Типы клеточной организации. Клеточная теория позволила обосновать единство клеточной организации и общность происхождения растений и животных
Клеточная теория позволила обосновать единство клеточной организации и общность происхождения растений и животных, помогла объяснить, что клетка - это элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический.
Клетки прокариотического типа устроены сравнительно просто. В них нет морфологически обособленного ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится в цитоплазме; мембранные орган ел л ы отсутствуют (их функцию выполняют различные впячивания плазматической мембраны); в цитоплазме имеются многочисленные мелкие рибосомы; микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру. Особенности структуры прокариотических клеток определяют специфический характер процессов обмена веществ, жизнедеятельности и размножения. К прокариотам относят бактерий. Они были единственной формой жизни на Земле по крайней мере в течение 2 млрд. лет. Одну из групп фотосинтезирующих бактерий (синезеленые водоросли, или цианобактерии) раньше относили к водорослям. Однако в настоящее время их рассматривают как специфическую группу бактерий.
Большинство современных живых организмов относится к одному из трех царств — растений, грибов и животных, объединяемых в надцарство эукариот.
Для растительных клеток характерно наличие толстой целлюлозной клеточной стенки, различных пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений не содержит центриоли. В качестве резервного питательного углевода клетки растений запасают крахмал.
В клетках грибов клеточная оболочка содержит хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Главным резервным полисахаридом является гликоген.
Животные клетки имеют, как правило, тонкую клеточную стенку, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна центриоль. Запасным углеводом является гликоген.
В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, последние делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят из одной-единственной клетки, выполняющей функции целостного организма. Многие из этих клеток устроены гораздо сложнее, чем клетки многоклеточного организма. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Тело многоклеточных организмов состоит из множества клеток, объединенных в ткани, органы и системы органов. Клетки многоклеточного организма специализированы для выполнения определенной функции и могут существовать вне организма лишь в микросреде, близкой к физиологической (например, в условиях культуры тканей). Клетки в составе многоклеточного организма различаются по размерам, форме, структуре и выполняемым функциям. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.
Химический состав клетки
Химический состав клетки включает как неорганические, так и органические вещества (рисунок 1).
Рисунок 1 – Содержание химических элементов в клетке
Все клетки животных и растительных организмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.
В состав клеток входят более 70 элементов, и по процентному содержанию в клетке они делятся на три группы.
Таблица 8 – Элементный состав клетки
| Элементы | Содержание в клетке | Биологическое значение |
| 1.Макроэлементы | В сумме 98% | В составе всех органических соединений клетки |
| Водород | ||
| Кислород | ||
| Углерод | ||
| Азот | ||
| 2.Микроэлементы | ||
| Фосфор | В составе нуклеиновых кислот, АТФ, ферментов, костной ткани. | |
| Кальций | 2,5 | В составе оболочки клетки растений, у животных - в составе костей и зубов, активизирует свертываемость крови, мышечное сокращение. |
| Магний | 0,07 | В составе молекулы хлорофилла, в костях Синтез ДНК, энергетический обмен. |
| Натрий | 0,1 | Проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление в клетке, стимулирует синтез гормонов. |
| Железо | Входит в состав гемоглобина, миоглобина. Синтезе хлорофилла. Транспорт кислорода. | |
| Калий | Проведение нервных импульсов; активатор ферментов белкового синтеза, процессов фотосинтеза, рост растений. | |
| Сера | Входит в состав белков, витаминов и ферментов. | |
| Хлор | Компонент желудочного сока. | |
| 3.Ультрамикроэлементы | Каждый 0,001% | |
| Йод | В составе гормона щитовидной железы влияет на обмен веществ | |
| Медь | Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы. | |
| Цинк | Входит в состав ферментов, в частности ДНК- и РНК-полимераз; гормона поджелудочной железы - инсулин. | |
| Марганец | Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения. | |
| Кобальт | Входит в состав витамина В12. | |
| Бор | Влияет на ростовые процессы растений. | |
| Фтор | Входит в состав эмали зубов. |
Неорганические вещества, входящие в состав клетки: воды, минеральные соли.Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, важнейшим является вода. Количество ее составляет от 60 до 95% общей массы клетки. Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания.
Роль воды в клетке определяется ее уникальными химическими и физическими свойствами, связанными главным образом с малыми размерами молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью образовывать друг с другом водородные связи.
Вода как компонент биологических систем выполняет следующие важнейшие функции:
1. Вода - универсальный растворитель для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно; соответственно возрастает реакционная способность вещества. Именно по этой причине большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов, источником ионов водорода и свободного кислорода.
2. Неполярные вещества вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными. Гидрофобные молекулы или их части отталкиваются водой, а в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеинов вых кислот и ряда субклеточных структур.
3. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода отличается высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
4. Вода характеризуется высокой теплотой парообразования, т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла при одновременном охлаждении организма. Благодаря этому свойству воды, проявляющемуся при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и других животных,транспирации у растений, предотвращается их перегрев.
5. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в растениях). Многим мелким организмам поверхностное натяжение позволяет удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
6. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
7. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).
8. Вода — составная часть смазывающих жидкостей (синовиальной — в суставах позвоночных, плевральной — в плевральной полости, перикардиальной — в околосердечной сумке) и слизей (облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.
Минеральные соли. Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями. Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К+, Na+, Са2+, Mg:+, NH4+) и анионы (С1, Н2Р04-, НР042-, НС03-, NO32-, SO42-) Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения. Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.
Угольная кислота и ее анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.
Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Ряд катионов и анионов необходим дпя синтеза важных органических веществ (например, фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла и др.), а также аминокислот, являясь источниками атомов азота и серы.
Органические вещества, входящие в состав клетки: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, гормоны, пигменты, аминокислоты.Основу этих веществ составляют атомы углерода, способные образовать между собой прочные ковалентные связи. Низкомолекулярные органические вещества (мономеры) с помощью химических связей формируют различные (линейные или разветвленные) цепи биополимеров. Разнообразие состава мономеров и их связей обуславливает разнообразие строения и свойств биологических макромолекул.
Основные вещества клетки включают молекулы нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов, воды, кислорода и углекислого газа. В неживой природе эти вещества нигде не встречаются вместе.
Углеводы, как правило, содержат вдвое больше молекул воды, чем атомов углерода. Отсюда название углеводы. В клетках растений синтезируются в хлоропластах в процессе фотосинтеза, и их содержание может достигать 70-90%. У животных поступают с пищей, и могут составлять до 5 % массы клетки.
Сахара́ - другое название низкомолекулярных углеводов (моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов).
Таблица 9 – Классификация углеводов
| Моносахариды (простые сахара) | Дисахариды (полимер двух моносахаридов) | Полисахариды (биополимеры) |
| Легко растворимы в воде. В зависимости от числа атомов углерода различают: | Растворимые в воде, две молекулы: | Не растворимые в воде. Полимеры глюкозы: |
| - триозы участвуют в процессе дыхания, фотосинтеза; | 1. мальтоза состоит из двух молекул глюкозы; солодовый сахар; | - крахмал у растений, (в качестве запаса питательных веществ) |
| - тетрозы находятся в бактериях; | 2. лактоза - галактоза + глюкоза; молочный сахар; | - гликоген у животных; (в качестве строительного материала, запасание энергии) |
| - гексозы (глюкоза, фруктоза) галактоза - участвуют в синтезе ди- и полисахаридов; | 3. сахароза - глюкоза + фруктоза, свекловичный сахар, продукт фотосинтеза | - целлюлоза и хитин (покровные структуры растений, грибов, животных) |
Таблица 10 – Функции углеводов
| Функция | Класс углеводов и их свойства |
| Пластическая (структурная, строительная) | Целлюлоза – компонент структуры стенки клеток растений. Хитин – в стоставе наружного скелета членистоногих. Структурообразующая функция клеточных стенок у грибов. Полисахариды – в составе опорных структур, соединительные ткани у животных. Гликолипиды и гликопротеины – в составе клеточных мембран. Рибоза и дезоксирибоза – являются структурными элементами нуклеиновых кислот ДНК, РНК |
| Энергетическая | При окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Глюкоза – служит источником энергии для клеточного дыхания. Сахароза – основной продукт фотосинтеза в растениях. Крахмал растений и гликоген у животных – энергетический резерв – запасные вещества. Мальтоза – энергетический источник для прорастающих семян. |
| Защитная | Гепарин – препятствует свертыванию крови в животных клетках. Камедь и слизь – у растений образуются при повреждении тканей, выполняют защитную функцию |
| Запасающая | Лактоза – входит в состав молока млекопитающих. Крахмал – образует запасные вещества в тканях растений. Гликоген – образует запас полисахаридов в животных клетках |
Липиды – соединения жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. В молекулах липидов преобладают неполярные гидрофобные структуры, и поэтому они относительно нерастворимы в воде, но растворимы в органических расвторителях. Содержание липидов в клетке 2-15%, но в жировых клетках животных и клетках семян растений – 50-90%. Гидрофобные жирообразные вещества в клетке – липоиды.
Таблица 11 – Классификация липидов
| Простые липиды | Сложные липиды |
| Жирные кислоты | Фосфолипиды |
| Жирные альдегиды | Гликолипиды |
| Жирные спирты | Сфинголипиды |
| Воски, триглицериды | Церамиды |
Таблица 12 – Функции липидов
| Функция | Описание |
| Пластическая (структурная) | Фосфолипиды - Входят в состав клеточных мембран растений и животных. Холестерин - Обеспечивает стабильность клеточных мембран в широком интервале температур. |
| Энергетическая | Жирные кислоты: Пальмитиновая - содержится (накапливается) в пальмовом, хлопковом масле; Лауриновая - содержится в кокосовом масле; Миристиновая - содержится в масле мускатного ореха; Олеиновая - в оливковом масле; Эруковая - в семенах горчицы и рапса; Линолевая - в сое, кукурузе, хлопке; Стеариновая - в бараньем жире; Полиеновые - в жире рыб и морских животных; Арахидоновая - в печени животных, в красной водоросли грацилярии. |
| Защитная | 1.У многих растений воском покрыты листья, стебли, плоды, это защищает от размачивания водой, высыхания, вредных микроорганизмов. 2.Животный воск (ланолин) предохраняет шерсть и кожу от влаги, засорения, высыхания. 3.Пчелиный воск предохраняет соты от разрушения. 4.Червецы и щитовки из воска образуют защитные чехлы. |
| Регуляторная | Витамин А (ретинол) - участвует в регуляции синтеза белков. Витамин D - регулирует усвоение минералов кальция и фосфора, уровень содержания их в крови и поступление их в костную ткань и зубы. Стероиды (стероидные гормоны) - кортизон и кортизол (гормоны коры надпочечников человека) – стимулируют синтез углеводов и белков. Половые гормоны – регулируют репродуктивную функцию животных и человека. |
Белки –биополимеры, составляющие до 50% сухой массы клеток и образованные мономерами – 20 различными аминокислотами. Сохраняя общий план строения, аминокислоты различаются по радикалу (R), наличие аминогруппы (H2N-) придает основания, а группа –COOH свойства кислоты.
Таким образом, обладая свойствами основания и кислоты, аминокислоты являются амфотерными соединениями и могут быть связаны ковалентной связью.
Таблица 13 - Классификация белков по типу строения
| Фибриллярные белки | Глобулярные белки | Мембранные белки |
| образуют полимеры, их структура обычно высокорегулярна и поддерживается, в основном, взаимодействиями между разными цепями. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки, фибриллы, поддерживают структуру клеток и тканей. К фибриллярным белкам относятся кератин и коллаген. | водорастворимы, общая форма молекулы более или менее сферическая. | имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки. Мембранные белки выполняют функцию рецепторов, то есть осуществляют передачу сигналов, а также обеспечивают трансмембранный транспорт различных веществ. Белки-транспортёры специфичны, каждый из них пропускает через мембрану только определённые молекулы или определённый тип сигнала. |
Классификация белков:
Простые белки (протеины)состоят только из аминокислот.
Сложные белки (протеиды)кроме аминокислот содержат простетические группы (углеводы, липиды, пигменты и др.)
Провитамины и гистоны –основные белки в составе нуклеопротеидов, регулируют активность генома. Проламины и глютелины – растительные белки в составе клейковины. Альбумины и глобулины – животные белки в составе молока, сыворотки крови и др.
Нуклеопротеиды –белки с протетической группой в виде нуклеиновых кислот.
Гликопротеиды –простетическая группа – углеводы.
Металлопротеиды –содержат атомы металлов – ферменты.
Хромопротеиды –содержат пигменты (гемоглобин, миоглобин, цитохромы).
Фосфопротеиды –содержат фосфатные группы.
Таблица 14 – Функции белков
| Функция | Класс белков и их свойства |
| Пластическая (структурная) | Структурные белки – компоненты биологических мембран органоидов клетки, опорных структур межклеточного вещества |
| Ферментативная (каталитическая) | В составе белка 2000 ферментов (белков) катализируют химические реакции у разных организмов, многократно ускоряя химические преобразования |
| Защитная (имунная) | Антитела – защитные белки, связывающие антигены. Фибриноген (фибрин), тромбин – белки свертывающей системы крови |
| Сократительная (двигательная) | Актин, миозин – сократительные белки, обеспечивающие подъемную силу мышц, сократительную способность клетки и внутриклеточных структур |
| Энергетическая | Пищевые белки как источник энергии при расщеплении освобождающей энергию химических связей. Питание зародыша на ранних стадиях развития. |
| Транспортная | Белки, присоединяющие и транспортирующие химические вещества (транспорт кислорода гемоглобином, жирных кислот – сывороточным альбумином и др.) |
| Регуляторная | Гормоны, регулирующие обмен веществ – регулируют синтез нуклеиновых кислот, состояние генома. |
Нуклеиновые кислоты. С функцией этих биологических полимеров связаны фундаментальные свойства живых организмов – хранение и передача наследственной информации, видовая и индивидуальная специфичность синтезируемых клетками белков и др.
Известны два типа нуклеиновых кислот – дизоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая кислоты. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды – органические соединения, включающие азотистые основания, пятиатомный сахар (пентозы) и остаток фосфорной кислоты.
Вопросы для самоконтроля:
1. Опишите клеточную теорию, какие ученую внесли вклад в ее развитие?
2. Какой химический состав клетки?
3. Опишите важные функции воды.
4. Как классифицируются белки?
5. Опишите классификацию и функцию липидов
6. Какие типы нуклеиновых кислот Вы знаете?
ЛЕКЦИЯ №6
Тема:Принципы воспроизводства и развития живых систем
Цель лекции: Изучить способы размножения, различия между наследственностью и изменчивостью, а также формы мутации
Ключевые слова: онтогенез, филогенез, половое, вегетативное, бесполое, закон, наследственность, изменчивость, гибритизация, мутации и др.
Основные вопросы (положения) и краткое содержание:
1. Главные направления эволюции
2. Характеристика наследственности, изменчивости и естественного отбора
3. Способы размножения живых организмов
4. Виды и причины мутаций