Клеточная биология - Cell biology

Не путать с Клетка (биология).

Часть серии по
Биохимия
Myoglobin.png
Ключевые компоненты
История биохимии
Глоссарии
Порталы: Биохимия

Клеточная биология (также клеточная биология или же цитология) является ветвью биология изучение структура и функция из клетка, также известная как основная единица жизнь.[1] Клеточная биология охватывает как прокариотический и эукариотические клетки и может быть разделен на множество подтем, которые могут включать изучение клеточный метаболизм, сотовая связь, клеточный цикл, биохимия, и состав клеток. Исследование клеток проводится с использованием нескольких методик, таких как культура клеток, различные виды микроскопии и фракционирование клеток. Они позволили и в настоящее время используются для открытий и исследований, касающихся того, как функционируют клетки, что в конечном итоге дает представление о понимании более крупных организмов. Знание компонентов клеток и того, как они работают, имеет фундаментальное значение для всех Биологические науки а также имеет важное значение для исследований в биомедицинский такие поля, как рак, и другие болезни. Исследования в области клеточной биологии взаимосвязаны с другими областями, такими как генетика, молекулярная генетика, биохимия, молекулярная биология, медицинская микробиология, иммунология, и цитохимия.

История

Впервые клетки были замечены в Европе 17 века с изобретением составной микроскоп. В 1665 г. Роберт Гук назвал строительный блок всех живых организмов "клетками" после того, как посмотрел на кусок пробка и наблюдая клеточную структуру,[2] однако клетки были мертвыми и не давали никаких указаний на фактические общие компоненты клетки. Несколько лет спустя, в 1674 году, Антон Ван Левенгук был первым, кто проанализировал живые клетки в своем исследовании водоросли. Все это предшествовало Клеточная теория в котором говорится, что все живые существа состоят из клеток и что клетки являются функциональной и структурной единицей организмов. В конечном итоге к такому выводу пришел ученый-растениевод. Маттиас Шлейден и зоотехник, Теодор Шванн в 1839 г., который исследовал живые клетки в тканях растений и животных соответственно.[3] 19 лет спустя Рудольф Вирхов далее внес свой вклад в теорию клеток, добавив, что все клетки происходят от деления уже существующих клеток.[3] Несмотря на широкое признание, было проведено много исследований, которые ставят под сомнение обоснованность теории клетки. У вирусов, например, отсутствуют общие характеристики живой клетки, такие как мембраны, клеточная органеллы, и способность воспроизводить сами по себе.[4] Ученые изо всех сил пытались решить, вирусы живы или нет, и согласны ли они с клеточной теорией.

Методы

Современные исследования клеточной биологии рассматривают различные способы культивирования и манипулирования клетками вне живого тела для дальнейших исследований в области анатомии и физиологии человека и получения лекарств. Методы исследования клеток эволюционировали. Благодаря достижениям в микроскопии, методы и технологии позволили ученым лучше понять структуру и функции клеток. Многие методы, обычно используемые для изучения клеточной биологии, перечислены ниже:[5]

  • Культура клеток: Использует быстрорастущие клетки в среде, что позволяет использовать большое количество клеток определенного типа и является эффективным способом изучения клеток.[6]
  • Флуоресцентная микроскопия: Флуоресцентные маркеры, такие как GFP, используются для обозначения определенного компонента ячейки. Затем определенная длина волны света используется для возбуждения флуоресцентного маркера, который затем можно визуализировать.[6]
  • Фазово-контрастная микроскопия: Использует оптический аспект света для представления изменений твердой, жидкой и газовой фаз в виде разницы яркости.[6]
  • Конфокальная микроскопия: Сочетает флуоресцентную микроскопию с визуализацией путем фокусировки света и моментальной съемки для формирования трехмерного изображения.[6]
  • Просвечивающая электронная микроскопия: Включает окрашивание металлов и прохождение электронов через клетки, которые будут отклоняться при взаимодействии с металлом. В конечном итоге это формирует образ изучаемых компонентов.[6]
  • Цитометрия: Ячейки помещаются в машину, которая использует луч для рассеивания ячеек в зависимости от различных аспектов и, следовательно, может разделять их по размеру и содержимому. Клетки также могут быть помечены GFP-флуоресценцией и могут быть разделены таким же образом.[7]
  • Фракционирование клеток: Этот процесс требует разрушения ячейки с помощью высокой температуры или обработки ультразвуком с последующим центрифугирование разделить части клетки, позволяя изучать их отдельно.[6]

Классификация и состав клеток

Есть две основные классификации клеток: прокариотический и эукариотический. Прокариотические клетки отличаются от эукариотических клеток отсутствием ядро клетки или другой мембраносвязанный органелла.[8] Прокариотические клетки намного меньше эукариотических клеток, что делает их самой маленькой формой жизни.[9] Изучение эукариотических клеток, как правило, находится в центре внимания цитологов, тогда как прокариотические клетки - в центре внимания микробиологи.

Прокариотические клетки

Типичная прокариотическая клетка.

Прокариотические клетки включают Бактерии и Археи, и отсутствие закрытого ядро клетки. Они оба воспроизводятся через двойное деление. Бактерии, самый известный тип, имеют несколько разные формы которые включают в основном сферический, и стержневидный. Бактерии можно классифицировать как грамм положительный или же грамм отрицательный в зависимости от клеточная стенка сочинение. Бактериальные структурные особенности включают:

  • Жгутики: Хвостообразная структура, которая помогает клетке двигаться.[10]
  • Рибосомы: Используется для трансляции РНК в белок.[10]
  • Нуклеоид: Область, предназначенная для хранения всего генетического материала в виде круговой структуры.[10]

В прокариотических клетках происходит множество процессов, которые позволяют им выжить. Например, в процессе, называемом спряжение фактор фертильности позволяет бактериям обладать ворсинкой, которая позволяет им передавать ДНК другим бактериям, у которых отсутствует фактор F, обеспечивая передачу устойчивости, позволяющую им выживать в определенных средах.[11]

Эукариотические клетки

Типичная животная клетка.

Эукариотические клетки могут быть одноклеточными или многоклеточными.[10] и включают клетки животных, растений, грибов и простейших, которые все содержат органеллы различных форм и размеров.[12] Эти клетки состоят из следующих органелл:

  • Ядро: Это функционирует как геном и хранилище генетической информации для клетки, содержащее всю ДНК, организованную в виде хромосом. Он окружен ядерная оболочка, который включает ядерные поры, позволяющие транспортировать белки между внутренней и внешней частью ядра.[13] Это также сайт репликации ДНК, а также транскрипции ДНК в РНК. После этого РНК модифицируется и транспортируется в цитозоль для трансляции в белок.
  • Ядрышко: Эта структура находится внутри ядра, обычно плотная и сферическая по форме. Это место синтеза рибосомной РНК (рРНК), которая необходима для сборки рибосом.
  • Эндоплазматический ретикулум (ЭР): Это функция для синтеза, хранения и выделения белков в аппарат Гольджи.[14]
  • Митохондрии: Это функция для производства энергии или АТФ внутри клетки. В частности, это место, где происходит цикл Кребса или цикл TCA для производства NADH и FADH. Впоследствии эти продукты используются в цепи переноса электронов (ETC) и окислительном фосфорилировании для конечного производства АТФ.[15]
  • аппарат Гольджи: Это функция для дальнейшей обработки, упаковки и выделения белков по назначению. Белки содержат сигнальную последовательность, которая позволяет аппарату Гольджи распознавать и направлять ее в нужное место.[16]
  • Лизосома: Лизосома разрушает материал, поступающий извне клетки или старых органелл. Он содержит много кислотных гидролаз, протеаз, нуклеаз и липаз, которые расщепляют различные молекулы. Аутофагия представляет собой процесс деградации через лизосомы, который происходит, когда везикула отрывается от ER и поглощает материал, затем прикрепляется и сливается с лизосомой, позволяя материалу разлагаться.[17]
  • Рибосомы: Функции для преобразования РНК в белок.
  • Цитоскелет: Это функция, чтобы закрепить органеллы внутри клеток и сформировать структуру и стабильность клетки.
  • Клеточная мембрана: Клеточная мембрана может быть описана как бислой фосфолипидов и также состоит из липидов и белков.[10] Поскольку внутренняя часть бислоя гидрофобна, и для того, чтобы молекулы могли участвовать в реакциях внутри клетки, они должны иметь возможность пересечь этот мембранный слой, чтобы попасть в клетку через осмотическое давление, распространение, градиенты концентрации и мембранные каналы.[18]
  • Центриоли: Функция для производства волокон веретена, которые используются для разделения хромосом во время деления клеток.

Эукариотические клетки также могут состоять из следующих молекулярных компонентов:

  • Хроматин: Это составляет хромосомы и представляет собой смесь ДНК с различными белками.
  • Реснички : Они помогают выводить вещества, а также могут использоваться для сенсорных целей.[19]

Процессы

Основная статья: Клетка (биология) § Клеточные процессы

Клеточный метаболизм

Клеточный метаболизм необходим для выработки энергии клеткой и, следовательно, ее выживания, и включает множество путей. За клеточное дыхание как только глюкоза становится доступной, в цитозоле клетки происходит гликолиз с образованием пирувата. Пируват подвергается декарбоксилированию с использованием мультиферментного комплекса с образованием ацетил-коА, который можно легко использовать в Цикл TCA производить НАДН и ФАДН2. Эти продукты участвуют в электронная транспортная цепь чтобы в конечном итоге сформировать протонный градиент через внутреннюю мембрану митохондрий. Этот градиент может затем стимулировать производство АТФ и H2O во время окислительного фосфорилирования.[20] Метаболизм в растительных клетках включает: фотосинтез что прямо противоположно дыханию, поскольку в конечном итоге производит молекулы глюкозы.

Сотовая связь и сигнализация

Клеточная коммуникация важна для клеточной регуляции, а также для обработки клетками информации из окружающей среды и соответствующей реакции. Связь может происходить через прямой контакт с ячейкой или эндокринный, паракринный, и аутокринная сигнализация. Прямой контакт клетка-клетка - это когда рецептор клетки связывает молекулу, которая прикреплена к мембране другой клетки. Эндокринная передача сигналов происходит через молекулы, секретируемые в кровоток. Паракринная передача сигналов использует для связи молекулы, диффундирующие между двумя клетками. Аутокринная клетка - это клетка, которая посылает себе сигнал, секретируя молекулу, которая связывается с рецептором на ее поверхности. Формы общения могут быть через:

  • Ионные каналы: Могут быть разных типов, например, ионные каналы, управляемые напряжением или лигандом. Учесть отток и приток молекул и ионов.
  • Рецептор, связанный с G-белком (GPCR): широко признано, что он содержит 7 трансмембранных доменов. Лиганд связывается с внеклеточным доменом, и как только лиганд связывается, это дает сигнал фактору обмена гуанина для преобразования GDP в GTP и активации субъединицы G-α. G-α может нацеливаться на другие белки, такие как аденилциклаза или фосфолипаза C, которые в конечном итоге продуцируют вторичные мессенджеры, такие как цАМФ, Ip3, DAG и кальций. Эти вторичные мессенджеры усиливают сигналы и могут воздействовать на ионные каналы или другие ферменты. Одним из примеров амплификации сигнала является связывание цАМФ и активация PKA путем удаления регуляторных субъединиц и высвобождения каталитической субъединицы. Каталитическая субъединица имеет последовательность ядерной локализации, которая побуждает ее войти в ядро ​​и фосфорилировать другие белки, подавляя или активируя активность гена.[20]
  • Рецепторные тирозинкиназы: Связывают факторы роста, способствуя перекрестному фосфорилированию тирозина во внутриклеточной части белка. Фосфорилированный тирозин становится посадочной площадкой для белков, содержащих домен SH2, что делает возможным активацию Ras и участие Киназный путь MAP.[21]

Клеточный цикл

Основная статья: Клеточный цикл
Процесс деления клеток в клеточный цикл.

Процесс роста клетки относится не к размеру клетки, а к плотности количества клеток, присутствующих в организме в данный момент времени. Рост клеток относится к увеличению количества клеток, присутствующих в организме по мере его роста и развития; по мере того, как организм становится больше, увеличивается и количество присутствующих клеток. Клетки - основа всех организмов и фундаментальная единица жизни. Рост и развитие клеток необходимы для поддержания хозяина и выживания организма. Для этого процесса клетка проходит этапы клеточный цикл и развитие, которое включает рост клеток, Репликация ДНК, деление клеток, регенерация и смерть клетки. Клеточный цикл делится на четыре отдельные фазы: G1, S, G2 и M. Фаза G - фаза роста клеток - составляет примерно 95% цикла. Разрастание клеток инициируется предшественниками. Все клетки изначально имеют идентичную форму и могут по существу стать клетками любого типа. Передача клеточных сигналов, такая как индукция, может влиять на близлежащие клетки, чтобы дифференцировать и определять тип клетки, которой она станет. Более того, это позволяет клеткам одного и того же типа агрегировать и формировать ткани, затем органы и, в конечном итоге, системы. Фазы G1, G2 и S (репликация, повреждение и восстановление ДНК) считаются межфазной частью цикла, а фаза M (митоз ) это деление клеток часть цикла. Митоз состоит из многих стадий, которые включают профазу, метафазу, анафазу, телофазу и цитокинез соответственно. Конечным результатом митоза является образование двух идентичных дочерних клеток.

Клеточный цикл регулируется рядом сигнальных факторов и комплексов, таких как циклины, циклин-зависимая киназа, и p53. Когда клетка завершает процесс своего роста и если обнаруживается, что она повреждена или изменена, она подвергается клеточной гибели либо в результате апоптоз или же некроз, чтобы устранить угрозу, которую он может создать для выживания организма.[22]

Патология

Основная статья: Цитопатология

Раздел науки, изучающий и диагностирующий заболевания на клеточном уровне, называется цитопатология. Цитопатология обычно используется для образцов свободных клеток или фрагментов тканей, в отличие от патология филиал гистопатология, который исследует целые ткани. Цитопатология обычно используется для исследования заболеваний, затрагивающих широкий спектр участков тела, часто для помощи в диагностике рака, а также для диагностики некоторых инфекционных заболеваний и других воспалительных состояний. Например, обычным применением цитопатологии является Пап-мазок, а отборочный тест используется для обнаружения рак шейки матки, и предраковые поражения шейки матки что может привести к раку шейки матки.

Известные клеточные биологи

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Бискелья, Ник. «Клеточная биология». Scitable. www.nature.com.
  2. ^ Гук, Роберт (сентябрь 1665 г.). Микрография.
  3. ^ а б Гупта, П. (1 декабря 2005 г.). Клеточная и молекулярная биология. Публикации Растоги. п. 11. ISBN  978-8171338177.
  4. ^ Кендрик, Каролин (1 января 2010 г.). Химия в медицине. Компания Benchmark Education. п. 26. ISBN  978-1450928526.
  5. ^ Лаванья, П. (1 декабря 2005 г.). Клеточная и молекулярная биология. Публикации Растоги. п. 11. ISBN  978-8171338177.
  6. ^ а б c d е ж Купер, Джеффри М. (2000). «Инструменты клеточной биологии». Клетка: молекулярный подход. 2-е издание.
  7. ^ Маккиннон, Кэтрин М. (21 февраля 2018 г.). «Проточная цитометрия: обзор». Текущие протоколы в иммунологии. 120: 5.1.1–5.1.11. Дои:10.1002 / cpim.40. ISSN  1934-3671. ЧВК  5939936. PMID  29512141.
  8. ^ Добл, Мукеш; Гуммади, Сатьянараяна Н. (5 августа 2010 г.). Биохимическая инженерия. Нью-Дели: Prentice-Hall of India Pvt.Ltd. ISBN  978-8120330528.
  9. ^ Канеширо, Эдна (2 мая 2001 г.). Справочник по клеточной физиологии: молекулярный подход (3-е изд.). Академическая пресса. ISBN  978-0123877383.
  10. ^ а б c d е Нельсон, Дэниел (22 июня 2018 г.). «Разница между эукариотическими и прокариотическими клетками». Научные тенденции. Дои:10.31988 / scitrends.20655.
  11. ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф.; Миллер, Джеффри Х .; Судзуки, Дэвид Т .; Левонтин, Ричард С .; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Бактериальная конъюгация». Введение в генетический анализ. 7-е издание.
  12. ^ «Морфология эукариотических клеток: форма, количество и размер». YourArticleLibrary.com: библиотека нового поколения. 19 марта 2014 г.. Получено 22 ноября 2015.
  13. ^ Де Ройж, Йохан (25 июня 2019 г.). «Рекомендация F1000Prime по силе запускает ядерный выход YAP, регулируя транспортировку через ядерные поры». Дои:10.3410 / ф.732079699.793561846. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ "Эндоплазматическая сеть (грубая и гладкая) | Британское общество клеточной биологии". Получено 6 октября 2019.
  15. ^ Пелли, Джон В. (2007), «Цикл лимонной кислоты, электронная транспортная цепь и окислительное фосфорилирование», Интегрированная биохимия Эльзевьера, Elsevier, стр. 55–63, Дои:10.1016 / b978-0-323-03410-4.50013-4, ISBN  9780323034104
  16. ^ Купер, Джеффри М. (2000). «Аппарат Гольджи». Клетка: молекулярный подход. 2-е издание.
  17. ^ Верити, М.А. Лизосомы: некоторые патологические последствия. OCLC  679070471.
  18. ^ Купер, Джеффри М. (2000). «Транспорт малых молекул». Клетка: молекулярный подход. 2-е издание.
  19. ^ «Каковы основные функции ресничек и жгутиков?». Наука. Получено 23 ноября 2020.
  20. ^ а б Ахмад, Мария; Кахваджи, Чади И. (2019), «Биохимия, электронная транспортная цепь», StatPearls, StatPearls Publishing, PMID  30252361, получено 20 октября 2019
  21. ^ Шлессинджер, Джозеф (октябрь 2000 г.). «Передача сигналов клетками рецепторными тирозинкиназами». Клетка. 103 (2): 211–225. Дои:10.1016 / s0092-8674 (00) 00114-8. ISSN  0092-8674. PMID  11057895. S2CID  11465988.
  22. ^ Шакелфорд, Р. Э .; Кауфманн, В. К.; Полес, Р. С. (февраль 1999 г.). «Контроль клеточного цикла, механизмы контрольных точек и генотоксический стресс». Перспективы гигиены окружающей среды. 107 (приложение 1): 5–24. Дои:10.1289 / ehp.99107s15. ISSN  0091-6765. ЧВК  1566366. PMID  10229703.

Рекомендации

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы о
Клеточная биология