Лекция к уроку: Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки.

Лекция

Тема 1.1. Химическая организация клетки.

Тема 1.1.1. Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки.

Знания, умения и навыки, которыми должны обладать обучающиеся:

З1. - основные положения биологических теорий и закономерностей: клеточной теории строение и функционирование биологических объектов;

З2. - строение и функционирование биологических объектов;

З3 - вклад выдающихся (в том числе отечественных) учёных в развитие биологической науки;

У1. - объяснять роль биологии в формировании научного мировоззрения; вклад биологических теорий в формирование современной естественно-научной картины мира; единство живой и неживой природы, родство живых организмов;

У2. - сравнивать биологические объекты: химический состав тел живой и неживой природы, зародышей человека и других животных, природные экосистемы и агроэкосистемы своей местности;

У3. - находить информацию о биологических объектах в различных источниках (учебниках, справочниках, научно-популярных изданиях, компьютерных базах, ресурсах сети Интернет) и критически её оценивать.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ:

Изучение нового материала

Вопросы (план):

1. Цитология – наука о клетке.

2. Методы изучения клетки.

3. Химические элементы входящие в состав клетки.

4. Неорганические вещества: вода и минеральные соли.

1. Цитология – наука о клетке.

Клетка – основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, наименьшая живая система. Именно на уровне клетки проявляются все свойства жизни. Она может существовать как отдельный организм (бактерии, одноклеточные растения, животные и грибы) или же входить в состав тканей многоклеточных организмов.

Формированию современных представлений о клетке предшествовала длительная история развития цитологии, связанная с созданием и усовершенствованием оптических устройств, позволяющих рассматривать и изучать клетки.

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).

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.

Важным событием в развитии представлений о клетке была изданная в 1672году книга Марчелло Мальпиги «Анатомия растений», где приводилось подробное описание микроскопических растительных структур. В своих исследованиях Мальпиги убедился, что растения состоят из клеток, которые он называл «мешочками» и «пузырьками».

Среди блестящей плеяды микроскопистов XVII века одно из первых мест занимает А. Левенгук, голландский купец, который завоевал себе славу учёного. Он прославился созданием линз, которые давали увеличение в 100-300 раз. В 1674 году Антонио ван Левенгук открыл с помощью собственноручно изобретенного микроскопа одноклеточных простейших, названных им «микроскопическими животными», бактерии, дрожжи, клетки крови – эритроциты, половые клетки – сперматозоиды, которые Левенгук называл «анималькули». Из животных тканей Левенгук изучал и точно описал строение сердечной мышцы. Он был первым натуралистом, наблюдавшим клетки животногоорганизма. Это пробудило интерес к изучению живого микромира.

Как наука цитология возникла лишь в XIX веке. В это время были сделаны важные открытия.

В 1830 году чешский исследователь Ян Пуркинье описал вязкое студенистое вещество внутри клетки и назвал его протоплазмой (гр. protos – первый, plasma – образование).

В 1831 году шотландский ученый Роберт Броун открыл ядро.

В 1836 году Габриелем Валентини в ядре было обнаружено ядрышко.

В 1838 году была опубликована работа Матиаса Шлейдена «Данные о фитогенезисе», где автор, опираясь на уже имевшиеся в ботанике представления о клетке, выдвинул идею об идентичности растительных клеток с точки зрения их развития. Он пришёл к выводу, что закон клеточного строения справедлив для растений.

В 1839 году вышла в свет ставшая классической книга Теодора Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В ней автор сделал окончательный вывод о том, что клетка является структурной единицей жизнедеятельности и развития растений и животных.

В 1838 – 1839 годах немецкие ученые Матиас Шлейден и ТеодорШванн независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию:

1. Все организмы состоят из клеток;

2. Клетка - мельчайшая структурная единица жизни;

3. Образование новых клеток - основополагающий способ роста и развития растений и животных;

4. Организм представляет собой сумму образующих его клеток.

М. Шлейден и Т. Шванн считали, что клетки в организме возникают путём новообразования из первичного неклеточного вещества.

В 1858 году немецкий учёный-анатом Рудольф Вирхов в своей книге «Целлюлярная патология» опроверг это представление и доказал, что новые клетки всегда возникают из предшествующих путем деления – «клетка от клетки, всё живое только из клетки» – (omnis cellula a cellula). Важным обобщением Р.Вирхова явилось утверждение, что наибольшее значение в жизнедеятельности клеток имеют не оболочки, а их содержимое – протоплазма и ядро. Опираясь на клеточную теорию, Р. Вирхов поставил на научную основу учение о болезнях. Опровергнув господствующее в то время представление, согласно которому в основе болезней лежит только изменение состава жидкостей организма (крови, лимфы, желчи), он доказал огромное значение изменений, происходящих в клетках и тканях. Р. Вирхов установил: «Всякое болезненное изменение связано с каким-то патологическим процессом в клетках, составляющих организм». Это утверждение стало основой для появления важнейшего раздела современной медицины – патологической анатомии.

Вирхов был одним из основоположников исследования явлений жизнедеятельности на клеточном уровне, что является его бесспорной заслугой. Однако при этом он недооценивал исследования тех же явлений на уровне организма как целостной системы. В представлении Вирхова организм – это государство клеток и все его функции сводятся к сумме свойств отдельных клеток.

В преодолении этих односторонних представлений об организме большое значение имели работы И.М. Сеченова, С.П. Боткина и И.П. Павлова. Отечественные ученые доказали, что организм представляет собой по отношению к клеткам высшее единство. Клетки и другие структурные элементы, составляющие тело, не обладают физиологической самостоятельностью. Их формирование и функции координируются и управляются целостным организмом с помощью сложной системы химической и нервной регуляции.

Коренное улучшение всей техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток.

В 1876 году Эдуард Ван Бенеден установил наличие клеточного центра в делящихся половых клетках.

В 1890 году Рихард Альтман описал митохондрии, назвав их биобластами, и выдвинул идею о возможности их самовоспроизведения.

В 1898 году Камилло Гольджи открыл органоид, названный в его честь комплексом Гольджи.

В 1898 году хромосомы впервые были описаны Карлом Бенда.

Крупный вклад в развитие учения о клетке во второй половине XIX – начале XX вв. внесли отечественные цитологи И.Д. Чистяков (описание фаз митотического деления), И.Н. Горожанкин (изучение цитологических основ оплодотворения у растений), С.Г. Навашин, открывший в 1898г. явление двойного оплодотворения у растений. Успехи в изучении клетки привели к тому, что внимание биологов все больше концентрировалось на клетке как основной структурной единице живых организмов.

Качественный скачок в цитологии произошел в XX веке. В 1932году Макс Кнолль и Эрнст Руска изобрели электронный микроскоп, дающий увеличение в 10⁶ раз. Были обнаружены и описаны невидимые в световой микроскоп микро- и ультрамикроструктуры клетки. С этого момента клетку начали изучать на молекулярном уровне.

XX век несомненно стал веком биологических наук: цитологии, генетики. Это произошло во многом благодаря клеточной теории. Рассмотрим основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка является структурной, функциональной и генетической единицей живого.

2. Клетки растений и животных сходны между собой по строению и химическому составу.

3. Клетка образуется только путем деления материнской клетки.

4. Клетки у всех организмов окружены мембраной (имеют мембранное строение).

5. Ядро клетки - ее главный регуляторный органоид.

6. Клеточное строение растений, животных и грибов свидетельствует о едином происхождении всего живого.

7. В многоклеточном организме клетки подразделяются (дифференцируются) по строению и функции. Они объединяются в ткани, органы и системы органов.

8. Клетка - элементарная, открытая и живая система, способная к самообновлению, воспроизведению и саморегуляции.

Цитология – наука, изучающая состав, строение и функции клетки. Создание светового, а затем и электронного микроскопа, использование методов биохимии и молекулярной биологии позволили глубоко проникнуть в изучении клетки, познать ее структуру и многообразие протекающих в ней биохимических процессов.

2. Методы изучения клетки.

В биологии используют следующие современные методы исследования:

1. Световая и электронная микроскопия (для цитологического изучения крупных и мелких клеточных структур);

2. Центрифугирование (для разделения клеточных структур разной массы и плотности на фракции, оседающие с различной скоростью, при вращении центрифуги);

3. Хроматография (для разделения и анализа смеси веществ, например пигментов листа по составу и массе при разной скорости движения через адсорбент);

4. Электрофорез (для разделения молекул белков и ДНК по массе и заряду при разной скорости движения веществ в электрическом поле);

5. Метод меченных атомов (введение радиоактивных изотопов атомов в биомолекулы для изучения биохимических реакций в клетке, прохождения веществ через мембрану);

6. Секвенирование (для расшифровки состава и последовательности нуклеотидов ДНК в геноме);

7. Генная инженерия у бактерий (например, для производства белка инсулина с помощью генномодифицированных бактерий);

8. Клеточная инженерия у животных;

9. Метод культуры тканей у растений и животных, микроклональное размножение (искусственное выращивание тканей и организмов из соматических клеток вне организма на питательной среде);

10. Микрохирургия клетки (заключается в удалении или имплантировании отдельных органоидов, пересаживании их из клетки в клетку).

Простейшие и микроорганизмы представляют собой отдельные клетки. Тело всех многоклеточных состоит из большого количества клеток, котрые являются своего рода блоками, образующими сложный организм. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему или ее часть, она имеет набор признаков и свойств, общих для всех клеток.

1. Химические элементы входящие в состав клетки.

Все живые организмы содержат в различных соотношениях химические элементы и построенные из них химические соединения.

Химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Химическое соединение – это вещество, в котором атомы одного или нескольких химических элементов соединены друг с другом посредством химических связей.

Химические соединения бывают неорганическими и органическими.

К неорганическим относят воду и минеральные соли. Органические соединения – это соединения углерода с другими элементами (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы).

Живые организмы почти на 98 % состоят из четырех химических элементов: кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). На долю кислорода приходится 65%, углерода – 18 %, водорода – 10 % и азота – 3 %. Водород и кислород – составные элементы воды, на которую приходится 70-80 % массы клетки. Наряду с углеродом и азотом эти два элемента также являются основными составляющими органических соединений, участвующих в большинстве процессов жизнедеятельности. Многие биомолекулы содержат атомы серы (S, до 0,8 %) и фосфора (P, до 0,95 %). Перечисленные элементы наряду с кальцием (Ca), калием (K), кремнием (Si), магнием (Mg), хлором (Cl), натрием (Na) и железом (Fe), которые содержатся в десятых или сотых долях процента, входят в состав всех живых организмов и составляют группу макроэлементов.

В несколько меньшем количестве (от тысячных до стотысячных долей процента) в клетках встречаются элементы, объединенные в группу микроэлементов.

Это марганец (Mn), цинк (Zn), кобальт (Co), иод (I), селен (Se), медь (Cu), фтор (F), бор (B), никель (Ni), серебро (Ag), литий (Li), хром (Cr), алюминий (Al), барий (Ba) и некоторые другие. Суммарная масса всех микроэлементов – 0,02 %. И, наконец, третью группу составляют ультрамикроэлементы – золото (Au), ртуть (Hg), радий (Ra), стронций (Sr) и другие элементы, присутствующие в клетках в миллионных долях процента.

Однако следует помнить, что важность того или иного элемента для нормальной жизнедеятельности клетки определяется не только его количественным содержанием. Многие микро- и ультрамикроэлементы являются жизненно необходимыми ей: они входят в состав необходимых ферментов, гормонов, витаминов и других веществ.

Элементные составы разных клеток многоклеточного организма могут несколько отличаться друг от друга, что связано с различным характером обмена веществ в разных клетках. Кроме того, некоторые организмы способны избирательно извлекать из окружающей среды и накапливать определённые химические элементы, необходимые для их жизнедеятельности. Например, морские водоросли накапливают йод, моллюски и ракообразные – медь, ряска – радий, диатомовые водоросли и злаки – кремний и т.д.

Роль далеко не всех элементов изучена достаточно полно и глубоко, хотя известно, что недостаток или отсутствие некоторых из них может привести к возникновению различных заболеваний. Так, недостаток йода в воде, почве, продуктах питания приводит к возникновению эндемического зоба, а недостаток фтора приводит к кариесу, отсутствие железа в необходимых количествах может служить поводом для развития анемии и т.д.

Таблица 1.

Содержание и значение для жизнедеятельности клеток и организма важнейших химических элементов

1. Неорганические вещества: вода и минеральные соли.

Вода – самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,7°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем (рис. 1). Между диполями воды образуются водородные связи.

Рис.1

Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность – при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100°С и т. д.

Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность) – хорошо растворимые, гидрофобные вещества (от греч. phobos – страх) – практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

1. является основой внутренней и внутриклеточной среды;

2. обеспечивает поддержание пространственной структуры;

3. обеспечивает транспорт веществ;

4. гидратирует полярные молекулы;

5. служит растворителем и средой для диффузии;

6. участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;

7. способствует охлаждению организма;

8. является средой обитания для многих организмов;

9. является средой, в которой происходит оплодотворение;

10. у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян;

11. способствует миграциями распространению семян, плодов, личиночных стадий;

12. способствует равномерному распределению тепла в организме.

Минеральные соли

Большая часть неорганических веществ находится в клетке в виде солей – серной, соляной, фосфорной и других кислот. Минеральные соли играют важную роль в развитии живых организмов. Их недостаток или избыток может привести к гибели организма. Соли могут находиться в клетке либо в виде ионов, либо в твёрдом состоянии.

Концентрации основных неорганических катионов и анионов в межклеточной жидкости и в плазме крови почти одинаковы.

Na+ является основным катионом во внеклеточной среде, а K+ – внутри клетки. Из анионов вне клетки преобладает Cl⎯, а внутри клетки – PO ⎯3 . Живой организм подчиняется физико-химическому закону электроотрицательности: сумма положительных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны.

Для соблюдения этого закона в организме не хватает некоторого количества неорганических анионов. Недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы органических кислот и белков.

Калиевые, магниевые, натриевые соли в комплексе с белками входят в состав цитоплазмы клеток, они определяют кислотно-щелочное состояние цитоплазмы и плазмы крови. Возбудимость нервной, мышечной тканей, активность ферментов, ряд других важных процессов, протекающих в клетке, находятся в зависимости от концентрации тех или иных ионов различных солей. Поэтому в клетке в норме поддерживается строго определённый качественный и количественный состав солей. Так, например, повышение содержания ионов калия оказывает токсическое действие на сердечную мышцу. Отложение кальция в костях возможно только в присутствии ионов фосфора, при соотношение Са:Р = 2:1. Отложение фосфора возможно только в присутствии витамина D.

Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства – способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то, что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты.

По своей реакции растворы могут быть кислыми, основными и нейтральными. Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов Н+. Эту концентрацию выражают при помощи водородного показателя – рН («пэ-аш»). Нейтральной реакции жидкости отвечает рН = 7,0, кислой реакции – рН 7,0. Протяженность шкалы рН – от 0 до 14,0.

Значение рН в клетках примерно равно 7,0. Изменение его на одну-две единицы губительно для клетки. Постоянство рН в клетках поддерживается благодаря буферным свойствам их содержимого. Буферным называют раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Когда кислотность (концентрация ионов Н+) увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, легко соединяются со свободными ионами Н+ и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н+. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н+. Некоторые органические соединения, в частности белки, также имеют буферные свойства.

Неорганические ионы в клетке выполняют многочисленные биологические функции. Рассмотрим некоторые из них.

Биологические функции катионов

• Структурообразующая: обусловлена комплексообразующими свойствами металлов, катионы которых участвуют в образовании функционально активных структур макромолекул и надмолекулярных комплексов (гем, хлорофилл, белки, нуклеиновые кислоты и т.д.).

• Транспортная: катионы в составе металлопротеидов участвуют в переносе электронов или молекул простых веществ. Например, ионы железа и меди входят в цитохромы, которые переносят электроны, а железо в составе гемоглобина связывает и переносит кислород.

• Регуляторная: ионы металлов, соединяясь с ферментами, влияют на активность катионов и регулируют (активируют или ингибируют) скорость химических реакций в клетке (Mg2+ активирует ДНК- и РНК-полимеразу, Ca2+ – креатинкиназу, Mg2+, Mn2+ – гексокиназу; ионы Mn2+, Zn2+, Co2+, Ni2+ ускоряют распад и синтез белков, а ионы Ca2+, Mg2+ участвуют в распаде и синтезе липидов и углеводов).

• Осмотическая: катионы используются для регуляции осмотического и гидроосмотического давлений в клетке и организме в целом.

• Биоэлектрическая: катионы участвуют в возникновении и регуляции величины разности потенциалов на клеточных мембранах в возбудимых клетках (нервных, мышечных) и проведении нервных импульсов.

• Синтетическая: связана с использованием неорганических катионов для синтеза сложных молекул, например, Fe3+ – в синтезе гемоглобина, Ca2+ – в синтезе амилазы. Cu2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Ni2+ поддерживают вторичную и третичную структуру ДНК и РНК, Zn2+, участвуют в образовании активного центра 30 ферментов.

Биологические функции анионов

• Энергетическая: анионы участвуют в образовании главного носителя энергии в организме человека – молекулы АТФ – из АДФ и неорганических фосфатных анионов.

• Механическая (или опорная): например, анион фосфора и катион кальция входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей, тем самым определяя их механическую прочность.

• Синтетическая: связана с использованием неорганических анионов для синтеза сложных молекул. Например, I- участвует в синтезе иодтиронинов в клетках щитовидной железы, SO 2-4 – в синтезе эфиросерных соединений, обезвреживающих в печени чужеродные вещества и биологические яды.

Вопросы для закрепления изученного материала:

1. Охарактеризуйте клетку как структурно-функциональную единицу, единую систему жизнедеятельности, роста, развития.

2. Сформулируйте основные положения клеточной теории. Перечислите основные этапы истории развития биологии клетки.

3. Охарактеризуйте химический состав клетки. Укажите классы и роль основных неорганических и органических веществ.

4. Назовите структуру и функции воды в клетке и организме.

5. Назовите структуру и функции минеральных солей в клетке и организме.

Информационное обеспечение обучения:

1. Общая биология: Учебн. для 10–11 кл. общеобразоват. учреждений / Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2020. – 303 с.: ил.

2. Сухорукова, Л. Н. Биология. 10-11 классы. Базовый уровень. Учебник / Л.Н. Сухорукова, Т.В. Иванова. - М.: Просвещение, 2020. - 128 c.

3. Константинов, В. М. Общая биология: учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования / В. М. Константинов, А. Г. Резанов, Е. О. Фадеева. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 256 с.

Дополнительная, интернет - ресурсы

1. www. sbio. info

2. www. window. edu. ru

3. www.5ballov. ru/test

4. www. vspu. ac. ru/deold/bio/bio. htm

5. www. biology. ru