Элементный (молекулярный) состав клетки.

Занятие№2

Тема: Клетка. Химический состав клетки.

1. Краткая история изучения клетки. Основные положения клеточной теории.

3.Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы клетки

 

Клетка – это удивительный и загадочный мир, который существует в каждом организме, будь то растение или животное. Иногда организм представляет собой одну клетку, как например, у бактерий, но чаще он состоит из миллиона клеток. Мельчайшие структуры всех живых организмов, способных к самовоспроизведению, называют клетками.

Клетка – элементарная живая система и основная структурно-функциональная единица всех живых организмов.

Элементарной единицей она может быть названа потому, что в природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все признаки (свойства) живого: она осуществляет обмен веществ и энергии, растет, размножается и передает по наследству свои признаки, реагирует на внешние раздражители и способна двигаться.

Мы приступаем к изучению самого низшего уровня организации живой материи - молекулярному. Он представлен отдельными молекулами органических и неорганических веществ, входящих в состав клеток организмов.

Жизнь можно представить как организационную иерархию вещества. В живых существах элементы образуют очень сложные органические молекулы, из которых, в свою очередь, состоят клетки, а из тех – целый организм. Жизнедеятельность всех живых систем проявляется во взаимодействии молекул различных химических веществ.

Из истории клеточной теории

Прежде чем мы поговорим об особенностях строения клетки, мы немного узнаем об истории клеточной теории.

Цитология (от цито... и...логия) – это наука о клетке. Изучает строение и функции клеток, их связи и отношения в органах и тканях.Цитология тесно связана с гистологией, анатомией, физиологией, генетикой, биохимией, микробиологией и др.

Современные представления о строении и жизнедеятельности клетки являются результатомдлительных исследований, которые продолжаются уже более 300 лет. Однако на протяжении этого времени изучение клетки шло неравномерно, периоды интенсивных исследований сменялись периодами длительного спада. Так, после замечательных открытий второй половины XVII в. в науке о клетке наступает относительный застой, характерный почти для всего XVIII в., когда новые сведения накапливались крайне медленно. Вначале XIX в. пробуждается интерес к изучению микроскопического строения организмов, и это приводит к ряду выдающихся открытий XIX—XX вв.

Развитие науки о клетке и клеточном строении растений и животных тесно связано с достижениями физики в области конструирования и усовершенствования оптических приборов. Изобретение микроскопа позволило открыть новый мир. Микроскоп был изобретен Г. Галилеем в самом начале XVII в., а первым исследователем, увидевшим клетки, стал английский уч. Роберт Гук (1665). Рассматривая тонкий срез пробки в усовершенствованный им микроскоп, Р.Гук обнаружил множество мелких полостей, похожих на пчелиные соты, которые он назвал клетками, и это название, как известно, сохранилось в науке до наших дней. Результаты своих наблюдений Р. Гук изложил в книге «Микрография», вышедшей в 1665 г., и поместил в ней первое изображение клеток. Т.о.было начато изучение клеточного строения организмов.

Наблюдения Р. Гука были продолжены и расширены его современниками — итальянским ученым Марчелло Мальпиги (1628—1694) и английским ученым Неемия Грю, впервые описавшими клеточное строение различных органов у растений — корней, листьев, стеблей, плодов и семян. Работами М. Мальпиги и Н. Грю было положено начало особому разделу ботаники — анатомии растений.

Голландский микроскопист А. Левенгук (1632—1723) впервые увидел отдельные свободноживущие клетки, открыв, таким образом, мир простейших одноклеточных организмов. В некоторых клетках он обнаружил зеленые тельца, названные впоследствии пластидами, и кристаллы. В клетках некоторых простейших животных он обнаружил красные кровяные тельца - эритроциты. В своей книге «Тайны природы» (1695) А. Левенгук приводит также рисунки клеточного строения тела растений.

Не осталась в стороне от научного прогресса и Россия. В 1693 г. во время пребывания ПетраI в Дельфе А.Левенгук продемонстрировал ему, как движется кровь в плавнике рыбы. Эти демонстрации произвели на Петра такое впечатление, что вернувшись в Россию, он создал мастерскую оптических приборов. В 1725г. организована Петербургская академия наук. Талантливые мастера Иван Елисеевич Беляев и Иван Петрович Кулибин изготавливали микроскопы.

Однако, несмотря на довольно многочисленные описания самых разнообразных клеток, как растительных, так и животных, в науке почти 200 лет господствовало ошибочное представление, что главной составной частью клетки является ее оболочка. Это объясняется тем, что клетки пробки, впервые увиденные Р. Гуком, были мертвыми и не имели внутреннего содержимого. Другие исследователи, рассматривавшие живые клетки, считали их мешочками или пузырьками, заполненными слизистым содержимым, которому не придавали серьезного значения и по-прежнему главное внимание уделяли изучению клеточных стенок.

Очень важное открытие в 30-е гг19 в. (1831г) сделал шотландский ученый Роберт Броун. Рассматривая в микроскоп строение листа растения, он обнаружил внутри клетки круглое плотное образование, которое назвал ядром.

 

В 1838г. немецкий ученый М.Шлейден первым пришел к заключению о том, что ядро является обязательным структурным элементом всех растительных клеток. Его соотечественник Теодор Шванн, обнаружил ядро и в животных клетках. Опираясь на исследования Маттиас Шлейдена и других естествоиспытателей, Т. Шваин в своей книге «Микроскопические исследования о соответствии в строении и росте животных и растений», вышедшей в 1839 г., убедительно показал, что клеточное строение характерно для всех живых организмов и является общей структурной особенностью их тела. Следовательно, был сделан важный вывод: все клетки, несмотря на огромное разнообразие, сходны – у них есть ядра. При создании клеточной теории Т.Шванн исходил из открытия Шлейдена 1838г.

Немецкий биолог Рудольф Вирхов в 1858г. внес очень важное дополнение в клеточную теорию – количество клеток увеличивается в результате деления, т.е. клетка происходит только от клетки.

 

Клеточная теория объяснила разнообразие структур, наблюдаемых у различных животных и растений, и в то же время дала несомненные доказательства единого происхождения и строения всего органического мира. В клеточной теории содержалось 3 главных обобщения: теория образования клеток, в основу которой был положен универсальный принцип развития, доказательство клеточного строения всех органов и частей организма и распространение этих двух принципов на мир животных и мир растений.

 

Клеточная теория явилась одним из важнейших открытий 19 в. Она лежит в основе представлений всего живого, общности его происхождения и эволюционного развития.Все живые существа на Земле, за исключением вирусов, построены из клеток.

В результате работы многих исследователей была создана современная клеточная теория. В настоящее время клетку изучают, применяя физические и химические методы исследования и новейшие приборы (н-р электронные микроскопы, увеличивающие в

1 000 000 раз).

Основные положения клеточной теории:

1. Клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток.

2. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям.

3. Все новые клетки образуются при делении исходных клеток.

 

Элементный (молекулярный) состав клетки.

Макро и микроэлементы.

Без знания химического состава клетки – основной единицы жизни – нельзя понять механизмы сложнейших процессов, которые протекают в живых организмах всех царств природы. Поэтому изучение общебиологических закономерностей мы начинаем с изучения химической организации жизни. Вначале сравним элементарный, т.е. атомарный, состав живой и неживой природы.

Самыми распространенными элементами земной коры, на долю которых приходится 90% ее атомарного состава, являются: О, Si, Al и Na. Далее следуют Са, Fe, Mg, P и другие элементы.

Изучение этой темы способствует закреплению знаний о единстве всей природы; пониманию того, что живые объекты состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы.

 

Биологически важные химические элементы. По химическому составу клетки различных организмов могут заметно отличаться друг от друга, но элементы, входящие в их состав, одинаковы. Из известных нам более 100 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева в состав живых организмов входят около 80, но лишь 24 из них постоянно встречаются в живых организмах. По количеству тех или иных элементов входящих в состав живых систем элементы можно объединить в три группы:

Первую группу МАКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержаться в больших количествах, в сумме составляют более 98-99% массы живого организма. Это Н,О,С,N - главные компоненты всех органических соединений. Например, в составе клеток человеческого тела кислорода - более 60%, углерода - около 20% и водорода - около 10%.S и P, являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров (polys – много; meros – часть) – белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами. В меньших количествах в состав клетки, кроме упомянутых S и P, входят 6 элементов: K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl. На азот, кальций, фосфор, хлор, калий, серу, натрий, магний, вместе взятые, приходится около 5%. Остальные элементы составляют 0,1%. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке: Na, К и Cl – обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульсов по нервному волокну; Ca и Р – участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, кроме того от Са зависит нормальная свертываемость крови; Fe –входит в состав гемоглобина – белка эритроцита, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям; Mg – в клетках растений включен в хлорофилл.

 

Вторая группа МИКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержатся в меньших количествах(0,02%), но также играют большую роль. Это - йод, фтор, бор, медь, марганец, цинк и другие. Однако это не означает, что они меньше нужны организму. Zn – входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулин(который участвует в регуляции обмена углеводов; I – необходимый компонент тироксина – гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития.

 

Все остальные элементы – третья группа УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ - содержатся в еще более меньших количествах. Но при этом необходимо учитывать, все они играют определенную роль. Вообще в живых организмах содержатся все элементы, за исключением коротко живущих изотопов и тяжелых элементов, которые по своей природе нестабильны.

27

 

 

Макроэлементы                         Микроэлементы       Ультрамикроэлементы

       99-98 % -                                        103 %                                 106 %

биогенные:                                    (0,02%)

O, C, H, N,(S, P)                   B, Mn, Zn, Cu, Co,              U, Au, Be, Hg,

K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl,                       F, I, Mo                       Se, Ra, Cs

 

Набор этих элементов не случаен. Жизнь зародилась в водах Мирового океана, и живые организмы состоят из тех элементов, которые образуют легко растворимые в воде соединения. Большинство таких элементов принадлежат к числу легких, их особенностью является способность вступать в прочные (ковалентные) связи и образовывать множество сложных молекул.

Даже те элементы, которые в клетках содержатся в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть замены и совершенно необходимы для жизни. Так, содержание йода в клетках не превышает 0,01% - однако при недостатке его в почве (из-за этого в пищевых продуктах) задерживается рост и развитие детей. Содержание меди – 0,0002% - однако при недостатке его в почве (из-за этого и в растениях) возникают массовые заболевания с/х животных.

 

 

Элемент, примерное содержание	Символ	Значение для клетки и организма
Водород-10%	Н	Входит в состав воды и органических соединений
Бор-следы	В	Входит в состав клеточных стенок растений, влияет на ростовые процессы у растений
Углерод-20%	С	Входит в состав всех органических соединений
Азот-3%	N	Структурный компонент белков и нуклеиновых кислот
Кислород- 62%	O	Входит в состав воды и биологически активных соединений
Фтор-следы	F	Входит в состав эмали зубов
Натрий-0,1%	Na	Главный внеклеточный положительный ион, проведение нервного импульса, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, участвует в процессе фотосинтеза
Магний-0,07%	Mg	Активирует работу многих ферментов; структурный компонент хлорофилла, поддерживает работу рибосом и митохондрий,активирует энергетический обмен и синтез ДНК
Фосфор-1,0%	P	Входит в состав костной ткани, зубной эмали, нуклеиновых  кислот
Сера-0,25%	S	Входит в состав белков, вит В 1
Хлор-0,2%	Cl	Преобладающий отрицательный ион в организме животных, проведение нервного импульса, является компонентом соляной к-ты в желудочном соке
Калий-0,25%	K	Преобладающий положительный ион внутри клеток, проведение нервного импульса, обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности
Кальций-2,5%	Ca	Основной компонент костей и зубов; активирует сокращение мышечных волокон и работу ряда ферментов, компонент свертывания крови
Марганец-следы	Mn	Необходим организмам в следовых количествах, активатор ферментов, влияет на процессы тканевого дыхания, участвует в развитии костей
Железо-0,01%	Fe	Входит в состав многих органических веществ, в том числе гемоглобина
Кобальт-следы	Co	Входит в состав витамина В 12,участвует в развитии эритр-тов
Медь-следы	Cu	Необходим организмам в следовых количествах (обнаружен в составе некоторых ферментов), активатор ферментов, влияет на процессы тканевого дыхания, участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, синтеза гемоглобина
Цинк-следы	Zn	Необходим организмам в следовых количествах(обнаружен в некоторых ферментах и инсулине), активатор ферментов, влияет на процессы тканевого дыхания
Йод-0,01%	I	Входит в состав гормона щитовидной железы

 

       Вышеперечисленные химические элементы образуют молекулы неорганических и органических веществ. Живые существа состоят из тех же химических элементов, что и неживые тела.