Цитология

Углеводы. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза, гликоген(животный крахмал). Многие углеводы хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления всех жизненных процессов. При распаде одного грамма углеводов освобождается 17,2 кДж энергии.

Углеводы играют важнейшую роль в обмене веществ  и энергии в организме человека и животного. Углероды играют важную роль, как основной строительный материал растений, скелета насекомых, ракообразных и других организмов. Кроме того, углероды в составе сложных биополимеров могут являться носителями биологической информации, определяя иммунологическую специфичность этих соединений.

Жиры. Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры не растворимы в воде. Они входят в состав клеточных мембран. Жиры также служат запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении одного грамма жира освобождается 39,1 кДж энергии.

Биологическая роль жиров заключается прежде всего в том, что они входят в состав клеточных структур всех видов тканей и органов и необходимы для построения новых структур.

Функции клеток

Клетка обладает различными функциями: деление, обмен  веществ и раздражимость.

Деление клетки.

Деление - это  вид размножения клеток. Во время  деления клетки хорошо заметны хромосомы. Набор хромосом в клетках тела, характерный для данного вида растений и животных, называется кариотипом.

В любом многоклеточном организме существует два вида клеток - соматические(клетки тела) и половые клетки или гаметы. В половых клетках число хромосом в два раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках все хромосомы представлены парами - такой набор называется диплоидным и обозначается 2n. Парные хромосомы(одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными.

В половых клетках  каждая из хромосом в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается n.

Наиболее распространённым способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий или фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки.

В процессе деления  цитоплазмы все её органоиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Весь процесс митоза обычно продолжается 1-2часа.

Биологическое значение митоза огромно. Функционирование органов и тканей многоклеточного  организма было бы невозможно без  сохранения одинакового генетического  материала в бесчисленных клеточных поколениях. Митоз обеспечивает такие важные процессы жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования, восстановление органов и тканей после повреждения.

Обмен веществ.

Основная функция  клетки - обмен веществ. Из межклеточного  вещества в клетки постоянно поступают  питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Так, клетки человека поглощают кислород, воду, глюкозу, аминокислоты, минеральные соли, витамины, а выводят углекислый газ, воду, мочевину, мочевую кислоту и т.д.

Набор веществ, свойственный клеткам человека, присущ и многим другим клеткам живых  организмов: всем животным клеткам, некоторым  микроорганизмам. У клеток зелёных растений характер веществ совершенно иной: пищевые вещества у них составляют углекислый газ и вода, а выделяется кислород. У некоторых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений, пищевым веществом служит азот атмосферы, а выводятся соли азотной кислоты. У микроорганизма, селящегося в выгребных ямах и болотах, пищевым веществом служит сероводород, а выделяется сера, покрывая поверхность воды и почвы жёлтым налётом серы.

Таким образом, у клеток разных организмов характер пищевых и выделяемых веществ различается, но общий закон действителен для всех: пока клетка жива, происходит непрерывное движение веществ - из внешней среды в клетку и из клетки во внешнюю среду.

Обмен веществ  выполняет две функции. Первая функция - обеспечение клетки строительным материалом. Из веществ, поступающих в клетку, - аминокислот, глюкозы, органических кислот, нуклеотидов - в клетке непрерывно происходит биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Биосинтез - это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определённым клеткам организма. Реакции биосинтеза активно идут в молодых, растущих клетках. Однако биосинтез веществ постоянно происходит в клетках, закончивших рост и развитие, так как химический состав клетки в течении её жизни многократно обновляется. Обнаружено, что «продолжительность жизни» молекул белков колеблется от 2-3часов до нескольких дней. После этого срока они разрушаются и заменяются вновь синтезированными.Совокупность реакций, способствующих построению клетки и обновлению её состава, носит название пластического обмена.

Вторая функция  обмена веществ - обеспечение клетки энергией. Любое проявление жизнедеятельности  нуждается в затрате энергии. Для энергообеспечения клетки используется энергия химических реакций, которая освобождается в результате расщепления поступающих веществ. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом.

Пластический  и энергетический обмены неразрывно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как «продолжительность жизни» молекул ферментов невелика.

Живая клетка представляет собой открытую систему, поскольку  между клеткой и окружающей средой постоянно происходит обмен веществ  и энергии.

Раздражимость.

Живые клетки способны реагировать на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называется возбудимостью. При этом из состояния покоя клетка переходит в рабочее состояние - возбуждение. При возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбуждённом состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные клетки сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал - нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам.

Подробный жизненный цикл клетки

Жизнь клетки начинается с её образования после деления  родительской клетки и заканчивается  естественным старением и смертью. Жизненный цикл клеток, сохраняющих  способность к митотическому  делению, складывается из двух периодов - митоза и интерфазы, то есть периодами между двумя митозами. Интерфаза занимает около 90% времени жизненного цикла. В этот период происходят разнообразные внутриклеточные синтетические процессы. Одни из них обеспечивают функционирование и рост клетки, другие связаны с подготовкой к митозу.

Митоз - процесс собственно деления клетки, имеющий морфологически и физиологически отличимые стадии. В период подготовки к митозу, то есть в интерфазе, в ядре клетки происходит синтез копий ДНК. В результате количество наследственного материала в ядре удваивается. Ядро увеличивается в размере. Происходят большие изменения в цитоплазме клетки: самовоспроизводятся центриоли, что приводит к появлению двух диплосом вместо одной; более интенсивно начинают функционировать митохондрии, накапливая энергию, необходимую для последующих стадий митоза. В конце интерфазы клетка качественно отличается от исходной и называется родительской. В начале первой стадии митоза(профазе) в ядре исчезает ядрышко, происходит укладка(спирализация) хроматиновых нитей в плотные, компактные, несколько вытянутые частицы - хромосомы. В каждой хромосоме заметна узкая продольная щель, свидетельствующая о том, что на данной стадии митоза родительская хромосома состоит из двух идентичных половинок - дочерних хромосом. Каждая дочерняя хромосома содержит макромолекулу ДНК, состоящую из двух нитей, закрученных в двойную спираль. Одна нить ДНК в этой спирали существовала в ядре и до митоза, а вторая, новая, синтезирована на протяжении интерфазы. В цитоплазме клетки тоже заметны изменения: диплосомы постепенно расходятся в разные стороны, как бы отталкиваясь одна от другой, между ними появляется комплекс связанных с ними тонких нитевидных структур, составленных из микротрубочек: формируется новый компонент клетки - веретено деления. Затем разрушается ядерная оболочка и нити веретена прикрепляются к одному из дифференцированных участков хромосомы - центромере или кинетохору, расположенной либо в средней, либо в концевой части хромосомы. Дочерняя хромосома имеет свою центромеру, и нити веретена протягиваются от каждой из центромер пары дочерних хромосом к дочерним диплосомам, которые, завершив расхождение, образуют в клетке два полюса. На этом профаза заканчивается и наступает следующая стадия - метафаза.

На стадии метафазы хромосомы быстро выстраиваются  в экваториальной плоскости веретена, образуя так называемую метафазную пластинку. Затем происходит резкое разъединение дочерних хромосом, и  начинается стадия анафазы, когда они  расходятся к полюсам клетки. «Растаскивание» хромосом к полюсам осуществляется нитями веретена. При приближении хромосом к полюсам, в которых находятся диплосомы, клетки несколько вытягиваются в направлении движения хромосом. Затем наступает последняя стадия митоза - телофаза, в течении которой веретено постепенно исчезает, хромосомы окружаются вновь появляющейся ядерной оболочкой, деспирализуются и становятся неразличимыми в световом микроскопе, вновь появляются ядрышки, достраивается поперечная перегородка между дочерними клетками. Митоз окончен, наследственный материал поровну поделён между дочерними клетками. После некоторого периода роста они достигают размеров породившей их клетки, становясь внешне совершенно не отличимыми от неё. По окончании митоза клетка либо входит в новую фазу деления, либо в ней начинаются процессы дифференциации, и она может потерять способность к делению.

В природе существуют многочисленные отклонения от обычного хода митотического деления. Например, в некоторых клетках животных и растений вновь синтезированные хроматиновые нити не расходятся к полюсам, не спирализуются и остаются спаренными в единой структуре. В результате образуются огромные ядра с гигантскими вытянутыми хромосомами, причём количество гомологичных нитей в них до тысячи. Такие хромосомы называются лентовидными, они хорошо видны в световом микроскопе. В других случаях не образуются поперечные перегородки между дочерними ядрами и возникают многоядерные клетки - так называемые симпласты.

Все клетки тела организма, называемые соматическими, содержат в ядре пары почти одинаковых хроматиновых нитей. Когда в ходе митоза они превращаются в хромосомы, это сходство можно наблюдать в световом микроскопе. Таким образом этот набор хромосом называют диплоидным.

Удвоение набора хромосом обусловлено тем, что любой новый многоклеточный организм начинает развиваться из одной клетки, образовавшейся после объединения в процессе оплодотворения двух особых половых клеток, мужской и женской. Половые клетки образуются в специальных органах зрелых организмов из зародышевых стволовых клеток: сперматоцитов - в половых органах мужской особи и ооцитов - в половых органах женской особи. Мужская половая клетка называется сперматозоидом, женская - яйцеклеткой.

В отличии от соматических клеток, в половых клетках  количество хромосом вдвое меньше, то есть они обладают гаплоидным набором хромосом. При их последующем слиянии в процессе оплодотворения восстанавливается диплоидный набор, то есть число хромосом увеличивается вдвое. При этом каждый вид хромосом представлен парой гомологичных хромосом: одна хромосома пары от мужской половой клетки, другая - от женской. Процесс образования половых клеток с гаплоидным набором хромосом из клеток с диплоидным набором называется редукционным делением клетки или мейозом.

Мейоз начинается с удвоения хроматиновых нитей. Они скручиваются, но в меньшей степени, чем в профазе митоза. Затем наступает стадия конъюгации(сцепления гомологичных хромосом с образованием бивалентов). При этом длинные тонкие хромосомы тесно сближаются боками и нередко перекручиваются относительно друг друга. В этот момент между гомологичными хромосомами бивалента может происходить обмен участками хроматиновых нитей. Это явление носит название перекрёста, или кроссинговера. Конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер - отличительные особенности мейоза.

Затем биваленты  сильно скручиваются и укорачиваются, но между гомологичными хромосомами  бивалента отчётливо виден промежуток - «щель». Далее следует стадия, аналогичная  метафазе митоза: биваленты выстраиваются  в экваториальной плоскости веретена, располагаясь на больших расстояниях друг от друга. В анафазе к полюсам клетки расходится вдвое меньшее число хромосом, чем при митозе. В телофазе не происходит слишком сильной деспирализации хромосом. Заметно, что каждая из них состоит из двух хроматиновых нитей. Сразу после телофазы следует профаза второго деления. Хроматиновые нити несколько уплотняются, укорачиваются и приобретают форму и размеры митотических хромосом. В результате первого, редукционного, и второго деления, аналогично митотическому, образуется четыре клетки, в ядрах которых содержится гаплоидные наборы хромосом. После завершения дифференцировки этих клеток появляются половые клетки - сперматозоиды или яйцеклетка.

Особенностью  мейоза является не только уменьшение числа хромосом, но и качественно неравное распределение наследственного материала, заключённого в гомологичных хромосомах: гомологичные хромосомные пары имеют качественные генетические различия.

Все вышеперечисленные  процессы одинаковы как у животных, так и у растений. Только у растений они имеют свои особенности.

Заключение

Клетка - это самостоятельное  живое существо. Она питается, двигается  в поисках пищи, выбирает, куда идти и чем питаться, защищает и не пускает внутрь из окружающей среды  неподходящие вещества и существа. Всеми этими способностями обладают одноклеточные организмы, например, амёбы. Клетки, входящие в состав организма, специализированы и не обладают некоторыми возможностями свободных клеток.

Клетка - самая маленькая  единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты. Она представляет собой элементарную живую систему, способную к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению. Клетка является основным «кирпичиком жизни». Вне клетки жизни нет.