47452

Клетка – элементарная биологическая система

Лекция

Биология и генетика

Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Исходя из предположения о схожести гомологичности растительных и животных клеток доказываемой одинаковым механизмом их возникновения Шванн обобщил многочисленные данные в виде теории согласно которой клетки являются структурной и функциональной основой живых существ. Ему принадлежит вывод о том что клетка может возникнуть лишь из предсуществующей клетки. Выдающаяся роль клетки как первоисточника жизни обусловливается тем что именно она является биологической единицей с помощью...

Русский

2013-11-29

117 KB

65 чел.

Лекция 2.  Тема: Клетка – элементарная биологическая система.

План:

1. Клеточная теория, основные положения, современное состояние.

2. Типы клеточной организации.

3. Структурно-функциональная организация прокариотических клеток.

4. Структурно-функциональная организация эукариотических клеток.

1. Клеточная теория, основные положения, современное состояние.

Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений. Клетка, таким образом, несет полную характеристику жизни. Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Поэтому в природе планеты ей принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы.

Это означает, что клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обусловливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия.

Занимая в мире живых существ положение элементарной единицы, клетка отличается сложным строением. При этом определенные черты обнаруживаются во всех без исключения клетках, характеризуя наиболее важные стороны клеточной организации как таковой.

Клеточная теория сформулирована немецким исследователем, зоологом Т. Шванном (1839). Поскольку при создании этой теории Шванн широко пользовался работами ботаника М. Шлейдена, последнего по праву считают соавтором клеточной теории. Исходя из предположения о схожести (гомологичности) растительных и животных клеток, доказываемой одинаковым механизмом их возникновения, Шванн обобщил многочисленные данные в виде теории, согласно которой клетки являются структурной и функциональной основой живых существ.

В конце XIX столетия немецкий патолог Р. Вирхов на основе новых фактов пересмотрел клеточную теорию. Ему принадлежит вывод о том, что клетка может возникнуть лишь из предсуществующей клетки. Им также создана вызвавшая критику концепция «клеточного государства», согласно которой многоклеточный организм состоит из относительно самостоятельных единиц (клеток), поставленных в своей жизнедеятельности в тесную зависимость друг от друга.

Клеточная теория в современном виде включает три главных положения.

Первое положение соотносит клетку с живой природой планеты в целом. Оно утверждает, что жизнь, какие бы сложные или простые (например, вирусы) формы она ни принимала, в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается в конечном итоге только клеткой. Выдающаяся роль клетки как первоисточника жизни обусловливается тем, что именно она является биологической единицей, с помощью которой происходит извлечение из внешней среды, превращение и использование организмами энергии и веществ. Непосредственно в клетке сохраняется и используется биологическая информация.

Второе положение указывает, что в настоящих условиях единственным способом возникновения новых клеток является деление предсуществующих клеток. В обосновании клеточной природы жизни на Земле тезису о единообразии путей возникновения клеток принадлежит особая роль. Именно этот тезис был использован М. Шлейденом и Т. Шванном для обоснования представления о гомологии разных типов клеток. Современная биология расширила круг доказательств этому. Независимо от индивидуальных структурно-функциональных особенностей все клетки одинаковым образом: а) хранят биологическую информацию, б) редуплицируют генетический материал с целью его передачи в ряду поколений, в) используют информацию для осуществления своих функций на основе синтеза белка, г) хранят и переносят энергию, д) превращают энергию в работу, е) регулируют обмен веществ.

Третье положение клеточной теории соотносит клетку с многоклеточными организмами, для которых характерен принцип целостности и системной организации. Для системы свойственно наличие новых качеств благодаря взаимному влиянию и взаимодействию единиц, составляющих эту систему. Структурно-функциональными единицами многоклеточных существ являются клетки. Вместе с тем многоклеточный организм характеризуется рядом особых свойств, которые нельзя свести к свойствам и качествам отдельных клеток. В третьем положении клеточной теории мы встречаемся с проблемой соотношения части и целого.

Системный подход как научное направление используется в биологических исследованиях с начала прошлого столетия. Системный характер организации и функционирования свойствен не только организму, но и другим главным биологическим образованиям геному, клетке, популяции, биогеоценозу, биосфере.

2. Типы клеточной организации

В природе существует значительное разнообразие клеток, различающихся по размерам, форме, химическим особенностям. Число же главных типов клеточной организации ограничено двумя. Выделяют прокариотический и эукариотический типы с подразделением второго на подтип, характерный для простейших организмов, и подтип, характерный для многоклеточных.

Клеткам прокариоттеского типа (рис. 2.1) свойственны малые размеры (не более 0,5—3,0 мкм в диаметре или по длине), отсутствие обособленного ядра, так что генетический материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. В клетке отсутствует развитая система мембран. Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, которая лишена основных белковгистонов (гистоны являются белками клеточных ядер). Благодаря значительному количеству диаминокислот аргинина и лизина гистоны имеют щелочной характер.

Различия прокариотических и эукариотических клеток по наличию гистонов указывают на разные механизмы регуляции функции генетического материала. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр. Не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение. Время, необходимое для образования двух дочерних клеток из материнской (время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. К прокариотическому типу клеток относятся бактерии и синезеленые водоросли.

Рис. 2.1. Типичные черты структурной организации клеток. А - прокариотическая; Б - эукариотическая растительная; В животная.

3. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки

Рис. 2.2. Структурная организация одноклеточного организма (инфузория):

1— генеративное ядро, 2— цитостом с цитофарингсом. 3— порошица, 4— сократительные вакуоли, 5— пищеварительные вакуоли, 6—вегетативное ядро, 7— гиалоплазма, 8—реснички

Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших (рис.. 2.2) является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов, аппаратов и систем органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе.

В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму. В ядре наряду с оболочкой и ядерным соком обнаруживаются ядрышко и хроматин. Цитоплазма представлена ее основным веществом (матриксом, гиалоплазмой), в котором распределены включения и органеллы.

Общие свойства биологических мембран

Биологические мембраны выполняют ряд функций: - отграничивающую или барьерную (отделяют клеточное содержимое от внешней среды), - регуляции (регулируют обмен между клеткой и средой).

Все клеточные мембраны построены по общему принципу: это тонкие липидопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя липидных молекул, в который включены молекулы белка. Практически для всех мембран характерно наличие углеводного компонента. Углеводный компонент представлен главным образом гликопротеинами – молекулами белков, ковалентно связанных с цепочками углеводов.

Предложено несколько схем взаимоотношения в мембране основных химических компонентов — белков и липидов, а также веществ, размещаемых на мембранной поверхности. По современной гипотезе, мембрана является жидкой «мозаичной» структурой.

Рис.2.3. Молекулярная организация биологической мембраны:

1 — бимолекулярный слой липидов, 2 белки

Строение типичной клетки многоклеточного организма

Клетки многоклеточных организмов, как животных, так и растительных, обособлены от своего окружения оболочкой. Клеточная оболочка, или плазмалемма (рис. 2.4), животных клеток образована мембраной, покрытой снаружи слоем гликокаликса толщиной 10—20 нм. Основными составляющими гликокаликса служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды). Изнутри к мембране примыкает кортикальный (корковый) слой цитоплазмы толщиной 0,1—0,5 мкм, в котором не встречаются рибосомы и пузырьки, но в значительном количестве находятся микротрубочки и микрофиламенты, имеющие в своем составе сократимые белки. Плазмалемма выполняет отграничивающую, барьерную и транспортную функции.

Рис.2.4. Схема строения плазматической мембраны: часть белков и липидов связана с полисахаридами, образуя слой гликокаликса.

В клетке выделяют ядро и цитоплазму. В цитоплазме различают основное вещество (матрикс, гиалоплазма), включения и органеллы. Функционально цитоплазматический матрикс является внутренней средой клетки, местом осуществления внутриклеточного обмена.

 Включениями называют относительно непостоянные компоненты цитоплазмы, которые служат запасными питательными веществами (жир, гликоген), продуктами, подлежащими выведению из клетки (гранулы секрета), балластными веществами (некоторые пигменты).

Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции.

Выделяют органеллы общего значения и специальные. Специальные органоиды в значительном количестве присутствуют в клетках, специализированных к выполнению определенной функции.

К органеллам общего значения относят эндоплазматическую сеть, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы, лизосомы, микрофибриллы и микротрубочки, центриоли клеточного центра. В растительных клетках выделяют также хлоропласты, в которых происходит фотосинтез.

Эндоплазматическая сеть, или вакуолярная система, обнаружена в клетках всех растений и животных. Она представляет собой систему мембран, формирующих сеть канальцев и цистерн. Непосредственным продолжением эндоплазматической сети являются ядерная мембрана, отграничивающая ядро от цитоплазмы, и наружная мембрана (плазмалемма), расположенная на периферии клетки.

В совокупности внутриклеточные канальцы и цистерны образуют целостную систему, называемую вакуолярной. Наиболее развита вакуолярная система в клетках с интенсивным обменом веществ. Предполагают ее участие в активном перемещении внутри клетки жидкостей, как тех, которые синтезируются в клетке, так и поступающих извне.

Часть мембран несет на себе рибосомы, на другой части рибосом нет. В связи с этим различают два типа эндоплазматической сети — гранулярную (или шероховатую) и гладкую. Мембраны гладкой цитоплазматической сети лишены рибосом. Функционально эта сеть связана с обменом углеводов, жиров и других веществ небелковой природы. Образования вакуолярной системы очень лабильны и могут меняться в зависимости от физиологического состояния клетки, характера обмена и при дифференцировке.

 Рибосома — это небольшая округлая частица диаметром 20—30 нм. Рибосомы любых органов — от бактерий до млекопитающих — характеризуются сходством структуры и состава. В состав их входят белок и рибосомальная РНК. Рибосома состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом (от 5 до 70) наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. Полисомы свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы или прикреплены к мембранам шероховатой цитоплазматической сети. В обоих случаях они служат местом активного синтеза белка. На полисомах гиалоплазмы образуются белки для собственных нужд (для «домашнего» пользования) данной клетки, тогда как на полисомах гранулярной сети синтезируются белки, выводимые из клетки и используемые на нужды организма.

Пластинчатый комплекс Гольджи построен из мембран и образован совокупностью диктиосом числом от нескольких десятков (обычно около 20) до нескольких сотен и даже тысяч на клетку. Диктиосома представлена стопкой из 3—12 уплощенных дискообразных цистерн, от краев которых отшнуровываются пузырьки. В дифференцированных клетках позвоночных животных и человека диктиосомы обычно собраны в околоядерной зоне цитоплазмы. В пластинчатом комплексе образуются секреторные пузырьки или вакуоли, содержимое которых составляют белки и другие соединения, подлежащие выводу из клетки.

Митохондрии - это структуры округлой или палочковидной, нередко ветвящейся формы толщиной 0,5 мкм и длиной обычно до 5—10 мкм. В большинстве животных клеток количество митохондрий колеблется от 150 до 1500. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран, различающихся по химическому составу, набору ферментов и функциям. Внутренняя мембрана образует впячивания - кристы. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, заполнено однородным веществом - матриксом органеллы. Главная функция митохондрий состоит в ферментативном извлечении из определенных химических веществ энергии (путем их окисления) и накоплении энергии в виде энергии фосфатных связей АТФ (в виде биологически используемой формы). В целом этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В энергетической функции митохондрий активно участвуют компоненты матрикса и внутренняя мембрана. На внутренней мембране находится цепь переноса электронов (окисление) и ферменты, катализирующие реакции окисления. В матриксе митохондрий размещен собственный аппарат биосинтеза белка. Он представлен молекулой ДНК, рибосомами, набором транспортных РНК (тРНК) и ферментами.

Лизосомы представляют собой пузырьки диаметром обычно 0,2—0,4 мкм, которые содержат набор ферментов, разрушающие большие молекулы сложных органических соединений (нуклеиновых кислот, белков, жиров, полисахаридов). Их оболочка образована одинарной мембраной. Функция лизосом — внутриклеточное переваривание различных химических соединений и структур. Лизосомы играют существенную роль в индивидуальном развитии организмов, разрушая временные органы эмбрионов и личинок например, жабры и хвост у головастиков лягушки. Они встречаются в любых растительных и животных клетках.

К органеллам общего значения относят также некоторые постоянные структуры цитоплазмы, лишенные мембран.

Микротрубочки — длинные тонкие цилиндры, имеющие диаметр около 24 нм. Оболочка микротрубочек трехслойная, толщиной около 5 нм. Микротрубочки формируются в результате полимеризации белка тубулина. В делящихся клетках они образуют нити веретена, входят в состав ресничек и жгутиков подвижных клеток, т. е. структур, связанных с движением, и содержат фермент АТФ-азу. Кроме того, они играют опорную роль, являясь как бы цитоскелетом, поддерживающим определенную форму всей клетки и ее органоидов, а также принимают участие в транспорте воды, ионов и некоторых молекул.

Микрофиламентами называют длинные, тонкие образования, иногда образующие пучки и обнаруживаемые по всей цитоплазме. Существует несколько разных типов микрофиламентов. Актиновые микрофиламенты благодаря присутствию в них сократимых белков (актин) рассматривают в качестве структур, обеспечивающих клеточные формы движения, например амебоидные. Им приписывают также каркасную роль и участие в организации внутриклеточных перемещений органелл и участков гиалоплазмы.

По периферии клеток под плазмалеммой, а также в околоядерной зоне обнаруживаются пучки микрофиламентов толщиной 10 нм — промежуточные филаменты. В клетках разных тканей они построены из разных белков. Промежуточные филаменты выполняют механическую, каркасную функцию.

Для животных клеток, части клеток растений, грибов и водорослей характерен клеточный центр, в состав которого входят 1 или 2 центриоли. Центриоль (под электронным микроскопом) имеет вид полого цилиндра (длиной 300—500 нм). Ее стенка образована 27 микротрубочками, сгруппированными в 9 триплетов. В функцию центриолей входит образование нитей митотического веретена, которые также образованы микротрубочками. Центриоли поляризуют процесс деления клетки, обеспечивая расхождение сестринских хроматид (хромосом) в анафазе митоза.

Клеточное ядро может быть округлое, шарообразное, удлиненное или лопастное. Размеры ядра, как правило, зависят от величины клетки: при увеличение объема цитоплазмы растет объем ядра. Ядро состоит из оболочки, ядерного сока, ядрышка и хроматина.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран - внутренней и наружней. Ядерная оболочка пронизана порами диаметром 10-20 нм, через которые транспортируются нуклеиновые кислоты и белки. С наружней мембраной могут быть связаны элементы ЭПС. Функциональная роль ядерной оболочки заключается в обособлении генетического материала (хромосом) эукариотической клетки от цитоплазмы с присущими ей многочисленными метаболическими реакциями, а также регуляции двусторонних взаимодействий ядра и цитоплазмы.

Ядерный сок образует внутреннюю среду ядра. Основу ядерного сока, или матрикса, составляют белки.

Ядрышко представляет собой структуру, в которой происходит образование и созревание рибосомальных РНК (рРНК). Такие участки в метафазных хромосомах выглядят как сужения и называются вторичными перетяжками. Хроматин является интерфазной формой существования хромосом клетки и состоит из комплекса ДНК, РНК и белков. В делящихся клетках хроматин орагнизуется в хромосомы.

В целом ядро является местом хранения генетической информации клетки и репликации ДНК. В нем происходят процесс транскрипции ДНК в РНК различных типов в тесном взаимодействии с цитоплазмой ядро участвует в обеспечении экспрессии генетической информации и контролирует процессы жизнедеятельности клетки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44653. Контроль знаний по теме: «Имя существительное» 19.06 KB
  Образовательные: выявить умение находить имена существительные и ставить к ним вопросы выявить уровень усвоения понятия одушевленные и неодушевленные имена существительные умение ставить вопросы; проверить умения отличать имена существительные нарицательные от собственных; проверить умение классифицировать имена существительные на имена существительные единственного и множественного числа; 2.Спиши имена существительные перед каждым словом поставь вопрос и определи одушевленное это имя существительное или неодушевленное.Спиши...
44655. «В школе» 16.58 KB
  Технология: традиционная ФОУД: фронтальная индивидуальная групповая. Задачи: Образовательные: сформировать у учащихся правила поведения в школе; закреплять знания о культуре общения; сделать самостоятельно вывод по данной теме; Развивающие: развивать речевую деятельность; развивать воображение; Воспитательные: воспитывать интерес к изучению предмета; воспитывать нравственные качества; воспитывать чувство ответственности за свое поведение; Оборудование: уч. Как вы думаете что именно о школе мы...
44656. Выбор электродвигателя в системе электропривода 33.97 KB
  Правильный выбор электродвигателя и его номинальной мощности имеет большое экономическое значение, так как определяют первоначальные капитальные затраты и стоимость эксплуатационных расходов электроприводов (ЭП)
44657. Основные понятия электропривода 109.89 KB
  Преобразовательное устройство предназначено для преобразования рода тока, напряжения и частоты тока питающей сети и передачи преобразованных параметров сети в электрическую часть электропривода. Поэтому оно включается между питающей сетью и электрической частью электропривода.
44658. Обобщение по разделу «Я и мои друзья» 17.8 KB
  Домашнее задание. 1 задание: У каждо1 из команд есть чистый листочек на парте сейчас я вам продиктую вопросы а вы должны на них ответить да нет а я посмотрю насколько вы сплоченно будете работать и после мы проверим ваши работы. доске проверка 1 задание 1. 2 задание.
44659. Приготовление и анализ пластических смазок 20.64 KB
  Пластичные смазки представляют собой высокоструктурированные тиксотронные коллоидные системы твердого загустителя (дисперсной фазы) в жидкой основе (дисперсионной среде).