• Клетка как интегрированная биологическая система. Вы уже ознакомились с особенностями строения и процессов жизнедеятельности клетки - основной структурно-функциональной единицы всех организмов. Теперь подведем итоги.

Клетки - это именно те универсальные строительные блоки (единицы живой материи), из которых построены все разнообразные живые организмы, населяющие нашу планету. Все клетки состоят из таких основных компонентов: плазматической мембраны, цитоплазмы и ядра (у прокариот его функцию выполняет ядерная зона - нуклеоид). Клетка - это совершенная биоэнергетическая система: она способна превращать одни формы энергии в другие (химическую - в механическую, химическую - в электрическую и т. д.) (рис. 29.1).

Клетка представляет собой информационную систему: в ней сохраняется закодированная наследственная информация об особенностях строения и процессах жизнедеятельности как ее самой, так и всего многоклеточного организма. Поражает компактность хранения информации, недоступная даже наиболее современным компьютерам. Представьте себе: 6 • 10-12 г ДНК яйцеклетки человека кодируют строение и свойства всех белков его организма! В клетке существуют особенные структуры для обеспечения реализации наследственной информации путем биосинтеза белков. Таким образом, каждая клетка служит биохимической фабрикой, ведь ежесекундно в ней происходит множество согласованных биохимических процессов.

Рис. 29.1. Схема, иллюстрирующая взаимопереходы разных форм энергии в клетке

Клеткам свойственна саморегуляция, они способны поддерживать относительное постоянство своего химического состава и свойств (гомеостаз), независимо от изменений в окружающей среде. Клетки способны к самовоспроизведению путем размножения - делением или почкованием.

Клеткам присуща раздражимость: они способны воспринимать разные влияния окружающей среды и определенным образом на них отвечать. Как вы помните, эту функцию обеспечивают сигнальные белки клеточной мембраны. Для клеток как биологических систем характерна целостность, которая обеспечивается взаимодействием внутриклеточных структур в процессе саморегуляции.

В эукариотических клетках есть система внутриклеточных мембран, разделяющих внутреннюю среду на отдельные функциональные участки. Наличие таких участков обеспечивает одновременное протекание многих, часто несовместимых, биохимических процессов.

Между отдельными участками клеток могут существовать функциональная и пространственная связи. Вы помните, что зернистая и незернистая эндоплазматические сети непосредственно соединены между собой. Кроме того, мембраны зернистой эндоплазматической сети функционально связаны с внешней мембраной ядра и комплексом Гольджи.

Эндоплазматическая сеть участвует в образовании вакуолей растительных клеток; комплекс Гольджи - сократительных вакуолей и лизосом. Сливаясь с пиноцитозными или фагоцитозными пузырьками, лизосомы формируют пищеварительные вакуоли (их еще называют вторичными лизосомами). Мембраны пино- и фагоцитозных пузырьков образованы из определенных участков плазматической мембраны.

Двухмембранные митохондрии и пластиды пространственно не связаны с другими структурами. Вы уже знаете, что им присуща определенная степень автономии в клетке, в частности наличие собственной ДНК и размножение делением.

Обобщение данных, полученных во время продолжительного изучения клетки, было сформулировано как клеточная теория.

• Положение клеточной теории на современном этапе развития биологии. Как мы упоминали, впервые клеточную теорию сформулировал немецкий зоолог Т. Шванн (1838), который опирался на работы немецкого ботаника М. Шлейдена. Свой вклад в ее развитие внесли и другие исследователи, в частности эстонский К. Бэр и немецкий Р. Вирхов. К. Бэр показал, что все многоклеточные организмы способны развиваться из одной клетки, например оплодотворенной яйцеклетки. Р. Вирхов выяснил, что новые клетки не возникают из межклеточного вещества (как считали до него), а появляются вследствие размножения материнской. Было доказано, что межклеточное вещество возникает вследствие деятельности клеток.

На современном этапе клеточная теория включает такие положения:

• все организмы состоят из одной или многих клеток. Таким образом, клетка - элементарная единица строения живых существ;
• клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по происхождению, строению, химическому составу, основным процессам жизнедеятельности;
• каждая новая клетка образуется исключительно в результате размножения материнской, то есть клетка - элементарная единица размножения;
• многоклеточные организмы развиваются из одной клетки, то есть клетка - элементарная единица развития;
• клетки содержат наследственную информацию, необходимую для осуществления жизненных циклов и обеспечения смен поколений определенного вида организмов;
• клеткам присуща раздражимость: они способны воспринимать различные воздействия и определенным образом на них отвечать;
• у большинства многоклеточных организмов различные типы клеток формируются вследствие специализации на протяжении индивидуального развития особи;
• у большинства многоклеточных животных и высших растений из клеток, подобных по строению и функциям, сформированы ткани;
• из тканей состоят органы, системы органов и функциональные системы, подлежащие нервной и гуморальной регуляции.

Создание клеточной теории значительно повлияло на дальнейшее развитие всей биологии. Стало понятно, что существование организмов и смена их поколений обеспечиваются последовательностью живых клеток. Таким образом, в основе непрерывности жизни на нашей планете находится именно клетка.

• Современные направления исследований в цитологии. Современные исследования в области цитологии прежде всего направлены на изучение мельчайших органелл и структур клетки. Если современные световые микроскопы не в состоянии обеспечить увеличение объектов исследования более чем в 3000 раз, то электронные микроскопы открыли новые перспективы перед исследователями вследствие достижения увеличений в сотни тысяч раз. Все больше развиваются исследования в области клеточной инженерии - так называемые цитотехнологии.

Цитотехнология — относительно новая область биологических исследований. Она использует разные методы, и прежде всего - выделение клеток из организма и помещение их на питательные среды. Там клетки продолжают жить и размножаться. Культуры таких клеток можно применять не только для научных экспериментов, но и в производстве. В частности, это значительно снижает себестоимость лекарственных препаратов и сохраняет природные ресурсы (например, редчайшего «корня жизни» - женьшеня).

Ученые осуществляют гибридизацию соматических клеток организмов, которые относятся к разным видам, родам, семействам и т. п. При этом с помощью разных микроскопических технологий ядро одной клетки переносят в другую; в клетки одного вида перемещают хромосомы или их участки из клеток другого и т. д. Таким образом искусственно «скрещивают» клетки организмов, генетический материал которых невозможно объединить иным способом (например, человека и мыши, человека и моркови, курицы и дрожжей и т. п.). Гибридизация неполовых клеток позволяет создавать препараты, которые повышают устойчивость против разных инфекций, а также уничтожают некоторые злокачественные опухоли (раковые заболевания). Например, в результате гибридизации нормальных клеток с раковыми получены культуры гибридных клеток, способные вырабатывать противоопухолевые антитела.

Раньше мы уже упоминали о методике клонирования организмов. Клоном (от греч. клон - ветвь, потомок) называют совокупность генетически идентичных клеток или особей, полученных от общего предка неполовым путем. Поскольку каждая неполовая клетка обычно содержит всю наследственную информацию, присущую всему многоклеточному организму, то появляется возможность получить из одной клетки значительное количество организмов с одинаковыми наследственными качествами (рис. 29.2).

Клонирование животных начато лишь в последние десятилетия. Методика такого клонирования заключается в том, что из неоплодотворенной яйцеклетки удаляют ядро и пересаживают в нее диплоидное ядро соматической клетки той же особи. Такую искусственную «зиготу» помещают в матку самки данного вида, где развивается зародыш. Это позволяет получать от ценных по своим свойствам производителей неограниченное количество потомков, которые являются их точными генетическими копиями. Пока ученые клонировали представителей отдельных видов (например, известную овцу Долли) (рис. 29.3).

Рис. 29.2. Развитие растения моркови на искусственной питательной среде из нескольких клеток корнеплода

Рис. 29.3. Методика клонирования: 1 - донор цитоплазмы; 2 - донор ядра соматической клетки; 3 - удаление ядра; 4 - клетка молочной железы; 5 - влияние электрического тока; 6 - начавшая делиться яйцеклетка; 7 - суррогатная (не родная) мать; 8 - результат клонирования - овца Долли

Ключевые термины и понятия. Клеточная теория, цитотехнологии, клон, клонирование.

Кратко о главном

• Клетки - это:

- основные структурно-функциональные единицы организмов;

- биоэнергетические системы, способные превращать одни формы энергии в другие;

- информационные системы, в которых хранится закодированная наследственная информация;

- метаболические системы, в которых одновременно происходит множество согласованных биохимических процессов.

• Клеткам свойственны:

- саморегуляция — они способны поддерживать относительное постоянство своей внутренней среды и физико-химических свойств (гомеостаз) независимо от изменений в окружающей среде;

- самовоспроизведение и передача наследственной информации потомкам, благодаря чему жизнь существует на нашей планете продолжительное время;

- раздражимость — они способны воспринимать разные воздействия и определенным образом на них отвечать.

• Клетке как интегрированной биологической системе присуще тесное взаимодействие разных структур. В эукариотических клетках имеется система внутриклеточных мембран, которые разделяют внутреннюю среду на отдельные функциональные участки, обеспечивающие одновременный ход многих, часто несовместимых, биохимических процессов.
• Обобщение данных, полученных вследствие продолжительного периода изучения клетки, нашло свое отображение в клеточной теории.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие свойства присущи клеткам как самостоятельным интегрированным биологическим системам? 2. В чем заключается пространственная и функциональная связь между основными составляющими клетки? 3. Как объяснить выражение «единая мембранная система клетки»? В чем заключается биологическое значение этого явления? 4. Кто впервые сформулировал клеточную теорию? 5. Каковы основные положения клеточной теории на современном этапе развития биологии?

Подумайте

Как и почему клеточная теория повлияла на дальнейшее развитие биологии?

Задание для занятия в группах

Используя разнообразные источники информации, подготовьте общий дайджест о возможностях новейших достижений в области цитотехнологий.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

СТРОЕНИЕ ХРОМОСОМ

(эту работу целесообразнее выполнять после изучения темы «Общий план строения клетки. Поверхностный аппарат. Ядро»)

Цель: научиться распознавать на схемах, постоянных микропрепаратах, микрофотографиях хромосомы.

Оборудование и материалы: микроскопы, предметные и покровные стекла, постоянный микропрепарат слюнных желез мотыля (личинок некровососущих комаров-дергунов), препаровочные иглы, пинцеты, микрофотографии хромосом клеток слюнных желез мотыля.

Ход работы

1. Подготовьте микроскоп к работе.

2. При малом увеличении на постоянном микропрепарате найдите клетки слюнных желез мотыля. При отсутствии постоянного микропрепарата, изготовьте временный: личинку комара положите на предметное стекло, отделите с помощью пинцета первые два сегмента. Слюнные железы (овальные мелкие тельца белого цвета в красноватой жидкости - гемолимфе) удалите из тела личинки, выдавливая их содержимое через отверстие на месте удаленных передних сегментов, и накройте покровным стеклом.

3. При большом увеличении рассмотрите гигантские хромосомы из клеток слюнных желез мотыля, похожие на исполосованные линии со вздутиями. У мотыля восемь хромосом, но в клетках слюнных желез они имеют вид четырех, поскольку гомологические хромосомы попарно соединены.

4. Сравните увиденное вами с микрофотографиями хромосом клеток слюнных желез мотыля.

5. Сделайте выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

МИТОТИЧЕСКОЕ ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

Цель: научиться наблюдать за процессами жизнедеятельности клеток и распознавать на схемах, постоянных микропрепаратах, микрофотографиях фазы митотического деления.

Оборудование и материалы: микроскопы, постоянные микропрепараты клеток корешков лука или других растений на разных стадиях митотического цикла, микрофотографии различных стадий митотического деления.

Ход работы

1. Подготовьте микроскоп к работе.

2. При малом увеличении микроскопа найдите на микропрепарате корешка корневой чехлик, зоны деления и растяжения.

3. При большом увеличении микроскопа найдите в зоне деления клетки на стадиях интерфазы (прямоугольные, окруженные толстой клеточной стенкой), профазы (в центральной части заметные хромосомы), метафазы (заметно веретено деления, хромосомы в центральной части клетки состоят из двух хроматид каждая), анафазы (хромосомы, представленные одной хроматидой каждая, расположены на полюсах клетки), телофазы (хромосомы раскручиваются, появляются ядерная оболочка и перегородка между дочерними клетками).

4. Сравните увиденное с микрофотографиями разных стадий митотического деления.

5. Сделайте выводы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

СРАВНЕНИЕ МИТОЗА И МЕЙОЗА

(выполняют учащиеся академического уровня обучения)

Цель: закрепить материал, усвоенный во время прохождения теоретического курса. Уметь на схемах и микропрепаратах определять те или другие фазы митотического или мейотических делений.

Оборудование и материалы: схемы и микрофотографии с изображениями всех фаз митоза и мейоза, микропрепараты митоза и мейоза.

Ход работы

1. Внимательно изучите предложенные схемы и микрофотографии.

2. Разложите в правильной последовательности схемы и микрофотографии, на которых изображены соответствующие фазы митоза, и вспомните, какие события происходят на той или иной фазе.

3. То же проделайте со схемами и микрофотографиями, на которых изображены соответствующие фазы первого и второго делений мейоза.

4. Последовательно сравните события, происходящие во время определенных фаз митоза и первого деления мейоза.

5. Выполните то же самое для определенных фаз митоза и второго деления мейоза.

6. Сделайте выводы в виде таблицы по такому образцу:

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6

РЕШЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЗАДАЧ ПО ТРАНСЛЯЦИИ

(выполняют учащиеся академического уровня обучения)

Цель: научиться решать элементарные задачи по молекулярной биологии.

Задача 1. Одна из цепей молекулы ДНК состоит из таких остатков нуклеотидов:

ТАЦ ГАА ЦГЦ АТГ ЦГА ТЦЦ.

Определите, в какой последовательности к функциональному центру рибосомы будут поступать молекулы тРНК с такими антикодонами:

ЦГА УЦЦ ГАА АТГ УАЦ ЦГЦ.

Пример решения.

По принципу комплементарности устанавливаем последовательность нуклеотидов молекулы иРНК, которая была синтезирована на указанном участке цепи ДНК:

АУГ ЦУУ ГЦГ УАЦ ГЦУ АГГ.

Следовательно, последовательность молекул тРНК, поступающих к функциональному центру рибосомы, такая:

тРНК с антикодоном УАЦ; тРНК с антикодоном ГАА, тРНК с антикодоном ЦГЦ % ; тРНК с антикодономАТГ; тРНК с антикодономЦГА; тРНК с антикодоном УЦЦ.

Задача 2. Участок молекулы ДНК имеет такой вид:

АТА ГТЦ ЦГА ГТА ТЦЦ

ТАТ ЦАГ ГТЦ ЦАТ АГГ.

Определите, какая из двух цепей этой молекулы ДНК кодирует полипептид, состоящий из таких аминокислотных остатков:

изолейцин - валин - аргинин - валин - серин.

Пример решения.

Используя таблицу «Генетический код», устанавливаем последовательность остатков нуклеотидов молекулы иРНК, служившей матрицей для синтеза данного полипептида:

АУА - ГУЦ - ЦГА - УЦЦ.

Далее определяем, какая именно цепь молекулы ДНК служила матрицей для синтеза молекулы иРНК: ТАТ ЦАГ ГТЦ ЦАТ АГГ.

Задача 3. Цепь молекулы ДНК до мутации состояла из такой последовательности остатков нуклеотидов:

AAA ААТ ТГГ ЦАГ ТТГ.

После мутации она приобрела такой вид:

ААА ААТ ТГГ ЦАТ ТТГ.

1. Сравнив структуру молекулы ДНК до и после мутации, найдите триплет, подвергшийся изменению.

2. Определите строение полипептидов, которые кодировала цепь ДНК до и после мутации.

3. Сделайте выводы.

Задача 4. Последовательность остатков нуклеотидов одной из цепей молекулы ДНК такая:

ТАЦ ГАЦ АЦГ ГЦГ ATT ТАЦ АГГ ЦГГ ТЦГ АЦГ.

Определите, какое количество молекул полипептидов она кодирует.

Задача 5. Последовательность аминокислотных остатков молекулы полипептида такая: аспарагин - изолейцин - пролин - треонин - валин - цистеин.

Учитывая, что большинство основных аминокислот кодируется несколькими триплетами, определите возможные варианты последовательности остатков нуклеотидов, которые могут кодировать этот полипептид.

Задача 6. Какая последовательность аминокислот кодируется следующей последовательностью нуклеотидов иРНК: ГГТ УПТ, АУА ААТ ТТТ УГА ЦАГ ТТУ?

Какой станет последовательность аминокислот, если вследствие мутации из молекулы иРНК выпадет второй нуклеотид?

Задача 7. Одна из цепей молекулы ДНК представляет собой следующую последовательность нуклеотидов: ТТДГ ГАА АЦГ ТАА ЦАГ ГТА ЦАТ ТАТ. В какой последовательности будут подходить молекулы тРНК, транспортирующие аминокислоты, к рибосоме, которая участвует в синтезе белковой молекулы?

ТЕСТ НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗНАНИЙ

I. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ПРАВИЛЬНЫЙ

1. Укажите процесс, во время которого происходит конъюгация хромосом: а) митоз; б) первое мейотическое деление; в) второе мейотическое деление; г) почкование клетки.

2. Определите количество молекул АТФ, которые синтезируются во время бескислородного этапа энергетического обмена: а) 1 молекула; б) 2 молекулы; в) 4 молекулы; г) 36 молекул; д) молекулы АТФ не синтезируются.

3. Определите количество молекул АТФ, которые синтезируются во время кислородного этапа энергетического обмена: а) 1 молекула; б) 2 молекулы; в) 4 молекулы; г) 36 молекул; д) молекулы АТФ не синтезируются.

4. Укажите, когда именно в процессе фотосинтеза синтезируются молекулы АТФ: а) во время темновой фазы; б) во время световой фазы; в) молекулы АТФ не синтезируются.

5. Выберите правильное определение термина «транскрипция»: а) переписывание информации из молекулы ДНК на молекулу и PH К; б) транспорт аминокислотных остатков к месту синтеза белковой молекулы; в) соединение аминокислотных остатков в полипептидную цепь; г) переход молекулы белка в активное состояние.

6. Укажите, на мембранах каких органелл происходит синтез белка: а) комплекса Гольджи; б) лизосом; в) пищеварительных вакуолей; г) зернистой эндоплазматической сети; д) незернистой эндоплазматической сети.

7. Укажите, где происходит кислородный этап энергетического обмена: а) в митохондриях; б) в хлоропластах; в) в комплексе Гольджи; г) в лизосомах; д) на зернистой эндоплазматической сети.

II. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ДВА ПРАВИЛЬНЫХ

1. Назовите процессы, во время которых синтезируются молекулы АТФ: а) световая фаза фотосинтеза; б) темновая фаза фотосинтеза; в) трансляция; г) подготовительный этап энергетического обмена; д) бескислородный этап энергетического обмена.

2. Укажите биохимические процессы, относящиеся к пластическому обмену: а) самоудвоение ДНК; б) окисление органических соединений; в) окисление неорганических соединений; г) биосинтез липидов.

3. Укажите биохимические процессы, относящиеся к энергетическому обмену: а) фотосинтез; б) окисление органических соединений; в) хемосинтез; г) расщепление органических соединений без доступа кислорода.

4. Укажите, за счет каких электронов восстанавливается фотосистема I: а) происходящих из фотосистемы II; б) собственных, возвращающихся на свой энергетический уровень; в) возникающих при расщеплении молекулы воды; г) возникающих при ионизации атомов водорода.

5. Укажите процессы, в ходе которых выделяется углекислый газ: а) кислородный этап энергетического обмена; б) световая фаза фотосинтеза; в) темновая фаза фотосинтеза; г) аэробное дыхание.

6. Укажите процессы, во время которых удваивается количество молекул ДНК в клетке: а) профаза митоза; б) метафаза первого мейотического деления; в) интерфаза между двумя митотическими делениями; г) слияние гамет.

III. ЗАДАНИЯ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ

1. Установите соответствие между этапами энергетического обмена и количеством молекул АТФ, синтезирующихся во время каждого этапа.

2. Установите соответствие между биохимическими процессами и местами их осуществления в клетке.

3. Установите соответствие между процессами, которые происходят в организме, и их определениями.