Сравнительная характеристика клеток прокариот и эукариот

Содержание

Биология как наука. Свойства живых систем

Биология (греч. bio – жизнь, logos - учение) – наука о жизни, ее формах и закономерностях развития.

Различают несколько уровней организации жизни: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический (или экосистемный), биосферный.

К основным свойствам живых систем относят:

1. Обмен веществ и энергии. Живые организмы являются открытыми системами, т.е. постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

2. Самовоспроизведение.

3. Наследственность – способность живых организмов передавать свои признаки потомкам.

4. Изменчивость – способность живых организмов изменяться, приобретать признаки, которые отсутствовали у родителей.

5. Саморегуляция. Живые организмы способны к поддержанию гомеостаза – постоянства внутренней среды.

6. Рост и развитие. Индивидуальное развитие – онтогенез, историческое развитие – филогенез.

7. Раздражимость – способность реагировать на внешнее воздействие.

8. Единство химического состава. В состав живых организмов входят одинаковые химические элементы: 98% приходится на углерод, кислород, водород и азот.

9. Дискретность (лат. discretus – прерывистый, состоящий из отдельных частей). Любая живая система состоит из отдельных частей, которые взаимодействуют и образуют единое целое.

Строение клетки

Химический состав клетки

Химические элементы, которые входят в состав клетки, можно разделить на три группы:

1. Макроэлементы. Составляют около 99% массы клетки. К ним относятся: углерод, кислород, водород, азот, а также калий, натрий, магний, кальций, железо, сера, фосфор и др.

2. Микроэлементы. Содержание в клетке – менее 0,001%. К ним относятся: цинк, медь, молибден, кобальт, ванадий, бром, иод и др.

3. Ультрамикроэлементы. Содержание в клетке – менее 0,000001%. К ним относятся: уран, радий, золото, ртуть, селен и др.

Химические вещества, которые входят в состав клетки, можно разделить на две группы:

1. Неорганические вещества: вода и минеральные соли.

Содержание воды в животной клетке составляет около 75%.

Вода выполняет функции:

- является универсальным растворителем в клетке;

- принимает участие в биохимических реакциях;

- принимает участие в теплорегуляции.

По отношению к воде вещества разделяются:

- гидрофильные - растворимые в воде (например, многие минеральные соли, моносахариды)

- гидрофобные – нерастворимые в воде (например, липиды, полисахариды)

- амфифильные – вещества, которые имеют и гидрофильную и гидрофобную части (например, фосфолипиды мембран).

Минеральные соли находятся в клетке в виде ионов (ионы калия, натрия, магния, фосфаты, сульфаты и др.) или в твердом состоянии (например, карбонат кальция в костной ткани).

2. Органические вещества: белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Белки- биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты объединяются пептидными связями. В состав белков входит 20 аминокислот, они называются биогенные или протеиногенные.

Различают несколько уровней структурной организации белков.

а) первичная структура белка – последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями: … - Гли – Вал – Тир – Глн – Сер – Ала –

   б) вторичная структура – это упорядоченное расположение отдельных участков полипептида, стабилизированное водородными связями между кислородом карбонильной группы и водородом амидной группы разных аминокислот: С=О…Н–N. К основным типам вторичной структуры относят:

· α-спираль;

· β-структура или структура складчатого листа.

в) третичная структура– трехмерная структура белка, характеризующаяся определенной укладкой в пространстве всех звеньев полипептидной цепи. Имеет вид глобулы (шара). Третичную структуру белка стабилизируют:

· ковалентные связи между остатками двух цистеинов (дисульфидные мостики);

· ионные взаимодействия возникают между противоположно заряженными аминокислотными остатками;

· водородные связи;

· гидрофобные взаимодействия образуются между неполярными радикалами в водной среде.

г) четвертичная структурахарактерна для белков, которые состоят из нескольких полипептидных цепей (например, гемоглобин). Четвертичная структура поддерживается слабыми связями: ионными, водородными и гидрофобными (рис.1).

Рис. 1. Структурная организация белков

Разрушение пространственной структуры белка называется денатурацией. Она происходит под воздействием физических и химических факторов (например, температуры, радиации, сильных химических реагентов). Восстановление пространственной структуры называется ренатурация. Ренатурация возможна, если не нарушена первичная структура.

Функции белков:

· Каталитическая. Белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке.

· Структурная. Белки входят в состав биологических мембран, мембранных и немембранных органоидов клетки, образуют волокна соединительных тканей.

· Защитная. Иммуноглобулины (антитела) позвоночных являются белками. Фибриноген и тромбинучаствуют в свертывании крови.

· Регуляторная. Некоторые гормоны являются белками (например, инсулин, соматотропный гормон).

· Сократительная и двигательная. Белки обеспечивают сокращение, движение или изменение формы клетки (актин и миозин мышечных клеток, тубулин микротрубочек).

· Транспортная. Белки-переносчики обеспечивают транспорт веществ через мембрану клетки.

· Энергетическая. В экстремальных условиях белки могут распадаться с освобождением энергии (1 г белка - 17,6 кДж).

Углеводы – органические соединения с общей формулой (СН₂О)_n. Углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

а) моносахариды (простые углеводы) по числу атомов углерода подразделяют:

· триозы(в молекуле – три атома углерода) – например, производные глицерина, молочной и пировиноградной кислот;

· тетрозы(четыре атома углерода) – например, эритроза – промежуточный продукт фотосинтеза;

· пентозы(пять атомов углерода) – например, рибоза и дезоксирибоза;

· гексозы(шесть атомов углерода) – например, глюкоза, фруктоза.

Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов. Например, лактоза, сахароза, мальтоза.

Полисахариды– это биополимеры, которые состоят из многих остатков моносахаридов (чаще всего гексоз). Например: гликоген (запасное вещество в клетках животных), крахмал (запасное вещество в клетках растений), целлюлоза (входит в состав клеточных стенок у растений), хитин (входит в состав клеточных стенок у грибов).

Функции углеводов

• Энергетическая. При окислении 1 г углеводов образуется 17,6 кДж энергии.

• Запасающая. Крахмал и гликоген – запасные вещества у растений и животных.

• Структурная. Входят в состав клеточных стенок растений, грибов.

Липиды – органические вещества, которые не растворяются в воде и других полярных растворителях. Растворяются в неполярных растворителях: бензине, хлороформе, ацетоне.

Липиды подразделяются:

1. Простые липиды состоят из двух компонентов. К ним относятся:

· жиры – сложные эфиры глицерина и жирных кислот;

· воски - сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот;

· стериды - сложные эфиры полициклических спиртов (стеролов) и жирных кислот.

2. Сложные липиды состоят из многих компонентов. Например, фосфолипиды, гликолипиды.

Функции липидов:

• Запасающая и энергетическая. При окислении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии.

• Структурная. Липиды входят в состав биологических мембран.

• Регуляторная. Некоторые гормоны являются липидами (половые гормоны, гормоны коры надпочечников).

• Источник эндогенной воды.

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, мономером которых являются нуклеотиды. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

ДНК -правильная спираль, которая образована двумя полинуклеотидными цепями. Полинуклеотидные цепи антипараллельны, т. е. разнонаправлены. Каждая полинуклеотидная цепь – линейная последовательность нуклеотидов. Нуклеотид ДНК включает три компонента:

• азотистое основание: пуриновое (аденин или гуанин) или пиримидиновое (цитозин или тимин);

• пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу;

• фосфатный остаток.

Нуклеотиды соединены 3',5'-фосфодиэфирными связями. Обе полинуклеотидные цепи соединены друг с другом водородными связями, которые образуются между азотистыми основаниями внутри спирали. При этом аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. Пространственное соответствие азотистых оснований называется комплементарностью. В результате у любого организма сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц). Эта закономерность называется «правило Чáргаффа». Структуру молекулы ДНК описали в 1953г. Дж. Уотсон и Ф. Крик (рис.2).

Рис. 2. Структура ДНК

Функции ДНК:

• хранение наследственной информации;

• передача наследственной информации;

• реализация наследственной информации.

РНК – одноцепочечный линейный полинуклеотид. Мономером РНК является нуклеотид, который включает три компонента:

• азотистое основание: пуриновое (аденин или гуанин), или пиримидиновое (цитозин или урацил);

• пятиуглеродный сахар – рибозу;

• фосфатный остаток.

Нуклеотиды связаны в цепь с помощью 3',5'-фосфодиэфирных связей.

Различают три вида РНК:

• информационная или матричная РНК (иРНК, мРНК). Переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму.

• рибосомная РНК (рРНК). Формирует рибосомы.

• транспортная РНК (тРНК). Переносит аминокислоты к месту синтеза белка, т.е. к рибосоме.

Дополнительные функции РНК:

· у РНК-содержащих вирусов выполняет функции хранения и передачи наследственной информации;

· участвует в репликации ДНК, выступая в роли затравок (праймеров), необходимых для инициации синтеза комплементарных цепей ДНК.

Для РНК характерны первичная, вторичная и третичная структуры. Первичная структура РНК – это одноцепочечная полинуклеотидная цепь. Вторичная структура РНК – образование петель, или «шпилек», с двухцепочечной структурой. Эта структура стабилизирована водородными связями, возникающими в парах А-У, Г-Ц. Третичная структура РНК – это пространственная структура, возникает за счет взаимодействия элементов вторичной структуры. Характерна для транспортной РНК (рис.3).

Рис. 3. Вторичная и третичная структура тРНК

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) – органическое вещество, универсальный источник энергии в клетке. Состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис.4). Связи между остатками фосфорной кислоты макроэргические, т.е. энергоемкие. У эукариот бόльшая часть АТФ синтезируется в митохондриях.

Рис. 4. Строение молекулы АТФ

Сравнительная характеристика клеток прокариот и эукариот