Что означает клеточный уровень
Клеточный уровень. Клеточная теория
Клетка
Клетка – это основная структурно-функциональная единица всех живых организмов. Она является элементарной биологической системой. В клетке проявляются все основные черты жизни.
Организмы бывают одноклеточные, колониальные и многоклеточные. Одноклеточный организм является самостоятельным целостным организмом. Колониальный организм состоит из множества клеток одного или нескольких типов, каждая из которых имеет определенную самостоятельность и функционирует независимо от других. В многоклеточных организмах клетки дифференцированные, тесно взаимодействуют между собой. Они специализированы, отличаются по строению и функциям, образуют ткани, органы и системы органов. Многоклеточный организм действует как единое целое.
Цитология
Цитология (от греч. цитос – хранилище, клетка) – это наука, которая изучает строение и функции клеток. Изучение клетки тесно связано с изобретением микроскопа.
В 1665 году английский исследователь Роберт Гук (1635-1703 гг.) изучал срез пробки с помощью сконструированного им микроскопа и открыл клеточное строение растительных тканей, предложил термин «клетка». Но он имел дело с оболочками мертвых клеток. Голландец Антоне ван Левенгук (1632–1723 гг.) открыл одноклеточных животных и бактерии (назвал анималькулы – маленькие животные), а также эритроциты и сперматозоиды.
Собранное большое количество информации о структуре разных клеток в начале XIX века стало предпосылкой создания клеточной теории. Английский ботаник Роберт Броун в 1833 году обнаружил основную структуру клетки – ядро.
Основоположниками клеточной теории являются немецкий ботаник М. Шлейден (1804-1881 гг.) и немецкий зоолог Т. Шванн (1810-1882 гг.), основные положения которой были сформулированы в 1839 году. Была дополнена эстонским ученым К. Бэром и немецким академиком Р. Вирховым (1821-1902 гг.). К. Бэр в 1827 г. открыл яйцеклетку птиц и млекопитающих и показал, что многоклеточные организмы этих животных развиваются из одной клетки. Г. Вирхов доказал, что клетки размножаются делением.
Основные положения клеточной теории:
– клетка является элементарной структурной единицей живых организмов. Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов имеют подобное строение, происхождение (гомологические), химический состав, проявление процессов жизнедеятельности;
– новые клетки образуются в результате деления материнской;
– многоклеточные организмы развиваются из одной клетки на протяжении индивидуального развития, разные типы клеток формируются благодаря специализации, в многоклеточном организме клетки образуют ткани, из тканей складываются органы, которые тесно связаны между собой, и деятельность их регулируется нервной, гуморальной и иммунной системами.
Уровни организации живого. Клеточная теория
1. Молекулярный, или молекулярно-генетический, является самым первым, начальным, его изучает молекулярная биология.
2. Клеточный уровень представляет собой клетку с ее свойствами (обмен веществ, раздражимость и т. д.).
3. Тканевой уровень охватывает системы клеток — ткани.
4. Органный уровень объединяет органы, образованные из тканей.
5. Организменный уровень включает в себя все системы органов одного организма.
6. Популяционно-видовой уровень является надорганизменным и охватывает группы особей: популяции, виды.
7. Экосистемный уровень объединяет популяции и виды в состав экосистем.
8. Биосферный уровень — самый сложный, в его состав входят все экосистемы.
1. В настоящее время на планете существуют два надцарства — прокариоты (безъядерные цианобактерии, эубактерии, археи) и эукариоты (ядерные).
2. Прокариоты имеют размер 1–5 мкм (1 микрометр = 0,001 миллиметра). Размер одноклеточных эукариот варьируется в диапазоне от 10 до 100 мкм, хотя встречаются и более мелкие экземпляры. На сегодняшний день самыми большими одноклеточными признаны ксенофиофоры, которые достигают 10 и более сантиметров в диаметре.
3. В одну «среднюю» клетку эукариот помещается более тысячи бактерий.
4. Внутри бактерии можно разместить тысячи вирусов, каждый из которых имеет диаметр от 20 до 300 нм (1 нанометр = 0,000001 миллиметра).
5. Клетки многообразны по форме и строению. Например, яйцеклетка страуса имеет диаметр 10 сантиметров. Малярийный плазмодий настолько мал, 5 мкм, что паразитирует в эритроците человека. Нервные клетки имеют отростки — дендриты и аксоны, причем аксоны могут достигать длины более 1 метра.
История изучения клетки
1. История создания первого микроскопа, то есть системы линз, через которые стало возможным увидеть микроорганизмы, запутана. Это открытие приписывается двум жителям голландского города Мидделбурга, Захарию Янсену и его отцу Хансу, которые якобы в 1590 году изготовили несколько простых микроскопов. Впрочем, эти сведения до сих пор оспариваются исследователями. Вероятно, над созданием микроскопа работал и Галилео Галилей.
2. Увеличительные возможности нового прибора очень заинтересовали английского естествоиспытателя Роберта Гука. Он, изучая срез пробки и сердцевины бузины, увидел ячейки, похожие на пчелиные соты — клеточные оболочки. Гук решил, живое вещество представлено именно клеточными стенками, а внутри них пусто. Несмотря на это заблуждение, термином «клетка» (введенном в 1665 году) наука обязана именно Роберту Гуку.
3. Голландец Антони ван Левенгук не был профессиональным ученым, но все свободное время посвящал изготовлению линз и приборов из них. К 1674 году он добился такого качества линз, что увидел простейших, дрожжи, чуть позже разглядел бактерии, эритроциты, строение мышечных волокон и многое другое. Его микроскопы показывали бактериальные клетки при увеличении в 270 раз! С 1695 года начали выходить публикации об открытиях Антони ван Левенгука.
4. В 1827 году российский ученый Карл Бэр дал описание яйцеклетки млекопитающих и сделал вывод о развитии организмов из одной клетки.
5. В 1831 году английский ботаник Роберт Браун открыл ядро в растительной клетке.
6. Ян Пуркинье, чешский физиологи и анатом, доказал в 1830-е годы, что клетки внутри не пустые, а заполнены желеобразным веществом — протоплазмой. Также он (возможно, раньше Брауна) утверждал о том, что все клетки содержат ядра.
7. Немецкие ботаник Маттиас Шлейден и физиолог Теодор Шванн на основе уже накопившихся научных фактов создали клеточную теорию. Шлейден занимался цитологией и эмбриологией растений, изучал роль ядра в клетке; также Шлейден и Шванн в 1839 году открыли ядрышко.
Итак, в 1839 году, после изучения данных, полученных Шлейденом, Теодор Шванн в книге «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» предложил следующие положения клеточной теории.
1. Организмы состоят из клеток, образованием и ростом которых управляют одни и те же законы.
2. Клеткообразование — общий принцип развития для элементарных частей организма.
3. Ткани состоят из клеток. Клетка есть индивидуум, самостоятельное образование. Клетки взаимодействуют так, что возникает гармоничное целое.
4. В клетках все процессы могут быть сведены к следующим:
В этой первой клеточной теории была допущена значительная ошибка — клетки, по Шлейдену и Шванну, образуются из первичного неклеточного вещества. В 1850-е годы немецкий врач Рудольф Вирхов внес важнейшее уточнение в клеточную теорию — «всякая клетка происходит из другой клетки».
Современные представления о клетке намного более обширны. Их смысл сводится к тому, что клетка представляет собой целостную систему, является элементарной единицей, все клетки близки по строению и химическому составу, дифференцированы.
Главные положения современной клеточной теории
1. Клетка — элементарная структурно-функциональная единица организма, основа его строения, жизнедеятельности, размножения и развития.
2. Клетки всех организмов похожи по строению и химическому составу.
3. Новые молодые клетки рождаются только путем деления уже существующих клеток.
4. Рост и развитие многоклеточного организма являются следствие роста и развития одной или нескольких исходных клеток.
5. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям, объединяются в различные ткани, органы и, на высшем уровне, системы органов.
6. Наличие клеток позволяет утверждать о единстве происхождения всего живого.
Клеточный уровень
На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.
Сегодня наукой точно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка.
Клеткапредставляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.
Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Успехи современной цитологии неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.
В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.
Открытие существования клеток произошло в конце XVIIв., когда был изобретен микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Р. Гуком в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди создателей клеточной теории следует также назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных
организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.
Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно клеточная теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.
Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты, или органеллы, клетки — мембрана, рибосомы, лизосомы и др.
По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 10 15 ), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).
Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.
Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:
1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;
2) цитоплазмы с разнообразной структурой;
3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.
Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды — специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.
Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподоб-ных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.
Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы — маленькие органы, отграниченные от содержимого цитоплазмы собственными мембранами. Среди них — митохондрии — мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых осуществляется биосинтез белка в клетке. Эн-доплазматическая сеть — это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.
Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы — длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.
Клетки размножаются путем деления исходной клетки на две дочерние. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию, поэтому перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.
Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки — яйца. Однако в процессе эмбриогенеза клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток — мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, каждая клетка многоклеточного организма несет в себе полный набор генетической информации для построения всех белков, необходимых для организма.
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на д в е группы:
1) прокариоты — клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;
Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х гг., когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три эволюционные линии, до сих пор остается открытым.
Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:
1) автотрофные организмы — организмы, не нуждающиеся в органической пище и могущие осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;
2) гетеротрофные организмы — это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.
Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.
Лекция 2. Клеточный уровень организации живого
1. Клетка как элементарная генетическая и структурно-функциональный биологическая единица. Типы клеточной организации.
Клетка — элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и саморазвитию. В основе строения ВСЕХ организмов лежат сходные структуры — клетки. Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности (вирусы). Среди современных организмов можно проследить формирование клетки в процессе эволюции органического мира от прокариот (микоплазмы и дробянки) до высших растений и животных.
Клеточная теория. История. Современное состояние. Значение — самостоятельно
Типы клеточной организации:
• эукариотический. Появились около 1,5 миллиардов лет назад. Отличаются от прокариотов более сложной организацией и используют больший объем наследственной информации. Общая длина молекулы ДНК в ядре клетки млекопитающего в 1000 раз превосходит длину молекулы ДНК бактерии.
Сравнительная характеристика эу- и прокариот — самостоятельно
Эукариотический тип клеточной организации представлен 2 типами: одноклеточными и многоклеточными организмами. Особенность организмов простейших в структурном отношении соответствуют уровню одной клетки, в физиологическом — полноценной особи. За счет миниатюрных образований органелл выполняются на клеточном уровне функции жизненно важных органов многоклеточных. Клетки многоклеточных организмов, входя в состав тканей и органов утратили свою самостоятельность. Их форма, размеры и строение определяются выполняемыми функциями. Ex. В организме человека более 200 типов клеток, специализированных по функциям, но генотип один и тот же.
Принцип компартментации (клетка поделена на отсеки). Высокая упорядоченность внутреннего содержимого эукариотической клетки достигается путем компартментации ее объема, те подразделением на «ячейки», которые отличаются деталями химического (ферментного) состава. Компартментация способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетки, направленных часто противоположно.
2. Структурно-функциональная организация клетки. Строение и функции биологической мембраны
Состав эукариотической клетки:
1. Поверхностный аппарат (комплекс, клеточная оболочка)
2. ядро — это не органоид
Каждый из компонентов содержит свой комплекс.
Строение и функции биологических мембран:
Свойства мембраны или плазмалеммы:
• способность к самозамыканию
Цитоплазматическая мембрана образует различные типы контактов в зависимости от типа тканей. Ex у нервных клеток — синапсы, сердечная мышца — десмосомы.
Поступление веществ через мембрану. Механизма транспорта веществ зависит от размеров частиц. Малые молекулы и ионы проходят путем пассивного и активного транспорта, макромолекулы и крупные частицы за счет эндо- и экзоцитоза, те образования окруженные мембраной пузырьков. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии по градиенту концентрации путем диффузии, осмоса, облегченной диффузии. Активный транспорт идет с затратой энергии АТФ против градиента концентрации при участии белков переносчиков. Ex. Калиевый-натриевый насос. При нарушении избирательной проницаемости мембран организм страдает, особенно при применении специфических лекарственных лекарственных препаратов (при похудении, например), с мембранами связаны многие процессы жизнедеятельности клетки функционирования органоидов. В основе патологических процессов лежит нарушение молекулярной организации мембран.
Структурные элементы цитоплазмы:
• гиалоплазма (матрикс). Основное вещество, заполняет пространство между органоидами.
• Включения. Непостоянные компоненты, продукты жизнедеятельности клеток. Неживые, не выполнея активных функций, синтезируется в клетке и синтезируется в процессе обмена.
• Органоиды или органеллы. ПОСТОЯННЫЕ компоненты клетки, располагаются в гиалоплазме. Имеют определенное строение и выполняют определенные функции. Подразделяются по назначению на общие, имеются во всех или в большинстве клеток. Это митохондрии, пластиды, и специальные, присущие небольшим группам клеток. Реснички, нейрофибриллы. По строению: 1. немембранные, рибосомы, микротрубочки; 2. мембранные: одномембранные, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и др. вакуоли; двумембранные: митохондрии и пластиды — полуавтономные структуры, т. к. содержат ДНК
Ядро. Необходимо для жизни клетки, обладает большими компенсаторными возможностями. Ex. Структура цитоплазмы разрушено, но ядро цело, то структура восстанавливается, а если разрушено ядро, клетка погибает.
• хранения генетической информации.
• Реализация генетической информации
• центр управления обменом веществ.
• Регуляция активности клетки
Строение метафазной хромосомы. Строение хромосом изучают в метафазе или в начале анафазы. Метафазные пластинки хромосом изучаются для определения хромосомных аномалий плода, используют клетки слущенного кожного эпителия в околоплодных водах. Хромосома — это спирализованная нить, от степени скручивания нитчатых структур зависит длина хромосом. Уровни компактизации хроматина в методичке.
Строение хромосом — самостоятельно.
Совокупность признаков хромосомного набора, число размер и форма хромосом — кариотип. Идеограмма — это систематизированный кариотип. Хромосомы расположены по мере убывания их величины. Кариотип человека. В кариотипе выделяют соматические хромосомы или аутосомы и половые хромосомы X и Y.
44А+ХХ (№45,46) — соматическая клетка, гамета: 22А+Х
44А+ХY (№45-Х, №46Y) 22А+Х, 22А+Y
3. Временные организации клетки
Жизненный цикл клетки
Жизненный цикл клетки подразделяется на 1) митотический и 2) гетеросентетический (специаализация с потерей пролиферации, способности к делению или гибель клетки).
Некроз — гибель от посторонних случайных воздейсвий
Регуляциия клеточного цикла
Осуществляется окружающими клетками и гуморальными факторами. Существенную роль играют особые белки, образующиеся под действием генетической программы — циклоны, они индуцируют митоз и контролируют различную длительность периодов клеточного цикла.
Кейлоны — белки, способны ингибировать деление клеток и синтез ДНК, их действие ткани специфично.
• интерфаза. Репродуктивная фаза, тк в синтетический период идет редупликация ДНК (удвоение). Подразделяется на 3 периода: G1 — пресентетический или постмитотический,S — синтетический, G2 — постсететический или премиотический. В интерфазе клетка активно работает, готовится к делению. К концу интерфазы активность снижается, наблюдается сдвиг ядерно-цитоплазматический отношений (ЯЦО), в сторону увеличения доли ядра.
• Митоз. Разделительная фаза, длится 10% времени митотического цикла. Выделяют 4 периода (фазы).
Периодизация митотического цикла:
G1 – 2n2c, S – 2n4c, G2 – 2n4c
митоз: П: 2n4c; М: 2n4c; А: 2n2c – 4n4c; Т: 2n2c
Цитокенез в растительных клетках: Перегородка формируется изнутри клетки за счет продуктов, концентрируемых в комплексе Гольджи (пектин, целлюлоза). Цитокенез в животных клетках: перетяжка формируется снаружи за счет кортикального слоя цитоплазмы, где располагаются микротрубочки и филоменты.
Биологическое значение митоза:
• происходит точное распределение генетического материала между 2 дочерними клетками. Обе клетки получают ДИПЛОЙДНЫЙ набор хромосом. Поддерживается постоянство чилса хромосомах
• митотический цикл обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений
• является всеобщим механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотического типа.
Нарушение той или иной фазы митоза приводя к патологическим изменениям клеток или возникновению различных соматических мутаций.
Эндомитоз, полиплоидия, политения, амитоз — самостоятельно!
Амитоз — прямое деление клетки, ядро находится в интерфазном состоянии. Хромосомы не выявляются. Приводит к появлению двух клеток, но очень часто в результатте возникают двуядерные и много ядерные клетки. В норме амитоз встречается в животных зародышевых оболочках и в фалликулярных клетках яичника, но никогда не встречается в эмбриональных тканях., только в специализированных. Характерен для патологических процессов (восполение, злокачественный рост).
Дата добавления: 2015-09-29 ; просмотров: 1161 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ