Закономерности потока веществ в прокариотической и эукариотической клетках

ФГБОУ ВПО «Пензенский  государственный университет»

Медицинский институт

Кафедра Биологии

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине

«Биология»

Тема: «Закономерности потока веществ

в прокариотической и  эукариотической клетках»

 

 

 

 

Выполнила: ст-ка.гр.12ВЛЛ3

Курылева А.В.

Проверила: ст. преподаватель

Полякова Т.Д.

 

 

 

 

 

 

Пенза 2013г. 
Содержание

 

 

 

Введение

 

Клетка представляет собой основную структурно-функциональную и генетическую единицу живого. В ней (ядро и цитоплазма) сосредоточена вся генетическая информация любого организма. Поэтому прежде, чем изучать непосредственно генетику, необходимо ознакомиться с основами строения и функционирования клетки.

Жизнедеятельность любого живого организма определяется жизнедеятельностью его составляющих единиц - клеток.

Основной регулирующей структурой любой клетки является биологическая  мембрана. Обладая избирательной  проницаемостью, биологическая мембрана регулирует в клетках и их частях концентрацию продуктов метаболизма, их транспорт и обмен.

Регуляция обмена веществ  через мембраны зависит, с одной  стороны, от активности самой клетки, с другой - от физико-химических свойств мембран.

Основное вещество, поступающее  и удаляющееся из клеток, - вода. Движение воды как в живых системах, так  и в неживой природе подчиняется  законам объемного потока, диффузии и осмоса.

Объемный поток - это  движение воды под действием силы тяжести или под давлением. Разница в потенциальной энергии составляет водный потенциал, которым и определяется направление движения воды, т. е. она перемещается из области высокого водного потенциала в область более низкого.

Диффузия всегда происходит по градиенту, т. е. из области с более высокой концентрацией в область с более низкой.

 

1. Клеточная теория

 

В 1665 г. Р. Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки дерева, обнаружил пустые ячейки, которые он назвал "клетками". Он видел только оболочки растительных клеток, и длительное время оболочка считалась основным структурным компонентом клетки. В 1825 г. Я. Пуркине описал протоплазму клеток, а в 1831 г. Р. Броун - ядро. В 1837 г. М. Шлейден пришёл к заключению, что растительные организмы состоят из клеток, и каждая клетка содержит ядро.

1.1. Используя накопившиеся  к этому времени данные, Т. Шванн  в 1839 г. сформулировал основные положения клеточной теории:

1) клетка является  основной структурной единицей  растений и животных;

2) процесс образования  клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку организмов.

В 1858 г. Р. Вирхов - основоположник патологической анатомии - дополнил клеточную теорию важным положением, что клетка может происходить только от клетки (Omnis cellula e cellula) в результате её деления. Он установил, что в основе всех заболеваний лежат изменения структуры и функции клеток.

1.2. Современная клеточная  теория включает следующие положения:

1) клетка - основная структурно-функциональная  и генетическая единица живых организмов, наименьшая единица живого;

2) клетки всех одноклеточных  и многоклеточных организмов  сходны по строению, химическому составу и важнейшим проявлениям процессов жизнедеятельности;

3) каждая новая клетка  образуется в результате деления  исходной (материнской) клетки;

4) клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани;

5) клетка является  открытой системой через которую  проходят и преобразуются потоки  вещества, энергии и информации.

2. Строение и функции  цитоплазматической мембраны

 

Клетка представляет собой открытую саморегулирующуюся систему, через которую постоянно идёт поток вещества, энергии и информации. Эти потоки принимает специальный аппарат клетки, в который входят:

1) надмембранный компонент  – гликокаликс;

2) элементарная биологическая мембрана или их комплекс;

3) подмембранный опорно-сократительный  комплекс гиалоплазмы;

4) анаболическая и  катаболическая системы.

Основной компонент  этого аппарата - элементарная мембрана.

Клетка содержит различные  типы мембран, но принцип их строения одинаков.

 

Рис. 1. Бутебродная модель мембраны.

1 – белковые слои, 2 – билипидный слой

 

Первые представления  о структуре элементарной мембраны были даны Н. Даусоном и Р. Даниеллем (1943). Они описали "бутербродную"(сэндвич) модель мембраны. По их представлениям основу её составляют два слоя липидных молекул, расположенных гидрофобными концами друг к другу, а гидрофильными - наружу. Поверх билипидного слоя располагаются сплошные слои белковых молекул. Однако эта модель не позволяет объяснить многие свойства и функции мембраны.

 

3. Жидкостно-мозаичная модель момембраны

 

В 1972 году С. Сингером и  Г. Николсоном была предложена жидкостно-мозаичная модель строения элементарной мембраны. Согласно этой модели ее основу также составляет билипидный слой, но белки по отношению к этому слою располагаются по-разному. Часть белковых молекул лежит на поверхности липидных слоев (периферические белки), часть пронизывает один слой липидов (полуинтегральные белки), а часть пронизывает оба слоя липидов (интегральные белки). Липидный слой находится в жидкой фазе ("липидное море"). На наружной поверхности мембран имеется рецепторный аппарат - гликокаликс, образованный разветвлёнными молекулами гликопротеинов, "узнающий" определённые вещества и структуры.

 

Рис. 2. Жидкостно-мозаичная модель момембраны

Свойства мембран

1) пластичность,

2) полупроницаемость,

3) способность самозамыкаться.

Функции мембран 

1) структурная - мембрана  как структурный компонент входит в состав большинства органоидов (мембранный принцип структуры органоидов); 2) барьерная и регуляторная - поддерживает постоянство химического состава и регулирует все обменные процессы (реакции обмена веществ протекают на мембранах); 3) защитная; 4) рецепторная.

 

4. Транспорт веществ в клетку

 

Плазмалемма включает элементарную мембрану, которая у животных клеток может быть покрыта муцином, слизью, хитином. Через плазмалемму происходит поступление веществ в клетку. Механизмы мембранного транспорта различны.

Пассивный транспорт  идет по градиенту концентрации и  не требует затрат энергии. Это может быть осмос или диффузия (вода и мелкие молекулы), поступление через поры, путём растворения в липидах и облегчённая диффузия посредством белков-переносчиков - пермеаз (аминокислоты, сахара, жирные кислоты).

Активный транспорт идёт против градиента концентрации, с затратой энергии. Для него необходимы специальные ионные каналы, ферменты и АТФ.

Так работает натрий-калиевый насос. Концентрация калия в клетке выше, чем в межклеточном пространстве, и, тем не менее, ионы калия поступают в клетку.

Цитоз связан с обратимыми изменениями архитектоники мембраны.

Эндоцитоз - захват мембраной  клетки макромолекул или частиц. Мембрана образует выпячивания, которые окружают частицу и замыкаются вокруг неё.

Таким образом, частица  оказывается в цитоплазме в составе эндосомы. Мембрана может захватывать твёрдые частицы (фагоцитоз) или капли жидкости (пиноцитоз). Выделение из клетки веществ, заключённых в мембрану, называется экзоцитозом.

Поступившие в клетку вещества могут использоваться:

1) в анаболической системе - для синтеза соединений, необходимых самой клетке или секретируемых ею;

2) в катаболической  системе - как источник энергии.

Анаболическая система  осуществляет реакции пластического  обмена, или ассимиляции; катаболическая система - реакции энергетического обмена, или диссимиляции.

Эти системы связаны  неразрывно как ассимиляция и  диссимиляция.

Все процессы жизнедеятельности  клетки немыслимы без участия АТФ, синтез которой, в свою очередь, невозможен без ферментов, образуемых в анаболической системе. В такой же тесной связи находятся потоки веществ и энергии в клетке, так как гетеротрофные клетки способны использовать только энергию, заключенную в сложных органических соединениях.

 

5. Анаболическая система клетки

 

К анаболической системе клетки относятся: рибосомы, эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи.

5.1. Рибосомы

 

Рибосомы представляют собой сферические тельца диаметром 15-35 нм, которые состоят из двух субъединиц: малой и большой.

Располагаются они либо свободно в цитоплазме, либо на наружной поверхности мембран эндоплазматической сети и на наружной ядерной мембране. Они на 40 % состоят из рибосомальной РНК (р-РНК) и на 60 % - из белков. Субъединицы рибосом образуются в ядрышке. Информация о структуре р-РНК и белках рибосом закодирована в "ядрышковых организаторах" - участках молекулы ДНК в области вторичных перетяжек спутничных хромосом.

Рибосомы содержат некоторые  органоиды клетки (митохондрии, хлоропласты), способные синтезировать специфичные  белки.

Функции рибосом: принимают  непосредственное участие в синтезе белка.

5.2. Эндоплазматическая сеть

 

(ЭПС) представлена  каналами, пронизывающими всю цитоплазму  клетки, соединяющимися с перинуклиарным  пространством и с полостями  комплекса Гольджи. Стенки каналов образованы элементарной мембраной. Если на наружной поверхности мембран каналов располагаются рибосомы, ЭПС называется гранулярной, если рибосом на мембранах нет - агранулярной. Функции ЭПС: 1) биосинтез белков (гранулярная ЭПС), жиров и углеводов (агранулярная ЭПС);

2) компартментализация  цитоплазмы клетки (разделение на  отсеки); 3) участие в образовании  мембран; 4) образование пероксисом; 5) транспортировка всех веществ в клетке.

5.3. Комплекс Гольджи

 

Комплекс Гольджи представлен системой диктиосом. Каждая диктиосома - это стопка из 10-15 элементарных мембран, образующих замкнутые каналы, толщиной 20-40 нм, расширяющиеся на концах в цистерны. От цистерн отделяются пузырьки, которые образуют лизосомы и вакуоли. Функции комплекса Гольджи: 1) сортировка и упаковка синтезированных в ЭПС веществ; 2) образование комплексных соединений (гликопротеинов, липопротеинов и др.); 3) образование лизосом и глиоксисом; 4) секреция веществ; 5) участие в образовании клеточной стенки (при митозе).

Рис. 3. Строение гранулярной эндоплазматической сети

1 – канал, 2 – мембрана, 3 - рибосомы

Рис.4. Строение комплекса Гольджи

1 – каналы, 2 – цистерна, 3 – вакуоль, 4 - пузырьки

 

6. Катаболическая система клетки

 

К катаболической системе  клетки относятся: лизосомы, микротельца (пероксисомы, глиоксисомы) и митохондрии.

6.1. Первичные лизосомы

 

Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Они представляют собой мелкие (0,2-1 мкм) округлые тельца, покрытые элементарной мембраной, и содержащие до 30-ти различных гидролитических ферментов. При поступлении в цитоплазму эндосом происходит слияние их с первичными лизосомами, ферменты которых активируются, и образуют фагосомы (вторичные лизосомы), в них происходит расщепление сложных органических соединений до более простых (белков до аминокислот и т.д.).

Вторичные лизосомы, в  которых не завершен процесс переваривания называются остаточными тельцами. В пероксисомах происходит окисление аминокислот с образованием перекиси водорода (Н2О2), которая участвует во многих обменных реакциях, в том числе и в неспецифической защите клетки от паразитов. Пероксисомы образуются эндоплазматической сетью. В глиоксисомах происходит превращение жиров в углеводы. Они образуются в комплексе Гольджи.

Рис. 5. Строение лизосомы

1 – матрикс, 2 – мембрана.

6.2. Митохондрия

 

Митохондрия имеет две мембраны - наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует впячивания в полость митохондрии, которые называются кристы. На кристах митохондрий расположены сферические тельца на ножках - АТФ-сомы. Между кристами располагается матрикс, который содержит автономную систему биосинтеза белка (кольцевые молекулы ДНК и рибосомы). Основные функции митохондрий: синтез АТФ, специфических белков и стероидных гормонов.

Рис. 6. Строение митохондрии.

1 – наружная мембрана, 2 – внутренняя мембрана, 3 – матрикс, 4 – кристы, 5 – рибосомы

 

Рис. 7. АТФ-сомы на кристах митохондрий

1 – внутренняя мембрана, 2 – АТФ- сома

6.3. Энергетический обмен, или диссимиляция

 

Энергетический обмен, или диссимиляция, включает три этапа:

I – подготовительный;

II - бескислородный (анаэробный, гликолиз);

III – кислородный (аэробный).

Первичным источником энергии  на Земле является Солнце. Его световая энергия аккумулируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза в химических связях сложных органических соединений. Гетеротрофные организмы способны усваивать только этот вид энергии.