Тема «Клетка»

Биология – наука о строении и процессах жизнедеятельности живых организмов.

Сущность жизни и свойства живого

• Единство элементарного химического состава.

• Единство биохимического состава.

• Единство структурной организации.

• Обмен веществ и энергии.

• Саморегуляция.

• Открытость

• Размножение

• Наследственность и изменчивость.

• Рост и развитие.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Уровень организа- ции	Биологи-ческая система	Элементы, образующие систему	Значение уровня в органическом мире
1. Моле- кулярно- генетиче- ский	Ген (макро- молеку- ла)	Макромолекулы нуклеиновых кислот, белков, АТФ	Кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии
2. Кле- точный	Клетка	Структурные части клетки и биологические молекулы	Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов, синтеза белка
3. Ткане вый	Ткань	Совокупность клеток и межклеточного вещества	Разные виды тканей у животных и растений отлича- ются строением и выполняют различные функции. Изучение этого уровня позволяет проследить эволюцию и индивидуальное развитие тканей

4. Орган- ный	Орган	Клетки, ткани	Позволяет изучать строение, функции, механизм действия, происхождение, эволюцию и индивидуаль-ное развитие органов растений и животных
5. Орга- низмен- ный	Орга- низм (особь)	Клетки, ткани, органы и системы органов с их уникальными жизненными функциями	Обеспечивает функционирование органов в жизнедея- тельности организма, приспособительные изменения и поведение организмов в различных экологических условиях
6. Попу- ляционно- видовой	Попу- ляция	Совокупность особей одного вида	Осуществляется процесс видообразования
7. Биогео- ценотиче- ский	Био- геоце- ноз	Исторически сложившаяся совокупность МО, Г, Р, Ж в сочетании с факторами окружающей среды	Круговорот веществ и энергии
8. Био- сферный	Био-сфера	Все биогеоценозы	Здесь происходят все круговороты веществ и энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле

Цитология (греч. цитоз - ячейка, клетка) - наука о клетке. Предметом цитологии является клетка как структурная и функ­циональная единица жизни. В задачи цитологии входит изучение строения и функцио­нирования клеток, их химического состава, функций отдель­ных клеточных компонентов, познание процессов воспроиз­ведения клеток, приспособления к условиям окружающей среды, исследование особенностей строения специализиро­ванных клеток, этапов становления их особых функций, раз­витие специфических клеточных структур и др. Для решения этих задач в цитологии используются различные методы. Основным методом исследования клеток является свето­вая микроскопия. Для изучения мелких структур применяют оптические приборы - микроскопы. Разрешающая способ­ность микроскопов составляет 0,13-0,20 мкм, т. е. примерно в тысячу раз выше разрешающей способности человеческого глаза. С помощью световых микроскопов, в которых исполь­зуется солнечный или искусственный свет, удается выявить многие детали внутреннего строения клетки: отдельные органеллы, клеточную оболочку и т. п. Ультратонкое строение клеточных структур изучают с по­мощью метода электронной микроскопии. В отличие от све­товых в электронных микроскопах вместо световых лучей ис­пользуется пучок электронов. Разрешающая способность со­временных электронных микроскопов составляет 0,1 нм, поэтому с их помощью выявляют очень мелкие детали. В элек­тронном микроскопе видны биологические мембраны(толщина 6-10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм), микро­трубочки (толщина около 25 нм) и другие структуры. Для изучения химического состава, выяснения локализа­ции отдельных химических веществ в клетке широко исполь­зуются методы цито - и гистохимии, основанные на избира­тельном действии реактивов и красителей на определенные химические вещества цитоплазмы. Метод дифференциального центрифугирования позволяет детально исследовать химиче­ский состав органелл клетки после их разделения с помощью центрифуги. Метод рентгеноструктурного анализа дает воз­можность определять пространственное расположение и фи­зические свойства молекул (например, ДНК, белков), входя­щих в состав клеточных структур. Для выявления локализации мест синтеза биополимеров, определения путей переноса веществ в клетке, наблюдения за миграцией или свойствами отдельных клеток широко ис­пользуется метод авторадиографии - регистрации веществ, меченных радиоактивными изотопами. Многие процессы жизнедеятельности клеток, в частности деление клетки, фик­сируют с помощью кино- и фотосъемки. Для изучения клеток органов и тканей растений и живот­ных, процессов деления клетки, их дифференциации и спе­циализации используют метод клеточных культур - выращи­вание клеток (и целых организмов из отдельных клеток) на питательных средах в стерильных условиях. При исследовании живых клеток, выяснении функций от­дельных органелл используют метод микрохирургии - опера­тивное воздействие на клетку, связанное с удалением или им­плантированием отдельных органелл, их пересаживанием из клетки в клетку, введением в клетку крупных макромолекул. Исследования клетки имеют большое значение для разгадки заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологи­ческие изменения, приводящие к возникновению заболеваний. Чтобы понять роль клеток в развитии заболеваний, приведем несколько примеров. Одно из серьезных заболеваний человека - сахарный диабет. Причина этого заболевания - недостаточная деятельность группы клеток поджелудочной железы, вырабаты­вающих гормон инсулин, который участвует в регуляции сахар­ного обмена организма. Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают также на уровне кле­ток. Возбудители кокцидиоза - опасного заболевания кроликов, кур, гусей и уток - паразитические простейшие - кокцидии про­никают в клетки кишечного эпителия и печени, растут и размно­жаются в них, полностью нарушают обмен веществ, а затем разрушают эти клетки. У больных кокцидиозом животных сильно нарушается деятельность пищеварительной системы и при отсут­ствии лечения животные погибают. Вот почему изучение строения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо не только в биологии, но также в медицине и ветеринарии.   Открытие клетки принадлежит английскому естествоиспыта­телю Р. Гуку, который в 1665 г. впервые рассмотрел тонкий срез пробки в усовершенствованном им микроскопе. На срезе было видно, что пробка имеет ячеистое строение, подобно пчели­ным сотам. Эти ячейки Р. Гук назвал клетками. Вслед за Гуком клеточное строение растений подтвердили итальянский врач и  микроскопист М. Мальпиги (1675) и английский ботаник Н. Грю (1682). Их внимание привлекли форма клеток и стро­ение их оболочек. В результате было дано представление о клетках как о «мешочках» или «пузырьках», наполненных «пи­тательным соком». Значительный вклад в изучение клетки внес голландский микроскопист А. ван Левенгук, открывший в 1674 г. однокле­точные организмы - инфузории, амебы, бактерии. Он также впервые наблюдал  животные клетки - эритроциты крови и сперматозоиды. Дальнейшее усовершенствование микроскопа и интенсив­ные микроскопические исследования привели к установлению французским ученым Ш. Бриссо-Мирбе (1802,1808) того фак­та, что все растительные организмы образованы тканями, ко­торые состоят из клеток. Еще дальше в обобщениях пошел французский ученый Ж. Б. Ламарк (1809), который распрос­транил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на жи­вотные организмы. В начале XIX в. предпринимаются попытки изучения внут­реннего содержимого клетки. В 1825 г. чешский ученый Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831 г. англий­ский ботаник Р. Броун впервые описал ядро в клетках расте­ний, а в 1833 г. он пришел к выводу, что ядро является обяза­тельной частью растительной клетки. Таким образом, в это время меняется представление о строении клеток: главным в организации клетки стала считаться не клеточная стенка, а ее содержимое. Многочисленные наблюдения по строению клетки, обобщение накопленных данных позволили немецкому зоологу Т. Шванну в 1839 г. сделать ряд обобщений, которые впослед­ствии назвали клеточной теорией. Он показал, что клетки растений и животных принципиально сходны между собой. Дальнейшее развитие клеточной теории получило в рабо­тах Р. Вирхова (1858), который предположил, что клетки об­разуются из предшествующих материнских клеток. В 1874 г. Русским ботаником И. Д. Чистяковым, а в 1875 г. польским ботаником Э. Страсбургером было открыто деление клетки - митоз и, таким образом, подтвердилось предположение Р. Вирхова. Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии, послужила фундаментом для развития та­ких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она дала основы для понимания жизни, индивидуального развития, для объяснения эволюционной связи между организмами.

Клеточная теория включает следующие основные положе­ния: •1.  Клетка - элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению, является единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов. •2.  Клетки всех живых организмов гомологичны по строе­нию, сходны по химическому составу и основным проявле­ниям жизнедеятельности. •3.  Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки. •4.  В многоклеточном организме клетки специализируют­ся по функциям и образуют ткани, из которых построены орга­ны и системы органов, связанные между собой межклеточны­ми, гуморальными и нервными формами регуляции.

ЦИТОЛОГИЯ - наука о структуре, развитии и функции клеток. Элементарной единицей всего живого является КЛЕТКА – структурная и функциональная единица всех живых организмов.

Краткая история развития клетки.

Дата	Событие
около 1590г.	3. Янсен изобрел микроскоп
1565 г.	Р. Гук описал биологические исследования, проведенные с использованием микроско­па. Применил термин «клетка»
1680 г.	А. Ван Левенгук открыл одноклеточные ор­ганизмы и эритроциты; описал бактерии, грибы, простейших
1802 г.	Брисо-Мирбе установил, что все растительные организмы образованы тканями, ткани состоят из клеток.
1825 г	Я. Пуркине (чех) открыл ядро в яйцеклетке птиц
1826 г.	К. Бэр открыл яйцеклетки птиц и животных, и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки.
1831-1833 гг.	Р. Браун описал ядро в растительной клетке.
1838-1839 гг.	М. Шлейден и Т. Шванн - сформулировали клеточную тео­рию: «Клетка — единица структуры и функ­ции всех живых организмов»
1855 г.	Р. Вирхов дополнил теорию: «Клетка — единица развития живых организмов»
1931 г.	Э. Руске и М. Кноль сконструировали элек­тронный микроскоп
1841 г.	Р. Ремарк описал явление амитоза.
1875 г.	немецкий ботаник Эдуард Страсбургер заложил осно­вы современного учения о кариокинезе. В цитоплазме клетки им были обнаружены «органоиды».
1836 г	Габриель Валентине в ядре открыл ядрышко.
1875 г	Оскар Гертвинг открыл явле­ние оплодотворения яйца.
1876 г.	Эдуард ван Бенеден установил наличие клеточного центра в деля­щихся половых клетках.
1890 г.	Рихард Альтман открыл митохондрии.
1898 г.	Камилло Гольджи открыл аппарат Гольджи.
1898 г	Карл Бенда описал хромосо­мы.

Методы изучения клетки:

1) микроскопия (световая, электронная, сканирующая)

2) окрашивание

3) биохимический

4) дифференциальное центрифугирование (разделение частей клеток, отличаю­щихся по удельному весу и размерам, с помощью центрифуг. Выделяют компоненты клетки и исследуют состав и функции клеток. При очень большом вращении органеллы выпадают в осадок слоями в соответствии с их плотностью. Эти слои изучают отдельно.

5) метод меченых атомов применяет­ся при изучении биохимических процессов, происходящих в жи­вых клетках. В вещество вводят радиоактивную метку, т. е. заменяют в его молекуле один из атомов соответствующим радиоактивным изотопом ( ³Н, ³²Р, ¹⁴С), радио­активный изотоп сигнализирует о своем местонахождении радио­активным излучением. Это позволяет установить последовательность этапов его химических превращений, продолжительность их во времени, зависимость от условий и т. д.

Основные положения современной клеточной теории:

1. Все простые и сложные организмы состоят из клеток, способных к обмену с окружающей средой веществами, энер­гией, биологической информацией;

2. Клетка — элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого;

3. Клетка — элементарная единица размножения и разви­тия живого;

4. В многоклеточных организмах клетки дифференциро­ваны по строению и функциям. Они объединены в ткани, ор­ганы и системы органов;

5. Клетка – живая, открытая система, способная к саморегуляции, самообновле­нию и воспроизведению.

Химический состав клетки

Атомный состав: в состав клетки входит около 90 эле­ментов Периодической системы элементов Менделеева, при­чем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Э лементы, входящие в состав клеток

Макроэлементы Микроэлементы Ультрамикроэлементы

(содержание не ниже 0,1%) (содержание от 0,01 до (содержание не более 0,000001%)

1) О, C, H, N 0,000001%) Бор, кобальт, уран, радий, золото, ртуть, бериллий,

2) P, S, Na, Fe, Ca, CI, Mg, K медь, молибден, цинк, серебро и др.

йод, бром

Неорганические вещества клетки

Молекула воды - нелинейная пространствен­ная структура, обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие её физические и химические свойства. Молекула воды – это диполь - на одной стороне молекулы – положительный заряд, а на другом конце – отрицательный (определяет свойство – универсального растворителя).

Физико-химические свойства воды

1. Не имеет вкуса, цвета и запаха

2. Обладает: - дипольным свойством

- плотностью и вязкостью

- капиллярностью

- поверхностным натяжением. (Благодаря силам сцепле­ния молекул на поверхности воды

создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение)

3. Может находиться в трех агрегатных состояниях: ТВ., Ж, Г.

4. Универсальный раство­ритель (гидрофобные, гидрофильные в-ва)

5. Высокая удельная теплоемкость (обес­печивает поддержание теплового баланса в организме)

6. Высокая теплота парообразования (предохраняет организм от перегрева)

7. Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллойдные растворы

(цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологическая роль воды

1. Придает клетке объем и упругость.

2. Осуществляет осмотиче­ские явления.

3. Способствует теплорегуляции клеток.

4. Является средой хими­ческих реакций.

5. Является источником 0₂ при фотосинтезе.

6. Осуществляет транспорт веществ

7. Метаболическая — вода является средой для всех биохи­мических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономе­ров;

8. Участвует в образовании: а) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение — в суставах позвоночных животных, плевральной полости, око­лосердечной сумке);

б) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

в) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Функции минеральных солей

1. Определяют буферные свойства — способность поддерживать рН среды

2. Обеспечивают осмотическое давление

3. Входят в состав кофакторов ферментов

4. Минеральные соли могут находиться в растворенном или нерастворенном состояниях.

Растворимые соли диссоциируют на ионы.

Нерастворимые соли (СаСО₃, Са₃(РО₄)₂ и др.) входят в со став костей, зубов, раковин и

панцирей одноклеточных и многоклеточных животных

ИОНЫ:

А) Катионы:

Na ⁺ K ⁺ - Облегчают перенос ве­ществ через мембрану и участвуют в возник­новении и

проведении нервного импульса

Ca⁺ - Принимает участи в процессах сокращения мышечных волокон и свертывания крови

Mg⁺ - Входит в состав хлоро­филла

Fe ²⁺, Fe ³⁺ - Входит в состав ряда белков, в том числе и гемоглобина

Б) Анионы (важнейшие: NO₃ ^- ; НРО ₄ ^- ; Н₂РО ₄ ; НСО ₃ ^– ; Cl ^- ;

Фосфат-анион - входит в состав АТФ и нуклеиновых кислот

Карбонат- и гидрокарбонат – анион - смягчает колебания рН среды.

Значение элементов для клетки и организма

Элемент	Сим- вол	Примернсодерж.в %	Значение для клетки и организма
Водород	н	10	Компонент воды и органических веществ
Кислород	о	62	Входит в состав воды и органических веществ
Углерод	с	20	Входит в состав всех органических веществ
Азот	N	3	Источник минерального пи­тания, синтеза белков, нуклеиновых кислот, многих ферментов и витаминов
Кальций	Са	2,5	Входит в состав клеточной стенки у растений, костей и зубов, акти­вирует свёртывание крови и со­кращение мышечных волокон
Фосфор	Р	0,1	Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот и некоторых ферментов
Сера	S	0,25	Входит в состав аминокислот (цистеина, цистина и метионина), ви­тамина В и некоторых ферментов
Калий	К	0,25	Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты бел­кового синтеза, обусловливает нор­мальный ритм сердечной деятель­ности, участвует в процессах фото­синтеза
Хлор	С1	0,2	Преобладает в виде отрицательно­го иона в организме животных. Компонент соляной кислоты в же­лудочном соке
Натрий	Nа	0,10	Содержится в клетке в виде ионов, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов
Магний	Mg	0,07	Входит в состав молекул хлоро­филла, а также костей и зубов; ак­тивирует энергетический обмен и синтез ДНК
Иод	I	0,01	Входит в состав гормонов щито­видной железы
Железо	Fе	0,01	Входит в состав многих фермен­тов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофил­ла, в процессах дыхания и фото­синтеза
Медь	Си	Сле­ды	Входит в состав гемоглобина у бес­позвоночных, а также в состав не­которых ферментов; участвует в процессах кроветворения, фото­синтеза
Марганец	Mn	»	Входит в состав или повышает ак­тивность некоторых ферментов; участвует в формировании костей, ассимиляции азота и процессе фо­тосинтеза
Молибден	Мо	»	Входит в состав некоторых фер­ментов, участвует в процессах свя­зывания атмосферного азота рас­тениями
Кобальт	Со	»	Входит в состав витамина В , уча­ствует в фиксации атмосферного азота растениями и в развитии эритроцитов
Бор	В	»	Влияет на ростовые процессы рас­тений, активирует восстановитель­ные ферменты дыхания
Цинк	Zn		Входит в состав некоторых фер­ментов, расщепляющих полипеп­тиды и угольную кислоту, участву­ет в синтезе растительных гормо­нов и спиртовом брожении
Фтор	F		Входит в состав эмали зубов и костей

Органические вещества клетки

Органические вещества клетки – это сложные углеродсодерджащие соединения

Органические соединения

Низкомолекулярные Высокомолекулярные - биополимеры

( АК, липиды, органические кислоты)

Гомополимеры, Гетерополимеры,

или регурярные или нерегулярные

(Мономеры: А-А-А-А-…) (Мономеры: А-В-Б-В-А-Б- …)

Напр.: гликоген, крахмал, Напр.: белки - из 20 АК;

целлюлоза (мономеры –глюкоза) нуклеиновые кислоты – из 5 типов

нуклеотидов (А, Г, Ц, Т, У)

1. Углеводы - группа органических соединений, общая форму­ла которых – Сn (Н₂О)_m

Содержание углеводов в клетках: в растительных (в высушенных листьях, плодах, семенах, клубнях картофеля) их почти 90 %; в животных клетках - 1-2 % от массы сухого вещества.