Клетка элементарная единица живого кафедра техносферной безопасности

Клетка – элементарная единица живого кафедра техносферной безопасности Тюм. ГАСУ

План 1. 2. 3. 4. Общие сведения о клетке Клеточная теория Химическая организация клетки Генетический код. Синтез белка

Общие сведения о клетке § Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений.

Общие сведения о клетке § Вне клетки не существует настоящей жизни. Поэтому в природе ей принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы. § Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм — одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных.

Общие сведения о клетке § Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обусловливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия.

Клеточная теория § Клеточная теория сформулирована немецким зоологом Т. Шванном в 1839 г. Он обобщил многочисленные данные в виде теории, согласно которой клетки являются структурной и функциональной основой живых существ.

Клеточная теория § Клеточная теория в современном виде включает три главных положения: 1. Все живые существа (растения, животные и одноклеточные организмы) состоят из клеток и их производных. 2. Клетка – единица строения и развития живых организмов. 3. Все живые клетки возникают из живых клеток.

Химическая организация клетки § В состав клетки входит около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. § Соотношение химических элементов в живой и неживой материи различно.

Химическая организация клетки § В зависимости от содержания в живом организме химические элементы подразделяют на несколько групп. § Первую группу (около 98 % массы клетки) образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод, фосфор, сера и азот. Их называют макроэлементами. Это главные компоненты всех органических соединений.

Химическая организация клетки § В меньших количествах в состав клетки входят шесть элементов: калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. § Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец, молибден, бор и др. ) содержатся в очень малых количествах. Общий их вклад в массу клетки всего 0, 02 %. Поэтому их называют микроэлементами. § Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов и гормонов — веществ, обладающих большой биологической активностью.

Химическая организация клетки А. Неорганические вещества клетки. § Вода – это самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%. В среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80 % массы тела.

Химическая организация клетки § Роль воды в клетке очень велика. Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Для живых организмов она не только необходимый компонент живых клеток, но зачастую еще и среда обитания. § Функции воды во многом определяются ее химическими и физическими свойствами, которые связаны, главным образом, с их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Химическая организация клетки § Вода — превосходный растворитель для полярных веществ. В качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности, поскольку большинство химических соединений может проникнуть через наружную клеточную мембрану только в растворенном виде.

Химическая организация клетки § Не менее важна и чисто химическая роль воды. Под действием некоторых катализаторов — ферментов она вступает в реакции гидролиза. § Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью, поэтому температура внутри клетки остается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей клетку среде.

Химическая организация клетки § Минеральные соли. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей — либо в ионном состоянии, либо в виде твердой нерастворимой соли. § Среди ионов большое значение имеют катионы К, Nа, Са, которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организмов, как раздражимость. В тканях многоклеточных животных кальций входит в состав межклеточного вещества, обусловливающего сцепление клеток между собой и упорядоченное их расположение в тканях.

Химическая организация клетки § От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Основная масса Са и Р используется для построения костной ткани.

Химическая организация клетки Б. Органические вещества клетки § Органические соединения составляют в среднем 20 30 % массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры и ряд небольших молекул — гормоны, пигменты, аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т. д.

Химическая организация клетки § Различные типы клеток отличаются количественным содержанием органических соединений. Так, в растительных клетках преобладают углеводы. Наоборот, белки в большем количестве содержатся в животной клетке, чем в растительной.

Химическая организация клетки § Белки — это высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых служат аминокислоты. В организме человека встречается 5 млн. типов белковых молекул. Такое разнообразие обеспечивается комбинацией 20 разных аминокислот, обнаруживаемых при гидролизе белков.

Химическая организация клетки § Общая формула аминокислоты выглядит так: R Н 2 N—сн—соон § В левой части молекулы расположена аминогруппа (—NH 2), которая обладает свойствами основания; справа — карбоксильная группа (—СООН) — кислотная.

Химическая организация клетки § Следовательно, аминокислоты — соединения, совмещающие свойства кислоты и основания. Этим обусловлена их способность к взаимодействию. § Аминокислоты соединяются друг с другом ковалентной пептидной связью. Образование ее происходит за счет аминогруппы одной аминокислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды.

Химическая организация клетки § Аминокислоты отличаются друг от друга строением боковой цепи (R группы): у аланина, например, это метильная группа (СН 3), R группа цистеина содержит серу — СН 2 SН, другие аминокислоты имеют более сложные боковые радикалы. § Специфические биологические функции белков (ферментов, гормонов) зависят от их пространственной конфигурации, нарушение которой ведет к потере биологической активности.

Химическая организация клетки § У белков имеется четыре уровня структурной организации. § Первичная структура является аминокислотной последовательностью (ковалентная структура). § Вторичная структура стабилизирована водородными связями, образованными между — СО и — NН группами пептидных связей в спирали.

Химическая организация клетки § Третичная структура характеризует пространственную укладку молекул белка. Третичная структура может быть шарообразной (глобулярной) или нитевидной (фибриллярной). § Четвертичная структура характеризует пространственное взаиморасположение субъединиц белка в том случае, если он состоит более чем из одной полипептидной цепи. §.

Химическая организация клетки § Углеводы — органические вещества c общей формулой Сх(Н 2 O)y. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. § В животной клетке содержание углеводов составляет 1 2 %, иногда 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90 % сухой массы (клубни картофеля, семена и т. д. ).

Химическая организация клетки § Углеводы подразделяются на три главных класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. § Моносахариды — это простые сахара. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле среди моносахаридов различают триозы — 3 атома, тетрозы — 4, пентозы — 5, гексозы — 6, гептозы — 7 атомов углерода. § Из шестиуглеродных моносахаридов наиболее важны глюкоза, фруктоза и галактоза. Пентозы — рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Химическая организация клетки § Соединения, содержащие 2 10 моносахаридных остатков, называют олигосахаридами; соединения, содержащие более 10 остатков, — полисахаридами. § Наиболее важные дисахариды (2 сахаридных остатка) — мальтоза, лактоза и сахароза. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания. Лактоза, или молочный сахар, содержится только в молоке. Сахароза (тростниковый сахар) наиболее распространена в растениях. В ее состав входят глюкоза и фруктоза.

Химическая организация клетки § Липиды. Нерастворимые в воде органические вещества, которые можно извлечь из клеток органическими растворителями (эфиром, хлороформом, бензолом), называют липидами. § Настоящие липиды — это сложные эфиры жирных кислот и какого либо спирта.

Химическая организация клетки § Самые распространенные из липидов, встречающихся в природе, — нейтральные жиры или триглицериды. Эти соединения являются эфирами жирных кислот и глицерина. Основная функция — служить энергетическим «резервуаром» . Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5 15 % от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90 %. § Очень важную роль для живых организмов играют фосфолипиды, являющиеся компонентами мембран, т. е. выполняющие строительную функцию.

Химическая организация клетки § Нуклеиновые кислоты — это полимеры, построенные из огром ного числа мономерных единиц, называемых нуклеотидами. § Молекула нуклеотида состоит из трех частей: пятиуглеродного сахара (пентозы), азотистого основания и фосфорной кислоты.

Химическая организация клетки § В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу. § В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся азотистые основания четырех разных видов: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У). В ДНК присутствует тимин, а в РНК вместо тимина — урацил.

Химическая организация клетки § ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, свитых вместе вокруг одной оси, в результате чего образуется двойная спираль. В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида.

Химическая организация клетки § Объединяются две цепи в единую молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. § Азотистые основания соединяются попарно: аденин образует водородные связи с тимином, а гуанин — с цитозином. Такую способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируются пары А—Т и Г—Ц, называют комплементарностью.

Химическая организация клетки § РНК в отличие от ДНК бывает в большинстве случаев одноцепочечной. § Двухцепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т. е. выполняют у них функции хромосом.

Химическая организация клетки § Существует несколько форм РНК. § Большую часть РНК цитоплазмы (до 80 90 %) составляет рибосомная РНК (р. РНК), содержащаяся в рибосомах. § Другой вид РНК — информационные, или матричные (м. РНК), переносят к рибосомам информацию о последовательности нуклеотидов в ДНК, хранящейся в ядре.

Химическая организация клетки § Транспортные РНК (т. РНК) выполняют несколько функций: доставляют аминокислоты к месту синтеза белка (каждая аминокислота имеет свою т. РНК), «узнают» (по принципу комплементарности) триплет м. РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Химическая организация клетки § Одно из важнейших свойств ДНК — способность ее к самоудвоению (репликации). § В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

Генетический код. Синтез белка § Все многообразие свойств белков определяется их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. § Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация их трех нуклеотидов — триплет. Эта зависимость между основаниями и аминокислотами называется генетическим кодом.

Генетический код. Синтез белка § В такой код входит 64 разных триплета — возможные сочетания трех из четырех азотистых оснований. § Некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и т. д.

Генетический код. Синтез белка § Одно из основных свойств кода — его специфичность. Нет случаев, когда один и тот же триплет соответствовал бы более чем одной аминокислоте. § Код универсален для всех живых организмов и никогда не перекрывается, т. е. кодоновые триплеты транслируются — передаются в виде информации триплета м. РНК — всегда целиком. §.

Генетический код. Синтез белка § Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию. § Транскрипция информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы — полинуклеотидной цепи ДНК.

Генетический код. Синтез белка § Следующий этап биосинтеза — перевод последовательности нуклеотидов в молекуле м. РНК в последовательность аминокислот – трансляция. § Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой м. РНК. Кроме транспорта м. РНК к рибосомам эти белки защищают м. РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

Генетический код. Синтез белка § В цитоплазме к одному из кодонов м. РНК (именно к тому, с которого начинался синтез молекулы в ядре) присоединяется рибосома и начинает синтез полипептида. Рибосома перемещается по молекуле м. РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. § По мере перемещения рибосомы по молекуле м. РНК к полипептидной цепочке одна за другой пристраиваются аминокислоты, соответствующие триплетам м. РНК.

Генетический код. Синтез белка § Точное соответствие аминокислоты коду триплета м. РНК обеспечивается т. РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т. РНК, один из триплетов которой комплементарен строго определенному триплету м. РНК. § Точно так же каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий ее к т. РНК. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы — молекулы м. РНК. § Молекула м. РНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, как и рибосома.