2. Введение в цитологию 2.1. Предмет и задачи цитологии Естественные науки, изучающие объекты и явления природы, - неотъемлемая часть культуры современного человека. Это целый комплекс научных знаний: науки о Земле (геология, география, минералогия), о физических, химических, биологических системах и процессах (физика, химия, биология), о космосе (астрономия, космология). Каждая из этих естественных наук исследует, раскрывает закономерности объективного мира, позволяющие предсказывать ход событий, происходящих в природе. Люди проявляют особый интерес к живому. С незапамятных времён человек пытался проникнуть в тайны живой природы, разгадать загадку жизни. Этот интерес и послужил основой для возникновения биологии – науки о жизни, её формах, закономерностях существования и развития. Объекты изучения биологии – живые тела природы, или организмы. Первые шаги на пути познания организмов были сделаны в древних цивилизациях Месопотамии и Египта, Греции и Рима. Тогда же зародились первые биологические науки – ботаника и зоология. В это же время стала развиваться и медицина. С изобретением микроскопа сформировались новые биологические дисциплины – микробиология и цитология. Биология сделала резкий качественный скачок в своем развитии. Стали всё больше изобретать специальное оборудование для изучение не только самих организмов, но и процессов внутри них. Современная биология вышла на передовые рубежи среди естественных наук и представляет собой комплексную систему знаний. Таким образом, современная биология берёт начало в цитологии. Цитология – раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии. Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. В настоящее время учение о клетке является во многих отношениях центральным объектом биологических исследований. Предпосылкой для открытия клетки явилось изобретение микроскопа и его использование для исследования биологических объектов. Первый световой микроскоп сконструировали в Голландии в 1590 году два брата, Ганс и Захариус Янссены, шлифовальщики линз. Долгое время микроскоп использовался как забава, игрушка для развлечения знатных особ. Первые упоминания о клетке появились в XVII веке, когда в 1665 году английский ученый Роберт Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что она состоит из ячеек или полостей, напоминающих пчелиные соты, которые он назвал клетками (от греч. kytos – полость, лат. – cellula). Об открытии клеток Гук написал в своей книге «Микрография»: «Взяв кусочек чистой светлой пробки, я отрезал от него острым как бритва перочинным ножом очень тонкую пластинку. Когда затем я поместил этот срез на предметное стекло и стал разглядывать его под микроскопом, направив свет с помощью зеркала, я очень ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами. Эти поры были не слишком глубокими, а состояли из очень многих маленьких ячеек, вычлененных из одной длинной непрерывной поры особыми перегородками. Такое строение свойственно не одной только пробке. Я рассматривал при помощи своего микроскопа сердцевину бузины и различных деревьев, а также внутреннюю мякоть стебля тростника, некоторых овощей и других растений: фенхеля, моркови, лопуха, папоротника и т. п. И обнаружил у них всех тот же план строения, что и у пробки». Термин «клетка» утвердился в биологии, несмотря на то, что Роберт Гук наблюдал, в действительности, не клетки, а только целлюлозные оболочки растительных клеток. Кроме того, клетки не являются полостями. В дальнейшем клеточное строение многих частей растений видели и описали М. Мальпиги, Н. Грю, а также А. Левенгук (на рисунке – микроскоп Левенгука и метод работы с ним). Предметом изучения для цитологии и в наши дни является клетка как структурная и функциональная единица жизни. В задачи цитологии входит изучение строения и функционирования клеток, их химического состава, функций отдельных клеточных компонентов, познание процессов воспроизведения клеток, приспособления к условиям окружающей среды, исследование особенностей строения специализированных клеток, этапов становления их особых функций, развития специфических клеточных структур и др. 3. Химический состав клеток 3.1. Неорганические вещества Все клетки сходны по своему химическому составу. Они образованы теми же химическими элементами, что и различные объекты неживой природы, но соотношение этих элементов неодинаковое. Основу организмов составляют четыре элемента – кислород, углерод, водород и азот. Содержание в земной коре каждого из этих элементов, за исключением кислорода, незначительно – менее 1%. В организмах на долю этих элементов приходится более 95%. Из всех известных химических элементов в организмах встречаются примерно 60, а наиболее распространены почти 20. Элементы, входящие в состав организмов, называют элементами-биогенами. Их атомы имеют относительно малые радиусы и атомную массу, способны образовывать прочные ковалентные связи. Этими свойствами объясняется их биологическое значение. По процентному содержанию в клетках биогены можно разделить на три группы. Макроэлементы: на их долю приходится основная масса клетки – почти 99%, из них состоят биополимеры. Микроэлементы: их количество колеблется от 0,! До 0,001%, они участвуют в основных физиологических процессах. Ультрамикроэлементы: менее 0,001%, некоторые из них могут присутствовать иногда только в следовых количествах – тяжелые металлы и радионуклиды. Из неорганических веществ в клетке наибольшее значение имеет вода. Её содержание колеблется от 60 до 98 % в зависимости от типа клеток. Иногда, например, в старых клетках костной ткани, содержание может опускаться до 11%. Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило её исключительное значение. Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, высокими температурами плавления и кипения. Благодаря высокой теплопроводности воды тепло быстро и равномерно распределяется по всему объему воды, находящейся в клетках, что препятствует их перегреванию в отдельных точках. При испарении воды происходит охлаждение поверхности. Это связано с тем, что для испарения необходима дополнительная энергия, способная разрушить водородные связи. Вода – универсальный полярный растворитель. Вещества, имеющие полярное или ионное строение (соли, кислоты, простые углеводы), хорошо растворимы в воде, и их называют гидрофильными. Неполярные веществ, такие как парафины, жиры, масла, в воде не растворимы, их называют гидрофобными. В клетке различают воду свободную (90%) и связанную (примерно 10%). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и клеточных органоидов, она никогда не теряется живой клеткой. Свободная вода является средой, а также участником многих химических реакций, протекающих в клетке. Водные растворы веществ составляют основу цитоплазмы. Вода определяет объём и тургор клетки и тканей. Тургор – это напряженное состояние плазматической мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, которая на 70-90% состоит из воды. Минеральные вещества в клетках присутствуют в виде ионов и твёрдых нерастворимых солей. Нерастворимые соли представлены в основном фосфатами и карбонатами, входящими в состав костей, зубов, раковин, панцирей и т.п. Растворимые ионы придают внутренней среде клетки определённую кислотно-щелочную реакцию, активизируют синтез ферментов. 3.2. Органические вещества Четыре главных элемента-биогена – углерод, водород, кислород и азот – входят в состав основных органических компонентов клетки. Ведущая роль в образовании этих веществ принадлежит углероду. В организмах образуются органические соединения с разной молекулярной массой. Низкомолекулярные органические соединения содержат до 30 атомов углерода и имеют молекулярную массу от 100 до 1000. Они являются промежуточными соединениями или структурными звеньями – мономерами – макромолекул. Молекулярная масса последних может превышать несколько миллионов. Такие высокомолекулярные соединения чаще всего представляют собой полимеры, состоящие из повторяющихся структурных звеньев. Если мономеры одинаковые, то такие полимеры называют периодическими или регулярными. Если мономеры разные, то такие полимеры называют непериодическими или нерегулярными. К мономерам в организмах относят аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др. Существует огромное количество аминокислот, однако в организмах встречаются около 170 видов, а в состав белков входят только 20. Не всегда в белке можно обнаружить все 20 видов аминокислот. Белки каждого организма строго специфичны и имеют различное количество аминокислот и порядок их чередования, обусловливающий функции белка. Аминокислоты – это органические вещества, содержащие в молекуле карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH2), связанные с одним и тем же атомом углерода. Из-за этого аминокислоты имеют двойственную природу – это амфотерные вещества, способные проявлять кислотные и основные свойства. Амфотерность является важным в биологическом отношении свойством. В клетках аминокислоты способны действовать как буферные системы – препятствовать изменению рН среды, присоединяя или отщепляя ионы водорода. Особенности строения аминокислот (наличие дополнительных карбоксильных и аминогрупп, атомов серы) влияют на структуру, физические и химические свойства белков, определяют их биологические функции. Известно, что некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме животных и человека. Но они необходимы для построения белков и должны поступать в организм в готовом виде с пищей. Такие аминокислоты называют незаменимыми. В растениях синтезируются все аминокислоты, но растительные белки чаще всего не содержат одновременно все незаменимые кислоты. Белки, в которых отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, называют неполноценными. Аминокислоты, соединённые друг с другом пептидной связью, образуют длинные полимеры – белки, которые иначе называют полипептидами. Белки, или протеины, – это непериодические полимеры с большой молекулярной массой, мономерами которых являются аминокислоты. Количество аминокислот в одной молекуле может колебаться от 3-5 (у низкомолекулярных пептидов) до нескольких тысяч. Кроме аминокислот в состав белков могут входит небелковые компоненты, содержащие комплексы металлов и органических веществ. Белки имеют несколько структурных уровней организации, которые обеспечивают их существование и определяют функции. Первичная структура белка – это число и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, связанных пептидной связью. Эта последовательность определяется наследственной программой, поэтому белки каждого организма строго специфичны. Впервые аминокислотная последовательность была расшифрована для белка инсулина – гормона, который регулирует содержание сахара в организме. Исследования проводились в Кембриджском университете Фредериком Сэнгером и заняли 10 лет, с 1944 по 1954г. За это открытие учёный был удостоен Нобелевской премии. Вторичная структура белка – это определенная компоновка полипептидной цепи за счет водородных связей, возникающих между СО- и NH-группами. Третичная структура – это пространственная конфигурация белка в виде компактных глобул. Она поддерживается за счет взаимодействия между радикалами аминокислот: ковалентных дисульфидных мостиков, ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий. Благодаря третичной структуре белки приобретают определенную форму. Четвертичная структура – это надмолекулярная структура, образующаяся при взаимодействии нескольких полипептидных цепей (субъединиц) друг с другом. Она свойственна не всем белкам. Некоторые функции белков в организме: Строительная: образуют мембраны клеток и их органоидов, тела рибосом, входят в состав микротрубочек, которые придают клетке форму. Двигательная: сократительные белки входят в состав мышечных волокон, микротрубочек, ресничек, жгутиков и обеспечивают движение организма, клеток, работу внутренних органов. Транспортные белки связывают и переносят вещества внутри клеток и организма. Рецепторные белки входят в состав светочувствительных клеток. Защитные белки образуют антитела, защищающие организм от чужеродных белков, бактерий и вирусов. Белки-токсины блокируют передачу нервных импульсов. Энергетическая функция: белки – последний резерв организма для получения энергии. Углеводы – это сахаристые или сахароподобные вещества с общей формулой Cn(H2O)m. В животных клетках содержится от 1 до 3% углеводов (в клетках печени – до 5%. Клетки большинства растений на 90% состоят из углеводов, которые являются их основным строительным материалом и запасным питательным веществом. Моносахариды, или простые сахара, состоят из шести или пяти атомов углерода. Наиболее распространена в качестве источника энергии глюкоза и её изомер фруктоза. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот, которые связаны с хранением и передачей наследственной информации в клетке. Полисахариды – периодические полимеры, мономерами которых являются повторяющиеся остатки моносахаридов, чаще всего молекул глюкозы. Это крахмал, гликоген, целлюлоза. В отличие от простых сахаров сладкого вкуса они не имеют и при гидролизе под действием ферментов либо в присутствии кислот образуют глюкозу или другие моносахариды, из которых были построены. Из-за разницы в строении полисахариды по-разному усваиваются организмами. Так, в организме многих животных и человека крахмал и гликоген легко расщепляются и усваиваются, а вот фермент, расщепляющий целлюлозу, у них отсутствует. И только микроорганизмы способны расщеплять связи между остатками глюкозы в целлюлозе. Основные функции углеводов: строительная: например, из целлюлозы состоят оболочки растительных клеток; энергетическая; запасающая. Липиды – высокомолекулярные органические вещества, основу оторых составляют высшие жирные кислоты или высокомолекулярные спирты. Они все нерастворимы в воде из-за своей неполярности, но хорошо растворимы в органических растворителях – бензине, ацетоне, эфире. В зависимости от типа клеток содержание липидов в них колеблется от 5 до 90%. В зависимости от количества водорода и наличия кратных связей в составе углеводородной части липиды делят на насыщенные и ненасыщенные. По составу и строению липиды весьма разнообразны. В их состав могут входить высшие жирные кислоты, глицерин, высшие одноатомные спирты, высокомолекулярные циклические спирты, а также нелипидные компоненты – фосфорная кислота, аминокислоты, белки, углеводы. Основная функция липидов в организме – энергетическая, они обладают высокой энергоёмкостью за счет высокомолекулярных восстановленных радикалов. Жиры и масла также выполняют запасающую функцию. Фосфолипиды, липопротеины и гликолипиды образуют мембранные структуры клетки, реализуя строительную функцию. Триглицериды и воски выполняют защитную и терморегуляторную функции. Стериды выполняют важную регуляторную функции. К ним относятся адренокортикотропные и половые гормоны. Нуклеиновые кислоты были выделены Ф. Мишером в 1868г. из ядер клеток, поэтому и были так названы. Впоследствии оказалось, что они находятся и в цитоплазме, и в других органоидах клетки, но первоначальное название за ними сохранилось. В клетках встречаются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Это самые высокомолекулярные вещества в клетке, причем масса ДНК в несколько сот раз больше массы РНК. Нуклеиновые кислоты – это непериодические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, углевода – моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания. В нуклеиновых кислотах встречаются пять видов азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил. В ДНК содержатся все, кроме урацила, а в РНК – все, кроме тимина. Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток. Они образуют нити хроматина, а перед делением клетки превращаются в хромосомы. Специфические молекулы ДНК имеются в митохондриях и пластидах. ДНК в клетке выполняет исключительно важную функцию – хранит и передает наследственную информацию. Количество молекул ДНК и их нуклеотидная последовательность являются генетическим признаком вида. РНК в клетке находятся в ядре (где они синтезируются), цитоплазме, пластидах, митохондриях и рибосомах. В зависимости от функции выделяют три вида РНК: Транспортная РНК (тРНК) – самая короткая молекула, состоящая из 70-80 нуклеотидов, они транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка – на рибосомы. Рибосомальные РНК (рРНК) строят тело рибосомы. Информационная, или матричная, РНК (иРНК, или мРНК) переносит информацию о первичной структуре белка от ДНК к рибосомам. Кроме клеточных существуют вирусные РНК – самые высокомолекулярные из всех видов РНК. Они несут информацию о структуре вируса. Аденозинтрифосфат (АТФ) – отдельный мононуклеотид, имеющий тот же состав и строение, что и нуклеотиды, входящие в состав ДНК и РНК. Разница заключается лишь в том, что они содержат в своей молекуле до трёх фосфатных остатков. АТФ имеет макроэргические связи, из-за чего при их гидролизе освобождается энергии до 2,5 раз больше, чем при расщеплении обычных соединений. Запасание энергии в виде АТФ происходит в результате реакций распада и окисления органических веществ и в процессе фотосинтеза. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях и хлоропластах. АТФ мобилен и способен доставлять энергию в любую часть клетки. Он является ключемвым веществом клеточных обменных процессов и универсальным источником энергии. Основные понятия: биогенные элементы, углеводы, липиды, белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, АТФ. Вопросы для закрепления материала: За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги? Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды? Всем известно, что копы-водомерки бегают по воде, как по твёрдой поверхности. Как вы это объясните? Имеются три вида аминокислот – А, В, С. Составьте несколько вариантов пептидов из пяти аминокислот. Будут ли пентапептиды обладать одинаковыми свойствами и структурами? Ответ поясните. Объясните понятия денатурации и ренатурации белка. Назовите условия их осуществления. За счет чего происходит расщепление клетчатки в организме травоядных животных? Какое это имеет для них значение? Объясните, почему желудочно-кишечный тракт большинства животных и человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы.Вопросы для закрепления материала: За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги? Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды? Всем известно, что копы-водомерки бегают по воде, как по твёрдой поверхности. Как вы это объясните? Имеются три вида аминокислот – А, В, С. Составьте несколько вариантов пептидов из пяти аминокислот. Будут ли пентапептиды обладать одинаковыми свойствами и структурами? Ответ поясните. Объясните понятия денатурации и ренатурации белка. Назовите условия их осуществления. За счет чего происходит расщепление клетчатки в организме травоядных животных? Какое это имеет для них значение? Объясните, почему желудочно-кишечный тракт большинства животных и человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы. кратко ответьте на вопросы по тексту