Строение клетки и её органоиды
Эукариотическая клетка состоит из четырёх основных компонентов: мембраны, выполняющей барьерную функцию и состоящей из фосфолипидного бислоя со встроенными белками; цитоплазмы, включающей цитозоль и органеллы; ядра, хранящего наследственную информацию; и системы органоидов, обеспечивающих биохимические процессы.
- Рибосомы — немембранные органоиды, отвечающие за трансляцию.
- Митохондрии — двумембранные органоиды, осуществляющие синтез АТФ.
- Аппарат Гольджи — одномембранный органоид транспорта и модификации белков, синтеза лизосом.
- Эндоплазматический ретикулум: шероховатый (синтез белка) и гладкий (синтез липидов, детоксикация, регуляция кальция).
- Цитоскелет — микрофиламенты и микротрубочки, поддерживающие форму клетки.
Растительная клетка дополнительно содержит вакуоли, пластиды и целлюлозную клеточную стенку. Животная клетка имеет клеточный центр и лизосомы. Прокариотические клетки лишены мембранных органоидов; их ДНК представлена кольцевым нуклеоидом.
Мембранный транспорт
Пассивный транспорт идёт по градиенту концентрации без затрат энергии: простая диффузия (O₂, CO₂ через липидный бислой), осмос (вода через полупроницаемую мембрану) и облегчённая диффузия через белки-переносчики (глюкоза).
Активный транспорт требует АТФ и идёт против градиента концентрации. Примеры: натрий-калиевый насос, экзо- и эндоцитоз. По направлению переноса различают унипорт, симпорт и антипорт.
Клеточный цикл, митоз и мейоз
Клеточный цикл состоит из интерфазы (G1 — рост, S — репликация ДНК, G2 — подготовка к делению) и собственно деления. Контрольные точки G1/S, G2/M и метафазная обеспечивают целостность ДНК и правильную ориентацию хромосом. В фазе G0 клетка находится в покое.
Митоз — деление соматических клеток с образованием двух идентичных дочерних клеток. Стадии: профаза (конденсация хроматина), метафаза (формирование метафазной пластинки), анафаза (расхождение сестринских хроматид), телофаза с цитокинезом.
Мейоз даёт четыре гаплоидные клетки и обеспечивает комбинативную изменчивость. Профаза I включает пять стадий: лептотена, зиготена, пахитена (с кроссинговером), диплотена (видны хиазмы) и диакинез. Второе деление мейоза аналогично митозу.
Нуклеиновые кислоты и компактизация ДНК
ДНК хранит генетическую информацию, РНК участвует в её реализации. Нуклеотид состоит из азотистого основания (А, Г, Ц, Т/У), пятиуглеродного сахара (дезоксирибоза или рибоза) и фосфатной группы. ДНК образует двойную антипараллельную спираль (5′→3′ комплементарно 3′→5′).
Типы РНК: мРНК (матрица для синтеза белка), тРНК (доставка аминокислот), рРНК (структурная и каталитическая в рибосомах), микроРНК и малые интерферирующие РНК (регуляция экспрессии), длинные некодирующие РНК.
Уровни компактизации ДНК: нуклеосома (ДНК на октамере гистонов), 30-нм соленоид (стабилизирован гистоном H1), петлевая структура (когезины) и конденсированная хромосома.
Репликация, транскрипция, трансляция
Репликация полуконсервативна, антипараллельна и требует праймера. Этапы: инициация (раскручивание спирали хеликазами, формирование репликативной вилки), элонгация (синтез ДНК-полимеразой 5′→3′), терминация. У прокариот один origin на кольцевой хромосоме; у эукариот — множество точек инициации и комплекс ORC.
Транскрипция: РНК-полимераза связывается с промотором, синтезирует мРНК и завершает работу при достижении терминатора. У эукариот следует процессинг — кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг с удалением интронов; у прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно в цитоплазме.
Трансляция протекает на рибосоме с сайтами A, P и E. тРНК доставляет аминокислоты, между которыми образуются пептидные связи. Терминация происходит на стоп-кодонах УАА, УАГ, УГА.
Генетический код и экспрессия генов
Генетический код включает 64 кодона, из которых 3 — стоп-кодоны. Свойства: триплетность, универсальность, неперекрываемость, однозначность и избыточность (вырожденность).
У эукариот экспрессия регулируется промоторами и энхансерами, активаторами и репрессорами, альтернативным сплайсингом, эпигенетическими модификациями (метилирование ДНК, ацетилирование гистонов) и микроРНК. У прокариот действует оперонная система: классический пример — лактозный оперон, где наличие лактозы инактивирует репрессор и запускает синтез лактазы.
Мутации и репарация ДНК
Мутации делятся на генные, хромосомные (инсерции, делеции, инверсии) и геномные (изменение числа хромосом, например трисомия 21).
У прокариот выделяют фотореактивную (фотолиаза), эксцизионную, пострепликативную, склонную к ошибкам и SOS-репарацию. У эукариот механизмы аналогичны, но более точные; дополнительно работают репарация ошибочно спаренных нуклеотидов и репарация одно- и двуцепочечных разрывов гомологичным или негомологичным соединением концов.
Биохимические основы: белки, жиры, углеводы
Белки состоят из аминокислот и выполняют каталитическую, транспортную, структурную, защитную, регуляторную, энергетическую, резервную и рецепторную функции. Уровни структуры: первичная (последовательность), вторичная (α-спирали, β-слои), третичная (глобула) и четвертичная (например, гемоглобин).
Липиды — концентрированный источник энергии, основа мембран, предшественники стероидных гормонов и витамина D, обеспечивают усвоение жирорастворимых витаминов A, D, E, K. Делятся на насыщенные и ненасыщенные. Расщепляются до глицерина и жирных кислот.
Углеводы — основной источник энергии, запасаются в виде гликогена. Простые (глюкоза, фруктоза) усваиваются быстро, сложные (крахмал, клетчатка) — медленно. Метаболизм клетки складывается из анаболизма (синтез с затратой энергии) и катаболизма (расщепление с выделением энергии).
Ключевые моменты
- Эукариотическая клетка имеет мембранные органоиды; прокариотическая ограничена нуклеоидом и рибосомами.
- Транспорт через мембрану бывает пассивным (диффузия, осмос) и активным (Na⁺/K⁺-насос, эндо- и экзоцитоз).
- Митоз обеспечивает идентичные дочерние клетки, мейоз — гаплоидные половые клетки и комбинативную изменчивость.
- ДНК компактизуется через нуклеосомы, соленоид, петли и хромосому.
- Репликация полуконсервативна и антипараллельна; синтез всегда идёт 5′→3′.
- У эукариот мРНК проходит кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг до выхода в цитоплазму.
- Генетический код триплетен, универсален, вырожден и однозначен.
- Метаболизм объединяет анаболические и катаболические процессы, обеспечивая энергобаланс клетки.