Основы биологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы биологии

Клетка - это единая живая система, состоящая из двух неразрывно связанных частей - цитоплазмы и ядра

Цитоплазма - это внутренняя полужидкая среда, в которой расположено ядро и все органоиды клетки. Она имеет мелкозернистую структуру, пронизанную многочисленными тонкими нитями. В ней содержатся вода, растворенные соли и органические вещества. Основная функция цитоплазмы - объединять в одно целое и обеспечивать взаимодействие ядра и всех органоидов клетки.

Наружная мембрана окружает клетку тонкой пленкой, состоящей из двух слоев белка, между которыми расположен жировой слой. Она пронизана многочисленными мелкими порами, через которые осуществляется обмен ионами и молекулами между клеткой и средой. Толщина мембраны 7,5--10 нм, диаметр пор 0,8--1 нм. У растений поверх нее образуется оболочка из клетчатки. Основные функции наружной мембраны - ограничивать внутреннюю среду клетки, защищать ее от повреждений, регулировать поступление ионов и молекул, выводить продукты обмена и синтезируемые вещества (секреты), соединять клетки и ткани (за счет выростов и складок). Наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку крупных частиц путем фагоцитоза (см. разделы в "Зоологии" - "Простейшие", в "Анатомии" - "Кровь"). Аналогичным образом происходит поглощение клеткой капель жидкости - пиноцитоз (от греч. "пино" - пью).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это состоящая из мембран сложная система каналов и полостей, пронизывающих всю цитоплазму. ЭПС бывает двух типов - гранулированная (шероховатая) и гладкая. На мембранах гранулированной сети располагается множество мельчайших телец - рибосом; в гладкой сети их нет. Основная функция ЭПС - участие в синтезе, накоплении и транспортировке основных органических веществ, вырабатываемых клеткой. Белок синтезируется в гранулированной, а углеводы и жиры - в гладкой ЭПС.

Рибосомы - мелкие тельца, диаметром 15--20 нм, состоящие из двух частиц. В каждой клетке их сотни тысяч. Большинство рибосом располагаются на мембранах гранулированной ЭПС, а часть - в цитоплазме. В их состав входят белки и р-РНК. Основная функция рибосом - синтез белка.

Митохондрии - это мелкие тельца, размером 0,2--0,7 мкм. Их количество в клетке достигает нескольких тысяч. Они часто меняют форму, размеры и местоположение в цитоплазме, перемещаясь в наиболее активную их часть. Внешний покров митохондрии состоит из двух трехслойных мембран. Наружная мембрана гладкая, внутренняя - образует многочисленные выросты, на которых располагаются дыхательные ферменты. Внутренняя полость митохондрий заполнена жидкостью, в которой размещаются рибосомы, ДНК и РНК. Новые митохондрии образуются при делении старых. Основная функция митохондрий - синтез АТФ. В них синтезируется небольшое количество белков, ДНК и РНК.

Пластиды свойственны только клеткам растений. Различают три вида пластид - хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Они способны к взаимному переходу друг в друга. Размножаются пластиды путем деления.

Хлоропласты (60) имеют зеленый цвет, овальную форму. Размер их 4--6 мкм. С поверхности каждый хлоропласт ограничен двумя трехслойными мембранами - наружной и внутренней. Внутри он заполнен жидкостью, в которой располагаются несколько десятков особых, связанных между собой цилиндрических структур - гран, а также рибосомы, ДНК и РНК. Каждая грана состоит из нескольких десятков наложенных друг на друга плоских мешочков из мембран. На поперечном разрезе она имеет округлую форму, диаметр ее 1 мкм. В гранах сосредоточен весь хлорофилл, в них происходит процесс фотосинтеза. Образующиеся при этом углеводы вначале скапливаются в хлоропласте, затем поступают в цитоплазму, а из нее - в другие части растения.

Хромопласты определяют красную, оранжевую и желтую окраску цветов, плодов и осенних листьев. Они имеют форму многогранных кристаллов, расположенных в цитоплазме клетки.

Лейкопласты бесцветны. Они содержатся в неокрашенных частях растений (стеблях, клубнях, корнях), имеют округлую или палочковидную форму (размером 5--6 мкм). В них откладываются запасные вещества.

Клеточный центр обнаружен в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух маленьких цилиндров - центриолей (диаметром около 1 мкм), расположенных перпендикулярно друг другу. Стенки их состоят из коротких трубочек, полость заполнена полужидким веществом. Основная их роль - образование веретена деления и равномерное распределение хромосом по дочерним клеткам.

Комплекс Гольджи получил название по имени итальянского ученого, впервые открывшего его в нервных клетках. Он имеет разнообразную форму и состоит из ограниченных мембранами полостей, отходящих от них трубочек и расположенных на их концах пузырьков. Основная функция - накопление и выведение органических веществ, синтезируемых в эндоплазматической сети, образование лизосом.

Лизосомы - округлые тельца диаметром около 1 мкм. С поверхности лизосома ограничена трехслойной мембраной, внутри ее находится комплекс ферментов, способных расщеплять углеводы, жиры и белки. В клетке имеется несколько десятков лизосом. Новые лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Их основная функция - переваривание пищи, попавшей в клетку путем фагоцитоза, и удаление отмерших органоидов.

Органоиды движения - жгу тики и реснички - представляют собой выросты клетки и имеют однотипное строение у животных и растений (общность их происхождения). Движение многоклеточных животных обеспечивается сокращениями мышц. Основной структурной единицей мышечной клетки являются миофибриллы - тонкие нити длиной более 1 см, диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна.

Клеточные включения - углеводы, жиры и белки - относятся к непостоянным компонентам клетки. Они периодически синтезируются, накапливаются в цитоплазме в качестве запасных веществ и используются в процессе жизнедеятельности организма.

Углеводы концентрируются в зернах крахмала (у растений) и гликогена (у животных). Их много в клетках печени, клубнях картофеля и других органах. Жиры накапливаются в виде капель в семенах растений, подкожной клетчатке, соединительной ткани и т. д. Белки откладываются в виде зерен в яйцеклетках животных, семенах растений и других органах.

Ядро - один из важнейших органоидов клетки. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух трехслойных мембран, между которыми располагается узкая полоска из полужидкого вещества. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки и углеводы. Ядрышко - округлое тельце размером от 1 до 10 мкм и более; в нем синтезируется РНК. Хромосомы видны только в делящихся клетках. В интерфазном (неделящемся) ядре они присутствуют в виде тонких длинных нитей хроматина (соединения ДНК с белком). В них заключена наследственная информация. Число и форма хромосом у каждого вида животных и растений строго определенные. Соматические клетки, из которых состоят все органы и ткани, содержат диплоидный (двойной) набор хромосом (2 n); половые клетки (гаметы) - гаплоидный (одинарный) набор хромосом (n). Диплоидный набор хромосом в ядре соматической клетки создается из парных (одинаковых),гомологичных хромосом. Хромосомы разных пар (негомологичные) отличаются друг от друга по форме, месту расположения центромеры и вторичных перетяжек.

Прокариоты - это организмы с мелкими, примитивно устроенными клетками, без четко выраженного ядра. К ним относятся сине-зеленые водоросли, бактерии, фаги и вирусы. Вирусы представляют собой молекулы ДНК или РНК, покрытые белковой оболочкой. Они так малы, что их можно разглядеть только в электронный микроскоп. У них отсутствуют цитоплазма, митохондрии и рибосомы, поэтому они не способны синтезировать белок и энергию, необходимые для их жизнедеятельности. Попав в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию, они нормально развиваются.

Эукариоты - организмы с более крупными типичными клетками, содержащие все основные органоиды: ядро, эндоплазматическую сеть, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы и другие. К эукариотам относятся все остальные растительные и животные организмы. Их клетки имеют сходный тип строения, что убедительно доказывает единство их происхождения.

ВКЛЮЧЕНИЯ КЛЕТКИ, компоненты цитоплазмы, представляющие собой отложения веществ, временно выведенных из обмена или конечных его продуктов. Специфика включений клетки связана со специализацией соответствующих клеток, тканей и органов. Наиболее распространены трофические включения клетки - капли жира, глыбки гликогена, желток в яйцах. В растительных клетках включения представлены главным образом крахмальными и алейроновыми зёрнами и липидными каплями. К включениям клетки относят также секреторные гранулы в железистых клетках животных, кристаллы некоторых солей (главным образом оксалат кальция) в клетках растений. Особый вид включений клетки - остаточные тельца - продукты деятельности лизосом.

Закономерности поступления веществ в клетку.

Явления проницаемости

Процессы, связанные с проникновением в клетку и удалением из нее ионов и молекул, получили общее название проницаемости. Концентрация ионов большинства веществ в клетке иная, чем в омывающей их среде, которая может быть тканевой жидкостью, кровью, морской или пресной водой. Например, по данным А.С. Трошина (1956), концентрация ионов Na+ (в миллимикронах на 100 г ткани) в плазме крови лягушки составляет 10,4, в седалищном нерве - 6,2, в мышце - 2,5. В отношении ионов К+ картина противоположная: в плазме крови - ОД в нерве - 4,8, в мышце - 8,3. Такие различия между клеткой и омывающей ее средой характерны для многих ионов и органических веществ. Они показывают, что отношение клетки к окружающим ее веществам избирательно: одни проникают в нее, другие - нет. Изучение проницаемости имеет не только теоретический интерес, но и большое значение для практической медицины. С явлениями проницаемости связано поступление в клетку веществ, поддерживающих процессы жизнедеятельности, образующих клеточные структуры, а также лекарств, ядов, наркотиков и т. п. клетка цитоплазма ядро

Установлено, что проницаемость в отношении одних веществ осуществляется пассивно, в отношении других - активно. Кроме того, поглощение крупных частиц может происходить путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Осмотические свойства клетки

Многие растворы поступают в клетку осмотически. Осмосом (от греч. osmos - давление) называется одностороннее проникновение воды через полупроницаемую оболочку. Его можно наблюдать, если два раствора различной концентрации разъединить полупроницаемой перегородкой, доступной для воды, но не пропускающей растворенного вещества. Вода с определенной силой, зависящей от разности концентраций, станет притягиваться более насыщенным раствором из более разбавленного. Возникающее давление на полупроницаемую мембрану получило название осмотического давления. Начало исследованию осмотических свойств клеток положено крупным голландским ботаником Г. де Фризом (1848-1935), отрывшим тургор у растений. Опыты де Фриза, по заявлению ван Гоффа, легли в основу теории осмотического давления, разработанной этим известным физиком.

Клетки животных и растений содержат растворы солей и других осмотически активных веществ (Сахаров, мочевины). Этим обусловлено определенное осмотическое давление. В клетках наземных животных оно составляет около 8 атм., у морских беспозвоночных увеличивается до 38 атм. Растительные клетки обычно имеют осмотическое давление от 5 до 20 атм., но в некоторых случаях оно может достигать 100 и даже 140 атм. Здесь основное значение имеют условия существования, а не систематическое положение. У представителей одного вида, произрастающих в разных условиях, различное осмотическое давление клеточного сока.

Растворы, в которых осмотическое давление такое же, как и в клетках, получили название изотонических. При погружении клеток в изотонические растворы объем их остается неизменным. Изотонические растворы солей называются физиологическими. Для различных объектов концентрация поваренной соли в физиологическом растворе не одинакова. Так, для животных из класса земноводных она равна 0,75% раствору NaCl, для млекопитающих - 0,9%, для насекомых- 1%, а для морских беспозвоночных она соответствует концентрации солей в морской воде - 3% NaCl. Физиологическими растворами и другими изотоническими жидкостями пользуются в медицине. Их применяют при сильном обезвоживании и потере крови больными.

Раствор, осмотическое давление которого выше, чем в клетках, называется гипертоническим. Растительные клетки, погруженные в такой раствор, начинают терять воду, протоплазма клетки сжимается и отслаивается от оболочки. Это явление называется плазмолизом (рис 20). При уменьшении осмотического давления в растительных клетках падает тургор. Под тургором понимается напряженное состояние оболочек клеток, вызываемое давлением на них изнутри. Растение, в клетках которого снижен тургор, становится дряблым. Это явление легко проследить на сорванных и увядающих растениях и их плодах. При некоторых заболеваниях, например при холере, в результате сильного обезвоживания клеток больного все его тело становится дряблым, кожа - "тестообразной".

В хирургии при лечении инфицированных ран широко применяется гипертонический раствор попаренной соли. Марлевая повязка, смоченная Гипертоническим раствором, хорошо впитывает гной, что способствует заживлению ран.

Противоположная плазмолизу картина наблюдается при погружении растительных клеток в гипотонический раствор. В этом растворе осмотическое давление меньше, чем в клетках. Вода начинает устремляться в клетку, клетка набухает, давление на оболочки становится больше, тургор увеличивается. При значительной разнице осмотического давления клетка может лопнуть.

Изолированные животные клетки в гипотонических растворах разрушаются. То же произойдет с эритроцитами, если ввести в кровь человека "ли животного гипотонический раствор. Они сначала набухают, а затем их наружная мембрана разрывается (рис. 21).

Наружный слой клетки, т. е. ее мембрана, пропускает не только воду, но и в какой-то мере растворенные в ней вещества. Живая клетка активно регулирует осмотическое давление, изменяя концентрации осмотически активных веществ. У одноклеточных животных, обитающих в пресной воде, выработались специальные приспособления (пульсирующие вакуоли), удаляющие из клеток избыточную воду. Одноклеточные организмы, не имеющие пульсирующих вакуолей, излишнюю воду удаляют через клеточную мембрану. У высших животных осмотическое давление в целом организме регулируется системой органов выделения (почками).

Транспорт веществ в клетке и через мембраны

В клетке вещества перемещаются преимущественно в мембранных "контейнерах". Обеспечивают этот процесс специальные белки - рецепторы мембран комплекса Гольджи. Транспорт веществ через биологические мембраны, в частности через плазмолему, является одной из важнейших функций живых клеток. Существует два типа такого транспорта - пассивный и активный.

Пассивный транспорт веществ осуществляется без затрат энергии, активный транспорт является энергозависимые.

Пассивный транспорт нейтральных молекул осуществляется по градиенту концентрации путем диффузии, когда вещество перемещается из зоны с ее высокой концентрацией в зону низкой концентрации. Диффузия (Диффузия - пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос - пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят) может быть нейтральной, когда незаряженные молекулы проходят везде каналы (поры) плазмолемы. Облегченная диффузия происходит при участии специфических мембранных белков - переносчиков, связывающих вещество и перемещают ее через клеточную мембрану. Такая диффузия значительно быстрее, чем нейтральная. Пассивный транспорт заряженных молекул и ионов зависит от разности потенциалов на поверхностях плазмолемы. Преимущественно внутренняя поверхность плазмолемы имеет отрицательный заряд, что способствует проникновению в клетку положительно заряженных ионов.

Активный транспорт молекул через биологические мембраны осуществляют только специальные белки - переносчики, которые вмонтированы в мембраны. Для этого процесса расходуется энергия, высвобождается при гидролизе АТФ, а также за счет разности потенциалов на противоположных поверхностях мембраны. Активный транспорт веществ через биологические мембраны проходит против градиента концентрации. Разница мембранного потенциала поддерживается с помощью калиево - натриевого насоса. Активным белком - переносчиком в этом процессе является фермент АТФ-аза, которая переносит против градиента концентрации ионы калия в клетку, а ионы натрия - в внеклеточный пространство. АТФ-аза также активно переносит аминокислоты и сахара.

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ПОТОК ЭНЕРГИИ

Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения --тброжением, фото- или хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического "топлива" в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного "топлива" в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения (например, креатинфосфат), в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы - химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, ре-гуляторную. Макроэргическим называют соединение, в химических связях которого запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических процессах. Универсальным соединением такого рода служит АТФ. Основное количество энергии заключено в связи, присоединяющей третий остаток фосфорной кислоты.

Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы - анаэробный гликолиз. Из двух механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки энергией, анаэробный гликолиз менее эффективен. В связи с неполным (в отсутствие кислорода) окислением, прежде всего глюкозы, в процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии. Недоокисленные продукты гликолиза (пируват) поступают в митохондрий, где в условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию.

Из преобразователей энергии химических связей АТФ в работу наиболее изучена механохимическая система поперечно-полосатой мышцы. Она состоит из сократительных белков (актомиозиновый комплекс) и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии.

Особенность потока энергии растительной клетки состоит в наличии фотосинтеза - механизма преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Механизмы энергообеспечения клетки отличаются эффективностью. Коэффициенты полезного действия хлоропласта и митохондрий, достигая соответственно 25 и 45--60%, существенно превосходят аналогичный показатель паровой машины (8%) или двигателя внутреннего сгорания

Размещено на Allbest.ru