КЛЕТЪЧНА БИОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ, КАКВО ИЗУЧАВА, ПРИЛОЖЕНИЯ И КОНЦЕПЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В Биология Cell е клон на биологията, която изучава всички аспекти на клетъчния живот. Тоест със структурата, функцията, еволюцията и поведението на клетките, които изграждат живи същества на земята; с други думи, всичко присъщо на неговото раждане, живот и смърт.

Това е наука, която интегрира голям обем знания, сред които се открояват биохимия, биофизика, молекулярна биология, изчислителни науки, биология на развитие и поведение и еволюционна биология, всяка от които със собствен подход и собствени стратегии за експериментиране, за да отговорят на конкретни въпроси.

Силует на микроскоп (Източник: Карън Арнолд през Wikimedia Commons)

Тъй като в клетъчната теория се казва, че всички живи същества са съставени от клетки, клетъчната биология не прави разлика между животни, растения, бактерии, археи, водорасли или гъбички и може да се фокусира върху отделни клетки или върху клетки, принадлежащи на тъкани и органи на един и същ многоклетъчен индивид.

Следователно, тъй като това е експериментална наука (а не описателна), изследванията в този клон на биологията зависят от наличните методи за изследване на клетъчната ултраструктура и нейните функции (микроскопия, центрофугиране, култура ин витро и т.н.)

История на клетъчната биология

Някои автори считат, че раждането на клетъчната биология е станало с появата на клетъчната теория, предложена от Schleiden и Schwann през 1839 година.

Важно е обаче да се има предвид, че клетките са описани и проучени много години преди това, като се започне с първите открития на Робърт Хук, който през 1665 г. за първи път видя клетките, съставляващи мъртвата тъкан на корков лист; и продължава с Антони ван Левенгук, който години по-късно наблюдава микроскопични проби с различни микроорганизми.

Портрет на Робърт Хук (Източник: Густав VH, през Wikimedia Commons)

След работата на Хук, Левенхук Шлейден и Шван, много автори също се посвещават на задачата да проучат клетките, с които са прецизирани подробности относно тяхната вътрешна структура и функциониране: ядрото на еукариотичните клетки, ДНК и хромозоми, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, комплекс Голджи и др.

В средата на 20 век областта на молекулярната биология отбеляза значителен напредък. Това повлия на това, че през 50-те години клетъчната биология също има значителен растеж, тъй като през тези години беше възможно да се поддържат и размножават клетки in vitro, изолирани от живи организми.

Напредъкът в микроскопията, центрофугирането, формулирането на културни среди, пречистването на протеини, идентифицирането и манипулирането на мутантните клетъчни линии, експериментите с хромозоми и нуклеинови киселини, наред с други неща, поставят прецедент за бързото развитие на клетъчната биология към настоящата ера.

Какво учиш? (обект на проучване)

Клетъчната биология е отговорна за изследването на прокариотни и еукариотни клетки; изучава процесите на неговото формиране, живота и смъртта му. Обикновено може да се съсредоточи върху сигналните механизми и структурирането на клетъчните мембрани, както и върху организацията на цитоскелета и клетъчната полярност.

Той също така изучава морфогенезата, тоест механизмите, които описват как клетките се развиват морфологично и как клетките, които "зреят" и се трансформират през целия си живот, се променят във времето.

Дрождови клетки от вида Saccharomyces cerevisiae.

В рамките на клетъчната биология са включени теми, свързани с мобилността и енергийния метаболизъм, както и с динамиката и биогенезата на техните вътрешни органели, в случай на еукариотни клетки (ядро, ендоплазмен ретикулум, комплекс на Голджи, митохондрии, хлоропласти и др. лизозоми, пероксизоми, гликозоми, вакуоли, глиоксизоми и др.).

Тя включва също изучаването на геномите, тяхната организация и въобще ядрената функция.

В клетъчната биология се изучават формата, размерът и функцията на клетките, които съставляват всички живи организми, както и химичните процеси, протичащи в тях, и взаимодействието между техните цитозолни компоненти (и тяхното подклетъчно разположение) и клетки с тяхната среда.

Съществени понятия в клетъчната биология

Илюстрация на разделянето на клетка. Източник: pixabay.com

Влизането в областта на клетъчната биология е проста задача, когато се вземат предвид някои основни знания или основни понятия, тъй като с тях и с използването на разума е възможно да се разбере в дълбочина сложният свят на клетките.

клетки

Схема на двата типа клетки в природата: еукариоти и прокариоти. Основните части са показани, показвайки разликите между тях (Източник: Не е предоставен машинно четим автор. Предполага се Mortadelo2005 (въз основа на претенции за авторски права). Via Wikimedia Commons)

Сред основните понятия, които трябва да се вземат предвид в панорамата, е схващането, че клетките са основните единици на живота, тоест, че те са „блоковете“, които позволяват изграждането на организми, които можем да наречем „живи“ и че всички те се отделят от извънклетъчната среда благодарение на наличието на мембрана.

Независимо от техния размер, форма или функция в определена тъкан, всички клетки изпълняват едни и същи основни функции, които характеризират живите същества: те растат, хранят се, взаимодействат с околната среда и се размножават.

ДНК

ДНК молекула. Източник: wikipedia.org

Въпреки че има еукариотни клетки и прокариотни клетки, които са коренно различни по отношение на тяхната цитозолна организация, каквато и клетка да има предвид, всички, без изключение, имат дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) вътре в тях, молекула, която съхранява " структурни, морфологични и функционални равнини ”на клетка.

Цитозол

Диаграма на животинска клетка и нейните части. Цитозолът е наречен в долната част. (Източник: Алехандро Порто чрез Wikimedia Commons)

Еукариотичните клетки имат специализирани органели в цитозола си за различни функции, които допринасят за жизнените им процеси. Тези органели осъществяват производството на енергия от хранителния материал, синтеза, опаковането и транспортирането на много клетъчни протеини, както и вноса и храносмилането на големи частици.

Цитоскелет

Клетките имат вътрешен цитоскелет, който поддържа форма, насочва движението и транспортирането на протеини и органелите, които ги използват, както и подпомага движението или изместването на цялата клетка.

Едноклетъчни и многоклетъчни организми

Има едноклетъчни и многоклетъчни организми (чийто брой клетки е силно променлив). Изследванията на клетъчната биология обикновено се фокусират върху „моделни“ организми, които са определени според типа клетка (прокариоти или еукариоти) и според вида на организма (бактерии, животни или растения).

Гените

Гените са част от информацията, кодирана в молекулите на ДНК, които присъстват във всички клетки на земята.

Те не само изпълняват функции при съхранението и транспортирането на информацията, необходима за определяне на последователността на протеин, но и изпълняват важни регулаторни и структурни функции.

Приложения за клетъчна биология

Има голям брой приложения за клетъчна биология в области като медицина, биотехнология и околна среда. Ето някои приложения:

Флуоресцентното оцветяване in situ и хибридизация (FISH) на хромозоми може да открие хромозомни транслокации в раковите клетки.

Технологията на микрорешетките от ДНК "чип" позволява да се знае контрола на генната експресия на дрождите по време на нейния растеж. Тази технология се използва за разбиране на експресията на човешки гени в различни тъкани и ракови клетки.

Антителата, белязани с флуоресценция, специфични срещу междинните нишки на филамента, позволяват да се знае тъканта, от която произхожда тумор. Тази информация помага на лекаря да избере най-подходящото лечение за борба с тумора.

Използване на зелен флуоресцентен протеин (GFP) за локализиране на клетките в тъканта. Използвайки рекомбинантна ДНК технология, GFP генът се въвежда в специфични клетки на пълноценно животно.

Последни изследователски примери в клетъчната биология

Избрани са два примера на статии, публикувани в списанието Nature Cell Biology Review. Това са следните:

Роля на епигенетичното наследяване при животни (Перес и Бен Ленер, 2019)

Открито е, че други молекули, в допълнение към последователността на генома, могат да прехвърлят информация между поколенията. Тази информация може да бъде променена от физиологичните и екологичните условия на предишните поколения.

По този начин в ДНК има информация, която не е свързана с последователността (ковалентни модификации на хистоните, метилиране на ДНК, малки РНК) и информация, независима от генома (микробиома).

При бозайниците недохранването или доброто хранене влияят на глюкозния метаболизъм на потомството. Бащините ефекти не винаги са опосредствани от гамети, но те биха могли да действат косвено чрез майката.

Бактериите могат да се наследят чрез майката през родилния канал или чрез кърмене. При мишките диета с ниско съдържание на фибри води до намаляване на таксономичното разнообразие на микробиома през поколенията. В крайна сметка настъпва изчезването на субпопулациите на микроорганизми.

Регулация на хроматина и терапия на рака (Valencia and Kadoch, 2019)

В момента са известни механизмите, които управляват структурата на хроматина и неговата роля при заболяването. В този процес от ключово значение е разработването на техники, които позволяват идентифициране на експресията на онкогенни гени и откриване на терапевтични цели.

Някои от използваните техники са имунопреципитация на хроматин, последвана от секвениране (ChIP-последователности), РНК секвениране (RNA-последователности), транскопазивен анализ на хроматин с използване на секвениране (ATAC-последователности).

В бъдеще използването на CRISPR - Cas9 технологията и РНК интерференцията ще играе роля в развитието на терапията за рак.

Препратки

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Съществена клетъчна биология. Garland Science.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Клетъчна биология: кратък курс. John Wiley & Sons.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). Клетката: Молекулен подход. Медицинска наклада.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Молекулярна клетъчна биология 4-то издание. Национален център за информация за биотехнологиите, рафт за книги.
5. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Биология (9-то изд.). Брукс / Коул, Cengage Learning: САЩ.