Клетка человека строение и функции кратко. Клеточные структуры и их функции

Лекция: Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки - основа её целостности

Клетка является сложной многокомпонентной открытой системой, что значит – она имеет постоянную связь с внешней средой путем обмена энергии и веществ.

Органоиды клеток

Плазматическая мембрана - это двойной слой из фосфолипидов, пронизанный молекулами протеинов. На наружном слое располагаются гликолипиды и гликопротеины. Проницаема избирательно для жидкостей. Функции - защитная, а также связь и взаимодействие клеток меж собой.

Ядро. Функционально – хранит ДНК. Ограничено двойной пористой мембраной, связанной через ЭПС с наружной мембраной клетки. Внутри ядра находится ядерный сок и располагаются хромосомы.

Цитоплазма. Представляет собой гелеобразное полужидкое внутреннее содержимое клетки. Функционально – обеспечивает связь органоидов между собой, является средой их существования.

Ядрышко. Это – собранные вместе части рибосом. Округлое, очень мелкое тело, расположенное недалеко от ядра. Функция – синтез рРНК.

Митохондрии. Двумембранный органоид. Внутренняя мембрана собрана в складки, называемые кристами, на них располагаются ферменты, участвующие в реакциях окислительного фосфорилирования, то есть синтеза АТФ, что и является основной функцией.

Рибосомы. Состоят из большей и меньшей субъединиц, не имеют мембран. Функционально – участвуют в сборке белковых молекул.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПС) . Одномембранная структура во всем объеме цитоплазмы, состоящая из полостей сложной геометрии. На гранулярной ЭПС расположены рибосомы, на гладкой – ферменты для синтеза жиров.

Аппарат Гольджи. Это уплощенные цистернообразные полости мембранной структуры. От них могут отделяться пузырьки с необходимыми для метаболизма веществами. Функции – накопление, преобразование, сортировка липидов и белков, образование лизосом.

Клеточный центр. Это область цитоплазмы, в которой содержатся центриоли – микротрубочки. Их функция – правильное распределение генетического материала при митозе, образование митотического веретена.

Лизосомы. Одномембранные пузырьки с ферментами, участвующие в переваривании макромолекул. Функционально – растворяют крупные молекулы, уничтожают старые структуры в клетке.

Клеточная стенка. Представляет собой плотную оболочку из целлюлозы, осуществляет скелетную функцию у растений.

Пластиды. Мембранные органоиды. Существует 3 вида – хлоропласты, где совершается фотосинтез, хромопласты, содержащие красящие вещества, и лейкопласты, являющиеся хранилищами крахмала.

Вакуоли. Пузырьки, которые в растительных клетках могут занимать до 90% объема клетки и содержать питательные вещества. У животных – вакуоли пищеварительные, сложной структуры, небольшого размера. Отвечают также за выделение ненужных веществ во внешнюю среду.

Микрофиламенты (микротрубочки). Белковые немембранные структуры, отвечающие за движение органоидов и цитоплазмы внутри клетки, появление жгутиков.

Компоненты клетки являются взаимосвязанными пространственно, химически и физически и находятся в постоянном взаимодействии между собой.

Цитология - наука о клетке. Наука о клетке называется цитологией (греч. "цитос"-клетка, "логос"-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией, физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина "клетка" насчитывает свыше 300 лет. Впервые название "клетка" в середине XVII в. применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.

Клетка – элементарная единица всего живого, поэтому ей присущи свойства живых организмов: высокоупорядоченное строение, обмен веществ, раздражимость, рост, развитие, размножение, регенерация и другие свойства.

Снаружи клетка покрыта клеточной мембраной, отделяющей клетку от внешней среды. Она выполняет следующие функции: защитную, разграничительную, рецепторную (восприятие сигналов внешней среды), транспортную.

Цитоплазма образует ряд специфических структур. Это межклеточные соединения, микроворсинки, реснички, клеточные отростки. Межклеточные соединения (контакты) подразделяются на простые и сложные. При простом соединении цитоплазмы соседних клеток формируют выросты, которые соединяют клетки. Между цитоплазмами всегда сохраняется межклеточная щель. При сложных соединениях клетки соединяются с помощью волокон, а расстояния между клетками почти нет. Микроворсинки – это лишенные органоидов пальцевидные выросты клетки. Реснички и жгутики выполняют функцию движения.

Митохондрии содержат вещества, богатые энергией, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразования энергии в форму, доступную для использования клеткой. Количество, размеры и расположение митохондрий зависит от функции клетки, ее потребности в энергии. Митохондрии содержат собственную ДНК. Около 2% ДНК клетки содержится в митохондриях. В рибосомах образуются клеточные белки. Рибосомы участвуют в синтезе белка, присутствуют во всех клетках человека, за исключением зрелых эритроцитов. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме. Они синтезируют белок, необходимый для жизнедеятельности самой клетки. Синтез белка связан с процессом транскрипции – переписывания информации, хранящейся в ДНК.

Ядро – важнейший органоид клетки: в нем содержится особое вещество хроматин, из которого перед делением клетки образуются нитевидные хромосомы – носители наследственных признаков и свойств человека. В состав хроматина входят ДНК и небольшое количество РНК. В делящемся ядре хроматин спирализуется, в результате чего становятся видимыми хромосомы. Ядрышко (одно или несколько) – плотное округлое тельце, размеры которого тем больше, чем интенсивнее протекает белковый синтез. В ядрышке образуются рибосомы.

Клетка любого организма представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).

Биофизические процессы в клетках обеспечивают реализацию механизмов нервной регуляции, регуляцию физико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, рН), создание электрических зарядов клеток, возникновение и распространение возбуждения, выделение секретов (гормонов, ферментов и других биологически активных веществ), реализацию действия фармакологических препаратов. Данные процессы возможны благодаря функционированию транспортной системы . С переносом веществ через мембраны также связаны процессы метаболизма клетки, в том числе биоэнергетические и многие другие. Фармакологическое действие практически любого лекарственного препарата также обусловлено его проникновением через клеточные мембраны, а эффективность в значительной степени зависит от ее проницаемости.

Функции клеток

Тело человека имеет клеточное строение. Клетки находятся в межклеточном веществе, которое обеспечивает им механическую прочность, питание и дыхание. Клетки разнообразны по размерам, форме, функциям. Изучением строения и функций клеток занимается цитология (греч. "цитос" - клетка).

Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоев молекул, обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. Пространство между мембранами соседних клеток заполнено жидким межклеточным веществом. Главная функция мембраны: осуществляется обмен веществ между клеткой и межклеточным веществом.

Цитоплазма - вязкое полужидкое вещество. Цитоплазма содержит ряд мельчайших структур клетки - органоидов, которые выполняют различные функции: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр, ядро.

Эндоплазматическая сеть - система канальцев и полостей, пронизывающая всю цитоплазму. Основная функция - участие в синтезе, накопление и передвижение основных органических веществ, вырабатываемых клеткой, синтез белка.

Рибосомы - плотные тельца, содержащие белок и рибо-нуклеиновую - (РНК) кислоту. Они являются местом синтеза белка. Комплекс Гольджиограниченные мембранами полости с отходящими от них трубочками и расположенными на их концах пузырьками. Основная функция - накопление органических веществ, образование лизосом.

Клеточный центр образован двумя тельцами, которые участвуют в делении клетки. Эти тельца расположены возле ядра.

Ядро - важнейшая структура клетки. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко, нуклеиновые кислоты, белки, жиры, углеводы, хромосомы. В хромосомах заключена наследственная информация. Для клеток характерно постоянное количество хромосом. В клетках тела человека содержится по 46 хромосом, а в половых клетках - по 23.

Лизосомы - округлые тельца с комплексом ферментов внутри. Их основная функция - переваривание пищевых частиц и удаление отмерших органоидов.

В состав клеток входят неорганические и органические соединения.

Неорганические вещества - вода и соли. Вода составляет до 80% массы клетки. Она растворяет вещества, участвующие в химических реакциях: переносит питательные вещества, выводит из клетки отработанные и вредные соединения.

Минеральные соли - хлорид натрия, хлорид калия и др., играют важную роль в распределении воды между клетками и межклеточным веществом. Отдельные химические элементы: кислород, водород, азот, сера, железо, магний, цинк, йод, фосфор участвуют в создании жизненно важных органических соединений.

Органические соединения образуют до 20-30% массы каждой клетки. Среди них наибольшее значение имеют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Белки - основные и самые сложные из встречающихся в природе органических веществ. Молекула белка имеет большие размеры, состоит из аминокислот. Белки служат строительным материалом клетки. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Белки-ферменты являются ускорителями течения химических реакций. Только в одной клетке насчитывается до 1000 разных белков. Состоят из углерода, водорода, азота, кислорода, серы, фосфора.

Углеводы - состоят из углерода, водорода, кислорода. К углеводам относятся глюкоза, животный крахмал гликоген. При распаде 1 г освобождается 17,2 кДж энергии.

Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Входят они в состав клеточных мембран, служат запасным источником энергии в организме. При расщеплении 1 г жира освобождается 39,1 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты бывают двух типов - ДНК и РНК.

ДНК находится в ядре, входит в состав хромосом, определяет состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству. Функции РНК связаны с образованием характерных для этой клетки белков.

Основное жизненное свойство клетки - обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада.

Вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза.

Биосинтез - это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. Большинство реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. В результате обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества образуются, а другие разрушаются.

Свойство живых клеток, тканей, целого организма реагировать на внешние или внутренние воздействия - раздражители называется раздражимостью. В ответ на химические и физические раздражения в клетках возникают специфические изменения их жизнедеятельности.

Клеткам свойственны рост и размножение. Каждая из образовавшихся дочерних клеток растет и достигает размеров материнской. Новые клетки выполняют функцию материнской клетки. Продолжительность жизни клеток различна: от нескольких часов до десятков лет.

Живая клетка обладает рядом жизненных свойств: обменом веществ, раздражимостью, ростом и размножением, подвижностью, на основе которых осуществляются функции целого организма.

Оболочка клеток.

Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя. У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.

Наружный слой поверхности клеток животных в отличие от клеточных стенок растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слой животных клеток получил название гликокаликс.

Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клетки животных не выполняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкам растений. Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток.

Плазматическая мембрана.

Под гликокаликсом и клеточной стенкой растений расположена плазматическая мембрана (лат. "мембрана"-кожица, пленка), граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.

В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядочено расположены и соединены друг с другом химическими взаимодействиями. По современным представлениям молекулы липидов в плазматической мембране расположены в два ряда и образуют сплошной слой. Молекулы белков не образуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в него на разную глубину.

Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспечивает динамичность плазматической мембраны.

Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых завидят жизнедеятельность клеток. Одна из таких функций заключается в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Но между клетками и внешней средой постоянно происходит обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся продукты, образованные в клетке. Транспорт веществодна из главных функций плазматической мембраны. Через плазматическую мембрану из клети выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке. К числу их относятся разнообразные белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду в форме мелких капель.

Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани (эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность.

Соединение клеток растений обеспечивается путем образования тонких каналов, которые заполнены цитоплазмой и ограничены плазматической мембраной. По таким каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной клетки в другую поступают питательные вещества, ионы, углеводы и другие соединения.

На поверхности многих клеток животных, например различных эпителиев, находятся очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытые плазматической мембраной, - микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинок находится на поверхности клеток кишечника, где происходит интенсивное переваривание и всасывание переваренной пищи.

Фагоцитоз.

Крупные молекулы органических веществ, например белков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путем фагоцита (греч. "фагео" - пожирать). В фагоците непосредственное участие принимает плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в "мембранной упаковке" погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль и в ней перевариваются поступившие в клетку органические вещества.

Цитоплазма.

Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток. В цитоплазму эукариотических клеток располагаются ядро и различные органоиды. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В ней сосредоточены и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.

Эндоплазматическая сеть.

Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети.

Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей поверхности.

Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. Основная функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах.

На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются н каналах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений. Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки.

Рибосомы.

Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой.

В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка. Синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляютя. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.

Митохондрии.

В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. "митос" - нить, "хондрион" - зерно, гранула).

Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп, с помощью которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитать количество. Внутреннее строение митохондрий изучено с помощью электронного микроскопа. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами (лат. "криста" - гребень, вырост) Число крист неодинаково в митохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причем особенно много крист в митохондриях активно функционирующих клеток, например мышечных.

Митохондрии называют "силовыми станциями" клеток" так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота синтезируется в митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма.

Новые митохондрии образуются делением уже существующих в клетке митохондрий.

Пластиды.

В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типа пластид: зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты.

Хлоропласт.

Эти органоиды содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. У высших растений в одной клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов. Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Xлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т. е. образование органических веществ (углеводов) из неорганических (СО2 и Н2О) при использовании энергии солнечного света.

По строению хлоропласты сходны с митохондриями. От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует много складчатых выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласта сосредоточено большое количество мембран, образующих особые структуры - граны. Они сложены наподобие стопки монет.

В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здесь происходит фотосинтез. В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутренними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК. и рибосомы. Следовательно, в хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтез белка, необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаются делением.

Хромопласты находятся в цитоплазме клеток разных частей растений: в цветках, плодах, стеблях, листьях. Присутствием хромопластов объясняется желтая, оранжевая и красная окраска венчиков цветков, плодов, осенних листьев.

Лейкопласты.

Они находятся в цитоплазме клеток неокрашенных частей растений, например в стеблях, корнях, клубнях. Форма лейкопластов разнообразна.

Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны клетка взаимному переходу. Так при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хлоропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля.

Аппарат Гольджи.

Во многих клетках животных, например в нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клетках растений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клетках растительных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы.

В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10); крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс.

Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. По каналам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтетической деятельности клетки - белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму и либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо выводятся из нее и используются в организме. Например, в клетках поджелудочной железы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которые накапливаются в полостях органоида. Затем образуются пузырьки, наполненные ферментами. Они выводятся из клеток в проток поджелудочной железы, откуда перетекают в полость кишечника. Еще одна важная функция этого органоида заключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов (полисахаридов), которые используются в клетке и которые входят в состав мембран. Благодаря деятельности аппарата Гольджи происходят обновление и рост плазматической мембраны.

Лизосомы.

Представляют собой небольшие округлые тельца. От Цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, сливаются с ней, и образуется одна пищеварительная вакуоль, внутри которой находится пищевая частица, окруженная ферментами лизосом. Вещества, образовавшиеся в результате переваривания пищевой частицы, поступают в цитоплазму и используются клеткой.

Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов. Образование новых лизосом происходит в клетке постоянно. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие другие белки синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты поступают по каналам эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются лизосомы. В таком виде лизосомы поступают в цитоплазму.

Клеточный центр.

В клетках животных вблизи ядра находится органоид, который называют клеточным центром. Основную часть клеточного центра составляют два маленьких тельца - центриоли, расположенные в небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм. Центриоли играют важную роль при делении клетки; они участвуют в образовании веретена деления.

Клеточные включения.

К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и белки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Ядро.

Каждая клетка одноклеточных и многоклеточных животных, а также растений содержит ядро. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клеток. В большинстве клеток имеется одно ядро, и такие клетки называют одноядерными. Существуют также клетки с двумя, тремя, с несколькими десятками и даже сотнями ядер. Это - многоядерные клетки.

Ядерный сок - полужидкое вещество , которое находится под ядерной оболочкой и представляет внутреннюю среду ядра.

Клетка является основной элементарной единицей всего живого, поэтому ей присущи все свойства живых организмов: высокоупорядоченное строение, получение энергии извне и ее использование для выполнения работы и поддержания упорядоченности, обмен веществ, активная реакция на раздражения, рост, развитие, размножение, удвоение и передача биологической информации потомкам, регенерация (восстановление поврежденных структур), адаптация к окружающей среде.

Немецкий ученый Т. Шванн в середине XIX века создал клеточную теорию, основные положения которой свидетельствовали о том, что все ткани и органы состоят из клеток; клетки растений и животных принципиально сходны между собой, все они возникают одинаково; деятельность организмов - сумма жизнедеятельности отдельных клеток. Большое влияние на дальнейшее развитие клеточной теории и вообще на учение о клетке оказал великий немецкий ученый Р. Вирхов. Он не только свел воедино все многочисленные разрозненные факты, но и убедительно показал, что клетки являются постоянной структурой и возникают только путем размножения.

Клеточная теория в современной интерпретации включает в себя следующие главные положения: клетка является универсальной элементарной единицей живого; клетки всех организмов принципиально сходны по своему строению, функции и химическому составу; клетки размножаются только путем деления исходной клетки; многоклеточные организмы являются сложными клеточными ансамблями, образующими целостные системы.

Благодаря современным методам исследования были выявлены два основных типа клеток : более сложно организованные, высокодифференцированные эукариотические клетки (растения, животные и некоторые простейшие, водоросли, грибы и лишайники) и менее сложно организованные прокариотические клетки (сине-зеленые водоросли, актиномицеты, бактерии, спирохеты, микоплазмы, риккетсии, хламидии).

В отличие от прокариотической эукариотическая клетка имеет ядро, ограниченное двойной ядерной мембраной, и большое количество мембранных органелл.

ВНИМАНИЕ!

Клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов, осуществляющей рост, развитие, обмен веществ и энергии, хранящей, перерабатывающей и реализующей генетическую информацию. С точки зрения морфологии клетка представляет собой сложную систему биополимеров, отделенную от внешней среды плазматической мембраной (плазмолеммой) и состоящую из ядра и цитоплазмы, в которой располагаются органеллы и включения (гранулы).

Какие бывают клетки?

Клетки разнообразны по своей форме, строению, химическому составу и характеру обмена веществ.

Все клетки гомологичны, т.е. имеют ряд общих структурных признаков, от которых зависит выполнение основных функций. Клеткам присуще единство строения, метаболизма (обмена веществ) и химического состава.

Вместе с тем различные клетки имеют и специфические структуры. Это связано с выполнением ими специальных функций.

Строение клетки

Ультрамикроскопическое строение клетки:

1 - цитолемма (плазматическая мембрана); 2 - пиноцитозные пузырьки; 3 - центросома клеточный центр (цитоцентр); 4 - гиалоплазма; 5 - эндоплазматическая сеть: а - мембрана зернистой сети; б - рибосомы; 6 - связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 - ядро; 8 - ядерные поры; 9 - незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 - ядрышко; 11 - внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 - секреторные вакуоли; 13 - митохондрия; 14 - липосомы; 15 - три последовательные стадии фагоцитоза; 16 - связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети.

Химический состав клетки

В состав клетки входит более 100 химических элементов, на долю четырех из них приходится около 98% массы, это органогены: кислород (65–75%), углерод (15–18%), водород (8–10%) и азот (1,5–3,0%). Остальные элементы подразделяются на три группы: макроэлементы - их содержание в организме превышает 0,01%); микроэлементы (0,00001–0,01%) и ультрамикроэлементы (менее 0,00001).

К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций.

К микроэлемен-там - железо, цинк, медь, йод, фтор, алюминий, медь, марганец, кобальт и др.

К ультрамикроэлементам - селен, ванадий, кремний, никель, литий, серебро и до. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы и ультрамикроэлементы играют очень важную роль. Они влияют, главным образом, на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма как целого.

Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических наибольшее количество воды. Относительное количество воды в клетке составляет от 70 до 80%. Вода - универсальный растворитель, в ней происходит все биохимические реакции в клетке. При участии воды осуществляется теплорегуляция. Вещества, растворяющиеся в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные) не растворяются в воде. Другие неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5%.

Среди органических веществ преобладают белки (10–20%), жиры, или липиды (1–5%), углеводы (0,2–2,0%), нуклеиновые кислоты (1–2%). Содержание низкомолекулярных веществ не превышает 0,5%.

Молекула белка является полимером, который состоит из большого количества повторяющихся единиц мономеров. Мономеры белка аминокислоты (их 20) соединены между собой пептидными связями, образуя полипептидную цепь (первичную структуру белка). Она закручивается в спираль, образуя, в свою очередь, вторичную структуру белка. Благодаря определенной пространственной ориентации полипептидной цепи возникает третичная структура белка, которая определяет специфичность и биологическую активность молекулы белка. Несколько третичных структур, объединяясь между собой, образуют четвертичную структуру.

Белки выполняют важнейшие функции. Ферменты - биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч миллионы раз, являются белками. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Движения клеток также осуществляют белки. Они обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Важной является защитная функция белков (антитела). Белки являются одним из источников энергии.Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Последние построены из моносахаридов, являющихся, подобно аминокислотам, мономерами. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза, фруктоза (содержит шесть атомов углерода) и пентоза (пять атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде. Полисахариды плохо растворяются в воде (в животных клетках гликоген, в растительных - крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источником энергии, сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеиды), жирами (гликолипиды), участвуют в образовании клеточных поверхностей и взаимодействиях клеток.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды, являющиеся основным компонентом клеточных мембран, выполняют тем самым строительную функцию. Липиды - важнейшие источники энергии. Так, если при полном окислении 1 г белка или углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира - 38,9 кДж. Липиды осуществляют терморегуляцию, защищают органы (жировые капсулы).

ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами нуклеотидами. Нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонулеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые отличаются по составу оснований и сахаров.

Пространственная структура нуклеиновых кислот:

(по Б. Албертсу и соавт., с изм.).I - РНК; II - ДНК; ленты - сахарофосфатные остовы; A, C, G, T, U - азотистые основания, решетки между ними - водородные связи.

Молекула ДНК

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин - с гуанином (А - Т, Г - Ц). В ДНК записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. ДНК передает по наследству все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях.

Молекула РНК

Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью. В клетках существует три типа РНК. Информационная, или мессенджер РНК тРНК (от англ. messenger - «посредник»), которая переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК в рибосомы (см. ниже). Транспортная РНК (тРНК), которая переносит аминокислоты в рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК), которая участвует в образовании рибосом. РНК содержится в ядре, рибосомах, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах.

Состав нуклеиновых кислот:

Клетки животных и растений, как многоклеточных, так и одноклеточных, в принципе сходны по своему строению. Различия в деталях строения клеток связаны с их функциональной специализацией.

Основными элементами всех клеток являются ядро и цитоплазма. Ядро имеет сложное строение, изменяющееся на разных фазах клеточного деления, или цикла. Ядро неделящейся клетки занимает приблизительно 10–20% ее общего объема. Оно состоит из кариоплазмы (нуклеоплазмы), одного или нескольких ядрышек (нуклеол) и ядерной оболочки. Кариоплазма представляет собой ядерный сок, или кариолимфу, в которой находятся нити хроматина, образующие хромосомы.

Основные свойства клетки:

• обмен веществ
• чувствительность
• способность к размножению

Клетка живет во внутренней среде организма – кровь, лимфа и тканевая жидкость. Основными процессами в клетке являются окисление, гликолиз – расщепление углеводов без кислорода. Проницаемость клетки избирательна. Она определяется реакцией на высокую или низкую концентрацию солей, фаго- и пиноцитоз. Секреция – образование и выделение клетками слизеподобных веществ (муцин и мукоиды), защищающие от повреждения и участвующие в образовании межклеточного вещества.

Виды движений клетки:

1. амебоидное (ложноножки) – лейкоциты и макрофаги.
2. скользящее – фибробласты
3. жгутиковый тип – сперматозоиды (реснички и жгутики)

Деление клеток:

1. непрямое (митоз, кариокинез, мейоз)
2. прямое (амитоз)

При митозе ядерное вещество распределяется равномерно между дочерними клетками, т.к. хроматин ядра концентрируется в хромосомах, которые расщепляются на две хроматиды, расходящиеся в дочерние клетки.

Структуры живой клетки

Хромосомы

Обязательными элементами ядра являются хромосомы, имеющие специфическую химическую и морфологическую структуру. Они принимают активное участие в обмене веществ в клетке и имеют прямое отношение к наследственной передаче свойств от одного поколения к другому. Следует, однако, иметь в виду, что, хотя наследственность и обеспечивается всей клеткой как единой системой, ядерные структуры, а именно хромосомы, занимают при этом особое место. Хромосомы, в отличие от органелл клетки, представляют собой уникальные структуры, характеризующиеся постоянством качественного и количественного состава. Они не могут взаимозаменять друг друга. Несбалансированность хромосомного набора клетки приводит в конечном счете к ее гибели.

Цитоплазма

Цитоплазма клетки обнаруживает весьма сложное строение. Введение методики тонких срезов и электронной микроскопии позволило увидеть тонкую структуру основной цитоплазмы. Установлено, что последняя состоит из параллельно расположенных сложных структур, имеющих вид пластинок и канальцев, на поверхности которых располагаются мельчайшие гранулы диаметром 100–120 Å. Эти образования названы эндоплазматическим комплексом. В состав этого комплекса включены различные дифференцированные органоиды: митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, в клетках низших животных и растений – центросома, животных – лизосомы, у растений – пластиды. Кроме того, цитоплазме обнаруживается целый ряд включений, принимающих участие в обмене веществ клетки: крахмал, капельки жира, кристаллы мочевины и т. д.

Мембрана

Клетка окружена плазматической мембраной (от лат. «мембрана» – кожица, пленка). Ее функции очень разнообразны, но основная – защитная: она защищает внутреннее содержимое клетки от воздействий внешней среды. Благодаря различным выростам, складкам на поверхности мембраны клетки прочно соединяются между собой. Мембрана пронизана специальными белками, через которые могут перемещаться определенные вещества, необходимые клетке или подлежащие удалению из нее. Таким образом, через мембрану осуществляется обмен веществ. Причем, что очень важно, вещества пропускаются через мембрану избирательно, за счет чего в клетке поддерживается нужный набор веществ.

У растений плазматическая мембрана снаружи покрыта плотной оболочкой, состоящей из целлюлозы (клетчатки). Оболочка выполняет защитную и опорную функции. Она служит внешним каркасом клетки, придавая ей определенную форму и размеры, препятствуя чрезмерному набуханию.

Ядро

Расположено в центре клетки и отделено двуслойной оболочкой. Имеет шаровидную или вытянутую форму. Оболочка – кариолемма – имеет поры, необходимые для обмена веществ между ядром и цитоплазмой. Содержимое ядра жидкое – кариоплазма, в которой содержатся плотные тельца – ядрышки. В них выделяется зернистость – рибосомы. Основная масса ядра – ядерные белки – нуклеопротеиды, в ядрышках – рибонуклеопротеиды, а в кариоплазме – дезоксирибонуклеопротеиды. Клетка покрыта клеточной оболочкой, которая состоит из белковых и липидных молекул, имеющих мозаичную структуру. Оболочка обеспечивает обмен веществ между клеткой и межклеточной жидкостью.

ЭПС

Это система канальцев и полостей, на стенках которых располагаются рибосомы, обеспечивающие синтез белка. Рибосомы могут и свободно располагаться в цитоплазме. ЭПС бывают двух видов – шероховатая и гладкая: на шероховатой ЭПС (или гранулярной) располагается множество рибосом, которые осуществляют синтез белков. Рибосомы придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой ЭПС не несут рибосом на своей поверхности, в них располагаются ферменты синтеза и расщепления углеводов и липидов. Гладкая ЭПС выглядит как система тонких трубочек и цистерн.

Рибосомы

Мелкие тельца диаметром 15–20 мм. Осуществляют синтез белковых молекул, их сборку из аминокислот.

Митохондрии

Это двумембранные органоиды, внутренняя мембрана которых имеет выросты – кристы. Содержимое полостей – матрикс. Митохондрии содержат большое количество липопротеидов и ферментов. Это энергетические станции клетки.

Пластиды (свойственны только клеткам растений!)

Их содержание в клетке – главная особенность растительного организма. Различают три основных типа пластид: лейкопласты, хромопласты и хлоропласты. Они имеют разную окраску. Бесцветные лейкопласты находятся в цитоплазме клеток неокрашенных частей растений: стеблях, корнях, клубнях. Например, их много в клубнях картофеля, в которых накапливаются зерна крахмала. Хромопласты находятся в цитоплазме цветков, плодов, стеблей, листьев. Хромопласты обеспечивают желтую, красную, оранжевую окраску растений. Зеленые хлоропласты содержатся в клетках листьев, стеблей и других частях растения, а также у разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм, они часто имеют овальную форму. У высших растений в одной клетке содержится несколько десятков хлоропластов.

Зеленые хлоропласты способны переходить в хромопласты – поэтому осенью листья желтеют, а зеленые помидоры краснеют при созревании. Лейкопласты могут переходить в хлоропласты (позеленение клубней картофеля на свету). Таким образом, хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны к взаимному переходу.

Основная функция хлоропластов – фотосинтез, т.е. в хлоропластах на свету осуществляется синтез органических веществ из неорганических за счет преобразования солнечной энергии в энергию молекул АТФ. Хлоропласты высших растений имеют размеры 5-10 мкм и по форме напоминают двояковыпуклую линзу. Каждый хлоропласт окружен двойной мембраной, обладающей избирательной проницаемостью. Снаружи располагается гладкая мембрана, а внутренняя имеет складчатую структуру. Основная структурная единица хлоропласта – тилакоид, плоский двумембранный мешочек, ирающий ведущую роль в процессе фотосинтеза. В мембране тилакоида расположены белки, аналогичные белкам митохондрий, которые участвуют в цепи переноса электоронов. Тилакоиды расположены стопками, напоминающие стопки монет (от 10 до 150) и называемыми гранами. Грана имеет сложное строение: в центре располагается хлорофилл, окруженный слоем белка; затем располагается слой липоидов, снова белок и хлорофилл.

Комплекс Гольджи

Это система полостей, отграниченных от цитоплазмы мембраной, может иметь разную форму. Накапливание в них белков, жиров и углеводов. Осуществление на мембранах синтеза жиров и углеводов. Образует лизосомы.

Основной структурный элемент аппарата Гольджи – мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, крупные и мелкие пузырьки. Цистерны аппарата Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Произведенные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры переносятся к аппарату Гольджи, накапливаются внутри его структур и «упаковываются» в виде вещества, готового либо к выделению, либо к использованию в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности. В аппарате Гольджи образуются лизосомы. Кроме того, он участвует в наращивании цитоплазматической мембраны, например во время деления клетки.

Лизосомы

Тельца, отграниченные от цитоплазмы одной мембраной. Содержащиеся в них ферменты ускоряют реакцию расщепления сложных молекул до простых: белков до аминокислот, сложных углеводов до простых, липидов до глицерина и жирных кислот, а также разрушают отмершие части клетки, целые клетки. В лизосомах находится более 30 типов ферментов (вещества белковой природы, увеличивающие скорость химической реакции в десятки и сотни тысяч раз), способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, жиры и другие вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называется лизисом, отсюда и происходит название органоида. Лизосомы образуются или из структур комплекса Гольджи, или из эндоплазматической сети. Одна из основных функций лизосом – участие во внутриклеточном переваривании пищевых веществ. Кроме того, лизосомы могут разрушать структуры самой клетки при ее отмирании, в ходе эмбрионального развития и в ряде других случаев.

Вакуоли

Представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком, место накопления запасных питательных веществ, вредных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.

Клеточный центр

Состоит из двух маленьких телец – центриолей и центросферы – уплотненного участка цитоплазмы. Играет важную роль при делении клеток

Органоиды движения клеток

1. Жгутики и реснички, представляющие из себя выросты клетки и имеющие однотипное строение у животных и растений
2. Миофибриллы – тонкие нити длиной более 1 см диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна
3. Псевдоподии (выполняют функцию движения; за счет их происходит сокращение мышц)

Сходства растительных и животных клеток

К признакам, которыми похожи растительные и животные клетки, можно отнести следующие:

1. Схожее строение системы структуры, т.е. наличие ядра и цитоплазмы.
2. Обменный процесс веществ и энергии близки по принципу осуществления.
3. И в животной, и в растительной клетке имеется мембранное строение.
4. Химический состав клеток очень похож.
5. В клетках растения и животного присутствует похожий процесс клеточного деления.
6. Растительная клетка и животная имеет единый принцип передачи кода наследственности.

Существенные различия между растительной и животной клеткой

Помимо общих признаков строения и жизнедеятельности растительной и животной клетки, существуют и особые отличительные черты каждой из них.

Таким образом, можно сказать, что растительные и животные клетки похожи между собой содержанием некоторых важных элементов и некоторыми процессами жизнедеятельности, а также имеют существенные отличия в структуре и обменных процессах.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Клетка, её строение и функции

2. Вода в жизнедеятельности клетки

3. Обмен веществ и энергии в клетке

4. Питание клетки. Фотосинтез и хемосинтез

5. Генетический код. Синтез белков в клетке

6. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Список используемой литературы

1. Клетка, её строение и функции

Клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части любой клетки - цитоплазма и ядро.

Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоёв молекул, обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры - органоиды. К органоидам клетки относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр.

Клетка состоит из: поверхностного аппарата, цитоплазмы, ядра.

Строение животной клетки

Наружная, или плазматическая, мембрана - отграничивает содержимое клетки от окружающей среды (других клеток, межклеточного вещества), состоит из молекул липидов и белка, обеспечивает связь между клетками, транспорт веществ, в клетку (пиноцитоз, фагоцитоз) и из клетки.

Цитоплазма - внутренняя полужидкая среда клетки, которая обеспечивает связь между расположенными в ней ядром и органоидами. В цитоплазме протекают основные процессы жизнедеятельности.

Органоиды клетки:

1) эндоплазматическая сеть (ЭПС) - система ветвящихся канальцев, участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ, в клетке;

2) рибосомы - тельца, содержащие рРНК, расположены на ЭПС и в цитоплазме, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы - единый аппарат синтеза и транспорта белка;

3) митохондрии - "силовые станции" клетки, отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внутренняя образует кристы (складки), увеличивающие ее поверхность. Ферменты на кристах ускоряют реакции окисления органических веществ и синтеза молекул АТФ, богатых энергией;

4) комплекс Гольджи - группа полостей, отграниченных мембраной от цитоплазмы, заполненных белками, жирами и углеводами, которые либо используются в процессах жизнедеятельности, либо удаляются из клетки. На мембранах комплекса осуществляется синтез жиров и углеводов;

5) лизосомы - тельца, заполненные ферментами, ускоряют реакции расщепления белков до аминокислот, липидов до глицерина и жирных - кислот, полисахаридов до моносахаридов. В лизосомах разрушаются отмершие части клетки, целые и клетки.

Клеточные включения - скопления запасных питательных веществ: белков, жиров и углеводов.

Ядро - наиболее важная часть клетки.

Оно покрыто двух мембранной оболочкой с порами, через которые одни вещества проникают в ядро, а другие поступают в цитоплазму.

Хромосомы - основные структуры ядра, носители наследственной информации о признаках организма. Она передается в процессе деления материнской клетки дочерним клеткам, а с половыми клетками - дочерним организмам.

Ядро - место синтеза ДНК, иРНК, рРНК.

Химический состав клетки

Клетка - элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных - животных и растений - построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему - отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10ые и 100ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.

Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения - это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, кобальт - в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы - инсулин - содержит цинк.

Органические вещества клетки

Белки .

Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 - 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной.

Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 1010 - 1012.

Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка.

В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.

Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин - это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса - простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны .

Одна из важнейших - строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10ки и 100ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал). клетка мембранный хромосома

Углеводы .

Углеводы, или сахариды - органические вещества с общей формулой (СН 2О)n. У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).

Углеводы бывают простые и сложные .

Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов - гексоз - наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар - из глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.

Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.

Нуклеиновые кислоты .

Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития.

Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем - тканей и органов.

Существуют 2 типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК .

ДНК - полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

Рис.1.Расположение нуклеотидов в молекуле ДНК

Из рис.1. видно, что нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи.

В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое - урацил (У) - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).

В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов.

Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы.

Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Жиры и липоиды .

Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде - они гидрофобны.

В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров - энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2О освобождается большое количество энергии - 38,9 кДж (~9,3 ккал).

Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.

Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

2. Вода в жизнедеятельности клетки

Химические вещества, входящие в состав клетки: неорганические (вода, минеральные соли)

Обеспечение упругости клетки.

Последствия потери клеткой воды - увядание листьев, высыхание плодов.

Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде.

Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ, в клетку и удаление их из клетки в виде растворов.

Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, Сахаров).

Участие в ряде химических реакций.

Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

Вода. Н 2 О - самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах.

Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами.

Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе.

Вода участвует и во многих химических превращениях.

Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С - половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей.

Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.

Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества.

Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос - односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.

Минеральные соли .

Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства.

Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Содержание минеральных солей в клетке в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (--НРО|~, - Н 2РС>4, --СГ, --НСС*з). Уравновешенность содержания катионов и анионов в клетке, обеспечивающая постоянство внутренней среды организма. Примеры: в клетке среда слабощелочная, внутри клетки высокая концентрация ионов К+, а в окружающей клетку среде - ионов Na+. Участие минеральных солей в обмене веществ.

3 . О бмен веществ и энергии в клетке

Энергетический обмен в клетке

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ , англ. АТР ) - нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.

АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтезвеществ, деление и т, д. В среднем содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% ее массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно-полосатых мышц), ее содержание может доходить до 0,5%. Синтез АТФ в клетках происходит главным образом в митохондриях. Как вы помните (см. 1.7), на синтез 1 моля АТФ из АДФ необходимо затратить 40 кДж.

Энергетический обмен в клетке подразделяют на три этапа.

Первый этап - подготовительный.

Во время него крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты. Полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, белки - до аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот. В ходе этих превращений энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.

Второй этап - неполное, без кислородное, расщепление веществ.

На этом этапе вещества, образовавшиеся во время подготовительного этапа, разлагаются при помощи ферментов в отсутствие кислорода.

Разберем этот этап на примере гликолиза - ферментативного расщепления глюкозы. Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения:

С 6Н 12О 6 + 2Н 3Р 04 + 2АДФ > 2С 3Н 603 + 2АТФ + 2Н 2О

Таким образом, при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы, трех - углеродной пировиноградной кислоты (С 3Н 4О 3), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С 3Н 6О 3), причем высвободившейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ.

Несмотря на кажущуюся простоту, гликолиз - процесс многоступенчатый, насчитывающий более десяти стадий, катализируемых разными ферментами. Только 40% выделившейся энергии запасается клеткой в виде АТФ, а остальные 60% - рассеиваются в виде тепла. Благодаря много - стадийности гликолиза, выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

У большинства растительных клеток и некоторых грибов второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением:

С 6Н 12О 6+2Н 3РО 4+2АДФ>2С 2Н 5ОН +2С 02 + 2АТФ + 2H2О

Исходные продукты спиртового брожения те же, что и у гликолиза, но в результате образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и две молекулы АТФ. Есть такие микроорганизмы, которые разлагают глюкозу до ацетона, уксусной кислоты и других веществ, но в любом случае "энергетическая прибыль" клетки составляет две молекулы АТФ.

Третий этап энергетического обмена - полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

При этом вещества, образовавшиеся на втором этапе, разрушаются до конечных продуктов - СО 2 и Н 2О. Этот этап можно представить себе в следующем виде:

2С 3Н 6О 3 + 6О 2 + 36Н 3РО 4 + 36 АДФ > 6СО 2 + 42 Н 2О + 36АТФ.

Таким образом, окисление двух молекул трех углеродной кислоты, образовавшихся при ферментативном расщеплении глюкозы до СО 2 и Н 2О, приводит к выделению большого количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ.

Клеточное дыхание происходит на кристах митохондрий. Коэффициент полезного действия этого процесса выше, чем у гликолиза, и составляет приблизительно 55% . В результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.

4 . П итание клетки. Фотосинтез и хемосинтез

Питание клетки происходит в результате целого ряда сложных химических реакций, в ходе которых вещества, поступившие в клетку из внешней среды (углекислый газ, минеральные соли, вода), входят в состав тела самой клетки в виде белков, сахаров, жиров, масел, азотных и фосфорных соединений.

Все живые организмы, обитающие на Земле, можно подразделить на две группы в зависимости от того, каким образом они получают необходимые им органические вещества.

Первая группа - автотрофы , что в переводе с греческого языка означает "самопитающиеся". Они способны самостоятельно создавать все необходимые им для построения клеток и процессов жизнедеятельности органические вещества из неорганических - воды, углекислого газа и других. Энергию для таких сложных превращений они получают либо за счет солнечного света и называются фототрофами, либо за счет энергии химических превращений минеральных соединений и в этом случае называются хемотрофами. Но и фототрофные, и хемотрофные организмы не нуждаются в поступлении извне органических веществ. К автотрофам относятся все зеленые растения и многие бактерии.

Принципиально иной способ получения необходимых органических соединений у гетеротрофов. Гетеротрофы не могут самостоятельно синтезировать такие вещества из неорганических соединений и нуждаются в постоянном поглощении готовых органических веществ извне. Затем они "перестраивают" полученные извне молекулы для своих нужд.

Гетеротрофные организмы находятся в прямой зависимости от продуктов фотосинтеза, производимых зелеными растениями. Например, питаясь капустой или картофелем, мы получаем вещества, синтезированные в клетках растения за счет энергии солнечного света. Если же мы питаемся мясом домашних животных, то надо помнить, что эти животные питаются растительными кормами: травой, зерном и т. п. Таким образом, их мясо построено из молекул, полученных с растительной пищей.

К гетеротрофам относятся грибы, животные и многие бактерии. Некоторые клетки зеленого растения также гетеро-трофны: клетки камбия, корня. Дело в том, что клетки этих частей растения не способны к фотосинтезу и питаются за счет органических веществ, синтезированных зелеными частями растения.

Питание клетки: лизосомы и внутриклеточное пищеварение

Лизосомы, число которых в одной клетке достигает нескольких сотен, образуют типичное пространство.

Встречаются лизосомы различных форм и размеров; особым разнообразием отличается их внутренняя структура. Это разнообразие отражено в морфологической терминологии. Имеется множество терминов для обозначения частиц, которые нам сейчас известны как лизосомы. Среди них: плотные тельца, остаточные тельца, цитосомы, цитосегресомы и многие др.

С точки зрения химии переваривать пищу означает подвергать ее гидролизу, т.е. при помощи воды расщепить различные связи, посредством которых соединены строительные блоки естественных природных макромолекул. Например, пептидные связи, соединяющие аминокислоты в белках, гликолизные связи, соединяющие сахара в полисахаридах и эфирные связи между кислотами и спиртами. По большей части эти связи весьма устойчивы, разрываются только при жестких условиях температуры и значениях pH (кислая или щелочная среда).

Живые организмы не в состоянии ни создать, ни выдержать подобные условия, а между тем пищу они переваривают без труда. И делают это с помощью особых катализаторов - гидролитических ферментов, или гидролаз, которые секретируются в пищеварительной системе. Гидролазы - специфические катализаторы. Каждая из них расщепляет только строго определенный тип химической связи. Поскольку пища обычно состоит из многих компонентов с разнообразными химическими связями, для пищеварения необходимо одновременное согласованное или последовательное участие различных ферментов. И действительно, пищеварительные соки, секретируемые в желудочно-кишечный тракт, содержат большое число различных гидролаз, что позволяет человеческому организму усваивать множество сложных пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Однако, эта способность ограничена, и человеческий организм не в состоянии переваривать целлюлозу.

Эти основные положения относятся, по существу, и к лизосомам. В каждой лизосоме мы находим целую коллекцию различных гидролаз - идентифицировано более 50 видов - которые в совокупности способны полностью или почти полностью переваривать многие из основных природных веществ, включая белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, их комбинации и производные. Однако, как и желудочно-кишечный тракт человека, лизосомы характеризуются некоторыми ограничениями в своей переваривающей способности.

В кишечнике конечные продукты пищеварения (перевариваются), "очищаются" в результате кишечной абсорбции: они удаляются клетками слизистой, обычно при помощи активных насосов, и попадают в кровеносное русло. Нечто подобное происходит и в лизосомах.

Различные мелкие молекулы, образовавшиеся в процессе переваривания переносятся через лизосомальную мембрану в цитоплазму, где их используют метаболические системы клетки.

Но иногда переваривание не происходит или оно неполное и не достигает той стадии, на которой его продукты могут быть очищены. У большинства простейших организмов и низших беспозвоночных подобные ситуации не вызывают особых последствий, т.к. их клетки обладают способностью избавляться от содержимого своих старых лизосом, попросту выбрасывая его в окружающую среду.

У высших животных многие клетки не способны опорожнять свои лизосомы таким образом. Они находятся в состоянии хронического "запора". Именно этот серьезный недостаток лежит в основе многочисленных патологических состояний, связанных с перегрузкой лизосом. Диспепсия, повышенная кислотность, запор и другие расстройства пищеварения.

Афтотрофное питание

Жизнь на Земле зависит от автотрофных организмов. Почти все органические вещества, необходимые для живых клеток, производятся в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез (от греч. фотос - свет и синтезис - соединение, сочетание) - превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические за счет солнечной энергии, которая преобразуется в энергию химических связей в молекулах органических веществ.

Фазы фотосинтеза.

В процессе фотосинтеза энергетически бедные вода и углекислый газ превращаются в энергоемкое органическое вещество - глюкозу. При этом солнечная энергия аккумулируется в химических связях этого вещества. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, который используется организмами для дыхания.

В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы - световую и темновую.

В световую фазу благодаря солнечной энергии происходит возбуждение молекул хлорофилла и синтез АТФ.

Одновременно с этой реакцией под действием света разлагается вода (Н 20) с выделением свободного кислорода (02). Этот процесс назвали фотолизом (от греч. фотос - свет и лизис - растворение). Образовавшиеся ионы водорода связываются с особым веществом - переносчиком ионов водорода (НАДФ) и используются в следующей фазе.

Для протекания реакций темповой фазы наличие света необязательно. Источником энергии здесь служат синтезированные в световую фазу молекулы АТФ. В темповой фазе происходит усвоение углекислого газа из воздуха, его восстановление ионами водорода и ооразование глюкозы благодаря использованию энергии АТФ.

Влияние условий среды на фотосинтез.

При фотосинтезе используется только 1% солнечной энергии, падающей на лист. Фотосинтез зависит от целого ряда условий среды. Во-первых, наиболее интенсивно этот процесс протекает под влиянием красных лучей солнечного спектра (рис. 58). Степень интенсивности фотосинтеза определяется по количеству выделившегося кислорода, который вытесняет воду из цилиндра. Скорость фотосинтеза зависит также и от степени освещенности растения. Увеличение продолжительности светового дня приводит к росту продуктивности фотосинтеза, т. е. количества образуемых растением органических веществ.

Значение фотосинтеза.

Продукты фотосинтеза используются:

· организмами в качестве питательных веществ, источника энергии и кислорода для процессов жизнедеятельности;

· в производстве человеком продуктов питания;

· в качестве строительного материала для построек жилищ, в производстве мебели и др.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу.

Все запасы горючего на Земле - это продукты, образованные в результате фотосинтеза. Используя уголь и древесину, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Одновременно в атмосферу выделяется кислород.

По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован за 3000 лет.

Хемосинтез .

Кроме фотосинтеза, известен еще один способ получения энергии и синтеза органических веществ из неорганических. Некоторые бактерии способны извлекать энергию путем окисления различных неорганических веществ. Для создания органических веществ им не нужен свет. Процесс синтеза органических веществ из неорганических, проходящий благодаря энергии окисления неорганических веществ, называют хемосинтезом (от лат. хемия - химия и греч. синтезис - соединение, сочетание).

Хемосинтезирующие бактерии были открыты русским ученым С.Н. Виноградским. В зависимости оттого, при окислении, какого вещества выделяется энергия, различают хемосинтезирующие железобактерии, серобактерии и азотобактерии.

5 . Г енетичес кий код. Синтез белков в клетке

Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.

Основные свойства генетического кода следующие:

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64).

2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64). Исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции.

Так, в молекуле иРНК три из них УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.

3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности, которое означает, что каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.

4. Код коллинеарен, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.

5. Генетический код неперекрываем и компактен, т. е. не содержит "знаков препинания". Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов). Например, в иРНК следующая последовательность азотистых оснований АУГГУГЦУУААУГУГ будет считываться только такими триплетами: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ и т. Д. или АУГ, ГГУ, УГЦ, ЦУУ и т. д. или еще каким-либо образом (допустим, кодон АУГ, знак препинания Г, кодон УГЦ, знак препинания У и Т. п.).

6. Генетический код универсален, т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

Синтез белков в клетке

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т--Т--Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А--Ц--А - цистину, Ц--А--А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

1. Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. "транскриптик" - переписывание).

2. На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

3. Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

4. На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Хромосомы (от греч. "хрома" - цвет, "сома" - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами , состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом.

Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

6 . Р егуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Оперон и репрессор.

Известно, что набор хромосом, т. е. набор молекул ДНК, одинаков во всех клетках одного организма.

Следовательно, каждая клетка тела способна синтезировать любое количество каждого белка, свойственного данному организму. К счастью, этого никогда не происходит, так как клетки той или иной ткани должны иметь определенный набор белков, необходимый для выполнения их функции в многоклеточном организме, и ни в коем случае не синтезировать "посторонних" белков, которые свойственны клеткам других тканей.

Так, например, в клетках корня необходимо синтезировать растительные гормоны, а в клетках листа - ферменты для обеспечения фотосинтеза. Почему же в одной клетке не синтезируются сразу все белки, информация о которых имеется в ее хромосомах?

Такие механизмы лучше изучены в клетках прокариот. Несмотря на то, что прокариоты - одноклеточные организмы, их транскрипция и трансляция также регулируются, так как в один момент времени клетка может нуждаться в каком-либо белке, а в другой момент тот же самый белок может стать для нее вреден.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т. е. генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая, в свою очередь, несет информацию о структуре белка. Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор - "посадочная площадка" для фермента РНК-полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок - репрессор, то РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Механизм регуляции синтеза белка у эукариот.

Регуляция работы генов у эукариот, особенно если речь идет о многоклеточном организме, гораздо сложнее. Во-первых, белки, необходимые для обеспечения какой-либо функции, могут быть закодированы в генах различных хромосом (напомним, что у прокариот ДНК в клетке представлена одной-единственной молекулой). Во-вторых, у эукариот сами гены устроены сложнее, чем у прокариот; у них имеются "молчащие" участки, с которых не считывается иРНК, но которые способны регулировать работу соседних участков ДНК. В-третьих, в многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей.

Эта координация осуществляется на уровне целого организма и главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желез внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной. Эти гормоны связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер. Например, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, что приводит к улучшению обеспеченности этих клеток энергией. Другой гормон, инсулин, выделяемый поджелудочной железой, напротив, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени.

Следует также учесть, что 99,9% ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1% определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальная реакция на лекарства и многое другое.

Можно было бы предположить, что часть "неработающих" генов в тех или иных клетках утрачивается, разрушается. Однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так. Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация, хотя часть ее не выражалась в форме белков, пока клетка входила в состав стенки кишечника. Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК, Значит, должны иметь место механизмы, "включающие" или "выключающие" работу того или иного гена в разных клетках.

Общая длина молекул ДНК, содержащихся в 46 хромосомах человека, составляет почти 2 метра. Если бы генетически триплетным кодом были закодированы буквы алфавита, то ДНК одной клетки человека хватило бы для шифровки 1000 толстых томов текста!

Все организмы на Земле состоят из клеток. Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы.

Безъядерные организмы называются прокариотами, а имеющие ядра в своих клетках - эукариотами. Снаружи каждая клетка покрыта биологической мембраной. Внутри клетки находится цитоплазма, в которой расположены ядро (у эукариот) и другие органоиды. Ядро заполнено кариоплазмой, в которой располагаются хроматин и ядрышки. Хроматин - это ДНК, связанная с белками, из него во время деления клетки образуются хромосомы.

Хромосомный набор клетки называется кариотипом.

В цитоплазме клеток эукариот расположен цитоскелет - сложная система, выполняющая опорную, двигательную и транспортную функции. Важнейшие органоиды клетки: ядро, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы, митохондрии, лизосомы, пластиды. Некоторые клетки имеют органоиды движения: жгутики, реснички.

Между клетками прокариот и эукариот имеются значительные различия в строении.

Вирусы представляют собой неклеточную форму жизни.

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции обмена веществ происходят при участии биологических катализаторов - ферментов. Каждый фермент специфичен, т. е. участвует в регуляции строго определенных процессов жизнедеятельности. Поэтому в каждой клетке "работает" множество ферментов.

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счет универсального энергетического вещества - АТФ. АТФ образуется за счет энергии, выделяющейся при окислении органических веществ. Этот процесс является многоступенчатым, и наиболее эффективно кислородное расщепление, происходящее в митохондриях.

По способу получения необходимых для жизнедеятельности органических веществ все клетки делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы подразделяются на фотосинтетики и хемосинтетики, и все они способны самостоятельно синтезировать необходимые им органические вещества. Гетеротрофы получают большинство органических соединений извне.

Фотосинтез - важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле. В результате фотосинтеза происходит синтез сложных органических соединений за счет энергии излучения Солнца. За исключением хемосинтетиков, все организмы на Земле прямо или косвенно зависят от фотосинтетиков.

Важнейшим процессом, происходящим во всех клетках (за исключением клеток, утерявших ДНК в процессе развития), является синтез белка. Информация о последовательности аминокислот, составляющих первичную структуру белка, заключена в последовательности триплетных сочетаний нуклеотидов ДНК. Ген - участок ДНК, в котором закодирована информация о структуре одного белка. Транскрипция - процесс синтеза иРНК, кодирующей последовательность аминокислот бел ка. иРНК выходит из ядра (у эукариот) в цитоплазму, где в рибосомах происходит формирование аминокислотной цепочки белка. Этот процесс называется трансляцией. В каждой клетке - множество генов, однако клетка использует лишь строго определенную часть генетической информации, что обеспечивается наличием в генах особых механизмов, включающих или выключающих синтез того или иного белка в клетке.

Список используемой литературы

1. Даревский, И.С.; Орлов, Н.Л. Редкие и изчезающие животные. Земноводные и пресмыкающиеся; М.: Высшая школа, 1988. - 463 c.

2. Линней, Карл Философия ботаники; М.: Наука, 1989. - 456 c.

3. Опарин, А.И. Материя. Жизнь. Интеллект; М.: Наука, 1977. - 208 c.

5. Эттенборо, Дэвид Живая планета; М.: Мир, 1988. - 328 c.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные органеллы клетки. Цитоплазма - полужидкая среда, в которой находятся ядро клетки и все органоиды, ее состав. Схема строения комплекса Гольджи. Органоиды движения включения (реснички и жгутики). Форма и размеры ядра, его главные функции.

презентация , добавлен 13.11.2014


Единый план строения клеток организма. Строгая упорядоченность строения ядра и цитоплазмы. Клеточное ядро (вместилище всей генетической информации). Содержимое клеточного ядра (хроматин). Аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, клеточные структуры.

реферат , добавлен 28.07.2009


Сущность органоидов, классификация включений цитоплазмы по функциональному назначению. Отличительные особенности растительной и животной клеток, роль ядра в их функционировании. Основные органоиды клетки: комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды.

презентация , добавлен 27.12.2011


Эволюционное значение клеточного ядра - компонента эукариотической клетки, содержащего генетическую информацию. Структура ядра: хроматин, ядрышко, кариоплазма и ядерная оболочка. Функции ядра: хранение, передача и реализация наследственной информации.

презентация , добавлен 21.02.2014


Признаки и уровни организации живых организмов. Химическая организация клетки. Неорганические, органические вещества и витамины. Строение и функции липидов, углеводов и белков. Нуклеиновые кислоты и их типы. Молекулы ДНК и РНК, их строение и функции.

реферат , добавлен 06.07.2010


Элементы строения клетки и их характеристика. Функции мембраны, ядра, цитоплазмы, клеточного центра, рибосомы, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, лизосом, митохондрий и пластид. Отличия в строении клетки представителей разных царств организмов.

презентация , добавлен 26.11.2013


История развития клеточной теории, ее эволюция. Строение и функции оболочки клетки, характеристика оболочки, цитоплазмы, ядра. Роль плазматической мембраны и аппарата Гольджи в жизнедеятельности клеток. Рибосомы и митохондрии, их функции и состав.

реферат , добавлен 16.08.2009


История исследований клетки, самые известные работы всех времен, написанные по данной теме и современные знания. Элементарное строение клетки, ее основные составные части и их функции. Цитоплазма и ее органоиды, назначение комплекса Гольджи и включений.

реферат , добавлен 07.10.2009


Строение и функции клеточного ядра. Его форма, состав, строение. Дезоксирибонуклеиновая кислота - носитель наследственной информации. Механизм репликации ДНК. Процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при ее нормальном биосинтезе.

реферат , добавлен 07.09.2015


Цитоплазма как обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. Реакция среды и особенности движения цитоплазмы. Значение, функции и структура гиалоплазмы. Виды и роль одно- и двухмембранных органоидов живой клетки.