biologia_9_klass

Глава 2 Основы учения о клетке

Изучив эту главу, вы сумеете:

•охарактеризовать состав и строение клетки, объяснить роль внутриклеточных структур (органоидов и молекул) в процессе жизнедеятельности клетки;

•различить типы органических соединений живых клеток;

•объяснить различия клеток эукариот и прокариот, автотрофов и гетеротрофов;

•рассказать о роли обмена веществ в жизни клетки;

•сравнить процессы биосинтеза белков, фотосинтеза и дыхания;

•доказать, что клетка — биосистема.

§4 Цитология — наука, изучающая клетку. Многообразие клеток

Наука, изучающая клетки, называется цитологией. Название произошло от греческих слов kytos— «вместилище», «клетка» и logos— «учение». Цитология исследует состав, строение и функции клеток у многоклеточных и одноклеточных организмов.

Наука, исследующая клетку, ведет свою историю с середины XIX в., но корни ее уходят в XVII в. Развитие знаний о клетке во многом связано с усовершенствованием технических устройств, позволяющих ее рассмотреть и изучить. Понять жизнь клетки помогли работы ученых-цитологов, исследующих строение и жизнедеятельность клетки. В 1665 г. английский естествоиспытатель Р. Гук впервые рассмотрел оболочки растительных клеток, а в 1674 г. нидерландский натуралист А. ван Левенгук первым наблюдал под самодельным микроскопом некоторых простейших и отдельные клетки животных (эритроциты, сперматозоиды). В 1838 г., обобщая имевшиеся к тому времени сведения о клетке, немецкий ботаник М.Я. Шлейден поставил вопрос о возникновении клеток в организме. Немецкий физиолог и цитолог Т. Шванн, основываясь на работах Шлейдена, в 1839 г. изложил основы клеточной теории: все ткани состоят из клеток, клетки растений и животных имеют общий принцип строения, так как образуются одинаковым способом; все клетки самостоятельны, а любой организм — это совокупность жизнедеятельности отдельных групп клеток.

Появление клеточной теории Шлейдена и Шванна обусловило дальнейшее развитие учения о клетке. Немецкий патолог Р. Вирхов доказал, что клетка является постоянной структурой, возникающей путем размножения себе подобных. Ему принадлежит афористическое утверждение: «Каждая клетка — из клетки». В конце XIX в. была высказана гипотеза, что наследственные свойства заключены в ядре. В 1 892 г. И.И. Мечников открыл фагоцитоз (от греч. phagos — «пожиратель», kytos — «клетка») — активное захватывание и поглощение различных частиц одноклеточными организмами и даже клетками многоклеточного организма. В 1898 г. С.Г. Навашин открыл особый тип оплодотворения — двойное оплодотворение, свойственное всем цветковым растениям. В начале XX в. были разработаны методы культивирования клеток в пробирке и сконструирован первый электронный микроскоп. В результате учение о клетке обогатилось трудами генетиков о свойствах клетки, доказавших цитологическую основу передачи наследственных свойств.

Исследования ученых позволили сформулировать основные положения современной клеточной теории. Назовем эти положения: клетка — универсальная структурная единица живого; клетки размножаются путем деления (клетка от клетки); клетки хранят, перерабатывают, реализуют и передают наследственную информацию; клетка — это самостоятельная живая система (биосистема), отражающая определенный структурный уровень организации живой материи; многоклеточные организмы — это комплекс взаимодействующих систем различных клеток, обеспечивающих организму рост, развитие, обмен веществ и энергии; клетки всех организмов сходны между собой по строению, химическому составу и функциям.

Мир клеток живой природы чрезвычайно разнообразен. Клетки различаются по своей структуре, форме и функциям. Среди них есть свободноживущие клетки, которые ведут себя как особи популяций и видов, как самостоятельные организмы, жизнедеятельность которых зависит не только от слаженной работы внутриклеточных структур, но и от существования клетки как организма (добыча пищи и способ питания, размножение, подвижность в окружающей среде, активное и неактивное переживание неблагоприятных условий и пр.).

Свободноживущих одноклеточных организмов чрезвычайно много. Они входят во все царства живой природы и населяют все среды жизни на нашей планете.

У многоклеточного организма клетка является его частью. Из клеток образуются ткани и органы. Поэтому клетку называют основной структурной единицей организмов (рис. 4).

Размеры клеток варьируют от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм и 1,4 кг (яйцо страуса в скорлупе). Особенно большое разнообразие клеток наблюдается у эукариот (см. рис. 12).

Обычно у многоклеточных организмов разные клетки выполняют различные функции. Клетки, сходные по строению, расположенные рядом, объединенные межклеточным веществом и предназначенные для выполнения определенных (специализированных) функций в организме, образуют ткани. Ткани возникли в ходе эволюционного развития вместе с появлением многоклеточности, так как специализация клеток и, следовательно, тканей лучше обеспечивает процессы жизнедеятельности целостного организма.

Обычно у животных различают четыре типа (группы) тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. У растений типов тканей больше: покровная, ассимиляционная, проводящая, образовательная (меристема), запасающая, выделительная, воздухоносная и механическая. При этом в каждом типе ткани имеются разные варианты.

Несмотря на большое разнообразие форм, клетки разных типов обладают сходством в главных структурных и функциональны х особенностях. При этом

процессы жизнедеятельности (дыхание, биосинтез, обмен веществ) идут в клетках независимо от того, являются они одноклеточными организмами или составными частями многоклеточного организма.

Жизнь многоклеточного организма зависит от жизнедеятельности его отдельных клеток и их групп, выполняющих особые, специализированные функции.

Особенность клетки определяется специфичностью ее составных компонентов, упорядоченностью происходящих в ней как в целостной живой системе процессов. Каждая живая клетка осуществляет все процессы, от которых зависит ее жизнь: поглощает пищу, извлекает из нее энергию, избавляется от отходов обмена веществ, поддерживает постоянство своего химического состава и воспроизводит саму себя. Все это позволяет рассматривать клетку как особую единицу живой материи, как элементарную живую систему — биосистему клеточного уровня организации жизни.

Клетка — основная структурная и функциональная единица живых организмов.

Из клеток состоят все живые существа — от одноклеточных до крупных растений, животных и человека. И у всех организмов клетки функционируют, с одной стороны, как самостоятельные биосистемы, а с другой стороны, они взаимосвязаны как части целого.

Жизнь многоклеточного организма зависит от свойств и работы его клеток, от их взаимодействия между собой. При этом клетки функционируют, не вступая в конкуренцию друг с другом. Кооперация и специализация их функций в организме позволяют ему выжить в тех ситуациях, в которых одиночные клетки не выживают. У сложных многоклеточных организмов (растений, животных и человека) клетки организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. И каждая из этих систем представляет собой упорядоченную структуру, работающую на выполнение одной общей задачи — осуществление жизнедеятельности данного организма как целостности.

Состояние всего организма зависит от правильности функционирования всех его частей. Интеграция отдельных частей организма и процессов их жизнедеятельности является важным этапом в эволюции жизни. Клетка, появившись миллиарды лет назад, в процессе эволюции приобрела свойства биосистемы как формы живого. В течение последующих многих миллионов лет клетка не только усложнилась, но и стала входить в состав специализированных тканей, оказалась способной жить и активно функционировать в составе многоклеточных организмов, оставаясь основной структурной единицей жизни. При этом каждая живая клетка осуществляет размножение и передачу в этом процессе своей наследственной (генетической) информации, чем обеспечивает непрерывность жизни на Земле.

1.В чем сходство и различия клеток одноклеточных и многоклеточных организмов?

2.Сравните первоначальные и современные положения клеточной теории, отметьте принципиально новые открытия цитологии.

3*. Какие гипотезы науки о клетке вы считаете нужным включить в клеточную теорию?

§5 Химический состав клетки

При существующем в природе большом разнообразии клеток все они состоят из одних и тех же типов химических веществ, претерпевающих одинаковые превращения.

Живую клетку отличают две особенности: 1) в ней много воды, и поэтому все химические соединения (вещества) находятся в растворе; 2) в ней много сложных органических веществ.

Все клетки живых организмов сходны по химическому составу.

В клетках содержится более 70 химических элементов. Одни из них представлены в больших количествах (кислород, углерод, водород, азот, сера, железо, фосфор, кальций, калий и др.), их называют макроэлементами. Другие элементы, такие как марганец, медь, селен, кобальт, цинк, иод, никель, обнаруживаются в незначительном количестве, их называют микроэлементами. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы играют важную роль, так как влияют на обмен веществ в клетке.

Живая клетка характеризуется постоянством своего химического состава. Это постоянство обеспечивается особыми физиологическими механизмами и сохраняется при любых внешних воздействиях. Способность клетки сохранять устойчивость (стабильность) своего состава и, следовательно, свойств называется гомеостазом (от греч. homoios— «одинаковый» и statis— «состояние»).

В клетках содержатся неорганические и органические вещества (соединения). Неорганические вещества клетки — это вода, различные минеральные соли,

углекислый газ, кислоты и основания.

Вода является важнейшим компонентом содержимого живой клетки. Она составляет в среднем около 70% ее массы. Вода придает клетке упругость и объем, обеспечивает постоянство состава, участвует в химических реакциях и в построении органических молекул, делает возможным протекание всех процессов жизнедеятельности клетки. Вода является растворителем химических веществ, которые поступают в клетку и выводятся из нее.

Минеральные соли составляют всего 1-1,5% общей массы клетки, но роль их значительна. В растворенном виде они являются необходимой средой для химических процессов, обусловливающих жизнь клетки.

Вклетках находится много разных солей. Животные с помощью выделительной системы удаляют из организма избыточные соли, а у растений они накапливаются и кристаллизуются в различных органоидах или в вакуолях. Чаще это бывают соли кальция. Их форма в клетках растений может быть различной: иглы, ромбы, кристаллики — одиночные или сросшиеся вместе (друзы) (рис. 5).

Органические вещества — это углеводы, липиды (жиры), белки и нуклеиновые кислоты.

Ворганических соединениях важным элементом выступает углерод. Многочисленные превращения молекул и образование различных крупных молекул органических соединений происходят благодаря уникальному свойству углеродных атомов. Это свойство заключается в том, что атомы углерода, имеющие четыре валентные связи, способны в определенном порядке объединяться в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры. Эти углеродные цепи и кольца являются «скелетами» сложных органических молекул.

Моносахариды и дисахариды обладают сладким вкусом и обычно хорошо растворяются в воде. Полисахариды в воде почти не растворяются, безвкусны.

Липиды — это нерастворимые в воде вещества, в состав которых входят части молекул глицерина и трех жирных кислот.

Липиды представлены в клетках в виде жиров, восков и других жироподобных веществ. Их биологическая роль многообразна. Липиды входят в состав клеточной мембраны, влияют на проницаемость клеток и активность ферментов, участвуют в передаче нервных импульсов, выполняют энергетическую функцию и другие.

Без липидов, так же как без воды и углеводов, жизнь клетки невозможна.

Жиры могут быть твердыми (животного происхождения) и жидкими (масла). Расщепление 1 г жира сопровождается выделением 9,3 ккал энергии. Запасание питательных веществ в виде жиров оказывается наиболее энергетически выгодным. Жир плохо проводит тепло, поэтому, например, у многих животных подкожная жировая прослойка обеспечивает не только питание, но и сохранение тепла, защиту органов от механических повреждений.

Для жизнедеятельности клетки и всего организма необходимы и другие органические вещества — белки и нуклеиновые кислоты.

1.Поясните, почему углерод особенно важен в жизни клетки.

2.Замените выделенные слова одним словом.

•Неорганическое вещество, широко распространенное в природе, — важный химический компонент клетки.

•Малые молекулы органических веществ образуют в клетке сложные

молекулы.

3*. Расскажите, как образуются полимерные молекулы органических веществ.

§ 6 Белки и нуклеиновые кислоты

Из всех органических веществ основную массу в клетке (50-70%) составляют белки. Оболочка клетки и все ее внутренние структуры построены с участием молекул белков.

Белки — это сложные органические вещества, выполняющие в клетке важные функции. Они представляют собой гигантские полимерные молекулы, мономерами которых являются аминокислоты.

В природе известно более 150 различных аминокислот, но в построении белков живых организмов обычно участвуют только 20. Благодаря особенностям своего химического строения аминокислоты способны соединяться друг с другом, образуя так называемую первичную структуру белка. Уникальность (специфичность) белка определяется именно последовательностью соединения определенных аминокислот.

Молекулы белков могут образовывать не только первичную структуру, но и вторичную, третичную и четвертичную. Рассмотрим возможные структуры белков на примере гемоглобина (рис. 7). Длинная нить последовательно присоединенных друг к другу аминокислот представляет первичную структуру молекулы белка (она отображает его химическую формулу). Обычно эта длинная нить туго скручивается в спираль, витки которой прочно соединены между собой водородными связями. Спирально скрученная нить молекулы — это вторичная структура молекулы белка. Такой белок уже трудно растянуть. Свернутая в спираль молекула белка затем скручивается в еще более плотную конфигурацию — третичную структуру. В результате такого многократного скручивания длинная и тонкая нить молекулы белка становится короче, толще и собирается в компактный комок — глобулу. Только

глобулярный белок выполняет в клетке свои функции. У некоторых белков встречается еще более сложная форма — четвертичная структура.

Если нарушить структуру белка, например нагреванием или химическим воздействием, то он теряет свои качества и раскручивается. Этот процесс называется денатурацией. Если денатурация затронула только третичную или вторичную структуру, то она обратима: белок может снова закрутиться в спираль и уложиться в третичную структуру (явление ренатурации). При этом восстанавливаются функции данного белка. Это важнейшее свойство белков лежит в основе раздражимости живых систем, т. е. способности живых клеток реагировать на внешние или внутренние раздражители.

Многие белки выполняют роль катализаторов, которые ускоряют химические реакции, проходящие в клетке, и упорядочивают протекающие в ней процессы. Их называют ферментами. Ферменты участвуют в переносе атомов и молекул, в

расщеплении и построении белков, жиров, углеводов и всех других соединений (т. е. в клеточном обмене веществ). Ни одна химическая реакция в живых клетках и тканях не обходится без участия ферментов.

Белки выполняют в клетке множество функций: ферментативную, транспортную,

структурную, защитную и другие. Без белков жизнь клетки невозможна.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток, в связи с чем и получили свое название (лат. nucleus — «ядро»). Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные полимерные цепочки (тяжи), мономерами которых являются нуклеотиды (рис. 8, а ) . Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатков фосфорной кислоты (от одного до трех). Азотистыми основаниями у ДНК являются аденин, гуанин, цитозин и тимин (рис. 8, б ) . У РНК место тимина занимает урацил.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — важнейшее вещество в живой

клетке. Молекула ДНК является носителем наследственной информации клетки и организма в целом. В клетках организмов каждого биологического вида определенное количество молекул ДНК на клетку. Последовательность нуклеотидов

вмолекуле ДНК всегда строго индивидуальна и неповторима для каждого биологического вида.

Молекулы ДНК у всех эукариот находятся в ядре клетки и в органоидах — митохондриях и пластидах. У прокариот ядра нет, поэтому у них ДНК располагается

вцитоплазме.

Увсех живых существ молекулы ДНК построены по одному и тому же типу. Они состоят из двух полинуклеотидных цепочек, скрученных в виде двойной спирали

внаправлении слева направо (рис. 8, в ) . При этом азотистые основания обращены внутрь спирали и скреплены между собой водородными связями (наподобие застежки «молния»), а дезоксирибозы и остатки фосфорной кислоты находятся на внешней стороне двойной спирали.

Последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК определяет наследственную информацию клетки.

Структуру молекулы ДНК раскрыли в 1953 г. американский биохимик Д. Уотсон и английский физик Ф. Крик. За это открытие ученые были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии. Они доказали, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. При этом нуклеотиды (мономеры) соединяются друг с другом не случайно, а избирательно и парами посредством соединения азотистых оснований. Аденин (А) всегда стыкуется с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Эта двойная цепь туго закручена в спираль. Способность нуклеотидов к избирательному соединению в пары называется комплементарностью (лат. complementus — «дополнение»). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

На свойстве комплементарности основана способность молекулы ДНК удваиваться. Процесс удвоения ДНК называется репликацией (лат.

replicatio — «повторение»).

Репликация происходит следующим образом. При участии специальных клеточных механизмов (ферментов) двойная спираль ДНК раскручивается, нити расходятся (наподобие того, как расстегивается «молния»), и постепенно к каждой из двух цепочек достраивается комплементарная ей половина из соответствующих нуклеотидов. В результате вместо одной молекулы ДНК образуются две новые одинаковые молекулы. При этом каждая вновь образованная двухцепочная молекула ДНК состоит из одной «старой» цепочки нуклеотидов и одной «новой». Поскольку ДНК является основным носителем информации, то ее способность к удвоению позволяет при делении клетки передавать эту наследственную

информацию во вновь образующиеся дочерние клетки.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) похожа по строению на ДНК, но ее молекулы состоят только из одной цепочки. Среди азотистых оснований в нуклеотидах вместо тимина (Т) присутствует урацил (У) и вместо дезоксирибозы — углевод (рибоза). Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме и некоторых органоидах клетки.

Значение молекулы РНК в жизни клетки огромно. Она служит посредником между ДНК и синтезируемыми белками, участвуя в процессе сборки мономеров в полимер.

По выполняемым функциям различают соответствующие типы РНК. Информационные РНК (иРНК) содержат информацию о первичной структуре белков. Транспортные РНК (тРНК) переносят аминокислоты к месту синтеза белка. Рибосомные РНК (рРНК) содержатся в мельчайших органоидах клетки — рибосомах. Все эти РНК участвуют в синтезе белков.

Нуклеиновые кислоты играют важнейшую биологическую роль в клетке: молекулы ДНК хранят наследственную информацию, а молекулы РНК участвуют в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку.

Нуклеиновые кислоты являются обязательными компонентами не только всех живых клеток, но и вирусов.

1. Какие функции в клетке выполняют белки? нуклеиновые кислоты? 2*. Поясните, по каким основаниям определяется близость (родство) организмов и их видов.

3*. Назовите в каждой строке лишний термин.

•Белки, ДНК, РНК, нуклеотиды.

•Мономеры, полимеры, молекула, глобула.

§7 Строение клетки

Любая клетка имеет очень сложное строение (рис. 9). Содержимое клетки, а также многих внутриклеточных структур ограничивают биологические мембраны (лат. membrana — «кожица», «пленка») — тончайшие пленки (3,5- 10 нм толщиной), состоящие в основном из белков и липидов.

Цитоплазматическая (или клеточная) мембрана отделяет от внешней среды содержимое клетки и осуществляет ее взаимодействие с внешней средой, а также с соседними клетками. Через мембрану в клетку поступают питательные вещества и