Какие свойства характеризуют клетку как биологически открытую систему

Клетка является элементарной живой системой. На уровне клетки проявляются большинство основных свойств живой материи — обмен веществ и энергии, рост, развитие, раздражение, самовоспроизведение. Мы можем выделить из клетки отдельные ее компоненты или даже молекулы и убедиться, что многие из них обладают специфическими функциональными особенностями. Так, например, выделенные актин-миозиновые фибриллы могут сокращаться в ответ на добавление АТФ; вне клетки активно работают многие ферменты, участвующие в синтезе или распаде сложных биологических молекул; выделенные рибосомы в присутствии необходимых факторов могут синтезировать белок; в настоящее время разработаны неклеточные системы ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и т. д. Можно ли считать все эти отдельно взятые, внутриклеточные компоненты живыми? Вероятно, нет, потому что они обладают только определенным свойством живого, а не всем комплексом таких характеристик. Только клетка является наименьшей единицей, обладающей всеми, вместе взятыми, свойствами, отвечающими определению «живое».

Клетка является открытой системой, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Клетка — не только единица строения, но и единица функционирования. Все ее системы взаимосвязаны и функционируют как единое целое.

Гетеротрофные клетки поручают углеводы извне, а автотрофные клетки сами создают их путем фотосинтеза (из СO2 и H2O, которые поступают из окружающей среды) или хемосинтеза. Большая часть углеводов расщепляется с целью высвобождения энергии. Получаемая энергия связывается в форме АТФ. Энергию АТФ клетка использует на различные жизненные процессы — синтез, выделение веществ, движение и т. д. Глюкоза и другие углеводы используются также для биосинтеза полисахаридов, которые в форме гликолипидов и гликопротеинов включаются в гликокаликс (у животных), в форме гемицеллюлозы и пектиновых веществ — в клеточную стенку растений, в форме хитина — в клеточную стенку грибов. Целлюлоза оболочек растительных клеток синтезируется на плазмалемме или в самой клеточной стенке. Автотрофные зеленые клетки передают большую часть синтезируемых ими углеводов незеленым гетеротрофным клеткам, в основном, в виде сахарозы.

Растительные клетки сами синтезируют большую часть аминокислот, входящих в состав белков Синтез некоторых аминокислот может осуществляться ими в хлоропластах, в митохондриях и цитоплазме. Животные клетки синтезируют сами лишь некоторые аминокислоты (заменимые), часть аминокислот (незаменимые) животные клетки получают из окружающей среды; для этого они поглощают белки, в основном, путем эндоцитоза и расщепляют их затем с помощью ферментов лизосом до аминокислот.

Белки, в том числе и ферменты, синтезируются на рибосомах с участием иРНК и тРНК. Этот синтез идет главным образом в цитоплазме, а также в хлоропластах и митохондриях. Из цитоплазмы белки переходят в клеточное ядро (гистоновые и негистоновые белки хромосом, белки субъединиц рибосом и др.), в митохондрии и хлоропласты.

На рибосомах, связанных с ЭР, синтезируются резервные и экспортные белки, которые при участии комплекса Гольджи путем экзоцитоза покидают клетку.

Все эти и другие процессы осуществляются путем реализации генетической информации, которая сосредоточена в молекулах ДНК ядра, пластид и митохондрий. В названых органеллах происходит репликация ДНК — необходимая предпосылка их идентичного деления и клетки в целом, а также транскрипция, обеспечивающая появление различных видов РНК. На рибосомах при участии всех типов РНК осуществляется трансляция — конечный этап реализации генетической информации или синтез белков. Посредством белков регулируются синтез и расщепление веществ в клетке, синтез АТФ, клеточный рост, подготовка и осуществление деления клетки и другие процессы.

Таким образом, клетка является открытой биологической системой, наименьшей единицей жизни — единицей строения, функционирования, размножения организмов и их взаимосвязи с окружающей средой.

Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.2. Молекулярно-генетический и
клеточный уровни организации жизни

1.2.1.4. Функциональные свойства
клетки как открытой системы

Клетка состоит из большого
количества четко упорядоченных разнообразных молекул. Молекулярные комплексы
образуют органеллы, которые являются составной частью клеточной системы. Внутренний
пространство клетки разделены мембранами на отсеки (компартменти), где происходят
только специфические для данного пространства реакции. Таким образом, клетка является сложной
системой макромолекул нескольких уровней организации. Это целостная неделимая
система, в которой можно выделить ряд подсистем, ответственных за специфические
функции: мембраны, цитозоль,
ядро, митохондрии и т.д.
Клеточные органеллы структурно и функционально связаны между собой.
Жизнедеятельность клеток может осуществляться только при условии скоординированного
связи между ними.

Клетка является открытой системой, поэтому
что она не изолирована от внешней среды. Для жизни и функционирования
клеткам необходимо постоянно взаимодействовать с окружающей средой. В частности, между
средой и клетками постоянно происходит обмен веществом, энергией и
информации. Эти процессы обеспечивают упорядоченный во времени и пространстве,
координированное протекание всех метаболических и физиологических процессов.

Обмен веществом. Между средой и
клетками (как открытыми системами) происходит обмен молекулами. Клетка
избирательно поглощает необходимые и выводит ненужные ему вещества (рис. 1.17).
Поток веществ связан прежде всего с метаболизмом клеток, что представляет собой
единство ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – процесс “уподобления”
веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, которые характерны для нее.
Это – эндотермический процесс, т.е. процесс, требующий затраты энергии.
Установлено, что синтез веществ в клетках происходит за счет метаболического
фонда, который включает: продукты перерабатываемой пищи и продукты диссимиляции, которые
образуются в клетках. Поток веществ в клетке поддерживает стабильный
молекулярный состав ее цитоплазмы, что включает в себя неорганические и органические
соединения. В пищеварительном тракте пища переводится в смесь низкомолекулярных
органических веществ: аминокислот, нуклеотидов, углеводов – неспецифических и
одинаковых для всей живой природы. В таком виде вены и поступают в клетку
и образуют метаболический фонд. За счет процессов ассимиляции выполняются две
очень важные функции: поддерживается структура клетки и она обеспечивается
энергией, поступающей с органическими веществами. Диссимиляция представляет собой
экзотермический процесс, то есть процесс освобождения энергии за счет распада
веществ клетки. Вещества, образующиеся при диссимиляции, также подлежат
дальнейшему превращению и используются клеткой.

Рис. 1.17. Организация потока
веществ клеткой.

Обмен энергией. В клетку вместе с
органическими веществами поступает энергия, аккумулированная в химических связях между
молекулами и атомами, которая затем освобождается и превращается в АТФ. Энергия
необходима для поддержания стабильности клеточной системы: обеспечение структуры,
гомеостаза, метаболизма и функций. Все функции, которые выполняет клетка, требуют
энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Обмен энергией в группах
организмов обеспечивается различными процессами: гликолизом, фотосинтезом,
хемосинтезом, дыханием. Для животных основным является процесс дыхания. Это совокупность
биохимических реакций расщепления (окисления) органических веществ (глюкозы, жирных
кислот, аминокислот) до С 02 и Н,0 и использования энергии разорванных
химических звкзків для образования высококалорийного клеточного “топлива”
в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Как известно, энергетическим материалом в
клетке является молекула АТФ. Она накапливает энергию, свободно перемещается в клетке
и отдает энергию для осуществления эндотермических процессов. АТФ образуется в
результате присоединения к АДФ третьей фосфатной группы. Процессы образования АТФ
происходят на внутренней мембране митохондрий, которая содержит специальные
ферменты – АТФ-синтетазы.

Обмен информацией.

1. Клетка воспринимает изменения в
окружающей среде (сигналы) и способна на них адекватно реагировать. Благодаря
этом клетка может приспосабливаться к меняющимся условиям существования. Это
обеспечивается образованием новых, нужных в данных условиях ферментов и других
макромолекул. Приспособительные внутриклеточные процессы приводят к изменениям
формы, размеров и функционирования клеток. В результате итоге адекватная
реакция на сигналы внешней среды позволяет клетке выжить в условиях,
изменяются.

2. Определенная организация живого связана
с сохранением и использованием потока информации для поддержки
структурно-функциональной организации клетки и ее длительного стабильного
существования как системы. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК в
виде генетического кода – последовательности триплетов нуклеотидов. Информация
переписывается с ДНК на молекулы РНК, обеспечивающих синтез необходимых
структурных белков и ферментов. Образованы белки причастны к появлению определенных
свойств клетки. Другими словами, поток информации в клетке направлен
от ДНК к признаки:

3. Еще один информационный поток
направлен от ДНК одной клетки к дочерней ДНК клетки. Этот поток
связан с процессом размножения. Он реализуется репликацией молекул ДНК
материнской клетки, образованием хромосом, процессом равномерного распределения
наследственного материала между дочерними клетками (митозом):

Этот поток информации обеспечивает
воспроизведение и длительное существование популяций клеток.

Таким образом, жизнь клеток
поддерживается благодаря постоянным потокам веществ, энергии и информации.

Уровни организации жизни.

Молекулярный уровень организации – это уровень функционирования биологических макромолекул – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов. С этого уровня начинаются процессы жизнедеятельности: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. Этот уровень изучают: биохимия, молекулярная генетика, молекулярная биология, генетика, биофизика.

Клеточный уровень – это уровень клеток бактерий, цианобактерий, одноклеточных животных и водорослей, одноклеточных грибов, клеток многоклеточных организмов. Кле́тка—элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов, обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Этот уровень изучают цитология, цитохимия, цитогенетика, микробиология.

Тканевый уровень организации – это уровень, на котором изучается строение и функционирование тканей. Исследуется этот уровень гистологией.

Организменный уровень организации – это уровень одноклеточных, колониальных и многоклеточных организмов. На этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, формирование признаков, присущих особям данного вида. Этот уровень изучается анатомией и эмбриологией, физиологией, генетикой, палеонтологией.

Популяционно-видовой уровень – это уровень совокупностей особей – популяций и видов. Этот уровень изучается систематикой, экологией, генетикой популяций. На этом уровне изучаются генетические и экологические особенности популяций, элементарные эволюционные факторы и их влияние на генофонд.

Экосистемный уровень организации – это уровень микроэкосистем, макроэкосистем. На этом уровне изучаются типы питания, типы взаимоотношений организмов и популяций в экосистеме, численность популяций, динамика численности популяций, плотность популяций, продуктивность экосистем, сукцессии. Этот уровень изучает экология.

Выделяют также биосферный уровень организации живой материи. Биосфера – это гигантская экосистема, занимающая часть географической оболочки Земли. В биосфере происходит круговорот веществ и химических элементов, а также превращение солнечной энергии.

Основные положения совр.клет.теории

Включает следующие положения:

1. Клетка – элементарная единица живого: вне клетки нет жизни. Все

организмы кроме вирусов состоят из клеток.

2. Клетка- единая система, включающая множество закономерно связанных

друг с другом элементов – органелл.

3. Клетки сходны, гомологичны по строению и основным свойствам.

4. Клетки образуются только путем деления материнской клетки.

5. Многоклеточный организм – это новая система из множества клеток,

интегрированных в ткани и органы.

6. Клетки многоклеточных организмов ТОТИПОТЕНТНЫ, т.е. равнозначны

по генетической информации.

Теория симбиотического происхождения клетки

Симбиотическая теория происхождения и эволюции клеток основана на том что три класса органелл – митохондрии , реснички и фотосинтезирующие пластиды – произошли от свободно живущих бактерий , которые в результате симбиоза были в определенной последовательности включены в состав клеток прокариот – хозяев . Все организмы, состоящие из клеток, могут быть сгруппированы в пять царств : царство прокариот (куда относятся бактерии ) и четыре царства эукариот.

Клетка открытая система

Клетка — открытая система, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Жизнедеятельность клетки обеспечивается процессами, образующими три потока: информации, энергии веществ.

Благодаря наличию потока информации клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, передает в ряду поколений. В этом потоке участвуют ядро, макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму, цитоплазматический аппарат транскрипции. Позже полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру, и используется в качестве катализаторов или структурных белков. Также функционируют геномы митохондрий, а в зеленых растениях — и хлоропластов.

Поток энергии обеспечивается механизмами энергообеспечения — брожением, дыханием. Дыхательный обмен включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот. Энергия АТФ в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую, осмотическую, механическую, регуляторную. Анаэробный гликолиз — процесс бескилородного расщепления глюкозы. Фотосинтез — механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ. Дыхательный обмен участвует в расщеплении и образовании углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

У многих бактерий имеются жгутики и пили. Жгутики не ограничены мембраной, имеют волнистую форму и состоят из сферических субъединиц. Пили служат для прикрепления бактерий к субстрату и друг к другу. Спорообразование у бактерий — способ переживания неблагоприятных условий. Споры обладают высокой устойчивостью к радиации, экстремальным температурам, высушиванию и другим факторам, вызывающим гибель вегетативных клеток. Бактерии размножаются бесполым способом — делением «материнской клетки» надвое. Перед делением происходит репликация ДНК. Редко у бактерий наблюдается половой процесс, при котором происходит рекомбинация генетического материала.

Общий план строения эукариотической клетки

Цитоплазматическая мембрана трехслойна: наружный и внутренний слои состоят из молекул белков, средний — из молекул липидов.

Она ограничивает цитоплазму от внешней среды, окружает все органоиды клетки и представляет собой универсальную биологическую структуру

Рибосомы встречаются во всех типах клеток —Это округлые тельца, состоящие из РНК и белков почти в равном соотношении. В них осуществляется синтез белков.

Комплекс Гольджи. В мембранные трубки комплекса Гольджи из канальцев эндоплазматической сети поступают продукты секреции клетки, где они химически перестраиваются, уплотняются, а затем переходят в цитоплазму и либо используются самой клеткой, либо выводятся из нее.

Митохондрии — небольшие тельца палочковидной формы, ограниченные двумя мембранами. От внутренней мембраны митохондрии отходят многочисленные складки — кристы, на их стенках располагаются разнообразные ферменты, с помощью которых осуществляется синтез высокоэнергетического вещества АТФ.

Лизосомы – мелкие овальные образования, ограниченные мембраной и рассеянные по всей цитоплазме. Они возникают в расширениях эндоплазматической сети и в комплексе Гольджи. В обычных” условиях лизосомы переваривают частицы, попадающие в клетку путем фагоцитоза, и органоиды отмирающих клеток.

Пластиды есть только в растительных клетках и встречаются, у большинства зеленых растений. В пластидах синтезируются и накапливаются органические вещества.

Клеточный центр играет важную роль при делении, клетки и состоит из двух центриолей.

У многих растительных и животных клеток имеются органоиды специального назначения: реснички, выполняющие функцию движения, жгутики.

Включения – временные элементы, возникающие в клетке на определенной стадии ее жизнедеятельности в результате синтетической функции. Они либо используются, либо выводятся из клетки.

Вакуоли — это полости, ограниченные мембраной; хорошо выражены в клетках растений и имеются у простейших.

Цитоскелет. Одной из отличительных особенностей эукариотической клетки является развитие в ее цитоплазме скелетных образований в виде микротрубочек и пучков белковых волокон.

Ядро клетки играет основную роль в ее жизнедеятельности, с его удалением клетка прекращает свои функции и гибнет. Функции ядра состоят в регуляции всех жизненных отправлений клетки, которую оно осуществляет при помощи ДНК и РНК-материальных носителей наследственной информации.

Кариоплазма — жидкая фаза ядра, в которой в растворенном виде находятся продукты жизнедеятельности ядерных структур.

Ядрышко — обособленная, наиболее плотная часть ядра.В состав ядрышка входят сложные белки и РНК фосфаты калия, магния, кальция, железа, цинка, а также рибосомы. Ядрышко исчезает перед началом деления клетки и вновь формируется в последней фазе деления.