Наука о клетках

 
 
Моносахариды - это твердые бесцветные кристаллические вещества, которые  хорошо растворяются в воде и очень  плохо (или совсем не) растворяются в органических растворителях. Среди  моносахаридов различают триозы, тетрозы, пентозы и гексозы. Среди  олигосахаридов наиболее распространенными  являются дисахариды (мальтоза, лактоза, сахароза). Полисахариды наиболее часто  встречаются в природе (целлюлоза, крахмал, хитин, гликоген). Их мономерами являются молекулы глюкозы. В воде растворяются частично, набухая образуют коллоидные растворы.  
 
Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав всех белков входят атомы углерода, водорода, кислорода, азота. Во многие белки, кроме того, входят атомы серы. Есть белки, в состав которых входят также атомы металлов - железа, цинка, меди. Наличие кислотной и основной групп обусловливает высокую реактивность аминокислот. Из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь: CO-NN (ее открыл в 1888 году профессор А. Я. Данилевский), поэтому белки называют полипептидами. Молекулы белков - макромолекулы. Известно много аминокислот. Но в качестве мономеров любых природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - известно только 20 аминокислот. Они получили название "волшебных". Тот факт, что белки всех организмов построены из одних и тех же аминокислот - еще одно доказательство единства живого мира на Земле.  
 
 
Двадцать аминокислот, входящих в состав природных 
белков 
("волшебные" аминокислоты)

 
 
В строении молекул белков различают 4 уровня организации: 

1.  
   Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными пептидными связями;
2.  
   Вторичная структура - полипептидная цепь в виде спирали. Между пептидными связями соседних витков и другими атомами возникают многочисленные водородные связи, обеспечивающие прочную структуру;
3.  
   Третичная структура - специфическая для каждого белка конфигурация - глобула. Удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Есть также ковалентные S-S-связи, возникающие между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты цистеина;
4.  
   Четвертичная структура возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты. Так, гемоглобин крови человека представляет агрегат из четырех макромолекул.

 
Нарушение природной структуры белка  называют денатурацией. Она возникает  под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии  и др. факторов. 
 
Роль белка в жизни клеток и организмов: 

1.  
   Строительная (структурная) - белки - строительный материал организма (оболочки, мембраны, органоиды, ткани, органы);
2.  
   Каталитическая функция - ферменты, ускоряющие реакции в сотни миллионов раз;
3.  
   Опорно-двигательная функция - белки, входящие в состав костей скелета, сухожилий; движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц;
4.  
   Транспортная функция - гемоглобин крови;
5.  
   Защитная - антитела крови обезвреживают чужеродные вещества;
6.  
   Энергетическая функция - при расщеплении белков 1 г освобождает 17,6 кДж энергии;
7.  
   Регуляторная и гормональная - белки входят в состав многих гормонов и принимают участие в регуляции жизненных процессов организма;
8.  
   Рецепторная - белки осуществляют процесс избирательного узнавания отдельных веществ и их присоединение к молекулам.

 
Ферменты - белки и биополимеры. Синтезируются  в рибосомах. Бывают двух типов: однокомпонентные (состоят только из белка) и двухкомпонентные (из белка и небелкового компонента неорганического [металла] и органического [витамина]). Почти каждая химическая реакция в клетке катализируется особым ферментом. Обязательным этапом в катализируемой реакции является взаимодействие фермента с веществом, превращение которого он катализирует - с субстратом. Образуется фермент - субстратный комплекс. Активный центр - это участок белковой молекулы, который обеспечивает соединение фермента с субстратом и дает возможность для дальнейших превращений субстрата (это или функциональная группа, или отдельная аминокислота). Фермент ориентирует функциональные группы, входящие в активный центр, чтобы проявилась наибольшая каталитическая активность. Ферменты участвуют в синтезе белка, ДНК и РНК. Они содержатся в слюне, в желудочном соке, в каждой клетке. 
 
Липиды - нерастворимые в воде жиры и жироподобные вещества, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Жиры - сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. У растений - в семенах, плодах. Кроме жиров в клетках присутствуют и их производные - стероиды (холестерин, гормоны и жирорастворимые витамины А, D, К, Е, F). 
 
Липиды являются: 

1.  
   Структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл;
2.  
   Энергетическим материалом (1г жира, окисляясь, выделяет 39 кДж энергии);
3.  
   Запасными веществами;
4.  
   Выполняют защитную функцию (у морских и полярных животных);
5.  
   Влияют на функционирование нервной системы;
6.  
   Источник воды для организма (1кг, окисляясь, дает 1,1кг воды).

 
Нуклеиновые кислоты. Название "нуклеиновые  кислоты" происходит от латинского слова "нуклеус", т. е. ядро: они  впервые были обнаружены в клеточных  ядрах. Биологическое значение нуклеиновых  кислот очень велико. Они играют центральную роль в хранении и  передаче наследственных свойств клетки, поэтому их часто называют веществами наследственности. Нуклеиновые кислоты  обеспечивают в клетке синтез белков, точно таких же, как в материнской  клетке и передачу наследственной информации. Существует два вида нуклеиновых  кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).  
 
Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. ДНК - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы фосфорной кислоты, углевода дезоксирибозы и азотистого основания. У ДНК четыре типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Каждая цепь ДНК - полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. Удвоение ДНК - редупликация - обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки к дочерним.  
 
РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но меньших размеров. Мономеры РНК - нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода рибозы и азотистого основания. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Известны три вида РНК: информационная (и-РНК) - передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная (т-РНК) - транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная (р-РНК) - содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы. 
 
АТФ. Очень важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии: световая энергия солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ. АТФ - неустойчивая структура, при переходе АТФ в АДФ (аденозиндифосфат) выделяется 40 кДж энергии. АТФ образуется в митохондриях клеток животных и при фотосинтезе в хлоропластах растений. Энергия АТФ используется для совершения химической (синтез белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот), механической (движение, работа мышц) работ, трансформации в электрическую или световую (разряды электрических скатов, угрей, свечение насекомых) энергии. 
 
^ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ 

Все организмы (кроме  бактерий, сине-зеленых водорослей, вирусов и фагов) от одноклеточных  зеленых водорослей и простейших до высших цветковых растений и млекопитающих  имеют сложно устроенные клетки, которые  называют ядерными (эукариотическими).

 
Основные признаки эукариот: 

1.  
   Клетка разделена на цитоплазму и ядро;
2.  
   Большая часть ДНК сосредоточена в ядре. Именно ядерная ДНК отвечает за большую часть процессов жизнедеятельности клетки и за передачу наследственности дочерним клеткам;
3.  
   Ядерная ДНК расчленена на несколько нитей, не замкнутых в кольцо;
4.  
   Эти нити линейно вытянуты внутри хромосом, отчетливо видных в процессе митоза;
5.  
   Всегда есть митохондрии (у зеленых растений есть еще и пластиды);
6.  
   Есть митоз;
7.  
   Свойственен половой процесс;
8.  
   Перекомбинация наследственного материала обеспечивается мейозом и половым процессом;
9.  
   Образуются гаметы;
10.  
    Есть настоящие жгутики;
11.  
    Характерны пищеварительные вакуоли;
12.  
    Не способны к фиксации свободного азота.

 
Эукариоты делятся на три царства: растений, грибов, животных. 
 
Еще в начале XX в. русские ботаники А. С. Фаминцин и К. С. Мережковский выдвинули гипотезу о том, что клетка зеленых растений (эукариот) получила пластиды в результате симбиоза бесхлорофилльной клетки с клетками сине-зеленых. Эта гипотеза симбиогенетического происхождения клетки эукариот вновь привлекла внимание в середине XXв. Помимо ядерной ДНК небольшое ее количество обнаружено в митохондриях, пластидах, центриолях, в основании жгутиков. 
 
Электронно-микроскопическое сравнение строения жгутиков и центриолей говорит о несомненности их родства. В основе этих органелл всегда находится одиннадцать трубочек, девять из которых расположены по окружности и две лежат в центре. Установлено, что внеядерная ДНК жгутиков и центриолей способна самостоятельно редуплицироваться. Оказалось, что ДНК митохондрий, пластид, по-видимому, и жгутиков, а также центриолей имеет нитчатую структуру, связанную в кольцо, как у типичных прокариот. Все эти факты позволили в конце 60-х годов вновь вернуться к гипотезе симбиогенетического происхождения клетки эукариот. 
 
Названную гипотезу разработала американская исследовательница Л. Маргулис. Согласно этой гипотезе первичная клетка крупной прокариотической бактерии, вступив в симбиоз с клетками сине-зеленых, приобрела пластиды. Симбиоз с гетеротрофными прокариотическими клетками привел к их преобразованию в митохондрии. Симбиоз со спирохетоподобными бактериями мог привести к возникновению жгутиков и т. д. Биохимические, генетические, электронно-микроскопические данные последних лет делают гипотезу Л. Маргулис все более обоснованной. В любом случае, двойственная природа ДНК ядра и ДНК цитоплазматических органелл и удивительное сходство последней с ДНК прокариот свидетельствует о том, что симбиоз сыграл выдающуюся роль в возникновении клетки эукариот. 
 
^ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛЕТКИ 
 
Современная цитология располагает многочисленными и разнообразными методами исследования, без которых было бы невозможно накопление и совершенствование знаний о строении и функциях клеток. 
 
^ Световая микроскопия 
 
Современный световой микроскоп представляет собой весьма современный прибор, который до сих пор имеет первостепенное значение в изучении клеток и их органоидов. С помощью светового микроскопа достигается увеличение в 2000 – 2500 раз. Увеличение микроскопа зависит от его разрешающей способности, т. е. наименьшего расстояния между двумя точками, которые видны раздельно. В настоящее время создано много разнообразных моделей световых микроскопов. Они обеспечивают возможность многостороннего исследования клеточных структур и их функций. 
 
^ Электронная микроскопия 
 
С изобретением электронного микроскопа в 1933 году началась новая эпоха в изучении строения клетки. 
 
С помощью современного электронного микроскопа удалось рассмотреть много новых важных органоидов клетки, которые при изучении в световом микроскопе казались просто бесструктурными участками. 
 
Основное отличие электронного микроскопа от светового в том, что в нем вместо света используется быстрый поток электронов, а стеклянные линзы заменены электромагнитными полями. Источником электронов, т. е. катодом, служит вольфрамовая нить, нагреваемая электрическим током до раскаленного состояния. Пучок электронов, вылетающих из раскаленной вольфрамовой нити, направляется к аноду. Движение электронов от катода к аноду осуществляется под ускоряющим воздействием разности потенциалов. В центре анода имеется небольшое отверстие. Сквозь него проходят электроны, и пучок их фокусируется магнитной катушкой, играющей роль линзы, которая направляет его на объект. Когда пучок электронов уже прошел через объект, изображение его увеличивается с помощью второй магнитной катушки, которая действует как линза объектива; затем пучок электронов проходит через третью магнитную катушку, действующую в качестве окуляра или проекционной линзы и увеличивающую уже полученное изображение объекта. 
 
Для электронномикроскопического исследования пригодны только препараты фиксированных клеток, подвергнутых очень сложной предварительной обработке. Живые клетки с помощью электронного микроскопа пока еще не исследуются. Причина этого заключается в том, что свободное движение электронов в микроскопе достигается только в достаточно высоком вакууме, а живые клетки, содержащие значительное количество воды, сильно повреждаются при помещении их в вакуум. Кроме того, живые клетки повреждаются и при облучении интенсивным потоком электронов. 
 
Электронный микроскоп особенно широко стал применяться для биологических исследований в последние 10 – 15 лет и неизмеримо расширил возможности изучения тончайших деталей строения клетки. 
 
^ Методы исследования живых клеток 
 
Микроскопическое исследование живых клеток и тканей широко применяется в цитологии для самых различных целей, например для изучения изменений, происходящих в клетках при разнообразных внешних воздействиях, для выяснения закономерностей обмена веществ в клетках, для изучения клеточных структур, токов цитоплазмы, клеточной проницаемости и т. д. 
 
^ Приготовление препаратов живых клеток. Наблюдения над живыми клетками требуют, прежде всего, приготовления специальных препаратов. Мелкие организмы, такие, как одноклеточные водоросли, простейшие, бактерии и др. переносятся вместе с каплей среды, в которой они культивируются, на предметное стекло. Препарат накрывается покровным стеклом, и его можно исследовать под микроскопом. Живые клетки из тканей многоклеточных организмов исследовать труднее, так как для приготовления препаратов эти клетки нужно отделить от ткани, что связано с нанесением им каких-то повреждений. Выделение клеток, а также наблюдения над ними необходимо производить в средах, пригодных для более или менее продолжительного переживания их и разных для различных организмов. Так, клетки растений обычно исследуются в воде, а клетки разнообразных холоднокровных и теплокровных животных – в физиологическом растворе. 
 
^ Методы прижизненной окраски 
 
Прижизненные красители – это органические соединения ароматического ряда, обладающие относительно небольшой токсичностью для живых клеток. Различаются основные и кислые красители. Проникая в клетку, они соединяются главным образом с белками, и вначале вся цитоплазма приобретает диффузную окраску, после чего некоторые красители откладываются в цитоплазме в виде гранул. 
 
Окраска живых клеток дает возможность выявлять изменения, происходящие в клетках и тканях при разных внешних воздействиях. В последнем случае чрезвычайно важно то, что количество красителя, поглощенного неповрежденными или поврежденными путем какого-либо воздействия клетками, можно точно определить и выразить количественно. Разница в количестве красителя, поглощенного неповрежденными и поврежденными клетками, свидетельствует о характере и степени изменений, возникающих под влиянием различных внешних воздействий. 
 
^ Методы микрургии (микрохирургия) 
 
Экспериментальные методы, и в первую очередь разнообразные операции на клетках (микрооперации), стали применяться цитологами уже во второй половине прошлого столетия. Первые микрооперации проводились на сравнительно крупных объектах, например на развивающихся клетках различных животных, без использования каких-либо специальных приспособлений и при небольших увеличениях лупы или препаровального микроскопа. Микрооперации на крупных клетках и до сих пор проводятся вручную без каких-либо сложных приборов. 
 
Микрооперации на отдельных клетках мелких размеров стали проводить только в начале XX столетия, когда был сконструирован прибор, называемый микроманипулятором. Микроманипуляторы позволяют проводить очень тонкие операции над клеткой и ее органоидами. Для этих операций требуются большие увеличения микроскопа и специальные микроинструменты, которые чаще всего изготовляются самим экспериментатором из тонких стеклянных нитей или палочек. 
 
Методы микрургии широко применяются и для выделения тканевых клеток или одноклеточных органоидов при переносе их в новую культуральную среду или в организм животного, что особенно важно для получения клонов. Наконец, к числу сложных микрургических операций, которые начали применяться сравнительно недавно, относится извлечение и трансплантация ядер, ядрышек и других органоидов клетки. Для этих операций пригодны главным образом крупные клетки простейших и других одноклеточных организмов, а также и крупные клетки некоторых многоклеточных животных, например амфибий. Так осуществляется перемещение макронуклеуса инфузорий из одной особи в другую. 
 
Операции по пересадке ядер дают возможность изучить роль ядра и цитоплазмы в жизни клеток, изучить изменения, происходящие в безъядерных клетках, выяснить участие ядра и цитоплазмы в передаче по наследству тех или иных признаков. 
 
^ Методы микрохимического и ультрамикрохимического изучения клетки 
 
К микрохимическим относятся те методы, с помощью которых производится определение от 10 до 0,01 мг вещества. Эти методы широко используются в цитологии для определения содержания в клетках белков, фосфора, аминокислот, нуклеиновых кислот, сахаров и т. д. 
 
Но для целого ряда цитологических исследований совершенно необходимо определение очень малых количеств веществ в отдельных клетках или в отдельных частях клетки. В таких случаях применяются ультрамикрохимические методы, позволяющие проводить определение химических веществ в очень маленьком количестве материала, например в кусочках ткани, весящих 100 – 500 мкг, или в очень малых объемах растворов. 
 
^ Метод рентгеносруктурного анализа 
 
Метод рентгеносруктурного анализа основан на явлении дифракции рентгеновских лучей. Он применяется для изучения строения молекул белков, нуклеиновых кислот и других веществ, входящих в состав цитоплазмы и ядра клеток. Метод дает возможность определить пространственное расположение молекул, точно измерить расстояние между ними и изучить внутримолекулярную структуру. 
 
^ Метод меченых атомов (авторадиография) 
 
Меченые атомы широко применяются в цитологии для изучения разнообразных химических процессов, протекающих в клетке, например для изучения синтеза белков и нуклеиновых кислот, проницаемости клеточной оболочки, локализации веществ в клетке и т. д. Для этих целей применяются соединения, в которые введены радиоактивная метка. В молекуле меченого вещества, например аминокислоты или углевода, один из атомов замещен атомом того же вещества, но обладающим радиоактивностью, т. е. радиоактивным изотопом. Известно, что изотопы одного и того же элемента не отличаются друг от друга по своим химическим свойствам, и, попав в организм животного или растения, они ведут себя во всех процессах так же, как и обычные вещества. Однако благодаря тому, что эти изотопы обладают радиоактивным излучением, их можно легко обнаружить, применяя фотографический метод. 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
 
Электронная микроскопия раскрыла перед нами новый мир кристаллических систем внутри живой клетки, исследования которой имеют большое значение для разгадки множества заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к возникновению заболеваний. Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают также на уровне клеток. 
 
Изучение строения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо не только в биологии, но также и в медицине и ветеринарии. 
 
Основные закономерности молекулярной биологии и цитологии, лежащие в основе механизмов эволюционного процесса, позволяют дать понятие о явлениях наследственности и изменчивости. 
 
Единство строения и жизнедеятельность клеток различных организмов - одна из важнейших общебиологических закономерностей, указывающих на общность происхождения органического мира, и поэтому изучение структуры и функции клетки - важнейшая задача общей биологии. 
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1.  
   В. Азерников. Тайнопись жизни. Москва, 1973г.
2.  
   Н. Н. Воронцов, Л. Н. Сухорукова. Эволюция органического мира. Москва, 1991г.
3.  
   Л. Я. Кулинич. Справочник по биологии. Москва, 1986г.
4.  
   Б. М. Медников. Аксиомы биологии. Москва, 1985г.
5.  
   Э. Рис, М. Стернберг. От клеток к атомам. Москва, 1988г.
6.  
   А. С. Трошин, А. Д. Браун, Ю. Б. Вахтин, Л. Н. Жинкин,  
   К. М. Суханова. Цитология. Москва, 1970г.
7.  
   С. Штрбанова. Кто мы? Книга о жизни, клетках и ученых. Москва, 1984г.