Основные положения клеточной теории

Клетка – элементарная структурная и функциональная единица живых организмов. Ей свойственны все проявления жизни: рост и развитие, обмен веществ и энергозависимость, размножение, раздражимость, наследственность и др. Лишь вирусы лишены клеточной структуры, однако вне клетки они не проявляют свойства живого. Наука, которая занимается изучением строения и функционирования клетки, называется цитологией.

Исследование клетки стало возможным после изобретения в 1590 г. брать­я­ми Янсен (Захарий и Френсис – голландские мастера очков) первого светового микроскопа (в 1609 г. – итальянский ученый Галилео Галилей, в 1617г. – немецкий ученый Кеплер, на границе XVI – XVII вв. – многими учеными).

Впервые клеточное строение у растений наблюдал и описал англичанин Ро­берт Гук («Микрография», 1665 г.), рассматривая под усовершенствованным им микроскопом Галилея срез бутылочной пробки. При этом он выявил ее ячеистое строение и назвал эти ячейки клетками.

Клетки у различных организмов также наблюдали и другие, ученые того времени: 1675 г. – итальянец Марчелло Мальпиги, 1673 г. – голландец Антони ван Левенгук, 1682 г. – англичанин Неемия Грю.

Но и в XVII, и в XVIII вв. представления о клетке были довольно примитив­ными: клетка рассматривалась как пустая полость, важную роль в которой выпол­няет только оболочка. Содержимому клеток ученые придавали вторичную роль.

В начале XIX в. многие исследователи сосредоточили внимание на изу­чении внутриклеточного содержимого: 1825 г. – чех Ян Пуркинъе открыл ядро в яйце­клетке птиц; 1831 г. – англичанин Роберт Броун описал ядро у растений.

Мысль о том, что клетка является основой организации растений и животных в той или иной форме, высказали многие ученые того времени (Ж.Б. Ламарк, А. Дютроше, Г. Моль, П.Ф. Горанинов и др.).

На рубеже 30 – 40-х гг. XIX в. немецкими учеными зоологом Т. Шванном и ботаником М. Шлейденом была сформулирована клеточная теория, главный те­зис которой – признание общего для всех организмов принципа клеточного строения и роста.

В XIX в. с помощью светового микроскопа были открыты ос­новные структурные элементы клетки, накапливались данные об их функциях.

Во второй половине XIX в. были сделаны новые открытия, которые обогатили клеточную теорию: 1854 г. – немец Крюгер открыл лейкопласты; 1885 г. – немецкий ботаник А. Шимпер – хлоро- и хромопласты; 1890 г. – немец Р. Альтман, а в 1892 г. – В. Флеминг открыли митохондрии; 1898 г. – итальянский ученый К. Голъджи – комплекс Гольджи; 1874 г. – И.Д. Чистяков, а в 1875 г. – Э. Страсбургер открыли деление клеток. В 1855 г. немецкий ученый Р. Вирхов обосновал принцип преемственности клеток путем деления: «каждая клетка от клетки».

В середине XX в. (1946 г.) был изобретен электронный микроскоп, с его помощью стало возможным не только изучить детали структуры известных компонентов, но открыть новые – рибосомы, сферосомы, мембраны и др.

В современном виде клеточная теория содержит четыре основных постулата:

· клетка – наименьшая элементарная структурно-функциональная единица жи­вого. Вне клетки жизни нет;

· клетки растений и животных сходны по своим основным свойствам и строе­нию;

· клетки размножаются только путем деления исходной (материнской) клет­ки;

· клетки большинства многоклеточных организмов специализируются по функциям и обра­зуют ткани.

2.Формы, размеры, химический состав клеток

Размеры клеток тела большинства растений колеблются в пределах от 10 до 100 мкм (1 мкм = 10^–6м) – в одном листе дерева может быть более 100 млн. клеток. Некоторые клетки настолько крупные, что их различают невоору­женным глазом или в лупу – запасающие клетки мякоти плодов арбуза, лимона, яблок, томата; длина и диаметр таких клеток достигают 2 – 5 мм. Особенно боль­шими размерами отличаются удлиненные клетки прядильных растений: длина лубяных волокон у льна равна 20 – 40 мм, у крапивы жгучей – 80 мм, а у китай­ской крапивы (рами) – до 500 мм. Самые крупные клетки растений – клетки млечников, размеры которых измеряются в сантиметрах, а иногда и в метрах.

По форме различают два основных типа клеток: паренхимные – более или менее изодиаметричны, т.е. их величина приблизительно одинакова во всех трех изме­рениях (длина, ширина и высота); прозенхимные – вытянутые, их длина превышает ширину в 5 – 6 раз и более.

Химический состав:

– неорганические вещества:

– вода (60 – 90 % от массы цитоплазмы) – универсальный растворитель, обеспечивает нормальное протекание реакций обмена веществ в клетке создавая оптимальную среду, является источником О₂ и Н₂;

– соли и неорганические кислоты (2 – 6%).

В составе клетки обнаружено более 80 химических элементов. По содержанию в клетке они подразделяются на 3 группы:

– макроэлементы – содержание их в клетке колеблется от 80 до 0,01%. Составляют ~99% массы клетки, причем 98% от всех макроэлементов приходится на кислород, углерод, азот и водород. Остальные: калий, магний, натрий, кальций, сера, фосфор, хлор (их содержание порядка десятых и сотых долей процента);

– микроэлементы – содержание их в клетке колеблется от 0,01 до 0,000001%: бор, кобальт, медь, железо, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов, пигментов;

– ультрамикроэлементы – их доля не превышает 0,000001%: уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и др. металлы. Физиологическая роль большинства этих элементов пока не установлена.

– органические вещества:

– конституционные, т.е. входящие в состав структурных элементов (орга­ноидов) клетки и участвующие в обмене веществ: белки, липиды, нуклеиновые кислоты, углеводы;

– эргастические вещества, т.е. продукты жизнедеятельности клетки: за­пасные (временно выведенные из обмена веществ – крахмал, запасные белки (алейроновые зерна), запасные липиды); отбросы (конеч­ные продукты обмена – оксалат кальция, эфирные масла, смолы).

Белки – высокомолекулярные биополимеры, образованные аминокислота­ми, которые связаны между собой пептидными связями. Составляют 40 – 50% сухой массы протопласта. Входят в состав структурных компонентов клетки, ферментов, гормонов. Выполняют транспортные, регуляторные, защитные и другие функции. Могут образовывать комплексы с другими веществами (сложные белки): с липидами – липопротеиды, с углеводами – гликопротеиды, с нуклеиновыми кислотами – нуклеопротеиды и т.д.

Липиды – жироподобные вещества. Составляют 2 – 3% сухой массы протопласта. Входят в состав структурных компонентов клетки (например, в биологические мембраны), являются запасными энергетическими веществами, влияют на проницаемость клетки и активность многих ферментов, участвуют в создании межклеточных контактов.

Углеводы – первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты биосинтеза других веществ. Составляют 0,2 – 2% сухой массы протопласта. Участвуют в организации органоидов, являются энергетическими запасами клетки, выпол­няют рецепторные и защитные функции (входя в состав кутина, слизей, камедей). Выделяют моносахариды (глюкоза, фруктоза), олигосахариды (сахароза, лактоза, мальтоза) и полисахариды (крахмал, манноза, целлюлоза, инулин). Крахмал – резервный (запасной) энергетический полисахарид. Целлюлоза – основной компонент клеточной стенки (оболочки). Сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот РНК и ДНК.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные биополимеры, образованные нуклеотидами. Их содержание в клетке составляет всего 1 – 2% от массы сухого протопласта. Выполняют роль носителей и передатчиков наследственной информации, а также контроли­руют обмен веществ. Выделяют два типа – РНК и ДНК, которые различаются по составу, строению и функциям. ДНК служит носителем генетической информации, содержится в ядре, а также в митохондриях и пластидах. РНК «считывает» и передает генетическую информацию с ДНК на рибосомы для синтеза белка, содержится в ядре, митохондриях, пластидах, рибосомах, а также в цитоплазме.

Белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы синтезируются в самой клетке. В основе этого синтеза лежат процессы фотосинтеза, осуществляемые за счет энергии света. Непосредственным накопителем и переносчиком энергии при всех реакциях метаболизма служат молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ накапливается в виде фосфатных связей (Р ~ О).

В протопласте содержатся и физиолого-активные вещества типа витаминов, гор­монов (ростовых веществ), фитонцидов и т.д. необходимые для нормальной жизнедеятельности клетки и организма в целом.