Горбачев В.В. Концепция современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

191

К классу белков кроме структурных белков относятся специальные белки —

ферменты, которые выполняют роль биокатализаторов, ускоряющих, а также

регулирующих процесс биосинтеза структурного белка. Скорость биохимической

реакции при наличии фермента может возрасти в 10 миллиардов раз! Примером действия

фермента является знакомый всем любителям кошек по запаху процесс разложения

мочевины на диоксид углерода и аммиак, который идет при наличии фермента — уреазы:

Ферменты имеют активный центр; химическое строение их таково, что с ними могут

соединяться только вещества, на которые этот фермент действует, — так называемые

субстраты. Субстрат — это какая-то молекула, которая после взаимодействия с

ферментом превращается в другую молекулу. Немецким биохимиком Фишером было

установлено правило «замок — ключ»: к ферменту (замок) подходит лишь свой субстрат

(ключ). Отметим, что эта простая модель для сложных механизмов взаимо-

320

действия молекул работает гибко и надежно в условиях непрерывного хаотического

теплового движения молекул. Попробуйте-ка вставить ключ в замок вибрирующего

устройства! Ферменты приспособлены для определенной операции или регулировки

обмена веществ. BA. Энгельгардт сказал, что «о ферментах, как и о людях, судят по их

поведению». Т. Я. Дубнищева [8] приводит интересную метафору: белки могут

производить буквы, но не могут складывать их в слова. Может быть, в том, каким

образом аминокислоты «вставляются» в белки, и состоит один из секретов жизни.

Указание об этом, информацию о топологии построения белковых структур несут в себе

нуклеиновые кислоты.

12.3.4. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты образуют самые крупные молекулы, синтезируемые живыми

организмами. Они существуют в виде полимерных макромолекул, участвующих в

хранении и передаче наследственной информации. Дезоксирибонуклеиновая кислота

(ДНК) содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в

полипептидных цепях и определяет структуру белков; рибонуклеиновая кислота (РНК)

ответственна за создание белков. В управленческой структуре на «фабрике жизни» ДНК

представляет законодательную власть, а РНК — исполнительную.

В качестве мономеров нуклеиновые кислоты содержат элементы аминокислот.

Мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот называются нуклеотидами. Каждый

нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержащего основания, пятиуглеродного сахара

(пентозы) и одной или нескольких фосфатных групп, соединенных ковалентными

связями с пентозой, которая также ковалентно связана с одним из возможных

азотсодержащих оснований (рис. 12.4). Такими основаниями являются цитонин (Ц),

тимин (Т), аденин (А) и гуанин (Г). В любой молекуле ДНК образуются звенья, в

Рис. 12.4. Строение нуклеотида — мономера нуклеиновых кислот.

321

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

192

Рис. 12.5. Двойная спираль молекулы ДНК.

которых молекулы азотистых оснований состоят из пар Ц — Г и А — Т и образуют

как бы закрученную «винтовую лестницу со ступеньками» из пар перечисленных

нуклеотидов. Сами нуклеотиды содержат атомы кислорода, углерода, азота и фосфора.

Пары цитонин — гуанин и аденин — тимин являются термодинамически более

стабильными, чем другие основания, что важно для стабильности жизни. Такая структура

образует знаменитую двойную спираль ДНК, расшифрованную американским

биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским физиком Ф. Криком (р. 1916) в 1953

г. Спираль ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой (рис. 12.5).

Расположение этих четырех типов пар в молекуле ДНК дает указание молекуле РНК, как

надо строить белок. Установлено, что в живом организме эти цепи могут состоять из

миллионов пар в ряду и свернуты в клубки, подобно белковым молекулам. Подсчитано,

что число возможных вариантов комбинаций пар огромно: из четырех звеньев

количество вариантов составляет около 100 миллионов. Такое разнообразие строения

молекул ДНК обеспечивает и разнообразие живых организмов. Моносахарид в виде

пентозы или гексозы (6-атомный сахар) может входить в состав нуклеотида в виде β—D-

рибозы и β—D-дезоксирибозы. Поэтому нуклеотиды, содержащие рибозу, называются

рибонуклеотидами и являются мономерными звеньями в молекуле РНК, а содержащие

дезоксирибозу, — дезоксирибонуклеотидами и образуют молекулы ДНК.

Нуклеотиды, полимеризуясь в молекулу нуклеиновых кислот, присоединяются друг к

другу так, что фосфатная группа каждого следующего нуклеотида связана с сахаром

предыдущего нуклеотида, в результате чего образуется длинная цепь, называемая сахаро-

фосфатным остовом молекулы (рис. 12.6). Основания располагаются по одну сторону от

этого остатка. Поскольку молекула ДНК состоит из двух цепей, ее можно сравнить также

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

193

322

Рис. 12.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов.

веревочной лестницей, где роль «веревок» играют сахаро-фосфатные остовы, а

«перекладин» — основания, расположенные перпендикулярно оси спирали.

Молекулы РНК бывают трех типов: матричная или информационная (мРНК),

транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Молекула мРНК является копией

{транскриптом) соответствующей ДНК. Этот транскрипт служит матрицей для синтеза

белка. Каждые три пары последовательных оснований мРНК (они называются кодоном)

дают один аминокислотный остаток. Молекулы тРНК в процессе синтеза белка переносят

специфичные аминокислотные остатки к определенному участку мРНК. рРНК образует

рибосому. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК определяет

порядок расположения аминокислот и их воспроизведение в первичных структурах

белков. Таким образом, через молекулы ДНК и РНК передается информация о

наследственных свойствах биологических структур и реализуется механизм

наследственности.

12.3.5. Углеводы

Углеводы (состоящие из углерода и воды) — это большая группа природных

органических соединений С

(Н

, где т и n могут быть разными. Химические свойства

углеводов определяются гидроксильной группой ОН

, они первичные продукты

фотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях.

Роль мономеров в углеводах играют моносахариды: глюкоза и фруктоза. В состав

простых сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1

(например, С

Моносахариды обеспечивают организм необходимой энергией, причем сахара — это

источник быстро получаемой энергии, потому что они легко переходят в форму,

пригодную для удовлетворения энергетических потребностей организма. Простые

323

сахара могут соединяться с образованием более крупных молекул дисахаридов и

полисахаридов. Дисахариды подразделяются на тростниковый сахар (сахароза),

солодовый сахар (мальтоза) и молочный сахар (лактоза); они образуются соответственно

в растениях тростника, свеклы, солода или в молоке. Извлеченная из тростника или

свеклы сахароза называется сахаром.

Из моносахаридных звеньев образуются разветвленные полимерные цепи, не

растворимые в воде и не сладкие на вкус. Они называются полисахаридами. Так,

полисахарид животного происхождения гликоген является полимером глюкозы, которая

запасается в печени организма. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала, например

в картофеле. Растения синтезируют также другой полимер глюкозы — целлюлозу.

Гликоген, крахмал и глюкоза построены из мономеров глюкозы, но с разными

химическими связями. Волокна из целлюлозы желудок человека не переваривает, но они

играют важную роль в рационе нашей пищи, так как придают ей объемность и грубую

консистенцию, стимулирующие перистальтику желудка.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

194

Крахмал и гликоген для растений и животных являются пищей и играют роль

поставщика и резерва энергии. Целлюлозу наряду с пищей для бактерий, грибов и

некоторых видов жвачных животных используют в природе и технике как строительный

материал: из нее состоят бумага и хлопчатобумажные ткани и до 40% клеточных стенок

растений. Каждый из углеводов имеет определенный химический состав и структуру.

В живых клетках простые сахара расщепляются до диоксида углерода (СO

) и воды с

выделением энергии, запасенной в молекулах сахара, которую клетки используют для

самых разнообразных своих потребностей: синтеза белка, активного транспорта белков,

выведения отходов, процессов клеточного дыхания и обмена, сокращения мышц, деления

клеток, различных биохимических реакций и др. Источником энергии для всех этих

видов биологической активности служат органические молекулы, в которых запасена

химическая энергия, выделяемая при разрыве химических связей.

Во всех организмах содержится нуклеотид аденозитрифосфат (АТФ), который

образуется, в частности, при расщеплении сахара (рис. 12.7). АТФ состоит из трех

фосфатных групп и остатков азотистого основания (аденина) и остатка сахара (рибозы).

При разрыве каждой из двух химических связей, обозначенной

324

Рис. 12.7. Структура АТФ.

волнистой линией на рисунке, выделяется много энергии. Каждая из фосфатных групп

может быть отщеплена путем растворения в воде, образования ортофосфата или

неорганического фосфата Ф

и аденозиндифосфата АДФ:

АТФ -> АДФ + Ф

+ энергия.

Процесс идет постадийно с выделением свободной энергии:

АТФ + Н

О -> АДФ + Ф

+ Н

, ∆G = -30 кДж/моль;

АДФ + Н

О -> АМФ + Ф

+ Н

, ∆G = -30 кДж/моль;

АМФ + Н

О -> аденозин + Ф

+ Н

, ∆G = -13 кДж/моль,

где Н

— положительный ион водорода, ∆G — изменение свободной энергии,

выделяемой при отрыве концевой фосфатной группы. Обычно клетки извлекают энергию

из АТФ во время клеточного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну

фосфатную группу. Процесс получения свободной энергии схематически показан на рис.

12.8, а процесс образования самой молекулы АТФ —

Рис. 12.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ.

325

Рис. 12.9. Схема образования молекулы АТФ.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

195

на рис. 12.9. В работе [12] П. Кемп и К. Армc роль АТФ в получении и обмене энергии

в клетке сравнивают с ролью денег в нашей жизни. Клетка нуждается в АТФ так же, как и

мы в наличных деньгах для платы за наши покупки и удовольствия, клетка с избыточным

количеством АТФ может синтезировать питательные вещества (например, те же сахара),

вкладывая эти «сбережения» энергии в банк, т.е. в АТФ, которые затем можно пустить в

дело в виде «живых» денег для удовлетворения своих нужд.

Рис. 12.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в

энергетических процессах живого организма.

326

Процесс превращения энергии в фосфатной связи определяется процессами осмоса и

связан с энергией переноса электронов, а фосфагены — молекулы, аккумулирующие

энергию, были обнаружены во всех живых организмах, от бактерий до животных.

Американский биохимик Ф. Липман рассматривал их функции также как некую

универсальную энергетическую «валюту» в биологических системах и сравнивал роль

фосфора с током в своеобразном метаболическом генераторе (рис. 12.10). Фосфагены, как

и гликогены, отличаются от других возможных аккумуляторов энергии тем, что они

способны быстро удовлетворять энергетические потребности организма.

12.3.6. Липиды

Липиды — водонерастворимые органические углеводородные вещества, или

содержащие их — присутствуют во всех живых клетках и тканях. Они очень

разнообразны по составу и структуре, но обладают одним общим свойством: их

молекулы неполярны. Поэтому они растворимы в неполярных жидкостях, например в

эфире, но нерастворимы в воде. Нерастворимость в воде делает липиды важнейшим

компонентом мембран, разделяющих в живых организмах, и в частности в клетках,

отсеки, заполненные водным раствором. Кроме АТФ сахаров — липиды — главная

форма хранения энергии в животном организме, так как липиды, в отличие от углеводов

в виде сахаров, могут сохраняться в концентрированном виде без воды.

Любое избыточное количество сахара, съеденное человеком и не израсходованное им

сразу же на энергетические потребности, быстро превращается в жир. Чтобы иметь

оптимальные размеры тела, надо тратить энергию, двигаться, работать, а не накапливать

свой жир про запас! А бегунам на длинные дистанции (марафонцам), наоборот, для

пополнения запаса энергии во время бега дают глюкозу. На представлениях об углеводах

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

196

и липидах созданы некоторые лекарства и народные средства. Так, диабетикам полезны

фрукты, которые наряду с сахаром содержат клетчатку и не повышают сахар крови, а

рекламируемый «поглотитель жира» содержит вещества, связывающие излишек липидов

в соединения, которые затем удаляются из организма.

По своим функциональным качествам липиды разделяются на три группы:

• структурные и рецепторные элементы мембран и клеточных поверхностей;

• «депо» энергии;

• передатчики биологических сигналов.

327

Рис. 12.11. Структура ненасыщенных (а) и насыщенных (б) жирных кислот.

Рис. 12.12. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде.

Для первых двух основными компонентами являются жирные кислоты, в третью

группу входят витамины и стероидные гормоны.

Жирные кислоты содержат молекулы с длинной цепью из атомов углерода и водорода

с карбоксильной группой (—COOH) на одном из концов. В насыщенной жирной кислоте

нет ненасыщенных связей между атомами углерода, а в ненасыщенной они есть (рис.

12.11), т.е. ненасыщенные кислоты содержат двойные и (реже) тройные связи.

Карбоксильный конец любой молекулы жирной кислоты полярен и поэтому растворим в

воде. Это связано с тем, что карбоксильная группа (ионный конец) диссоциирует, а сама

длинная углеводородная цепь нерастворима в воде. Благодаря этой особенности

молекулы жирных кислот располагаются на поверхностях раздела между водой и

неполярными органическими веществами, например маслом, и ориентируются так, что

их ионные концы обращены к воде (рис. 12.12). Известный всем эффект действия мыла

на жир состоит в том, что мыло, содержащее модифицированные жирные кислоты,

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

197

очищает загрязненные поверхности, удаляя с них капельки масла или жира. Молекулы

мыла окружают такую капельку, и их углеводородные цепи растворяются в

328

Рис. 12.13. Растворение углеводородных цепей мыла в масле.

масле (рис. 12.13). Водорастворимые карбоксильные группы выходят наружу, т.е.

находятся в воде. В результате этого процесса капля растворяется в воде, отделяется от

загрязненной поверхности и всплывает.

Триацилглицеролы содержат молекулы, которые образованы в результате

присоединения трех остатков жирных кислот к одной молекуле трехатомного спирта. К

этой группе относятся масла (жидкие) и жиры (твердые). В маслах больше

ненасыщенных жирных кислот, чем в жирах. В организмах животных, обитающих в

холодном климате, например рыб арктических морей, содержится больше ненасыщенных

триацилглицеролов, чем у обитателей теплого климата. Биологи отмечают, что благодаря

этому тело этих рыб остается более гибким и при низких температурах. Согласно

биохимии это связано со стойкостью к расщеплению насыщенных жирных кислот. К

двойной связи атомов углерода ненасыщенной кислоты может присоединиться

дополнительная пара атомов водорода.

Кроме того, что жиры обеспечивают до 30% энергопотребности организма, они

играют важную роль в организме. Накапливаясь в жировых тканях, окружающих

внутренние органы, жиры обеспечивают механическую защиту и теплоизоляцию

организма, а также образуют мягкую упругую подкладку в тех местах, которые

подвергаются механическому воздействию. С жирами в организм человека поступают

вещества, обладающие высокой биологической активностью, — витамины A, D, Е, К,

лецитин и другие стерины, регулирующие жировой и холестериновый обмен.

В молекулах фосфолипидов один или два остатка жирных кислот заменены группами,

содержащими фосфор, иногда азот. Фосфолипиды являются важными компонентами

многих мембран. Стероиды — это липиды, состоящие из четырех колец, к которым

присоединены различные боковые группы. К ним относится ряд гормонов. Гормоны —

вещества, производимые специальными тканями высших живых организмов и

передающие специфичные химические сигналы. Их функция состоит в передаче

информации от клеток-датчиков, находящихся в непосредственном контакте с

окружающей средой. Гормоны легко рас-

329

пространяются по всему организму и когда освобождаются вырабатывающей их

тканью, то все органы и ткани, способные реагировать на них, делают это почти

одновременно. Благодаря такой согласованной реакции все части организма приходят в

состояние, наиболее соответствующее условиям внешней среды.

К стероидам относится также холестерол — важный компонент клеточных мембран.

Представителем группы стеринов является холестерин. Кроме регулирования

проницаемости мембран он участвует в образовании желчных кислот, гормонов половых

желез и коры надпочечников, витамина D в коже. Холестерин содержится только в

животных продуктах и присутствует в крови в виде двух фракций: более твердой, плохо

растворимой (высокой плотности) и жидкой (низкой плотности). Избыток его первой

фракции в организме приводит к образованию камней и холестериновых «бляшек» в

сердечно-сосудистой системе. Витамины — это малые органические молекулы. Они

имеют высокую биологическую активность даже в небольшой концентрации,

разделяются на жирорастворимые (A, D, Е, К) и водорастворимые (В, С, Н, Р).

Обобщая обзор биохимических элементов, принимающих активное участие в

процессах жизнедеятельности биологических объектов, отметим, что «азбука» живого —

это 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Существование

небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах показывает, что все

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

198

живое должно, по-видимому, иметь единое происхождение.

12.3.7. Роль воды для живых организмов

В заключение параграфа 12.3 о биохимии живого вещества рассмотрим роль воды в

жизни, поскольку из нее в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь,

по гипотезе Опарина, зародилась в теплом первобытном океане. Вода является одним из

наиболее распространенных веществ на Земле и покрывает большую часть поверхности

нашей планеты. Как заметил Антуан де Сент-Экзюпери (1900—1944), «нельзя сказать,

что вода необходима для жизни — она и есть жизнь».

Всеобъемлющая роль воды для жизни обусловлена ее уникальными свойствами.

Молекулы воды связываются друг с другом водородной связью и обладают полярными

свойствами. Это позволяет воде быть очень хорошим растворителем, в котором

происходит диссоциация, и ионы растворенного вещества легче

330

перемещаются в растворе. Активность биохимических реакций в водной среде клетки

значительно возрастает. Молекулы воды при диссоциации «растаскивают» ионы

полярных молекул. Например, растворение в воде поваренной соли NaCl: отрицательные

ионы гидроксида ОН

притягивают положительные ионы Na

, a положительные протоны

или ионы гидроксония Н

— отрицательные ионы Сl

. В этом проявляются

гидрофильные свойства веществ с полярными молекулами.

Неполярные соединения, например липиды, в воде не растворяются и образуют с

водой поверхности раздела, которые «работают», как мембраны. Именно на этих

поверхностях протекают многие химические реакции, и физика процессов не только

перемещений ионов и электронов в клетке, но и потоков воды во многом зависит от

поверхностных свойств. Молекулы воды могут слипаться друг с другом (когезия) и с

другими веществами {адгезия), в частности, сильное поверхностное натяжение воды

обусловлено адгезией. Кроме того, полярные молекулы воды сильно притягиваются

любой электрически заряженной поверхностью. Вещества с неполярными молекулами

обладают гидрофобными свойствами.

Поэтому вода является не только средой, где протекают биохимические реакции, но и

активным участником различных кинетических процессов переноса веществ в организме.

Вода имеет высокие теплопроводность и теплоемкость. Благодаря первому свойству

тепло от происходящих химических реакций равномерно распределяется по объему и

устраняется перегрев организма. В силу высокой теплоемкости даже для незначительного

повышения температуры организма требуется большее количество энергии. Высокие

теплофизические свойства воды обеспечивают стабильность среды организма и

постоянство протекания биохимических процессов при низких температурах, имеющихся

в нормальном живом организме теплокровных животных. Высокая теплоемкость воды

позволяет океанам поглощать и отдавать огромные количества тепла без значительного

изменения температуры воды и воздуха, что обеспечивает относительное постоянство

температуры окружающей среды, необходимое для протекания биологических

процессов. Тепловые свойства воды наиболее подходят для функционирования

организма, например, высокая температура кипения воды, обусловленная большой

скрытой теплотой кипения и парообразования, с одной стороны, обеспечивает

жизнедеятельность организма при низких температурах (в газообразном состоянии

молекулы веществ просто раз-

331

летелись бы!), а с другой, — означает, что поскольку на испарение требуется энергия,

то при процессе испарения происходит охлаждение организма (это мы неоднократно

ощущаем на себе: перегрев тела устраняется потоотделением).

Вода по сравнению с другими жидкостями имеет высокую температуру замерзания и

при образовании льда выделяет значительную теплоту кристаллизации, что уменьшает

вероятность замерзания воды в клетках организма. Максимальная плотность воды

наблюдается при 4 °С, т.е. выше температуры замерзания. Поэтому при охлаждении от 4

°С до О °С плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твердом, и лед образуется

сначала у поверхности воды и только затем наращивается до дна (например, водоема или

реки). С позиции сохранения жизнедеятельности в водной среде это очень важно, так как

наружный лед изолирует водоем от внешнего холода, а вода со дна при температурах

выше 4 °С, поднимаясь вверх, способствует переносу питательных веществ по всему

объему воды и сохранению жизни. Что касается внутренней водной среды организма, то

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

199

образование льда, проходящее с увеличением объема, разрушает тонкие структуры

клеток и вызывает их гибель, как и гибель всего организма в целом.

Удивительным фактом можно считать, что вода, являясь основой жизни на Земле, до

сих пор не слишком хорошо исследована на молекулярном уровне и во многом остается

субстанцией с таинственными свойствами, выделяющими ее из всех остальных веществ.

Так, недавно в воде были обнаружены кластеры молекул воды, которые образуются в

результате самосборки. Они изменяют структуру воды и могут играть роль ячеек памяти.

12.4. Клетка как элементарная частица молекулярной биологии

Onnis cellula ex cellula. (Каждая клетка из клетки.)

Вирхов

Все живое состоит из клеток. Поэтому, чтобы ответить на кардинальный вопрос: «Что

такое жизнь?», надо понять, в том числе, как работает живая клетка, из чего она состоит и

как устроены отдельные ее элементы. Конечно, в нашем курсе это будет беглое

знакомство в рамках представлений концепции совре-

332

менного естествознания. (Более глубокие и подробные сведения можно получить из

учебников по биологии и книг, рекомендованных в конце учебника.)

Надежно установлено, что все живое состоит из клеток как дискретных единиц,

подобно тому как неживое вещество — из дискретных атомов и молекул и развивается из

клеток, которые можно считать мельчайшими единицами живой природы. Правда, жизнь

может существовать и во внеклеточной форме — в виде вирусов. Вирусы — это

совокупность макромолекул размером 20—300 нм, они состоят из нуклеиновой кислоты

и белковой оболочки, называемой капсидом. Вирусы видеоспецифичны, размножаются

только в живых клетках-«хозяевах», значительно меньше самых мелких клеток и не

способны к самовоспроизведению. Поэтому именно клетка является структурной и

функциональной единицей любого живого организма. Каждая клетка является

микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация,

которая достаточна для воспроизведения всего организма, причем этот носитель жизни

«подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом». Элементарные

явления на этом уровне организации биологических структур обусловлены процессами

обмена веществ. Благодаря деятельности клеток поступающие из окружающей среды

вещества превращаются в субстраты, энергию и информацию, которые усваиваются в

процессе биосинтеза белков в соответствии с генной программой ДНК.

На клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и

превращения веществ и энергии, поэтому элементарные явления на клеточном уровне

создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Целевой

функцией клетки является сохранение ее под воздействием внешней среды, ее

устойчивость как «единицы жизни», стремление поддержать стабильность протекающих

в ней процессов. В настоящее время на Земле насчитывается свыше четырех миллионов

видов клеточных организмов. Средний размер животной соматической клетки 10—20

мкм в диаметре, растительной — 30—50 мкм, масса клетки около — 10

-8

—10

-9

г.

Количество клеток у примитивных беспозвоночных достигает 10

—10

, у

высокоорганизованных животных — до 10

—10

На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на

вновь образующиеся. Минимальный срок жизнедеятельности клеток человека — один-

два дня. Ежедневно

333

погибает до 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов. Клетки крови

полностью заменяются через четыре месяца. Мы знаем почти поговорку: «Берегите

нервы — нервные клетки (нейроны) не восстанавливаются». Да, они не размножаются, но

на протяжении всей жизни непрерывно перестраиваются, И этот процесс можно сравнить

на бытовом уровне с нашей жизнью в течение долгого времени в одном доме, но мы

многократно изменяем в нем обстановку.

Клетке присущи все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на

внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления

(самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в

целом самоорганизация. Клетка обладает как бы полнотой свойств жизни, что позволяет

ей как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

200

многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде. Могут

быть простейшие одноклеточные организмы (бактерии, некоторые водоросли и грибы) и

многоклеточные (большинство животных и растений). Клетки всех живых организмов

имеют похожий химический состав и сходное строение. Известно, что нет никаких

особых атомов, характерных для живого.

Многоклеточные организмы содержат до несколько тысяч клеток и являются

организованными совокупностями клеток, различных по форме, структуре и функциям,

т.е. дифференцированными и дискретными системами. Однако организация клеток в

организме построена по единому структурному признаку.

12.4.1. Строение клетки

Клетки животных и растений различаются, но для них можно выделить три главные

общие части:

• цитоплазму,

• клеточную, или плазматическую, мембрану, отделяющую цитоплазму от

окружающей среды,

• клеточное ядро (рис. 12.14).

Живое вещество клетки (протоплазма) представляет собой студнеобразную массу и

содержит множество структурных элементов меньшего размера, чем сама клетка,

которые называются органеллами. Наружная часть протоплазмы называется клеточной

мембраной, а внутренняя часть — цитоплазмой, состоящей из воды (80%), белка и

аминокислоты (10%), углеводов (5%).

334

Рис. 12.14. Строение клетки.