Курс лекций по дисциплине "Биология"

 

 

ЛЕКЦИЯ 1               Типы клеточной организации.

 

1. Клетка – элементарная генетическая и структурно-функциональная биологическая система.

Клетка является элементарной, т.е. наименьшей, самостоятельной единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов. Все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы).

Клетка является генетической единицей, так как имеет ядро, содержащее ДНК, в которой записана информация о строении и функциях клетки. При делении клетки эта информация наследуется дочерними клетками.

Клетка является структурно-функциональная биологическая система: живая клетка включает в себя подсистемы – органеллы, органеллы выполняют определенные функции и в тоже время они все вместе обеспечивают жизнедеятельность клетки.

 

2. Клеточная теория. Современное состояние клеточной теории.

Началом изучения клетки можно считать 1665г., когда Р. Гук увидел в микроскоп на тонком срезе пробки мелкие ячейки, названные им клетками. В 30-е годы XIX века Р. Броун открыл ядро, что создало основу для сопоставления всех клеток.

В 1839г. Т. Шванн и М. Шлейден обобщили накопленный материал и сформулировали основное положение: все растительные и животные организм состоят из клеток, сходных по строению.

В 1858г. Р. Вирхов внёс очень важное дополнение в клеточную теорию – он доказал, что количество клеток увеличивается только одним способом – в результате деления. Таким образом, клетка происходит только от клетки.

Благодаря применению физических и химических методов исследования и новейших приборов, основные положения клеточной теории были развиты и углублены. Современная клеточная теория включает следующие положения:

1. клетка – основная единица  строения и развития всех живых  организмов, наименьшая единица  живого;

2. клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

3. клетки размножаются делением, и каждая новая клетка образуется  в результате деления исходной (материнской) клетки;

4. клетки многоклеточных организмов  специализированы по выполняемым  ими функциям и образуют ткани;

5. ткани образуют органы, которые  тесно взаимосвязаны и подчинены  нервным и гуморальным системам  регуляции.

Вывод.

Клетка – живая элементарная открытая система, являющаяся основной структурно-функциональной единицей всех живых организмов, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

 

3. Клетка как открытая система. Организация потоков вещества, энергии и информации в клетке.

Клетка является открытой системой. Это значит, что в неё из внешней среды (если это организм человека, то из ЖКТ) поступают расщеплённые до мономеров питательные вещества, с заключенной в них энергией. Эти вещества используются в процессе жизнедеятельности клетки, а образующиеся при этом продукты метаболизма удаляются из него.

Поток вещества: человек съел яйцо → в ЖКТ оно переварилось → аминокислоты всосались в кровь и поступили в клетку → из них синтезируются видоспецифические белки, который обеспечивает жизнедеятельность клетки, → в процессе жизнедеятельности клетки белки изнашиваются, стареют, разрушаются → конечные продукты обмена белка (аммиак и вода) выводятся из клетки.

Поток энергии тесно связан с потоком вещества. Организм поглощает пищу (питание необходимо для обеспечения организма энергией и строительными материалами для репарационных и просто строительных целей) → часть пищи преобразуется в митохондриях в АТФ, а часть запасается в виде моносахаридов в печени, остальные углеводы разлагаются до Н2О и СО2.

Поток информации в клетке – в клетке постоянно происходит синтез белка. Информация о структуре белка записана в ДНК. В процессе транскрипции она переносится на и-РНК, а в процессе трансляции на полипептид.

Кроме ДНК и иРНК в реализации наследственной информации в клетке участвуют тРНК, рибосомы, ферменты активации аминокислот, АТФ.

 

4. Типы клеточной организации.

Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: прокариоты (про – до, карион – ядро), или предъядерные.

• эукариоты (эу – настоящие, карион – ядро), или ядерные.

Клетки прокариот (эубактерии и цианобактерии) имеют более простое строение:

1. нет организованного ядра, т.е. ядерное вещество не отделено  от цитоплазмы собственной мембраной. Ядерное вещество представлено единственной хромосомой, состоящей из 1 молекулы ДНК, замкнутой в кольцо;

2. из органоидов присутствуют  только многочисленные, но мелкие рибосомы;

3. функцию митохондрий у прокариот  выполняют ферменты, лежащие непосредственно на плазматической мембране и образующие дыхательную цепь;

4. нет клеточного центра, следовательно, нет митоза (делятся амитозом);

5. не характерен циклоз (постоянное  круговое движение цитоплазмы  с органоидами), в то время как  отсутствие циклоза для эукариот означает гибель клетки;

6. отсутствуют внутренние мембраны, делящие клетку на отсеки, в  которых протекают противоположные процессы.

При всей простоте строения прокариоты – типичные клетки, способные вести независимое существование.

 

5. Организация эукариотической животной клетки.

• имеется оформленное ядро, в котором располагается молекула ДНК;
• имеется развитая система мембран и соответственно органоиды мембранного строения: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии;

• имеется клеточный центр, поэтому размножаются митозом;
• могут передвигаться при помощи ложноножек (амеба);
• имеется циклоз;

• присуще явление компартментации – с помощью биологических мембран обеспечивается пространственное разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии)

 

6. Строение и функции оболочки животной эукариотической клетки.

Эукариотическая клетка отделена от внешней среды или соседних клеток плазматической мембраной, или плазмалеммой.

Среди многочисленных моделей мембран, наиболее универсальной оказалась так называемая "жидкостно-мозаичная" модель. Согласно ей основой мембраны является жидкостный билипидный слой, образованный строго ориентированными фосфолипидными молекулами. Двойной слой фосфолипидных молекул обращен друг к другу гидрофобными участками, а внешняя и внутренняя поверхности билипидного слоя образованы гидрофильными участками молекул. Белки, входящие в мембрану, не составляют сплошного слоя на внутренней и внешней поверхности билипидного слоя; они расположены мозаично и обладают способностью к перемещению в билипидном слое. Мембранные белки представлены тремя разновидностями:

• периферические белки располагаются на поверхности билипидного слоя;
• погружённые белки пронизывают всю толщу мембраны;
• полупогружённые белки погружены в мембрану лишь наполовину, выступая наружу с какой-то одной (внешней или внутренней) поверхности мембраны.

 Из этой модели организации мембраны вытекает важное следствие, а именно: возможность горизонтального и отчасти вертикального смещения

погружённых и полупогружённых белковых молекул, то есть подвижность такой системы.

 Пронизывающие белки участвуют в транспорте веществ.

 Полупогружённые белки, обращённые внутрь, выполняют регуляторные ф-и.

 Полупогружённые белки, обращённые наружу, «узнают» поверхность соседних клеток; благодаря им формируются ткани и органы.

На плазмалемме животных клеток находится гликокаликс – соединение белков и полисахаридов. Он непосредственно связывает клетку с внешней средой и служит для распознавания сигналов, поступающих из неё. Он же связывает клетки в ткани. Образуется гликокаликс благодаря жизнедеятельности самих клеток.

Функции плазматической мембраны:

• защитная или барьерная функция
• обеспечение контактов между клетками
• сигнальная (рецепторная) – на поверхности мембраны находятся рецепторы, которые воспринимают сигналы из внешней среды
• транспортная – регулирует транспорт в-в, т. к. обладает избирательной проницаемостью.

 

7. Трансмембранный транспорт веществ в клетке.

Существует 5 способов поступления веществ в клетку: диффузия, облегчённая диффузия (пассивный транспорт), осмос, активный транспорт, эндоцитоз. Два последних способа сопровождаются затратами энергии.

Диффузия – перемещение вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации без затраты энергии. Движущей силой диффузии является градиент (разность) концентрации. Диффузия будет действовать до тех пор, пока концентрация вещества в двух областях не выровняется. Так перемещаются кислород, углекислый газ, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, этанол, мочевина.

Облегчённая диффузия или пассивный транспорт. В этом случае молекула специального белка-переносчика соединяется с переносимой молекулой на одной стороне мембраны и «перетягивает» её на другую сторону мембраны. Перенос веществ в этом случае осуществляется также по градиенту концентрации и без затраты энергии. Так перемещаются сахара, аминокислоты, нуклеотиды и ионы.

Осмос – перемещение молекул воды через полупроницаемую мембрану, вызванное разностью концентрации. Клетка, помещённая в чистую воду, насасывает её по градиенту своей концентрации. Клетка, помещённая в насыщенный раствор, отдаёт воду и сморщивается. Например, эритроциты в гипотоническом растворе набухают и лопаются, а в гипертоническом – сморщиваются.

Активный транспорт – перемещение веществ против их градиентов концентрации, т.е. из области меньшей концентрации в область большей концентрации. На это требуется энергия, источником её служит АТФ. Этот способ характерен только для ионов питательных веществ, следовательно, клетка обладает избирательной способностью по отношению к различным ионам.

Эндоцитоз – перемещение веществ с помощью выростов и выпячиваний плазмалеммы. Эндоцитоз делится на фагоцитоз и пиноцитоз. Оба этих процесса требуют затраты энергии.

Фагоцитоз – захват выростами плазмалеммы крупных частиц, диаметром 1мм и более и втягивание их в цитоплазму клетки. Здесь происходит их ферментативное расщепление. Клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами (нейтрофилы и макрофаги).

Пиноцитоз – поглощение пузырьков жидкости. В месте соприкосновения с пузырьком плазмалемма образует впячивание в виде канальца, который заполняется жидкостью. Затем он отшнуровывается и попадает в цитоплазму. Пиноцитоз характерен для лейкоцитов, клеток зародыша и печени. Путём пиноцитоза поглощаются крупные молекулы и ионы, не способные проникать через поры плазмалеммы.

Из клетки во внешнюю среду вещества поступают с помощью экзоцитоза. Так из секреторных клеток, через их мембрану, выводятся пищеварительные ферменты или гормоны, а из пищеварительных вакуолей – непереваренные плотные частицы.

 

8. Цитоплазма: основное вещество, цитоскелет, органеллы.

Основное вещество цитоплазмы представлено гиалоплазмой. Это коллоидный раствор неорганических и органических веществ, особенно много в гиалоплазме белков.

Функции гиалоплазмы:

• соединение компонентов цитоплазмы в единое целое
• участие в транспорте веществ
• в гиалоплазме протекает гликолиз
• в гиалоплазме накапливается АТФ и включения.

Цитоскелет клетки представлен микротрубочками и микрофиламентами.

Каждая микротрубочка представляет собой полый цилиндр диаметром 20-30нм, образованный белком тубулином. Микротрубочи играют роль цитоскелета, т.к. пронизывают всю цитоплазму клетки. Кроме того, микротрубочки участвуют в создании клеточного центра и в транспорте веществ внутри клетки.

Микрофиламенты – это белковые нити толщиной около 4нм. Большинство из них образовано молекулами актинов, которых выявлено около 10 видов. Они могут группироваться в пучки, образующие опорные структуры цитоскелета.

Микротрубочки – трубчатые образования белковой природы различной длины с внешним диаметром 24 нм. Микротрубочки встречаются в свободном состоянии в цитоплазме клеток или как структурные элементы жгутиков, ресничек, митотического веретена, центриолей.

Органеллы животной клетки: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды, рибосомы, клеточный центр.

Органоиды клетки делятся на органоиды общего назначения и специального назначения.

Органоиды специального назначения встречаются только в специализированных клетках и обеспечивают выполнение этими клетками специфических функций. К ним относятся миофибриллы мышечной клетки, ресничный эпителий дыхательных путей, ворсинки тонкого кишечника, жгутик сперматозоида.