Уровни организации живой материи

Происхождение вирусов в  процессе эволюции пока не ясно. Предполагается, что вирусы представляют собой сильно дегенерировавшие клетки или их фрагменты, которые в ходе приспособления к  паразитизму утратили все, без чего можно обойтись, за исключением своей  наследственной информации и защитной белковой оболочки.

 

3. Клетка как морфофункцианальная единица живого

3.1. Изучение клетки. Клеточная теория

Клетка -основная структурная и функциональная единица организма.

Долгое время биология изучала свойства животных и растений основе их макроскопического строения (видимого невооруженным глазом). Глубже в строение и функции организмов она проникла после открытия их клеточного строения и изучения клетки как основной структурной и функциональной единицы.

 Размеры клеток обычно порядка нескольких микрометров 1 мкм - 0,001 мм); самые мелкие-от 0,5 до 1,2 мкм, что делает недоступными для изучения невооруженным глазом. Открытие исследование клетки тесно связано с изобретением и усовершенствованием микроскопа.

В 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук с помощью микроскопа впервые установил «клеточное строение»  на случайно выбранном для наблюдения растительном объекте -- мертвой Щи, пробке. Он ввел понятие «клетка» для  обозначения наблюдения в пробке пустых ячеек, поэтому свойства живой  материи Гук ошибочно связывал с  клеточной стенкой.

В последней трети XVII в. в  работах голландского ученого А.. Левенгука были описаны выдающиеся открытия, в частности клеточное  строение животных, но только в 30-е годы прошлого столетия было установлено, что  клетки не полые пузырьки, а заполнены  полужидким содержимым -- «протоплазмой». В 1831 г. Р. Броун впервые описал ядро.

В 1838 г. немецкий ботаник  М. Шлейден пришел к заключению, что  ядро является обязательным компонентом  всех растительных клеток. Его соотечественник  зоолог Т. Шванн, сопоставив клетки животных и растительных организмов, сделал вывод, что все они сходны. Это  дало основание М. Шлейдену и Т. Шванну сформулировать основное положение  клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят  из клеток, сходных по строению.

В XIX веке были созданы микроскопы с увеличением в 1200 раз, с хорошим, четким изображением без искажения. Были открыты протоплазма и ядро. Знания накапливались, совершенствовалась техника микроскопирования. Опираясь на имеющиеся данные и собственные исследования немецкий ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн в 1839 году почти одновременно, независимо друг от друга, пришли к выводу, что клетка является элементарной единицей строения всех растительных и животных организмов. М.Шлейден и Т.Шванн сформулировали основные положения клеточной теории, которая впоследствии развивалась многими учеными. Ошибки Шлейдена и Шванна заключались в следующем:

1. Они считали, что клетка образуется из бесструктурного вещества.
2. Главная роль в клетке принадлежит ее оболочке.

Ошибки Шлейдена и Шванна были устранены работами немецкого  паталогоанатома Рудольфа Вирхова. В частности он утверждал, что  новая клетка образуется только в  результате деления материнской  клетки.

Наука о клетке называется цитологией (греч. «цитос»-клетка, «логос»-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных  организмов, к числу которых относятся  бактерии, простейшие и одноклеточные  водоросли.

В последующий период клеточная  теория обогащалась новым содержанием  в связи с дальнейшим развитием  цитологии.

Основные положения современной клеточной теории:

1.  Все живые организмы  состоят из клеток. Исключение - вирусы.

2.  Клетка - наименьшая  единица живого. Вне клетки жизни  нет.

3.  Клетки всех организмов  сходны по строению и химическому  составу.

4. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.

5. Активность организма  слагается из активности и  взаимодействия составляющих его  самостоятельных клеток.

6. Клеточное строение всех организмов говорит о единстве их происхождения.

Значение клеточной теории заключается в том, что она  доказывает единство происхождения  всех живых организмов на Земле.

 

 

3.2. Химический состав клетки

Сходство химического  состава клеток всех организмов служит доказательством единства живой  природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося  в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой  природы. Это подтверждает мнение о  единстве материи.

Элементы, входящие в состав клетки (в %):

Кислород - 65-75

Магний - 0,02-0,03

Цинк - 0,0003

Углерод - 15-18

Натрий - 0,02-0,03

Медь - 0,0002

Водород - 8-10

Кальций - 0,04-2,00

Йод - 0,0001

Азот- 1,5-3,0

Железо - 0,01-0,015

Фтор - 0,0001

Калий - 0,15-0,4

Сера - 0,15-0,20

        Фосфор - 0,20-1,00

Хлор - 0,05-0,10

В состав клеток входят и  неорганические соединения. За исключением  воды, они составляют незначительную долю по сравнению, с содержанием  органических веществ.

В то время как неорганические соединения существуют и в неживой  природе, органические соединения характерны только для живых организмов. В  этом существенное различие между живой  и неживой природой.

Большое значение в жизнедеятельности  клетки имеет вода. Прежде всего  она является растворителем, а все  обменные процессы могут протекать  лишь в растворах. Вода играет важную роль во многих реакциях, происходящих в организме, например в реакциях гидролиза, при которых высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры, углеводы) расщепляются благодаря присоединению  к ним воды. С помощью воды обеспечивается перенос необходимых веществ  от одной части организма к  другой. Чем выше биохимическая активность клетки или ткани, тем выше содержание в них воды. Велика ее роль и в  теплорегуляции клетки и организма  в целом. Другие неорганические вещества (соли) находятся в организмах в виде анионов и катионов в растворах и в виде соединений с органическими веществами.

В составе клетки органические вещества представлены белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфатом (АТФ).

Белки: Это основная составная часть любой живой клетки. На их долю приходится 50-80 % сухой массы клетки. Химический состав белков чрезвычайно разнообразен, и в то же время все они построены по одному принципу. Белок -это полимер, молекула которого состоит из многих мономеров - молекул аминокислот. Всего известно-20 различных аминокислот, входящих в состав белков.

В молекуле того или иного  белка одни аминокислоты могут многократно  повторяться, а другие совсем отсутствовать. Общее число аминокислот, составляющих одну молекулу белка, иногда достигает  нескольких сотен тысяч. В результате молекула белка представляет собой  макромолекулу, т.е. молекулу с очень  большой молекулярной массой.

Белки выполняют в клетке разнообразные функции. Ферментативная функция: все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов - ферментов, а любой фермент - белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен. Так, распад крахмала и превращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д. Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.). промышленности. уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.) промышленности.

Структурная функция: белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку. В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК - тело рибосом. Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.

Транспортная  функция: именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осуществляет белок крови - гемоглобин).

Двигательная  функция: все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками, которые обусловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.

Защитная функция: многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например роговые образования - волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита.

Энергетическая  функция: белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада - диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке.

Углеводы. Это необходимый компонент любой клетки. В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород. К простейшим углеводам относятся простые сахара (модосахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды. Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.

Углеводы -своеобразное «топливо» для живой клетки; окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расходуется клеткой на процессы жизнедеятельности. Углеводы выполняют и важные строительные функции, например у растений из них образуются стенки клеток.

Жиры и липиды: В качестве обязательного компонента содержатся в любой клетке. Жиры представляют собой соединение глицерина с различными жирными кислотами, липиды - эфиры жирных кислот и спиртов, но не глицерина. Именно этим кислотам липиды обязаны своим важным биологическим свойством - не растворяться в воде. Этим же определяется и их роль в биологических мембранах клетки. Средний, липидный, слой мембран препятствует свободному перемещению воды из клетки в клетку. Жиры используются клеткой как источник энергии. Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль. У животных, особенно у водных млекопитающих. У животных, впадающих зимой в спячку, жиры обеспечивают организм необходимой энергией. Они составляют запас питательных веществ в сменах и плодах растений.

Нуклеиновые кислоты: Впервые были обнаружены в ядрах клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК), ДНК образуется и содержится преимущественно в ядре клетки, РНК, возникая в ядре, выполняет свои функции в цитоплазме и ядре.

Аденозинтрифосфат (АТФ): Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций - накопителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты. Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятельности и синтеза органических веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Строение клетки

Плазматическая  мембрана (плазмалемма). В основе всех мембран клетки лежит двойной слой молекул липидов. Их гидрофобные «хвосты», состоящие из остатков молекул жирных кислот, обращены внутрь двойного слоя. Снаружи располагаются гидрофильные «головки», состоящие из остатка молекулы спирта глицерина. Липиды являются основой мембраны, обеспечивают ее устойчивость и прочность, т.е. выполняют структурную (строительную) функцию. Эта функция возможна благодаря гидрофобности липидов.

К заряженным головкам липидов, с помощью электростатических взаимодействий прикрепляются белки. Мембранные белки  выполняют структурные, каталитические и транспортные функции.

На наружной поверхности  мембраны расположены молекулы углеводов (олигосахариды), которые выполняют  рецепторные функции.

Функции плазматической мембраны:

1. Барьерная функция. Мембрана ограничивает проникновение в клетку чужеродных, токсичных веществ.
2. Регуляторная. Углеводы располагающиеся на поверхности плазматической мембраны выполняют роль рецепторов, воспринимающих действие различных веществ и изменяющих проницаемость мембраны.
3. Каталитическая. На поверхности мембран располагаются многочисленные ферменты, катализирующие биохимические реакции.
4. Мембранный транспорт.

Цитоплазма. Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органоидов и включений. Гиалоплазма - жидкая (желеобразная) часть клетки, представляет собой раствор органических и неорганических веществ. Ее функции:

1. По гиалоплазме перемещаются различные вещества (и-РНК, т-РНК, аминокислоты, АТФ и др).
2. В гиалоплазме протекают разнообразные биохимические реакции.
3. Гиалоплазма обеспечивает химическое взаимодействие всех клеточных структур и объединяет их в одно целое.
4. В гиалоплазме откладываются разнообразные по химическому составу включения.