Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

 

 

МИНОБРНАУКИ РОССИи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ АКАДЕМИКА И.Г. ПЕТРОВСКОГО»

(БГУ)

Институт экономики и права

Финансово-экономический факультет

 

 

Группа №3

 

 

РЕФЕРАТ

Тема: «Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии»

Студентка Голованова Людмила Васильевна

 

 

 

Научный руководитель:

профессор ПРОСЯННИКОВ Е. В.

 

 

 

 

 

 

Брянск, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….3

НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕТКИ……………………………………………………...4

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ………………………………………………………….6

ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ………………………………………………...……10

         ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ……………………………………………………………...18

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Все живое состоит из клеток. Поэтому, чтобы ответить на кардинальный вопрос - что же такое жизнь, надо понять, в том числе, как работает живая клетка, из чего она состоит и как устроены отдельные ее элементы.

Сейчас является уже надежно установленным, что все живое состоит из клеток как дискретных единиц, подобно тому, как неживое вещество - из дискретных атомов и молекул, и развивается из клеток. В этом смысле клетка как мельчайшая единица, которую можно считать еще живой, - атом жизни. Правда, жизнь может существовать и во внеклеточной форме - в виде вирусов. Вирусы - это совокупность макромолекул размером 20-300 нанометров. Они состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, называемой капсидом. Вирусы видоспецифичны, размножаются только в живых клетках - хозяевах, значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению. Поэтому именно клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма.

Цель данной работы состоит в том, чтобы изучить и рассмотреть клетку как «элементарную частицу молекулярной биологии».

 В связи с этим  задачами данного реферата являются:

-изучить роль клеток для живого организма;

- рассмотреть строение клетки;

-изучить процессы, происходящие  в клетке в процессе её жизнедеятельности.

 

 

 

 

 

 

НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕТКИ

 

Роль клеток для живого организма состоит в том, что каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма. Причем этот носитель жизни «подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом». (Бочкарев А.И, Концепции современного естествознания. - Тольятти,  ТГУС, 2008. – 246 с.). Элементарные явления на этом уровне организации биологических структур обусловлены процессами обмена веществ. Благодаря деятельности клеток, поступающие из окружающей среды вещества превращаются в субстраты, энергию и информацию, которые усваиваются в процессе биосинтеза белков в соответствии с генной программой  ДНК.

Таким образом, на клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. И поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Заметим также, что целевой функцией клетки является сохранение ее под воздействием внешней среды, ее устойчивость как «единицы жизни», стремление поддержать стабильность протекающих в ней процессов. В настоящее время на Земле насчитывается свыше 4 млн. видов клеточных организмов. Средний размер животной соматической клетки 10-20 мкм в диаметре, растительной - 30-50 мкм, масса клетки около 10-8-10-9 г. Число клеток у примитивных беспозвоночных 102-104г, у высокоорганизованных животных – до 1015-1017г.

На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Минимальная жизнедеятельность клеток человека 1-2 дня. Ежедневно погибает до 70 млрд. клеток кишечного эпителия и 2 млрд. эритроцитов. Клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. Мы знаем почти поговорку: «берегите нервы - нервные клетки (нейроны) не восстанавливаются». Да, они не размножаются, но на протяжении всей жизни непрерывно перестраиваются. И этот процесс можно сравнить на бытовом уровне с нашей жизнью в течение долгого времени в одном доме, но в котором мы многократно изменяем обстановку.

Клетке присущи все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления (самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в целом самоорганизация. Тем самым она обладает как бы полнотой свойств жизни. Это позволяет клетке как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде. Клетки всех живых организмов имеют похожий химический состав и сходное строение. Как мы уже знаем, никаких особых, характерных для живого, атомов нет.

Надо заметить, что могут быть простейшие одноклеточные организмы (бактерии, некоторые водоросли и грибы) и многоклеточные (большинство животных и растений). Многоклеточные организмы содержат до нескольких тысяч клеток, исполняющих разные функции, и отличаются по своей структуре. Таким образом, многоклеточные организмы - организованные совокупности клеток, различных по форме и функциям, - являются дифференцированными и дискретными системами. Однако организация клеток в организме построена по единому структурному признаку. А сама клетка является элементарной единицей на клеточном уровне организации живого.

 

 

 

 

 

 

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

 

Клетки животных и растений различаются, но для «обобщенной» клетки можно выделить три главные части: цитоплазму, клеточную, или плазматическую, мембрану, отделяющую цитоплазму от окружающей среды, и клеточное ядро. Живое вещество клетки - протоплазма - представляет собой студнеобразную массу и содержит множество структурных элементов меньшего размера, чем сама клетка, которые называются органеллами. Наружной частью протоплазмы является клеточная мембрана, а внутренней частью - цитоплазма. Состав цитоплазмы: вода - 80%, белки и аминокислоты - 10%, углеводы - 5%.

Цитоплазму и протоплазму, как ее живую субстанцию, можно считать тем живительным микроокеаном, где процессы диссимиляции и ассимиляции обеспечивают переход от неживого к живому. Именно в ней происходит обмен веществ. Задача протоплазмы состоит в обеспечении структурной основы обмена веществ, пространственного размещения молекулярных компонентов клетки, связанных с их движением и обеспечением процессов жизнедеятельности. По существу, протоплазма является совокупностью не только материальных компонентов, содержащихся в ней, но и процессов, обеспечивающих метаболизм.

Поскольку протоплазма заполнена разными органеллами, внутриклеточными белковыми молекулами, составляющими цитоскелет, или клеточный матрикс, то можно считать ее упорядоченной структурой. Органеллы - это рабочие субстанции клетки, выполняющие те или иные функции: производят энергию или приводят клетку в движение, служат для разделения клетки на области (или выделения внутри нее областей) с разными условиями и содержат разные наборы молекул. К органеллам относятся ядра, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, митохондрии, жгутики, комплексы Гольджи, хлоропласты.

Ядро имеет полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой закодирована вся информация о данном виде, и тем самым ядро является хранителем генетической информации. Заметим, что в ряде одноклеточных организмов ядро может отсутствовать. Такие клетки называются прокариотическими. Роль хранителя генетической информации для прокариотических клеток играет нуклеотид, не имеющий оболочки и состоящий из одной ДНК. Ее размер 1-5 мкм. Клетки, имеющие четко выраженные ядра, отделенные мембраной от остальной цитоплазмы, называются эукариотическими, их размер 10-50 мкм. Размеры органелл лежат в пределах от 20 нм до 5 мкм (рибосомы ~ 20 нм, ядра, митохондрии, хлоропласты ~ 1-5 мкм).

Образное сравнение размеров клетки и содержащихся в ней веществ дает английский ученый Дж. Кендрью : «Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка имеет размер фабричного здания. Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов большие молекулы, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот даже при таком громадном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут меньше электрических проводов» (Кендрью Дж. Нить жизни. – Мир,1968.-118с).        Эндоплазматический ретикулум (ЭР) - это система внутриклеточных мембран, каналов, пузырьков, трубочек, пронизывающих цитоплазму, которые делят клетку на отдельные отсеки - компартменты. В эндоплазматическом ретикулуме синтезируются молекулы доставленного вещества для нужд самой клетки и других клеток организма. Комплекс Гольджи - характерная структура, состоящая из собранных в стопки дисковидных мембран, которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от эндоплазматического ретикулума.  С помощью этих пузырьков молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки, упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки. Таким образом, пузырьки выполняют транспортные функции внутри клетки. Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Она также прикреплена к эндоплазматическому ретикулуму  и состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНКРНК). Жгутики - белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1-20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Митохондрия представляет собой палочкообразную органеллу диаметром ~ 1 мкм и длиной около 7 мкм. Она имеет двойную мембрану. На внутренней мембране локализован фермент, ответственный за синтез аденозинтрифосфата .

Митохондрии являются «микроэнергетическими станциями» клетки: в ней происходят сложные биохимические реакции, в результате которых накапливается энергия за счет расщепления углеводов, жирных кислот, аминокислот и превращения этой энергии в аденозинтрифосфат. Он тем самым является хранилищем внутриклеточной энергии, необходимой для процессов доставки, синтеза, транспортировки и выведения молекул из клетки. Количество митохондрий в клетке - до нескольких тысяч.

 Лизосомы - органеллы, перерабатывающие  отходы, возникающие в ходе метаболических  процессов, расщепляя их на простые  продукты, которые, растворяясь, покидают  клетку через плазматическую  мембрану. Лизосомы и представляют  собой мелкие пузырьки, ограниченные  мембраной.В структуру растительной клетки дополнительно входят пластиды - хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Хлоропласт - органелла размером 5-10 мкм в диаметре, состоящая из комплекса мембран, двойной наружной и внутренних в виде стопок дисков, содержащих компоненты фотосинтезирующего аппарата. В нем имеется хлорофилл, который преобразует внешнюю световую энергию в химическую энергию АТФ, которая дальше идет на образование углерода из углекислого газа. Хромопласт содержит различные пигменты, а лейкопласты - крахмал. Все эти органеллы вместе с цитоплазмой клетки отделяются друг от друга и внешней среды плазматической мембраной, которая представляет собой полупроницаемый молекулярный барьер, контролирующий движение молекул и ионов в клетку и из клетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ

 

Чтобы клетка могла быть живой, необходимо поддерживать постоянство состава веществ в ней. Это осуществляется контролируемым обменом веществ с помощью именно мембран, которые отделяют внутреннюю среду клетки (или внутри клетки) от внешней и тем самым являются границами клетки (или ее внутренних участков и тел в ней). Прохождение веществ через мембраны осуществляется с помощью липидов с их водоотталкивающими свойствами и белков, способных связывать воду, и реализуется через физические механизмы диффузии, транспорта и осмоса.

Диффузия - это процесс перемещения молекул из областей с большей их концентрацией в сторону областей меньших концентраций или давлений. Процессы диффузии хорошо изучены в настоящее время, установлены их физические и химические закономерности, и они вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Особенно важна для биосистем диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадания его в кровь человека. Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль таможни при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие - задерживают, третьи - вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбое в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта - кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления - в клеточных процессах имеет место и активный транспорт - движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. Этот процесс осуществляется за счет разного осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны. Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации (в данном случае воды).

Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. Осмос выравнивает концентрацию раствора по обе стороны мембраны. Активный транспорт в организме, в частности, используется в так называемом натрий-калиевом насосе, который извлекает ионы натрия из клетки и накачивает ионы калия в нее, используя для этого энергию АТФ.