Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов), обладающая всеми свойствами живого. Впервые в 1665 г. Р. Гук на срезах пробкового дерева обнаружил крошечные ячейки, которые назвал клетками. В 1675 г. М. Мальпиги, а в 1681 г. Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. А. Левенгук впервые рассмотрел животные клетки — эритроциты и сперматозоиды. В 1802-1808 гг. Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 г. определил клеточное строение и животных организмов. В 1831 г. Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки. В 1839 г. Т. Шванном и М. Шлейденом сформирована клеточная теория строения организмов, которая содержала три положения. В 1858 г. Р. Вирхов дополнил её ещё одним.
Клеточная теория
Положения клеточной теории:
- Клетка — целостная элементарная живая система, состоящая из органелл, основа строения и развития всех живых организмов, способна к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
- Клетки всех организмов построены по единому принципу, сходны по химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности.
- Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки.
- В многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы и системы органов.
Каждая клетка многоклеточного организма содержит весь геном этого организма, но отличается по уровню работы отдельных генов, что приводит к их разнообразию.
Все клетки делятся на два надцарства: прокариоты (доядерные) — не имеют оформленного клеточного ядра (бактерии, археи); эукариоты (ядерные) — имеют оформленное клеточное ядро (растения, животные, грибы).
Общие структуры для клеток эукариот (растений и животных):
- Ядро — двухмембранный органоид, обеспечивает хранение наследственной информации в виде хромосом и синтез РНК.
- Хромосомы — нуклеопротеиновый комплекс, состоящий из ДНК, гистонов и гистоноподобных белков.
- Цитоплазма — внутренняя среда клетки.
- Гиалоплазма — истинная внутренняя среда клетки, объединяет все органеллы и обеспечивает их взаимодействие. Существует в двух состояниях: золеобразном (жидком) и гелеобразном, которые взаимно переходят одно в другое благодаря цитоскелету.
- Цитоскелет — опорно-двигательная система клетки, клеточный каркас. Динамичная изменяющаяся структура, обеспечивающая поддержание и адаптацию формы клетки ко внешним воздействиям, экзо- и эндоцитоз, клеточное деление и др.
- Включения — относительно непостоянные компоненты цитоплазмы. Выделяют: запасные питательные вещества (капли жира, гранулы крахмала или гликогена), продукты, которые подлежат выделению из клетки, балластные вещества.
- Клеточная мембрана (плазмолемма) состоит из слоёв (наружный и внутренний — белки, средний — бислой липидов (фосфолипидов)). Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») части. Гидрофобные участки молекул обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. Включает различные белки: интегральные, полуинтегральные, поверхностные (расположенные на поверхности мембраны). Функции — барьерная, транспортная, механическая, рецепторная и др.
- Митохондрии — двухмембранные структуры; обеспечивают синтез АТФ, участвуют в превращении энергии, содержат собственную ДНК.
- Аппарат Гольджи — стопка дискообразных мембранных цистерн (диктиосом); обеспечивают выведение веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме.
- Эндоплазматический ретикулум — синтез и транспорт белков и липидов.
- Рибосомы состоят из двух субъединиц, образованных р-РНК, участвуют в синтезе белка (трансляция).
- Лизосомы — шаровидные тельца, образующиеся в аппарате Гольджи; обеспечивают расщепление органических веществ.
- Пластиды (характерны только растениям) — двухмембранные структуры; содержат собственную ДНК, участвуют в фотосинтезе (хлоропласты), накоплении крахмала (лейкопласты), окраске плодов и цветков (хромопласты).
- Вакуоли (характерны растениям и некоторым грибам) — участки гиалоплазмы; накапливают клеточный сок, поддерживают тургор клеток.
- Центриоль (характерны животным, некоторым грибам) образует веретено деления.
- Клеточная стенка (основной компонент у растений — целлюлоза, у грибов — хитин) — полисахаридная жёсткая оболочка клетки, расположенная снаружи от плазмолеммы и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции.
- Контакты между клетками, связь клеток в ткани, транспорт веществ у растений и грибов обеспечивают плазмодесмы, у животных — десмосомы.
- Резервным энергетическим веществом клетки (запасной углевод) у растений служит крахмал, у животных и грибов — гликоген.
Вещества клетки
Химические элементы клеток входят в состав неорганических и органических веществ живых организмов и подразделяются на три группы: макроэлементы (кислород, углерод, водород, азот, составляющие в сумме 98 % содержимого клетки), микроэлементы (магний, натрий, калий, железо, кальций; на их долю приходится 1,9 %), ультрамикроэлементы (цинк, медь, йод и др. — менее 0,1 %).
Неорганические вещества — вода и минеральные соли. Содержание воды (40-95 %) зависит от физиологической активности клетки. По отношению к воде вещества делятся на гидрофильные (растворимые: минеральные соли, щёлочи, кислоты и др.) и гидрофобные (нерастворимые: крахмал, жиры и др.). Минеральные соли (около 5 %) поддерживают кислотно-щелочное равновесие и тургор клеточных оболочек, влияют на возбудимость нервной системы и мышечных тканей, активируют ферменты.
Органические вещества — класс химических соединений, в состав которых входит углерод (белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, АТФ).
Белки состоят из остатков аминокислот. Различают простые (альбумины, глобулины, гистоны) и сложные белки: белки, объединённые с углеводами, называются гликопротеиды, с жирами — липопротеиды, с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеиды. Аминокислоты (всего 20 шт.) состоят из углеродного радикала, карбоксильной группы и аминогруппы. Обладают и кислотными, и щелочными свойствами. Соединение двух аминокислот — дипептид, трёх — трипептид, нескольких — полипептид, несколько полипептидов — белковая молекула. Различают следующие структуры белковой молекулы: первичную (линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи), вторичную (обуславливается водородными связями между двумя пептидными группами одной (спиральная конфигурация) или двух (складчатая) цепей), третичную (преобразование спиральных и неспиральных участков полипептида при помощи ковалентных (двусульфидных), ионных, водородных связей в трёхмерное образование (глобула)) и четвертичную (объединение нескольких белковых молекул в единую систему (например, гемоглобин)). Процесс разрушения структуры белка под влиянием химических и физических факторов называется денатурация.
Функции белков:
- Структурная — строительный материал мембран, хромосом, цитоплазмы, цитоскелета (актин, тубулин); участвуют в изменении формы клеток.
- Двигательная (моторная) — моторные белки обеспечивают движения организма (сокращение мышц, перемещение клеток внутри организма (лейкоциты), движение ресничек и жгутиков, внутриклеточный транспорт).
- Каталитическая (ферментативная) — катализируют химические реакции синтеза и распада веществ.
- Рецепторная — белки-рецепторы воспринимают сигнал, служат ионными каналами, связывают внутриклеточные молекулы-посредники.
- Сигнальная — способность белков (гормоны, цитокинины) передавать сигналы между клетками, тканями, органами и организмами.
- Защитная — физическая защита (например, свёртывание крови), химическая защита (связывание токсинов (детоксикация), например, ферменты печени), иммунная защита (образование антител на антигены).
- Транспортная — перенос органических и неорганических веществ (гемоглобин), а также транспорт малых молекул через мембрану клетки.
- Энергетическая, или запасная, — резервные белки как источник энергии (1 г белка — 4,2 ккал).
- Регуляторная — регулируют клеточный цикл, активность других ферментов.
Углеводы — органические соединения углерода, водорода и кислорода. Различают моносахариды (простые сахара, состоящие из трёх или более атомов углерода, — глюкоза, фруктоза, рибоза и др.), дисахариды (образуются из двух молекул моносахаридов — сахароза, лактоза и др.), полисахариды (сложные углеводы, состоят из множества моносахаридов — крахмал, гликоген, целлюлоза).
Функции углеводов:
- Структурная и опорная — участвуют в построении опорных структур (целлюлоза, хитин).
- Защитная — защитные образования растений (шипы, колючки и др.).
- Пластическая — входят в состав сложных молекул (рибоза, дезоксирибоза), участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.
- Энергетическая — источник энергии (1 г углеводов — 4,2 ккал и 0,4 г воды).
- Запасающая — в качестве запасных питательных веществ (гликоген, крахмал).
- Осмотическая — регуляция осмотического давления в организме; рецепторная — в составе воспринимающей части клеточных рецепторов.
Жиры, или липиды, — сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Различают простые липиды (состоят из С, H и O) и сложные (состоят из простых липидов и других химических элементов (Р, S, N). Простые липиды, объединённые с белками, — липопротеиды, с углеводами — гликопротеиды, с остатками фосфорной кислоты — фосфолипиды.
Функции липидов:
- Энергетическая — основной источник энергии в клетке (1 г жира — 9,0 ккал).
- Структурная — входят в состав клеточных мембран, нервных клеток и др.
- Регуляторная — регулирование жизнедеятельности отдельных клеток и организма (стероидные гормоны, жирорастворимые витамины (A, D, E, K)).
- Защитная — защита внутренних органов от повреждений при ударах.
- Функция теплоизоляции — откладываются в подкожной клетчатке, уменьшают потери тепла.
Нуклеиновые кислоты (НК) — высокомолекулярные органические соединения, хранящие, передающие и реализующие наследственную информацию. Мономером нуклеиновой кислоты является нуклеотид.
ДНК: остаток фосфорной кислоты, дезоксирибоза, азотистое основание (аде- нин — А, гуанин — Г, цитозин — Ц, тимин — Т); есть в ядре клетки, матриксе митохондрий и пластид, хранитель наследственной информации; двойная спираль (1953 г. — Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель ДНК).
РНК: остаток фосфорной кислоты, рибоза, азотистое основание (аденин — А, гуанин — Г, цитозин — Ц, урацил — У); информационная (и-РНК) и транспортная (т-РНК) — синтез белка, рибосомальная (р-РНК) — одинарная нить.
«Правило Чаргаффа» — а/т = = Г/Ц = 1: у каждого организма в ДНК с различным нуклеотидным составом отношения A/T и Г/Ц всегда равны единице; А + Г = Ц + Т, т. е. количество пуринов в ДНК равно количеству пиримидинов; A + Ц = = Г + T, т. е. количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6.
Нуклеотиды соединяются в цепочку при помощи ковалентных связей между углеродом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.
Репликация ДНК — процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на матрице родительской ДНК. Молекула ДНК разделяется на моноспирали (разрыв водородных связей между азотистыми основаниями двух цепей), после чего к каждому основанию, потерявшему партнёра, присоединяется комплементарное основание. Дочерние молекулы получаются точными копиями родительской молекулы. При этом одна цепь оставалась от материнской ДНК, а вторая синтезировалась заново. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликация проходит в три этапа: инициация, элонгация, терминация.
