Клетка как элементарная единица живого

Клетка – элементарная биологическая единица, структурно – функциональная основа всего живого. Клетка осуществляет самостоятельный обмен веществ, способна к делению (воспроизводству) и саморегуляции. Каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма. Число клеток у человека составляет примерно 5 10¹⁴

Все клетки живых организмов подразделяются на два вида: прокариоты - безъядерные клетки, и эукариоты – клетки с ядром. Простейшие организмы, состоящие из одной или небольшого числа клеток, состоят из клеток прокариотов. Это бактерии и некоторые водоросли. Большинство клеток прокариотов имеют размер около 1 —5 мкм. Эукариотическая клетка намного больше, она имеет диаметр около 25 мкм. Таким образом, в нее может поместиться более 10 тысяч клеток прокариотов.

Все клетки эукариоты имеют похожий химический состав и сходное строение. В структуре клетки выделяют ядро, цитоплазму, мембрану (оболочку).

Ядро клетки содержит хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков. С помощью клеточного ядра осуществляются хранение и передача наследственной информации.

Цитоплазма - полужидкая, бесцветная масса сложного строения. Она обеспечивает взаимодействие всех составляющих клетки. Цитоплазма содержит соляной раствор с молекулами РНК, включения и органеллы. К включениям относятся запасы питательных вещества (жир, гликоген) и продукты, выводимые из клетки. Органеллы - постоянные компоненты цитоплазмы, которые выполняют определенные функции. Органеллу можно назвать клеточным органом. В клетке человека обнаружено более 10 органелл.

Мембрана отделяет содержимое клетки от внешней среды, выполняет барьерную функцию, обеспечивает избирательную проницаемость веществ и метаболизм.

Метаболизм (обмен веществ) — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Метаболизм служит основой гомеостаза. Гомеостаз - постоянство состава клетки.

У клеток разный срок существования. Жизненный цикл любой клетки завершается делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Различают два способа деления клеток: митоз и мейоз. Митоз – деление клеточного ядра на два дочерних с наборами хромосом, идентичными набору хромосом родительской клетки. Мейоз – деление клеточного ядра на четыре дочерних ядра, в каждом из которых содержится вдвое меньше хромосом, чем в родительской клетке. Такой способ деления характерен только для половых клеток.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей - органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами организма.

Жизнь клетки

Жизнь клетки – это биохимические реакции обмена веществ. Клетка – это завод, продукцией которого являются вещества, необходимые для поддержания жизни клетки, для создания дочерних клеток (роста организма).

В состав клетки входят макромолекулы следующих основных органических соединений: углеводов, липидов (жиров), белков, нуклеиновых кислот.

Углеводы — органические соединения, состоящие из одной или нескольких молекул простых сахаров. Углеводы выполняют в основном энергетическую функцию. При их сжигании организм получает основную часть необходимой энергии (при распаде 1 г углеводов выделяется около 18 кДж). Кроме этого, углеводы в виде сахара дизоксирибоза и рибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Липиды (жиры) — жироподобные органические соединения. Основные функции липидов следующие: структурная (входят в состав мембран), резервная энергетическая (при распаде 1 г жира выделяется около 39 кДж), термоизоляционная, защитная, регуляторная (участие в обмене веществ, гормональном обмене, обеспечение относительного постоянства химического состава всех частей организма).

Белки (протеины, полипептиды)— это высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот. Сухая масса клетки состоит на 50 - 80% из белков. Функции белков разнообразны: каталитическая, строительная (участвуют в образовании клеточных мембран и органелл), двигательная (сокращение мышц и т. д.), защитная (антитела из белков распознают чужеродные организму вещества), транспортная (перенос кислорода гемоглобином), регуляторная (участвуют в регуляции обмена веществ), энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется около 18 кДж).

Организм человека образован из более 5 млн. белков, разнообразие которых обеспечивается комбинацией всего 20 (из более чем 100 известных) аминокислот.

Белки имеют разные уровни организации: типа нити, нить, закрученная в виде спирали, спираль, скрученная в клубок (глобулу), структура из нескольких клубков.

Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются полимерами. Нуклеиновым кислотам принадлежит основная роль в хранении и передаче наследственной информации. Они находятся в ядре клетки. Молекулы нуклеиновых кислот состоят из нуклеотидов. Нуклеотид — это структура, состоящая из трех компонентов: азотистого основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. В нуклеотиды могут входить две разновидности сахара: дезоксирибоза и рибоза. Соответственно известны два вида нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

В состав нуклеотидов входит пять азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц), урацил (У). Аденин, гуанин и цитозин (А, Г, Ц) входят в ДНК и РНК, тимин (Т) — только в ДНК, урацил (У) — только в РНК.

Нуклеотиды соединены в цепочки. В ДНК имеются две полимерные цепи нуклеотидов, закрученые в спираль вокруг общей пространственной оси. Цепочку ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв: (A, Г, Ц, T) в разных сочетаниях. Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином (А-Т), а цитозин с гуанином (Ц-Г). Такая связь структурно соответствующих друг другу оснований называется принципом комплиментарности. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским физиком Ф.Криком. Общая длина ДНК в каждой клетке человека равна приблизительно 2 м, общая длина ДНК всех клеток человека составляет примерно 10¹⁴ км.

РНК состоит из одной полимерной цепочки нуклеотидов. Полимер РНК примерно в сто раз короче, чем ДНК.

ДНК сильно скручивается, уплотняется и упаковывается в определенную форму, образуя хромосому. Хромосомы — элементы ядер клетки, содержащие гены. В нормальной ситуации в клетке человека должно присутствовать 46 хромосом (23 пары): 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две — X-хромосома и Y-хромосома — определяют пол (XY — у мужчин или ХХ — у женщин).

Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи ДНК и РНК. Каждая цепь ДНК выступает в роли матрицы для синтеза новых полинуклеиновых цепей. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется ген. Ген состоит из кодонов. Кодон – это единица генетического кода, состоящая из трех последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. 20 аминокислот образуют 61 кодон.

Генетический код — это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.

Геном – это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. Геном человека состоит из 46 хромосом.

Реализация генетического кода происходит через самоудвоение ДНК и матричный синтез белка.

Способность к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.Процесс воспроизводства ДНК можно разделить на несколько стадий. Сначала разрываются межмолекулярные водородные связи в ДНК и образуются одинарные цепи. Затем каждая из нитей полинуклеотидов по своей поверхности по принципу комплиментарности строит новую цепочку. Этот процесс называется репликация. Репликация (лат. replication - повторение) — процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий передачу по наследству точных копий генетической информации. Таким образом, из двух новых цепей образуется новая молекула ДНК, которая дает начало делению и образованию новой клетке.

Матричный синтез белков осуществляется по схеме ДНК—РНК—белок. Важнейшую роль в передаче генетической информации играет РНК. В зависимости от выполняемых функций выделяют несколько видов РНК: например, информационная и-РНК, транспортная т-РНК.

Весь процесс синтеза белка занимает несколько минут и происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция, второй этап включает трансляцию.

С молекулы ДНК генетический код переноситься на молекулу и-РНК, которая представляет собой копию части ДНК. Этот процесс называется транскрипция.

Синтез белка осуществляется в рибосоме, куда и-РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК. Рибосома — органелла клетки. Рибосомы можно сравнить с микроскопическими сборными заводами, на которых и-РНК играют роль сборочных машин. Т-РНК доставляет свободные аминокислоты в рибосому. Каждый сорт т-РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит на свое место, согласно информации, содержащейся в молекулах и-РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы – ферменты и осуществляют соединение аминокислот в одну молекулу белка. Синтез белка на рибосомах называется трансляцией (от лат. «трансляцио» - передача).

Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и отклонения от исходного состояния.