Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БИОФИЗИКА.docx
Скачиваний:
3
Добавлен:
15.11.2019
Размер:
1.01 Mб
Скачать

4. Биофизика клеточных процессов

Название “клетка” впервые употребил Р. Гук (1665) при описании строения коры пробкового дерева, увиденной при помощи увеличительных линз. Собственно клеточная теория строения живой материи была создана ботаником М. Шлейденом (1838) и геологом Т. Шванном (1839). Наряду с теорией Ч. Дарвина клеточная теория стала важнейшим достижением биологии 19 века.

В конце 1855 г. патолог Вирхов сделал вывод, что клетка может возникнуть только от предшествующей клетки путем деления. В 1866 г. Э. Геккель установил, что передачу наследственных признаков осуществляет ядро. Позднее были описаны хромосомы и многие другие клеточные структуры.

В современном виде клеточная теория утверждает, что все живые существа - животные, растения, простейшие организмы - состоят из клеток и их производных. Клетка является наименьшей структурой и функциональной единицей живого. Неклеточных форм жизни на Земле не существует. Вирусы и бактериофаги не могут рассматриваться как самостоятельные живые системы - из всех функций живой клетки они обладают лишь способностью передавать генетическую программу. Напротив, основные характеристики жизни присущи как одноклеточным организмам, так и подавляющему большинству типов специализированных клеток многоклеточных форм жизни. Более того, строение и поведение отдельных клеток настолько сложно, что оказывается возможным сформулировать проблемы поведения на клеточном уровне, то есть проблемы цитоэтологии (Александров, 1970).

Специфической особенностью клеток является способность к превращению и использованию энергии. За счет превращения энергии обеспечивается осуществление разнообразных механических, электрических и химических и осмотических процессов, связанных с жизнедеятельностью организмов.

4.1. Клетки и клеточные мембраны

Клетки, как правило, малы по размеру. Поперечный размер типичной клетки животных составляет 10 - 20 мкм, что примерно в 30 - 50 раз больше минимальной разрешающей способности оптических микроскопов. Поскольку многие компоненты клеток имеют значительно более мелкие размеры, сам факт их существования оставался неизвестным до тех пор, пока не были найдены способы достигать более высокого разрешения. Такой высокой разрешающей способностью обладает электронный микроскоп, в котором вместо светового пучка используется поток электронов.

Для исследования структуры клеток используются специально подготовленные на микротоме образцы, представляющие собой тонкие срезы толщиной 5 - 10 нм. Для их изготовления применяют ультрамикротомы со стеклянным или алмазным ножом, а образцы тканей заливают специальными пластическими массами.

Контрастность препаратов для электронно-микроскопических исследований создается благодаря тому, что одни структуры обладают более высокой электронной плотностью, чем другие. Степень рассеяния электронов пропорциональна квадрату атомного номера рассеивающего атома. Легкие атомы, входящие в состав биологических тканей - водород, кислород, азот, углерод и др. - обладают низкой рассеивающей способностью. Те части клетки, которые подлежат исследованию, избирательно окрашивают, вводя в них атомы тяжелых металлов, чтобы они стали контрастными. Для этого используют осмий, марганец, уран.

Несмотря на многочисленные различия, клетки разных типов обладают сходством в своих главных особенностях и основных элементах строения. Это позволяет всем клеткам выполнять единообразные физические и физико-химические функции, состоящие в химическом метаболизме и биосинтезе, в биоэнергетических процессах запасания и преобразования энергии и др. Биосинтетическая и биоэнергетическая функции неразрывно связаны. Они реализуются лишь в открытой неравновесной системе. Соответственно, эти функции сопряжены с транспортом вещества из окружающей среды в клетку и из клетки в окружающую среду.

Сочетание транспорта вещества с сохранением и автономностью внутреннего устройства клетки осуществляется единственно возможным способом - для выполнения своих функций клетка как целое отделена от внешней среды полупроницаемой перегородкой. Каждая клетка окружена плазматической мембраной. Появление клеточной мембраны, по-видимому, было важным этапом в возникновении жизни. Отделение внутриклеточного пространства от внешнего мира (компартментация) определило решительное ускорение добиологической и биологической эволюции.

Тонкая регуляция внутриклеточных процессов осуществляется на основе пространственного разделения органоидов клетки. Для компартментации внутреннего содержимого клеток служат внутриклеточные мембраны, которые создают разнообразные внутренние перегородки, отделяющие друг от друга различные полости, в которых происходят те или иные жизненные процессы. Система таких полостей и перегородок называется гладкий эндоплазматический ретикулум.

Биологические мембраны - надмолекулярные системы, протяженность которых в двух измерениях значительно превосходит их толщину, имеющую порядок величины 10 нм. Однако, все механизмы, ответственные за биологическую функциональность мембраны, локализованы именно в ее толще.

Мембраны не являются пассивными полупроницаемыми оболочками, но принимают прямое и важное участие во всех функциях клетки.

Мембраны обеспечивают активный транспорт вещества в направлении, противоположном градиенту химического или электрохимического потенциала.

В мембранах локализованы основные биоэнергетические процессы: окислительное фосфориллирование и фотосинтез. АТФ синтезируется в мембранах митохондрий и хлоропластов у зеленых растений.

Есть данные о связи рибосом, на которых синтезируется белок, а также процессов репликации ДНК и хромосом с участием мембранной системы эндоплазматического ретикулума.

К важнейшим биоэнергетическим процессам относятся явления биоэлектрические, в частности генерация биопотенциалов.

Распространение нервного импульса есть мембранный процесс. Рецепция - механическая, акустическая, обонятельная, вкусовая, зрительная - происходит с непременным участием мембран.

Распространение нервного импульса есть мембранный процесс. Рецепция – механическая, акустическая, обонятельная, вкусовая, зрительная – также происходит с непременным участием мембран.

Заключая, можно сказать, что физика и биология мембран - одна из центральных областей науки о живых системах. Эта область имеет большое значение и для теоретической и клинической медицины. Многие патологические процессы в клетке, например раковое перерождение, нарушение функционирования при атеросклерозе, повреждения при вирусной или бактериальной инфекциях, интоксикациях, действии проникающего излучения и пр., прямо или косвенно связаны с нарушением барьерной или структурной функции мембран.

Действие многих лекарств направлено на изменение функции мембран, а эффективность лекарственных соединений зависит от их способности проникать через мембраны или образовывать устойчивые связанные комплексы.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]