государственный университет путей сообщения

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра «Инженерная химия и естествознание»
КЛЕТКА КАК ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЖИВАЯ СИСТЕМА
Методические указания
к выполнению компьютерной программы «Биология»
по дисциплине «Концепции современного естествознания»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2005
БИОЛОГИЯ
Биология – (от греческих слов bios – жизнь и logos – наука) - наука о
жизни, об общих закономерностях существования и развития живых
существ.
Предметом изучения биологии являются живые организмы, их
строение, функции, развитие, взаимоотношения со средой и происхождение.
Живой
организм
самовоспроизводящаяся
окружающей
средой
–
это
система.
образуют
открытая
Все
саморегулирующаяся
живые
биосферу,
организмы
которая
вместе
складывается
и
с
из
биогеоценозов. В них в свою очередь входят биоценозы, состоящие из
популяций. Популяции составляют отдельные особи. Особи многоклеточных
организмов состоят из органов и тканей, образованных различными
клетками.
КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
Началом изучения клетки можно считать 1665 год, когда английский
ученый Роберт Гук впервые увидел в микроскоп на тонком срезе пробки
мелкие ячейки; он назвал их клетками. К началу 19 века представления о
клеточном строение живых организмов получили широкое распространение,
но, однако, как устроена клетка, какова ее роль для организма, как она
произошла и множество других вопросов оставалось без ответа. Очень
важное открытие сделал шотландский ученый Р. Броун в 30-х годах 19 века.
Он обнаружил внутри клетки плотное круглое образование, которое назвал
ядром. В 1838 году М. Шлейден и Т. Шванн пришли к выводу, что все
растительные и животные клетки сходны - у них есть ядра. Обобщив
разрозненные факты, Шванн и Шлейден сформулировали основное
положение клеточной теории: все растительные и животные организмы
состоят из клеток, сходных по строению. Рудольф Вирхов спустя 20 лет
доказал, что клетка происходит только от клетки.
Клеточная теория является одним из величайших открытий XIX века в
общей
биологии,
которое
дало
основание
для
понимания
материалистического
мира
и
послужило
основой
для
развития
эволюционного учения.
В современном виде теория содержит четыре основных вывода:
1.
Клетка является наименьшей элементарной единицей живого, вне клетки
нет жизни. Этот постулат клеточной теории распространяется как на
эукариотические, так и на прокариотические клетки, как на одноклеточные,
так и на многоклеточные организмы.
2.
Клетки увеличиваются в числе, размножаются, только путем деления
исходной клетки, чему предшествует процесс удвоения ее генетического
материала (ДНК). Следовательно, деление клеток приводит к равномерному
и равнокачественному распределению молекул ДНК по двум новым (но
одинаковым по содержанию и по свойствам их ДНК) клеткам. Но для того,
чтобы удвоить ДНК (хромосомы) и соответственно удвоить свою массу и
размеры, а потом разделиться, исходной клетке необходимо провести
огромную синтетическую работу: из простых веществ создать сложные
полимерные органические молекулы. Поэтому клеточная теория гласит, что
клетка происходит только от клетки (закон Р. Вирхова). Любые другие пути
возникновения клеток науке неизвестны.
3.
Клетки
сходны
по
своим
основным
свойствам
и
строению
(гомологичны). Это положение теории подразумевает, что такая гомология
клеток определяется общностью их происхождения. Прокариотические
клетки устроены проще, чем эукариотические, но и те и другие имеют
сходные пути обмена веществ и основные структурные части.
4.
У многоклеточных эукариотических организмов возникновение разных
по свойствам клеток – дифференцировка клеток определяется тем, что в
разных органах, в разных клетках работают разные гены, т.е. если клетка
происходит от клетки и делению ее предшествует копирование (удвоение)
генетического материала (хромосом), то по мере роста зародыша все клетки
должны обладать одинаковым набором генов и одинаковыми свойствами. Но
по мере развития эмбриона у него появляются разные клеточные системы –
ткани с разными свойствами. Это объясняется тем, что в разных
специализированных клетках активируются различные гены. В то же время
гены, обеспечивающие жизнеспособность клеток, их общий обмен веществ,
активны в любых клетках, что и определяет сходство их общих химических и
структурных черт организации.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
Все живые организмы имеют в своем составе неорганические и
органические вещества. К неорганическим веществам, преобладающим в
живой природе относятся: кислород, водород, углерод и азот. Соединения
азота входят в состав ДНК, РНК и АТФ. Вода, доля которой в клетке
составляет до 80 %, является необходимой средой для протекания
химических реакций, служит источником кислорода при фотосинтезе (у
растительных клеток) и является универсальным реагентом и растворителем.
Из воды и углекислого газа синтезируются углеводы. Калий, находящийся в
клетке способствует перемещению веществ через мембрану, активизирует
обмен веществ, а также участвует в проведении возбуждений и импульсов.
Железо входит в состав гемоглобина. Магний – в состав хлорофилла. Хлорид
натрия играет большую роль в поддержании осмотического давления в
клетке. Содержание других неорганических соединений в клетке не
превышает 1%.
К органическим веществам, преобладающим в живой природе,
относятся белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.
Белки – (от греческого «протос» - первостепенный) – наиболее
сложные соединения, характеризующиеся большой молекулярной массой. По
своей химической природе белки являются полимерами. Их молекулы имеют
вид длинных цепей, которые состоят из аминокислот, соединенных
пептидными связями. Белки выполняют двигательную, каталитическую и
строительную функцию (построение оболочек, мембран и т.д.). Белки
синтезируются в рибосомах, находящихся в хлоропластах, митохондриях,
мембранах эндоплазматической сети, в матриксе цитоплазмы. За синтез
определенной молекулы белка отвечает ген. Все реакции, протекающие в
клетке, катализируются белковыми катализаторами - ферментами. В состав
ферментов входят витамины и металлы. В среднем белки в клетке
составляют до 20%.
Нуклеиновые
кислоты
–
высокомолекулярные
соединения,
выполняющие важные функции в процессах синтеза белка, передаче
наследственных признаков, регуляции биохимических процессов и делении
клеток. Открыл их в 1869 г. швейцарский ученый Ф. Мишер как составную
часть клеточных ядер.
Нуклеиновые кислоты состоят из цепочек, содержащих от десятков до
миллиарда
нуклеотидов.
В
состав
каждого
нуклеотида
входит
гетероциклическое основание – аденин (А) или гуанин (Г), являющиеся
производными пурина, цитозин (Ц), урацил (У) или тимин (Т), являющиеся
производными
пиримидина,
углевод
(рибоза
или
дезоксирибоза)
и
фосфорная кислота. Нуклеотид состоит:
— углевод — остаток H3PO4—
│
азотистое основание (пурины)
Если углеводом является рибоза, то кислота рибонуклеиновая (РНК).
Если - дезоксирибоза – дезоксирибонуклеиновая кислота. Пурины одинаковы
у РНК и ДНК. Пиримидин отличаются только одним основанием (у РНК –
Цитозин и Урацил; у ДНК – Цитозин и Тимин). Молекула ДНК имеет
структуру двойной антипараллельной спирали. При образовании двойной
спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго
определенном порядке против азотистого основания другой. Против Аденина
(А) всегда Тимин (Т), против Гуанина (Г) всегда Цитозин (Ц). Это
происходит т.к., А и Т; Г и Ц строго соответствуют друг другу.
Самоудвоение ДНК происходит в интерфазе клетки.
РНК – одиночная спираль, сходная с одной цепочкой ДНК, но меньшая по
размерам. ДНК служит носителем генетической информации в клетке. Эта
информация
содержится
в
виде
последовательности
четырех
видов
нуклеотидов, в различном порядке чередующихся в полинуклеотидной цепи.
Перед делением клетки цепи родительской ДНК разделяются, и каждая из
них становится матрицей для синтеза комплементарной цепи. Этот механизм
лежит в основе передачи генетической информации следующему поколению
клеток.
РНК клетки синтезируется на ДНК в ядре. По величине молекулярной массы,
функциональному значению, расположению в клетке различают три вида
РНК:
- транспортные (тРНК) – низкомолекулярные РНК, локализованные в
цитоплазме,
осуществляют
перенос
аминокислот
к
рибосомам
при
биосинтезе белков;
- рибосомальные
(рРНК)
–
высокомолекулярные
РНК,
являющиеся
структурной основой рибосомы, на их долю приходится от 80-85 %
суммарной клеточной РНК;
- информационные (иРНК), матричные (мРНК) – высокомолекулярные
РНК, являющиеся матрицей для биосинтеза полипептидных цепей.
РНК, будучи переносчиком генетической информации, участвует в реакциях,
при помощи которых эта информация реализуется, например, в процессе
биосинтеза белков. Спирализация цепи РНК осуществляется в пределах
одной молекулы, причем в виде спирали находится до 50% цепи, остальные
участки остаются одно-цепочными. Образование всех видов РНК связано с
хромосомами.
Углеводы – являются первичным продуктом фотосинтеза и исходным
продуктом биосинтеза веществ в растениях. Их делят на простые
(моносахариды) и сложные (олигосахариды и несахароподобные). Обычно
моносахариды содержат неразветвленную цепь углеродных атомов, но
иногда встречаются и с разветвленной цепью. У моносахаридов высокая
реакционная способность, и поэтому в живых организмах они часто
находятся в виде эфиров фосфорной кислоты или более сложных веществ -
гликозидов. В свободном виде в основном встречаются глюкоза и фруктоза,
(главным образом в растениях, особенно во фруктах). Глюкоза есть и в крови
млекопитающих. В крови человека постоянно содержится 0,1 % глюкозы. В
клетке глюкоза служит универсальным источником энергии. Для живой
клетки характерны такие полисахариды как гликоген и хитин.
В растительной клетке углеводы участвуют в построении клеточных
мембран, а в животной выполняют главным образом энергетическую
функцию.
Липиды (жиры) – (от греческого слова lipos – жир) – вещества
различные по структуре, растворимые в органических растворителях (эфир,
бензол, хлороформ и т.д.). Липиды один из основных компонентов
биологических мембран. Они играют важную роль в биоэнергетике,
гормональной регуляции, участвуют в создании иммунитета, образуют
термоизоляционные покровы тела, образуют термоизоляционные покровы
тела. Важнейшие группы липидов:
Нейтральные липиды – это эфиры глицерина и жирных кислот. В
зависимости от количества гидроксильных групп в молекуле глицерина
этерифицировано, различают моно-, ди- и триглицериды. Нейтральные
липиды обычно откладываются в клетках в виде капелек и служат запасом
питательных веществ. При необходимости клетки используют их, отщепляя
жирные кислоты.
Фосфолипиды – в основном производные глицерина, у которых одна из
гидроксильных групп этерифицирована не жирной, а фосфорной кислотой.
Получившаяся фосфатидовая кислота может быть соединена со спиртовым
компонентом Х-ОН. Похожие по структуре фосфолипиды могут строиться на
основе
не
глицерина,
а
другого
спирта
сфингозина.
Как
и
у
глицерофосфолипидов, у сфинголипидов два жирных «хвоста», одним из
которых служит цепь самого сфингозина, а другим – этерифицированная
жирная кислота.
Основу гликолипидов обычно составляет сфингозин, хотя некоторые из
них построены на основе глицерина. Гликолипиды не содержат фосфорной
кислоты, их полярная головка состоит из простых или разветвленных
цепочек
углеводов.
Гликолипиды,
содержащие
сиаловую
кислоту,
называются ганглиозидами. Они играют ключевую роль в узнавании
клетками
некоторых
гормонов,
в
межклеточных
взаимодействиях
определяют некоторые группы крови и участвуют в иммунных процессах.
В структурах клетки липиды находятся в мембранах и в стромах
пластид, а синтезируются в эндоплазматической сети. В клетке липиды
выполняют структурные и энергетические функции, являются источником
энергии, воды, входят в структуру мембран и участвуют в терморегуляции.
СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ
Клетка
–
элементарная
живая
система,
основа
строения
и
жизнедеятельности всех живых организмов. Различают одноклеточные
(бактерии, простейшие) и многоклеточные организмы.
Любую живую материю делят на два надцарства:
-
прокариот (разделяют на настоящих бактерий и архебактерий);
-
эукариот (в эту группу входят все организмы от одноклеточных
простейших до многоклеточных растений и животных).
Клетки организмов этих надцарств обладают общими основными
свойствами: во-первых, у них сходны основные системы обмена веществ и
системы передачи генетической информации (репликации по матричному
принципу); во-вторых, у них похожие системы энергообеспечения. Но
существуют и отличия: у прокариотических клеток молекулы ДНК,
определяющие наследственные свойства организмов, не собраны в виде
клеточного ядра, характерного для эукариотических клеток. Кроме того, у
прокариотических клеток нет органоидов (специальные структуры внутри
клеток),
характерных
для
эукариотических
клеток.
К
органоидам
прокариотических клеток (бактерий) относятся рибосомы, нуклеоид –
компонент, содержащий ДНК, небольшое число мембранных пузырьков
(например,
несущие
фоточувствительные
пигменты)
и
специальные
органоиды движения – жгутики, плазматическая мембрана, гиалоплазма или
цитозоль
Эукариотические клетки могут входить в состав многоклеточных
организмов. Их молекулы ДНК образуют комплексы со специальными
белками, формируя хромосомы, находящиеся в ядре.
По структуре и основным биохимических свойствам все клетки очень
похожи, что говорит о единстве их происхождения в период возникновения
мира живого.
Клетка (рис.1), как уже говорилось – это система, состоящая из
биополимеров (сложных органических молекул), а также содержащая малые
органические и неорганические молекулы. Для любой клетки характерно
самовоспроизведение, постоянный обмен веществами и энергией с внешней
средой, а также структурное обособление от внешней среды. Клетки
отделены и от окружающей их среды, и друг от друга с помощью тонкой
поверхностной пленки – мембраны (плазматической мембраны).
Мембрана (в переводе с латинского «пленка», «кожица») имеет три слоя:
первый расположен на наружной поверхности, граничит с внешней средой и
состоит из молекул белков; второй – обращен к цитоплазме клетки и также
состоит из молекул белков; третий – расположен между этими слоями и
состоит из молекул жиров. Наружная мембрана имеет мельчайшие поры,
через которые из внешней среды внутрь клетки могут проникать только
ионы, вода и мелкие молекулы других веществ. Через эти поры из клетки
выходят во внешнюю среду разнообразные вещества. Липидный слой
обуславливает свойства избирательной проницаемости.
Проникновение относительно крупных твердых частиц в клетку
осуществляется путем фагоцитоза (от греческого «фагос» - пожирать,
«цитос» - клетка). У человека функцию фагоцитоза осуществляют
специализированные клетки, например белые кровяные тельца, которые
поглощают бактерий, попавших в организм, пыль и другие твердые частички.
Этим клеткам, способным к фагоцитозу, принадлежит функция защиты
организма. Таким образом, одна из важнейших функций мембраны –
способность к фагоцитозу. Другая важнейшая функция мембраны –
пиноцитоз (от греческого «пино» - пью, «цитос» - клетка) – это процесс
поглощения жидкости в виде мелких капель.
Мембрана отграничивает цитоплазму и все органоиды клетки от
внешней среды, а после небольшого повреждения легко и быстро
восстанавливается.
Рисунок 1.
Соединение клеток в разнообразные ткани многоклеточных организмов
осуществляется
за
счет
наружной
мембраны,
которая
образует
многочисленные складки, увеличивающие прочность клеточных соединений.
Цитоплазма – отделена от внешней среды наружной мембраной,
заполняет всю клетку. В цитоплазме располагаются различные органоиды и
ядро. Это внутренняя полужидкая среда клетки, которая содержит большое
количество воды и белков и является связующим звеном всех клеточных
органоидов и ядра в одно целое, обеспечивая при этом их взаимодействие,
друг с другом. Цитоплазма имеет мелкозернистое строение.
Митохондрии – (от греческого «митос» - нить, «хондрион» - зерно,
гранула) – это тельца размером от 0,2 до 7 мкм, разнообразные по форме:
овальные,
круглые,
палочковидные,
нитевидные.
Располагаются
митохондрии в цитоплазме клеток. Их количество может доходить до 1000 и
более.
Внешний покров митохондрии представлен двумя мембранами:
наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, не образует никаких
складок. Внутренняя мембрана наоборот образует многочисленные складки,
которые направлены во внутреннюю полость митохондрии. Складки
внутренней мембраны называют кристами (от латинского «криста» гребень, вырост). У большинства клеток во внутренней полости митохондрии
кристы располагаются в поперечном направлении. Некоторые кристы могут
разветвляться. В одной митохондрии обычно бывает множество крист,
которые плотно прилегают друг к другу, а пространство между ними
заполнено полужидким веществом с мелкозернистым строением. Наружная и
внутренняя мембраны митохондрии имеют трехслойное строение (как и
наружная мембрана клетки). В состав митохондрии входят белки и жиры. На
наружной и внутренней мембранах митохондрий и особенно на кристах
располагается большое количество ферментов, к числу которых относятся те,
с
помощью
которых
осуществляется
дыхание
клеток
и
синтез
аденозитрифосфорной кислоты (АТФ). Молекула АТФ по своей структуре
является нуклеотидом, в состав которого входят азотистое основание аденин,
углевод рибоза и три молекулы фосфорной кислоты. Необходимо отметить,
что АТФ обладает большими запасами энергии, которая освобождается при
распаде, происходящем в митохондриях под влиянием ферментов. Эта
энергия используется клетками при синтезе разнообразных веществ, при
выработке тепла (необходимого для поддержания температуры тела), при
движении и других проявлениях жизнедеятельности. АТФ синтезируется в
митохондриях всех клеток и представляет собой универсальный источник
энергии.
Иногда митохондрии называют дыхательным центром клетки, т.к.
именно здесь происходит окисление веществ до CO2 и H2O.
Окисление органических веществ происходит на матриксе, где
находятся молекулы ДНК, РНК и рибосом.
В растительной клетке АТФ синтезируется в митохондриях и
хлоропластах, в животной – в митохондриях. Синтез АТФ в митохондриях
(на кристах) происходит в результате процесса дыхания, а источником
энергии при синтезе АТФ в митохондриях являются органические
соединения. Источником энергии при синтезе АТФ в хлоропластах является
свет. Расщепление АТФ происходит вне митохондрии.
Лизосомы – небольшие округлые тельца, располагающиеся во всех
частях клетки. От цитоплазмы лизосомы отделены плотной мембраной.
Внутри них находятся ферменты, которые способны расщеплять все
пищевые вещества, поступающие в клетку. Расщепление пищевых веществ с
помощью ферментов называется лизисом (поэтому и органоид называют лизосома). Размеры их колеблются от 0,2 до 0,5 мкм. В одной клетке может
быть до нескольких десятков лизосом.
У лизосом два отличительных признака: значительное количество
ферментов
и
однослойная
ограничивающая
их
мембрана,
которая
предохраняет структуры и вещества клетки от разрушающего действия этих
ферментов. Различают два вида лизосом: первичные, служащие вместилищем
ферментов и вторичные, которые образуются в результате слияния
первичных лизосом с вакуолями, содержащими предназначенные для
переваривания вещества.
Лизосомы выполняют в клетке пищеварительную, защитную и
выделительную функции. Они переваривают попавшие в клетку сложные для
усвоения
вещества
–
осуществляют
внутриклеточное
пищеварение.
Продукты распада и некоторые, вредные для клетки вещества превращаются
под воздействием ферментов лизосом в нерастворимые продукты. Благодаря
лизосомам удаляются отжившие клетки и их части.
Эндоплазматическая сеть – представляет собой сложную систему
каналов и полостей, которые соединяются между собой и образуют
ветвящуюся сеть, пронизывающую всю цитоплазму клетки. Каналы и
полости эндоплазматической сети ограничены мембранами, имеющими, как
и наружная мембрана клетки три слоя.
Различают два типа эндоплазматической сети: шероховатая и гладкая.
На мембранах шероховатой располагается множество мелких округлых телец
– рибосом (которые придают ей шероховатый вид).
Шероховатая эндоплазматическая сеть принимает активное участие в
синтезе белков. Синтезированные на рибосомах белки изолируются от
других белков клетки путем переноса их через мембрану канала
эндоплазматической сети. Она пропускает белки, распознавая их по особым
концам, отщепление которых после прохождения белка через мембрану
называют созреванием белка. Одни белки – секреторные – выделяются из
клетки. Другие включаются во все мембраны клетки.
Гладкая сеть состоит из трубочек, каналов и пузырьков меньшего
сечения, чем в шероховатой сети. Здесь синтезируются липиды мембран и
немембранные
липиды,
специальными
ферментными
комплексами
обезвреживаются ядовитые вещества, накапливаются ионы.
Гладкие мембраны рибосом не несут, однако здесь происходит синтез
жиров и полисахаридов.
В полостях и каналах эндоплазматической сети накапливаются
вещества из окружающей среды и выходящие из клетки.
Эндоплазматическая сеть – это клеточный органоид, участвующий в
обмене веществ, синтезе белков, полисахаридов и жиров, а так же в
транспортировании и накоплении различных веществ в клетке.
Эндоплазматическая сеть очень ранима при воздействиях: она быстро
теряет рибосомы и разрушается. Но благодаря способности к быстрым
перестройкам может восстанавливаться.
Рибосомы
–
тельца
круглой
формы.
Большинство
рибосом
располагается на мембранах эндоплазматической сети, цитоплазме и в ядре
клетки и имеют не мембранное строение. В состав рибосом входит белок и
РНК. Рибосомы - обязательный органоид каждой клетки, где происходит
синтез белковых молекул (т.е., сборка их из молекул аминокислот,
имеющихся в цитоплазме и ядре каждой клетке).
Белки, синтезированные на рибосомах, накапливаются в каналах и
полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к тем
органоидам клетки, где они потребляются. Основная масса белков
синтезируется на рибосомах, расположенных на мембранах шероховатой
эндоплазматической сети и эти два органоида представляют единый аппарат
синтеза и транспортировки белков.
Комплекс Гольджи – органоид клетки (впервые его увидел итальянский
ученый К. Гольджи в 1898 г.). В комплекс Гольджи входит три структурных
компонента:
1) круглые полости, расположенные группами по 5-8;
2) сложная система трубочек, отходящих от полостей;
3) крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах трубочек.
Все эти элементы составляют единый комплекс и ограниченные
мембранами такого же строения как наружная мембрана клетки. К комплексу
Гольджи транспортируются по каналам эндоплазматической сети различные
вещества, поступающие в клетку из внешней среды (это белки, секреты
белковой природы, желток, полисахариды, жиры).
Вещества накапливаются в элементах комплекса Гольджи, а затем в виде
капелек или зерен поступают в цитоплазму и используются в самой клетке в
процессе ее жизнедеятельности или выводятся из нее во внешнюю среду.
Клеточный центр – состоит из двух телец и особо плотного участка
цитоплазмы. Тельца клеточного центра называются центриолями, а
уплотненный участок цитоплазмы центросферой. Каждая центриоль имеет
форму цилиндра, стенки которого состоят из 9 пар мельчайших трубочек,
расположенных строго упорядоченно по периферии. Микротрубочки
соединены между собой системой связок, а снаружи покрыты чехлом из
бесструктурного материала – матрикса.
Структура центриолей передается от одной клетки к двум дочерним при
помощи репликации (удвоения). В отличие от репликации ДНК, где
половинки сходной молекулы служат матрицей для образования двух новых
молекул, старые центриоли не являются матрицами для новых. Диаметр
центриоли 0,2 мкм, а длина - от 0,2 до 0,6 мкм.
В нормальной клетке всего две центриоли, которые реплицируются при
подготовке клетки к делению во время синтеза ДНК. Около каждой из этих
центриолей
появляется
по
одной
коротенькой
дочерней,
которые
располагаются либо под прямым углом к материнским, либо торец в торец.
Дочерние центриоли растут и после деления клетки отходят от материнских
и созревают в течение всего клеточного цикла. Таким образом, после деления
в клетку попадает одна зрелая и одна незрелая центриоль.
Клеточный центр располагается вблизи ядра и играет важную роль при
делении клетки.
Ядро – постоянный компонент всех клеток многоклеточных растений и
животных. Форма ядра и его размеры зависят от формы клетки, и может быть
округлой или вытянутой. Различают два состояния ядра: делящееся и
неделящееся. Основные функции ядра заключаются в хранении и передаче
наследственной информации, участии в делении клеток и биосинтезе белка.
В ядре протекают два важнейших процесса. Первый из них – это синтез
самого генетического материала, в ходе которого количество ДНК в ядре
удваивается. Этот процесс необходим для того, чтобы при последующем
делении клеток (митозе) в двух дочерних клетках оказалось одинаковое
количество генетического материала. Второй процесс – транскрипция –
производство всех типов молекул РНК, которые, мигрируя в цитоплазму,
обеспечивают синтез белков, необходимый для жизнедеятельности клетки.
В ядре различают: ядерную оболочку, ядерный сок, или кариоплазму (от
греческого «карион» - ядро), хроматин и ядрышки.
Ядерная оболочка – отделяет ядро от цитоплазмы и состоит из двух
мембран: наружной и внутренней. Каждая мембрана имеет типичное
трехслойное строение. В ядерной оболочке имеются многочисленные поры,
через которые осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и ядром.
Наружная мембрана ядерной оболочки тесно связана с эндоплазматической
сетью. Во время деления ядра ядерная оболочка разрушается.
Ядерный сок (кариоплазма) – это вещество полужидкой консистенции,
которое находится под ядерной оболочкой и заполняет вся полость ядра. В
нем располагаются ядрышки, хроматин и рибосомы.
Хроматин – это материал, из которого образуются хромосомы при
делении ядер. В неделящихся ядрах хроматин виден в форме отдельных
глыбок небольших размеров или нитей.
В делящихся ядрах ДНК сосредоточена в хромосомах, которые являются
носителями наследственных свойств организма. В пределах ядра хромосомы
различаются по строению и функциям, но одинаковы по составу.
ДНК в составе хромосом может быть уложена с разной плотностью, в
зависимости от их функциональной активности и стадии клеточного цикла. В
связи с этим различают два состояния хромосом – интерфазные и
митотические. Митотические хромосомы образуются в клетке во время
митоза. Это неработающие хромосомы, и молекулы ДНК в них уложены
очень плотно. Общая длина метафазных хромосом примерно в 10 4 раз
меньше, чем длина всей ДНК, содержащейся в ядре. Митотические
хромосомы
обеспечивают
равномерное
распределение
генетического
материала между дочерними клетками при митозе.
Кроме ДНК хромосомы содержат белки двух видов - гистоны (с
щелочными свойствами) и негистоновые белки (с кислотными свойствами), а
также РНК. Белки прочно связаны с молекулами ДНК и образуют
дизоксирибонуклеиновый комплекс (ДНП). Белки определяют основную
укладку ДНК в хромосоме, участвуют в репликации хромосомы и регуляции
транскрипции.
Интерфазными
называются хромосомы, характерные для
стадии
интерфазы клеточного цикла. В отличие от митотических это работающие
хромосомы: они участвуют в процессах транскрипции и репликации. ДНК в
них уложена менее плотно, чем в митотических хромосомах.
Ядрышко – плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке.
В ядрах может быть от 1 до 7 ядрышек. Ядрышки имеются только в
неделящихся ядрах; во время деления они исчезают, а в ядрах дочерних
клеток образуются заново.
В состав ядрышка входят РНК и белки. Главная функция ядрышка
заключается в том, что в нем происходит формирование рибосом, которые
затем выходят из ядра в цитоплазму. Таким образом, рибосомы образуются в
ядрышке. Рибосомы, находящиеся в ядрышке осуществляют синтез белка.
В ядрышке протекает не только сборка субчастиц рибосом, но и синтез
РНК.
Следует отметить, что ядро клетки находится в тесной взаимосвязи с
цитоплазмой. Если из клетки удалить ядро, то цитоплазма погибнет, а ядро
не может существовать без цитоплазмы.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
Либерман Е.А. Живая клетка. – М.: Наука, 1982. – 161 с., ил. – (Серия
«Наука и технический прогресс»).
2.
Кэмп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1986. 200 с.
3.
Либберт Э. Общая биология. - М.: Мир, 1978. 350 с.
Методические указания предназначены для подготовки студентов к
компьютерной программе «Биология», изучающих дисциплину «Концепции
современного естествознания».
Составили Е.И. Макарова, А.М. Сычева, Байдарашвили М.М., Якимова Н.И.,
Чернаков В.А., Хитров А.В.