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…………………………………………………………
НАЗНАЧЕНИЕ КЛЕТКИ……………………………………………………...4
СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ………………………………………………………….6
ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ………………………………………………...……
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………...18
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………
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
-изучить роль клеток для живого организма;
- рассмотреть строение клетки;
-изучить процессы, происходящие
в клетке в процессе её
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
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.
Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы - открытость и постоянство - выполняются одновременно, причем за постоянство клетки как раз и отвечает обмен веществ (метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая в то же время выступает как фактор системности и целостности системы.
Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон - это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Величина его около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до синапса - соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.
Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы - рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н.Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме.( Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. - Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983. - 257 с.)Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.
Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании, химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.
Внутриклеточные мембраны могут поглощать и выделять наружу не только отдельные ионы и молекулы, но и конгломераты из многих молекул за счет своей гибкости. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы и они оказываются внутри. Этот процесс называют эндоцитозом, в другом случае - экоцитоза - «выпихивают» их за пределы мембраны. Все вещества, попавшие в клетку, растворяются в цитоплазме через пищеварительные вакуоли и перерабатываются с помощью лизосом.
С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы аденозинтрифосфат, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород, получаемый в результате фотосинтеза. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму. Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода и двуокись углерода . Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород. Примером может служить реакция, которая идет за счет поглощения квантов света и присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.
В результате получается одна молекула сахара и шесть молекул кислорода. Процесс идет постадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды углерод и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод - сахар . По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, фотосинтез, производящий на свету кислород , является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Конечные продукты дыхания служат исходными для фотосинтеза.
Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ в природе. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя таким образом, как мы упоминали, до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн, и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода ежегодно.
Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде и в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого.
Строением и изучением клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с М.Я.Шлейдена, Т.Шванна, Пуриме и Р.Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.
Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором белков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные (эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.
Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов.
Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С.С. Роуз , тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». ( Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 82 с.)Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.
В клетке каждого типа синтезируются только те белки, которые ей нужны. Многие гены в клетке не работают, только часть из них участвует в синтезе соответствующих белков. По современным представлениям клеточной биологии, только 3% молекул Дезоксирибонуклеиновая кислота участвует, так сказать, в «программном обеспечении» построения белков, а 97% не являются источниками информации, а выполняют роль матричной копировальной машины. По образному выражению молекулярного биолога Репин В.С.В.С. Репина, «вся биологическая информация разбросана крошечными островками смысла, вкрапленными в океаны бессмыслицы и информационной пустоты материнских и отцовских хромосом».
В мире белков клетка работает как архитектор, создавая по двумерным чертежам трехмерные объемные конструкции. В этом смысле плазматическую мембрану клеток можно сравнить с клавиатурой рояля или дисплеем ЭВМ, которые сортируют всю поступающую информацию от случайных сигналов для принятия решений. Мембрана выступает в качестве своеобразного биочипа. Если же продолжить сравнения, то саму клетку можно представить как высокоспециализированный завод, выпускающий биомолекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции фабрикой по производству жизни, где каждый элемент клетки имеет свое функциональное предназначение. Мембрана - это пропускные ворота, куда подается полуфабрикат, а вывозится «готовый продукт». Белки - ферменты, которые регулируют выполнение плана, выполняют роль заводоуправления. Главным технологом является ДНК, которая осуществляет через молекулы РНК план реализации технологии биосинтеза белков с участием ферментов и нуклеиновых кислот, следит за технологическими параметрами водной среды клеток, температурой, давлением, электрическим потенциалом. А самоорганизация выступает в роли сбалансированного общего технологического процесса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Жизнь любого организма поддерживается энергетическим потенциалом клеток и их взаимодействием, а благодаря процессам информации живая система сохраняет целостность и гармонию своих элементов в процессе своей жизнедеятельности. Кроме того, клетки как элементарные самоорганизующиеся системы функционируют по принципу достижения оптимальных результатов в условиях жизнедеятельности. Механизмы целесообразного саморегулирования жизнедеятельности клетки формируются в процессе ее развития и изменяются под влиянием более высоких уровней.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Бочкарев А.И, Концепции современного естествознания. - Тольятти, ТГУС, 2008. – 386 с.
2.Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. - Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983. - 344 с.
3.Кендрью Дж. Нить жизни. – Мир,1968.-128с
4.Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 384 с.

- Клетка. Метоз. Мейоз
- Клетка - основа генной инженерии
- Клетка основа жизни”
- Клетка - основная структурная единица жизни
- Клетка - структурная единица живого организма
- Клетка-структурная единица живого организма
- Клетка ткани и их строение
- Клетка и ее строение
- Клетка и ее строение
- Клетка и ее структура
- Клетка и её функции
- Клетка и основные процессы в ней
- Клетка: история открытия и изучение
- Клетка как элементарная живая система