Меню

Почему не бывает больших одноклеточных организмов

Почему на свете не могут существовать крупные одноклеточные?

Почему все одноклеточные микроскопичны?что помешало природе создать громадное одноклеточное существо с толстой. как ее..клеточной оболочкой,короч. .

Когда вымерли громадные динозавры, нашу планету заполонили гиганты иного пошиба — нуммулиты. Они напоминали монету, упрятанную в раковинке. Крупнее их не было на Земле одноклеточных организмов. Недаром палеогеновый период ученые иногда называют «нуммулитовой системой». Некоторые из этих особей достигали в поперечнике. шестнадцати сантиметров! Их окаменелые формы можно и поныне увидеть в известняке, из которого вырублены блоки для египетских пирамид и сфинкс в Гизе. Для сравнения отметим, что длина современных нуммулитов не превышает двух миллиметров. Геологи из Оксфорда Мартин Бразье и Луиза Партон давно изучают останки нуммулитов. В Англии тоже сохранились экземпляры, жившие от 42,5 до 50 миллионов лет назад, — пусть и не такие внушительные по размерам (1 см в диаметре). В этих окаменелостях каждый год менялось содержание изотопов кислорода и углерода. По нему-то британские ученые и выяснили, что их нуммулиты прожили около пяти лет. Тогда они заинтересовались гигантами, найденными в Египте, — этими, по словам Бразье, «динозаврами в мире одноклеточных». Сколько же прожили те? Пятьдесят миллионов лет назад в океане, разделявшем тогда Африку и Европу, плавали раковинки-нуммулиты — морские животные, зачисленные в отряд фораманифер, надкласс корненожек. Прожив свое, они падали на дно и медленно врастали в известняковые глыбы. Позднее древний океан отступил. Африка приблизилась к Европе. Море сменилось песками Сахары. Прессованные глыбы подняли строители. Из них возвели вечные монументы, на стенах которых по сей день видны огромные круговые отпечатки раковин. Геологи из Оксфорда измерили их и, составив пропорцию, сделали вывод. что эти гиганты прожили около ста лет — раз доросли до таких размеров. Вот так! Простейшие существа прожили Мафусаилов век, и память о себе сохранили вечную.

источник

Многоклеточные организмы: признаки и развитие

Живой мир наполнен головокружительным множеством живых существ. Большинство организмов состоят только из одной клетки и не видимы невооруженным глазом. Многие из них становятся заметными исключительно под микроскопом. Другие, такие как кролик, слон или сосна, а также человек, сделаны из многих клеток, и эти многоклеточные организмы также в огромном количестве населяют весь наш мир.

Строительные блоки жизни

Структурными и функциональными единицами всех живых организмов являются клетки. Их еще называют строительными блоками жизни. Все живые организмы состоят из клеток. Эти структурные единицы были открыты Робертом Гуком еще в 1665 году. В организме человека насчитывается около ста триллионов клеток. Размер одной составляет около десяти микрометров. Ячейка содержит клеточные органеллы, которые контролируют ее активность.

Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы. Первые состоят из одной клетки, например бактерии, а вторые включают растения и животных. Количество ячеек зависит от вида. Размер большинства клеток растений и животных клетках составляет от одного до ста микрометров, поэтому они видны под микроскопом.

Одноклеточные организмы

Эти крошечные существа состоят из одной клетки. Амебы и инфузории являются самыми старыми формами жизни, которые существовали еще около 3,8 миллиона лет назад. Бактерии, археи, простейшие, некоторые водоросли и грибы являются основными группами одноклеточных организмов. Существует две основные категории: прокариоты и эукариоты. Они также различаются по размеру.

Самые маленькие составляют около трехсот нанометров, а некоторые могут достигать размеров до двадцати сантиметров. Такие организмы обычно имеют реснички и жгутики, которые помогают им при перемещении. Они имеют простой корпус с базовыми функциями. Размножение может быть как бесполое, так и половое. Питание осуществляется обычно в процессе фагоцитоза, где частицы еды поглощаются и хранятся в специальных вакуолях, которые присутствуют в организме.

Живые существа, состоящие из более чем одной клетки, называются многоклеточными. Они состоят из единиц, которые идентифицируются и присоединяются друг к другу, образуя сложные многоклеточные организмы. Большинство из них видны невооруженным глазом. Такие организмы, как растения, некоторые животные и водоросли, появляются из одной клетки и вырастают в многоцепочечные организации. Обе категории живых существ, прокариоты и эукариоты, могут проявлять многоклеточность.

Механизмы возникновения многоклеточности

Существует три теории для обсуждения механизмов, с помощью которых может возникнуть многоклеточность:

  • Симбиотическая теория утверждает, что первая клетка многоклеточного организма возникла из-за симбиоза различных видов одноклеточных, каждый из которых выполняет различные функции.
  • Синцитиальная теория утверждает, что многоклеточный организм не смог бы развиться из одноклеточных существ с несколькими ядрами. Такие простейшие, как инфузория и слизистые грибы, имеют несколько ядер, тем самым поддерживая эту теорию.
  • Колониальная теория утверждает, что симбиоз многих организмов одного и того же вида приводит к эволюции многоклеточного организма. Она была предложена Геккелем в 1874 году. Большинство многоклеточных образований происходит вследствие того, что клетки не могут отделиться после процесса деления. Примерами, подтверждающими эту теорию, являются водоросли вольвокс и эудорина.

Преимущества многоклеточности

Какие организмы – многоклеточные или одноклеточные – имеют больше преимуществ? На этот вопрос ответить достаточно сложно. Многоклеточность организма позволяет ему превышать предельные размеры, увеличивает сложность организма, позволяя дифференцировать многочисленные клеточные линии. Размножение происходит преимущественно половым путем. Анатомия многоклеточных организмов и процессы, которые в них происходят, являются достаточно сложными из-за наличия различных типов клеток, контролирующих их жизнедеятельность. Возьмем, к примеру, деление. Этот процесс должен быть точным и слаженным, чтобы предотвратить ненормальный рост и развитие многоклеточного организма.

Примеры многоклеточных организмов

Как уже говорилось выше, многоклеточные организмы бывают двух видов: прокариоты и эукариоты. К первому относят в основном бактерий. Некоторые цианобактерии, такие как чара или спирогира, являются также многоклеточными прокариотами, иногда их называют еще колониальными. Большинство эукариотических организмов также состоят из множества единиц. Они имеют хорошо развитую структуру тела, и у них есть специальные органы для выполнения определенных функций. Большинство хорошо развитых растений и животных являются многоклеточными. Примерами могут быть практически всех виды голосеменных и покрытосеменных растений. Почти все животные являются многоклечточными эукариотами.

Особенности и признаки многоклеточных организмов

Существует масса признаков, по которым можно с легкостью определить, является ли организм многоклеточным или нет. Среди можно выделить следующие:

  • У них достаточно сложная организация тела.
  • Специализированные функции выполняют различные клетки, ткани, органы или системы органов.
  • Разделение труда в организме может быть на клеточном уровне, на уровне тканей, органов и уровне систем органов.
  • В основном это эукариоты.
  • Травмы или гибель некоторых клеток глобально не влияет на организм: пораженные клетки будут заменены.
  • Благодаря многоклеточности организм может достигать больших размеров.
  • По сравнению с одноклеточными у них большая продолжительность жизненного цикла.
  • Основной тип размножения – половой.
  • Дифференциация клеток свойственна только многоклеточным.

Как растут многоклеточные организмы?

Все существа, от маленьких растений и насекомых до больших слонов, жирафов и даже людей, начинают свой путь как единичные простые клетки, называемые оплодотворенными яйцами. Чтобы вырасти в большой взрослый организм, они проходят через несколько определенных этапов развития. После оплодотворения яйца начинается процесс многоклеточного развития. На протяжении всего пути происходит рост и многократное деление отдельных ячеек. Эта репликация в конечном итоге создает конечный продукт, который является сложным, полностью сформированным живым существом.

Разделение клеток создает ряд сложных моделей, определяющихся геномами, которые являются практически идентичными во всех клетках. Это разнообразие приводит к экспрессии генов, которая контролирует четыре стадии развития клеток и эмбрионов: пролиферацию, специализацию, взаимодействие и движение. Первая включает в себя репликацию многих клеток из одного источника, вторая имеет отношение к созданию клеток с выделенными, определенными характеристиками, третья включает в себя распространение информации между ячейками, а четвертая отвечает за размещение клеток по всему телу для образования органов, тканей, костей и других физических характеристик развитых организмов.

Несколько слов о классификации

Среди многоклеточных существ выделяют две большие группы:

  • беспозвоночные (губки, кольчатые черви, членистоногие, моллюски и другие);
  • хордовые (все животные, у которых есть осевой скелет).

Важным этапом за всю историю планеты стало появление многоклеточности в процессе эволюционного развития. Это послужило мощным толчком для увеличения биологического разнообразия и его дальнейшего развития. Главным признаком многоклеточного организма является четкое распределение клеточных функций, обязанностей, а также установка и налаживание устойчивых и прочных контактов между ними. Другими словами, это многочисленная колония клеток, которая в силах сохранять фиксированное положение на протяжении всего жизненного цикла живого существа.

источник

Почему не бывает больших одноклеточных организмов

Код ЕГЭ: 3.1. Разнообразие организмов: одноклеточные и многоклеточные;
автотрофы, гетеротрофы, аэробы, анаэробы

Общая характеристика одноклеточных

К одноклеточным организмам относят практически всех прокариот и некоторые группы эукариот. Часть прокариот переходит к колониальному образу жизни (см. ниже «Колониальные организмы»). Большинство же эукариот являются многоклеточными.

К одноклеточным эукариотам относится множество очень отличающихся друг от друга организмов, которых объединяет один признак — их единственная клетка является в то же время и целым организмом. Хотя в целом они устроены как типичная эукариотическая клетка, однако зачастую могут иметь дополнительные органеллы.

СТРОЕНИЕ. Поверхностный аппарат клетки, отделяющий организм одноклеточного от окружающей среды, зачастую устроен очень сложно. Как и у других клеток, его главная часть — плазмалемма. Надмембранный аппарат может быть представлен гликокаликсом, клеточными стенками различного химического состава, различными чешуйками и домиками (например, как у диатомовых водорослей). Подмембранный комплекс включает различные элементы цитоскелета, именно с ним связано передвижение одноклеточных эукариот. В состав подмембранного комплекса входят основания ресничек и жгутиков, с помощью трансформации элементов цитоскелета происходит движение псевдоподий (ложноножек). С цитоскелетом подмембранного комплекса связаны особые органеллы, которые характерны только для одноклеточных, — экструсомы. Это окружённые мембраной органеллы, которые служат для нападения и защиты.

Ядро у одноклеточных эукариот имеет типичное строение, но у некоторых организмов на протяжении всей жизни или на определённых этапах жизненного цикла в клетке содержится несколько (иногда до сотни) ядер. У инфузорий имеются ядра двух типов: небольшой микронуклеус (генеративное ядро), хранящий генетическую информацию и участвующий в половом процессе, и макронуклеус (вегетативное ядро) — крупное ядро, отвечающее за все процессы жизнедеятельности.

В цитоплазме некоторых одноклеточных эукариот (преимущественно пресноводных) имеются сократительные вакуоли, служащие для осморегуляции. Это одномембранные органеллы, снабжённые выводным каналом, выходящим на поверхность клетки. У инфузорий в состав сократительной вакуоли входит центральный резервуар и радиально расходящиеся канальцы. В сократительную вакуоль поступает жидкость, которая при периодическом сокращении вакуоли выводится наружу.

ПИТАНИЕ. По типу питания среди одноклеточных эукариот имеются как автотрофы, так и гетеротрофы. У автотрофов имеются хлоропласты различной формы (например, чашевидные, лентообразные). Кроме хлорофилла, хлоропласты могут содержать другие пигменты, служащие для лучшего улавливания солнечного света. Гетеротрофные организмы питаются различными органическими частицами или небольшими организмами (бактериями, другими одноклеточными и т. д.). Частицы захватываются при помощи ложноножек в ходе заглатывания частиц (фагоцитоза) или капель (пиноцитоза). У некоторых одноклеточных эукариот имеется особый участок клетки — клеточный рот (цитостом), в котором происходит захват пищевых частиц. Переваривание осуществляется в содержащих пищеварительные ферменты пищеварительных вакуолях (лизосомах).

Тип питания некоторых организмов зависит от образа жизни и среды обитания. Так, эвглена на свету питается автотрофно, производя органические вещества в ходе фотосинтеза, а в темноте переходит к гетеротрофному питанию, поглощая растворённые в воде питательные вещества.

СРЕДА ОБИТАНИЯ. Одноклеточные эукариоты обитают практически повсеместно, уступая в этом отношении только бактериям. Они распространены в пресных и солёных водоёмах, в почве, иногда живут на суше, хотя обычно для них необходима капельная влага. Также часто протисты (другое название одноклеточных эукариот) населяют другие организмы.

В водоёмах они входят в состав планктона и бентоса, являются пищей для многих водных организмов. Однако планктонные водоросли, размножаясь в огромных количествах, могут вызывать «цветение» воды, вызывающее гибель многих водных организмов.

Жизнь почвенных одноклеточных обычно имеет две стадии: активную (во время которой происходит питание, рост и размножение) и период покоя. Период покоя наступает вследствие различных причин: недостатка питательных веществ или кислорода, слишком высокой плотности популяции, сухости, накопления различных химических веществ, низкой температуры и др. Хотя существует мнение, что для некоторых видов стадия покоя в жизненном цикле является обязательной. Почвенные одноклеточные принимают участие в почвообразовании и повышают плодородие почв.

В теле многих губок, коралловых полипов, некоторых плоских червей и моллюсков могут обитать водоросли, дающие своим хозяевам кислород и питательные вещества и получающие от них убежище. Такая группа организмов, как лишайники, представляет собой сожительство гриба и водоросли. Обитая в кишечнике различных организмов (термитов и жвачных парнокопытных), они помогают хозяину переваривать пищу.

При паразитизме хозяину наносится вред. Паразитизм среди одноклеточных эукариот распространён довольно широко: они могут вызывать множество заболеваний животных и растений.

Колониальные организмы

Одноклеточные организмы могут объединяться в некое подобие многоклеточного организма, т. е. образовывать колонии. Отдельные особи в колонии могут быть неотличимы друг от друга (некоторые виды зелёных водорослей или инфузорий) или иметь достаточно сильные отличия и даже выполнять различные функции. Колонии образуются в результате бесполого размножения: при делении дочерняя клетка не отделяется от материнской, а остаётся связанной с ней.

Наиболее сложно устроены колонии вольвокса — представителя зелёных водорослей. Это полые шары величиной до 2 мм, они могут включать до 60 тыс. отдельных клеток. По краям колонии находятся двужгутиковые клетки, обеспечивающие передвижение. Кроме них имеются более крупные неподвижные репродуктивные клетки, которые, размножаясь, дают новые колонии. Дочерние колонии развиваются внутри материнской, а затем выходят из неё.

Полагают, что колониальные организмы являются связующим звеном между одноклеточными и многоклеточными организмами, и возникновение многоклеточности происходило через колониальность, причём в разных группах организмов неоднократно.

Общая характеристика многоклеточных организмов

Тело многоклеточных организмов во взрослом состоянии состоит из множества клеток и их производных (межклеточное вещество). Их клетки различаются по строению и выполняемым функциям, т. е. проявляется дифференциация клеток. Клетки, сходные по строению и происхождению, объединяются в ткани.

Читайте также:  Военная демократия почему так называлась

Грибы, однако, не имеют настоящих тканей, поэтому некоторыми учёными они не включаются в состав многоклеточных организмов. Из различных тканей образуются органы, которые у многоклеточных животных объединяются в системы органов, выполняющие определённую функцию (дыхание, выделение, пищеварение и т. д.).

Для многоклеточных организмов характерен сложный процесс индивидуального развития (онтогенез). Он начинается в большинстве случаев (за исключением вегетативного размножения) с деления одной клетки — зиготы (оплодотворённой яйцеклетки) — или споры.

Многоклеточность возникала в ходе эволюции неоднократно, она развивалась параллельно у разных групп организмов. Существует несколько гипотез возникновения многоклеточного организма, но все они сходятся в том, что многоклеточность возникла из колониальности.

Многоклеточные организмы могут образовывать колонии, которые образуются в результате вегетативного (бесполого) размножения, когда дочерняя особь остаётся связанной с материнской. Особи в колонии могут быть связаны в разной степени, зачастую их объединяет общее пищеварение. Между отдельными организмами колонии может происходить разделение функций.

Автотрофы, гетеротрофы

По типам питания все живые организмы подразделяются на две группы:

  • Автотрофные. К ним относятся фототрофы – зеленые растения, и хемотрофы – некоторые протисты, грибы и бактерии. Это организмы, являющиеся продуцентами, производящие органические вещества из неорганических. Они располагаются схематично на первой ступени экологической пирамиды.
  • Гетеротрофные. Это – организмы, питающиеся органическими веществами, произведенными другими их видами. В экологической пирамиде занимаются все уровни, кроме нижнего, на котором расположены автотрофы. В свою очередь гетеротрофные организмы разделяются на консументов – потребителей и редуцентов, разлагающих органику до простых органических и неорганических веществ. При этом, растительноядные животные являются гетеротрофами первого уровня, хищники, поедающие растительноядных – гетеротрофами второго уровня, хищники питающиеся хищниками – третьего и так далее.

Аэробы, анаэробы

По отношению к кислороду живые организмы делятся на четыре большие группы:

  • Облигатные аэробы – тех, кто не может жить без кислорода, так как невозможными становятся процессы клеточного дыхания. К ним относятся большинство животных и зеленые растения.
  • Микроаэрофилы – это некоторые виды бактерий, которым для жизнедеятельности необходимо небольшое количество кислорода – около 2 %.
  • Факультативные анаэробы – живые организмы, которые могут обходиться без кислорода, но способны переключиться на кислородное дыхание. Это маслянокислые и молочнокислые бактерии, дрожжи.
  • Облигатные анаэробы – эти организмы гибнут в кислородной среде. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии и археи.

Анаэробные бактерии играют важную роль в круговороте вещества, делая его доступным для других участников экологических систем. Биологически же, анаэробный способ получения энергии намного менее эффективен, чем кислородное дыхание. Так, например, при дыхании образуется из одной молекулы глюкозы 38 молекул АТФ, а при бескислородном ее сбраживании – 2 молекулы.

Это конспект по теме «Одноклеточные и многоклеточные организмы». Выберите дальнейшие действия:

источник

«Вопросы: 1. От чего зависит размер одноклеточных организмов? (1 балл) 2. За счет чего одноклеточные организмы достигают уменьшения размеров? (1 балл) 3. За счет чего возможно . »

Задача 1. Как стать меньше?

Известно, что бактерии – самые маленькие и при этом самые многочисленные из всех

известных на нашей планете живых организмов. Они встречаются повсеместно и обладают

особенностями строения и функциями, которые позволяют им приспосабливаться к

изменяющимся условиям и, фактически, господствовать на Земле. Но бактерии не одиноки в

своих малых размерах. Есть и очень маленькие многоклеточные организмы, например, оса

Мегафрагма мимаровая (Megaphragma mymaripenne), длина которой не более 0,2 мм.

1. От чего зависит размер одноклеточных организмов? (1 балл)

2. За счет чего одноклеточные организмы достигают уменьшения размеров? (1 балл)

3. За счет чего возможно уменьшение размеров многоклеточных организмов? (1 балл)

4. Как Вы думаете, с чем связана миниатюризация ос Мегафрагм и чем это может быть им выгодно? (1 балл)

5. Представьте, что Вы открыли новое уникальное животное (например, насекомое), размер которого на несколько порядков меньше размеров других животных из этого же семейства.

Перед Вам стоит задача понять, за счет чего же произошло такое поразительное уменьшение размеров. Какие ткани, органы и клетки Вы будете изучать в первую очередь?

Какие бы Вы сделали предположения и как бы проверили свои догадки? (3 балла)

1. Размер одноклеточных организмов определяется количеством и составом их внутриклеточных структур. Отсутствие ядра, митохондрий и центриолей у бактерий – один из способов уменьшить размер клетки. Чем больше в клетке хранится запасенных питательных веществ (на случай неблагоприятных условий), тем будет больше и размер.

Бактерии питательные вещества практически не запасают, поскольку при плохих условиях они образуют споры и в таком виде переживают “до лучших времен”. Толщина и количество внешних стенок, наличие внутриклеточного цитоскелета и сложноустроенных жгутиков и ворсинок также влияют на размер клетки (в сторону увеличения). Ядерные одноклеточные животные достигают уменьшения своих размеров за счет уменьшения размеров ядра (уменьшая количество ДНК, а значит, и количество кодируемых белков, упрощая свою организацию), а также за счет уменьшения количества и размеров других мембранных внутриклеточных органоидов.

2. Правильный ответ следует из первого подвопроса. Одноклеточные организмы достигают уменьшения своих размеров, в первую очередь, за счет уменьшения числа внутриклеточных структур и упрощения их устройства. Во вторую очередь, одноклеточные организмы уменьшают количество запасенных питательных веществ; в третью очередь, могут упрощаться и, как следствие уменьшатся в размерах мембранные структуры.

3. Размер многоклеточных организмов зависит от общего числа клеток и от их размеров.

Таким образом, уменьшение размера может происходить как за счет снижения размеров клеток, так и за счет уменьшения числа клеток в составе органов и тканей.

4. Эти осы пошли по пути одновременного упрощения строения органов за счет уменьшения числа клеток (в данном случае, нервная система содержит рекордно малое количество нейронов) и уменьшения клеточных размеров за счет упрощения устройства клеток. Так, 95% нейронов этих животных не содержат ядра, “теряя” их на стадии перехода из личинки в имаго. Осы Мегафрагмы живут всего несколько дней, поэтому их нейроны используют тот запас белков, которые образовались на стадии личинки.

5. Принимаются любые обоснованные логичные ответы. Например, можно предложить такой путь: изучение под микроскопом (оптическим, электронным) морфологию животного и его отдельных частей и сравнить ее с морфологией тех животных, которые кажутся близкими филогенетически. Упрощение устройства органов может быть за счет снижения числа клеток и/или уменьшения числа компонентов клеток. Далее можно провести детальный анализ морфологии клеток из разных тканей при помощи специфического окрашивания органоидов и клеточных структур: ядра, митохондрий, центриолей, цитоскелета и проч. Таким образом можно выявить, не произошла ли “утрата” какой-либо из структур, что способствовало уменьшению размера клеток.

Задача 2. Что эффективнее?

В одном научно-исследовательском институте три конкурирующие лаборатории занимались разработкой противоракового лекарственного препарата, особенностью которого было избирательное проникновение в раковые клетки. Первая группа разработала соединение, накапливающееся в цитоплазме опухолевых клеток, вторая – соединение, проникающее в митохондрии, третья – вещество, селективно транспортируемое в ядро. В основе действия всех соединений лежал один и тот же принцип: при освещении лазерным светом соединение участвовало в образовании радикала О2–, который, в свою очередь, инициировал окисление близко расположенных молекул.

1. Какие участки в соединениях всех трех типов были сходными, а какие различными(0,5 балла)? В общих чертах опишите строение каждого соединения и укажите, для чего нужна была каждая часть (0,5 балла).

2. Как называются вещества, образующие супероксид-анион радикал при действии света(0,5 балла)? Какая длина волны лазерного света предпочтительнее при использовании таких веществ в тканях и органах и почему (0,5 балла)?

3. Расположите все три вещества по мере возрастания терапевтического эффекта. Ответ обоснуйте (1 балл).

4. Какие еще активные формы кислорода (АФК) Вы знаете (0,5 балла)? Какие из АФК наиболее реакционноспособные и опасные для клеток (0,5 балла)?

5. Предложите еще какой-нибудь способ для направленного подавления именно раковых клеток (2 балла).

1. Сходным являются следующие участки: носитель молекулы-фотосенсибилизатора (продуцирующей АФК под действием лазерного света), участок, отвечающий за избирательное проникновение всей конструкции в раковые клетки и участок, обеспечивающий выход конструкции из эндосом в цитоплазму. Отличающиеся участки это:

участок митохондриальной или ядерной локализации.

2. Это вещества-фотосенсибилизаторы. Предпочтительнее использовать красный лазер, поскольку красный свет глубже проникает в ткани и меньше сам по себе повреждает здоровые клетки.

3. Терапевтический эффект будет выше в случае конструкции, проникающей в ядро, поскольку супероксид-анион радикал будет повреждать ДНК. Повреждение и гибель всех митохондрий в клетке тоже будет способствовать гибели клетки, только вероятность того, что молекулы-транспортеры проникнут в подавляющее большинство митохондрий, очень мала. Кроме того, митохондрии обладают собственной системой защиты от супероксиданион радикала, поскольку он образуется постоянно при работе дыхательной цепи.

4. АФК: перекись водорода, синглетный кислород, пероксинитрит ONOO-, гидроксил-анион радикал ОН.. Самые агрессивные формы – это две последние из перечисленных.

5. Еще потенциально-действенный вариант – это направленная доставка в раковые клетки наноконструкций, которые будут, к примеру, нагреваться и нагревать окружающую клетку при действии лазера и тем самым нарушать их работу.

Задача 3. Нанотехнологии и зрение В лаборатории университета Пенсильвании использовали приемы генной терапии, чтобы вылечить самцов беличьей обезьяны от врожденного дальтонизма (животные не различали зеленый и красные цвета).

Проведенные проверочные эксперименты показали, что обезьяны приобрели правильное цветовое зрение. Любимым лакомством обезьянок были съедобные ягоды черной бузины, которые сотрудники собирали в соседнем лесу. Один из сотрудников забыл закрыть клетку обезьян и ночью они сбежали в лес, где наелись своих любимых ягод. Утром, когда обезьяны вернулись, оказалось, что у них всех пищевое отравление, вызванное тем, что они съели ядовитые ягоды бузины красной.

1) Стажер лаборатории расстроился, что операция не удалась. Но дальнейшие тесты выяснили, что обезьяны прошли тесты на цветовое зрение. А вы как думаете, в чем причина, того что обезьяны перепутали красный и черный цвет ягод? Свой ответ объясните. (3 балла)

2) В каком современном нанобиотехнологическом методе используются молекулыродственники” зрительных пигментов, чтобы исследовать работу нервных клеток? (1 балл)

3) Какие фоторецепторы определяют цветовое зрение у приматов, опишите их? К появлению фоторецепторов какого типа привела генная терапия? (4 балла)

4) Как вы думаете, какие витамины нужно принимать, чтобы улучшить зрение и почему?(1 балл) Почему и как именно отличается размер зрачка в темноте и на свету?(1 балл)

1. Так как в темноте колбочки не работают, то за зрение в сумерках у приматов отвечают палочки. В темноте зрение человека становится черно-белым и наблюдается так называемый сдвиг Пуркинье. Красный цвет с темноте становится практически черным, а синие объекты более светлыми. Вероятно поэтому обезьяны и перепутали ягоды.

2. Это оптогенетика, которая основана на том, что методом генной инженерии в мембраны нервных клеток внедряют опсины, которые возбуждаются светом.

3. Известно, что цветное зрение, это вид зрительного ощущения, которое мы получаем при восприятии нашими глазами светового излучения, испускаемого источниками излучения или отраженного предметами. В глазе приматов существуют 2 типа фоторецепторов:

колбочки и палочки. Палочки содержат зрительный пигмент родопсин, чувствительный в сине-зеленой части спектра. Колбочки содержат пигмент йодопсин. У приматов обнаружены три вида колбочек, колбочки S-типа, M-, и L-типа. Они чувствительны соответственно в фиолетово-синей (S от англ. Short — коротковолновый спектр),в зелено-желтой (M от англ.

Medium — средневолновый) и в желто-красной (L от англ. Long — длинноволновый) частях спектра. У дальтоников не различающих красные и зеленые цвета – отсутствуют колбочки L- типа.

4. Для улучшения зрения медики советуют принимать витамины группы А, так как они участвуют в синтезе и родопсина, и йодопсина, которые представляют из себя опсин и окисленный витамин А (ретинен). Размер зрачка в темноте увеличивается, а на свету уменьшается, так как зрачок служит диафрагмой и через него регулируется световой поток, попадающий на сетчатку.

Задача 4. «Кровавые» эксперименты Хагрида

Во время одного из уроков в Хогвартсе Хагрид принес эритроцитарную массу, выделенную из крови магических существ. Это были эритроциты, выделенные из крови саламандры (маленькое огненное земноводное), раморы (серебристая рыба из Индийского океана), дракона (большой летающий ящер), феникса (сказочная птица), гиппогрифа (полулошадьполуорел) и ре-эма (гигантский бык с золотистой кожей).

1. Учитывая происхождение перечисленных животных, ученики должны были разместить их в ряд, исходя из размера эритроцитов (от большего размера к меньшему). Выполните это же задание, аргументировав свое мнение (3 балла).

2. Следующим заданием было выделить из эритроцитов ДНК. Как вы думаете, в эритроцитах каких существ ДНК точно не было, у каких оно вероятно было, а у каких оно могло как быть, так и не быть. Поясните ход своих мыслей (3 балла).

3. Ученики должны были изучить современный метод из мира маглов, основанный на нанотехнологиях, который позволил бы им исследовать свойства мембранносвязанного гемоглобина в интактных эритроцитах. Что за метод из нашего мира изучали ученики волшебной школы (2 балла)? Как Вы думаете, каким образом была получена эритроцитарная масса, если учесть, что у Хагрида не было центрифуги? (2 балла)

1. В процессе эволюции позвоночных шла тенденция к уменьшению размера эритроцитов. У земноводных эритроциты больше чем у ящериц, у ящериц больше чем у птиц, у млекопитающих самые маленькие. Однако у рыб они по размеру сравнимы часто с эритроцитами птиц. Исходя из происхождения родственников этих существ из мира маглов, можно предположить, что самые большие эритроциты у саламандры (как у земноводного), затем у дракона, эритроциты у птицы феникс и у рыбы раморы могут быть похожего размера, немного меньше у полугрифа-полулошади – гиппогрифа и самые маленькие у реэма.

Читайте также:  Почему мне жмут все туфли

2. У большинства позвоночных, кроме млекопитающих, есть ядро и следовательно ДНК.Таким образом только в эритроцитах у ре-эма точно нет ДНК и непонятно, есть ли она в эритроцитах гиппогрифа. У остальных существ в эритроцитах ДНК скорее всего есть, за исключением саламандры. У некоторых видов саламандр эритроциты не содержат ядра.

3. Для исследование примембранного гемоглобина в интактных эритроцитах используется метод гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). За счет эффекта плазмонного резонанса, которым обладают наночастицы благородных металлов, метод ГКР позволяет изучать конформационные изменения в молекулах примембранного гемоглобина. Для того чтобы осадить эритроциты – без центрифуги, нужно просто подождать. Под силой тяжести эритроциты осядут и кровь разделится на две основные фракции – плазму и эритроцитарную массу.

Задача 5. Как вырастить красивые цветы?

Учитель биологии рассказал своему классу про методы генетики и направленного отбора растений с желаемыми особенностями, после чего дал классу первое сложное задание: за весну и лето вырастить самые красивые цветы, желательно с необычной окраской. При этом надо было использовать доступные приемы селекции и, конечно, здравый смысл.

Саша, Света и Максим решили обязательно победить, но, как это часто бывает, со всеми летними делами совсем забыли о своем задании, вспомнив о нем всего лишь за несколько дней до начала учебного года. Сходив в ближайший цветочный магазин, каждый из них выбрал по букету цветов. Но как же сделать цветы необычной окраски? Не долго думая, Саша добавил в воду к своим цветам яркую краску, Света обрызгала свои цветы акварелью из пульверизатора, а Максим долил в воду к своему букету красивый концентрированный малиновый коллоидный раствор наночастиц золота, который нашел у своего старшего брата-химика среди реактивов, принесенных с работы. На следующий день ребята отправились в школу, где перед началом занятий устроили общую выставку-конкурс цветов.

Вот фотографии цветов, которые принесли наши герои (фотографии показаны в случайном порядке, не отражая порядок перечисления школьников в тексте):

Ребята были несколько удивлены, когда учитель биологии сказал, что они дисквалифицированы, а их цветы сняты с соревнований. В случае цветов с фотографии (1) такое решение было полностью понятно, так как цветы завяли. Для цветов с фотографий (2) и (3) учитель подробно объяснил, что ребята сделали с цветами и почему это не входит в перечень допустимых действий.

1. Укажите, на какой фотографии показаны чьи цветы, что именно с ними сделали, почему цветы завяли/изменили окраску и как Вы и учитель об этом догадались (1,5 балла).

2. Какие методы селекции могли бы использовать ребята, чтобы корректно выполнить свое задание (2 балла)? Какие цветы для этого они должны были бы выбрать (0,5 балла)?

3. А для чего вообще нужны цветы и их окраска (1 балл)?

4. От чего зависит окраска цветов (1 балла)?

5. При помощи каких приемов нанобиотехнологии можно вывести сорта цветов с необычной окраской (2 балла)? Будет ли это передаваться по наследству (1 балл)?

6. Предложите способ изменения окраски цветка у растения (приведите любой вариант), чтобы повысить его опыляемость (1 балл).

1. На фотографии (1) показан цветок из букета Максима, добавившего к цветам коллоидных раствор золота. Можно предположить, что наночастицы “забили” проводящую систему стеблей и вода поступала к цветкам в недостаточном количестве или не поступала вовсе. На фотографии (2) показан цветок из букета Светы, которая обрызгала краской цветы. Об этом свидетельствует четкая форма цветовых патен на лепестках и их локализация на кончиках цветов, куда в первую очередь и попадает краска. На фотографии (3) показаны цветы из букета Саши, который долил краситель в вазу с цветами. Данный сорт цветов (лизиантус) активно всасывает воду, а в данном случае – воду с красителем. Поэтому ярко-малиновый цвет распределился по жилкам цветков, в которых проходят проводящие воду сосуды. По такому характерному “полосатому” окрасу можно сразу определить подкрашивание цветов путем внесения краски в воду.

2. Предполагалось, что ученики за весну-лето должны посадить какие-то цветковые растения, быстро растущие, цветущие и дающие семена. При появлении первых цветов провести перекрестное опыление между цветами с наиболее интересной окраской (если есть такая возможность), а потом из первого поколения отобрать семена от наиболее красивых цветов и снова их высадить. В таком случае, конечно, не предполагается выведение каких-то удивительных новых сортовых цветов, так как на это требуется много времени. Для того, чтобы успеть выполнить задание за лето, ребята должны были влять растения с коротким вегетативным периодом. Возможные варианты: петуния (можно высадить в виде готового кустика в апреле-мае или растить из семян дома; растение быстро дает цветы и можно успеть за лето высадить еще новые растения из полученных семян), мирабилис ялапа (он же – ночная красавица или зорька).

3. Цветы нужны, в первую очередь, чтобы привлекать насекомых-опылителей. В зависимости от опылителя (зрения, формы тела и крыльев, и т.п.) у цветов в ходе эволюции сформировались цветки разной формы, цвета и с самым разным запахом.

4. Окраска цветов зависит от пигментного состава лепестков. Разные пигменты поглощают свет разных длин волн, что и делает окраску цветов самой разной. При чередовании, сочетании пигментов возникают узоры и причудливые оттенки лепестков.

5. Один из подходов – это трансфекция с последующей экспрессией в клетках лепестков новых генов, отвечающих за синтез пигментов, нехарактерных для данного растения. Чтобы новая окраска передавалась по наследству, необходимо, чтобы внесенный ген встроился в собственную молекулу ДНК в ядре клеток.

6. Надо рассмотреть особенность насекомых-опылителей. Возможный вариант – это экспрессия генов, отвечающих за ферменты, синтезирующие пигменты, которые насекомые-опылители видят лучше всего. Другой вариант – экспрессировать синтез ферментов, синтезирующих пигменты, которые видят другие, нехарактерные для данных цветов насекомые-опылители и тем самым увеличить количество видов насекомых, участвующих в опылении.

Задача 6. Мембранный транспорт

У любой живой клетки концентрация многих веществ внутри клетки отличается от их концентрации снаружи. Например, для нормального функционирования клеток они должны уметь создавать внутри клетки повышенную по сравнению с окружающей средой концентрацию глюкозы и других важных метаболитов. Транспорт многих таких веществ обеспечивается специализированными белками – обменниками и котранспортерами, которые используют градиенты одних веществ для транспорта других веществ. Клеткам бывает нужно и избавляться от вредных для них веществ, например маленький (110 аминокислот) белок бактерий EmrE обеспечивает резистентность к различным лекарственным веществам, позволяя двум протонам H+ входить в клетку в обмен на вывод одной молекулы положительно заряженного лекарственного вещества.

1. Приведите примеры ионов и молекул, для которых концентрация внутри клетки отличается от концентрации эстраклеточной среды. Как клетка создает такие градиенты?(По 0.5 балла за каждый пример, в сумме не более 3 баллов)

2. Почему для вывода лекарственных веществ из бактерии, белок EmrE должен обменивать молекулу лекарства на несколько протонов? (1 балл)

3. В клетках апикального эпителия тонкого кишечника один из белков-котранспортеров (NaPi IIc) использует градиент ионов Na+ для всасывания ионов фосфата (HPO42–) из просвета кишечника перенося два иона Na+ вместе с одним ионом HPO42–. Влияет ли такой транспорт ионов на мембранный потенциал клетки (разность электрических потенциалов между внутренним содержимым клетки и наружной средой)? Принимая, что соотношение концентраций [Na+] снаружи и внутри постоянно и составляет 10:1, рассчитайте теоретическое равновесное соотношение концентраций внутри и снаружи клетки для HPO42– (3 балла)

4. В клетках эпителия кишечника содержатся также системы котранспорта, переносящие внутрь клетки с одной молекулой глюкозы один ион Na+ либо два иона Na+. Влияет ли такой транспорт на мембранный потенциал клетки? Принимая, что снаружи клетки [Na+] в 10 раз больше, чем внутри, и мембранный потенциал клетки –70 мВ, во сколько раз концентрация глюкозы в клетке превысит концентрацию глюкозы в просвете кишечника, если транспорт глюкозы опосредуется первым типом белка-котранспортера? Вторым белком-транспортером? (5 баллов)

5. В эпителии какого еще органа необходимо иметь множество белков-обменников и котранспортеров для глюкозы, аминокислот и других важных метаболитов? (1 балл)

6. Вы хотите сконструировать наноразмерную машину, которая будет удалять из клетки вредные вещества. За счет чего вы можете сдвинуть равновесие реакции в сторону удаления веществ из клетки? Можно ли достичь результата, используя различное сродство такого переносчика к молекулам-мишеням по разные стороны от мембраны? (2 балла)

a) Ионы: Na+, K+, Cl-, Ca2+ H+, аминокислоты, нуклеотиды, сахара, белки. Базовые градиенты Nа+, К+, H+, Ca2+, в конечном итоге задаются при помощи активного транспорта белками-насосами, затрачивающими энергию гидролиза АТФ для термодинамически невыгодного распределения данных ионов. Градиенты по Na+ и H+ часто используются клеткой для т.н. вторичного активного транспорта, сопрягая термодинамически выгодный поток Na+ или H+ через мембрану клетки с термодинамически невыгодным потоком сахаров или аминокислот.

b) Требуется сопряжение энергетически выгодного процесса с энергетически невыгодным. Перенос нескольких протонов на одну молекулу лекарства задает “коэффициент усиления”, позволяющий вывести больше молекул лекарства из клетки.

c) Такой транспорт не связан с суммарным переносом заряда через мембраны клеток.

Другие котранспортеры этого же семейства переносят 3 иона Na+ на один фосфат, создавая электрический ток через клетку.

d) В обоих случаях наблюдается суммарный электрический ток через мембрану.

Условие равновесия в терминах электрохимических потенциалов:

e) Прежде всего, почечные канальцы, где из первичного фильтрата нужно забрать обратно все потенциально полезное, прежде чем выводить из организма.

f) Существующие градиенты ионов, работая по принципу котранспорта или обменника, можно напрямую задействовать электрический трансмембранный потенциал. Можно также сразу же удалять вещесвто из внеклеточного пространства, оставив сам процесс транспорта пассивным.

Удалять из реакционного объема можно переводя в связанное состояние, разрушая вещество и т.д. Нет, только разного сродства недостаточно, поскольку это все равно будет термодинамически пассивный процесс, и с его помощью невозможно создать неравновесное распределение вещества.

Задача 7. Каналы-рецепторы

Нейроны нервной системы несут на себе различные виды рецепторов. Активация некоторых из них приводит к гиперполяризации мембраны нейрона (увеличению разности электрических потенциалов между внутренним содержимым клетки и наружной средой) и, следовательно, торможению активности, тогда как активация других рецепторов приводит к деполяризации мембраны, активируя нейрон. Так, рецепторы nAChR к ацетилхолину (чувствительные к никотину) при активации ацетилхолином переходят в проводящее состояние и проводят катионы внутрь клетки, вызывая деполяризацию.

Родственные им и гомологичные по структуре рецепторы к гаммааминомасляной кислоте (GABAR) пропускают ионы хлора и вызывают гиперполяризацию нейрона.

1. Приведите примеры ионных каналов, присутствующих в мембране нейронов, и опишите способ их активации и влияние на мембранный потенциал нейрона. (по 1 баллу за каждый полный пример, но не более 3 баллов в сумме)

2. Чем обеспечивается селективность (избирательность) проницаемости ионных каналов для разных ионов? (2 балла)

3. Можно ли (и как) заставить nAСhR проводить анионы вместо катионов, а GABAR – катионы вместо анионов (2 балла)? Как изменится в этом случае их действие на активность нейрона? (2 балла)

1. Потенциал-зависимые: Na-каналы (чувствительны к деполяризации, приводят к деполяризации), K-каналы (чувствительны к деполяризации, приводят к гиперполяризации), Ca-каналы (чувствительны к деполяризации, приводят к деполяризации). Лиганд-оперируемые: AMPA-рецепторы (активируются глутаматом, приводят к деполяризации), NMDA-рецепторы (активируются глутаматом и глицином либо D-серином + деполяризацией, приводят к деполяризации) + многие другие

2. Селективность обеспечивается остатками аминокислот, экспонированными внутрь поры канала в области т.н. селективного фильтра + диаметром поры канала в этой области. Положительно заряженные остатки в селективном фильтре соответствуют анионным каналам, отрицательно заряженные – катионным каналам (т.е.

3. При помощи сайт-направленного мутагенеза можно заместить аминокислоты селективного фильтра канала на аминокислоты с противоположно заряженными остатками. Действие на активность должно также измениться на противоположное, с некоторыми оговорками: если канал, ставший катионным, окажется селективным для ионов K+, то он продолжит оказывать гиперполяризующее действие на мембрану нейрона.

Задача 8. Укладываем ДНК в наноканавки

Для исследования генома бывает важно растянуть довольно длинные, окрашенные флуоресцентным красителем отрезки ДНК до почти линейного состояния для последующего визуального исследования под микроскопом. Обычно это довольно сложная задача, потому что молекулы ДНК в растворе приобретают форму клубка и вовсе не хотят растягиваться в узких наноразмерных канальцах! Группа ученых из университета МакГилл (Канада) в 2014 г. опубликовала статью [doi:10.1073/pnas.1321089111], в которой описала простой метод растягивания молекул ДНК до почти линейного состояния в узких (27 нм) канавках. Этот метод заключатся в следующем: молекулы ДНК помещают в экспериментальную камеру, дно которой покрыто узкими наноканавками. Камера содержит раствор и накрыта покровным стеклом, опирающимся на стенки высотой

10 мкм. В исходном состоянии все молекулы ДНК представляют собой “клубочки”. Затем на поверхностное стекло начинает давить линза объектива микроскопа, прогибая его. Когда расстояние между стеклом и подложкой оказывается порядка десятков нанометров, почти все молекулы ДНК оказываются уложенными в канавки и растянутыми до 90% своей длины.

1. Зачем может потребоваться исследовать молекулы ДНК в растянутом состоянии? (2 балла)

2. Почему (за счет каких сил) в растворе молекулы ДНК приобретают форму клубка? (3 балла)

3. Почему (за счет каких сил) молекулы ДНК при использовании такой методики в конечном итоге оказываются в канавках? (5 баллов)

4. Как, используя флуоресцентный краситель, который встраивается между отдельными парами оснований, и меняя температуру рабочего раствора, картировать генетический код молекулы ДНК (2 балла)? С каким разрешением это можно делать? (2 балла)

1. Для исследования генома и относительно грубого установления нуклеотидной последовательности (ДНК-”отпечатки пальцев”). Можно устанавливать наличие крупномасштабных мутаций, ассоциированных с различными патологиями, таких как делеции значительных участков ДНК, многочисленные повторы и т.д.

2. Для линейных молекул полимеров в растворе термодинамически выгодна конформация в виде т.н. статистического клубка. Основную роль здесь играет энтропийная составляющая, потому что такой клубок может быть составлен большим количеством возможных отдельных конфигураций, т.е. характеризуется большой энтропией

Читайте также:  Почему мужчины боятся своих жен

3. При ограничении объема в камере возникает ситуация, когда молекула ДНК внутри канавки имеет больше пространства для различных конформационных конфигураций, чем между стеклом и дном камеры. Так что процесс “заползания” молекул ДНК в канавки также определяется энтропией.

4. Меняя температуру можно добиться плавления (т.е. расхождения цепей) ДНК в области, богатой А-Т парами нуклеотидов при сохрании нативной структуры в областях, богатых Г-Ц парами нуклеотидов, поскольку последние образованы тремя водородными связями, а А-Т пары – двумя. В местах плавления ДНК интеркалирующий краситель будет вымываться в раствор. Таким образом, возникнет “полосатый” паттерн окрашивания молекулы ДНК, что позволяет получать “портрет” нуклеотидной последовательности данной молекулы ДНК.

Поскольку молекула исследуется под световым микроскопом, разрешение составляет около 200 нм, т.е. при 0.33 нм на 1 нуклеотид, около 600 пар нуклеотидов.

Задача 9. Зелёные и не совсем зелёные флуоресцентные белки

В 2008 году Нобелевская Премия по химии присуждена трм учным: Осамо Шимамуре, Роджеру Тсину и Мартину Шалфи «за открытие и изучение зеленого флуоресцентного белка медузы Aequorea victoria (green fluorescent protein, GFP)».

Этот белок (рис.1) нашел широчайшее применение в биологии. Впоследствии были открыты и химически синтезированы его разноцветные аналоги: от синефиолетового до красного и даже инфракрасного (рис.2).

Рис. 1. Памятник зеленому флуоресцентному белку в США Рис.2. Спектры поглощения (а) и спектры флуоресценции (b) 7 флуоресцентных белков.

1. У каких живых организмов (кроме медуз) имеются GFP-подобные белки (не менее 3)?(1 балл)

2. Какова может быть биологическая роль GFP? (1 балл)

3. Какой из GFP-подобных белков, на Ваш взгляд, наиболее перспективен для применения в медицинской диагностике? Почему? (0,5 балла)

4. Почему GFP обладает флуоресценцией? (1 вариант ответа) (0,5 балла) а. GFP содержит в себе ионы металла b. GFP содержит в себе хлорофилл c. GFP содержит в себе молибдоптерин d. GFP содержит в себе хромофорную группу, образованную из аминокислот самого белка

5. Чем обусловлены спектральные различия GFP-подобных белков? (несколько вариантов ответа) (1 балл) а. нарушением встраивания хромофора в белок b. аминокислотным составом c. различиями в конформации хромофора d. отсутствием молекулярного кислорода на первом этапе синтеза хромофора е. взаимодействием с другими белками f.фолдингом

7. Представьте, что Вы заведуете прекрасно оснащенной лабораторией, в которой имеется флуоресцентный конфокальный микроскоп. К Вам пришел молодой амбициозный студент Петя, для которого Вам необходимо придумать тему дипломной работы.

а) Подберите для Пети не менее трх пар любых молекул в клетке, взаимодействие или колокализацию которых можно изучать с помощью семейства GFP белков методом флуоресцентной конфокальной микроскопии. (3 балла)

b) Поясните Пете, какие молекулы можно изучать с помощью GFP, а какие – нет. Свой ответ обоснуйте. Как увидеть молекулы, которые нельзя пометить GFP? (1 балл)

c) Поздравляю! Ваш студент защитил диплом на отлично. Вы настолько заинтересовали Петю наукой, что он решил продолжать свое исследование. Однако разрешение конфокального микроскопа кажется ему недостаточным. Какие существуют методы флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения (как минимум два)? (1 балл)

1. У многих видов моллюсков, нематод, ракообразных, губок, иглокожих и т.д.

2. Хотя бы 1 из предложенных вариантов: вторичный эмиттер в биолюминесцентных системах; защита от солнца для симбиотических водорослей кораллов; окраска; трансфер электронов на различные молекулы-акцепторы; предположительно, защита от АФК

3. например, красный или инфракрасный флуоресцентный белок, так как более коротковолновое излучение хуже проникает в ткани организма.

7. а-c) Флуоресцентные белки, слитые в одной рамке считывания с интересующими белками, позволяют наблюдать за их локализацией. Это основное применение GFP.

В клетке белки осуществляют 4 основных типа взаимодействий:

белок-белковое липид-белковое НК-белковое (где НК – нуклеиновые кислоты) взаимодействие с низкомолекулярными агентами (например, Ca2+ с кальмодулином, АТФ с АТФ-синтетазами и пр.) Поэтому для белок-белкового взаимодействия можно предложить любые, даже хорошо изученные пары белков.

Для изучения локализации липидов можно использовать меченные GFP белки, встроенные в плазматическую мембрану. Для прямой визуализации липидов используют липофильные красители или сольватохромные (меняющие цвет при изменении полярности среды).

Нуклеиновые кислоты тоже могут быть помечены GFP лишь косвенно: с помощью РНК- или ДНК-связывающих белковых доменов. Если необходимо пометить именно ДНК в ядре, то чаще всего используют краситель DAPI (синяя флуоресценция при УФ-облучении).

Для некоторых низкомолекулярных агентов, например, для ионов кальция, есть специальные флуоресцентные зонды. Однако это скорее исключение.

Поэтому в данном случае засчитывается любой ответ, учитывающий вышеизложенные положения.

Cамые известные типы микроскопии сверхвысокого разрешения – PALМ и STED, за разработку которых в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Задача 10. СОЭ Рис.

Вам наверняка делали общий анализ крови, одним из важнейших клинических показателей которого является скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Этот простой тест уже почти 100 лет помогает выявлять неполадки в организме, позволяя в большинстве случаев отличить легкую простуду от более серьезных патологий.

1. Каким образом измеряют СОЭ? О чем говорит врачам его величина? (1 балл) Кровь – типичная коллоидная система, главными компонентами которой являются эритроциты – основные переносчики кислорода в организме. Красные кровяные тельца человека имеют дисковидную форму и несущую отрицательный заряд поверхность.

2. Какие основные силы препятствуют слипанию (агрегации) эритроцитов в крови, циркулирующей по организму? (1 балл) Между красными кровяными тельцами, тем не менее, присутствуют и заметные силы притяжения: рассматривая под микроскопом препарат крови, можно заметить, что эритроциты обратимо слипаются друг с другом.

3. Объясните, почему при агрегации эритроцитов преимущественно образуются именно столбики рис. 1b. (0,5 балла) Какое поведение эритроцитов при агрегации увидит биолог в микроскоп, если слить препараты крови человека (диаметр эритроцитов

6,5 мкм) и кролика (диаметр эритроцитов

4. Поясните, как степень агрегации эритроцитов влияет на СОЭ. (1 балл) Существует две модели, описывающие возникновение агрегации эритроцитов в присутствии белков, полимеров и других наночастиц и приводящие к близким выводам (рис. 2).

Рис. 2. a) Вспомогательные частицы адсорбируются двумя половинками на поверхностях соседних эритроцитов и таким образом удерживают их.

b) Возле поверхности эритроцитов образуется обедненный слой, поскольку частицы не могут занимать весь объем возле поверхности эритроцита; перекрывание обедненных слоев приводит к увеличению объема, доступного для наночастиц (то есть, суммарная энтропия системы увеличивается за счет увеличения энтропии наночастиц).

5. Почему при болезнях происходит изменение величины СОЭ? (1 балл) Какие белки плазмы крови сильнее всего влияют на такое изменение, и как это связано с их концентрациями и размерами? (1 балл) Предложите схему эксперимента (желательно с использованием наглядных нанотехнологий), который позволил бы установить, какой именно из двух рассмотренных моделей агрегации соответствуют эти белки. (1 балл) Еще одним параметром, позволяющим оценить тяжесть заболевания, является концентрация C-реактивного белка, которая возрастает при воспалительных процессах.

6. Почему изменения концентрации C-реактивного белка мало сказываются на СОЭ? (1 балл) Почему оценка эффективности лечения по измерениям величины СОЭ, а не по измерению концентрации C-реактивного белка может приводить к неверным выводам (каким?)? (1 балл)

1. Каким образом измеряют СОЭ? Что говорит врачам его величина? (1 балл) Иллюстрацией-подсказкой к ответу служит первая картинка из условия. Во взятую кровь добавляют антикоагулянт (препятствует свертыванию, например, цитрат натрия) и помещают в стандартизированную пробирку или капилляр со шкалой. Кровь со временем разделяется на 2 слоя: в нижнем оседают эритроциты, в верхнем остается плазма (см. рис).

Через 1 час по шкале измеряют высоту образовавшегося слоя плазмы в миллиметрах – она численно равна СОЭ.

Чаще всего отличие СОЭ от нормы дает повод заподозрить инфекцию или другие патологические процессы в организме. Обычно при болезнях СОЭ повышается: по тому, насколько сильно оно повышено, врач может примерно оценить интенсивность воспалительных процессов. Однако на СОЭ влияет множество разных факторов, поэтому возможны случаи, когда при болезни СОЭ не выше нормы или, наоборот, повышенное СОЭ может обусловливаться непатологическими состояниями.

2. Какие основные силы препятствуют слипанию (агрегации) эритроцитов в крови, циркулирующей по организму? (1 балл) Сила кулоновского отталкивания одноименных зарядов и сила вязкого трения (в организме кровь постоянно перемешивается, вязкое трение при перемешивании способствует разделению агрегатов).

Между красными кровяными тельцами, тем не менее, присутствуют и заметные силы притяжения: рассматривая под микроскопом препарат крови, можно заметить, что эритроциты обратимо слипаются друг с другом.

3. Объясните, почему при агрегации эритроцитов преимущественно образуются именно столбики рис. 1b. (0,5 балла) Какое поведение эритроцитов при агрегации увидит биолог в микроскоп, если слить препараты крови человека (диаметр эритроцитов

6,5 мкм) и кролика (диаметр эритроцитов

8 мкм)? (0,5 балла) Очевидно, при агрегации сила притяжения преобладает над отталкиванием. Сила притяжения между эритроцитами будет максимальна при максимальной площади контакта, поэтому, эритроцит будет сильнее удерживаться, если «прилипнет» в продолжение столбика, а не к его боковой поверхности.

При агрегации (не гемолизе и не агглютинации с участием антигенов) человеческие эритроциты будут преимущественно слипаться с человеческими, а кроличьи – с кроличьими. Лишь при таком способе агрегации суммарная площадь свободной поверхности будет минимальна. Если же представить цепочку из чередующихся маленьких и больших эритроцитов, то при таком расположении часть «внутренней» поверхности больших эритроцитов остается свободной.

К сожалению, многие участники решили (не думая) воспользоваться неправильными чужими ответами на эти 2 вопроса.

4. Поясните, как степень агрегации эритроцитов влияет на СОЭ. (1 балл) Масса столбика пропорциональна количеству эритроцитов в столбике, а сопротивление жидкости при осаждении столбика пропорционально площади сечения столбика (т.е., площади одного эритроцита). Поэтому столбики с большим числом эритроцитов (при большей степени агрегации) будут осаждаться быстрее – СОЭ возрастет.

Существует две модели, описывающие возникновение агрегации эритроцитов в присутствии белков, полимеров и других наночастиц и приводящие к близким выводам (рис. 2).

Рис. 2. a) Вспомогательные частицы адсорбируются двумя половинками на поверхностях соседних эритроцитов и таким образом удерживают их. b) Возле поверхности эритроцитов образуется обедненный слой, поскольку частицы не могут занимать весь объем возле поверхности эритроцита;

перекрывание обедненных слоев приводит к увеличению объема, доступного для наночастиц (то есть, суммарная энтропия системы увеличивается за счет увеличения энтропии наночастиц).

5. Почему при болезнях происходит изменение величины СОЭ? (1 балл) Какие белки плазмы крови сильнее всего влияют на такое изменение, и как это связано с их концентрациями и размерами? (1 балла) Как мы уже знаем из ответа на первый вопрос, при болезнях обычно происходитувеличение СОЭ, которое (как следует из ответа на предыдущий пункт) можно связать сувеличением степени агрегации эритроцитов. Используя любую из предложенных моделей, мы придем к выводу, что увеличение степени агрегации эритроцитов должно произойти при увеличении концентрации белков в плазме крови. Несложно найти в сети Интернет, что при заболеваниях в крови возрастает концентрация белков острой фазы (фибриноген, иммуноглобулины, С-реактивный белок и другие), которые помогают организму справляться с болезнью – именно они несут главную ответственность за повышение СОЭ при болезнях.

При одинаковом количестве белков, лучше всего «связывать» эритроциты (повышать СОЭ) должны, во-первых, большие белки (больше контакт с эритроцитом по первой модели, больше объем обедненного слоя по второй модели), во-вторых – ассиметричные белки («палочки», а не «шарики»). С другой стороны, сильнее всего будут повышать СОЭ те белки, чей вклад в увеличении концентрации белков острой фазы максимален. Поэтому наибольший эффект на увеличение СОЭ оказывает фибриноген (за ним идут глобулины, у которых меньше размер, менее ассиметричная форма, меньше вклад в суммарное изменение концентраций).

Предложите схему эксперимента (желательно с использованием наглядных нанотехнологий), который позволил бы установить, какой именно из двух рассмотренных моделей агрегации соответствуют эти белки. (1 балла) Очевидное различие моделей заключается в наличии/отсутствии молекул белков между эритроцитами в стопках. Значит, необходимо как-то отследить, есть ли, например, фибриноген между эритроцитами в столбике. Для этого к его молекуле можно «пришить»

маленькую светящуюся метку, например, квантовую точку (не перекрывающуюся по спектру с красным гемоглобином, дополнительно, при этом, убедившись, что помеченный белок изменяет СОЭ аналогично немодифицированному), и посмотреть «на просвет» стопку эритроцитов. Чтобы убедиться, что меченые белки между эритроцитов попали не случайно, можно провести контрольный опыт с «разъединенными» белком и квантовой точкой (при этом интенсивность свечения метки в стопке эритроцитов должна быть значительно ниже, если верна первая модель, и такая же, если вторая).

6. Почему изменения концентрации C-реактивного белка мало сказываются на СОЭ? (1 балл) Почему оценка эффективности лечения по измерениям величины СОЭ, а не по измерению концентрации C-реактивного белка может приводить к неверным выводам (каким?)? (1 балл) Ответ на этот вопрос частично кроется в ответе на предыдущий. В отличие от фибриногена, C-реактивный белок меньше, более симметричен и, главное, в большинстве случаев его концентрация в крови гораздо меньше концентраций других белков. Поэтому его вклад в увеличение СОЭ сильно маскируется на фоне вклада других белков острой фазы.

Образовавшаяся в начале болезни повышенная концентрация фибриногена приходит к норме довольно медленно (большое время жизни фибриногена в крови). Поэтому повышенное СОЭ после курса лечения может ошибочно говорить о наличии воспалительных процессов (и неэффективности лечения). Время жизни в крови Среактивного белка существенно меньше, поэтому он может точно показать, насколько уменьшается в ходе лечения воспалительный процесс – т.е. оценить эффективность выбранного метода лечения.

Также стоит отметить, что поскольку СОЭ зависит от множества факторов (например, от вязкости крови), в относительно редких случаях это также может приводить к неверным выводам.

источник

Adblock
detector