в белках имеет спиральную конфигурацию          ( -спираль). Каждый атом H₂ имеет избыточный положительный заряд, притягивающийся к отрицательно заряженному атому О₂ в следущем витке спирали. Внутри образуются пептидные связи, а боковые радикалы аминокислот                   обращены наружу и могут взаимодействовать с молекулами окружающей среды. Спиральная конфигурация – вторичная. Структура полипептидной цепи спирализована  неполностью. Инсулин – 60%. Причиной нарушения спирали являются: