Следующий план представляет собой обзор и тематическое руководство по клеточной биологии:
Клеточная биология — раздел биологии, который включает изучение клеток с точки зрения их физиологических свойств, структуры и функций; органелл, которые они содержат; взаимодействия с окружающей средой; и их жизненного цикла , деления и смерти . Это делается как на микроскопическом , так и на молекулярном уровне. Исследования клеточной биологии распространяются как на большое разнообразие одноклеточных организмов, таких как бактерии , так и на сложные специализированные клетки многоклеточных организмов, таких как люди . Раньше эта область называлась цитологией (от греческого κύτος, kytos , «полость»; и -λογία, -logia ).
Раздел науки
Биологию клетки можно описать следующим образом:
Раздел науки — систематическое предприятие, которое создает и организует знания в форме проверяемых объяснений и предсказаний относительно Вселенной.
Раздел естественных наук – Раздел науки, занимающийся описанием, прогнозированием и пониманием природных явлений на основе наблюдательных и эмпирических данных. Валидность, точность и социальные механизмы, обеспечивающие контроль качества, такие как рецензирование и повторяемость результатов, являются одними из критериев и методов, используемых для этой цели.
Раздел биологии — изучение жизни и живых организмов, включая их структуру, функции, рост, эволюцию, распространение и таксономию.
Академическая дисциплина – Целенаправленное изучение одной академической области или профессии. Дисциплина включает в себя экспертизу, людей, проекты, сообщества, проблемы, исследования, запросы и области исследований, которые тесно связаны с данной дисциплиной.
Суть клеточной биологии
Клетка – структурная и функциональная единица всех известных живых организмов. Это наименьшая единица организма, которая классифицируется как живая, а также известная как строительный блок жизни. [1] Клетка происходит от латинского cellula , что означает «маленькая комната». Роберт Гук впервые ввел этот термин в своей книге «Микрография» , где он сравнил структуру клеток пробки , рассматриваемых через его микроскоп, со структурой маленьких комнат (или «кельями» монахов) монастыря. [2]
Теория клеток – научная теория, утверждающая, что все организмы состоят из одной или нескольких клеток. Жизненно важные функции организма происходят внутри клеток. Все клетки происходят от уже существующих клеток и содержат наследственную информацию, необходимую для регулирования функций клеток и передачи информации следующему поколению клеток.
Клеточное дыхание — метаболические реакции и процессы, происходящие в клетке или через клеточную мембрану для преобразования биохимической энергии из молекул топлива в аденозинтрифосфат (АТФ) и последующего высвобождения отходов клетки.
Липидный бислой – Мембрана, состоящая из двух слоев липидных молекул (обычно фосфолипидов ). Липидный бислой является важнейшим компонентом клеточной мембраны.
Аспекты клеток
Гомеостаз — свойство открытой или закрытой системы, особенно живого организма, регулирующее его внутреннюю среду таким образом, чтобы поддерживать стабильное, постоянное состояние.
Жизнь – состояние роста посредством метаболизма, воспроизводства и способности адаптироваться к окружающей среде посредством изменений, происходящих изнутри.
Микроскопический — масштаб объектов, таких как клетки, которые слишком малы, чтобы их можно было легко увидеть невооруженным глазом, и для их четкого рассмотрения требуются линзы или микроскоп.
Одноклеточные — организмы, состоящие только из одной клетки.
Многоклеточные — организмы, состоящие из более чем одной клетки и имеющие дифференцированные клетки, выполняющие специализированные функции.
Ткани — совокупность взаимосвязанных клеток, выполняющих схожую функцию в организме.
Клеточная дифференциация — концепция в биологии развития , согласно которой менее специализированные клетки становятся более специализированным типом клеток в многоклеточных организмах.
Типы клеток
Тип клетки – Отличительная морфологическая или функциональная форма клетки. Когда клетка переключает состояние с одного типа клетки на другой, она подвергается клеточной дифференциации . В организме взрослого человека существует по крайней мере несколько сотен различных типов клеток. [3] [4]
Животная клетка — эукариотические клетки, принадлежащие к царству Animalia , для которых характерно отсутствие клеточной стенки и хлоропластов.
Растительная клетка — эукариотические клетки, принадлежащие к царству Plantae и имеющие хлоропласты, целлюлозные клеточные стенки и крупные центральные вакуоли.
Протисты — чрезвычайно изменчивое царство эукариотических организмов, которые в основном одноклеточные и не являются растениями, животными или грибами.
Прокариоты — группа организмов, клетки которых лишены связанного с мембраной клеточного ядра или каких-либо других связанных с мембраной органелл, включая бактерии .
Бактериальные клетки — прокариотическая клетка, принадлежащая к преимущественно одноклеточному домену бактерий.
Клетка археи – клетка, принадлежащая к прокариотическим и одноклеточным микроорганизмам в домене археи.
По функции
Гамета – гаплоидная половая клетка. Сперматозоид и яйцеклетка являются гаметами. Гаметы сливаются с другой гаметой во время оплодотворения (зачатия) у организмов, размножающихся половым путем.
Зигота — клетка, образовавшаяся в результате оплодотворения (слияния двух гамет).
Яйцо – зигота большинства птиц и рептилий, возникающая в результате оплодотворения яйцеклетки. Крупнейшие существующие отдельные клетки, известные в настоящее время, – это (оплодотворенные) яйца.
Меристемическая клетка – недифференцированные клетки растений, аналогичные стволовым клеткам животных.
Стволовые клетки — недифференцированные клетки, встречающиеся в большинстве многоклеточных организмов, которые способны сохранять способность к самовосстановлению посредством митотического деления клеток и могут дифференцироваться в широкий спектр специализированных типов клеток.
Клеточный компартмент — все закрытые части внутри клетки, просвет которых обычно окружен одинарной или двойной липидной мембраной.
Органеллы — специализированная субъединица внутри клетки, которая имеет определенную функцию и отдельно заключена в собственную липидную мембрану или традиционно представляет собой любую субклеточную функциональную единицу.
Гладкий эндоплазматический ретикулум – часть эндоплазматического ретикулума, к которой не прикреплены рибосомы, называется гладким эндоплазматическим ретикулумом. Он выполняет функции в нескольких метаболических процессах, включая синтез липидов, метаболизм углеводов и концентрацию кальция, детоксикацию лекарств и присоединение рецепторов к белкам клеточной мембраны.
Шероховатый эндоплазматический ретикулум – часть эндоплазматического ретикулума, к которой прикреплены органеллы, производящие белок, т. е. рибосомы , называется шероховатым эндоплазматическим ретикулумом, что придает ему «шероховатый» вид (отсюда и его название). [6] Его основная функция – синтез ферментов и других белков.
Везикула — относительно небольшой внутриклеточный, заключенный в мембрану мешочек, в котором хранятся или транспортируются вещества.
Аппарат Гольджи — эукариотическая органелла, которая обрабатывает и упаковывает макромолекулы, такие как белки и липиды, синтезируемые клеткой.
Ядерная оболочка – это двойная липидная бислойная мембрана, которая окружает генетический материал и ядрышко в эукариотических клетках. Ядерная мембрана состоит из двух липидных бислоев:
Внутренняя ядерная мембрана
Внешняя ядерная мембрана
Перинуклеарное пространство – Пространство между ядерными мембранами, область, прилегающая к просвету (внутри) эндоплазматического ретикулума. Ядерная мембрана имеет множество маленьких отверстий, называемых ядерными порами, которые позволяют материалу перемещаться в ядро и из него.
Лизосомы – это связанные с мембраной клеточные органеллы, которые встречаются в большинстве клеток животных (они отсутствуют в эритроцитах). Структурно и химически они представляют собой сферические пузырьки, содержащие гидролитические ферменты, способные расщеплять практически все виды биомолекул, включая белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и клеточный дебрис. Лизосомы действуют как система утилизации отходов клетки, переваривая нежелательные материалы в цитоплазме, как извне клетки, так и устаревшие компоненты внутри клетки. За эту функцию их обычно называют «сумками самоубийц» или «мешочками самоубийц» клетки.
Эндосомы – это ограниченный мембраной отсек внутри эукариотических клеток. Это отсек эндоцитарного мембранного транспортного пути от плазматической мембраны к лизосоме. Эндосомы представляют собой основной сортировочный отсек эндомембранной системы в клетках.
Нуклеоплазма — вязкая жидкость внутри ядерной оболочки, похожая на цитоплазму.
Ядрышко – место, где из белков и РНК собираются рибосомы.
Хроматин — вся ДНК и связанные с ней белки в ядре.
Хромосома — отдельная молекула ДНК с прикрепленными белками.
Создатели энергии
Митохондрия – заключенная в мембрану органелла, встречающаяся в большинстве эукариотических клеток. [7] Митохондрии, часто называемые «клеточными электростанциями», генерируют большую часть аденозинтрифосфата ( АТФ) для клеток, основного источника энергии организма .
Хлоропласты — органеллы, обнаруженные в клетках растений и эукариотических водорослей, которые осуществляют фотосинтез.
Центросома – основной центр организации микротрубочек в клетках животных, а также регулятор прогрессирования клеточного цикла.
Рибосома – это большая и сложная молекулярная машина, которая находится во всех живых клетках и служит местом биологического синтеза белка (трансляции). Рибосомы строят белки из генетических инструкций, содержащихся в матричной РНК .
Вакуоль — ограниченный мембраной компартмент в некоторых эукариотических клетках, который может выполнять различные секреторные, выделительные и запасающие функции.
Структуры
Клеточная мембрана (также называемая плазматической мембраной, плазмалеммой или «фосфолипидным бислоем») — полупроницаемый липидный бислой, присутствующий во всех клетках; он содержит широкий спектр функциональных макромолекул.
Клеточная стенка — довольно жесткий слой, окружающий клетку, расположенный снаружи клеточной мембраны, который обеспечивает клетке структурную поддержку, защиту и действует как фильтрующий механизм.
Центриоль — микротрубочковая структура в форме бочки, встречающаяся в большинстве эукариотических клеток, за исключением клеток растений и грибов.
Кластер дифференциации – молекулы клеточной поверхности, изначально присутствующие на белых кровяных клетках, но встречающиеся практически в любых клетках организма, предоставляющие мишени для иммунофенотипирования клеток. Физиологически молекулы CD могут действовать многочисленными способами, часто выступая в качестве рецепторов или лигандов (молекул, активирующих рецептор), важных для клетки. Обычно инициируется каскад сигналов, изменяющий поведение клетки (см. сигнализация клеток).
Цитоплазма — студенистая, полупрозрачная жидкость, заполняющая большинство клеток; она включает в себя весь цитозоль, органеллы и цитоплазматические включения.
Цитозоль — это внутренняя жидкость клетки, в которой происходит часть клеточного метаболизма.
Включения – химические вещества, находящиеся во взвешенном состоянии непосредственно в цитозоле.
Фотосистема – это функциональные и структурные единицы белковых комплексов, участвующих в фотосинтезе, которые совместно выполняют первичную фотохимию фотосинтеза: поглощение света и перенос энергии и электронов. Они находятся в тилакоидных мембранах растений, водорослей и цианобактерий (у растений и водорослей они расположены в хлоропластах) или в цитоплазматической мембране фотосинтезирующих бактерий.
Плазмида — внехромосомная молекула ДНК, отдельная от хромосомной ДНК и способная к половой репликации. Обычно имеет форму кольца и встречается у бактерий.
Нити веретена деления — структура, которая разделяет хромосомы на дочерние клетки во время деления клетки.
Строма – бесцветная жидкость, окружающая грану внутри хлоропласта. Внутри стромы находятся граны, стопки тилакоидов , суборганеллы, дочерние клетки, где начинается фотосинтез до того, как химические изменения завершатся в строме.
Тилакоидная мембрана – место светозависимых реакций фотосинтеза с фотосинтетическими пигментами, встроенными непосредственно в мембрану.
Молекулы
ДНК – Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это нуклеиновая кислота, содержащая генетические инструкции, используемые в развитии и функционировании всех известных живых организмов и некоторых вирусов.
Белки — биохимические соединения, состоящие из одного или нескольких полипептидов, обычно свернутые в глобулярную или волокнистую форму, что обеспечивает выполнение биологической функции.
Хлорофилл – это термин, используемый для нескольких тесно связанных зеленых пигментов, обнаруженных в цианобактериях и хлоропластах водорослей и растений. Хлорофилл – чрезвычайно важная биомолекула, критически важная для фотосинтеза, которая позволяет растениям поглощать энергию из света.
Каротиноиды – это органические пигменты, которые находятся в хлоропластах и хромопластах растений и некоторых других фотосинтезирующих организмов, включая некоторые бактерии и некоторые грибы. Каротиноиды могут вырабатываться из жиров и других основных органических метаболических строительных блоков всеми этими организмами. Известно более 600 каротиноидов; они делятся на два класса: ксантофиллы (содержащие кислород) и каротины (которые являются чистыми углеводородами и не содержат кислорода).
Гликолиз — основополагающий процесс как аэробного, так и анаэробного дыхания, гликолиз является архетипом универсальных метаболических процессов, известных и происходящих (с вариациями) во многих типах клеток почти всех организмов.
Цикл лимонной кислоты — также известный как цикл Кребса, важный аэробный метаболический путь.
Цепь переноса электронов – биохимический процесс, который связывает переносчики электронов (такие как НАДН и ФАДН 2 ) и опосредует биохимические реакции, которые производят аденозинтрифосфат (АТФ), который является основным энергетическим промежуточным продуктом в живых организмах. Обычно происходит через клеточную мембрану.
Фотосинтез — преобразование световой энергии в химическую энергию живыми организмами.
Светозависимые реакции — ряд биохимических реакций, запускаемых светом, которые происходят через тилакоидную мембрану и обеспечивают реакции цикла Кальвина.
Цикл Кальвина – Серия анаболических биохимических реакций, происходящих в строме хлоропластов фотосинтезирующих организмов. Это одна из светонезависимых или темновых реакций.
Цепь переноса электронов – биохимический процесс, который связывает переносчики электронов (такие как НАДН и ФАДН 2 ) и опосредует биохимические реакции, которые производят аденозинтрифосфат (АТФ), который является основным энергетическим промежуточным продуктом в живых организмах. Обычно происходит через клеточную мембрану.
Метаболический путь — серия химических реакций, происходящих внутри клетки, которые в конечном итоге приводят к секвестрации энергии.
Спиртовое брожение — анаэробный метаболический процесс, при котором сахара, такие как глюкоза, фруктоза и сахароза, преобразуются в клеточную энергию и, таким образом, производят этанол и углекислый газ в качестве отходов метаболизма.
Молочнокислое брожение — анаэробный метаболический процесс, при котором сахара, такие как глюкоза, фруктоза и сахароза, преобразуются в клеточную энергию и метаболический продукт — молочную кислоту.
Хемосинтез — биологическое преобразование одной или нескольких молекул углерода (обычно углекислого газа или метана) и питательных веществ в органическое вещество с использованием окисления неорганических молекул (например, газообразного водорода, сероводорода ) или метана в качестве источника энергии, а не солнечного света, как при фотосинтезе.
Важные молекулы:
АДФ – аденозиндифосфат (АДФ) (аденозинпирофосфат (АПП)) является важным органическим соединением в метаболизме и необходим для потока энергии в живых клетках. Молекула АДФ состоит из трех важных структурных компонентов: сахарного остова, прикрепленного к молекуле аденина, и двух фосфатных групп, связанных с 5-м атомом углерода рибозы.
АТФ – многофункциональный нуклеотид, который имеет наибольшее значение как «молекулярная валюта» внутриклеточного переноса энергии.
НАДН – кофермент, присутствующий во всех живых клетках, который служит важным переносчиком электронов в метаболических процессах.
Пируват – это «энергетическая молекула», которая является продуктом аэробного метаболизма глюкозы, известного как гликолиз.
Глюкоза – важный простой сахар, используемый клетками в качестве источника энергии и промежуточного продукта метаболизма. Глюкоза является одним из основных продуктов фотосинтеза и запускает клеточное дыхание как у прокариот, так и у эукариот.
Клеточный цикл — последовательность событий, происходящих в эукариотической клетке и приводящих к ее репликации.
Интерфаза — этапы клеточного цикла, которые подготавливают клетку к делению.
Митоз — у эукариот процесс деления ядра и генетического материала.
Профаза — стадия митоза, на которой хроматин конденсируется в высокоупорядоченную структуру, называемую хромосомами, а ядерная мембрана начинает распадаться.
Метафаза — стадия митоза, на которой конденсированные хромосомы, несущие генетическую информацию, выстраиваются в центре клетки, а затем разделяются на две дочерние клетки.
Анафаза — стадия митоза, во время которой хроматиды (идентичные копии хромосом) разделяются, поскольку они тянутся к противоположным полюсам внутри клетки.
Телофаза — стадия митоза, во время которой ядро преобразуется, а хромосомы распадаются на более длинные хроматиновые структуры для повторного входа в интерфазу.
Цитокинез — процесс, который клетки используют для деления своей цитоплазмы и органелл.
Мейоз — процесс деления клеток, используемый для создания гамет у эукариот, размножающихся половым путем.
Хромосомный кроссинговер (или кроссинговер ) — это обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами, который приводит к рекомбинантным хромосомам во время полового размножения. Это одна из последних фаз генетической рекомбинации, которая происходит на стадии пахитены профазы I мейоза во время процесса, называемого синапсисом.
Бинарное деление — процесс деления клеток, используемый прокариотами.
Транскрипция и перевод
Транскрипция — фундаментальный процесс экспрессии генов посредством превращения сегмента ДНК в функциональную единицу РНК.
Трансляция — это процесс, в ходе которого клеточные рибосомы создают белки .
Осмос — диффузия воды через клеточную стенку или мембрану или любой частично проницаемый барьер из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества.
Пассивный транспорт — перемещение молекул в клетки и из них без затрат клеточной энергии.
Активный транспорт — перемещение молекул в клетки и из них с использованием клеточной энергии.
Массовая перевозка
Эндоцитоз — это форма активного транспорта, при которой клетка переносит молекулы (например, белки) внутрь клетки, поглощая их в процессе, требующем использования энергии.
Экзоцитоз — это форма активного транспорта, при которой клетка переносит молекулы (например, белки) из клетки, выталкивая их.
Фагоцитоз — процесс, который клетка использует для поглощения твердых частиц клеточной мембраной с образованием внутренней фагосомы, или «пищевой вакуоли».
Тоничность — это мера эффективного градиента осмотического давления (определяемого водным потенциалом двух растворов), разделенных полупроницаемой мембраной.
Запрограммированная гибель клетки — смерть клетки в любой форме, опосредованная внутриклеточной программой (например, апоптозом или аутофагией).
Апоптоз — серия биохимических событий, приводящих к характерной морфологии клетки и смерти, которая не вызвана повреждением клетки.
Аутофагия — процесс, при котором клетки «поедают» свои собственные внутренние компоненты или микробных захватчиков.
Старение клеток — явление, при котором нормальные диплоидные дифференцированные клетки теряют способность делиться примерно после 50 клеточных делений.
Клонирование — процессы, используемые для создания копий фрагментов ДНК (молекулярное клонирование), клеток (клеточное клонирование) или организмов .
Разрушение клетки — метод или процесс высвобождения биологических молекул из клетки.
Лабораторные процедуры
Бактериальная конъюгация – Передача генетического материала между бактериальными клетками путем прямого контакта между клетками или посредством мостообразного соединения между двумя клетками. [8] Конъюгация – удобный способ передачи генетического материала различным мишеням. В лабораториях сообщалось об успешных передачах от бактерий к дрожжам, [9] растениям, клеткам млекопитающих [10] [11] и изолированным митохондриям млекопитающих . [12]
Культура клеток – процесс, при котором клетки выращиваются в контролируемых условиях, как правило, за пределами их естественной среды. На практике термин «культура клеток» теперь относится к культивированию клеток, полученных из многоклеточных эукариот, особенно животных клеток.
Инкубатор клеток – Устройство, используемое для выращивания и поддержания микробиологических культур или клеточных культур. Инкубатор поддерживает оптимальную температуру, влажность и другие условия, такие как содержание углекислого газа (CO2 ) и кислорода в атмосфере внутри.
Cyto-Stain – коммерчески доступная смесь красителей для полихромного окрашивания в гистологии.
Сортировка клеток с флуоресцентной активацией – специализированный тип проточной цитометрии. Он обеспечивает метод сортировки гетерогенной смеси биологических клеток в два или более контейнера, по одной клетке за раз, на основе специфических характеристик светорассеяния и флуоресценции каждой клетки.
Вращение — использование специального биореактора, оснащенного импеллером, мешалкой или аналогичным устройством для перемешивания содержимого (обычно смеси клеток, среды и продуктов, таких как белки, которые можно собрать).
Линн Маргулис — американский биолог, наиболее известная своей теорией происхождения эукариотических органелл, а также своим вкладом и поддержкой эндосимбиотической теории.
Пол Нерс – Лауреат Нобелевской премии 2001 года за открытия, касающиеся регуляции клеточного цикла циклином и циклинзависимыми киназами.
Леланд Х. Хартвелл – Лауреат Нобелевской премии 2001 года за открытия, касающиеся регуляции клеточного цикла циклином и циклинзависимыми киназами.
Р. Тимоти Хант – Лауреат Нобелевской премии 2001 года за открытия, касающиеся регуляции клеточного цикла циклином и циклинзависимыми киназами.
Тесно связанные науки
Цитопатология – раздел патологии , изучающий и диагностирующий заболевания на клеточном уровне. Наиболее распространенным применением цитопатологии является мазок Папаниколау , используемый для обнаружения рака шейки матки на ранней стадии, поддающейся лечению.
^ Движения клеток и формирование тела позвоночного в главе 21 книги «Молекулярная биология клетки» , четвертое издание, под редакцией Брюса Альбертса (2002), опубликованной издательством Garland Science.
^ "Robert Hooke". Молекулярные выражения: наука, оптика и вы . Университет штата Флорида. 1 августа 2003 г. Получено 9 августа 2015 г.
^ Молекулярная биология клетки , четвертое издание, Брюс Альбертс, Александр Джонсон, Джулиан Льюис, Мартин Рафф, Кит Робертс, Питер Уолтер
^ ines.de/cope.cgi База данных COPE
^ Seiser, Robert M.; Nicchitta, Christopher V. (2000). «Судьба связанных с мембраной рибосом после прекращения синтеза белка». Journal of Biological Chemistry . 275 (43): 33820–33827. doi : 10.1074/jbc.M004462200 . PMID 10931837. Получено 29 октября 2017 г.
^ Кэмпбелл, Нил А. (1996) Биология, четвертое издание. Benjamin/Cummings Publishing, стр. 120-121 ISBN 0-8053-1940-9
^ Хенце К, Мартин В (2003). «Эволюционная биология: сущность митохондрий». Nature . 426 (6963): 127–8. Bibcode :2003Natur.426..127H. doi : 10.1038/426127a . PMID 14614484. S2CID 862398.
^ Холмс РК, Джоблинг МГ (1996). "Генетика". В Baron S, et al. (ред.). Генетика: Спряжение. в: Baron's Medical Microbiology (4-е изд.). Медицинское отделение Техасского университета. ISBN0-9631172-1-1. PMID 21413277.
^ Heinemann JA, Sprague GF (июль 1989). «Бактериальные конъюгативные плазмиды мобилизуют перенос ДНК между бактериями и дрожжами». Nature . 340 (6230): 205–9. Bibcode :1989Natur.340..205H. doi :10.1038/340205a0. PMID 2666856. S2CID 4351266.
^ Kunik T, Tzfira T, Kapulnik Y, Gafni Y, Dingwall C, Citovsky V (февраль 2001 г.). «Генетическая трансформация клеток HeLa с помощью Agrobacterium». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 98 (4): 1871–6. doi : 10.1073/pnas.041327598 . PMC 29349. PMID 11172043 .
^ Waters VL (декабрь 2001 г.). «Конъюгация между бактериальными и млекопитающими клетками». Nat. Genet . 29 (4): 375–6. doi :10.1038/ng779. PMID 11726922. S2CID 27160.
^ Yoon YG, Koob MD (2005). «Трансформация изолированных митохондрий млекопитающих путем бактериальной конъюгации». Nucleic Acids Res . 33 (16): e139. doi :10.1093/nar/gni140. PMC 1201378. PMID 16157861 .
