1. Структурная организация живых организмов

Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Раздел 1. Структурная организация живых организмов. Электронная версия (ТРАНСКРИПТ). Цитаты использованы в учебных целях.

ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к содержанию учебника


Глава 1. Многообразие живого мира. Уровни организации и основные свойства живых организмов

Вспомните! • Химический элемент • Молекула • Клетка • Ткань • Орган • Организм • Популяция • Биоценоз • Биогеоценоз • Биосфера • Обмен веществ • Размножение • Наследственность и изменчивость • Развитие • Раздражимость.

Мир живых существ представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня сложности. В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи.

  1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биополимеров (сложных органических соединений, отличающихся крупными молекулами), построенных из большого количества единиц — мономеров (исходных, повторяющихся, более просто устроенных соединений). На этом уровне начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. Существует три типа биологических полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Их мономерами служат соответственно моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Не менее важными для организма органическими соединениями являются также жиры (липиды).
  2. Клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей развития живых организмов. Она представляет собой саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся живую систему. Свободноживущих неклеточных форм жизни на Земле не существует. Неклеточные формы — вирусы — неспособны к самостоятельному существованию.
    Клетка может представлять собой целый организм, а может быть частью многоклеточного растения или животного. Она бывает устроена просто, как клетки бактерий и синезелёных водорослей, или значительно более сложно — клетки зелёных растений, грибов, животных. Бактерии, как и простейшие, представляют собой целостные одноклеточные организмы, способные выполнять все функции для обеспечения их жизнедеятельности. А вот клетки, входящие в состав многоклеточного организма, специализированы, т. е. могут осуществлять только одну какую-либо функцию и не способны существовать самостоятельно, вне организма. У многоклеточного организма взаимодействие многих клеток приводит к возникновению нового качества, не равнозначного простой их сумме.
  1. Тканевый. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединённых выполнением общей функции.
  2. Органный. Органы — это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Например, печень человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, в том числе синтез белков крови, желчных кислот, обезвреживание ядовитых веществ, поступающих из кишечника, накопление.Рис. 1. Спектр уровней организации живых систем
  1. Организменный (рис. 1). Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Одноклеточный организм — это целостная живая система, способная к самостоятельному существованию.
  2. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединённых общим местом обитания, называется популяцией. Популяция — система надорганизменного уровня. Именно здесь протекают простейшие эволюционные преобразования.
  3. Биогеоценотический (экосистемный). Биогеоценоз — совокупность организмов разных видов и факторов среды их обитания, объединённых обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.
  4. Биосферный. Биосфера — система высшего порядка. На этом уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на нашей планете (см. рис. 1).

Живой материи на любом уровне организации присущи черты, отличающие её от неживой материи.

Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Они поглощают из неё вещества, необходимые им для питания, наружу выделяют продукты жизнедеятельности. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство и стабильность их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

Другая характерная черта живой материи — самовоспроизведение. Способность к размножению, т. е. воспроизведению нового поколения особей того же вида, — одно из основных свойств живых организмов. Потомство в главном всегда похоже на родителей, поэтому свойство организмов воспроизводить себе подобных тесно связано с явлением наследственности.

Наследственность — это способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Однако потомки не идентичны своим родителям, и в этом проявляется изменчивость — способность организмов приобретать новые признаки и свойства. В основе её лежит изменение строения генов или хромосом.

Изменчивость создаёт разнообразный исходный материал для естественного отбора, т. е. отбора особей, наиболее приспособленных к условиям существования в конкретных природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

При размножении организмов через половые клетки передаётся не комплекс признаков и свойств организма, а гены, определяющие возможность их развития. Сами же качества организма появляются в процессе развития. Способность к развитию — всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. Развитие живой материи представлено индивидуальным развитием организмов, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.

Филогенез, или эволюция, — это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением форм жизни. Результатом эволюции является всё многообразие живых организмов на Земле.

Существуют и другие свойства живой природы. Среди них саморегуляция и раздражимость, ритмичность и некоторые другие, знакомые вам из курса «Человек».

Таким образом, живые организмы резко отличаются от неживых систем — объектов, изучаемых физикой и химией, — своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью.

Что же такое жизнь? Одно из определений более 100 лет назад дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». В это определение вошли два важных положения: 1) жизнь тесно связана с белками и 2) непременное условие жизни — постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.

Достижения биологии наших дней позволили выявить новые черты, присущие живым организмам, и на этом основании дать более точное определение понятия «жизнь». Современный отечественный учёный М. В. Волькенштейн определяет это понятие так: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».

Ознакомившись, таким образом, с основными признаками и свойствами живых организмов, можно перейти теперь к вопросу о причинах многообразия жизни на Земле.

Вопросы для повторения и задания

  1. Назовите уровни организации живой материи. Предложите критерии для сравнения разных уровней организации живой природы, составьте и заполните таблицу «Уровни живой материи».
  2. Как взаимосвязаны различные уровни организации живой материи?
  3. Что такое самовоспроизведение (репродукция) живых организмов?
  4. Что такое развитие? Какие формы развития вы знаете? Сравните их между собой.
  5. Что такое раздражимость? Какое значение она имеет для приспособления к условиям существования?
  6. Опираясь на знания, полученные в курсе «Человек», приведите примеры саморегуляции физиологических процессов в своём организме.
  7. В чём значение ритмичности процессов жизнедеятельности? Приведите примеры ритмичности процессов в неживой и живой природе.
  8. Попробуйте сформулировать собственное определение жизни.
  9. Приведите примеры процессов и событий, происходящих на разных уровнях организации живого, участником которых вы были сегодня.

Раздел 1. Структурная организация живых организмов

По строению клетки все организмы делят на доядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных — животных, растений и грибов — построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную систему — отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток. Рассмотрим подробнее химический состав, структуру и особенности жизнедеятельности элементарной единицы строения живых организмов — клетки.

Глава 2. Химическая организация клетки

В состав клетки входит около 70 химических элементов, встречающихся и в неживой природе, и это — одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов в живой и неживой материи различно. В зависимости от содержания в живом организме химические элементы подразделяют на несколько групп.

Около 98% массы клетки образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Это главные компоненты всех органических соединений. Вместе с серой и фосфором, являющимися необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (от греч. полис — много, мерос — часть) — белков и нуклеиновых кислот, их часто называют биоэлементами.

В меньших количествах в состав клетки, кроме упомянутых фосфора и серы, входят шесть элементов: калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор. Каждый из них выполняет в клетке важную функцию. Например, Na, К и Cl обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании костной ткани, от них зависит прочность кости. Кроме того, Са — один из факторов, от которых зависит нормальная свёртываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина — белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от лёгких к тканям. Наконец, Mg в клетках растений включён в хлорофилл — пигмент, участвующий в фотосинтезе, а у животных входит в состав биологических катализаторов — ферментов, ускоряющих биохимические превращения. Все перечисленные выше элементы объединяют в группу макроэлементов.

Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец, молибден, бор и др.) содержатся в клетке в очень малых количествах. Общий их вклад в её массу — всего 0,02%. Поэтому их называют микроэлементами. Однако и они имеют жизненно важное значение.

Микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов и гормонов — веществ, обладающих большой биологической активностью. Так, йод входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина; цинк — в состав гормона поджелудочной железы — инсулина; кобальт — необходимый компонент витамина В12.

1. Неорганические вещества, входящие в состав клетки

Вспомните! • Полярность молекул • Водородные связи • Ковалентные связи • Катализаторы

Вода. Самое распространённое неорганическое соединение в живых организмах — вода. Её содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов около 10% воды, а в клетках развивающегося зародыша — более 90% . В среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80% массы тела.

Роль воды в клетке очень велика. Для живых организмов это не только необходимый компонент составляющих их клеток, но зачастую ещё и среда обитания.

Функции воды во многом определяются её химическими и физическими свойствами. Эти свойства связаны главным образом с малыми размерами молекул воды и их полярностью, а также способностью соединяться друг с другом водородными связями.

Одна часть молекулы воды несёт небольшой положительный заряд, а другая — отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Положительно заряженные части одной молекулы воды притягивают к себе отрицательно заряженные части других молекул, молекулы воды как будто склеиваются (рис. 2). Эти взаимодействия, более слабые, чем ионные связи, называют водородными связями. Вода — превосходный растворитель для полярных веществ, участвующих в обменных процессах.

В качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из неё продуктов жизнедеятельности, поскольку большинство химических соединений может проникнуть через наружную клеточную мембрану только в растворённом виде.

Не менее важна и чисто химическая роль воды. Под действием некоторых катализаторов — ферментов — она вступает в реакции гидролиза. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами.

Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоёмкостью, поэтому температура внутри клетки остаётся неизменной или её колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей клетку среде.

Минеральные соли. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей — либо в состоянии ионов, либо в виде твёрдой нерастворимой соли. Среди первых большое значение имеют катионы К+, Na+, Са2+, которые обеспечивают такое важнейшее свойство живых организмов, как раздражимость.

От концентрации солей внутри клетки зависят её буферные свойства. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне. Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами Н2РO4 и НРО3-. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н2СO3 и НСO3. Анионы слабых кислот и слабые щёлочи связывают ионы водорода и гидроксил-ионы (ОН-), благодаря чему реакция внутри клетки, т. е. величина pH, практически не меняется.

Основная масса Са и Р используется для построения костной ткани в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей с общей формулой СаСO3 • nСа3(РO4)2. Они входят также в состав раковин моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.

Вопросы для повторения и задания

  1. Какие химические элементы составляют большую часть массы клетки?
  2. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.
  3. Каковы особенности пространственной организации молекулы воды, обусловливающие её биологическое значение?
  4. Какие минеральные соли входят в состав живых организмов?
  5. Какие вещества обусловливают буферные свойства клетки?
  6. Согласны ли вы с утверждением, что вода — колыбель всего живого? Объясните, почему жизнь зародилась именно в водной среде.
  7. Предложите свою классификацию химических элементов, входящих в состав живых организмов.
  8. Составьте и заполните таблицу «Химические элементы и их значение в живой природе».

2. Органические вещества, входящие в состав клетки

Вспомните! • Определение жизни по Энгельсу • Определение жизни по Волькенштейну • Полимеры • Ферменты • Антитела • Антигены • Полисахариды • Нуклеиновые кислоты • Биологическая информация

Органические соединения составляют в среднем 20—30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры — белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул — гормоны, пигменты, аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т. д. Разные типы клеток содержат разные количества органических соединений. Так, в растительных клетках преобладают углеводы. Наоборот, белков больше в животной клетке, чем в растительной (40—50% против 20—35%).

Каждая группа органических веществ в клетке любого типа выполняет сходные функции.

Белки. Среди органических веществ клетки белки занимают первое место как по количеству, так и по значению. Это высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых служат аминокислоты. В организме человека встречается 5 млн типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Такое разнообразие обеспечивается сочетанием всего лишь 20 разных аминокислот, составляющих несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций. Например, из 20 остатков аминокислот теоретически можно составить около 2 • 1018 вариантов белковых молекул, различающихся порядком чередования аминокислот, а значит, и формой, и свойствами. Молекулы белков могут быть спиралевидными, складчатыми или шарообразными (рис. 3).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших — строительная (структурная) функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур.

Исключительно важное значение имеет каталитическая роль белков. Все ферменты — вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз.

Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: образование псевдоподий, мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных, движение листьев у растений и др.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

Защитная функция. При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах — образуются особые белки — антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества (антигены).

Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е. выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Углеводы. Углеводы, или сахариды, — органические вещества с общей формулой С„(Н20)т. У большинства углеводов число молекул воды вдвое превышает количество атомов углерода, поэтому они и были названы углеводами.

В животной клетке углеводов содержится всего 1—2%, иногда 5%, в растительных же клетках их содержание в некоторых случаях достигает 90% сухой массы (клубни картофеля, семена ит. д.).

Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды — это простые сахара. Из них наиболее распространены глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1—0,12%). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Соединения, содержащие два моносахаридных остатка, называют дисахаридами — это мальтоза, лактоза и сахароза. Сахароза (тростниковый сахар) наиболее распространена в растениях. В её состав входят глюкоза и фруктоза.

Сложные углеводы, образованные остатками многих моносахаридов, называют полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза.

Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.

Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат резервом пищи и энергии.

Липиды. Нерастворимые в воде органические вещества называют липидами. Это группа соединений, отличающихся большим разнообразием.

Самые распространённые из липидов, встречающихся в природе, — нейтральные жиры. Их принято делить на жиры и масла в зависимости от того, остаются ли они твёрдыми при 20 °С (жиры) или имеют при этой температуре жидкую консистенцию (масла).

Основная функция жиров — служить энергетическим резервуаром. Калорийность липидов выше энергетической ценности углеводов. В ходе расщепления 1 г жиров до С02 и Н20 освобождается 38,9 кДж энергии. Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5—15% от массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90%. В организме животных, впадающих в спячку, накапливается избыток жира, у позвоночных животных жир откладывается ещё и под кожей — в так называемой подкожной клетчатке, где он служит для теплоизоляции. Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии (как часто ошибочно полагают), а источником воды.

Очень важную роль для живых организмов играют фосфолипиды, являющиеся компонентами мембран, т. е. выполняющие строительную функцию.

Из липидов можно отметить также воск, который используется у растений и животных в качестве водоотталкивающего покрытия. Из воска пчёлы строят соты. Широко представлены в животном и растительном мире стероиды — это желчные кислоты и их соли, половые гормоны, витамин D, холестерол, гормоны коры надпочечников и т. д. Они выполняют ряд важных биохимических и физиологических функций.

Нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Благодаря особенностям своего химического строения они хранят, переносят и передают по наследству дочерним клеткам информацию о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определённом этапе индивидуального развития. Большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, поэтому понятно, что стабильность нуклеиновых кислот — важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность организма.

Структуру нуклеиновых кислот установили в 1953 г. американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик. Изучение её имеет исключительно важное значение для понимания механизма наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования как отдельных клеток, так и клеточных систем — тканей и органов.

Нуклеиновые кислоты — это полимеры, построенные из огромного числа мономерных единиц, называемых нуклеотидами.

Различают два типа нуклеиновых кислот. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — двуцепочечный полимер с очень большой молекулярной массой. В одну молекулу могут входить 108 и более нуклеотидов (рис. 4). ДНК несёт в себе закодированную информацию о последовательности аминокислот в белках, синтезируемых клеткой, и обладает способностью к воспроизведению.

Рибонуклеиновая кислота (РНК), в отличие от ДНК, бывает в большинстве случаев одноцепочечной. Существует несколько видов РНК: информационные (иРНК), транспортные (тРНК) и рибосомалъные (рРНК). Они различаются по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.

Вопросы для повторения и задания

  1. Назовите основные группы органических веществ, входящих в состав клетки.
  2. Из каких простых органических соединений состоят белки?
  3. Составьте схему «Функции белков в клетке».
  4. Какие химические соединения называют углеводами?
  5. Назовите основные функции углеводов. Какие клетки и почему наиболее богаты углеводами?
  6. Вспомните из предыдущих курсов биологии, какую функцию выполняет глюкоза в организме человека. Какое количество глюкозы в крови является нормой? Чем опасно резкое снижение концентрации глюкозы в плазме крови?
  7. Объясните, почему термины «жиры» и «липиды» не являются синонимами. Какие функции выполняют липиды? В каких клетках и тканях их особенно много?
  8. Откуда в организме берётся метаболическая вода?
  9. Что такое нуклеиновые кислоты? Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете? Чем отличаются РНК и ДНК?
  10. Сравните химический состав живых организмов и тел неживой природы. Какие выводы можно сделать на основе этого сравнения?
  11. Какие особенности строения атома углерода обусловливают его ключевую роль в формировании молекул органических веществ?

Глава 3. Обмен веществ и преобразование энергии в клетке

Для поддержания жизнедеятельности клеток в них непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза. С помощью ферментов из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов — сложные углеводы. Азотистые основания включаются в состав нуклеотидов, из которых формируются нуклеиновые кислоты. Разнообразные липиды возникают путём химических превращений сравнительно простых веществ, источником которых служит остаток уксусной кислоты — ацетат. Так образуются жирные кислоты, отличающиеся друг от друга числом атомов углерода в молекуле. Соединяясь с глицерином, они образуют известные нам жиры и масла. В конечном счёте структура всех органических молекул, синтез которых осуществляется с помощью ферментов, определяется совокупностью генов данной клетки — генотипом.

Синтезированные вещества используются в процессе роста для построения клеток и их органоидов и для замены израсходованных или разрушенных молекул. Все реакции синтеза идут с поглощением энергии. В ходе реакций распада, наоборот, энергия выделяется.

3. Пластический обмен. Биосинтез белков

Вспомните! •Аминокислоты • Нуклеотиды • Рибосомы • Генетический код •РНК, ДНК

Совокупность реакций биологического синтеза называют пластическим обменом (или ассимиляцией). Название данного вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена — биосинтез белков. Как уже отмечалось, всё многообразие их свойств в конечном счёте определяется последовательностью аминокислот в белковой цепи. Множество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путём синтеза нуклеиновых кислот с последовательностью азотистых оснований, соответствующей последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке в молекуле ДНК соответствует комбинация из трёх нуклеотидов триплет. Эта зависимость между триплетами оснований и аминокислотами называется генетическим кодом. В такой код входит 64 разных триплета — возможные сочетания трёх из четырёх азотистых оснований.

Некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Такая избыточность кода повышает надёжность передачи генетической информации. Случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре синтезируемого белка. В каждой молекуле ДНК, состоящей из миллионов нуклеотидных пар, записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белков. Каким образом участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одного белка, отграничивается от других участков? Существуют триплеты, которые «запускают» синтез полинуклеотидной цепочки, и триплеты, которые прекращают синтез, т. е. служат «знаками препинания».

Одно из основных свойств кода — его специфичность. Один триплет всегда соответствует одной аминокислоте. Код универсален для всего живого — от микроорганизмов до человека.

Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его структуре должна быть доставлена к рибосомам — органоидам клетки, осуществляющим синтез белка. Для этого на одной из цепей молекулы ДНК синтезируется одноцепочечная молекула РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы — полинуклеотидной цепи ДНК. Так образуется информационная РНК (иРНК), которая затем перемещается в цитоплазму клетки (рис. 5).

В цитоплазме к одному из концов иРНК прикрепляются субъединицы рибосомы, и начинается синтез полипептида. Рибосома перемещается по молекуле иРНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом (рис. 6).

По мере перемещения рибосомы по молекуле иРНК к полипептидной цепочке одна за другой пристраиваются аминокислоты, соответствующие триплетам иРНК. Точное соответствие аминокислоты коду триплета иРНК обеспечивается транспортной РНК.

Для каждой аминокислоты существует своя тРНК, один из триплетов которой комплементарен строго определённому триплету иРНК. Точно так же каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий её к тРНК. После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы — молекулы иРНК. Молекула иРНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, как и рибосома. В целом процесс перевода информации, заключённой в последовательности нуклеотидов в ДНК, в последовательность аминокислот в белке показан на рисунке 5.

Описание синтеза белков дано здесь очень упрощённо. На самом деле этот процесс чрезвычайно сложен и связан с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии.

Поразительная сложность системы биосинтеза и её высокая энергоёмкость обеспечивают высокую точность и упорядоченность синтеза полипептидов.

Вопросы для повторения и задания

  1. Что такое ассимиляция?
  2. Составьте и заполните таблицу «Основные свойства генетического кода и их значение».
  3. Объясните, почему рибосома перемещается по иРНК не плавно, а прерывисто, по триплетам.
  4. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
  5. В какой части клетки происходит синтез белка?
  6. Обсудите в классе, почему биосинтез белка считают одной из важнейших форм пластического обмена.
  7. Приведите ещё примеры биологических реакций, которые можно отнести к пластическому обмену. Объясните свой выбор.

4. Энергетический обмен. Способы питания

Вспомните! • Брожение • Дыхание • Нитрифицирующие бактерии • Фотосинтез • Хемосинтез • Фототрофы • Хемотрофы • Митохондрии

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция — совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют ещё энергетическим обменом клетки.

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключённой в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов: .

Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается, в богатых энергией фосфатных связях аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Именно АТФ обеспечивает энергией все клеточные функции: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.

Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоёмка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж, а не 12 кДж энергии, как при разрыве обычных химических связей. Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии и расходовать её по мере надобности. Синтез АТФ осуществляется главным образом в специальных органоидах клетки — митохондриях (см. § 6, рис. 11). Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы жизнедеятельности.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап — подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы — глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот — на нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап — бескислородный, осуществляющийся в цитоплазме клеток. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению.

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение).

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.

В мышцах в результате анаэробного (бескислородного) дыхания одна молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена — стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления, реакции которой также катализируются ферментами. При доступе кислорода образовавшиеся в клетке во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов — Н20 и С02. Это сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией её в молекулах АТФ — при окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Способы питания. В процессе питания организмы получают химические соединения, используемые в дальнейшем для всех процессов жизнедеятельности. По способу получения органических веществ, т. е. по способу питания, все организмы делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофы — это организмы, которые способны сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде С02, воду и минеральные соли. К ним относятся некоторые бактерии и все зелёные растения.

В зависимости от того, какой источник энергии автотрофные организмы используют для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы. Для фототро-фов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях.

Зелёные растения — фототрофы. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез — преобразование световой энергии в энергию химических связей. Происходит это следующим образом. Кванты света — фотоны — взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбуждённое» состояние. Стремясь вернуться в исходное состояние, молекулы хлорофилла отдают эту избыточную энергию, которая частично переходит в тепловую. Другая часть избыточной энергии запасается в виде АТФ, т. е. накапливается энергия, необходимая для дальнейших реакций.

В водном растворе всегда присутствуют ионы водорода (Н+) и гидроксид-ионы (ОН-). Часть избыточной энергии возбуждённых молекул хлорофилла тратится на превращение ионов Н+ в атомы водорода, которые активно соединяются со сложными органическими соединениями — переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН” отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород:

4OН —> O2 + 2Н2O.

Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является фотолиз — разложение воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды, энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путём накапливается энергия, необходимая для процессов связывания С02. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Некоторые бактерии, лишённые хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию химической реакции неорганических веществ. Преобразование энергии химических реакций в химическую энергию синтезируемых органических соединений называют хемосинтезом. К группе автотрофов-хемосинтетиков (хемотрофов) относятся нитрифицирующие бактерии. Некоторые из них используют энергию окисления аммиака в азотистую кислоту, другие — энергию окисления азотистой кислоты в азотную. Известны хемосинтетики, окисляющие двухвалентное железо до трёхвалентного или сероводород до серной кислоты. Фиксируя атмосферный азот, переводя нерастворимые минералы в форму, пригодную для усвоения растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Организмы, не способные сами синтезировать органические вещества из неорганических, нуждаются в поступлении их из окружающей среды. Эти организмы называют гетеротрофными. К ним относят большинство бактерий, грибы и всех животных.

Вопросы для повторения и задания

  1. Что такое диссимиляция?
  2. Изобразите схематично этапы энергетического обмена.
  3. В чём заключается роль АТФ в клетке?
  4. В каких структурах клетки осуществляется синтез АТФ?
  5. Сравните известные вам типы питания организмов.
  6. Какие организмы называют автотрофными? На какие группы делят автотрофные организмы?
  7. Почему в результате фотосинтеза у зелёных растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
  8. Объясните, почему, несмотря на то что в процессе фотосинтеза синтезируется АТФ, фотосинтез относят к пластическому обмену.
  9. Что такое хемосинтез? Расскажите о значении хемосинтезирующих бактерий в природе.
  10. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.

Глава 4. Строение и функции клеток

Различные структуры живой клетки, выполняющие ту или иную функцию, подобно органам целого организма, получили название органоидов или органелл. По строению клетки биологи делят все живые существа на «доядерные» организмы — прокариоты и «ядерные» — эукариоты. В группу прокариот попали все бактерии и синезелёные водоросли (цианеи), а в группу эукариот — грибы, растения и животные.

Таким образом, в настоящее время выделяют два уровня клеточной организации и соответственно два крупных типа клеток: прокариотический и эукариотический.

Прокариотические организмы сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное надцарство.

5. Прокариотическая клетка

Вспомните! • Клеточная мембрана • Клеточная стенка • Спорообразование • Аэробы и анаэробы

Пример типичных прокариотических клеток являют собой бактерии. Они живут повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах. Схема строения клетки бактерий представлена на рисунке 7.

Размеры бактерий от 1 до 10—15 мкм. По форме выделяют шаровидные клетки (кокки), вытянутые (палочки, или бациллы) и извитые (спириллы) (рис. 8). Некоторые бактерии существуют в виде отдельных клеток, другие образуют скопления.

Бактериям-аэробам для жизнедеятельности необходим кислород, анаэробы живут при отсутствии кислорода, а некоторые бактерии способны существовать и в тех, и в других условиях. Многие бактерии паразитируют в организме животных или растений, вызывая у них заболевания. Есть бактерии-фотосинтетики, другие обеспечивают процессы гниения и брожения.

Основная особенность строения бактерий — отсутствие ядра. Наследственная информация у них представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в цитоплазме. ДНК у бактерий не образует комплексов с белками, и поэтому все гены, входящие в состав хромосомы, «работают», т. е. с них непрерывно считывается информация. Бактериальная клетка окружена мембраной, поверх которой расположена клеточная стенка. В цитоплазме находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков.

Ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, находятся в цитоплазме или расположены на внутренней поверхности мембраны.

У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества — полисахариды, жиры. Эти вещества, включаясь в обменные процессы, могут обеспечивать жизнедеятельность клетки при отсутствии внешних источников энергии.

Обычно бактерии размножаются делением надвое.

Бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, как правило, при неблагоприятных условиях, когда ощущается недостаток в питательных веществах или когда в среде в избытке накапливаются продукты обмена. Спорообразование начинается с того, что клетка теряет часть воды и внутри неё обособляется часть цитоплазмы. Эта часть содержит кольцевую ДНК и окружена мембраной и толстой клеточной стенкой (рис. 9). Споры бактерий очень устойчивы. В сухом состоянии они сохраняют жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет, выдерживая резкие колебания температуры. При наступлении благоприятных условий спора даёт начало новой бактериальной клетке.

Следует помнить, что споры у бактерий, в отличие от грибов и растений, служат не для размножения, а для переживания неблагоприятных условий.

Вопросы для повторения и задания

  1. По какому признаку все живые организмы делят на две группы — прокариоты и эукариоты? В чём их принципиальные отличия?
  2. Какие организмы относят к прокариотам?
  3. Изобразите схематично строение бактериальной клетки.
  4. В чём сущность и биологический смысл процесса спорообразования у бактерий? Чем споры бактерий отличаются от спор растений?
  5. Назовите известные вам бактериальные заболевания. Как передаются эти заболевания? Какие меры профилактики помогают избежать заражения?
  6. Почему бактерии считают самыми древними обитателями Земли? Ответ обоснуйте.

6. Эукариотическая клетка. Цитоплазма

Вспомните! • Одноклеточные организмы • Многоклеточные организмы • Клеточная мембрана •Полупроницаемость • Органоиды • Пиноцитоз • Фагоцитоз

Эукариотические клетки самых разнообразных организмов — от простейших (корненожки, жгутиковые, инфузории и др.) до грибов, высших растений и животных — отличаются формой, размерами и особенностями строения (рис. 10). Типичной клетки в природе не существует, но у тысяч различных типов клеток можно выделить общие черты строения (рис. 11).

В растительной клетке есть все органоиды, свойственные и животной клетке: ядро, эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она отличается от животной клетки существенными особенностями строения: 1) прочной клеточной стенкой; 2) особыми органоидами — пластидами, в которых происходит первичный синтез органических веществ за счёт энергии света; 3) развитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток.

Каждая клетка состоит из двух важнейших, неразрывно связанных между собой частей — цитоплазмы и ядра, окружённых наружной мембраной.

Цитоплазма. В цитоплазме находится целый ряд структур (ор-ганелл, или органоидов), каждая из которых отличается особенностями строения и выполняет определённую функцию. Есть органоиды, свойственные всем клеткам, — митохондрии, клеточный центр, аппарат Гольджи, рибосомы, эндоплазматическая сеть, лизосомы. Другие органоиды встречаются только в клетках определённого типа — миофибриллы, реснички и т. д.

В цитоплазме откладываются также различные вещества — их называют включениями. Это непостоянные структуры цитоплазмы (а иногда и ядра), которые, в отличие от органоидов, то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Плотные включения называют гранулами. В процессе жизнедеятельности в клетках накапливаются продукты обмена веществ (пигменты, белковые гранулы в секреторных клетках) или запасные питательные вещества (глыбки гликогена, капли жира).

В основе структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения. Все мембраны клетки имеют сходное строение. Они образованы двумя рядами фосфолипидов, в которые на разную глубину с наружной и внутренней стороны погружены многочисленные и разнообразные молекулы белков.

Наружная цитоплазматическая мембрана отграничивает содержимое цитоплазмы от внешней среды. Поверхность живой клетки находится в непрерывном движении: на ней возникают выросты и впячивания, она совершает волнообразные колебательные движения, в ней постоянно перемещаются макромолекулы.

Поверхность клетки обладает высокой прочностью и эластичностью, легко и быстро восстанавливает свою целостность при небольших повреждениях. Однако цитоплазматическая мембрана несплошная: она пронизана многочисленными мельчайшими отверстиями — порами, через которые с помощью ферментов внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы. К тому же они могут попадать в клетку и непосредственно через мембрану, причём это не пассивная диффузия, а активный избирательный процесс, требующий затрат энергии.

Клеточная мембрана легко проницаема для одних веществ и непроницаема для других. Так, концентрация ионов К’ в клетке всегда выше, чем в окружающей среде. Напротив, ионов Na+ всегда больше в межклеточной жидкости. Избирательная проницаемость клеточной мембраны носит название полупроницаемости.

Помимо указанных двух способов, химические соединения и твёрдые частицы могут проникать в клетку путём пино- и фагоцитоза (рис. 12). Мембрана клеток образует выпячивания, края выпячиваний смыкаются, захватывая межклеточную жидкость (пиноцитоз) или твёрдые частицы (фагоцитоз).

Цитоплазматическая мембрана выполняет ещё одну функцию обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточных организмов: во-первых, путём образования многочисленных складок и выростов, во-вторых, за счёт выделения клетками вещества, заполняющего межклеточное пространство.

У растительной клетки, в отличие от животной, снаружи от цитоплазматической мембраны расположена толстая, состоящая из целлюлозы клеточная стенка.

Клетки грибов, как и растений, окружены клеточной стенкой, но она образована не целлюлозой, а хитиноподобным веществом.

Эндоплазматическая сеть — это сложная система мембран, пронизывающая цитоплазму всех эукариотических клеток; у прокариот её нет.

Различают два вида эндоплазматической сети: гладкую и шероховатую. Одной из функций гладкой эндоплазматической сети является синтез липидов и углеводов. Особенно обильно гладкая эндоплазматическая сеть представлена в клетках сальных желёз (синтез жиров), в клетках печени (синтез гликогена), в клетках, богатых запасными питательными веществами (семена растений).

На каналах шероховатой эндоплазматической сети расположены рибосомы, синтезирующие белок.

Таким образом, эндоплазматическая сеть — общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а в мембраны этих каналов встроены многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки.

Соседние растительные клетки сообщаются друг с другом посредством каналов эндоплазматической сети, которые переходят из клетки в клетку по цитоплазматическим тяжам через поры в клеточной стенке.

Рибосомы представляют собой тельца, состоящие из двух субъединиц (см. рис. 5, 6). В рибосомах примерно равное количество белка и РНК. Рибосомальная РНК (рРНК) синтезируется в ядре на молекуле ДНК в зоне ядрышка. Там же формируются рибосомы, которые затем покидают ядро.

В цитоплазме рибосомы могут располагаться свободно или прикрепляться к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. Рибосомы есть во всех клетках, как прокариотических, так и эукариотических.

Основной структурный элемент комплекса (аппарата) Гольджи — гладкая мембрана, которая образует пакеты уплощённых цистерн, крупные вакуоли или мелкие пузырьки (см. рис. 11).

Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу Гольджи, конденсируются внутри его структур и «упаковываются» в виде секрета, готового к выделению, либо используются в самой клетке в процессе её жизнедеятельности.

Лизосомы (от греч. лизис — расщепление) — небольшие мембранные пузырьки, которые образуются в основном в комплексе Гольджи (рис. 13). Они заполнены пищеварительными ферментами, способными расщеплять различные вещества. Они приближаются к пиноцитозным или фагоцитозным вакуолям и сливаются с ними (см. рис. 12). Кроме того, лизосомы могут разрушать структуры самой клетки при их старении, в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена зародышевых тканей на постоянные (см. с. 72), и в ряде других случаев.

Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках одноклеточных и многоклеточных организмов. Такое распространение митохондрий в животном и растительном мире указывает на важную роль, которую они играют в клетке.

Число митохондрий в разных тканях неодинаково и зависит от активности клетки: их больше там, где интенсивнее синтетические процессы (печень) или велики затраты энергии. Так, в грудной мышце у летающих птиц содержание митохондрий значительно выше, чем у нелетающих.

Стенка митохондрии состоит из двух мембран: наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует складки, или кристы. На мембранах крист располагаются многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Основная функция митохондрий — синтез универсального источника энергии — АТФ.

Пластиды — органоиды растительных клеток. В них происходит первичный синтез углеводов из неорганических веществ. Различают три вида пластид: 1) лейкопласты — бесцветные пластиды, в которых из моносахаридов и дисахаридов синтезируется крахмал (есть лейкопласты, запасающие белки или жиры); 2) хлоропласты — зелёные пластиды, содержащие пигмент хлорофилл, где осуществляется фотосинтез; 3) хромопласты, включающие различные пигменты из группы каротиноидов, обусловливающих яркую окраску цветков и плодов. Пластиды могут превращаться друг в друга. Пластиды содержат собственные ДНК и РНК, способные синтезировать белки, и размножаются делением надвое.

Вакуоли растительных клеток — это мембранные органоиды. Они образуются из цистерн эндоплазматической сети. Вакуоли содержат в растворённом виде белки, углеводы, низкомолекулярные продукты синтеза, витамины, различные соли. Осмотическое давление, создаваемое растворёнными в вакуолярном соке веществами, приводит к тому, что в клетку поступает вода, которая обусловливает тургор — напряжённое состояние клеточной стенки. Это обеспечивает прочность растений к статическим и динамическим нагрузкам.

Клеточный центр состоит из двух маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Эти тельца называют центриолями (см. рис. 11). Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении: перед началом деления центриоли расходятся к полюсам клетки и удваиваются. Затем от центриолей начинается рост веретена деления. В растительных клетках центриолей нет, и веретено деления образуется без их участия.

Цитоскелет. Одной из отличительных особенностей эукариотической клетки является наличие в её цитоплазме скелетных образований в виде микротрубочек и пучков белковых волокон. Опорные элементы цитоплазмы определяют форму клетки, обеспечивают движение внутриклеточных структур и перемещение всей клетки.

Вопросы для повторения и задания

  1. Изобразите схематично строение эукариотической клетки. Обозначьте её основные части и органоиды.
  2. Составьте и заполните таблицу «Органоиды эукариотической клетки и их функции».
  3. Что такое включения? Чем включения отличаются от органоидов?
  4. Сравните принципиальное строение растительной и животной клеток. В чём их сходство и отличия?
  5. Выскажите предположение, какие органоиды эукариотической клетки называют полуавтономными. Почему они получили такое название?
  6. Приведите доказательства, что клетка представляет собой целостную систему, т. е. такую систему, в которой строение и функции каждой её части зависят от других частей.

7. Эукариотическая клетка. Ядро

Вспомните! • Доядерные клетки • Генетическая информация • Хромосома • ДНК • Ядрышко

Ядро — важнейшая составная часть клетки грибов, растений и животных. Клеточное ядро содержит ДНК, т. е. гены, и благодаря этому выполняет две главные функции: 1) хранение и воспроизведение генетической информации и 2) регуляцию процессов обмена веществ, протекающих в клетке.

Эукариотическая клетка без ядра обречена на гибель, и ядро тоже не способно к самостоятельному существованию, поэтому цитоплазма и ядро образуют взаимозависимую систему.

Как правило, клетки содержат одно ядро. Однако можно наблюдать и 2—3 ядра в одной клетке, например в клетках печени.

Известны и многоядерные клетки, причём число ядер может достигать нескольких десятков. Форма ядра зависит большей частью от формы клетки, она может быть и совершенно неправильной.

Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двух мембран. Ядерная мембрана со стороны, обращённой в цитоплазму, покрыта рибосомами, внутренняя мембрана ядра гладкая. Ядерная оболочка — часть мембранной системы клетки. Выросты внешней ядерной мембраны соединяются с каналами эндоплазматической сети, образуя единую систему сообщающихся каналов. Между ядром и цитоплазмой осуществляется постоянный обмен веществами (рис. 14).

Несмотря на активный обмен между ядром и цитоплазмой, ядерная оболочка отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы, обеспечивая тем самым различия в их химическом составе. Это необходимо для нормального функционирования ядерных структур.

В гелеобразном ядерном соке располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек.

В живой клетке ядерный сок выглядит бесструктурной массой, заполняющей промежутки между структурами ядра. В состав ядерного сока входят различные белки (в том числе большинство ферментов ядра), свободные нуклеотиды, аминокислоты, а также рибонуклеиновые кислоты (РНК), транспортируемые затем из ядра в цитоплазму.

Хроматином (от греч. хрома — окраска, цвет) называют комплекс ДНК и белков, интенсивно окрашивающийся некоторыми красителями и отличающийся по форме от ядрышка. В делящихся клетках молекулы ДНК сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактные размеры и форму. Такое компактное состояние ДНК называют хромосомами.

Форма хромосом зависит от положения так называемой первичной перетяжки, или центромеры, — области, к которой во время деления клетки (митоза) прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосому на два плеча, которые могут быть одинаковой или разной длины (рис. 15).

Изучение хромосом позволило установить следующие факты.

  1. Во всех соматических клетках любого растительного или животного организма число хромосом одинаково.
  2. Половые клетки любого вида организмов всегда содержат вдвое меньше хромосом, чем соматические клетки.
  3. У всех организмов, относящихся к одному виду, количество хромосом в клетках одинаково.

Число хромосом не зависит от уровня организации вида и не всегда указывает на его родственные связи: число их может быть одинаковым у представителей очень далёких друг от друга систематических групп — и может сильно различаться у близких по происхождению видов.

Совокупность количественных (число и размеры) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки называют кариотипом (рис. 16).

Число хромосом в кариотипе большинства видов живых организмов чётное. Это объясняется тем, что в каждой соматической клетке находятся две одинаковые по форме и размеру хромосомы: одна — из отцовского организма, вторая — из материнского.

Хромосомы, одинаковые по форме и размеру и несущие одинаковые гены, называют гомологичными. Хромосомный набор соматической клетки, в котором каждая хромосома имеет себе пару, носит название двойного (или диплоидного) и обозначается 2n. Из каждой пары гомологичных хромосом в половые клетки попадает только одна хромосома, поэтому хромосомный набор гамет называют одинарным (или гаплоидным) и обозначают In.

После завершения деления клетки хромосомы вновь де-спирализуются и перестают быть видимыми в световой микроскоп.

Третья характерная для ядра клетки структура — ядрышко. Оно представляет собой плотное тельце, погружённое в ядерный сок (см. рис. 11). Ядрышки есть только в неделящихся ядрах, во время митоза они исчезают, а после завершения деления возникают вновь.

Ядрышко не является самостоятельной структурой ядра. Оно образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рибосомальной РНК (рРНК). В нём содержится большое число молекул рРНК. В зоне ядрышка происходит также формирование субъединиц рибосом, которые потом перемещаются в цитоплазму. Таким образом, ядрышко — это скопление рРНК и рибосом на разных этапах формирования.

Вопросы для повторения и задания

  1. Опишите строение ядра эукариотической клетки.
  2. Что такое ядрышко? Как вы считаете, можно ли ядрышко выделить из ядра как самостоятельную единую структуру? Объясните свою точку зрения.
  3. Что такое хроматин? Опишите строение и состав хромосомы.
  4. Как соотносится число хромосом в соматических и половых клетках? Почему число хромосом в половых клетках должно быть вдвое меньше, чем в соматических?
  5. Какие хромосомы называют гомологичными?
  6. Что такое кариотип?
  7. Вспомните строение ДНК бактерий. Выберите критерии и сравните наследственный материал про- и эукариотических клеток.
  8. Используя рисунок 14, расскажите, как осуществляется обмен веществами между ядром и цитоплазмой.
  9. Используя дополнительные источники информации, приведите примеры числа хромосом у разных видов живых организмов. Сделайте вывод, зависит ли степень сложности организации вида от числа хромосом.
  10. Согласны ли вы с утверждением, что ядро является важнейшей частью клетки? Ответ обоснуйте.

8. Деление клеток

Вспомните! • Poсm и развитие • Генетическая информация • Биосинтез • Хроматиды • Веретено деления • Центриоли

Жизненный цикл клетки. Митотический цикл клетки. В многоклеточном организме клетки специализированы, т. е. имеют строго определённые строение и функции. В соответствии со специализацией клетки обладают разной продолжительностью жизни. Например, нервные и мышечные клетки после завершения эмбрионального периода развития перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма. Другие — клетки костного мозга, эпидермиса, эпителия тонкого кишечника — в процессе осуществления своей специфической функции быстро погибают, и поэтому в этих тканях клетки непрерывно размножаются.

Промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до её гибели или до следующего деления представляет собой жизненный цикл клетки. В это время клетка растёт, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов. В тех тканях, где клетки непрерывно делятся (костный мозг, эпителий кишки и др.), у части из них жизненный цикл совпадает с митотическим циклом.

Митотическим циклом называют совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению, а также на протяжении самого митоза (рис. 17).

Синтез ДНК. Из рисунка 17 видно, что после завершения митоза клетка может вступить в период подготовки к синтезу ДНК (G:). В это время в клетке усиленно образуются РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в биосинтезе. Затем клетка приступает к синтезу ДНК или её редупликации — удвоению. Две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новой цепи ДНК (рис. 18). В результате каждая из двух дочерних молекул ДНК включает одну старую спираль и одну новую. Удвоение молекул ДНК происходит с удивительной точностью: новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий биологический смысл, потому что нарушение структуры ДНК, приводящее к искажению генетического кода, сделало бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей развитие присущих организму признаков.

Продолжительность синтеза ДНК — S-фазы митотического цикла — в разных клетках неодинакова: от нескольких минут у бактерий до 6—12 ч в клетках млекопитающих.

После завершения S-фазы клетка, как правило, не сразу начинает делиться (см. рис. 17). По окончании синтеза ДНК происходит подготовка клетки к митозу (G2). Для осуществления митоза, кроме удвоения ДНК, необходимы и другие подготовительные процессы, в том числе удвоение центриолей, синтез белков, из которых строится веретено деления, завершение роста клетки.

Митоз состоит из четырёх фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы (рис. 19, 20).

В профазе увеличивается объём ядра, хромосомы, спирали-зуясь, становятся видимыми, центриоли расходятся к полюсам клетки. В результате спирализации хромосом считывание генетической информации с ДНК становится невозможным, и синтез РНК прекращается. Между полюсами начинают образовываться нити веретена деления — аппарата, обеспечивающего расхождение хромосом к полюсам клетки. В конце профазы ядерная оболочка исчезает. На протяжении профазы продолжается спирали-зация хромосом, которые утолщаются и укорачиваются. После распада ядерной оболочки хромосомы свободно и беспорядочно лежат в цитоплазме.

В метафазе спирализация хромосом достигает максимума; укороченные хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Сами хромосомы в этот период состоят из двух сестринских хроматид, соединённых только в области центромеры. Митотическое веретено уже полностью сформировано. Его нити присоединяются к центромерам хромосом.

В анафазе центромера каждой из хромосом разделяется, и с этого момента хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами. Нити веретена, прикреплённые к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных ещё в интерфазе хромосом становятся самостоятельными хромосомами и расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом. Завершается митоз телофазой. Хромосомы, собравшиеся у полюсов, деспирализуются и становятся плохо видимыми. Из мембранных структур эндоплазматической сети цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В клетках животных цитоплазма делится путём перетяжки тела клетки на две меньших размеров, каждая из которых содержит один диплоидный набор хромосом. В клетках растений цитоплазматическая мембрана возникает в середине клетки и распространяется к периферии, разделяя клетку пополам. После образования поперечной цитоплазматической мембраны у растительных клеток появляется целлюлозная стенка.

В митотическом цикле клетки митоз — относительно короткая стадия, продолжающаяся обычно от 0,5 до 3 ч. Все дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз — это способ деления клеток, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

Биологическое значение митоза огромно. Постоянство строения и правильность функционирования органов и тканей многоклеточного организма были бы невозможны без сохранения одинакового набора генетического материала в бесчисленных клеточных поколениях. Митоз обеспечивает такие важные моменты жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей после повреждения, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования (замещение погибших эритроцитов, слущивающихся клеток кожи, эпителия кишечника и пр.).

Вопросы для повторения и задания

  1. Что такое жизненный цикл клетки?
  2. Чем митотический цикл клетки отличается от жизненного цикла?
  3. Почему при подготовке к делению клетки обязательно должно произойти удвоение молекул ДНК?
  4. В чём заключается подготовка клетки к митозу?
  5. Составьте и заполните таблицу «Фазы митоза».
  6. Объясните, почему в клетках растений и в клетках животных деление цитоплазмы происходит по-разному.
  7. Вместе с товарищами по классу сделайте коллаж «Значение митоза в природе».

9. Клеточная теория строения организмов

Вспомните! • Теория • Гипотеза • Постулат • Аксиома • Неклеточные формы жизни

Как вам уже известно, клетка служит основой строения всех живых организмов: растений, животных, грибов и микроорганизмов. Для прокариот и простейших, низших грибов и некоторых водорослей понятия «клетка» и «организм» совпадают. Можно сказать, что клетка — это элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию.

Такое представление о клетке установилось в науке не сразу. Сама клетка (точнее, клеточная оболочка) была открыта в XVII в. английским физиком Р. Гуком. Рассматривая под микроскопом срез пробки, Гук обнаружил, что она состоит из ячеек, разделённых перегородками. Эти ячейки он назвал клетками. Долгое время главной частью клетки считали её оболочку. Лишь в XIX в. учёные обратили внимание на полужидкое студенистое содержимое, заполняющее клетку. В 1831 г. английский ботаник Б. Броун обнаружил в клетках ядро. Это открытие послужило важной предпосылкой для установления сходства между клетками растений и животных. Ботаник М. Шлейден доказал, что ядро есть в любой растительной клетке.

В конце 30-х гг. XIX в. зоолог Т. Шванн, обобщив накопленные сведения о строении живых организмов, пришёл к заключению, что клетка — их главная структурная единица и что именно образование клеток обусловливает рост и развитие тканей.

Клеточная теория строения была сформулирована и опубликована Т. Шванном в 1839 г. Она сыграла огромную роль в развитии биологии. Исчезла казавшаяся непроходимой пропасть между царством растений и царством животных. Провозглашая единство живого мира, клеточная теория послужила одной из предпосылок возникновения теории эволюции Ч. Дарвина.

Позднее клеточная теория была развита многими учёными. Немецкий врач Р. Вирхов доказал, что вне клеток нет жизни, что главная составная часть клетки — ядро и что клетки образуются только от клеток. Дальнейшее совершенствование микроскопической техники, создание электронного микроскопа и появление методов молекулярной биологии позволили глубже проникнуть в тайны клетки, познать её сложную структуру и многообразие протекающих в ней биохимических процессов.

В настоящее время основные положения клеточной теории можно сформулировать следующим образом:

  • 1) клетка является структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов;
  • 2) все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности;
  • 3) клетки образуются только делением предшествующих им клеток;
  • 4) клеточное строение организмов — свидетельство того, что всё живое имеет единое происхождение.

Неклеточные формы жизни — вирусы и бактериофаги — устроены проще, чем клетки даже самых примитивных бактерий. Их организацию вы изучили в предыдущих курсах биологии.

Вопросы для повторения и задания

  1. Подготовьте сообщение или презентацию «История открытия клетки».
  2. Изложите основные положения современной клеточной теории.
  3. Согласны ли вы с утверждением, что клеточная теория не могла быть создана одним человеком, её появление — результат труда многих поколений учёных? Объясните свою точку зрения.
  4. Почему существование неклеточной формы жизни — вирусов — не противоречит основным положениям клеточной теории?
  5. Почему создание клеточной теории зависело от развития и совершенствования техники?

 

ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов


Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Раздел 1. Структурная организация живых организмов. Электронная версия. Цитаты использованы в учебных целях.

1. Структурная организация живых организмов
5 (100%) 1 vote[s]

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *