Лекция 1. Химический состав клеток. Вода, соли Общая биология (греч. bios – жизнь, logos – наука) – наука, изучающая общие закономерности строения, обмена веществ, размножения и развития живых организмов, законы наследственности и изменчивости, многообразие живых организмов и закономерности их совместной эволюции и существования в сообществах. Уровни организации жизни на Земле Жизнь изучается на различных уровнях, самый простой из которых – молекулярный. На этом уровне изучаются неорганические и органические молекулы, входящие в состав живых организмов – их строение и функции в живом организме. На клеточном уровне изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение. На организменном уровне изучаются ткани, органы, системы органов и их взаимодействие. Правда существуют и одноклеточные организмы. Для существования во времени необходимо воспроизведение себе подобных, и группы живых организмов образуют виды, состоящие из популяций – это уже популяционно-видовой уровень. Но виды существуют не изолированно, а в природном сообществе, взаимодействуют с другими видами живых организмов и приспосабливаются к факторам неживой природы, формируется биогеоценотический уровень. Самый сложный уровень жизни на Земле – биосферный, это земная оболочка, заселенная живыми организмами. Свойства живых организмов 1. Отличительным свойством живых организмов от неживой природы является в первую очередь обмен веществ. Внешними проявлениями этого процесса является потребление и выделение организмом веществ и энергии. Вещества, поглощенные организмом, используются как строительный материал в реакциях пластического обмена и как источник энергии в реакциях энергетического обмена. И если горящая свеча тоже потребляет кислород и выделяет углекислый газ, то уж пластического обмена при этом не происходит. 2. Важнейшее свойство живых организмов – раздражимость. В ответ на внешнее воздействие происходит возбуждение и ответная реакция на раздражитель, позволяющая приспособиться к изменившимся условиям внешней среды. 3. Движение. У растений движение проявляется в форме тропизмов, ростовых движений, у животных без нервной системы – таксисы, у многоклеточных животных с нервной системой – рефлексы. Кроме того, движение проявляется в движении внутренних сред организма, движении цитоплазмы и органоидов, даже в движении молекул. 4. Рост организмов, который осуществляется за счет образования новых клеток и внеклеточных структур. 5. Развитие – неотъемлемое свойство живых организмов, в результате которого происходит постепенное усложнение организмов, заканчивается развитие старением организма и его смертью. 6. Размножение – свойство живых организмов, благодаря которому виды существуют не только в пространстве, но и во времени. Известно два основных типа размножения – бесполое и половое. При бесполом размножении организм наследует признаки одного организма и не происходит слияния генетического материала, при половом – новый организм образуется всегда после слияния генетического материала и всегда отличается по набору генов от родительских организмов. 7, 8. Для живых организмов характерна высокая степень организации и адаптированность, которая проявляется в сложном строении биологических молекул, органоидов, кле- ток, органов, их специализации к выполнению определенных функций. В результате естественного отбора организмы удивительным образом адаптировались к конкретным условиям обитания. Эта адаптация началась с эволюции на уровне молекул, затем на уровне органоидов клетки – на клеточном уровне, затем на уровне многоклеточного организма. Многообразие жизни Живые организмы, имеющие клеточное строение, подразделяются на две группы: 1) прокариоты (отсутствует структурно оформленное ядро), 2) эукариоты (имеется структурно оформленное ядро). К прокариотам относятся бактерии, к эукариотам – растения, животные, грибы. Кроме выше перечисленных существует группа организмов, не имеющих клеточного строения – вирусы, но они могут размножаться, только паразитируя или в прокариотических, или в эукариотических клетках. Империя Клеточные Империя Доклеточные Надцарство Прокариоты Царство Вирусы Царство Дробянки Надцарство Эукариоты Царство Растения Царство Животные Царство Грибы Подцарство Архебактерии Подцарство Эубактерии Подцарство Оксифотобактерии Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки. Химический состав клеток Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 26 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными. По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории: Макроэлементы, элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe (1,9%). Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов. Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена. Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества. К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице. Неорганические вещества клетки. Вода Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%. Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом. Рис. 317. Вода. Значение воды. Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими, к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран. Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза. Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма. Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов. Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений. Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей). Итак, значение воды для организма заключается в следующем: 1. Является средой обитания для многих организмов; 2. Является основой внутренней и внутриклеточной среды; 3. Обеспечивает транспорт веществ; 4. Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию); 5. Служит растворителем и средой для диффузии; 6. Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза; 7. При испарении участвует в терморегуляции организма; 8. Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме; 9. Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды. Минеральные вещества Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.) Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na+, Ca2+, Mg2+, анионы HPO 4 2-, Cl-, HCO 3 -. Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К+ внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na+ вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl- вне клетки в 30-50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде. Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К+, Na+, Ca2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, Ca2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg2+ (составная часть хлорофилла). Рис. 318. Важнейшие биогенные элементы и их функции От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H 2 PO 4 - и НРО 4 2-. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 -. Фосфатная буферная система: Низкий pH Высокий pH 2+ НРО 4 + Н ↔ H 2 PO 4 Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион Бикарбонатная буферная система: Низкий pH Высокий pH + НСО 3 + Н ↔ H 2 СO 3 Гидрокарбонат – ион Угольная кислота Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.
