Сравнение строения клеток различных организмов

Лекция 2

Раздел 2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

Объектами биотехнологии служат бактерии, вирусы, животные и растительные клетки, органы и ткани животных и человека, растения, грибы и другие биообъекты.

Микробная, растительная и животная клетка

Любая животная, растительная и микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей огромное число макромолекул, химических соединений, служит своеобразным хранилищем веществ, обладающих биологической активностью и представляющих ценность для использования в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности и других сферах народного хозяйства. Например, микробная клетка синтезирует и содержит более 2500 белков, ферментов, олиго- и полисахаридов, липиды, витамины и другие вещества.

Преимущество получения этих веществ из микробной клетки по сравнению, например, с химическим синтезом или другими технологиями:

a) микробные клетки можно выращивать в больших объемах в короткие сроки на недефицитных питательных средах и по сравнительно простой технологии;

b) большинство химически сложных веществ, получаемых из микробов, пока недоступны для синтеза другими способами;

c) для микробиологической промышленности не требуется сложной аппаратуры и в ней в основном применима аппаратура, используемая в химической промышленности.

d) Микроорганизмы различаются по сложности строения и проявлению жизненных функций. К микромиру относятся как сложно устроенные одноклеточные организмы (бактерии, грибы, простейшие), так и простейшие формы жизни (вирусы, прионы, инфекционные нуклеиновые кислоты).

Условно к живым существам можно отнести вирусы, которые не способны размножаться самостоятельно, и их репродукция может происходить только внутри живых клеток.

В биотехнологии нашли применение десятки видов бактерий, дрожжей, вирусов. Обычно используются виды микробов, обладающие высокой синтетической способностью, интенсивным ростом и накоплением целевого продукта, а также безопасностью и безвредностью при массовом культивировании. Чаще всего в производственных условиях применяют актиномицеты и грибы для получения антибиотиков; дрожжи - в хлебопечении, виноделии, пивоварении, для получения кормового белка, питательных сред; бациллы - для получения ферментов; клостридии - для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; псевдомонады - для получения витамина В, молочнокислые бактерии - в пищевой промышленности и т.д.

Кроме того, многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи, вирусы) используются в качестве реципиентов генов целевых продуктов для получения рекомбинантных штаммов - продуцентов биотехнологической продукции (гормонов, интерферонов, иммуномодуляторов, вакцин и др.).

Микроорганизмы играют большую роль в природных процессах и в течение многих лет являются «полигоном», где современная наука исследует фундаментальные основы живой материи. Ряд микробиологических систем в настоящее время уже весьма продуктивно используется в крупномасштабных производственных процессах, в генетической инженерии

Таблица 1.

Мир микробов

Представители	Уровень организации	Размер, мкм	Число генов	Распространение в природе
Доклеточные	Только в живом организме (внутриклеточные паразиты)
Прионы (инфекционные белки)	Макромолекулы	0,1 - 0,3	1 (хозяина)
Вироиды (ДНК, РНК)	Макромолекулы	1-100	До 100
Вирусы	Частицы	0,01 - 0,4	До 100
Клеточные
Бактерии	Прокариоты	1 - 10	До 5000	В живой и неживой природе
Грибы	Эукариоты	1-30	До 5000
Простейшие	Эукариоты	10-50	До 10 000

Типы клеточной организации

Эволюция жизни на нашей планете привела к возникновению чрезвычайно большого разнообразия живых существ. По химическому составу они очень сходны: основные компоненты всякой клетки - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК), белки, липиды, фосфолипиды, углеводы и др.

Клетка – элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

Строение клетки и функции ее субструктур

Таблица 2

Сравнение строения клеток различных организмов

Клеточная структура	Функция	Бактерии	Растения	Животные
Аппарат Гольджи	Производит синтез сложных белков, полисахаридов, их накопление и секрецию	Нет	Есть	Есть
Клеточная мембрана	Выполняет барьерную, транспортную, матричную, механическую, рецепторную, энергетическую, ферментативную и маркировочную функции	Есть	Есть	Есть
Клеточная стенка	Полисахаридная оболочка над клеточной мембраной, через неё происходит регуляция воды и газов в клетке. Не проницаема даже для мелких молекул.	Есть	Есть	Нет
Лизосомы	Производят расщепление различных органических веществ	Нет	Есть	Есть
Митохондрии	Органоиды, принимающие участие в превращении энергии в клетке. Имеют внутренние мембраны, на которых осуществляется синтез АТФ	Нет	Есть	Есть
Пластиды	Двухмембранные структуры, в которых происходят реакции фотосинтеза (хлоропласты), происходит накопление крахмала (лейкопласты), придают окраску плодам и цветкам (хромопласты)	Нет	Есть	Нет
Рибосомы	Органоиды, состоящие из двух субъединиц, осуществляют синтез белка, а также трансляцию - синтез РНК.	Есть	Есть	Есть
Цитоплазма	Содержит в себе органеллы клетки и равномерно распределяет питательные вещества по клетке.	Есть	Есть	Есть
Ядро	Хранение наследственной информации, синтез РНК	Нет	Есть	Есть
Вакуоли	Накапливают клеточный сок. Поддерживает напряжённое состояние оболочек клеток	Нет	Есть	Нет
Капсула	выполняет защитную функцию, от механических повреждений, высыхания, создает дополнительный осмотический барьер. Состоит преимущественно из полисахаридов, гликопротеинов, реже из полипептидов и клетчатки.	есть	нет	нет
Жгутики	являются органом передвижения. Толщина жгутика 10-20 нм, длина его может быть очень разной. Жгутики состоят из молекул белка - флагеллина, относящегося к сократительным белкам. По своей структуре жгутики бывают двух типов. Первый тип жгутиков характеризуется спиральной укладкой глобулярных белковых молекул, образующих от 3 до 10 параллельных рядов. У жгутиков второго типа с фибриллярной структурой белка фибриллы тянутся по всей длине органоида.	есть	У некоторых клеток	нет
Фимбрии и пили	это тончайшие ворсинки, которые покрывают сверху всю поверхность бактерий. Эти структуры свойственны многим видам бактерий. выполняют прикрепительные функции, удерживая бактерии на различных частицах, они способствуют скреплению клеток между собой, выполняют роль защитного фактора, могут служить каналом для передачи наследственной информации (пили имеют канал длиной до 3 - 4 нм).	есть	нет	нет
Плазмиды	кольцевые двуспиральные молекулы ДНК длиной в тысячи пар нуклеотидов Плазмиды играют важную роль в обмене генетической информацией между клетками микроорганизмов.	есть	нет	нет