Клетка как элементарная живая система

 

Содержание

 

Введение 3

1. Клеточная  теория 4

2. Типы клеточной  организации 7

3. Строение клетки 9

3.1. Клеточные мембраны 10

3.2. Цитоплазма и ее  органеллы 13

3.2.1. Строение  и функции основных органелл  клетки 13

Заключение  21

Литература  22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Онтогенетический  уровень живого представлен отдельными организмами (особями). Клетки как элементарные структуры действуют как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие), а так же, как клетки многоклеточных организмов. Особенность клеточного подуровня в том, что именно с него и начинается жизнь.

Клетка — элементарная живая система и основная форма организации живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетка — это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живого.

Между клетками растений и животных нет принципиальной разницы  по строению и функциям, некоторые  отличия лишь в строении мембран и некоторых органелл. За 3 млрд. лет существования на Земле живое вещество развилось до нескольких миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Специфичность клеточного подуровня заключается в специализации клеток. В человеческом организме до 10¹⁵ клеток. Половые клетки служат для размножения, соматические (от греч. soma — тело) имеют разное строение и функции (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой, количеством поглощенного красителя. Среди живого есть одно- и многоклеточные организмы. Вирусы — неклеточные организмы, они размножаются в чужих клетках. Некоторые водоросли потеряли свое клеточное строение. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности во времени и пространстве, что связано с приуроченностью функций к различным субклеточным структурам.

 

 

 

1. Клеточная теория

 

Основу современной  биологии составляет клеточная теория, создание которой стало возможным  после изобретения в 1590г. микроскопа. Родоначальником ее считается английский ученый Роберт Гук, который ввел термин «клетка», или «ячейка» в работе «Микрография» (1665). Изучая под микроскопом срез, приготовленный из пробки и сердцевины бузины, он заметил в этом составе множество мелких образований, похожих по форме на ячейки пчелиных сот. По существу, Р. Гук наблюдал не сами клетки, а лишь оболочки клеток, и ошибочно полагал, что это и есть живое существо.

Несмотря на то, что вопрос о клеточном строении всего живого был поставлен еще в XVII в., тем не менее, лишь во второй половине прошлого века строение клеток, их функции в эволюции живого стали более ясными за счет использования сверхточных приборов исследования живого.

Клеточная теория, или цитология (от греч. kytos... — сосуд, клетка), сложилась в течение XIX в., когда появились более совершенные микроскопы (в последнее время ее чаще называют биологией клетки). Английский ботаник Р. Броун открыл ядро (1833), описав его как характерное тельце растительных клеток. Его открытие послужило толчком к другим открытиям. У клеток выделяют два уровня организации — прокариоты, не имеющие оформленного ядра, и эукариоты, у которых оно есть. Обобщил наблюдения Броуна и установил клеточную природу растительной ткани немецкий ботаник М. Шлейден. Вместе со своим другом Т. Шванном он впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех организмов и образовании клеток (1839).

Основные принципы клеточной теории были сформулированы в работе Теодора Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Все организмы состоят из одинаковых частей — клеток. Клетки образуются, растут по одним и тем же законам. Общий принцип развития для всех элементарных частей организма — это образование клеток. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, но эти индивидуумы действуют совместно, так что возникает гармоничное целое.

Чешский естествоиспытатель Я. Пуркине, открывший ядро яйцеклетки (1825) и проводивший исследования по физиологии зрительного восприятия, ввел понятие протоплазмы для клеточного содержимого (1839), когда понял, что именно оно, а не стенки клетки, является живым веществом. Позже протоплазму клетки стали разделять на цитоплазму и ядро.

«Все клетки образуются в результате деления  других клеток» — дополнил немецкий патолог и антрополог Р. Вирхов (1855) клеточную теорию Шлейдена и Шванна. Он считал, что любой организм есть совокупность живых клеток, организованных наподобие небольшого государства. И каждая клетка ведет самостоятельную жизнь. Установили, что хранение и передача наследственных признаков осуществляются с помощью клеточного ядра (Вирхов, Геккель). При большем увеличении микроскопов в клетках открыли постоянные специализированные структуры (органоиды, или органеллы) — пластиды (такие, как хлоропласта, характерные для клеток, способных к фотосинтезу) и митохондрии. В 1898 г. итальянский гистолог К. Гольджи изобрел новый метод изучения клеток через микроскоп, вводя в них соли серебра, и обнаружил в нервных клетках совы и кошки сетчатые структуры, позднее названные аппаратом Гольджи.

Основа  клеточной теории: клетка — основная структурная единица теории и единица развития живых организмов; ядро — основная составляющая клетки; клетки размножаются только делением; всем клеткам присуще мембранное строение; клеточное строение — свидетельство единого происхождения растительного и животного мира.

Приведем характеристику клетки как элементарной живой системы, предложенную А. Ленинджером.

1. Живая клетка –  это способная к саморегуляции  и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.

2. В клетке протекает  большое  количество последовательных  реакций, регуляция скорости которых  осуществляется самой клеткой.

3. Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.

4. Клетки функционируют  по принципу минимального расхода  компонентов и процессов.

5. Клетка способна  почти точно самовоспроизводиться.

В начале XX в. многие биологи повторили опыты австрийского естествоиспытателя И.Менделя, открывшего еще в 1865 г. существование индивидуальных наследственных факторов (генов). Все это способствовало развитию цитогенетики.

Современная клеточная  теория исходит из единства расчлененности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Типы  клеточной организации

 

Все клетки живых организмов подразделяются на два вида с учетом их строения и функций в живых  организмах: прокариоты (лат. pro — перед и греч. karyon — ядро), или предъядерные клетки, и эукариоты (греч. еу — полностью, хорошо и karyon — ядро) (рис.1).

 

Рис. 1. Схема организации про- и эукариотной клеток.

 

Простейшие организмы, представленные одной или небольшим  числом клеток, состоят из клеток прокариотов. Прокариоты (доядерные) - это мелкие (около 1 мкм) клетки гораздо меньше эукариотных. В клетках прокариотов нет оформленного ядра и ядерной оболочки. Генетический материал ДНК - лежит свободно в цитоплазме. Эта часть клетки носит название «нуклеотид». Прочие функциональные блоки тоже представлены небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли. Клетки бактерий и сине-зеленых водорослей не имеют мембранных органелл, присущих эукариотам (ЭР, комплекса Гольджи, митохондрий, пластид, дисозом). Единственной внутренней мембранной структурой является мезосома, о функциональном значении которой нет единого мнения. Полагают, что она участвует в процессах дыхания.

Большинство клеток прокариотов  имеют размер около 1 —5 мкм. Средний  размер эукариотической клетки имеет  диаметр около 25 мкм (1 мм—103 мкм или 109 нм). Таким образом, в эукариотическую  клетку может поместиться более 10 тысяч бактерий.

Эукариоты (с настоящим ядром) - крупные (10-50 и более мкм) клетки, в которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах (или органеллах). Все эукариотические клетки имеют одинаковое строение: ядро с оболочкой, цитоплазма с органоидами и оболочка.

Изолирующую роль для ядра и органоидов (органелл) выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности. Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амеба, инфузория и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека.

 

 

 

 

 

 

 

3. Строение клетки

 

Клетки животных и  растений (рис.2) различаются, но для них можно выделить три главные общие части:

• цитоплазму, представляющую собой коллоидную систему, содержащую, наряду с органическими ионами, продукты пластического и энергетического обмена, органеллы, а также запасные вещества и различные включения;

• клеточную,  или плазматическую,  мембрану,  отделяющую цитоплазму от окружающей среды,

•  клеточное ядро, в котором находится генетический материал клетки.

 

 

Рис.2. Строение клетки

3.1. Клеточные мембраны

 

Клеткам присуще мембранное строение — это одно из положений  клеточной теории. Среди мембранных органоидов — наружная цитоплазматическая мембрана (НЦМ), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы (Л), митохондрии (М), пластиды (П). В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана, все они имеют единый план строения. Мембранные структуры — арена важнейших жизненных процессов.

Биологическая мембрана (клеточная или плазматическая) —  пленка, покрывающая клетку, и настолько  тонкая, что ее удалось обнаружить лишь с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Все мембраны построены по одному плану, всегда слоистые. Поперечный разрез показывает, что по обе стороны внутренней, более светлой линии расположены более темные. Мембраны были открыты более века назад, но их роль в механизмах жизнедеятельности клеток до недавнего времени сводили в основном к барьерной функции. Опыты показали, что малые молекулы быстрее усваиваются живой клеткой, чем большие, и вещества, растворимые в воде и нерастворимые в жирах, проникают в клетку медленнее, чем растворимые в жирах. Значит, мембраны содержат жироподобные вещества — липиды и белки, способные связывать воду.

Клеточная мембрана, помимо барьерной функции, обеспечивает обмен  между цитоплазмой и внешней  средой, из которой в клетку поступают  вода, ионы, различные молекулы, а  выводятся продукты обмена веществ  и синтезированные в клетке вещества.

Мембрана играет важную роль: при ее повреждении клетка сразу гибнет, в то же время без  некоторых других структурных элементов  жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницаемости наружной мембраны — первый признак гибели клетки.

 

Все биологические мембраны, в том числе и плазматическая, имеют общие свойства и структурные особенности. Они представляют собой двойной слой липидов, гидрофобные хвосты которых обращены внутрь, а гидрофильные головки — наружу. В него погружены на различную глубину белки; некоторые из них даже пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки (они называются трансмембранными) (рис.3.).

Мембранные белки могут  выполнять различные функции:

♦  транспорт определенных молекул;

♦  катализ реакций, ассоциированных с мембранами;

♦  поддержание структуры  мембран;

♦  получение и преобразование сигналов из окружающей среды.

 

Рис.3. Строение клеточной мембраны

 

Не следует думать, что мембрана представляет собой жесткую структуру — большая часть белков и липидов, входящих в ее состав, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. Мембраны асимметричны, т. е. липидный и белковый состав обоих слоев различен. К тому же плазматические мембраны многих животных клеток имеют снаружи так называемый слой гликокаликса, состоящий из полисахаридов, прикрепленных к молекулам белка, и выполняющий, главным образом, сигнальную и рецепторную функции. Он играет важную роль в объединении клеток в ткани.

Наиболее важным свойством  мембран является их избирательная проницаемость. Различные вещества обладают различной растворимостью в липидах, поэтому естественно, что биологические мембраны более проницаемы для незаряженных молекул. Однако скорости прохождения ряда веществ через мембрану не зависят от растворимости их в липидах. Установлено, что существует ряд механизмов, обеспечивающих проникновение веществ в клетку:

1. Диффузия. Вещество при этом перемещается через мембрану по диффузионному градиенту.

2. Пассивный транспорт или облегченная диффузия. В этом случае молекула-переносчик соединяется с переносимой молекулой или ионом на одной стороне мембраны и «перетягивает» его на другую. Пассивный транспорт может осуществляться и через формируемые молекулами белков особые каналы, пропускающие вещества только определенного типа. Перенос веществ здесь также осуществляется по градиенту концентрации.