Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Физический факультет

Кафедра биофизики

Курсовая работа

«Архитектура и хореография клетки»

Выполнил:

студент 2 курса, 211 группы

физического факультета МГУ

Сафонов Владислав Дмитриевич

Научный руководитель:

Твердислов Всеволод

Александрович

Москва 2013

Оглавление:

-Введение (актуальность и полезность)………………….

-Развитие от элементарных молекул к современной клетке..................................................................................

-Конструкция клетки, функции органелл клетки………...

-Функционирование каждой из органелл – объяснение с точки зрения физики……………………………………….

-Взаимодействие клеток, организация их в сложную систему, функционирование множества клеток…………

Введение

Работа посвящена теоретическому изучению строения и функционирования клетки. Исследование клетки полезно по следующим причинам:

1. Эукариотические клетки, из которых состоят многоклеточные животные и растения, - это в высшей степени «социальные» организмы: они живут благодаря кооперированию и специализации. Чтобы понять, как они функционируют, необходимо исследовать роль и место клеток в многоклеточных сообществах, а также узнать, как функционируют изолированные клетки данного сообщества.

2. Процессы, протекающие в живых клетках изящны и экономичны. Знания принципов функционирования этих процессов дают возможность создания искусственных систем с теми же принципами работы.

Сначала, будут изложены общие вещи, касающиеся развития жизни на Земле, строения клетки; позже клетка будет рассматриваться с физической точки зрения.

Развитие от элементарных молекул к современной клетке

1)Появление органических веществ на Земле на ранних стадиях существования

На первых стадия существования Земли не было живых организмов; они сформировались благодаря синтезу органических веществ, из которых решающую роль сыграла РНК (рибонуклеиновая кислота). Изначально, Земля была неспокойным местом постоянными вулканическими извержениями, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. В таких условиях, очевидно, возникали простые органические (т.е. содержащие углерод) молекулы. Лучшее тому доказательство - лабораторные

эксперименты. Если через нагретую смесь волы и газов, таких, как СО2, СН4, NH3 и Н2, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, они реагируют с образованием малых органических молекул. Обычно набор таких молекул невелик, но каждая образуется в сравнительно больших количествах. Наиболее важно, что в эксперименте удается получить четыре основных класса внутриклеточных малых молекул: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты (на рисунке 1 показана схема опыта).

2)«Кирпичики» полимеров

Простые органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, могут ассоциировать с образованием больших полимеров. Две аминокислоты могут соединиться с помощью пептидной связи, а два нуклеотида могут быть соединены фосфодиэфирной связью. Последовательное повторение этих реакций ведет к образованию линейных полимеров, называемых соответственно полипептидами и полинуклеотидами. У современных организмов полипептиды, называемые белками, и полинуклеотиды в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Мономеры белков- 20 различных аминокислот с самыми различными свойствами. Полинуклеотиды (ДНК и РНК каждая) включают только 4 нуклеотида.

3)Полинуклеотиды способны направлять собственный синтез

Если полимер образовался в ходе реакции, то он способен влиять на синтез друг полимеров. Особенно это свойство относиться к полинуклеотидам, способным направлять собственный синтез благодаря принципу комплементарности оснований. То есть один полимер может служить матрицей для второго.(Рисунок 2)

4)Естественный отбор самореплицирующихся молекул

При любом процессе копирования неизбежно происходят ошибки и размножаются неточные копии оригинала. Эти неточности – причины разнообразия последовательностей и форм РНК. Отдельные участки РНК могут образовывать связи, образовывая сложные по форме молекулы с трехмерными изгибами, и молекула приобретает уникальную форму.

Система реплицирующихся молекул РНК подвержена естественному отбору, при котором в зависимости от конкретных условий начнет преобладать та или иная последовательность.

5) Специализированные молекулы РНК могут катализировать биохимические реакции

Некоторые специализированные молекулы РНК могут катализировать изменения в других молекулах РНК, разрезая нуклеотидную последовательность в определенной точке, другие типы молекул РНК

способны вырезать часть своей собственной нуклеотидной последовательности и соединять отрезанные концы. Такие РНК могут катализировать собственную репликацию; более того при благоприятных условиях они могут скооперироваться в эффективную саморепликативную систему.

6) Информация передается от полинуклеотидов к полипептидам

Итак, мы предполагаем, что 3,5-4 млрд. лет назад где-то на Земле самореплицирующиеся системы молекул РНК положили начало

эволюционному процессу. Системы с различными наборами последовательностей нуклеотидов конкурировали за запасы предшественников, необходимых им для построения копий (аналогично тому, как сейчас конкурируют организмы за пищевые ресурсы). Успех зависел от точности и скорости копирования, а также от стабильности копий.

Хотя структура полинуклеотидов хорошо приспособлена для хранения и передачи (репликации) информации, каталитические возможности молекул РНК. по-видимому, слишком ограничены, чтобы обеспечить все функции современной клетки. Большая универсальность присуща полипептидам, они состоят из аминокислот с химически разнообразными боковыми цепочками и способны принимать разные пространственные формы, которые насыщены реакционноспособными участками. Свойства полипептидов делают их идеально подходящими для выполнения широкого круга структурных и функциональных задач. Они используются при катализе различных реакций. Современный процесс синтеза белков идет при участии белков и системы молекул РНК. На ранних стадиях развития РНК сама осуществляла сборку последовательных аминокислот в подходящий белок.

Сегодня сборка новых белков в клетке происходит на поверхности рибосом - сложных частиц, состоящих из нескольких больших молекул РНК (но уже другого класса) и более чем из 50 различных типов белков.