Клеточная теория

Клетка – элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

Размеры клеток изменяются в широких пределах, от 0,1 – 0,25 мкм у некоторых бактерий до 155 мм, что определяет размер страусиного яйца.

Отдельные органеллы – части клеток – не могут жить самостоятельно. Однако, клетки, выделенные из тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, способны расти и размножаться.

История изучения клетки связана с изобретением и совершенствованием микроскопа. Этот прибор изобрели в 1590 году голландские механики братья Ян и Захарий Янсены. С тех пор многие изобретатели и ученые пробовали его усовершенствовать. Одним из них был английский ученый Роберт Гук (1635 – 1703). В 1663 году он с помощью микроскопа рассматривал тонкие срезы пробки, желая понять, почему пробковое дерево хорошо плавает. Он увидел мельчайшие ячейки, которые напоминали ему монастырские кельи. Гук назвал их клетками.

О своем открытии Гук поведал на заседании Английского Королевского общества. Он полагал, что клетки внутри пустые, а живой их частью являются стенки.

К началу XIX века ученые накопили огромный научный материал о клетках. Они поняли, что не только стенки клетки, но и внутреннее ее содержимое является живым веществом. Были найдены клетки в организмах и животных, и растений. Оказалось, что клетки способны размножаться и при этом делятся пополам.

Однако теория клеточного строения была создана лишь после того, как были изобретены мощные микроскопы и методы окраски клеток, позволяющие рассматривать их внутреннее строение. Создателями клеточной теории явились немецкие биологи Матиас Шлейден (1804 ‒ 1881) и Теодор Шванн (1810 – 1882). Они сформулировали основное положение клеточной теории.

Клетка – единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов.

Шлейден и Шванн сделали вывод о том, что вне клетки жизнь невозможна. Однако в их теории содержалась ошибка. Они считали, что клетки образуются из бесклеточной зародышевой массы.

Это ошибочное утверждение исправил немецкий биолог Рудольф Вирхов (1821 – 1902). В 1855 году он сформулировал биологический закон: «Всякая клетка – только от клетки».

Новая клетка может произойти только от других клеток.

Однако и сам Вирхов не избежал серьезной ошибки. Он полагал, что клетки слабо связаны между собой. Впоследствии ученые осознали, что клеточная система является целостной.

Многоклеточные организмы ‒ сложно организованные целостные системы, состоящие из взаимодействующих клеток.

Организмы, состоящие из клеток, разделяются на два надцарства – прокариоты и эукариоты.

Прокариоты не имеют оформленного клеточного ядра. В их организме молекулы ДНК не защищаются ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. И все же наследственную информацию они передают с помощью ДНК.

Эукариоты – организмы, обладающие оформленным клеточным ядром, которое отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой.

К эукариотам относятся бактерии, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными.

В 1960 году были открыты архебактерии, или археи. Их строение имеет общие черты как с прокариотами, так и с эукариотами.

Клетки различаются между собой, прежде всего, набором белков, которые они синтезируют.

Например, в клетках желудка синтезируется пищеварительный фермент пепсин, который в других клетках не образуется.

В каждой клетке растений или животных содержится полная генетическая информация о структуре всех белков данного вида, но в каждой клетке синтезируются только те белки, которые ей нужны.

Многоклеточные организмы живут лишь определенное время. Они содержат два типа клеток: соматические – клетки тела и половые клетки. Соматические клетки высших животных делятся на два типа. К одному относятся клетки, которые живут недолго, но постоянно возобновляются. Другой тип составляют клетки, которые во взрослом организме не делятся и поэтому не возобновляются. Это, прежде всего, клетки нервной и мышечной ткани. Они подвержены старению и гибели.

БЕЛКИ

Углерод – основа жизни. Органические вещества – это соединения углерода. Благодаря тому, что углерод четырехвалентен, его атомы обладают уникальной способностью образовывать цепи и кольца различной длины. Поэтому существует практически бесконечное разнообразие соединений углерода. Наиболее сложными и важными соединениями углерода являются белки и нуклеиновые кислоты.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепочку.

В состав белков, из которых состоят живые существа на Земле, входят 20 аминокислот. В организме бактерии примерно 3 – 4 тыс. различных видов белков, в организме млекопитающих – около 50 тыс.

Молекулы белков ‒ линейные полимеры. В среднем длина белка – около 300 аминокислот.

Выделяют четыре уровня структуры белка.

1. Первичная структура. Последовательная цепочка аминокислот.

2. Вторичная структура. Цепочка аминокислот способна изгибаться, закручиваться в спираль.

3. Третичная структура. Спираль способна сворачиваться, закручиваясь в узел, клубок или вытянутые волокна.

4. Четвертичная структура. Отдельные клубки могут собираться вместе по два, три, четыре и даже больше. Они прикрепляются друг к другу и работают совместно.

Уровни структуры белка: 1 – первичная, 2 – вторичная, 3 – третичная, 4 – четвертичная[44]

Первичная структура белка представляет собой последовательную цепь аминокислот. Она может содержать сотни компонентов. Между отдельными частями первичной цепи могут образовываться водородные связи, благодаря которым цепь свертывается в спираль, образуя складчатый слой. Водородные связи способны придать цепи аминокислот форму винтовой линии, образовав α-спираль. Складчатый слой и α-спираль образуют вторичную структуру белка. Дополнительные связи свертывают спираль в шар, образуя третичную структуру белка. Многие белки способны образовывать четвертичную структуру. Поскольку водородные связи слабые и легко разрываются, белки могут терять свои структуры – денатурировать.

Денатурация – потеря четвертичной, третичной и вторичной структур белка.

В процессе денатурации свойства белка значительно изменяются. Когда человек разогревает пищу, белки денатурируют. Иными словами, белковые клубки разматываются, превращаются в цепочки, которые уже легче вступают в реакцию. Действительно, желудок легче переваривает вареное яйцо, чем сырое.

Однако денатурация в некоторых случаях может быть обратимой. Если белок не распался на отдельные аминокислоты, он еще способен восстановиться. Такой процесс называется ренатурацией.

В организме каждую секунду протекают миллиарды химических реакций. Причем, чем температура выше, тем реакция идет быстрее. Но при температуре выше 40ºС белки начинают денатурировать. А ведь для биохимических реакций это низкие температуры. Поэтому необходимы белки, которые способны ускорять реакции. Они называются ферментами.

Ферменты – белки, которые ускоряют ход химических реакций в клетке.

Например, реакция, которую катализирует, т.е. ускоряет белок оротат-карбоксилаза, идет в 10¹⁷ раз быстрее с ферментом, чем без него: 78 млн. лет без фермента, 18 тысячных долей секунды ‒ с его участием.

В организме человека имеются тысячи ферментов. Известны около 4 000 реакций, которые протекают в их присутствии.

Каждый фермент предназначен только для одной-единственной реакции. В молекуле фермента, свернутого в клубок, имеется отверстие, которое по форме и размерам в точности соответствует молекулам тех веществ, которые фермент должен соединить. Эти молекулы подходят к ферменту, как ключ к замку. Но и сам «замок» способен подстраиваться под «ключ. Аналогично, одежда соответствует телу человека, но когда он одевается, ее форма может изменяться.

Скорость работы ферментов поразительна. За одну минуту фермент способен катализировать от нескольких сотен до нескольких миллионов взаимодействующих молекул.

Без ферментов жизнь невозможна. Когда организм перегревается, первыми из белков разрушаются именно ферменты. Они денатурируют, и организм умирает.