Презентация Механизмы пролиферации, дифференцировки, старения и гибели клеток. «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки.

• 1 слайд

  Механизмы пролиферации, дифференцировки, старения и гибели клеток
  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  

• 2 слайд

• 3 слайд

• 4 слайд

• 5 слайд

• 6 слайд

  Старение
  это общебиологический процесс, который протекает на всех уровнях организации живого — от молекуляно-генетического до биосферного. На клеточном уровне старение связано с прогрессивным нарушением структуры и функции основных компонентов клетки, включая наследственный аппарат. В конечном итоге это приводит к общему увяданию организма и снижению его адаптивных возможностей.
  
  Универсальной теории старения пока не существует, но очевидно, что в регуляции процесса старения клеток и организма участвуют две системы: генная и нейро-эндокринная.
  

• 7 слайд

• 8 слайд

• 9 слайд

  Молекулярные «часы» клетки
  после каждого деления концевые отделы хромосом (теломеры) уменьшаются на определенный участок. Таким образом, длина теломера определяет срок способности клеток к делению. Восстанавливает целостность теломера специальный фермент — теломераза, которая, однако, во взрослом организме неактивен.
  
  В опытах на культивируемых взрослых клетках человека удалось активизировать теломеразу, и клетки не останавливали рост и не умирали — они стали «бессмертными». Это было важное достижение молекулярной биологии — найден один из ключевых инструментов старения клеток и организма.
  
  При старении клеток происходит уменьшение объема клетки; частичная редукция органоидов; накопление пигментов и разнообразных включений; увеличение проницаемости мембраны; вакуолизация ядра и цитоплазмы, усиление автофагических процессов.
  

• 10 слайд

• 11 слайд

• 12 слайд

  Апоптоз
  (от греч. apoptosis — листопад) — генетически контролируемый процесс клеточной гибели, запускаемый внешними или внутренними сигналами.
  Развитие апоптоза контролируется специальными проаптогенными генами (гены-убийцы). С другой стороны, есть факторы, которые блокируют включение программы апоптоза: ростовые факторы, нейтральные аминокислоты, цинк, половые гормоны (эстрогены и андрогены), компоненты межклеточного матрикса.
  

• 13 слайд

• 14 слайд

  Процесс апоптоза можно условно разбить на два этапа:
  1. Активация сигналов, влючающих апоптоз, и запуск цепи биохимических реакций в клетке.
  
  Этими сигналами могут быть:
  
  • серьезные повреждения ДНК под действием радиации, токсических веществ, гипоксии, гипертермии, вирусной инфекции;
  
  • активация так называемых «рецепторов клеточной смерти», которые есть на мембране любой клетки и которые активируются в ответ на воздействие на них проапоптотических факторов: фактора некроза опухолей (ФНО); интерферона (ИНФу); трансформирующего фактора роста (ТФР(3); CD—45, интерлейкинов и ряда других);
  
  • действие факторов, выделяемых цитотоксическими клетками (Т-киллерами) при развитии иммунной или воспалительной реакции;
  • сигналы «старения клетки», связанные с нарушением работы митохондрий.
  

• 15 слайд

  Процесс апоптоза можно условно разбить на два этапа:
  Разрушение клеточных органоидов и гибель клетки.
  Морфологически развитие апоптоза проявляется в уменьшении объема клетки, сморщивания мембраны (сама мембрана при этом не разрушается), конденсация хроматина с последующей его фрагментацией по периферии ядра, после чего ядро распадается на части.
  Клетка распадается на фрагменты (апоптотические тельца). Затем следует фагоцитоз телец и остатков клетки макрофагами и другими фагоцитами. При этом отсутствует воспалительная реакция со стороны организма, что является важнейшей отличительной чертой апоптоза.
  Апоптоз развивается достаточно быстро: от нескольких минут до нескольких часов.
  

• 16 слайд

  Значение апоптоза
  Апоптоз является одним из наиболее эффективных и универсальных механизмов контроли клеточных популяций, их роста и регенерации:
  
  • в эмбриональный период образуется избыточное количество клеток и апоптоз уничтожает их;
  
  • с его помощью происходит регрессия частей эмбриональных и провизорных органов и зачатков;
  
  • является основным способом гибели старых, терминально дифференцированных клеток;
  
  • участвует в работе иммунной системы и процесса воспаления (например при созревании Т-лимфоцитов в тимусе или при различного рода вирусных и бактериальных инфекциях);
  
  • подавление апоптоза приводит к развитию опухоли;
  
  • с активацией апоптоза связывают развитие заболеваний и патологий нервной системы (болезнь Альцгеймера, Паркинсона и др.).
  

• 17 слайд

• 18 слайд

  Некроз
  (от греч. nekrosis — умирание) процесс разрушения и гибели клетки или группы клеток под действием повреждающих факторов. К ним относятся: механическое повреждение клетки, действие химических веществ, в том числе ядов, недостаток кислорода (гипоксия), резкие температурные колебания (как гипертермия, так и гипотермия).
  
  Морфологически некроз сопровождается набуханием цитоплазмы, расширением цистерн ретикулума и АГ, нарушением целостности плазматической мембраны, активизацией лизосом и автофагических процессов. Завершается некроз распадом клетки, фагоцитоз фрагментов клетки и развитием воспалительной реакции.
  

• 19 слайд

• 20 слайд

  Теория «свободных радикалов»
  В процессе химических реакций в клетках происходит образование так называемых свободных радикалов — атомы и молекулы, имеющие в своей электронной оболочке «лишние» электроны. Они обладают очень высокой реакционной способностью и могут нарушать молекулярные связи. Они способны разрывать химические связи в ДНК, РНК, липидах клеточных мембран, ферментах, что приводит к серьезным нарушениям в работе клетки и старению организма .
  Особенно много радикалов образуется в процессе приготовления жареной и копченой пищи.
  

• 21 слайд

• 22 слайд

• 23 слайд

• 24 слайд

  Теория «свободных радикалов»
  В клетках животных и человека есть специальные защитные системы, предотвращающие избыточное образование и нейтрализующие свободнорадикальное окисление. Это ферменты каталаза и супе- роксидисмутаза, дезактивирующие свободные радикалы Экспериментальное усиление продукции этих ферментов позволило увеличить срок жизни у мушки-дрозофилы в три раза.
  
  На практике уменьшить действие радикалов можно с помощью сбалансированной диеты, употребляя в пищу продукты, содержащие природные антиоксиданты — витамины С, Е, К, А, фрукты и овощи, богатые растительной клетчаткой и пектинами.
  
  В целом необходимо отметить, что старение организмов — закономерный и общебиологический процесс, связанный с существованием видов и их эволюцией.
  

• 25 слайд

• 26 слайд

• 27 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  ОТ ПРИЧУДЛИВЫХ существ в глубинах океанов до бактерий внутри наших тел - вся жизнь на Земле состоит из клеток. Но у нас есть лишь очень приблизительное представление о том, как функционируют даже самые простые из этих клеток.
  
  Теперь, как описано недавно в Cell, команда из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и их коллеги создали самую полную компьютерную симуляцию живой клетки, когда-либо существовавшую. С помощью этой цифровой модели биологи могут преодолеть ограничения природы и ускорить свое исследование того, как работает самая основная единица жизни — и что произошло бы, если бы она работала по-другому
  

• 28 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  Рассматриваемая клетка - это изготовленная в лаборатории “минимальная клетка”, которая балансирует на грани между жизнью и нежизнью, несущая ограниченное количество генов, большинство из которых необходимы для выживания. Воспроизводя известные биохимические процессы, происходящие внутри этой самой элементарной клетки, и отслеживая все питательные вещества, отходы жизнедеятельности, генные продукты и другие молекулы, движущиеся через нее в трех измерениях, моделирование приближает ученых к пониманию того, как простейшая форма жизни поддерживает себя, и раскрывает некоторые элементарные потребности жизни.
  

• 29 слайд

• 30 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  Живые клетки постоянно обрабатывают информацию — они отслеживают изменения мира вокруг и реагируют на них. Для того, чтобы сложились методы обработки информации на клеточном уровне, потребовались миллиарды лет эволюции. Созданные людьми микрочипы, на которых работают компьютеры, для обработки информации преобразовывают её в однозначно понимаемые нули и единицы. В клетках всё не так. ДНК, белки, жиры и сахара работают комплексно.
  
  Но учёные хотят использовать возможность клетки быть «живым компьютером», который поможет создавать новые средства терапии, эффективно производить биотопливо или другие полезные органические вещества, и не могут ждать, когда эволюция создаст желаемую клеточную систему.
  
  
  

• 31 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  В статье, опубликованной 25 мая в журнале Nature Communications, научная группа из Вашингтонского университета (University of Washington) продемонстрировала новый метод цифровой обработки информации в живой клетке — аналог логических элементов, используемых в электрических цепях. Это набор синтетических генов, которые функционируют в клетках, как логический элемент ИЛИ-НЕ (англ. NOR gate), широко используемый в электронике. Это элемент, который имеет два входа и на выходе даёт положительный сигнал, если оба входящих значения отрицательные. Используя только этот элемент (известен как «стрелка Пирса»), можно построить все остальные элементы для совершения логических операций.
  
  В качестве «монтажного стола» для создания логического элемента, построенного на основе ДНК, использовались дрожжевые клетки.
  
  
  

• 32 слайд

  Внедрение логической схемы ИЛИ-НЕ в геном с помощью CRISPR-Cas9.
  

• 33 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  «Хотя реализация простых программ в клетке никогда не сможет соперничать в скорости и точности вычислений с кремнием, генетические программы могут взаимодействовать с окружающей средой клетки непосредственно, — рассказывает старший автор публикации, профессор электротехники Университета Вашингтона Эрик Клавинс (Eric Klavins). — Например, перепрограммированные клетки пациента могут совершать определённые терапевтические действия в самых важных тканях».
  
  Каждый логический элемент ИЛИ-НЕ в клетке состоит из гена с тремя запрограммированными участками ДНК — два в качестве входов, и один выход. Авторы воспользовались методом CRISPR/Cas9 для внедрения этих конкретных последовательностей в ДНК внутри клетки. Исследователям удалось внедрить в клетку до семи элементов ИЛИ-НЕ, расположенных как параллельно, так и последовательно.
  
  

• 34 слайд

  «Цифровая клетка» – биоинформатические модели функционирования клетки
  Таким образом, показана возможность создания схем, которые смогут выполнять полезные действия — получать информацию об окружающей среде от различных датчиков и выполнять расчёты для поиска правильного ответа. Можно представить появление в будущем искусственных иммунных клеток, которые могут распознавать и реагировать на онкомаркеры или клеточных биосенсоров, которые смогут легко диагностировать инфекционные заболевания в ткани пациента.
  

• 35 слайд

  Ресурсы
  https://studme.org/372654/geografiya/starenie_gibel_kletok
  https://yandex.ru/images/search?from=tabbar&text=некроз
  http://www.labmanager.com/news/2017/05/scientists-borrow-from-electronics-to-build-circuits-in-living-cells
  https://www.wired.com/story/the-most-complete-simulation-of-a-cell-probes-lifes-hidden-rules/