Тема № 4. Клеточный уровень организации живого.

Клетка – элементарная генетическая и структурно-функциональная единица живого.

Раздел биологии, занимающийся изучением структурной и функциональной организации клетки как единицы живого, получил название цитологии (от греч. cytos – клетка, полость, logos – наука). Открытие клетки связано с именами великих ученых-микроскопистов – Р. Гука, M. Мальпиги, Н. Грю, описавших ячеистое строение многих растительных объектов, а также с именем Антони Ван Левенгука, впервые наблюдавшего реальные клетки животных.

В 1939 году немецкий зоолог Т. Шванн опубликовал труд "Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений", в котором были заложены основы клеточной теории. В этой работе Т. Шванн пришел к двум выводам:

1) клетка – главная структурная единица всех растительных и животных организмов;

2) процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку всех растительных и животных тканей и организмов.

Дальнейшее развитие клеточной теории связано с именем немецкого ученого Рудольфа Вирхова, который в 1858 году опубликовал свой труд «Целлюлярная патология». В этой работе Р. Вирхов дополнил клеточную теорию третьим выводом: «Omnis cellula e cellula» каждая клетка из клетки. Этот вывод блестяще подтвердился дальнейшим развитием биологии. В настоящее время не известно иных способов появления клеток помимо их деления. В своей работе Р. Вирхов впервые подошел к объяснению патологического процесса, показав его связь в организме с морфологическими структурами, с определенными изменениями в структуре и функции клеток. Он является основоположником патологической анатомии.

Однако, ряд выводов Р. Вирхова оказались ошибочными и закономерно встретили возражения со стороны современников. По Р. Вирхову патологический процесс в организме представляет собой сумму нарушений жизнедеятельности отдельных клеток, это локальный процесс. Р. Вирхов и его последователи не видели также качественных отличий между частью и целым, рассматривая организм вне его исторического развития и условий существования. Эту идею Р. Вирхова обоснованно критиковали И.М. Сеченов, C.П. Боткин, И.П. Павлов, которые показали, что организм – единое целое и интеграция его частей осуществляется прежде всего ЦНС.

Благодаря исследованиям Т. Шванна, М. Шлейдена, Р. Вирхова, Т. Моргана, С.Г. Навашина, Н.К. Кольцова, Д.Н. Насонова и др., клетку рассматривают как наименьшую элементарную единицу живого, которой свойственны такие признаки, как метаболизм, воспроизведение, реактивность и изменчивость.

Клеточная теория, основные этапы ее развития. Современное состояние клеточной теории.

Современная клеточная теория включает следующие положения:

1. Клетка – основная структурно-функциональная и генетическая единица живого.

2. Клетки одно- и многоклеточных организмов сходны по строению, химическому составу и проявлению жизнедеятельности.

3. Размножение клеток осуществляется путем деления исходной (материнской) клетки.

4. Клетки многоклеточных организмов специализируются по функциям и образуют ткани и органы.

5. Единое целое организма и интеграция его частей осуществляется, прежде всего, ЦНС.

6. В основе непрерывности, единства и разнообразия органического мира лежат обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость и раздражимость клеток.

Значение клеточной теории:

- доказательство морфологической основы единства живой природы;

- общебиологическое объяснение живой природы;

- доказательство эволюционных процессов.

Доклеточные формы живого.

Жизненные формы организмов:

1. Доклеточные – царство вирусов.

2. Клеточные: прокариоты – царства бактерий и цианобактерий,

эукариоты – царства растений, животных и грибов.

Большинство живых организмов состоит из клеток. Однако имеются неклеточные формы жизни – вирусы. С возникновением клетки живые системы приобретают способность к самостоятельному обмену веществ и размножению. Усложнение их организации связано с появлением клеточной, а затем ядерной мембраны и увеличением молекулярной массы ДНК.

Особенности строения прокариотической клетки.

Прокариоты – одноклеточные доядерные организмы. Наследственный аппарат представлен одной молекулой ДНК кольцевой формы. ДНК вместе с белками формирует в бактериальной клетке особый комплекс – нуклеоид. Прокариоты являются гаплоидами. Молекулярная масса ДНК соответствует приблизительно 2000 структурных генов. Клетка ограничена двойной плазматической мембраной (наружной и внутренней). Поверх мембраны образуется клеточная стенка. Она состоит из углевода муреина, образующего жесткую решетку. В цитоплазме отсутствуют органеллы мембранного строения. Их функцию выполняют впячивания внутренней мембраны – мезосомы. В цитоплазме имеются рибосомы. Бактерии могут содержаться мелкие молекулы ДНК (плазмиды). Фотосинтезирующие бактерии имеют фотомембраны. Запасные питательные вещества представлены углеводами.

Структурные компоненты клеток эукариот: плазматическая мембрана, цитоплазма, ядро. Их строение. Классификация органоидов и включений.

Эукариотические клетки имеют обособленное ядро, наружную биологическую мембрану – плазмолемму и цитоплазму с органеллами и включениями.

Плазмолемма отделяет содержимое клетки от внешней среды и регулирует движение ионов и макромолекул в клетку и из нее. Плазмолемма имеет жидкостно-мозаичное строение (модель Сингера). Она состоит из двойного фосфолипидного слоя, белков и полисахаридов. Молекулы фосфолипидов представлены неполярными гидрофобными концами и полярными гидрофильными головками, обращенными к внешней среде. Белки расположены мозаично: поверхностные, погруженные и пронизывающие.

На поверхности мембраны находятся олигосахаридные цепи, состоящие из моносахаридных остатков. Их функции:

• распознавание внешних сигналов;

• контакт клеток и образование тканей;

• иммунный ответ.

Клетки растений имеют целлюлозную, а грибов – хитиновую оболочки поверх плазмолеммы. На наружной поверхности плазмолеммы животных клеток находится полисахаридный слой – гликокаликс.

Химический состав клеточной мембраны следующий:

1) белки – 55% (из них до 200 ферментов);

2) липиды – 35%;

3) углеводы – 5-10% (в соединении с простыми или сложными белками).

Функции липидов мембран: структурная, барьерная.

Функции белков мембран: структурная, ферментативная, рецепторная, транспортная.

Функция гликопротеидов – рецепторная.

Свойства мембран: пластичность, полупроницаемость, динамичность.

Функции мембран:

1) структурная (входят в состав большинства органоидов);

2) барьерная (поддерживает постоянство химического состава) и защитная;

3) регуляторная (регуляция обменных процессов);

4) рецепторная;

5) транспортная.

Через плазмолемму осуществляется транспорт веществ в клетку. Транспорт бывает пассивный и активный.

1. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии, по градиенту концентрации. Это может быть: диффузия газов, осмотическое движение воды, облегченная диффузия веществ (аминокислот, сахаров, жирных кислот) посредством белков-переносчиков.

2. Активный транспорт идет против градиента концентрации, с затратой энергии. Для него необходимо наличие специальных ионных каналов, ферментов и АТФ. Так работает натрий-калиевый насос. Концентрация калия в клетке выше, чем в околоклеточном пространстве, и, тем не менее, ионы калия поступают в клетку, а ионы натрия выводятся наружу. Ионы натрия формируют на поверхности мембраны положительный заряд, внутри клетки заряд отрицательный по отношению к среде. На каждые 2 поступающие иона К⁺ из клетки выводится 3 иона Na⁺. Заряд на мембране обеспечивает передачу нервного импульса, всасывание питательных веществ ворсинками кишечника, адсорбцию в почечных канальцах.

Mg²⁺/Ca²⁺ насос обеспечивает мышечные сокращения.

Крупномолекулярные соединения белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов проникают внутрь клетки путем эндоцитоза. Различают два вида эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз – захватывание мембранной твердых частиц. При этом внутри клетки при участии лизосом образуется пищеварительная вакуоль. Пиноцитоз – поступление жидкостей в клетку.

Выделение из клетки веществ, заключенных в мембрану, называется экзоцитозом.

Поступившие в клетку вещества могут использоваться:

1) для синтеза веществ, необходимых самой клетке (анаболическая система);

2) как источник энергии (катаболическая система).

Цитоплазма – живое содержимое клетки без ядра. В цитоплазме различают гиалоплазму, органеллы и включения.

Гиалоплазма является основным веществом клетки, с которым связаны коллоидные свойства цитоплазмы, ее вязкость, эластичность, сократимость и внутреннее движение. Гиалоплазма состоит из двух фаз: жидкой и твердой. Жидкая фаза представлена коллоидным раствором белков, углеводов, нуклеотидов и ионов неорганических веществ. Твердая фаза представлена микротрабекулярной системой, микротрубочками и микрофиламентами (фибриллы), которые образуют цитоскелет клетки.

Органеллы – это специализированные постоянные компоненты цитоплазмы, обладающие определенным строением и выполняющие ту или иную функцию в жизнедеятельности клетки. Органеллы подразделяют на две группы: общего и специального назначения.