Лекция: Клетка как структурно-функциональная единица живой материи. Про- и эукариотические клетки, сравнительная характеристика.
КЛЕТКА — основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, элементарная живая система. Может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Лишь вирусы представляют собой неклеточные формы жизни. Содержимое клетки – протоплазма. В каждой клетке имеется генетический аппарат, который в клетке высших организмов (эукариот) заключен в ядре, отделенном мембранами от цитоплазмы, и в клетке прокариот, лишенных оформленного ядра, в нуклеоиде. Клетки эукариот способны к самовоспроизведению путем митоза; половые клетки образуются в результате мейоза. Многообразные функции клетки выполняются специализированными внутриклеточными структурами – органоидами. Универсальные органоиды эукариотных клеток в ядре — хромосомы, в цитоплазме — рибосомы, митохондрии, эндоплазматическадой сеть, комплекс Гольджи, мезосомы, клеточная мембранам. Во многих клетках присутствуют также мембранные структуры, способствующие поддержанию формы клетки, — микротрубочки, микрофибриллы и различные включения. Важнейшие химические компоненты клетки — белки, ферменты — содержатся как в клетке, так и в жидких средах организма, но синтезируются они только в клетке. Характерная особенность клетки — пространственная организация химических процессов. Например, процесс клеточного, дыхания у эукариот происходит на мембранных митохондриях, синтез белка на рибосомах. Концентрирование ферментов, упорядоченное их расположение в структурах ускоряет реакции, организует их сопряжение (принцип конвейера), разделяет разнородные процессы. Микрогетерогенность, присущая строению клетки, позволяет синтезировать различные вещества из одних и тех же предшественников в одно время в миниатюрном объеме. Принцип компактности присущ всему метаболизму клетки (обмен веществ). Внутри клетки непрерывно поддерживается определенная концентрация ионов, отличная от их концентрации в окружающей клетку среде. Образуя выпячивания клеточной мембраны, которые затем замыкаются и отделяются внутрь клетки в виде пузырьков, клетки способны захватывать из среды капельки с крупными молекулами (пиноцитоз) или вирусы и небольшие клетки (фагоцитоз). Клетки растений поверх клеточной мембраны, как правило, покрыты твердой клеточной оболочкой. Оболочки имеют поры, через которые с помощью выростов цитоплазмы соседние клетки связаны друг с другом. У клеток, прекративших свой рост, оболочки часто пропитываются лигнином, кремнеземом, становятся более прочными, что определяет механические свойства растения. Клетки некоторых растительных тканей отличаются особенно прочными стенками, сохраняющими свои скелетные функции и после гибели клетки. Дифференцированные растительные клетки имеют несколько или одну центральную вакуоль, занимающую обычно большую часть объема клетки и содержащую раствор различных солей, углеводов, органических кислот, белков, запас воды. В цитоплазме растительной клетки имеются специальные органоиды – пластиды. Все клетки эукариот имеют сходный набор органоидов, сходно регулируют метаболизм, запасают и расходуют энергию, сходно с прокариотами используют генетический код для синтеза белков. У эукариотных и прокариотных клеток принципиально сходно функционирует и клеточная мембрана. Общие признаки клетки свидетельствуют о единстве их происхождения. Однако разные клетки организма сильно различаются по размерам и форме, числу тех или иных органоидов, набору ферментов, что обусловлено, с одной стороны, кооперированием клетки в многоклеточном организме, с другой — выполнением разных функций организма различно специализированными клетками. Различия в свойствах клеток многоклеточного организма обусловлены неодинаковой активностью генов, что приводит к различной дифференцировке клеток, в результате которой одни клетки становятся нервными, другие приобретают сократимые белки, образующие миофибриллы (мышечные), третьи начинают синтезировать пищеварительные ферменты или гормоны (железистые) и т.д. Многие клетки полифункциональны: например, клетки печени синтезируют белки плазмы крови и желчь, накапливают гликоген и превращают его в глюкозу, окисляют чужеродные вещества.
Регулирующие факторы внутри клетки — метаболиты клетки, ионы, которые действуют или на гены, приводя к изменению количества фермента, или на сам фермент, изменяя его активность. Регуляция может осуществляться по принципу обратной связи, когда продукт реакции определяет ее интенсивность. В результате такой саморегуляции поддерживается оптимальный уровень множества жизненно важных внутриклеточных процессов, иногда даже при значительных изменениях во внеклеточной среде. В условиях изоляции в культуре клетки утрачивают многие черты специализации. Продолжительность жизни клеток разная, например, клетки эпителия кишечника живут 1—2 дня. Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ и структур. Огромное количество клеток в каждой ткани, объединенных метаболическими и регуляторными процессами, их постоянное внутреннее обновление обеспечивают надежность работы органов многоклеточного организма. Наука о клетке называется цитологией.
Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.
Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили единство всего органического мира.
Современная клеточная — теория включает следующие положения:
— клетка — основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;
— клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны ( гомологичны ) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
— размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
— 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.
Прокариоты – это древнейшие орг-мы, не имеющие оформленного ядра. Наследственная информация у них передается через молекулу ДНК, которая образует нуклеотид. В цитоплазме прокариотической кл-ки нет многих органоидов, кот-е имеются у эукар-й кл-ки ( нет митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, и т.д.; функцию этих органоидов выполняют ограниченные мембранами полости). В прокариотич-ой клетке имеются рибосомы. Размер 1-5 мкм. Раз-ся они путем деления без выраженного полового процесса. Прокариоты обычно выделяют в надцарство. К ним относят вирусы ( в т.ч. бактериофаги), бактерии, сине-зеленые водоросли, риккетсии, микоплазмы и ряд др. орг-ов.
Эукариоты – орг-мы, в кл-х которых есть четко четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку (кариолемму). Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы. В цитоплазме эукариоти-х клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (мит-ии, ЭПС, аппарата Гольджи, рибосомы и др.) Размер 25 мкм. Раз-ся они митозом или мейозом ( при образовании спор у растений); изредка встречается амитоз (в Кл-х эпителия печени). Эукариоты также выделяют в особое надцарство, кот-е включает царство грибов, растений и животных.
Эукариоты появились среди обитателей планеты около 1,5 млрд. лет назад. Отличаясь от прокариот более сложной организацией, они используют в своей жизнедеятельности больший объем наследственной информации. Так, общая длина молекул ДНК в ядре клетки млекопитающего составляет примерно 5 • 109 пар нуклеотидов, т. е. в 1000 раз превосходит длину молекулы ДНК бактерии.
Первоначально эукариоты имели одноклеточное строение. Доисторические одноклеточные эукариоты послужили основой для возникновения в процессе эволюции организмов, имеющих многоклеточное строение тела. Они появились на Земле около 600 млн. лет назад и дали широкое разнообразие живых существ, расселившихся в трех основных средах: водной, воздушной, наземной.