Основные энергетические процессы, происходящие в клетке

                                   УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ

Термин «клетка» используется в науке более 300 лет. Впервые его применил в середине XVII в. президент Британского Королевского общества Роберт Гук (1635-1712). Около ста лет назад исследования строения, функций, состава, развития клеток оформились в особую биологическую науку – цитологию (от греч. cytos – клетка и logos – наука).

Клетка – элементарная живая система и основная структурно-функциональная единица всех живых организмов (кроме вирусов). Может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, одноклеточные водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений и грибов.

В составе веществ, образующих клетки всех живых организмов (человека, животных, растений), обнаружено более 70 элементов. Эти элементы принято делить на две группы: макроэлементы и микроэлементы. Макроэлементы содержатся в клетках в больших количествах. В первую очередь, это углерод, кислород, азот и водород. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Кроме названных элементов к макроэлементам относят: магний, калий, кальций, натрий фосфор, серу и хлор. Суммарное их содержание 1,9%. На долю остальных химических элементов приходится около 0,1%. Это микроэлементы. К ним относят железо, цинк, марганец, бор, медь, йод, кобальт, бром, фтор, алюминий и др. Многие микроэлементы содержаться в витаминах, поступающих с пищей. Микроэлементы входят также в состав гормонов.

Живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Неотъемлемое свойство живого – деятельность, активность. Имеются переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним атрибутом живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. Таким образом, кроме организмов, имеющих клеточное строение, существуют и неклеточные формы жизни – вирусы (яд, от лат.) Их свойства позволяют, с одной стороны считать их живыми телами природы, а с другой стороны, рассматривать их как молекулы веществ неживой природы. Вирусы обладают наследственностью и изменчивостью. В то же время они неспособны к самостоятельному обмену веществ, превращению энергии и размножению. Поэтому вирусы – переходная группа между живой и неживой природой. Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д.И.Ивановским. Вирусы настолько малы, что до появления электронного микроскопа их природа оставалась неясной Активное изучение их началось лишь во второй половине ХХ в.

Можно выделить следующие этапы развития живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен, прежде всего, углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремневой основе. Возможно, где-то во Вселенной существует и «кремневая цивилизация», но на Земле основа жизни углерод.

Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные, подвижные, студенистые насыщенные водой, длинные скрученные, цепеобразные структуры.

Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17%С, 10% Н₂, 3% N₂.

Органические вещества возникали не только до появления жизни, ни и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании. Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т.д.) Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

Во второй половине ХХ в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происхождение в ней «Клетка» - это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Клетки, подобно атомам, также очень сходны друг с другом. Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой цитоплазме».

Основное вещество клетки – белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом. В клетке происходит процесс воспроизводства белков в соответствии с генетическим кодом организма. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Если же случится, что в клетку попадут вредные для организма бактерии, то с ними вступает в бой иммунная система (теория иммунитета разработана русским ученым И.И.Мечниковым).

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Все ферменты – белки.

Существует два способа деления клеток.

Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом (части ядер клеток), идентичными набором родительской клетки.

Мейоз – это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро.

Первый способ характерен для всех клеток, кроме половых; второй – для половых клеток.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой выступают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электропроводов (напоминает винтовую лестницу). В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом.

Носители информации – нуклеиновые кислоты – содержат азот и выполняют три функции: 1) самовоспроизведение, 2) хранение информации, 3) реализацию этой информации в процессе роста новых клеток. Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов, которые делают возможным строение живого тела. Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.

Молекулы ДНК – это как бы набор, с которой «печатается» организм в «типографии» Вселенной. Участок молекулы ДНК, служит матрицей для синтеза одного белка, называют геном (один ген – один фермент). Гены расположены в хромосомах.

Прокариоты (безъядерные организмы) – примитивные организмы, не имеющие четко оформленного ядра. В таких клетках выделяется лишь ядерная зона, содержащая молекулу ДНК. Кроме того, в клетках прокариот отсутствуют многие органеллы. У них имеются только наружная клеточная мембрана и рибосомы. К прокариотам относятся бактерии. Эукариоты– истинно ядерные организмы, имеют четко оформленное ядро и все основные структурные компоненты клетки. К ним относятся растения, животные, грибы.

Вирусы состоят из молекул ДНК и РНК, покрытой белковой оболочкой, а иногда дополнительно липидной мембраной. Вирусы могут существовать в виде кристаллов. В таком состоянии они не размножаются, не проявляют никаких признаков живого и могут сохраняться длительное время. Но при внедрении в живую клетку вирус начинает размножаться, подавляя и разрушая все структуры клетки-хозяина. Проникая в клетку, вирус встраивает свой генетический аппарат (ДНК и РНК) в генетический аппарат клетки-хозяина, и начинается синтез вирусных белков и нуклеиновых кислот. В клетке-хозяине идет сборка вирусных частиц. Вне живой клетки вирусы не способны к размножению и синтезу белка. Вирусы вызывают различные заболевания растений, животных, человека. К ним относятся вирусы табачной мозаики, гриппа, кори, оспы, полиомиелита, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий заболевание СПИД.

Постулаты клеточной теории: 1) Все живое состоит из клеток. 2) Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и жизненным функциям. 3) Новые клетки возникают только путем деления. 4) В многоклеточном организме клетки выполняют различные функции и все вместе обеспечивают целостность живого организма. 5) Клеточное строение свидетельствует о единстве происхождения всего живого.

Обмен веществ и энергии лежит в основе всех проявлений жизнедеятельности и представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии в живом организме и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Для поддержания жизнедеятельности в процессе обмена веществ и энергии обеспечиваются пластические и энергетические потребности организма. Пластические потребности удовлетворяются за счет веществ, используемых для построения биологических структур, а энергетические – путем преобразования химической энергии, поступающих в организм питательных веществ в механическую энергию, за счет которой совершается работа. С точки зрения питания, энергетическая функция в первую очередь принадлежит углеводам и липидам, а пластическая - белкам. Энергетическая функция и углеводов, и липидов, и белков осуществляется единым биохимическим путем окисления образовавшихся из них веществ.

Метаболизм – это обмен веществ. Анаболизм – это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм поддерживает обновление и рост новых тканей организма, в том числе мышц. Катаболизм – это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ и до конечных продуктов метаболизма.

Анаболизм– это положительный прирост мышечной массы, а катаболизм – это разрушение мышечных клеток.

Что такое ген, хромосома, ДНК.

Облик человека, некоторые привычки и, даже заболевания передаются по наследству. Вся эта информация о живом существе закодирована в генах. Носителем всех генов любого человека или животного является ДНК. Данное соединение было открыто в 1869 г. Иоганном Фридрихом Мишером. Химически ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота. ДНК – это очень длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. Имеется 4 вида нуклеотидов – это аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Цепочка нуклеотидов схематически выглядит следующим образом: ГГААТЦТААГ.

Впервые структура ДНК была расшифрована в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком. В одной молекуле ДНК имеется две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга. Эти нуклеотидные цепочки держатся рядом и закручиваются в спираль. Данный феномен обусловлен свойством комплементарности. Комплементарность означает, что друг напротив друга в двух цепочках могут находиться только определенные нуклеотиды (комплементарные). Так, напротив аденина всегда стоит тимин, а напротив гуанина всегда только цитозин. Таким образом, гуанин комплементарен с цитозином, а аденин – с тимином, Такие пары нуклеотидов, стоящих напротив друг друга в разных цепочках также называются комплементарными. Схематически можно изобразить следующим образом: Г –Ц, Т -А, Т -А, Ц -Г. Эти комплементарные пары А-Т и Г-Ц образуют химическую связь между нуклеотидами пары, причем связь между Г и Ц более прочная, чем между А и Т. Связь образуется между комплементарными основаниями, то есть образование связи между не комплементарными Г и А – невозможно.

Ген – это строго определенный участок ДНК, состоящий из определенного количества нуклеотидов, расположенных в строго определенной комбинации. Расположение в строго определенном участке ДНК означает, что конкретному гену отведено его место, и поменять это место невозможно. Совокупность генов индивидуума называется геномом. Естественно весь геном невозможно уложить в одну ДНК. Геном разбит на 46 пар молекул ДНК. Одна пара молекул ДНК называется хромосома. Именно этих хромосом у человека имеется 46 штук. Каждая хромосома несет строго определенный набор генов, например, в 18 хромосоме заложены гены, кодирующие цвет глаз и т.д. Хромосомы различаются друг от друга по длине и форме. Самые распространенные формы в виде Х или Y, но имеются также и другие. У человека имеются по две хромосомы одинаковой формы, которые называются парными (парами). В связи с такими различиями все парные хромосомы пронумерованы – их имеется 23 пары. Из 23 пар, 22 пары являются соматическими и 1 пара – половые. Соматические хромосомы определяют все внешние признаки индивидуума, особенности его поведенческих реакций, наследственный психотип, то есть все черты и особенности конкретного человека. А пара половых хромосом определяет пол человека: мужчина или женщина. Существует две разновидности половых хромосом человека - это Х и Y. Если они сочетаются как ХХ – женщина, а если Х Y – перед нами мужчина.

Случаются «поломки» генома, тогда у людей выявляются генетические заболевания. Например, когда в 21 паре хромосом вместо двух присутствует три хромосомы, человек рождается с синдромом Дауна.

Существует множество более мелких «поломок» генетического материала, которые не ведут к возникновению болезни, а наоборот, придают хорошие свойства. Все «поломки» генетического материала называются мутациями. Мутации, ведущие к болезням или ухудшению свойств организма, считают отрицательными, а мутации, ведущие к образованию новых полезных свойств, считают положительными.

Однако, применительно к большинству болезней, которыми сегодня страдают люди, передается по наследству не заболевание, а лишь предрасположенность.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?