Третий этап эволюции - появление клетки.
Молекулы белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) образуют биологическую клетку, наименьшую единицу живого. Биологические клетки являются "строительными кирпичиками" всех живых организмов и содержат в себе все материальные коды развития.
Долгое время ученые считали устройство клетки предельно простым. Советский энциклопедический словарь трактует понятие клетки так: "Клетка - элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений". Следует отметить, что термин "элементарная" ни в коем случае не означает "простейшая" Наоборот, клетка- уникальное фрактальное творение Бога, поражающее своей сложностью и в то же время исключительной слаженностью работы всех ее элементов.
Когда с помощью электронного микроскопа удалось заглянуть внутрь, то оказалось, что устройство простейшей клетки так же сложно и непонятно, как сама Вселенная. Сегодня уже установлено, что " Клетка - это особая материя Вселенной, особая материя Космоса". Одна единственная клетка содержит сведения, которые можно уложить лишь в несколько десятков тысяч томов Большой советской энциклопедии. Т.е. клетка, кроме всего прочего, - огромный "биорезервуар" информации".
Автор современной теории молекулярной эволюции Манфред Эйген пишет: "Для того, чтобы белковая молекула образовалась случайно, природе пришлось бы проделать примерно 10130 проб и затратить на это такое число молекул, которого хватило бы на 1027 Вселенных. Если же белок строился разумно, то есть так, что обоснованность каждого хода могла быть проверена каким- то механизмом селекции, то на это потребовалось всего около 2000 попыток. Мы приходим к парадоксальному выводу: программа построения "первобытной живой клетки" закодирована где-то на уровне элементарных частиц" .
Да и как может быть иначе. Каждая клетка, обладая ДНК, наделена сознанием, осознает себя и другие клетки, и находится в контакте со Вселенной, являясь, по сути, ее частью. И хотя количество и разнообразие клеток в организме человека потрясает (около 70 триллионов), все они самоподобны, как самоподобны все процессы, происходящие в клетках. По выражению немецкого ученого Роланда Глазера, конструкция биологических клеток "очень хорошо продумана". Кем хорошо продумана?
Ответ прост: белки, нуклеиновые кислоты, живые клетки и все биологические системы являются продуктом творческой деятельности интеллектуального Творца.
Что интересно: на атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Иными словами, на уровне атома клетка создана из тех же элементов, что и неживая природа. Различия обнаруживаются на молекулярном уровне. В живых телах наряду с неорганическими веществами и водой находятся еще белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, фермент АТФ- синтаза и другие низкомолекулярные органические соединения.
К сегодняшнему дню клетку с целью изучения буквально разобрали на атомы. Однако создать хоть одну живую клетку так и не удаётся, ибо создать клетку это значит создать частицу живой Вселенной. Академик В.П. Казначеев считает, что "клетка - это космопланетарный организм… Клетки человека - это определенные системы эфироторсионных биоколлайдеров. В этих биоколлайдерах происходят неизвестные нам процессы, идет материализация космических форм потоков, их космопревращение и за счет этого частицы матерализуются" .
Вода.
Почти 80% массы клетки составляет вода. По утверждению доктора биологических наук С. Зенина вода, благодаря своей кластерной структуре, является информационной матрицей для управления биохимическими процессами. Кроме того, именно вода является той первичной "мишенью", с которой взаимодействуют колебания звуковой частоты. Упорядоченность клеточной воды настолько высока (близка к упорядоченности кристалла), что ее называют жидким кристаллом.
Белки.
Огромную роль в биологической жизни играют белки. В клетке содержатся несколько тысяч белков, присущих только данному виду клетки (исключение составляют стволовые клетки). Способность синтезировать именно свои белки передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется в течение всей жизни. В процессе жизнедеятельности клетки белки постепенно изменяют свою структуру, их функция нарушается. Эти отработавшие белки удаляются из клетки и заменяются новыми, благодаря чему жизнедеятельность клетки сохраняется.
Отметим, прежде всего, строительную функцию белков, ибо именно они являются тем строительным материалом, из которого состоят мембраны клеток и клеточных органоидов, стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи и т.д.
Чрезвычайно интересна сигнальная функция белков. Оказывается, белки способны служить сигнальными веществами, передавая сигналы между тканями, клетками или организмами. Сигнальную функцию выполняют белки-гормоны. Клетки могут взаимодействовать друг с другом на расстоянии с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество.
Белкам присуща также двигательная функция. Все виды движения, к которым способны клетки, например, сокращение мышц, выполняют особые сократительные белки. Белки выполняют также транспортную функцию. Они способны присоединять различные вещества и переносить их из одного места клетки в другое. Например, белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его ко всем тканям и органам тела. Кроме того, белкам присуща и защитная функция. При введении чужеродных белков или клеток в организм в нем происходит выработка особых белков, которые связывают и обезвреживают чужеродные клетки и вещества. Ну и наконец, энергетическая функция белков заключается в том, что при полном расщеплении 1г белка освобождается энергия в количестве 17, 6 кДж.
Строение клетки.
Клетка состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра, причем строение и функция ядра в разные периоды жизни клетки различны.
Ибо жизнь клетки включает в себя два периода: деление, в результате которого образуются две дочерние клетки, и период между делениями, который
называется интерфазой.
Оболочка клетки осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками.
Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны.
Поверхностный слой животных клеток называется гликокалис. Он осуществляет связь клеток с внешней средой и со всеми окружающими ее веществами.
Толщина его менее 1мкм.
Строение клетки
Клеточная мембрана - очень важная часть клетки. Она удерживает вместе все клеточные компоненты и разграничивает внешнюю и внутреннюю среду.
Между клетками и внешней средой постоянно происходит обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Во внешнюю среду через мембрану из клетки выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке: белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в клетках различных желез. Транспорт веществ - одна из главных функций плазматической мембраны.
Цитоплазма
- внутренняя полужидкая среда, в которой протекают основные процессы обмена веществ. Последние исследования показали, что цитоплазма - это не есть некий раствор, компоненты которого взаимодействуют друг с другом при случайных столкновениях. Ее можно сравнить с желе, которое начинает "дрожать" в ответ на внешнее воздействие . Именно так цитоплазма воспринимает и передает информацию.
В цитоплазме располагаются ядро и различные органоиды, объединяемые ею в одно целое, что обеспечивает их взаимодействие и деятельность клетки как единой целостной системы. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена эндоплазматической сетью, которая представляет собой клеточный органоид: система канальцев, пузырьков и "цистерн", отграниченных мембранами. Эндоплазматическая сеть участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ из окружающей среды в цитоплазму и между отдельными внутриклеточными структурами, но основная ее функция - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах. - микроскопических тельцах округлой формы диаметром 15-20 нм . Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются.
Кроме белков в цитоплазме содержатся также митохондрии, мелкие тельца размером 0,2-7мкм., которые называют "силовыми станциями" клеток. В митохондриях протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие клетки энергией. Число митохондрий в одной клетке от единиц до нескольких тысяч.
Ядро
- жизненная часть клетки, управляет синтезом белков и через них всеми физиологическими процессами в клетке. В ядре неделящейся клетки различают ядерную оболочку, ядерный сок, ядрышко и хромосомы. Через ядерную оболочку осуществляется непрерывный обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Под ядерной оболочкой - ядерный сок (полужидкое вещество), в котором находятся ядрышко и хромосомы. Ядрышко- плотное округлое тельце, размеры которого могут изменяться в широких пределах, от 1 до 10 мкм и больше. Оно состоит в основном из рибонуклеопротеидов; участвует в образовании рибосом. Обычно в клетке 1-3 ядрышка, иногда до нескольких сотен . В состав ядрышка входят РНК и белок.
С появлением клетки на Земле возникла Жизнь!
Продолжение следует...
КЛЕТКА
ЭПИТЕЛИАЛЬНАЯ ТКАНЬ.
ВИДЫ ТКАНЕЙ.
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА КЛЕТКИ.
ЛЕКЦИЯ №2.
1. Строение и основные свойства клетки.
2. Понятие о тканях. Виды тканей.
3. Строениие и функции эпителиальной ткани.
4. Виды эпителия.
Цель:знать строение и свойства клетки, виды тканей. Представлять классификацию эпителия и местопоожение его в организме. Уметь отличать эпителиальную тканьь по морфологическим признакам от других тканей.
1. Клетка – это элементарная живая система, основа строения, развития и жизнедеятельности всех животных и растений. Наука о клетке – цитология (греч. сytos – клетка, logos – наука). Зоолог Т.Шванн в 1839 г. впервые сформулировал клеточную теорию: клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, клетки животных и растений сходны по своему строению, вне клетки нет жизни. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие, бактерии), и в состааве многоклеточных организмов, в которых имеютсяя половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям (нервные, костные, секреторнные и т.д.).Размеры клеток человека находятся в диапазоне от 7 мкм (лимфоциты) до 200-500 мкм (женская яйцеклетка, гладкие миоциты).В состав любой клетки входят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ, минеральные соли и вода. Из неорганических веществ в клетке содержится больше всего воды (70-80%), из органических – белков (10-20%).Основными частями клетки являются: ядро, цитоплазма, клеточная оболочка (цитолемма).
ЯДРО ЦИТОПЛАЗМА ЦИТОЛЕММА
Нуклеоплазма - гиалоплазма
1-2 ядрышка - органеллы
Хроматин (эндоплазматическая сеть
комплекс КТольджи
клеточный центр
митохондрии
лизосомы
Включения.
Ядро клетки находится в цитоплазме и отграничено от нее ядерной
оболочкой - нуклеолеммой. Оно служит местом сосредоточения генов,
основным химическим веществом которых является ДНК. Ядро регулирует формообразовательные процессы клетки и все ее жизненные отправления. Нуклеоплазма обеспечивает взаимодействие различных ядерных структур, ядрышки участвуют в синтезе клеточных белков и некоторых ферментов, хроматин содержит хромосомы с генами – носителями наследственности.
Гиалоплазма (греч. hyalos - стекло) - основная плазма цитоплазмы,
является истинной внутренней средой клетки. Она объединяет все клеточные ультраструктуры (ядро, органеллы, включения) и обеспечивает химическое взаимодействие их друг с другом.
Органеллы (органоиды) - это постоянные ультраструктуры цитоплазмы, выполняющие в клетке определенные функции. К ним относятся:
1) эндоплазматическая сеть - система разветвленных каналов и полостей, образованная двойными мембранами, связанными с клеточной оболочкой. На стенках каналов имеются мельчайшие тельца - рибосомы, являющиеся центрами синтеза белка;
2) комплекс К.Гольджи, или внутренний сетчатый аппарат, - имеет сетки и содержит вакуоли разной величины (лат. vacuum - пустой), участвует в выделительной функции клеток и в образовании лизосом;
3) клеточный центр - цитоцентр состоит из шаровидного плотного тела- центросферы, внутри которого лежат 2 плотных тельца – центриоли, связанные между собой перемычкой. Располагается ближе к ядру, принимает участие в делении клетки, обеспечивая равномерное распределение хромосом между дочерними клетками;
4) митохондрии (греч. mitos - нить, chondros - зерно) имеют вид зернышек,палочек, нитей. В них осуществляется синтез АТФ.
5) лизосомы - пузырьки, заполненные ферментами, которые,регулируют
обменные процессы в клетке и обладают пищеварительной (фагоцитарной) активностью.
6) органеллы специального назначения: миофибриллы, нейрофибриллы, тонофибриллы, реснички, ворсинки, жгутики, выполняющие специфическую функцию клетки.
Цитоплазматические включения - это непостоянные образования в виде
гранул, капель и вакуолей, содержащих белки, жиры, углеводы, пигмент.
Клеточная оболочка - цитолемма, или плазмолемма, покрывает клетку с поверхности и отделяет ее от окружающей среды. Является полупроницаемой и регулирует поступление веществ в клетку и выход их из нее.
Межклеточное вещество находится между клетками. В одних тканях оно жидкое (например, в крови), а в других состоит из аморфного (бесструктурного) вещества.
Любая живая клетка обладает следующими основными свойствами:
1) обменом веществ, или метаболизмом (главное жизненное свойство),
2) чувствительностью (раздражимостью);
3) способностью к размножению (самовоспроизведению);
4) способностью к росту, т.е. увеличению размеров и объема клеточных структур и самой клетки;
5) способностью к развитию, т.е. приобретению клеткой специфических функций;
6) секрецией, т.е. выделением различных веществ;
7) передвижением (лейкоциты, гистиоциты, сперматозоиды)
8) фагоцитозом (лейкоциты, макрофаги и др.).
2. Ткань - это система клеток, сходная по происхождений), строению и функциям. В состав тканей входят также тканевая жидкость и продукты жизнедеятельности клеток. Учение о тканях называется гистологией (греч. histos - ткань, logos - учение, наука).В соответствии с особенностями строения, функции и развития различают следующие виды тканей:
1) эпителиальную, или покровную;
2) соединительную (ткани внутренней среды);
3) мышечную;
4) нервную.
Особое место в организме человека занимает кровь и лимфа - жидкая ткань, выполняющая дыхательную, трофическую и защитную функции.
В организме все ткани тесно связаны между собой морфологически
и функционально. Морфологическая связь обусловлена тем, что различ-
ные ткани входят в состав одних и тех же органов. Функциональная связь
проявляется в том, что деятельность разных тканей, входящих в состав
органов, согласована.
Клеточные и неклеточные элементы тканей в процессе жизне-
деятельности изнашиваются и отмирают (физиологическая дегенерация)
и восстанавливаются (физиологическая регенерация). При повреждении
тканей происходит также их восстановление (репаративная регенерация).
Однако не у всех тканей этот процесс протекает одинаково. Эпителиаль-
ная, соединительная, гладкая мышечная ткань и клетки крови регенери-
руют хорошо. Поперечнополосатая мышечная ткань восстанавливается
лишь при определенных условиях. В нервной ткани восстанавливаются
только нервные волокна. Деление нервных клеток в организме взрослого
человека не установлено.
3. Эпителиальная ткань (эпителий) - это ткань, покрывающая поверхность кожи, роговицу глаза, а также выстилающая все полости организма, внутреннюю поверхность полых органов пищеварительной, дыхательной, мочеполовой систем, входит в состав большинства желез организма. В связи с этим различают покровный и железистый эпителий.
Покровный эпителий, являясь пограничной тканью, осуществляет:
1) защитную функцию, предохраняя подлежащие ткани от различных внешних воздействий: химических, механических, инфекционных.
2) обмен веществ организма с окружающей средой, выполняя функции газообмена в легких, всасывания в тонком кишечнике, выделения продуктов обмена (метаболитов);
3) создание условий для подвижности внутренних органов в серозных полостях: сердца, легких, кишечника и т.д.
Железистый эпителий осуществляет секреторную функцию, т.е.образует и выделяет специфические продукты - секреты, которые используются в процессах, протекающих в организме.
Морфологически эпителиальная ткань отличается от других тканей организма следующими признаками:
1) она всегда занимает пограничное положение, поскольку располагается на границе внешней и внутренней сред организма;
2) она представляет собой пласты клеток - эпителиоцитов, которые имеют неодинаковую форму и строение в различных видах эпителия;
3) между клетками эпителия нет межклеточного вещества, и клетки
связаны друг с другом с помощью различных контактов.
4) клетки эпителия расположены на базальной мембране (пластинке толщиной около 1 мкм, которой он отделен от подлежащей соединительной ткани. Базальная мембрана состоит из аморфного вещества и фибриллярных структур;
5) клетки эпителия обладают полярностью, т.е. базальные и верхушечные отделы клеток имеют разное строение;"
6) эпителий не содержит кровеносных сосудов, поэтому питание клеток
осуществляется путем диффузии питательных веществ через базальную мембрану из подлежащих тканей;"
7) наличие тонофибрилл - нитчатых структур, придающих прочность эпителиальным клеткам.
4. Существует несколько классификаций эпителия, в основу которых положены различные признаки: происхождение, строение, функции.Из них наибольшее распространение получила морфологическая классификация, учитывающая отношение клеток к базальной мембране и их форму на свободной апикальной (лат. apex - вершина) части эпителиального пласта. В этой классификации отражено строение эпителия, зависящее от его функции.
Однослойный плоский эпителий представлен в организме эндотелием и мезотелием. Эндотелий выстилает кровеносные, лимфатические сосуды, камеры сердца. Мезотелий покрывает серозные оболочки полости брюшины, плевры и перикарда. Однослойный кубический эпителий выстилает часть почечных канальцев, протоки многих желез и мелкие бронхи. Однослойный призматический эпителий имеет слизистая оболочка желудка, тонкого и толстого кишечника, матки, маточных труб, желчного пузыря, ряда протоков печени, поджелудочной железы, части
канальцев почки. В органах, где происходят процессы всасывания, эпителиальные клетки имеют всасывающую каемку, состоящую из большого числа микроворсинок. Однослойный многорядный мерцательный эпителий выстилает воздухоносные пути: полость носа, носоглотку, гортань, трахею, бронхи и др.
Многослойный плоский неороговевающий эпителий покрывает снаружи роговицу глаза и слизистую оболочку полости рта и пищевода.Многослойный плоский ороговевающий эпителий образует поверхностный слой кржи и называется эпидермисом. Переходный эпителий типичен для мочеотводящих органов: лоханок почек, мочеточников, мочевого пузыря, стенки которых подвержены значительному растяжению при наполнении мочой.
Экзокринные железы выделяют свой секрет в полости внутренних органов или на поверхность тела. Они, как правило, имеют выводные протоки. Эндокринные железы не имеют протоков и выделяют секрет (гормоны) в кровь или лимфу.
Приглашаем Вас ознакомиться с материалами и .
: целлюлозная оболочка, мембрана, цитоплазма с органоидами, ядро, вакуоли с клеточным соком.Наличие пластид - главная особенность растительной клетки.
Функции клеточной оболочки - определяет форму клетки, защищает от факторов внешней среды.
Плазматическая мембрана - тонкая пленка, состоит из взаимодействующих молекул липидов и белков, отграничивает внутреннее содержимое от внешней среды, обеспечивает транспорт в клетку воды, минеральных и органических веществ путем осмоса и активного переноса, а также удаляет продукты жизнедеятельности.
Цитоплазма - внутренняя полужидкая среда клетки, в которой расположено ядро и органоиды, обеспечивает связи между ними, участвует в основных процессах жизнедеятельности.
Эндоплазматическая сеть - сеть ветвящихся каналов в цитоплазме. Она участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ. Рибосомы - тельца, расположенные на ЭПС или в цитоплазме, состоят из РНК и белка, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы - единый аппарат синтеза и транспорта белков.
Митохондрии - органоиды, отграниченные от цитоплазмы двумя мембранами. В них окисляются органические вещества и синтезируются молекулы АТФ с участием ферментов. Увеличение поверхности внутренней мембраны, на которой расположены ферменты за счет крист. АТФ - богатое энергией органическое вещество.
Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты), их содержание в клетке - главная особенность растительного организма. Хлоропласты - пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, который поглощает энергию света и использует ее на синтез органических веществ из углекислого газа и воды. Отграничение хлоропластов от цитоплазмы двумя мембранами, многочисленные выросты - граны на внутренней мембране, в которых расположены молекулы хлорофилла и ферменты.
Комплекс Гольджи - система полостей, отграниченных от цитоплазмы мембраной. Накапливание в них белков, жиров и углеводов. Осуществление на мембранах синтеза жиров и углеводов.
Лизосомы - тельца, отграниченные от цитоплазмы одной мембраной. Содержащиеся в них ферменты ускоряют реакцию расщепления сложных молекул до простых: белков до аминокислот, сложных углеводов до простых, липидов до глицерина и жирных кислот, а также разрушают отмершие части клетки, целые клетки.
Вакуоли - полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком, место накопления запасных питательных веществ, вредных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.
Ядро
- главная часть клетки, покрытая снаружи двух мембранной, пронизанной порами ядерной оболочкой. Вещества поступают в ядро и удаляются из него через поры. Хромосомы - носители наследственной информации о признаках организма, основные структуры ядра, каждая из которых состоит из одной молекулы ДНК в соединении с белками. Ядро - место синтеза ДНК, и-РНК, р-РНК.
Наличие наружной мембраны, цитоплазмы с органоидами, ядра с хромосомами.
Наружная, или плазматическая, мембрана - отграничивает содержимое клетки от окружающей среды (других клеток, межклеточного вещества), состоит из молекул липидов и белка, обеспечивает связь между клетками, транспорт веществ в клетку (пиноцитоз, фагоцитоз) и из клетки.
Цитоплазма - внутренняя полужидкая среда клетки, которая обеспечивает связь между расположенными в ней ядром и органоидами. В цитоплазме протекают основные процессы жизнедеятельности.
Органоиды клетки:
1) эндоплазматическая сеть (ЭПС) - система ветвящихся канальцев, участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ в клетке;
2) рибосомы - тельца, содержащие рРНК, расположены на ЭПС и в цитоплазме, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы - единый аппарат синтеза и транспорта белка;
3) митохондрии - «силовые станции» клетки, отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внутренняя образует кристы (складки), увеличивающие ее поверхность. Ферменты на кристах ускоряют реакции окисления органических веществ и синтеза молекул АТФ, богатых энергией;
4) комплекс Гольджи - группа полостей, отграниченных мембраной от цитоплазмы, заполненных белками, жирами и углеводами, которые либо используются в процессах жизнедеятельности, либо удаляются из клетки. На мембранах комплекса осуществляется синтез жиров и углеводов;
5) лизосомы - тельца, заполненные ферментами, ускоряют реакции расщепления белков до аминокислот, липидов до глицерина и жирных -.кислот, полисахаридов до моносахаридов. В лизосомах разрушаются отмершие части клетки, целые и клетки.
Клеточные включения - скопления запасных питательных веществ: белков, жиров и углеводов.
Ядро - наиболее важная часть клетки. Оно покрыто двухмембранной оболочкой с порами, через которые одни вещества проникают в ядро, а Другие поступают в цитоплазму. Хромосомы - основные структуры ядра, носители наследственной информации о признаках организма. Она передается в процессе деления материнской клетки дочерним клеткам, а с половыми клетками - дочерним организмам. Ядро - место синтеза ДНК, иРНК, рРНК.
Задание:
Поясните, почему органоиды называют специализированными структурами клетки?
Ответ: органоиды называют специализированными структурами клетки, так как они выполняют строго определенные функции, в ядре хранится наследственная информация, в митохондриях синтезируется АТФ, в хлоропластах протекает фотосинтез и т.д.
Если у Вас есть вопросы по цитологии, то Вы можете обратиться за помощью к
Связь организма с окружающей средой, с физико-химической точки зрения, представляет собой открытую систему, т. е. систему, где биохимические процессы идут постоянно. Исходные вещества поступают из окружающей среды, а вещества, образующиеся также непрерывно, выносятся вовне. Равновесие между скоростью и концентрацией продуктов разнонаправленных реакций в организме является условным, мнимым, т. к. поступление и вынос веществ не прекращаются. Непрерывная связь с окружающей средой и позволяет рассматривать живой организм как открытую систему.
Для всех живых клеток источником энергии является Солнце. Растительные клетки улавливают энергию солнечного света с помощью хлорофилла, используя ее для реакций ассимиляции в процессе фотосинтеза. Клетки животных, грибов, бактерий используют солнечную энергию косвенно, при расщеплении органических веществ, синтезированных земным растением.
Часть питательных веществ клетки расщепляется в процессе клеточного дыхания, поставляя таким образом энергию, необходимую для разного рода клеточной активности. Протекает этот процесс в органеллах, называемых митохондриями. Митохондрия состоит из двух мембран: наружной, отделяющей органеллу от цитоплазмы, и внутренней, образующей многочисленные складики. Главным продуктом дыхания является АТФ. Он покидает митохондрии и используется в качестве источника энергии для многих химических реакций в цитоплазме и клеточной мембране. Если для осуществления клеточного дыхания требуется кислород, то дыхание называют аэробным, если же реакции идут в отсутствие кислорода, то говорят об анаэробном дыхании.
Для любого вида работы, выполняемой в клетке, используется энергия в одной-единственной форме - в форме энергии фосфатных связей АТФ. АТФ - легко подвижное соединение. Образование АТФ происходит на внутренней мембране митохондрий. АТФ синтезируется во всех клетках при дыхании за счет энергии окисления углеводов, жиров и других органических веществ. В клетках зеленых растений основное количество АТФ синтезируется в хлоропластах за счет солнечной энергии. В них при фотосинтезе образуется во много раз больше АТФ, чем в митохондриях. Разлагается АТФ с разрывом фосфорно-кислородных связей и выделением энергии. Это происходит под действием фермента АТФазы в процессе гидролиза АТФ - присоединения воды с отщеплением молекулы фосфорной кислоты. В результате АТФ превращается в АДФ, а если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то в АМФ. Реакция отщепления каждой грамм-молекулы кислоты сопровождается освобождением 40 кДж. Это очень большой выход энергии, поэтому фосфорно-кислородные связи АТФ принято называть макроэргитическими (высокоэнергетическими).
Использование АТФ в реакциях пластического обмена осуществляется путем их сопряжения с гидролизом АТФ. Молекулы разных веществ заряжаются энергией путем присоединения освобожденной при гидролизе фосфорной группы от молекулы АТФ, т. е. путем фосфорилирования.
Особенность фосфатных производных состоит в том, что они не могут покинуть клетку, хотя их «разряженные» формы свободно проходят через мембрану. Благодаря этому фосфорилированные молекулы остаются в клетке до тех пор, пока они не будут использованы в соответствующих реакциях.
Обратный процесс превращения АДФ в АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ с выделением воды и поглощением большого количества энергии.
Таким образом АТФ - универсальный и непосредственный источник энергии для деятельности клетки. Это создает единый клеточный фонд энергии и делает возможным ее перераспределение и транспортировку из одних участков клетки в другие.
Перенос фосфатной группы играет важную роль в химических реакциях типа сборки макромолекул из мономеров. Например, аминокислоты могут соединяться в пептиды, лишь будучи предварительно профосфорилированными. Механические процессы сокращения или движения, перенос растворенного вещества против градиента концентрации и другие процессы сопряжены с расходованием энергии, запасенной в АТФ.
Процесс энергетического обмена может быть представлен следующим образом. Высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме ферментативно, путем гидролиза превращаются в более простые, из которых они состоят: белки - в аминокислоты, поли- и дисахариды - в моносахариды (+ глюкозу), жиры в глицерин и жирные кислоты. Окислительные процессы отсутствуют, освобождается мало энергии, которая не используется и переходит в тепловую форму. Большинство клеток в первую очередь тратят углеводы. Полисахариды (крахмал у растений и гликоген у животных) гидрализуются до глюкозы. Окисление глюкозы происходит в три фазы: гликолиз, окислительное декарбоксилирование (цикл Кребса - цикл лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь). Гликолиз, в результате которого одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты с выделением двух молекул АТФ, протекает в цитоплазме. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается либо в этанол (брожение), либо молочную кислоту (анаэробное дыхание).
Если гликолиз осуществляется в клетках животных, шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. Процесс этот многоступенчатый. Его последовательно осуществляют 13 ферментов. При спиртовом брожении из молекулы глюкозы образуется две молекулы этанола и две молекулы СО2.
Гликолиз - фаза, общая для анаэробного и аэробного дыхания, две остальные осуществляются лишь в аэробных условиях. Процесс бескислородного окисления, при котором выделяется и используется лишь часть энергии метаболитов, для анаэробных организмов является конечным. В присутствии же кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрии, где в результате целого ряда последовательных реакций она полностью окисляется аэробным путем до Н2O и СО2 с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. При этом две молекулы АТФ дает гликолиз, две - цикл Кребса, 34 - дыхательная цепь. Чистый выход при полном окислении одной молекулы глюкозы до Н2O и СО2 составляет 38 молекул.
Таким образом, у аэробных организмов окончательный распад органических веществ осуществляется путем окисления их кислородом воздуха до простых неорганических: СО2 и Н2O. Процесс этот протекает на кристах митохондрий. При этом выделяется максимальное количество свободной энергии, значительная часть которой резервируется в молекулах АТФ. Легко видеть, что аэробное окисление в наибольшей степени обеспечивает клетку свободной энергией.
В результате катаболизма в клетке накапливаются богатые энергией молекулы АТФ, а во внешнюю среду выделяется СО2 и избыточное количество воды.
Молекулы сахаров, не требующиеся для дыхания, могут запасаться в клетке. Избыточные липиды либо расщепляются, после чего продукты их расщепления поступают в митохондрии в качестве субстрата для дыхания, либо отлагаются про запас в цитоплазме в виде жировых капель. Из поступающих в клетку аминокислот строятся белки. Синтез белка происходит в органеллах, называемых рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц - большой и малой: в состав обеих субчастиц входят белковые молекулы и молекулы РНК.
Рибосомы часто бывают прикреплены к особой системе мембран, состоящей из цистерн и пузырьков, - к так называемому эндоплазматическому ретикулуму (ЭР); в клетках, вырабатывающих много белка, эндоплазматический ретикулум часто развит очень хорошо и весь усеян рибосомами. Некоторые ферменты эффективны лишь в том случае, если они прикреплены к мембране. Здесь находится большая часть ферментов, участвующих в синтезе липидов. Таким образом, эндоплазматический ретикулум - это как бы своеобразный рабочий стол клетки.
Кроме того, ЭР делит цитоплазму на отдельные отсеки, или компартменты, т. е. разобщает различные химические процессы, одновременно протекающие в цитоплазме, и тем самым снижает вероятность того, что эти процессы будут мешать друг другу.
Часто образуемые данной клеткой продукты используются вне этой клетки. В подобных случаях синтезированные на рибосомах белки проходят через мембраны эндоплазматического ретикулума и упаковываются в формирующиеся вокруг них мембранные пузырьки, которые затем отшнуровываются от ЭР. Эти пузырьки, уплощаясь и укладываясь друг на друга, как блины в стопке, образуют характерную структуру, называемую комплексом Гольджи, или аппаратом Гольджи. Во время своего пребывания в аппарате Гольджи, белки претерпевают определенные изменения. Когда для них наступает время покинуть клетку, мембранные пузырьки сливаются с клеточной мембраной и опорожняются, изливая свое содержимое наружу, т. е. секреция происходит путем экзоцитоза.
В аппарате Гольджи образуются также лизосомы - мембранные мешочки, содержащие пищеварительные ферменты. Выяснение того, как клетка производит, упаковывает и экспортирует некоторые белки, а также как она «узнает», какие белки ей следует сохранять для себя, составляет один из увлекательнейших разделов современной цитологии.
Мембраны любой клетки непрерывно перемещаются и видоизменяются. Мембраны ЭР медленно перемещаются по клетке. Отдельные участки этих мембран отделяются и образуют пузырьки, которые на время становятся частью аппарата Гольджи, а затем, в процессе экзоцитоза, сливаются с клеточной мембраной.
Позже мембранный материал возвращается в цитоплазму, где он используется вновь.
