Лекция 2. Химическая организация живой материи.

1. Клетка – элементарная единица живого организма.

2. Строение и функции клетки прокариотов и эукариотов.

3. Состав и физиологическая роль клеточной стенки и цитоплазматической мембраны.

4. Внутриклеточные органеллы: ядро и хромосомы, митохондрии.

5. Рибосомы. Включения резервных веществ. Полисомы, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, двигательный аппарат клетки.

6. Рост и деление клеток.

Клетка – это основная элементарная единица живого объекта. Термин живой объект, который включает в себя все объекты, способные к метаболизму и воспроизведению себе подобных.

Для поддержания этих двух основных функций в процессе эволюции в клетке возникли определенные структуры, названные клеточными органеллами. Они обеспечивают координированное и регулируемое протекание основных реакционных процессов, необходимых для проявления основных жизненных функций.

Простейшие организмы на Земле – это бактерии и сине-зеленые водоросли; они составляют царство прокариот. Основным отличительным признаком прокариот является отсутствие у них ограниченного мембраной клеточного ядра. Характерными представителями данного царства являются микоплазмы (самые примитивные организмы на Земле) – это мельчайшие бактерии, которые лишены жесткой клеточной стенки. Что касается питания то все микоплазмы паразиты. Некоторые обитают в слизистых оболочках организме человека, не принося ему никакого вреда. Клетки микоплазм представляют собой сферы, диаметром около 0.33 мкм и ограничены тонкой клеточной мембраной. Внутри содержатся локализованная в центре молекула ДНК, около 400 рибосом, а также несколько типов РНК и множество соединений малого молекулярного веса.

Наиболее изученный объект биохимиков – Esherichia coli – типичный обитатель кишечного тракта человека. Каждая клетка содержит от 1 до 4 идентичных молекул ДНК, а также множество рибосом. Иногда внутри клетки проявляются образования: капельки жира, гранулы гликогена и др. Обнаруживаются также вакуоли.

Питание бактерий:

• автотрофные – бактерии синтезируют все органические компоненты своих клеток из углекислого газа и воды, неорганических соединений азота и серы.

• фотоавтотрофы – источник энергии – солнечный свет.

• хемоавтотрофы – энергия, выделяющаяся в ходе превращений неорганических соединений.

Некоторые бактерии являются анаэробами, т.е. осуществляют разложение сложных органических соединений при отсутствии кислорода воздуха (брожение). Факультативные анаэробы способны расти как в присутствии кислорода воздуха, так и в отсутствии его. Облигатные анаэробы используют в качестве источника энергии процессы окисления органических соединений кислородом воздуха.

Вторая основная категория живых существ – это эукариоты, т.е. организмы, клетки которых содержат истинное ядро. Клетки эукариот имеют сложное по строению, чем клетки прокариот. В ядре, окруженном мембраной, заключена большая часть ДНК, которая таким образом отделена от цитоплазмы. В цитоплазме содержатся различные органеллы.

Для существования живого организма важны следующие клеточные органеллы: ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы и микротела.

Клеточные мембраны, не только отделяют живой организм, клетку, от окружающей среды, но учувствует в образовании определенных отсеках клетки (функциональных подразделениях).

Иногда клетка содержит морфологически различаемые гранулы, в которых содержатся продукты клеточной активности, либо запасные продукты (гликоген, капли жира), либо продукты, которые должны быть транспортированы из клетки.

Независимо живущие клетки обычно содержат все перечисленные структуры, и, кроме того, у них есть клеточная стенка и в ряде случаев сократительный аппарат (реснички, жгутики).

Жизненный цикл – это период начиная с процесса деления в конце которого происходит деление с появлением новой клетки, либо наступает смерть.

Клетки являются обязательными структурными элементами всех известных живых организмов. Клетки необычайно разнообразны по своим размерам, форме, внутренней структуре и функции. Огромное разнообразие клеток существует в виде одноклеточных организмов. В многоклеточных организмах клетки специализированы: следовательно, большое число различных типов клеток может существовать внутри одного организма. В организме человека число типов превышает двухсот.

Многоклеточные организмы зарождаются из единственной клетки, обычно из оплодотворенного яйца. Дальнейшее развитие организма происходит путем ряда делений, сопровождающихся последовательным изменением клеток от поколения к поколению, приводящим к высокоспециализированным клеткам. Этот процесс известен как клеточная дифференцировка.

Рост и развитие организма осуществляется за счет клеточного деления. Информация, необходимая как для получения двух дочерних клеток, идентичных материнской, так и запрограммированных изменений в процессе дифференцировки, поставляется молекулами ДНК.

Обязательным процессом, происходящим при клеточном делении, является репликация (удвоение) ДНК. Во время жизненного цикла клетки возможно повреждение ДНК. Реставрация поврежденных ДНК осуществляется в процессе репарации.

Для синтеза биополимеров (белков, РНК, ДНК) необходимо наличие в клетке достаточного количества соответствующих мономеров. Химические реакции распада «отработавших» полимеров, и синтеза мономеров, а из них новых полимеров составляют метаболизм клетки.

Синтез полимеров требует притока энергии. Клетка может использовать только свободную энергию, запасенную в виде химической энергии высокоэнергетических связей. Во всех живых организмах такими связями являются Р–О–Р-связи остатка трифосфорной кислоты аденозинтрифосфата (ATP). При гидролизе АТР до аденозиндифосфата (ADP) или аденозинмонофосфара (AMP) высвобождается энергия, которая и обеспечивает протекание всех энергетически невыгодных процессов в клетке.

Очевидно, что для нормальной жизнедеятельности клетки необходимо постоянно восполнять потерю АТР. Это происходит в энергетических системах клетки. Зеленые растения непосредственно используют для фосфорилирования ADP энергию солнечного света. Весь процесс называется фотосинтезом, а превращение ADP в АТР — фотосинтетическим фосфорилированием.

Огромное число живых организмов не обладает системой для фотосинтеза, а в качестве источника энергии используют окисление органических соединений (преимущественно глюкозы и жирных кислот) кислородом воздуха. В этом случае процесс называют окислительным фосфорилированием.

Все типы живых клеток делят на два основных класса: прокатиотические и эукариотические. Наиболее замечательная особенность последних заключается в наличии специальной внутриклеточной структуры — ядра, которое содержит преобладающую часть ДНК. Ядро отделено от внутреннего содержимого клетки — цитоплазмы — ядерной мембраной. В ядре эукариотической клетки ДНК существует в виде хромосом, состоящих из ДНК и специальных белков — гистонов.

В более примитивных прокариотических клетках ДНК не выделяется специальной мембраной.

Живая клетка является своеобразным химическим реактором, в котором протекает одновременно более тысячи химических реакций. Большинство процессов представляют собой цепи последовательных реакций, включающие от 2 до 20 стадий. Кроме того, компоненты отдельных процессов или условия их протекания порой несовместимы между собой. Очевидно, что возможность жизнедеятельности клетки невозможна без строгой организации всех этих процессов и разделения в пространстве несовместимых процессов.

Организация процессов метаболизма включает образование сложных надмолекулярных структур, состоящих из нескольких белков, а порой и нуклеиновых кислот, которые обеспечивают протекание сложных метаболических процессов (например, рибосомы синтезирующие белки), часть процессов протекает не в цитоплазме, а в ферментных структурах, прикрепленных к внутренней мембране, наконец, для процессов, несовместимых с цитоплазматическими, в клетке существуют как-бы маленькие клеточки, отделенные от цитоплазмы собственной мембраной. К таким образованиям, кроме упомянутого выше ядра относятся лизосомы, митохондрии и ряд других. Такое явление разделения в пространстве отдельных метаболических процессов называют компартментализацией. Более подробно внутреннее строение клетки представлено на рисунке

Строение животной клетки	Строение растительной клетки

Ядро

Д иаметр ядра обычной клетки животного равен ~5 мкм, а объем ~ 65 мкм3. За исключением того периода, когда клетка делится, ядро плотно и почти равномерно заполнено ДНК. В ядре расположена почти вся ДНК клетки. ДНК является носителем генетической информации и главным местом ее репликации и экспрессии. В интерфазе (фазы между делениями клетки) большая часть ДНК в ядре присутствует в виде гетерохроматина, т.е. плотно упакованной ДНК, ассоциированной с РНК (RNA) и белками. Менее плотно упакованная ДНК называется эухроматином; это место активной транскрипции ДНК в РНК (RNA). Во время деления клетки хроматин организуется в отдельные хромосомы, содержащие помимо ДНК (15%) еще и РНК (около 10%), и белок (75%). Ядро содержит ядрышко, а иногда и несколько ядрышек. Во время деления клеток структура ядра разрушается. Хроматин организуется в хромосомы, т. е. в высшей степени конденсированные формы молекул ДНК, видимые в оптический микроскоп. Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных слоем в несколько десятков нанометров. В мембранах имеются поры диаметром 40—100 нм, так что по структуре она напоминает сито. Поры представляют собой трубчатые канальца диаметром ~ 4,5 нм, по которым из ядра в цитоплазму проходят РНК и другие вещества. Область между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным пространством. Внешняя ядерная мембрана усыпана рибосомами и переходит в шероховатый эндоплазматический ретикулум. Внутренняя ядерная мембрана выстлана специальными белками (ламином и др.), которые служат для закрепления ядерных структур (ядерная пластинка). Хроматин состоит из повторяющихся структурных элементов – нуклеосом. Ядро нуклеосомы образовано четырьмя типами гистонов. Молекулы гистонов связаны друг с другом за счет гидрофобных взаимодействий. Такой объект ДНК, в зависимости от биологического объекта, содержит 154–241 пару оснований. Расстояние между нуклеосомами лежит в пределах 9-14 нм. Генетическая информация, содержащаяся в данном районе ДНК становится доступной только после модификации молекулы гистона. Молекулы ДНК, связанные с нуклеосомами, свертываются в сверхспираль. Перед делением клетки хроматин находится в таком наиболее конденсированном виде и образует хромосомы.