Учение о клетке

Учение о клетке

УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ

Глава1. ИЗУЧЕНИЕ КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Клетка — основная структурная и функциональная единица организма.

Долгое время биология изучала свойства животных и растений основе их

макроскопического строения (видимого невооруженным глазом). Глубже в

строение и функции организмов она проникла после открытия их клеточного

строения и изучения клетки как основной структурной и функциональной

единицы.

Размеры клеток обычно порядка нескольких микрометров 1 мкм - 0,001 мм);

самые мелкие—от 0,5 до 1,2 мкм, что делает недоступными для изучения

невооруженным глазом. Открытие исследование клетки тесно связано с

изобретением и усовершенствованием микроскопа.

В 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук с помощью микроскопа

впервые установил «клеточное строение» на случайно выбранном для наблюдения

растительном объекте — мертвой Щи, пробке. Он ввел понятие «клетка» для

обозначения наблюдения в пробке пустых ячеек, поэтому свойства живой

материи Гук ошибочно связывал с клеточной стенкой.

В последней трети XVII в. в работах голландского ученого А.. Левенгука были

описаны выдающиеся открытия, в частности клеточное строение животных, но

только в 30-е годы прошлого столетия было установлено, что клетки не полые

пузырьки, а заполнены полужидким содержимым — «протоплазмой». В 1831 г. Р.

Броун впервые описал ядро.

В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден пришел к заключению, что ядро

является обязательным компонентом всех растительных клеток. Его

соотечественник зоолог Т. Шванн, сопоставив клетки животных и растительных

организмов, сделал вывод, что все они сходны. Это дало основание М.

Шлейдену и Т. Шванну сформулировать основное положение клеточной теории:

все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по

строению.

В 1858 г. немецкий ученый Р. Вирхов внес в клеточную теорию важное

дополнение. Он доказал, что число клеток в организме увеличивается в

результате их деления, так как клетка происходит только от клетки.

Открытие клеточного строения у живых организмов Ф. Энгельс отнес к числу

трех важнейших открытий XIX столетия в области естествознания наряду с

законом сохранения энергии и эволюционным учением Ч. Дарвина. Хотя

клеточная теория не сразу получила всеобщее признание, тем не менее она

явилась мощным стимулом интенсивного изучения клетки. Появились новые

замечательные открытия. В 1877—1881 гг. Э. Руссов и И. Горожанкин впервые

наблюдали и описали цитоплазматические соединения между растительными

клетками — плазмодесмы. Позднее их формирование и структуру изучали

немецкие ботаники Э. Страсбургер и Ю. Сакс. Таким образом были доказаны

взаимосвязь клеток в тканях и органах и, следовательно, материальная основа

целостности организма.

Целая эпоха в развитии наших знаний о внутриклеточной структуре и

физиологии клетки связана с открытием и изучением деления ядер —

кариокинеза — и деления клеток - цитокинеза (работы П. Чистякова, Э.

Страсбургера, Л. Гиньяра и др.).

Развитие наших знаний о клеточном строении основывалось на данных

светового микроскопирования. Но разрешающая способность светового

микроскопа ограничена. С помощью светового микроскопа нельзя рассматривать

ультраструктуры клетки, измеряемые нанометрами (1 нм - 0,001 мкм). С

открытием же электронного микроскопа, который позволяет увеличивать тонкие

структуры клетки в 100 000 раз и больше, возможности изучения клетки резко

возросли.

Современные методы исследования позволяют учитывать взаимосвязь структуры

и функции, т.е. изучать клетки в единстве с физиологией. Так, один из

биохимических методов — хроматография — позволяет установить не только

качественные, но и количественные соотношения внутриклеточных компонентов;

метод фракционного центрифугирования — изучить отдельные компоненты клетки

— ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы и др.

Современная клеточная теория включает следующие положения: клетка —

основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая

единица живого; клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов

сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям

жизнедеятельности и обмену веществ; размножаются клетки путем деления,

каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской)

клетки; в многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой

ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы.

Значение клеточной теории заключается в том, что она доказывает единство

происхождения всех живых организмов на Земле.

Глава 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

Сходство химического состава клеток всех организмов служит

доказательством единства живой природы. Вместе с тем нет ни одного

химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы

найден в телах неживой природы. Это подтверждает мнение о единстве

материи.

Элементы, входящие в состав клетки, %

| |

|Кислород — |Магний — 0,02—0,03 |Цинк - |

|65—75 | |0,0003 |

|Углерод — 15—18|Натрий — 0,02—0,03 |Медь — |

| | |0,0002 |

|Водород — 8—10 |Кальций — 0,04—2,00|Йод — 0,0001|

| | | |

|Азот— 1,5—3,0 |Железо — 0,01—0,015|Фтор — |

| | |0,0001 |

| |Калий—0,15—0,40 | |

| |Сера — 0,15—0,20 | |

| |Фосфор — 0,20—1,00 | |

| |Хлор — 0,05—0,10 | |

В приведенном перечне кислород, углерод, водород и азот — группа

элементов, которыми живые существа богаче всего. Вторая группа объединяет 8

элементов, представленных десятыми и сотыми долями процента. Их общая масса

— около 1,9 %. В третью группу входят такие элементы, которых в живой

клетке очень мало,— микроэлементы, но и они совершенно необходимы для ее

нормального функционирования. В живых организмах все эти элементы входят в

состав неорганических и органических соединений, которые и образуют живую

материю. В основном клетки живых существ построены из органических веществ.

В состав клеток входят и неорганические соединения. За исключением воды,

они составляют незначительную долю по сравнению, с содержанием органических

веществ.

В то время как неорганические соединения существуют и в неживой природе,

органические соединения характерны только для живых организмов. В этом

существенное различие между живой и неживой природой.

Соотношение в клетке воды, органических и неорганических

веществ, %

|Вода... 70—85 | |1—2 |

|Белки...10—20 |АТФ и другие |0,1—0,5 |

| |низкомолекулярн| |

| |ые органические| |

| |вещества | |

|Жиры... 1—5 |Неорганические |1—1,5 |

| |вещества (кроме| |

| |воды) | |

|Углеводы...0,2—| | |

|2,0 | | |

Неорганические вещества. Большое значение в жизнедеятельности клетки

имеет вода. Прежде всего она является растворителем, а все обменные

процессы могут протекать лишь в растворах. Вода играет важную роль во

многих реакциях, происходящих в организме, например в реакциях гидролиза,

при которых высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры,

углеводы) расщепляются благодаря присоединению к ним воды. С помощью воды

обеспечивается перенос необходимых веществ от одной части организма к

другой. Чем выше биохимическая активность клетки или ткани, тем выше

содержание в них воды. Велика ее роль и в теплорегуляции клетки и организма

в целом. Другие неорганические вещества — соли — находятся в организмах в

виде анионов и катионов в растворах и в виде соединений с органическими

веществами. Важное функциональное значение для нормальной жизнедеятельности

клетки имеют катионы К+, Na+, Ca2+, Ms2+ и анионы НР042-, H2PO4-, НСОз-, СI-

.

В соединении с органическими веществами особое значение имеют сера,

входящая в состав многих белков, фосфор как обязательный компонент

нуклеотидов ДНК и РНК, железо, находящееся в составе белка крови

гемоглобина, и магний, содержащийся в молекуле хлорофилла. Кроме того,

фосфор в форме нерастворимого фосфорнокислого кальция составляет основу

костного скелета позвоночных и раковин моллюсков.

Органические вещества. В составе клетки они представлены белками,

углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и

аденозинтрифосфатом (АТФ).

Белки. Это основная составная часть любой живой клетки. На их долю

приходится 50—80 % сухой массы клетки. Химический состав белков чрезвычайно

разнообразен, и в то же время все они построены по одному принципу.

Белок—это полимер, молекула которого состоит из многих мономеров — молекул

аминокислот. Всего известно-20 различных аминокислот, входящих в состав

белков. Каждая из них имеет карбоксильную группу (СООН), аминогруппу (NH2)

и радикал, которым одна аминокислота отличается от другой. В молекуле белка

аминокислоты химически соединены

прочной пептидной связью (—CO—NH—), в которой углерод карбоксильной группы

одной аминокислоты соединяется с азотом аминогруппы последующей

аминокислоты. При этом выделяется молекула воды. Соединение, состоящее из

двух или большего числа аминокислотных остатков, называется полипептидом.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяет первичную

структуру молекулы белка.

В молекуле того или иного белка одни аминокислоты могут многократно

повторяться, а другие совсем отсутствовать. Общее число аминокислот,

составляющих одну молекулу белка, иногда достигает нескольких сотен тысяч.

В результате молекула белка представляет собой макромолекулу, т.е. молекулу

с очень большой молекулярной массой.

Химические и физиологические свойства белков определяются не только тем,

какие аминокислоты входят в их состав, но и тем, какое место в длинной

цепочке белковой молекулы занимает каждая из аминокислот. Так достигается

огромное разнообразие первичной структуры белковой молекулы. В живой клетке

белки имеют еще вторичную и третичную структуру. Вторичная структура

белковой молекулы достигается ее спирализацией; длинная цепочка соединенных

между собой аминокислот закручивается в спираль, между изгибами которой

возникают более слабые водородные связи. Третичная структура определяется

тем, что спирализованная молекула белка еще многократно и закономерно

сворачивается, образуя компактный шарик, в котором звенья спирали

соединяются еще более слабыми бисульфидными связями (-S—S—). Кроме того, в

живой клетке могут быть и более сложные формы — четвертичная структура,

когда несколько молекул белка объединяются в агрегаты постоянного состава

(например, гемоглобин).

Белки выполняют в клетке разнообразные функции. Функциональной

активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в

большинстве случаев только переход белков третичной организации в

четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.

Ферментативная функция. Все биологические реакции в клетке протекают

при участии особых биологических катализаторов — ферментов, а любой фермент

— белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только

направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч

раз. Каждый из ферментов строго специфичен. Так, распад крахмала и

превращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый

сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д. Многие ферменты давно уже

применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и

др.). промышленности.

Структурная функция. Белки входят в состав всех мембран, окружающих и

пронизывающих клетку, и органелл. В соединении с ДНК белок составляет тело

хромосом, а в соединении с РНК — тело рибосом. Растворы низкомолекулярных

белков входят в состав жидких фракций клеток.

Транспортная функция. Именно с белками связан перенос кислорода, а также

гормонов в теле животных и человека (его осуществляет белок крови —

гемоглобин).

Двигательная функция. Все виды двигательных реакций клетки выполняются

особыми сократительными белками, которые обусловливают сокращение

мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение

хромосом при делении клетки, движение растений.

Защитная функция. Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий

организм от вредных воздействий, например роговые образования — волосы,

ногти, копыта, рога. Это механическая защита.

В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антигенов) в клетках

крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые

обезвреживают их, предохраняя организм от повреждающего действия. Это

иммунологическая защита.

Энергетическая функция. Белки могут служить источником энергии.

Расщепляясь до конечных продуктов распада — диоксида углерода, воды и

азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих

жизненных процессов в клетке.

Углеводы. Это необходимый компонент любой клетки. В растительных клетках

их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод,

водород и кислород. К простейшим углеводам относятся простые сахара

(модосахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов

углерода и столько же молекул воды. Примерами моносахаридов могут служить

глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений. Кроме растений

глюкоза входит также в состав крови.

Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых углеводов. Из двух

моносахаридов образуется дисахарид. Пищевой сахар (сахавоза), например,

состоит из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы. Значительно большее число

молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал,

гликоген, клетчатка (целлюлоза). В молекуле клетчатки, например, от 300 до

3000 молекул глюкозы.

Углеводы — своеобразное «топливо» для живой клетки;

окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расходуется клеткой

на процессы жизнедеятельности. Углеводы выполняют и важные строительные

функции, например у растений из них образуются стенки клеток.

Жиры и липоиды. В качестве обязательного компонента содержатся в любой

клетке. Жиры представляют собой соединение глицерина с различными жирными

кислотами, липоиды — эфиры жирных кислот и спиртов, но не глицерина. Именно

этим кислотам липоиды обязаны своим важным биологическим свойством — не

растворяться в воде. Этим же определяется и их роль в биологических

мембранах клетки. Средний, липидный, слой мембран препятствует свободному

перемещению воды из клетки в клетку. Жиры используются клеткой как источник

энергии. Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль.

[pic]

У животных, особенно у водных млекопитающих. У животных, впадающих

[pic]

зимой в спячку жиры обеспечивают организм необходимой энергией. Они

составляют запас питательных веществ в сменах и плодах растений.

Нуклеиновые кислоты. Впервые были обнаружены в ядрах клеток. Существует два

типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонук-леиновые (ДНК) и рибонуклеиновые

(РНК), ДНК образуется и содержится преимущественно в ядре клетки,

Рис. 1. Модель двойной спирали молекулы ДНК. А — участок двуспиральной

молекулы ДНК; Б — схема участка деспирализованных цепей. Ясно видна

комплементарность оснований, водородные связи между ними показаны точками

РНК, возникая в ядре, выполняет свои функции в цитоплазме и ядре.

Молекула ДНК — очень длинная двойная цепочка, спирально закрученная

вокруг своей продольной оси (рис. 1). Длина ее во многие сотни раз

превышает длину цепочки белковой молекулы. Каждая одинарная цепочка

представляет собой полимер и состоит из отдельных соединенных между собой

мономеров — нуклеотидов.

В состав любого нуклеотида входят два постоянных химических компонента

(фосфорная кислота и углевод дезоксирибоза) и один переменный, который

может быть представлен одним из четырех азотистых оснований: аденином,

гуанином, тимином или цитозином. Поэтому в молекулах ДНК всего четыре

разных нуклеотида. Разнообразие же молекул ДНК огромно и достигается

благодаря различной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК.

Две цепи ДНК соединены в одну молекулу азотистыми основаниями. При этом

аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. В связи с этим

последовательность нуклеотидов в одной цепочке жестко определяет

последовательность в другой цепочке. Строгое соответствие нуклеотидов друг

другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарности

(рис. 1). Это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе

исходной молекулы.

Редупликация сводится к тому, что под действием специального фермента

исходная двойная цепочка молекулы ДНК постепенно распадается на две

одинарные — и тут же к каждой из них по принципу химического сродства

(аденин к тимину, гуанин к цитозину) присоединяются свободные нуклеотиды.

Страницы: 1, 2, 3