ПРОГРАММА ЛЕКЦИЙ «ОБЩАЯ ЦИТОЛОГИЯ» ДЛЯ СТУДЕНТОВ 1 КУРСА ФАКУЛЬТЕТА ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ МЕДИЦИНЫ: преподаватель - д.б.н., профессор Смирнова Е.А.

1. Предмет клеточной биологии (цитологии), история изучения клетки, методы клеточной биологии (световая и электронная  микроскопия, флуоресцентная микроскопия, иммуноцитохимия, цитохимия, методы культуры клеток, клеточная  гибридизация, компьютерная видеомикроскопия, метод выявления клеточных структур in vivo с помощью флюоресцентных белков); связь  клеточной  биологии с гистологией, молекулярной биологией, генетикой, биохимией и биологией развития; практическое применение достижений клеточной биологии.

 

2. Клеточная теория:

Основные постулаты теории: сходство  строения  клеток; эукариоты и прокариоты, закон воспроизведения клеток, тотипотентность генома клеток многоклеточных  организмов; понятие дифференцировки клеток; понятие о клетке как единой системы сопряженных субклеточных подсистем, клетка как единица строения, функционирования, развития и патологии организмов.

Основные компоненты клетки: Ядро - система хранения, воспроизведения и реализации генетической информации.   Цитоплазма - система основного промежуточного обмена.   Мембранные и немембранные органеллы: вакуолярная система - (ЭПР, аппарат Гольджи лизосомы, эндосомы)- система синтеза и внутриклеточного транспорта биополимеров; митохондрии - органеллы энергетики клетки; плазматическая мембрана - барьерная, рецепторная и транспортная  система; рибосомы - органеллы синтеза белка, цитоскелет -  опорно-двигательная система.

 

3. Клеточное ядро - система поддержания, воспроизведения и реализации генетической информации.

1). Ядерный аппарат прокариотических клеток: нуклеоид, особенности ДНК прокариот, репликация бактериальных ДНК, упаковка ДНК в составе нуклеоида, реализация  генетической информации - особенности транскрипции и  трансляции.

2). Ядро эукариотических клеток: компоненты интерфазных ядер.  Хроматин: альтернативные состояния хроматина (интерфаза и митоз), эухроматин и гетерохроматин; разнообразие структурной организации интерфазных ядер; общая морфология митотических хромосом, виды хромосом, их размеры, число, кариотип человека, генетическое картирование хромосом.  Клеточный цикл эукариотических клеток, периоды клеточного цикла; типы клеточных популяций, регуляция клеточного цикла; понятие о плоидности, способы полиплоидизации, анэуплоидия; локализация  хромосом в интерфазном ядре, хромосомные территории.

 

4. Структура и химия ядра.

Химия хроматина (хромосом);

1). ДНК, размеры, линейность, механизм репликации ДНК, особенности репликации на ведущей и отстающей нити ДНК, репликация по длине хромосомы, репликативные “фабрики” (ДНК полимеразные комплексы), механизм репликации хромосом; гетерогенность ядерных ДНК, уникальные и повторяющиеся последовательности, теломерная ДНК, центромерная ДНК, ДНК ядрышковых организаторов.

2). Белки  хроматина: гистоны и негистоновые белки.  Гистоны: общие свойства, типы гистонов, их связь с ДНК, структурная и функциональная роль гистонов; нуклеосомный уровень компактизации ДНК, структура нуклеосомы, нуклеосомы во время репликации и транскрипции; 30 нм фибрилла хроматина, способы укладки нуклеосом (суперсоленоид или сверхбусина - нуклеомер), роль гистона Н1 в этом уровне укладки ДНК, коэффициент компактизации ДНК в составе 30 нм фибриллы; петлевые домены - третий уровень укладки ДНК: петлевые домены интерфазных ядер и митотических хромосом, розетки петлевых доменов - хромомеры, размер петель, роль негистоновых белков в создании и поддержании петель ДНК, "осевые" структуры и латеральные петли митотических хромосом.  Негистоновые белки: легко экстрагируемые и неэкстрагируемые белки ядерного матрикса.

3). Ядерный белковый матрикс: способы выявления, химический состав, структурные компоненты, ДНК в составе матрикса, его РНК, роль ядерного белкового матрикса в функционировании ядер.

 

5. Ультраструктурная организация митотических хромосом: модели упаковки ДНК в составе митотических хромосом; высшие уровни структуризации ДНК - хромомеры и  хромонемы.

 

6. Ядерная оболочка: строение и компоненты, ламина, белки ламины, их свойства и роль, строение комплекса ядерной поры, их число, размеры, участие в импорте и экспорте макромолекул в интерфазном ядре.  Белки порины, транспорт белков в ядро и из ядра, поведение компонентов ядерной оболочки во время митоза.  Механизмы ядерно-цитоплазматического транспорта.

 

7. Морфология транскрипции: типы РНК, их функции и локализация в ядерных доменах.

1). Синтез информационных РНК: единицы транскрипции у прокариот и эукариот, интроны и экзоны, сплайсинг, малые ядерные РНК, сплайсосомы, альтернативный  сплайсинг, морфология активных транскрипционных единиц, маркирование концов иРНК, транспорт через ядерную пору.  Биосинтез белка.  Структура рибосом прокариот и эукариот. Строение и химический состав рибосом, биосинтез белка в гиалоплазме. Трансляция.  Адаптерная роль тРНК в биосинтезе белка.  Укладывание белков, роль шаперонов.  Деградация неправильно уложенных белков.  Протеасомы.

2). Транскрипты интерфазных ядер: перихроматиновые и интерхроматиновые гранулы, малые ядерные РНК, тельца Кахаля, гранулы пуффов колец Бальбиани политенных хромосом.  РНК-содержащие субъдомены ядра.

3). Транскрипция рибосомных РНК: ядрышко, строение рибосом, рибосомные РНК, этапы синтеза рибосомных РНК, процессинг предшественника р-РНК, количество р-генов на геном, их локализация, характер расположения в хромосоме, морфология работающих р-генов; ультраструктура ядрышка: фибриллярные центры, плотный фибриллярный и гранулярный компоненты, их молекулярные характеристики, ядрышковые белки и их роль в синтезе рибосом, судьба компонентов ядрышка во время митоза, периферический хромосомный материал.

 

8. Мембранные компоненты клетки.

Общие свойства мембран, их химический состав, роль липидов, белков и гликопротеидов, ассиметрия липидов и белков, их латеральная подвижность, связь с элементами цитоскелета, общность происхождения мембран вакуолярной системы, трехмерная модель организации биомембран.

 

9. Плазматическая мембрана – барьерно-транспортная рецепторная система.

Плазматическая мембрана как механический и диффузионный барьер.  Проницаемость искусственных билипидных слоев для низкомолекулярных компонентов, трансмембранный перенос через плазматическую мембрану, свободная диффузия, облегченная диффузия, канальные белки и переносчики, пассивный и активный транспорт, ионные насосы, поддержание внутриклеточного гомеостаза.  Межклеточный транспорт низкомолекулярных соединений: щелевые контакты, коннексоны, метаболическая кооперация клеток.

Рецепторная роль плазматической мембраны: природа межклеточных взаимодействий в многоклеточных организмах, кадгерины, интегрины и другие молекулы клеточной адгезии.

Рецепторы плазматической мембраны и вторичные посредники, аденилатциклазная система, фосфатидил-инозитольная система передачи сигнала с поверхности  клетки.  Транспорт макромолекулярных соединений: эндоцитоз – везикулярный перенос макромолекул, пиноцитоз и фагоцитоз постоянные (конститутивные – жидко-фазный, опосредованные рецепторами), опосредованный рецепторами регулируемый эндоцитоз; окаймленные ямки, пузырьки, роль покрывающих белков, клатрин, образование эндосом, их свойства, слияние, рециклирование рецепторов; трансцитоз, фагоцитоз – роль рецепторов, коатомерные окаймления.

Межклеточные соединения (контакты).  Простой адгезивный контакт: типы белков, участвующих в узнавании и соединении клеток (кадгерины, интегрины, селектины и др.).  Заякоривающие соединения: десмосомы, полудесмосомы, фокальные контакты, адгезивный поясок, их строение, химические компоненты и функции.  Плотный замыкающий контакт: строение, встречаемость, функции.

 

10. Вакуолярная система – система синтеза и транспорта макромолекул.

Состав: эндоплазматический ретикулум (гранулярный и гладкий), аппарат Гольджи, лизосомы, секреторные вакуоли, эндосомы.  Синтез цитоплазматических белков в цитозоле и их транспорт в различные органеллы клетки.  Общая схема организации вакуолярной системы, ее компартментов и функциональных нагрузок в каждом из них.

1). Эндоплазматический ретикулум гранулярный.  Морфология, локализация, синтез растворимых и нерастворимых белков.  Котрансляционный перенос растворимых белков, сигнальные последовательности синтезируемых пептидов, SRP-частицы, транслоконы, синтез нерастворимых – мембранных белков, стоп-сигналы, асссиметричность синтезируемых мембранных белков; первичная модификация синтезированных белков, первичное гликозилирование, синтез и встраивание липидов в мембрану ЭПР, перенос липидов в составе мембраны, перенос липидов из ЭПР в другие мембраны.  Гранулярный ЭПР – источник всех мембран вакуолярной системы включая плазматическую мембрану; механизмы отщепления вакуолей от мембраны ЭПР и принципы их адресования в мембраны аппарата Гольджи.

Гладкий эндоплазматический ретикулум.  Морфология и функции: участие в синтезе секретируемых гликопротеидов, стероидных гормонов, в синтезе гликогена, роль цитохрома Р-450 в клетках печени при интоксикации, саркоплазматический ретикулум и его роль в депонировании кальция при мышечном сокращении.

2). Аппарат Гольджи.  Ультраструктурное строение, локализация, основная роль в клеточной секреции.  Биохимические превращения (вторичная модификация) белков: вторичное гликозилирование секреторных белков, их сульфатирование, фосфорилирование лизосомных белков, синтез экскретируемых полисахаридов и гликопротеидов; сортировка белков в транс-Гольджи сети, рецепторы лизосомных и секреторных белков; участие аппарата Гольджи в транспорте лизосом и секреторных вакуолей.

3). Лизосомы.  Химические особенности, наличие кислых гидролаз, их активация, морфологическая гетерогенность Роль лизосом во внутриклеточном пищеварении.  Участие лизосом во внутриклеточном расщеплении биополимеров; лизосомные болезни.

 

11. Митохондрии: общая ультраструктурная организация, локализация отдельных этапов окислительного фосфолирирования в компонентах митохондрий; форма и число митохондрий, понятие хондриома, гигантские митохондрии и митохондриальный ретикулум, межмитохондриальные соединения и их роль в энергетике клетки; автономная система синтеза белка митохондрий, ДНК митохондрий, количество митохондриальных генов, рибосомы и синтез белков, транспорт белков в митохондрии, гипотеза симбиотического происхождения митохондрий, роль митохондрий в апоптозе.

 

12. Цитоскелет - опорно-двигательная система.

Формы клеточной подвижности: перемещение в  пространстве (амебоидное, жгутиковое), внутриклеточная подвижность органелл, мышечное сокращение, компоненты системы – микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки.  Общая характеристика белковых полимеров цитоскелета.  Промежуточные филаменты: морфология, состав, способ организации, белки в их составе, функции.  Микрофиламенты: характеристика актина, его полимеризация, нуклеация актиновых филаментов, ингибиторы полимеризации, актин-связывающие белки, участие в образовании ламеллоподий, стресс-фибриллы, регуляция сборки разных компонентов активнового цитоскелета, фокальные  контакты.  Миозин: классы миозинов, их свойства, взаимодействие с актином.  Механизм движения с помощью акто-миозинового комплекса, сокращение фибрилл поперечно-полосатых мышц, немышечные миозины и их роль во внутриклеточном транспорте.  Микротрубочки: встречаемость, типы, альтернативные распределения в клеточном цикле; строение и свойства, тубулины, ингибиторы полимеризации, полярность микротрубочек, механизмы полимеризации, динамическая нестабильность и тредмиллинг, белки, связанные с микротрубочками (МАР), их разнообразие и функциональное значение, нуклеация микротрубочек, роль гамма-тубулиновых комплексов.  Моторные белки кинезины и динеины, их строение, разнообразие, роль во внутриклеточном транспорте.  Центры  организации  микротрубочек: клеточный центр, центросома, центриоли и их строение, химия центриолей, центриолярный цикл, механизм удвоения  центриолей  формирования центриолей de novo, роль центриолей в организации центросомы и аппарата клеточной подвижности.  Жгутики и реснички, аксонема, базальное тело.  Отличия жгутиков прокариот и эукариот. Первичная ресничка, ее сходство и отличия.

 

13. Митоз – единственный способ размножения клеток.

Митотический аппарат: кинетохоры хромосом, веретено деления, клеточные центры; классификация митозов: астральный митоз, его компоненты, структура кинетохоров, особенности прицентромерной ДНК, центромерные белки и их роль; профаза, расхождение центросом, образование веретена, прометафаза: захват хромосомами микротрубочек и образование кинетохорных пучков.  Метафаза, анафаза: обособление хроматид, анафаза А и В, механизмы движения хромосом к полюсам и движения полюсов веретена; телофаза, цитокинез.  Гипотезы о способах образования веретена.

 

14. Мейоз - образование половых клеток.

“Зародышевый путь”, соматические и герминативные клетки; два клеточных цикла с одним раундом репликации ДНК; профаза 1 первого мейотического деления, ее длительность, стадии: лептотена, зиготена, синапсис гомологичных хромосом, синтез z-ДНК, синаптонемный комплекс, пахитена, механизм кроссинговера, синтез р-ДНК, хиазмы, диплотена, активация транскрипции, хромосомы типа ламповых щеток, диакинез – расхождение бивалентов, редукция числа аллелей, второе митотическое деление, расхождение гомологичных хроматид – редукция числа хромосом, созревание половых клеток.

 

15. Регуляция клеточного цикла.

Характеристика фаз клеточного цикла.  Общие закономерности прохождения клеточного цикла и его фаз.  Открытие фазы G0 (фазы “вне цикла”).  Способность клеток выходить из цикла в фазе G2.  Представление о состоянии пролиферативного покоя.  Общие принципы регулирования клеточного цикла в живых системах.  Понятие об экзогенных и эндогенных факторах регуляции. Основные механизмы эндогенной регуляции клеточного цикла.  Роль комплексов циклинов и циклин-зависимых киназ (Cdk-cyclin complexes).  Обнаружение фактора, вызывающего митоз (MPF); состав  MPF: М-циклин и Сdk-киназа, циклины и Сdk-киназы разных периодов клеточного цикла.  Роль фосфорилирования/дефосфорилирования.  Фосфатазы – регуляторы клеточного цикла.  Ингибиторы комплексов циклинов /циклин-зависимых киназ и циклин-зависимых киназ (CKIs).  Роль протеолиза в регуляции клеточного цикла (APC и SCF, протеасомная деградация регуляторных белков).  Механизмы прохождения пункта ограничения (restriction point) и пунктов проверки (check points).  Роль белков-факторов транскрипции в регуляции клеточного цикла.  Экзогенные регуляторы: факторы роста и цитокины.

 

17. Клеточная гибель.

Основные понятия: программированная клеточная гибель, апоптоз и некроз.  Варианты программированной клеточной гибели и их классификация: некроз, программированная клеточная смерть: апоптоз, аутофагическая гибель, программированный некроз, клеточный  каннибализм.  Клеточные проявления апоптоза.  Сопоставление морфологических признаков апоптоза и некроза.  Методы регистрации апоптоза.  Молекулярные механизмы апоптоза.  Рецепторный путь индукции апоптоза.  Митохондриальный путь индукции апоптоза.  Каскад действия каспаз.  Действие нуклеаз.  Генная регуляция апоптоза.  Гены апоптоза млекопитающих. Эндогенные индукторы и ингибиторы апоптоза.  Механизм фагоцитоза апоптотических телец.  Роль апоптоза в патогенезе и лечении заболеваний.  Аутофагическая гибель клеток.  Механизм аутофагии.  Индукция аутофагии и аутофагической гибели.  Роль аутофагии в выживании клеток.  Взаимосвязь между апоптозом и аутофагической гибелью.  Программированный некроз.  Механизм программированного некроза.