www.spbgmu.ru

Михеев в. С.

МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА КЛЕТКИ

ЧАСТЬ 1

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Содержание:

1. Введение

2. Общая характеристика клетки

3. Структура и функции клеточных мембран:

• Биохимия клеточных мембран

• Пространственная организация биомембран

4. Структура и функции клетки животных

• Поверхностный аппарат клетки

• Функции поверхностного аппарата клетки

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь - это способ существования материи, характеризующийся сопряженной циркуляцией определенных химических элементов в водной среде, движимой энергией Солнца в направлении увеличения упорядоченности и сложности.

Все живые системы (биосистемы) имеют высокое содержание опре­деленных химических элементов. К ним, в первую очередь, относятся углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О), фосфор (Р) и сера (S). Доля данных элементов в биосистемах превышает 90%, поэтому их назы­вают биогенными элементами, или биоэлементами. Набор биоэлементов (СНNOРS) включает неметаллы с небольшими атомными массами, т.е. элементы, образовавшиеся в ходе развития Вселенной первыми или од­ними из первых. Простота строения биогенных элементов определяет их высокую стабильность на фоне хорошей реакционной способности.

Основу всех органических веществ, включая биоорганические, со­ставляет углерод. Это определяется способностью его атомов взаимодей­ствовать друг с другом и формировать углеродный скелет молекул разнообразной величины и формы: линейный, разветвленный, цикличе­ский и т.п. Существенным в отношении углерода является и то, что он легко образует химические связи с другими биоэлементами.

Важная характеристика биогенных элементов - формирование газо­образных веществ при взаимодействии друг с другом в условиях физио­логических температур. В частности, газами являются молекулы водорода (Н₂), азота (N₂), кислорода (О₂), метана (СН₄), монооксида углерода (СО), диоксида углерода (СО₂), монооксида азота (N0), диоксида азота (N0₂), аммиака (NНз), сероводорода (Н₂S), диоксида серы (S0₂).

С одной стороны, газообразные вещества в ходе образования и эво­люции Земли находились над ее поверхностью. Здесь они подвергались мощному воздействию солнечного излучения, повышавшего их реакционноспособность. Это означает, что молекулы газов с большей вероятно­стью, чем другие молекулы, участвовали в формировании сложных химических соединений. С другой стороны, газы имели возможность растворяться в воде, которая образовалась путем взаимодействия водоро­да и кислорода.

Исключением из «правила газообразности» в наборе биоэлементов является фосфор. Однако он обладает важнейшим свойством - способностью формировать макроэргические связи, благодаря чему и занял свое место в системе СНNOРS. Такую же способность, хотя и в меньшей степени имеет сера.

По определению, жизнь - это циркуляция химических элементов. В данном случае подразумевается то, что в живых системах биоэлементы могут находиться в составе как органических, так и неорганических со­единений. Наиболее важным в этой ситуации является динамический аспект. В биосистемах органические вещества трансформируются в неор­ганические, из которых вновь синтезируются органические и т.д. Напри­мер, глюкоза в энергетическом обмене расщепляется до СО₂ и Н₂О в клетках большинства организмов. При этом ряд из них (растения, некото­рые бактерии) способны использовать СО₂ и Н₂О в процессах фотосин­теза и хемосинтеза при образовании глюкозы.

Аналогичная ситуация характерна для органических соединений, содержащих азот, ко­торые в биосистемах превращаются в аммиак, нитриты и нитраты, вновь включаемые в органические соединения.

Циркуляция биоэлементов является сопряженной, т.е. круговорот од­ного элемента связан с круговоротом других элементов. Данная особен­ность циркуляции определяется химическим составом биоорганических молекул — все они содержат углерод, водород и кислород. Белки, кроме этих элементов, включают азот и, как правило, серу; нуклеиновые кисло­ты - азот и фосфор. Азот и фосфор содержатся в ряде сложных липидов и углеводов. Критическим моментом сопряженной циркуляции является этап перехода простых неорганических соединений в более сложные ор­ганические.

Неизбежность сопряжения круговоротов резко ограничивает число основных химиче­ских элементов, малых органических соединений и полимеров, характерных для живых систем, начиная с шести элементов СНNOРS и заканчивая тремя типами биополимеров: полисахаридами, полипептидами и полинуклеотидами.

Сопряженная циркуляция биоэлементов осуществляется в водной среде. Вода (Н₂О) была одним из первых неорганических веществ при образовании Земли. Уникальные физико-химические свойства молекулы воды, основанные на простоте строения и дипольности, определили ее центральное место в биосистемах. Живые организмы содержат в своем составе 50-99% воды, выполняющей важные биологические функции. Существенно, что молекулы воды представляют собой и химические реа­генты — вода принимает участие в реакциях гидролиза и гидратации, а также является продуктом реакций конденсации и дегидратации.

Циркуляция химических элементов в живых системах происходит не спонтанно (самопроизвольно), а под действием энергии. Это означает, что существование биосистем (жизни) невозможно без притока энергии из источника за пределами Земли. С этой точки зрения, живые системы яв­ляются термодинамически открытыми системами — они потребляют энергию для осуществления сопряженной циркуляции химических эле­ментов во всем ее многообразии.

Согласно законам термодинамики, энергия не может быть полностью использованной для работы - часть энергии, полученной системой, обяза­тельно выделяется этой системой в виде тепловой энергии.

Таким образом, живые (открытые) системы не только поглощают, но и выделяют энергию, т.е. формируют поток энергии, необходимый для кругооборота веществ. Из этого следует, что существование жизни на Земле невозможно без потока энергии.

В процессе возникновения самых простых биосистем, протобионтов (от греч. protos - первый, bios — жизнь, ontos — сущее, существо), на Земле наиболее мощным источником энергии было солнечное излучение. Для эффективного использования этого вида энергии протобионтам было необходимо трансформировать ее в энергию химических связей.

Эта задача, видимо, решалась с помощью железосодержащих органических молекул, способных транспортировать электроны, возбужденные энергией Солнца. Их переход на более низкие энергетические уровни обеспечивал энергию для создания градиентов ионов, например, протонов (Н⁺). В свою очередь, энергия градиента использовалась для синтеза соединений с макроэргическими химическими связями-макроэргов.

Простейшим макроэргом является пирофосфат (анион пирофосфорной кислоты), который, очевидно, стал донором химической энергии в первых живых системах на Земле. Именно поэтому фосфор оказался в наборе биоэлементов, обеспечивая энергетику их сопряженной циркуляции. В ходе эволюции энергетическая функция пирофосфата перешла к органическому макроэргу - аденозинтрифосфату (АТФ), и фосфор сам включился в процессы сопряженной циркуляции.

Поток энергии, проходящий через любую систему, вызывает ее упорядочение и усложнение. В биосистемах энергия используется дня синтеза сложных молекул из более простых, т.е. трансформируется в энергию химических связей. Кроме того, поток энергии обеспечивает взаимодействия между молекулами, что повышает упорядоченность системы. Благодаря этому живые системы способны адекватно реагировать на изменения окружающей среды, т.е. адаптироваться к ней.

Одной из форм адаптации (от лат. Adaptatio — приспособление) является усложнение системы, переход ее на новый структурно-функциональный уровень. Это означает, что биосистемы способны изменять свой уровень организации, т.е. эволюционировать. Кроме того, живые системы не только сохраняются и изменяются во времени, но и увеличиваются в числе - размножаются. Размножение представляет собой один из вариантов усложнения системы, которое вызывается потоком энергии. Важно, что при этом часть изменений сохраняется в процессе размножения, передается новым образующимся биосистемам - наследуется.

Таким образом, жизнь — это способ существования материи в виде термодинамически открытых систем, способных к самосохранению саморегуляции и самовоспроизведению.

Простейшей системой, обладающей всеми свойствами жизни, является клетка, которая представляет элементарный уровень организации живых систем - клеточный. Реально он существует в виде одноклеточных организмов. В ходе эволюции одноклеточные организмы формировали колонии и затем - многоклеточные биосистемы, многоклеточные организмы. В результате произошел переход на более сложный уровень организации живых систем - многоклеточный. Единые по происхождению организмы связаны между собой размножением и образуют элементарную эволюционную биосистему — популяцию или вид. Эта система отражает новый уровень живых систем - популяционно-видовой.

Популяции (виды) разных организмов вступают друг с другом в определенные экологические отношения, формируя экологические биосистемы, или экосистемы. Простейшей экосистемой является биогеоценоз, соответствующий биогеоценотическому уровню организации жизни. Самая крупная экосистема - биосфера - охватывает все биогеоценозы, существующие на Земле.

Таким образом, высший уровень организации жизни - биосферный. Именно на биосферном уровне наиболее полно реализуется сопряженная циркуляция биоэлементов — круговорот веществ, движимый исходно солнечной энергией.

Элементарной (простейшей) биосистемой является клетка, т.е. клеточный уровень организации представляет собой фундамент для всех более сложных живых систем. Данная ситуация нашла отражение в клеточной теории:

- все живые организмы, исключая вирусы, состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности;

- все клетки имеют принципиальное сходство в отношении своего строения и базового обмена веществ;

- все новые клетки образуются только в результате деления уже существующих клеток;

- активность многоклеточного организма является результатом активности его клеток и взаимодействий между ними.

Первое положение клеточной теории отражает то, что исходной биосистемой была клетка, на базе которой в ходе эволюции сформировались более сложные системы (многоклеточные). С этой точки зрения, вирусы (от лат. virus - яд) — это сильно упрощенные производные клетки, способные функционировать только как паразитические внутриклеточные формы. Важным моментом первого положения является указание на неклеточные компоненты организмов. Особое значение это имеет для многоклеточных биосистем, где определенные продукты, секретируемые клетками, формируют основу внутренней среды организма и неклеточные элементы соединительных тканей.

Второе положение клеточной теории также отражает единство проис­хождения всех клеток в ходе эволюции. Несмотря на огромное разнообра­зие клеток, возникшее путем дивергенции (от лат. divergo — отклоняюсь) одноклеточные организмы) или дифференцировки (от лат. differentia -различие) у многоклеточных организмов, все они функционируют на ос­нове универсальных структур и процессов метаболизма (от греч. metabole - превращение). Таким образом, это положение постулирует гомологию (от греч. homologia - соответствие, согласие) всех клеток, как в структур­ном, так и в метаболическом аспектах.

В любой клетке можно обнаружить 3 структурно-функциональных субсистемы: поверхностный аппарат, цитоплазму и ядерный аппарат. Энергетический обмен клеток основан на универсальном процессе рас­щепления глюкозы - гликолизе. Поток информации в клетках обеспечива­ется универсальными матричными процессами: репликацией (синтезом ДНК), транскрипцией (синтезом РНК) и трансляцией (синтезом белка). Именно они являются основой существования и размножения клеток.

Третье положение клеточной теории отражает невозможность самозарождения жизни на Земле в настоящее время. Тем не менее, в процессе возникновения жизни был неклеточный период - этап химической эволюции. Очевидно, на нем происходило независимое образование липидов, полипептидов и полинуклеотидов.

Важнейшим моментом химической эволюции было формирование сферических мембранных структур, основу которых составляли липиды. Объединение биополимеров в такой мембранной сфере, вероятно, и стало предпосылкой образования первых, очень простых по строению, биосистем - протобионтов - эволюционных предшественников клеток.

Четвертое положение клеточной теории касается многоклеточных организмов и подчеркивает системность их функций, которые являются результатом взаимодействия клеток (как контактного, так и дистантного).

Данное положение имеет важнейшее медицинское значение - аномалии (от греч. anomalia - неправильность) функций одних клеток могут вызывать изменения функций других клеток. Особенно ярко это проявляется при дефектах клеток, входящих в состав интегральных систем организма: нервной, эндокринной и иммунной.

Исходя из положений клеточной теории, причины большинства болезней человека лежат на клеточном уровне. Именно поэтому изучение структуры и функций клетки является обязательным элементом медицинского образования. В этом аспекте задача медика - нормализовать работу изменившейся клетки, что невозможно без знаний принципов организации клеток в норме.

Более того, зная «норму», можно предсказывать, к каким последствиям способны привести те или иные дефекты клетки. В свою очередь, данные знания позволяют прогнозировать клеточные причины болезни по ее симптомам (от греч. Symptoma - признак) на уровне организма.

наверх