Клітинна інженерія

Реферат

Вступ

Цитологія - наука про клітину. Наука про клітці називається цитологією (грец. «цітос" - клітина, «логос" - наука). Предмет цитології - клітини багатоклітинних тварин і рослин, а також одноклітинних організмів, до числа яких відносяться бактерії, найпростіші і одноклітинні водорості. Цитологія вивчає будову і хімічний склад клітин, функції внутрішньоклітинних структур, функції клітин в організмі тварин і рослин, розмноження та розвиток клітин, пристосування клітин до умов навколишнього середовища. Сучасна цитологія - наука комплексна. Вона має найтісніші зв'язки з іншими біологічними науками, наприклад з ботаніки, зоології, фізіологією, вченням про еволюцію органічного світу, а також з молекулярною біологією, хімією, фізикою, математикою. Цитологія - один з відносно молодих біологічних наук, її вік близько 100 років. Вік же термін "клітина" нараховує понад 300 років. Вперше назва «клітка» в середині XVII ст. застосував Р. Гук. Розглядаючи тонкий зріз пробки з допомогою мікроскопа, Гук побачив, що корок складається з комірок - клітин.

Клітинна теорія. У середині XIX століття на основі вже численних знань про клітину Т. Шванн сформулював клітинну теорію (1838). Він узагальнив наявні знання про клітці і показав, що клітина являє основну одиницю будови всіх живих організмів, що клітини тварин і рослин подібні за своєю будовою. Ці положення стали найважливішими доказами єдності походження всіх живих організмів, єдність всього органічного світу. Т. Шван вніс в науку правильне розуміння клітини як самостійної одиниці життя, найменшою одиниці живого: поза клітиною немає життя.

Вивчення хімічної організації клітини привело до висновку, що саме хімічні процеси лежать в основі її життя, що клітини всіх організмів подібні за хімічним складом, у них однотипно протікають основні процеси обміну речовин. Дані про подібність хімічного складу клітин ще раз підтвердили єдність всього органічного світу.

Сучасна клітинна - теорія включає наступні положення:

клітина -- основна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів, найменша одиниця живого;

клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні (гомологічних) за своїм будові, хімічному складу, основним проявам життєдіяльності та обміну речовин;

розмноження клітин відбувається шляхом їх розподілу, і кожна нова клітина утворюється в внаслідок поділу вихідної (материнської) клітини;

в складних багатоклітинних організмах клітини спеціалізовані за виконуваної ними функції і утворюють тканини; з тканин складаються органи, які тісно пов'язані між собою і підпорядковані нервових і гуморальних систем регуляції.

Дослідження клітини мають велике значення для розгадки захворювань. Саме в клітках починають розвиватися патологічні зміни, які призводять до виникнення захворювань. Щоб зрозуміти роль клітин у розвитку захворювань, наведемо кілька прикладів. Одне з серйозних захворювань людини - цукровий діабет. Причина цього захворювання -- недостатня діяльність групи клітин підшлункової залози, що виробляють гормон інсулін, який бере участь у регуляції цукрового обміну організму. Злоякісні зміни, які призводять до розвитку ракових пухлин, виникають також на рівні клітин. Збудники кокцидіозу - небезпечного захворювання кроликів, курей, гусей і качок - паразитичні найпростіші - Кокцидії проникають в клітини кишкового епітелію і печінки, ростуть і розмножуються в них, повністю порушують обмін речовин, а потім руйнують ці клітини. У хворих кокцидіоз тварин сильно порушується діяльність травної системи, і за відсутності лікування тварини гинуть. Ось чому вивчення будови, хімічного складу, обміну речовин і всіх проявів життєдіяльності клітин необхідно не тільки в біології, але також в медицині та ветеринарії.

Вивчення різноманітних клітин одноклітинних та багатоклітинних організмів за допомогою світлооптичному та електронного мікроскопів показало, що за своєю будовою вони поділяються на дві групи. Одну групу складають бактерії та синьо-зелені водорості. Ці організми мають найбільш просте будову клітин. Їх називають доеденнимі (прокаріоти), так як у них немає оформленого ядра (грец. «картон»-ядро) і немає багатьох структур, які називають органоїдами. Іншу групу складають всі інші організми: від одноклітинних зелених водоростей і найпростіших до вищих квіткових рослин, ссавців, у тому числі й людини. Вони мають складно влаштовані клітини, які називають ядерними (еукаріотичних). Ці клітини мають ядро і органели, які виконують специфічні функції.

Особливу, неклітинних форму життя становлять віруси, вивченням яких займається вірусологія.

Будова і функції оболонки клітки

Клітка будь-якого організму, являє собою цілісну живу систему. Вона складається з трьох нерозривно пов'язаних між собою частин: оболонки, цитоплазми і ядра. Оболонка клітка здійснює безпосередню взаємодія із зовнішнім середовищем і взаємодію із сусідніми клітинами (в багатоклітинних організмах).

Оболонка кліток. Оболонка кліток має складну будову. Вона складається із зовнішнього шару і розташованої під ним плазматичної мембрани. Клітини тварин і рослин розрізняються по будівлі їхнього зовнішнього шару. У рослин, а також у бактерій, синьо-зелених водоростей і грибів на поверхні кліток розташована щільна оболонка, або клітинна стінка. У більшості рослин вона складається з клітковини. Клітинна стінка грає винятково важливу роль: вона являє собою зовнішній каркас, захисну оболонку, забезпечує тургор рослинних кліток: через клітинну стінку проходить вода, солі, молекули багатьох органічних речовин.

Зовнішній шар поверхні кліток тварин на відміну від клітинних стінок рослин дуже тонкий, еластичний. Він не видно у світловий мікроскоп і складається з різноманітних полісахаридів і білків. Поверхневий шар тваринних клітин отримав назву глікокаліксу.

глікокаліксу виконує насамперед функцію безпосереднього зв'язку кліток тварин із зовнішнім середовищем, з усіма навколишніми її речовинами. Маючи незначну товщину (менше 1 мкм), зовнішній шар клітки тварин не виконує опорної ролі, яка властива клітинних стінок рослин. Освіта глікокаліксу, так само як і клітинних стінок рослин, відбувається завдяки життєдіяльності самих кліток.

плазматичної мембрани. Під гликокаликсом і клітинної стінкою рослин розташована плазматична мембрана (лат. "мембрана»-шкірка, плівка), що граничить безпосередньо з цитоплазмою. Товщина плазматичної мембрани близько 10 нм, вивчення її будівлі і функцій можливо тільки за допомогою електронного мікроскопа.

До складу плазматичної мембрани входять білки і ліпіди. Вони упорядковане розташовані і з'єднані один з одним хімічними взаємодіями. За сучасними уявленням молекули ліпідів в плазматичною мембрані розташовані в два ряду і утворюють суцільний шар. Молекули білків не утворять суцільного шару, вони розташовуються в шарі ліпідів, занурюючи в нього на різну глибину.

Молекули білка і ліпідів рухливі, що забезпечує динамічність плазматичної мембрани.

плазматична мембрана виконує багато важливих функцій, від яких побачать життєдіяльність клітин. Одна з таких функцій полягає в тому, що вона утворює бар'єр, відмежовує внутрішній уміст клітки від зовнішнього середовища. Але між клітинами і зовнішнім середовищем постійно відбувається обмін речовин. З зовнішнього середовища в клітку надходить вода, різноманітні солі у формі окремих іонів, неорганічні й органічні молекули. Вони проникають у клітку через дуже тонкі канали плазматичної мембрани. У зовнішнє середовище виводяться продукти, утворені в клітці. Транспорт речовин-одна з головних функцій плазматичної мембрани. Через плазматичну мембрану з кліті виводяться продукти обміну, а також речовини, синтезовані в клітці. До числа їх відносяться різноманітні білки, вуглеводи, гормони, які виробляються в клітках різних залоз і виводяться в позаклітинне середовище у формі дрібних крапель.

Клітини, утворять у багатоклітинних тварин різноманітні тканини (епітеліальну, м'язову та ін), з'єднуються один з одним плазматичною мембраною. У місцях з'єднання двох кліток мембрана кожної з них може утворювати складки або вирости, що додають з'єднанням особливу міцність.

З'єднання кліток рослин забезпечується шляхом утворення тонких каналів, що заповнені цитоплазмою і обмежені плазматичною мембраною. По таких каналах, що проходить через клітинні оболонки, з однієї клітини в іншу надходять живильні речовини, іони, вуглеводи й інші з'єднання.

На поверхні багатьох кліток тварин, наприклад, різних епітелієм, знаходяться дуже дрібні тонкі вирости цитоплазми, покриті плазматичною мембраною, - мікроворсинки. Найбільша кількість мікроворсинок знаходиться на поверхні кліток кишечнику, де відбувається інтенсивне перетравлювання і всмоктування перевареної їжі.

Фагоцитоз. Великі молекули органічних речовин, наприклад білків і полісахаридів, частки їжі, бактерії надходять у клітку шляхом фагоцити (грец. "фагео" - пожирати). У фагоціте безпосередню участь приймає плазматична мембрана. У тому місці, де поверхня клітки стикається з часткою якого-небудь щільної речовини, мембрана прогинається, утворить поглиблення й оточує частку, яка в "мембранної упаковці" занурюється всередину клітини. Утворюється травна вакуоль і в ній перетравлюються що надійшли в клітку органічні речовини.

Цитоплазма. Відокремлений від зовнішнього середовища плазматичною мембраною, цитоплазма являє собою внутрішню напіврідку середу клітин. У цитоплазму еукаріотів, розташовуються ядро і різні органели. Ядро розташовується в центральній частині цитоплазми. У ній зосереджені і різноманітні включення - продукти клітинної діяльності, вакуолі, а також дрібні трубочки і нитки, що утворять кістяк клітки. У складі основної речовини цитоплазми переважають білки. У цитоплазмі протікають основні процеси обміну речовин, вона об'єднує в одне ціле ядро і всі органели, забезпечує їх взаємодію, діяльність клітки як єдиної цілісної живої системи.

Ендоплазматична мережу. Уся внутрішня зона цитоплазми заповнена численними дрібними каналами і порожнинами, стінки яких являють собою мембрани, подібні по своїй структурі з плазматичною мембраною. Ці канали гілкуються, з'єднуються один з одним і утворюють мережу, що одержала назву ендоплазматичної мережі.

Ендоплазматична мережа неоднорідна по своєму будовою. Відомі два її типи - гранулярна і гладка. На мембранах каналів і порожнин гранулярних мережі розташовується безліч дрібних округлих тілець -- рибосом, які надають мембранам шорсткий вигляд. Мембрани гладкої ендоплазматичної мережі не несуть рибосом на своїй поверхні.

Ендоплазматична мережа виконує багато різноманітних функцій. Основна функція гранулярних ендоплазматичної мережі - участь у синтезі білка, який здійснюється в рибосомах.

На мембранах гладкої ендоплазматичної мережі відбувається синтез ліпідів і вуглеводів. Усі ці продукти синтезу накопичуються в каналах і порожнинах, а потім транспортуються до різних органоидам клітини, де або споживаються накопичуються в цитоплазмі як клітинних включень. Ендоплазматична мережа зв'язує між собою основні органели клітини.

Рибосоми. Рибосоми виявлені в клітках всіх організмів. Це мікроскопічні тільця округлої форми діаметром 15-20 нм. Кожна рибосома складається з двох неоднакових по розмірах часток, малої і великий.

В одній клітці міститься багато тисяч рибосом, вони розташовуються або на мембранах гранулярних ендоплазматичної мережі, або вільно лежать у цитоплазмі. До складу рибосом входять білки і РНК. Функція рибосом - це синтез білка. Синтез білка - складний процес, який здійснюється не однією рибосомою, а цілою групою, що включає до декількох десятків об'єднаних рибосом. Таку групу рибосом називають полісомой. Синтезовані білки спочатку накопичуються в каналах і порожнинах ендоплазматичної мережі, а потім транспортуються до органоидам і ділянках клітини, де вони споживаються. Ендоплазматична мережа і рибосоми, розташовані на її мембранах, являють собою єдиний апарат біосинтезу і транспортування білків.

Мітохондрії. У цитоплазмі більшості клітин тварин і рослин містяться дрібні тільця (0,2-7 мкм) - мітохондрії (грец. «мітос» -- нитка, «хондріон» - зерно, гранула).

Мітохондрії добре видно в світловий мікроскоп, з допомогою якого можна розглянути їхню форму, розташування, порахувати кількість. Внутрішня будівля мітохондрій вивчена за допомогою електронного мікроскопа. Оболонка мітохондрії складається з двох мембран - зовнішньої і внутрішньої. Зовнішня мембрана гладка, вона не утворить ніяких складок і виростів. Внутрішня мембрана, навпроти, утворить численні складки, які направлені в порожнину мітохондрії. Складки внутрішньої мембрани називають кристами (лат. «Крісті» - гребінь, виріст) Число крист неоднаково в мітохондріях різних клітин. Їх може бути від декількох десятків до декількох сотень, причому особливо багато крист в мітохондріях активно функціонуючих кліток, наприклад м'язових.

Мітохондрії називають «силовими станціями» кліток »так як їх основна функція - синтез аденозинтрифосфорной кислоти (АТФ). Ця кислота синтезується в мітохондріях кліток всіх організмів і являє собою універсальне джерело енергії, необхідний для здійснення процесів життєдіяльності клітки і цілого організму.

Нові мітохондрії утворяться розподілом вже існуючих в клітці мітохондрій.

Пластида. У цитоплазмі кліток усіх рослин знаходяться пластиди. У клітинах тварин пластиди відсутні. Розрізняють три основних типи пластид: зелені - хлоропласти; червоні, помаранчеві та жовті - хромопласти; безбарвні - лейкопласти.

Хлоропласт. Ці органели містяться в клітках листів та інших зелених органів рослин, а також у різноманітних водоростей. Розміри хлоропластів 4-6 мкм, найбільше часто вони мають овальну форму. У вищих рослин в одній клітці звичайно буває кілька десятків хлоропластів. Зелений колір хлоропластів залежить від змісту в них пігменту хлорофілу. Хлоропласт -- основний органоид клітин рослин, в якому відбувається фотосинтез, тобто утворення органічних речовин (вуглеводів) з неорганічних (СО2 і Н2О) при використанні енергії сонячного світла.

По будові хлоропласти схожі з мітохондріями. Від цитоплазми хлоропласт відмежований двома мембранами - зовнішньої і внутрішньої. Зовнішня мембрана гладка, без складок і виростів, а внутрішня утворить багато складчастих виростів, спрямованих усередину хлоропласта. Тому всередині хлоропласта зосереджена велика кількість мембран, що особливі структури - грани. Вони складені на зразок стопки монет.

У мембранах гран розташовуються молекули хлорофілу, тому саме тут відбувається фотосинтез. У хлоропластах синтезується й АТФ. Між внутрішніми мембранами хлоропласта містяться ДНК, РНК і рибосоми. Отже, в хлоропластах, так само як і в мітохондріях, відбувається синтез білка, необхідного для діяльності цих органоидов. Хлоропласти розмножуються поділом.

Хромопласти знаходяться в цитоплазмі кліток різних частин рослин: у квітках, плодах, стеблах, листі. Присутністю хромопластів пояснюється жовта, помаранчева і червона забарвлення віночків квіток, плодів, осіннього листя.

лейкопласти. знаходяться в цитоплазмі клітин нефарбованих частин рослин, наприклад у стеблах, коренях, бульбах. Форма лейкопласти різноманітна.

Хлоропласти, хромопласти і лейкопласти здатні клітка взаємному переходу. Так при дозріванні плодів або зміні фарбування листів восени хлоропласти перетворюються на хромопласти, а лейкопласти можуть перетворюватися в хлоропласти, наприклад, при позеленіння бульб картоплі.

Апарат Гольджі. У багатьох клітинах тварин, наприклад у нервових, він має форм?? складної мережі, розташованої навколо ядра. У клітинах рослин і найпростіших апарат Гольджі представлений окремими тільцями серповидної або паличкоподібні форми. Будова цього органоиди схоже в клітинах рослинних і тваринних організмів, незважаючи на розмаїтість його форми.

До складу апарату Гольджі входять: порожнини, обмежені мембранами і розташовані групами (по 5-10); великі й дрібні пухирці, розташовані на кінцях порожнин. Усі ці елементи складають єдиний комплекс.

Апарат Гольджі виконує багато важливих функцій. За каналах ендоплазматичної мережі до нього транспортуються продукти синтетичної діяльності клітки - білки, вуглеводи і жири. Всі ці речовини спочатку накопичуються, а потім у вигляді великих і дрібних пухирців надходять у цитоплазму і або використовуються в самій клітці в процесі її життєдіяльності, або виводяться з неї і використовуються в організмі. Наприклад, у клітках підшлункової залози ссавців синтезуються травні ферменти, які накопичуються в порожнинах органоидов. Потім утворяться пухирці, наповнені ферментами. Вони виводяться з кліток у протоку підшлункової залози, звідки перетікають у порожнину кишечнику. Ще одна важлива функція цього органоиди полягає в тому, що на його мембранах відбувається синтез жирів і вуглеводів (полісахаридів), що використовуються в клітці і які входять до складу мембран. Завдяки діяльності апарату Гольджі відбуваються оновлення і зростання плазматичної мембрани.

Лізосоми. Представляють собою невеликі округлі тільця. Від цитоплазми кожна Лізосома відокремлена мембраною. Всередині лізосоми знаходяться ферменти, що розщеплюють білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти.

До харчової частки, що надійшла в цитоплазму, підходять лізосоми, зливаються з нею, і утвориться одна травна вакуоль, усередині якої знаходиться харчова частка, оточена ферментами лізосом. Речовини, що утворилися в результаті перетравлення харчової частки, надходять у цитоплазму і використовуються кліткою.

Маючи здатність до активного перетравлювання харчових речовин, лізосоми беруть участь у видаленні що відмирають у процесі життєдіяльності частин клітин, цілих кліток і органів. Утворення нових лізосом відбувається в клітці постійно. Ферменти, що містяться в лізосомах, як і всякі інші білки синтезуються на рибосомах цитоплазми. Потім ці ферменти надходять по каналах ендоплазматичної мережі до апарату Гольджі, в порожнинах якого формуються лізосоми. У такому вигляді лізосоми надходять у цитоплазму.

Клітинний центр. У клітках тварин поблизу ядра знаходиться органоид, який називають клітинним центром. Основну частину клітинного центра складають два маленьких тільця - центріолі, розташовані в невеликій ділянці ущільненої цитоплазми. Кожна центріоль має форму циліндра довжиною до 1 мкм. Центріолі відіграють важливу роль при розподілі клітки; вони беруть участь в утворенні веретена розподілу.

Клітинні включення. До клітинних включень відносяться вуглеводи, жири і білки. Всі ці речовини накопичуються в цитоплазмі клітки у виді крапель і зерен різної величини і форми. Вони періодично синтезуються в клітці і використовуються в процесі обміну речовин.

Ядро. Кожна клітка одноклітинних і багатоклітинних тварин, а також рослин містить ядро. Форма і розміри ядра залежать від форми і розміру кліток. У більшості клітин є одне ядро, і такі клітки називають одноядерними. Існують також клітки з двома, трьома, з декількома десятками і навіть сотнями ядер. Це -- багатоядерні клітини.

Ядерний сік - напіврідкі речовина, яка знаходиться під ядерною оболонкою і представляє внутрішнє середовище ядра.

Хімічний склад клітини. Неорганічні речовини

Атомний і молекулярний склад клітки. У мікроскопічною клітці міститься кілька тисяч речовин, які беруть участь у різноманітних хімічних реакціях. Хімічні процеси, що протікають в клітині, -- ті тканини верхівок ростових пагонів і коренів мають особливе значення для отримання безвірусні клонів. Відібраний матеріал стерилізується різними речовинами. При цьому необхідно дотримати баланс часу, щоб, з одного боку, його тривалість забезпечила знищення мікроорганізмів, з іншого - не пошкодила б клітини самої рослинної тканини. Підготовка матеріалу до культивування завершується багаторазовим обмиваючи стерильною водою, після чого його поміщають в стерильну робочу банку на поживне середовище і ростять обов'язково в стерильних умовах.

Властивість живильного середовища визначаються поставленими цілями культивування рослинного матеріалу, оскільки саме від заданих умов залежить кінцевий продукт. Поживна середу буває рідкому або твердому. Вона, як правило, складається з великої кількості синтетичних речовин із заданою концентрацією. Оскільки ізольовані рослинні клітини і тканини більшої частиною є гетеротрофних, у неї повинен бути органічно пов'язаний вуглець, джерелом якого зазвичай служать глюкоза або сахароза. Азот додається у вигляді нітратів, які використовуються клітинами за допомогою нітратредуктази. Застосовують також фосфор, калій, кальцій, магній, сульфати. Необхідною компонентом є вітаміни, особливо групи В (В1, В2, В6), міоінозіт, біотин, а також амінокислоти і органічні солі. До безумовно необхідним мікроелементів належать бор, марганець, йод, мідь, кобальт, молібден. Так, нестача марганцю перешкоджає синтезу білків, зменшує кількість РНК і призводить до збільшення вмісту вільних амінокислот. Залізо має значення для поділу ядра і для діяльності дихальних ферментів. Нарешті, необхідна наявність в живильному середовищі ряду фітогормонів. Маніпулюючи концентраціями різних речовин в поживних середовищах, кислотністю останніх, температурою, освітленістю і вологістю в камерах для культивування, можна отримати рослини і речовини з необхідними властивостями. Залежно від рослинних клітин і тканин, способів культивування розрізняють наступні основні типи структур: каллюсние, суспензійні, протопластів, меристематичних, пиляків.

Каллюсние структури

Для каллюсних структур вихідним матеріалом є каллюс - це тканина, що утворюється у рослин на місцях поранень і сприяє їх загоєнню. Вона складається з більш-менш однорідних паренхімних клітин, початок яким дає ранова меристема. Елементи каллюса мало диференційовані, проте поблизу його поверхні спостерігається зростання, обумовлене активністю меристематичних клітин. Згодом у каллюсе можлива диференціювання його елементів та освіта флоеми, ксілеми та інших тканин. Зовнішні клітини каллюса опробковевают.

Для культивування на обраному органі роблять надріз, на всій поверхні якого розвивається тканина, що складається з неорганізовано зростаючих клітин. Ця утворилася тканину і культивується в заданих умовах. Залежно від виду рослини і по