Учение о клетке
Глава1. ИЗУЧЕНИЕ КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
Клетка тАФ 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 мелкиетАФот 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 Влклеточное строениеВ» на случайно выбранном для наблюдения растительном объекте тАФ мертвой Щи, пробке. Он ввел понятие ВлклеткаВ» 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 заВнполнены полужидким содержимым тАФ ВлпротоплазмойВ». 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 сфорВнмулировать основное положение клеточной теории: все растительВнные 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 эвоВнлюционным учением Ч. Дарвина. Хотя клеточная теория не сразу получила всеобщее признание, тем не менее она явилась мощным стимулом интенсивного изучения клетки. Появились новые замеВнчательные открытия. В 1877тАФ1881 гг. Э. Руссов и И. Горожанкин впервые наблюдали и описали цитоплазматические соединения между растительными клетками тАФ плазмодесмы. Позднее их формирование и структуру изучали немецкие ботаники Э. СтрасВнбургер и Ю. Сакс. Таким образом были доказаны взаимосвязь клеВнток 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 тАФ кариокинеза тАФ 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 способВнность светового микроскопа ограничена. С помощью светового микроскопа нельзя рассматривать ультраструктуры клетки, измеВнряемые нанометрами (1нм - 0,001 мкм). С открытием же элекВнтронного 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 тАФ хроматография тАФ позволяет установить не только качественные, но и количественные соотношения внутриклеточных компонентов; метод фракционного центрифугирования тАФ изучить отдельные компоненВнты клетки тАФ ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы и др.
Современная клеточная теория включает следующие полоВнжения: клетка тАФ 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 жизнедеВнятельности 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 тАФ 65тАФ75 | Магний тАФ 0,02тАФ0,03 | Цинк - 0,0003 |
| Углерод тАФ 15тАФ18 | Натрий тАФ 0,02тАФ0,03 | Медь тАФ 0,0002 |
| Водород тАФ 8тАФ10 | Кальций тАФ 0,04тАФ2,00 | Йод тАФ 0,0001 |
| АзоттАФ 1,5тАФ3,0 | Железо тАФ 0,01тАФ0,015 | Фтор тАФ 0,0001 |
| КалийтАФ0,15тАФ0,40 | |
| Сера тАФ 0,15тАФ0,20 | |
| Фосфор тАФ 0,20тАФ1,00 | |
| Хлор тАФ 0,05тАФ0,10 | |
В приведенном перечне кислород, углерод, водород и азот тАФ группа элементов, которыми живые существа богаче всего. Вторая группа объединяет 8 элементов, представленных десятыми и сотыми долями процента. Их общая масса тАФ около 1,9 %. В третью группу входят такие элементы, которых в живой клетке очень мало,тАФ микроэлементы, но и они совершенно необходимы для ее нормальВнного функционирования. В живых организмах все эти элементы входят в состав неорганических и органических соединений, котоВнрые и образуют живую материю. В основном клетки живых существ построены из органических веществ.
В состав клеток входят и неорганические соединения. За исклюВнчением 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.. 70тАФ85 | | 1тАФ2 |
| Белки..10тАФ20 | АТФ и другие низкомолеВнкулярные органические вещества | 0,1тАФ0,5 |
| Жиры.. 1тАФ5 | Неорганические вещестВнва (кроме воды) | 1тАФ1,5 |
| Углеводы..0,2тАФ2,0 | | |
Неорганические вещества. Большое значение в жизнедеятельВнности 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 высокоВнмолекулярные органические вещества (белки, жиры, углеводы) расВнщепляются 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 неорВнганические вещества тАФ соли тАФ 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 имеВнют сера, входящая в состав многих белков, фосфор как обязательВнный компонент нуклеотидов ДНК и РНК, железо, находящееся в составе белка крови гемоглобина, и магний, содержащийся в моВнлекуле хлорофилла. Кроме того, фосфор в форме нерастворимого фосфорнокислого кальция составляет основу костного скелета позВнвоночных 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. Наих долю приходится 50тАФ80 % сухой массы клетки. Химический состав белков чрезвычайно разнообразен, и в то же время все они построены по одному принципу. БелоктАФэто полимер, молекула которого состоит из многих мономеров тАФ молекул аминокислот. Всего известно-20 различных аминокислот, входящих в состав белВнков. Каждая из них имеет карбоксильную группу (СООН), аминоВнгруппу (NH2) и радикал, которым одна аминокислота отличается от другой. В молекуле белка аминокислоты химически соединены
прочной пептидной связью (тАФCOтАФNHтАФ), 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 вих 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 струкВнтура 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 (-SтАФSтАФ). Кроме того, в живой клетке могут быть и более сложные формы тАФ 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 тАФ ферментов, а любой фермент тАФ 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 превВнращение 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 тАФ 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 осуВнществляет белок крови тАФ гемоглобин).
Двигательная функция. Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками, которые обусВнловливают 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 рогоВнвые образования тАФ волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита.
В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антигеВннов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживаютих, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.
Энергетическая функция. Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада тАФ 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 проВнстейшим 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 расВнтений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.
Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых угВнлеводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид. Пищевой сахар (сахавоза), например, состоит из молекулы глюкозы и моВнлекулы фруктозы. Значительно большее число молекул простых угВнлеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза). В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.
Углеводы тАФ своеобразное ВлтопливоВ» для живой клетки;
окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расВнходуется клеткой на процессы жизнедеятельности. Углеводы выполВнняют 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 тАФ эфиры жирных кислот и спиртов, но не глицерина. Именно этим кислотам липоиды обязаны своим важным биологическим свойством тАФ не растворяться в воде. Этим же определяется и их роль в биологических мембранах клетки. Средний, липидный, слой мемВнбран препятствует свободному перемещению воды из клетки в клетВнку. Жиры используются клеткой как источник энергии. Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль.
Вместе с этим смотрят:
G-белки и их функция
Австралопитеки - обезьянолюди или человекообезьяны?
Адаптация микроорганизмов в экстремальных условиях космоса
Адвентивна флора Чернiгiвськоi областi: iсторiя формування та сучасний стан
Адсорбция ионных и неионных поверхностно-активных веществ (ПАВ)