www.pervomed.ru

МИХЕЕВ В. С.

МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА КЛЕТКИ

ЧАСТЬ 1

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Содержание:

1.Введение

2.Общая характеристика клетки

3.Структура и функции клеточных мембран:

∙Биохимия клеточных мембран

∙Пространственная организация биомембран

4.Структура и функции клетки животных

∙Поверхностный аппарат клетки

∙Функции поверхностного аппарата клетки

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь - это способ существования материи, характеризующийся сопряженной циркуляцией определенных химических элементов в водной среде, движимой энергией Солнца в направлении увеличения упорядоченности и сложности.

Все живые системы (биосистемы) имеют высокое содержание определенных химических элементов. К ним, в первую очередь, относятся углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О),

фосфор (Р) и сера (S). Доля данных элементов в биосистемах превышает 90%, поэтому их называют биогенными элементами, или биоэлементами. Набор биоэлементов (СНNOРS) включает неметаллы с небольшими атомными массами, т.е. элементы, образовавшиеся в ходе развития Вселенной первыми или одними из первых. Простота строения биогенных элементов определяет их высокую стабильность на фоне хорошей реакционной способности.

Основу всех органических веществ, включая биоорганические, составляет углерод. Это определяется способностью его атомов взаимодействовать друг с другом и формировать углеродный

www.pervomed.ru

скелет молекул разнообразной величины и формы: линейный, разветвленный, циклический и т.п. Существенным в отношении углерода является и то, что он легко образует химические связи с другими биоэлементами.

Важная характеристика биогенных элементов - формирование газообразных веществ при взаимодействии друг с другом в условиях физиологических температур. В частности, газами являются молекулы водорода (Н2), азота (N2), кислорода (О2),

метана (СН4), монооксида углерода (СО), диоксида углерода

(СО2), монооксида азота (N0), диоксида азота (N02), аммиака

(NНз), сероводорода (Н2S), диоксида серы (S02).

С одной стороны, газообразные вещества в ходе образования и эволюции Земли находились над ее поверхностью. Здесь они подвергались мощному воздействию солнечного излучения, повышавшего их реакционноспособность. Это означает, что молекулы газов с большей вероятностью, чем другие молекулы, участвовали в формировании сложных химических соединений. С другой стороны, газы имели возможность растворяться в воде, которая образовалась путем взаимодействия водорода и кислорода.

Исключением из «правила газообразности» в наборе биоэлементов является фосфор. Однако он обладает важнейшим свойством - способностью формировать макроэргические связи, благодаря чему и занял свое место в системе СНNOРS. Такую же способность, хотя и в меньшей степени имеет сера.

По определению, жизнь - это циркуляция химических элементов. В данном случае подразумевается то, что в живых системах биоэлементы могут находиться в составе как органических, так и неорганических соединений. Наиболее важным в этой ситуации является динамический аспект. В биосистемах органические вещества трансформируются в неорганические, из которых вновь синтезируются органические и т.д. Например, глюкоза в энергетическом обмене расщепляется до СО2 и Н2О в клетках большинства организмов. При этом ряд из них (растения, некоторые бактерии) способны использовать

СО2 и Н2О в процессах фотосинтеза и хемосинтеза при образовании глюкозы.

Аналогичная ситуация характерна для органических соединений, содержащих азот, которые в биосистемах превращаются в аммиак, нитриты и нитраты, вновь включаемые в органические соединения.

Циркуляция биоэлементов является сопряженной, т.е. круговорот одного элемента связан с круговоротом других элементов. Данная особенность циркуляции определяется химическим составом биоорганических молекул — все они содержат углерод, водород и кислород. Белки, кроме этих элементов, включают азот и, как правило, серу; нуклеиновые кислоты - азот и фосфор. Азот и фосфор содержатся в ряде сложных липидов и углеводов. Критическим моментом

www.pervomed.ru

сопряженной циркуляции является этап перехода простых неорганических соединений в более сложные органические.

Неизбежность сопряжения круговоротов резко ограничивает число основных химических элементов, малых органических соединений и полимеров, характерных для живых систем, начиная с шести элементов СНNOРS и заканчивая тремя типами биополимеров: полисахаридами, полипептидами и полинуклеотидами.

Сопряженная циркуляция биоэлементов осуществляется в водной среде. Вода (Н2О) была одним из первых неорганических веществ при образовании Земли. Уникальные физико-химические свойства молекулы воды, основанные на простоте строения и дипольности, определили ее центральное место в биосистемах. Живые организмы содержат в своем составе 50-99% воды, выполняющей важные биологические функции. Существенно, что молекулы воды представляют собой и химические реагенты — вода принимает участие в реакциях гидролиза и гидратации, а также является продуктом реакций конденсации и дегидратации.

Циркуляция химических элементов в живых системах происходит не спонтанно (самопроизвольно), а под действием энергии. Это означает, что существование биосистем (жизни) невозможно без притока энергии из источника за пределами Земли. С этой точки зрения, живые системы являются

термодинамически открытыми системами — они потребляют энергию для осуществления сопряженной циркуляции химических элементов во всем ее многообразии.

Согласно законам термодинамики, энергия не может быть полностью использованной для работы - часть энергии, полученной системой, обязательно выделяется этой системой в виде тепловой энергии.

Таким образом, живые (открытые) системы не только поглощают, но и выделяют энергию, т.е. формируют поток энергии, необходимый для кругооборота веществ. Из этого следует, что существование жизни на Земле невозможно без потока энергии.

Впроцессе возникновения самых простых биосистем,

протобионтов (от греч. protos - первый, bios — жизнь, ontos

— сущее, существо), на Земле наиболее мощным источником

энергии	было	солнечное		излучение.	Для	эффективного
использования		этого	вида	энергии	протобионтам		было

необходимо трансформировать ее в энергию химических связей. Эта задача, видимо, решалась с помощью железосодержащих

органических молекул, способных транспортировать электроны, возбужденные энергией Солнца. Их переход на более низкие энергетические уровни обеспечивал энергию для создания

градиентов ионов, например, протонов (Н+). В свою очередь, энергия градиента использовалась для синтеза соединений с

макроэргическими химическими связями-макроэргов.				(анион
Простейшим	макроэргом	является	пирофосфат

www.pervomed.ru

пирофосфорной кислоты), который, очевидно, стал донором химической энергии в первых живых системах на Земле. Именно поэтому фосфор оказался в наборе биоэлементов, обеспечивая энергетику их сопряженной циркуляции. В ходе эволюции энергетическая функция пирофосфата перешла к органическому макроэргу - аденозинтрифосфату (АТФ), и фосфор сам включился в процессы сопряженной циркуляции.

Поток энергии, проходящий через любую систему, вызывает ее упорядочение и усложнение. В биосистемах энергия используется дня синтеза сложных молекул из более простых, т.е. трансформируется в энергию химических связей. Кроме того, поток энергии обеспечивает взаимодействия между молекулами, что повышает упорядоченность системы. Благодаря этому живые системы способны адекватно реагировать на изменения окружающей среды, т.е. адаптироваться к ней.

Одной из форм адаптации (от лат. Adaptatio — приспособление) является усложнение системы, переход ее на новый структурно-функциональный уровень. Это означает, что биосистемы способны изменять свой уровень организации, т.е. эволюционировать. Кроме того, живые системы не только сохраняются и изменяются во времени, но и увеличиваются в числе - размножаются. Размножение представляет собой один из вариантов усложнения системы, которое вызывается потоком энергии. Важно, что при этом часть изменений сохраняется в процессе размножения, передается новым образующимся биосистемам - наследуется.

Таким образом, жизнь — это способ существования материи в

виде термодинамически открытых систем, способных к самосохранению саморегуляции и самовоспроизведению.

Простейшей системой, обладающей всеми свойствами жизни, является клетка, которая представляет элементарный уровень организации живых систем - клеточный. Реально он существует в виде одноклеточных организмов. В ходе эволюции одноклеточные организмы формировали колонии и затем - многоклеточные биосистемы, многоклеточные организмы. В результате произошел переход на более сложный уровень организации живых систем - многоклеточный. Единые по происхождению организмы связаны между собой размножением и образуют элементарную эволюционную биосистему — популяцию или вид. Эта система отражает новый уровень живых систем - популяционновидовой.

Популяции (виды) разных организмов вступают друг с другом в определенные экологические отношения, формируя экологические биосистемы, или экосистемы. Простейшей экосистемой является биогеоценоз, соответствующий биогеоценотическому уровню организации жизни. Самая крупная экосистема - биосфера - охватывает все биогеоценозы, существующие на Земле.

Таким образом, высший уровень организации жизни - биосферный. Именно на биосферном уровне наиболее полно реализуется сопряженная циркуляция биоэлементов — круговорот веществ, движимый исходно солнечной энергией.

Элементарной	(простейшей) биосистемой является	клетка,
т.е. клеточный	уровень организации представляет	собой

www.pervomed.ru

фундамент для всех более сложных живых систем. Данная ситуация нашла отражение в клеточной теории:

- все живые организмы, исключая вирусы, состоят из клеток

ипродуктов их жизнедеятельности;

-все клетки имеют принципиальное сходство в отношении своего строения и базового обмена веществ;

-все новые клетки образуются только в результате деления уже существующих клеток;

-активность многоклеточного организма является результатом активности его клеток и взаимодействий между

ними.

Первое положение клеточной теории отражает то, что исходной биосистемой была клетка, на базе которой в ходе эволюции сформировались более сложные системы (многоклеточные). С этой точки зрения, вирусы (от лат. virus - яд) — это сильно упрощенные производные клетки, способные функционировать только как паразитические внутриклеточные формы. Важным моментом первого положения является указание на неклеточные компоненты организмов. Особое значение это имеет для многоклеточных биосистем, где определенные

продукты,	секретируемые		клетками,		формируют	основу
внутренней	среды	организма		и	неклеточные	элементы
соединительных тканей.

Второе положение клеточной теории также отражает единство происхождения всех клеток в ходе эволюции. Несмотря на огромное разнообразие клеток, возникшее путем дивергенции (от лат. divergo — отклоняюсь) одноклеточные организмы) или дифференцировки (от лат. differentia -различие) у

многоклеточных организмов, все они функционируют на основе
универсальных структур и	процессов метаболизма (от греч.
metabole - превращение). Таким		образом, это	положение
постулирует гомологию (от греч. homologia - соответствие,
согласие) всех клеток,	как в	структурном,	так и в

метаболическом аспектах.			можно	обнаружить	3	структурно-
В	любой	клетке

функциональных субсистемы: поверхностный аппарат, цитоплазму и ядерный аппарат. Энергетический обмен клеток основан на универсальном процессе расщепления глюкозы - гликолизе. Поток информации в клетках обеспечивается универсальными матричными процессами: репликацией (синтезом ДНК), транскрипцией (синтезом РНК) и трансляцией (синтезом белка). Именно они являются основой существования и размножения

клеток.

Третье положение клеточной теории отражает невозможность самозарождения жизни на Земле в настоящее время. Тем не менее, в процессе возникновения жизни был неклеточный период - этап химической эволюции. Очевидно, на нем происходило независимое образование липидов, полипептидов и полинуклеотидов.

Важнейшим моментом химической эволюции было формирование