Современная клеточная теория

                                        Введение.

Наука о клетке называется цитологией (греч. "цитос" клетка, "логос" - наука). Клетка является единицей живого: она обладает способностью размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур и клеток внутри организма, размножение и развитие клеток, приспособление клеток к условиям окружающей среды. Впервые название "клетка" применил Роберт Гук в середине XVII в. при рассмотрении под микроскопом, им сконструированным, тонкого среза пробки. Он увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток (англ. "cell" - камера, келья). К началу XIX в., после того как появились хорошие микроскопы, были разработаны методы фиксации и окраски клетки, представления о клеточном строении организмов получили общее признание.

 

 

В 1838 - 1939 гг. двое немецких ученых - ботаник М. Шлейден и зоодог Т. Шванн, собрали все доступные им сведения и наблюдения в единую  теорию, утверждавшую, что клетки, содержащие ядра, представляют  собой структурную и функциональную основу всех живых существ. Спустя примерно 20 лет после провозглашения Шлейдоном и Шванном клеточной другой немецкий ученый - врач Р. Вирхов сделал очень важное обобщение: клетка может возникнуть из предшествующей клетки. Академик Российской Академии наук Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие с клетки и этой клеткой является зигота.

Клетка – это элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самопроизведению.

 

 

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

 

1. Клетка - основная единица  строения и развития всех живых  организмов, наименьшая единица  живого.

2. Клетки всех одноклеточных  и многоклеточных организмов  сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям  жизнедеятельности и обмену веществ.

3. Размножение клеток  происходит путем их деления, т.е. каждая новая клетка образуется  в результате деления исходной (материнской) клетки. Положения о  генетической непрерывности относиться  не только к клетке в целом, но и некоторым из её более  мелких компонентов - к генам и  хромосомам, а также к генетическому  механизму, обеспечивающему передачу  вещества наследственности следующему  поколению.

4. В сложных многоклеточных  организмах клетки специализированы  по выполняемой ими функции  и образуют ткани; из тканей  состоят органы, которые тесно  связаны между собой и подчинены  нервным и гуморальным системам  регуляции.

Химический состав клетки.

1.Атомный состав клетки.

         Из 110 элементов Периодической системы  Менделеева в состав организмов  входит более половины, причем 24 из них являются обязательными  и обнаруживаются почти во  всех типах клеток. По процентному  содержанию в клетке химические  элементы делятся на три группы: макро-, микро - и ультрамикроэлементы.

        Макроэлементы  составляют в сумме порядка 98% всех элементов клетки и входят  в состав жизненно важных биологических  веществ. К ним относят водород (>60%), кислород (~ 25%),  углерод (~10%), азот (~3%).

        К  микроэлементам принадлежит 8 элементов, содержание которых в клетке  составляет менее 2-3 %. Это магний (Mg), натрий (Na), кальций (Ca), железо (Fe), калий (K), сера (S) , фосфор (P), хлор (Cl).

        К  группе ультрамикроэлементов относят  цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и другие элементы, содержащиеся  в клетке в исключительно малых  количествах (суммарное содержание  порядка 0,1%).

       Несмотря  на низкое содержание в живых  организмах, микро - и ультрамикроэлементы  играют чрезвычайно важную роль: они входят в состав различных  ферментов, гормонов, витаминов и  обуславливают тем самым нормальное  развитие и функционирование  клетки и всего организма в  целом. Так, например, медь является  составной частью ферментов, занятых  в процессах тканевого дыхания. Цинк – необходимый компонент  почти ста ферментов, например, он  содержится в гормоне поджелудочной  железы – инсулине. Кобальт входит  в состав витамина B12, регулирующего кроветворную функцию. Железо является компонентом гемоглобина, а йод – гормона щитовидной железы – тироксина.

        Роль  ряда ультрамикроэлементов в  организме еще не уточнена  или даже неизвестна (мышьяк).

 

2.Молекулярный состав  клетки.

Химический элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ.

 

 Неорганические вещества.

Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле и преобладающий компонент всех живых организмов. Среднее количество воды в клетках большинства живых организмов составляет порядка 70% (в клетках медузы – 95%).

Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95 % всей воды клетки; на долю связанной воды, входящей в состав фибриллярных структур и соединенной с некоторыми белками, приходится около 4-5 %%.

Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительно важное значение для живых организмом. Исключительные свойства воды определяются структурой ее  молекул. Молекула воды является диполем. Атом кислорода в ней ковалентно связан с двумя атомами водорода. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, т.к.  кислород электроотрицательнее водорода.

Из-за высокой полярности молекул вода является лучшим из известных растворителей. Вещества, хорошо растворимые в воде называют гидрофильными. К ним относят многие кристаллические соли, ряд органических веществ – спирты, сахара, некоторые белки (например, альбумины, гистоны). Вещества, плохо или совсем нерастворимые в воде, называют гидрофобными. К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки (глобулины, фибриллярные белки).

 

Высокая теплоемкость воды делает ее идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и в целом организма. Так как на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая возможность равномерного распределения тепла между тканями организма.

Вода является дисперсионной средой, играющей важную роль в коллоидной системе цитоплазмы, определяет структуру и функциональную активность многих макромолекул, служит основной средой для протекания химических реакций и непосредственным участником реакций синтеза и расщепления органических веществ, обеспечивает транспортировку веществ  в клетке и организме (диффузия, кровообращение, восходящий и нисходящий  ток растворов по телу растения и др. ).

Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление и определяя объем и упругость клеток и тканей.

 

 

Углеводы.

 

Содержание углеводов в животных клетках составляет 1-5%, а в некоторых клетках растении достигает 70%.

Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды, различающиеся числом мономерных звеньев.

Моносахариды – бесцветные, твердые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, но нерастворимые в неполярных растворителях, имеющие, как правило, сладковатый вкус. В зависимости от числа атомов различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены в природе гексозы (глюкоза, фруктоза) – основные источники энергии в клетках (при полном расщеплении 1г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии) и пентозы (рибоза, дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот.

Два или несколько ковалентно связанных друг с другом с помощью гликозидной связи моносахарида образуют ди -  или олигосахариды. Дисахариды также широко распространены в природе: наиболее часто встречается мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы.  

Биологическое значение углеводов состоит в том, что они являются мощным и богатым источником энергии, необходимой клетке для осуществления различных форм активности. Полисахариды – удобная форма накопления энергоемких моносахаридов, а также незаменимый защитный и структурный компонент клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов. Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клеток друг другом и их взаимодействие.

 

Липиды.

 

Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях – эфире, хлороформе, бензоле. Они обнаруживаются во всех без исключения клетках и разделены на несколько классов, выполняющих специфические биологические функции. Наиболее распространенными в составе живой природы являются нейтральные жиры, или триацилглицерины, воска, фосфоролипиды, стеролы.

Содержание липидов в разных клетках сильно варьирует: от 2 – 3 до 50 – 90 % в клетках семян растении и жировой ткани животных.

Структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты. Жирные кислоты являются ценным источником энергии. При окислении 1г жирных кислот высвобождается 38 кДж энергии и синтезируется в два раза большее количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

 

Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Жиры являются основной формой запасания липидов в клетке. Жиры используются также в качестве источника воды (при сгорании 1г жира образуется 1,1г воды). У многих млекопитающих под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который защищает организм от переохлаждения.

 

Воска  - это сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и много атомными спиртами. У позвоночных животных секретируются кожными железами. Покрывая кожу и её производные (волосы, мех, шерсть, перья), воска смягчают их и предохраняют от действия воды.

 

Фосфолипиды в состав молекул, которых входит остаток фосфорной кислоты, являются основой всех клеточных мембран.

 

Стероиды составляют группу липидов, не содержащих жирных кислот и имеющих особую структуру. К ним относится ряд гормонов, в частности кортизон, вырабатываемый корой надпочечников, различные половые гормоны, а также холестерин – важный компонент клеточных мембран у животных.

 

Белки.

 

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки – это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Среди белков организма выделяют простые белки, состоящие только из аминокислот, и сложные, включающие помимо аминокислот, так называемые простатические группы различной химической природы. Липопротеины имеют в своем составе липидный компонент, гликопротеины – углеводный. В состав фосфопротеинов входит одна или несколько фосфатных групп. Металлопротеины содержат различные металлы; нуклеопротеины – нуклеиновые кислоты. Простетические группы обычно играют важную роль при выполнении белком его биологической функции.

Белки выполняют в организме чрезвычайно важные и многообразные функции, перечисленные в нижеследующей таблице, но несомненно наиболее значительной является каталитическая, или ферментативная, функция.

 

Некоторые функции, выполняемые белками. Таблица. 

Класс	Выполняемая функция	Примеры белков
Ферменты	Служат катализаторами определенных химических реакции; у разных организмов обнаружено более 2000 различных ферментов.	Амилаза расщепляет крахмал до глюкозы; липаза расщепляет жиры до глицерина и жирных кислот.
Структурные белки	Являются структурными компонентами биологических мембран и многих внутриклеточных органелл, главным компонентом опорных структур организма.	Коллаген хрящей и сухожилий, эластин соединительной ткани, кератин волос и ногтей.
Сократительные белки	Обеспечивают движение клеток, внутриклеточных структур.	Актин и миозин мышечного волокна, тубулин микротрубочек.
Транспортные белки	Связывают и переносят специфические молекулы и ионы из одного органа в другой.	Гемоглобин переносит кислород, сывороточный альбумин – жирные кислоты.
Пищевые белки	Питают зародыш на ранних стадиях развития и запасают биологически ценные вещества и ионы.	Казеин молока; ферритин, запасающий железо в селезенке.
Защитные белки	Предохраняют организм от вторжения других организмов и повреждений.	Антитела, вырабатываемые лимфоцитами, блокируют чужеродные антигены; фибриноген и тромбин, предохраняющие организм от кропотери.
Регуляторные белки	Участвуют в регуляции активности клетки и организма.	Инсулин регулирует обмен глюкозы; гистоны – генную активность.

 

 

 

Нуклеиновые кислоты.

 

Нуклеиновые кислоты составляют 1 – 5 % сухой массы клетки и представлены моно-  и полинуклеотидами. Мононуклеотид состоит из одного пуринового (аденин – А, гуанин – Г) или пиримидиного (цитозин – Ц, тимин – Т, урацил – У), азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибоза или дизоксорибоза) и 1- 3 остатков фосфорной кислоты.

 

Мононуклеотиды выполняют в клетке исключительно важные функций. Они выступают в качестве источников энергии, причем АТФ является универсальным соединением, энергия которого используется почти во всех внутриклеточных реакциях, энергия ГТФ необходима в белоксинтезирующей деятельности рибосом. Производные нуклеотидов служат также переносчиками некоторых химических групп, например НАД (никотинамиддинуклеотид) – переносчик атомов водорода.