какие функции жизни обеспечиваются делением клеток
Теория предельного деления клеток
Клетки: особенности строения и деления
Клеточная теория является одной из основополагающих в современной биологии. Ее разработка стала неопровержимым доказательством единства всего живого на Земле.
Согласно клеточной теории, клетка это — структурно-функциональная элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов. Вне клетки нет жизни.
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на две большие группы на основании структуры их строения.
Прокариоты (доядерные) — более простые по строению, которые возникли на ранних стадиях процесса эволюции.
Эукариоты (ядерные) — более сложные, которые возникли и развивались на более поздних стадиях процесса эволюции.
Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. По последним данным ученых в теле обычного человека насчитывается в среднем 37,2 триллиона клеток.
Справочно: группа ученых из Италии, Греции и Испании поставила себе задачу определить реальное количество клеток в человеческом организме. Они изучили все ранние научные труды в этой области за последние сто лет.
В результате обнаружили большой разброс в оценках данного показателя, который вирировался от 5 миллиардов до 200 триллионов клеток.
Поэтому авторам пришлось проделать скрупулезную работу, сделав отдельный подсчет клеток для каждого органа человеческого тела и для разных типов клеток организма.
Были посчитаны число и плотность клеток в сердце, легких, мозге, центральной нервной системе, кишечнике, желчном пузыре, костях, соединительных тканях, крови и многих других частях человеческого организма.
Просуммировав полученные результаты, ученые пришли к выводу, что в организме человека в среднем насчитывается 37.2 триллионов клеток.
В организме человека присутствует примерно 300 типов клеток, которые подразделяются на две большие группы:
• клетки, которые могут делиться и размножаться, то есть, они митотически компетентны;
• клетки, которые не делятся, их называют постмитотические. Это достигшие крайней стадии дифференцировки нейроны, кардиомиоциты, зернистые лейкоциты и другие.
Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Большинство клеток человеческого организма постоянно делятся, на смену старым приходят новые. Благодаря этому процессу в течение жизни организм имеет возможность обновляться и восстанавливаться.
По подсчетам ученых, клетки человека за 70 лет жизни суммарно претерпевают порядка 1014 клеточных делений.*
Таким образом, каждая мышца, каждый орган, каждая функциональная система, человека в течение жизни несколько раз «молодеет», как бы рождаясь заново.
Наиболее распространённый способ репродукции эукариотических клеток человека, один из фундаментальных процессов онтогенеза это митоз – непрямое деление клетки.
Процесс размножения клеток называют пролиферацией. Размножение регулируется как самой клеткой (аутокринными ростовыми факторами), так и ее микроокружением (паракринными сигналами).
Активация пролиферации происходит через клеточную мембрану, в которой присутствуют рецепторы, воспринимающие митогенные сигналы. Это в основном ростовые факторы и межклеточные контактные сигналы.
Ростовые факторы обычно имеют белковую, пептидную природу (определенную последовательность соединения аминокислот). В настоящее время ученым известно около 100 таких факторов, в том числе:
• фактор роста тромбоцитов, который участвует в тромбообразовании и заживлении ран;
• эпителиальный фактор роста;
• фактор некроза опухолей;
• колониестимулирующие факторы;
• различные цитокины — интерлейкины и т.д.
Время существования клетки от деления до деления называется клеточным циклом.
После активации пролиферации клетка выходит из фазы покоя G0 и начинается клеточный цикл. Клеточный цикл может активироваться или инактивироваться.
В процессе активации могут участвовать киназы – ферменты катализаторы переноса фосфатной группы от молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), обеспечивая включение клюкозы и гликогена в процесс гликолиза в живых клетках.
Инактивированиия регулируется за счет различных ингибиторов – веществ подавляющих или задерживающих течение физиологических и физико-химических, ферментативных процессов.
Молекулярные механизмы, приводящие к необратимой остановке клеточного цикла, контролируются генами-супрессорами.
Цель такой сложной организации процесса регуляции — обеспечить синтез ДНК с минимально возможным числом ошибок, чтобы и дочерние клетки имели абсолютно идентичный наследственный материал.
Проверка правильности копирования ДНК осуществляется в четырех «контрольных точках» клеточного цикла. Если обнаруживаются ошибки, то клеточный цикл останавливается, и включается репарация ДНК.
Если нарушения структуры ДНК удается исправить — клеточный цикл продолжается. Если нет — клетка может «покончить с собой» путем апоптоза, чтобы избежать вероятности превращения в раковую.
Супрессию клеточного цикла в фазе G1 осуществляет белок p53, действующий через ингибитор циклин-зависимой киназы р21.
Следует отметить, что в последние годы, пожалуй, ни один другой белок не изучался так интенсивно, как р53. За четверть века с момента открытия ему было посвящено более 40 тысяч научных работ, и их число неуклонно продолжает расти.
Очевидно, белок р53 не только получает сигналы о превышении некоторых пороговых величин в каждом из клеточных процессов, но и обеспечивает адекватные этим величинам ответы, обеспечивающие координированную коррекцию этих процессов, дальнейшее поведение и судьбу клеток.
Роль р53 в организме можно сравнить с ролью дирижера в оркестре – его функции осуществлять контроль за выполнением выработанных эволюцией программ, схем поведения клеток в разнообразных условиях.
Основная его биологическая роль заключается в обеспечении стабильности генома и генетической однородности клеток в целостном организме.
Контролирующая функция р53 заключается в предотвращении отклонений и связанных с ними патологий,
Транскрипционный фактор р53 активируется при повреждениях ДНК, и в этом случае его функция заключается в удалении из реплицирующихся клеток тех, которые являются потенциально онкогенными.
Не случайно ген р53 часто метафорически называют как «стражом генома», «ангелом-хранителем», «геном совести клетки».; Эти эпитеты наглядно отражают роль белка в предотвращении многих болезней.
Биологические пределы способности клетки к делению,
порог Хейфлика
Одна из современных гипотез старения организма носит название «клеточной смерти» или теории предельного деления клеток.
Эта теория, также как и свободно-радикальная теория рассматривает процесс старения на клеточном уровне.
Еще в 1957 г. знаменитый американский физик Лео Силард (1898-1964), изучавший влияние на клетки радиации, приводящей к прогерии — ускоренному старению, предположил, что в старости организм может быть еще вполне здоров, только количество клеток в каждой мышце, в каждом органе становится все меньше.
Развивая эту гипотезу, американский профессор анатомии медицинской школы Калифорнийского университета Леонард Хейфлик (20 мая 1928 г.) выдвинул гипотезу о том, что процесс старения связан с биологическим пределом способности клетки к делению.
В 1961 г., проводя серию экспериментов, ученый обнаружил определенные закономерности в процессах деления клеток.
Он предположил, что легочная ткань, по-видимому, отмирает после того, как ее клетки поделились определенное количество раз. Затем он экспериментально установил, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз.
Вероятно, в клетках существует своеобразный молекулярный счетчик. Он фиксирует, сколько делений уже сделано, и не дает клетке делиться сверх определенного генетически заданного предела.
Позднее, в 1969–1977 гг., проводя исследования человеческого эмбриона в Институте Уистара в Филадельфии, Хейфлик установил, что основная клеточная форма соединительной ткани организма, так называемые фибробласты клеток кожи делятся примерно 50 раз плюс-минус 10 раз, после чего процесс деления останавливается.
При этом у новорожденных клетки могут делиться 80–90 раз, а у стариков (70 лет и старше) только 20–30 раз.
Кроме того, в культуре ткани, т.е. вне организма, клетки человека могут делиться также не больше 50 раз, после чего погибают.
Усложнив эксперимент, ученый взял клеточные культуры, которые были заморожены после того, как клетки разделились 25 раз.
Оттаяв, эти клетки продолжили делиться, пока не достигли предела в 50 делений, а затем все же погибли.
Особо следует подчеркнуть, что когда клетки приближались к своему пределу деления, они начинали напоминать старую ткань с возрастными пигментами, которые обнаруживаются в постаревших клетках сердца и головного мозга.
Гибель клеток или ослабление функции в тех клетках, которые не подвержены делению, по окончании развития приводит к ослаблению организма.
В результате постепенно тело утрачивает способность к обновлению, а весь организм теряет возможность к восстановлению, что приводит к старению органов и систем.
Выявленные американским профессором закономерности предельного деления клеток в научной среде получили название «порог Хейфлика».
Жизнедеятельность клетки. Деление и рост клетки
Урок 2. Биология. Сложные вопросы. Ботаника
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Жизнедеятельность клетки. Деление и рост клетки»
Вы уже знаете, что всё пространство клетки заполнено бесцветным вязким веществом – цитоплазмой. Она находится в постоянном движении. Движение цитоплазмы способствует перемещению в клетках питательных веществ и воздуха. Чем активнее жизнедеятельность клетки, тем больше скорость движения цитоплазмы. Если клетку сильно нагреть или заморозить, то цитоплазма разрушается, и клетка погибает.
Цитоплазма одной живой клетки обычно не изолирована от цитоплазмы других живых клеток, расположенных рядом. Нити цитоплазмы (плазмодесмы) соединяют соседние клетки, проходя через клеточные стенки.
Растения имеют клеточное строение, так как их органы состоят из клеток. А каждая клетка – это микроскопически малая составная часть растения.
Каждая живая клетка дышит, питается, выделяет ненужные ей вещества, реагирует на воздействие внешней среды, в течение определённого времени растёт и размножается.
Клетки в процессе жизни потребляют различные вещества – воду, кислород, углекислый газ, органические и неорганические соединения. Они поступают в клетку в виде растворов и необходимы клетке для питания, дыхания и роста. А само растение получает необходимые вещества из воздуха и почвы.
Поступление веществ в клетку и их переработка называется питанием. В клетке из поступивших простых неорганических веществ образуются сложные вещества (белки, жиры и углеводы). Эти вещества идут на образование ядра, цитоплазмы и других частей клетки.
Фотосинтез – это сложный процесс, который происходит только в хлоропластах клеток растений только на свету. Более подробно мы рассмотрим этапы фотосинтеза при изучении отдельной темы. А сейчас запишем уравнение фотосинтеза – это процесс образования из двух неорганических веществ (углекислого газа и воды) органического вещества глюкозы. В результате фотосинтеза происходит выделение в окружающую среду кислорода. Фотосинтез происходит только на свету.
Часть образованных питательных веществ идёт на построение клетки, а другая часть расходуется на получение энергии.
Дыхание происходит в живых клетках в течение всей их жизни. Растения – аэробные организмы (аэробы) – они используют для клеточного дыхания кислород.
Внутри клетки кислород вступает в реакции с органическими веществами. При этом происходят химические реакции, в результате которых сложные органические вещества превращаются в неорганические (воду и углекислый газ) и выделяется энергия. Такой процесс называется дыханием. Высвобождаемая энергия запасается в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – сложного химического соединения. Энергия нужна для обеспечения процессов жизнедеятельности – движения цитоплазмы, превращения одних веществ в другие.
Заполним таблицу, в которой сравним процессы клеточного дыхания и фотосинтеза, используя следующие показатели: время суток, в которое происходит процесс; вещества, служащие исходным материалом; образующиеся вещества; тип используемой энергии. Клеточное дыхание происходит всегда, фотосинтез – только днём. Для клеточного дыхания необходимы органические вещества и кислород, для фотосинтеза – углекислый газ и вода. В результате дыхания образуются углекислый газ и вода, а в результате фотосинтеза – глюкоза и кислород. Для дыхания используется энергия химических связей, а при фотосинтезе – световая энергия.
В течение жизни в клетке образуются ненужные вещества (избыток воды и солей, конечные продукты обмена). Все они выделяются в окружающую среду. Процесс освобождения организма от данных веществ называется выделением или экскрецией.
Одно из главных свойств живых систем – постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой. В клетках непрерывно идут процессы синтеза (пластический обмен, ассимиляция), то есть из простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, минеральных солей) образуются сложные органические вещества (белки, жиры и углеводы). Все процессы синтеза идут с затратами энергии.
Примерно с такой же скоростью идёт энергетический обмен (диссимиляция). Это процесс расщепления сложных органических веществ до более простых соединений, сопровождающийся выделением энергии. Конечные продукты энергетического обмена: углекислый газ, вода и аммиак.
Совокупность реакций пластического и энергетического обмена, лежащих в основе жизнедеятельности и обуславливающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ (или метаболизмом).
Заполним схему взаимосвязи обмена веществ и превращения энергии в организме. В ходе энергетического обмена сложные органические вещества расщепляются до конечных продуктов обмена и высвобождается энергия.
В результате пластического обмена происходит образование сложных органических веществ. При этом происходит поглощение энергии, которая образована в результате реакций энергетического обмена. Часть энергии расходуется на процессы жизнедеятельности.
Получается, что пластический и энергетический обмены неразрывно связаны. Они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ.
Вещества, которые образуются в ходе энергетического обмена, могут использоваться в пластическом обмене для образования сложных органических соединений. И наоборот.
В молодых клетках преобладает процесс пластического обмена, в результате чего обеспечивается накопление веществ, рост и развитие. В старых клетках преобладает процесс энергетического обмена.
Жизнь клетки с момента её образования в процессе деления материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом. В течении этого цикла каждая клетка растёт и развивается таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме. В процессе жизни клетки растут и увеличиваются в размерах. Молодые растительные клетки содержат много мелких вакуолей, которые растут и в результате сливаются, заполняя практически весь объем клетки.
У разных видов живых организмов клеточный цикл, во время которого клетка выполняет свои функции, занимает разное время: например, у бактерий он длится около 20 минут, у инфузории-туфельки – от 10 до 20 часов. Клетки многоклеточных организмов на ранних стадиях развития делятся часто, а затем клеточные циклы удлиняются.
Жизнь клетки включает два периода: деление, в результате которого образуются две дочерние клетки, – митоз; период между двумя делениями, который носит название интерфазы. Рассмотрим поближе данные периоды.
Интерфаза – промежуток клеточного цикла между двумя делениями. Вспомним, что в ядре находятся тельца цилиндрической формы – хромосомы. Они передают наследственные признаки от клетки к клетке. В течение всей интерфазы хромосомы деспирализованы (раскручены), они находятся в ядре клетки в виде нитей. В этот период клетка растёт и выполняет свои функции. Происходит обмен веществ, синтез белков и АТФ. Происходит удвоение числа хромосом, соответственно и генетического материала в клетке. При этом образуются два набора хромосом, несущие одинаковую информацию о жизненных процессах.
Размножение клеток – это увеличение их количества. Новые клетки возникают в результате деления уже существующих клеток. Размножение является одним из обязательных свойств живого.
Для эукариотических клеток характерен митоз, в результате которого из одной материнской клетки образуются две дочерние с таким же набором хромосом. Сейчас мы с вами рассмотрим последовательные фазы митоза. Их четыре: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
В метафазе завершается формирования веретена деления. Хромосомы располагаются упорядоченно в экваториальной плоскости клетки. Образуется метафазная пластинка. В эту фазу можно легко посчитать количество хромосом в клетке и изучить их строение.
В анафазе нити веретена деления укорачиваются, в результате чего хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки.
В телофазе хромосомы оказываются у полюсов клетки и деспирализуются (раскручиваются). Вокруг ядерного материала каждого полюса формируются ядерные оболочки. В двух образовавшихся ядрах образуются ядрышки. Нити веретена деления разрушаются.
На этом деление ядра заканчивается, и начинается деление клетки надвое. В экваториальной плоскости клеток растений из содержимого пузырьков комплекса Гольджи образуется срединная пластинка, которая разделяет две дочерние клетки, являющиеся копиями друг друга и исходной материнской клетки. С момента разделения дочерних клеток каждая из них вступает в интерфазу нового клеточного цикла.
Биологическое значение митоза заключается в том, что он обеспечивает передачу наследственных признаков и свойств от клетки к клетке, что необходимо для нормального развития многоклеточного организма. Митоз обуславливает важнейшие процессы жизнедеятельности – рост, развитие, восстановление повреждённых частей растения. Митотическое деление лежит в основе бесполого размножения многих живых организмов.
Клеточная гибель бывает двух видов: некроз и апоптоз. Рассмотрим, в чём же их отличия.
Некроз – отмирание клеток, которое вызвано действием повреждающих факторов (низкие или высокие температуры, химические вещества, ионизирующие излучения). В повреждённых клетках нарушается проницаемость мембран, прекращается образование белков и другие процессы обмена веществ, происходит разрушение ядра, органоидов и, наконец, всей клетки.
Апоптоз – запрограммированная гибель клеток, которая регулируется организмом. От своего образования в результате деления до апоптоза клетки проходят определённое количество клеточных циклов.
Жизнедеятельность клетки: рост, развитие, деление
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Жизнедеятельность клетки: рост, развитие, деление»
Клетка — наименьшая единица жизни.
Каждая клетка питается, дышит, реагирует на воздействие внешней среды, выделяет ненужные ей вещества, размножается, то есть живет.
Внутренняя среда клетки ― полужидкое содержимое ─ называется цитоплазмой (от греч. κύτος ─ «клетка» и πλάσμα ─ «содержимое»).
В состав цитоплазмы входят органические и неорганические вещества многих видов. Основное вещество цитоплазмы — вода.
В ней находятся обязательные клеточное компоненты ― органеллы, каждый из которых выполняет какие-то определенные функции.
Важнейшая роль цитоплазмы — объединение всех клеточных структур (компонентов) и обеспечение их химического взаимодействия.
Одно из важнейших проявлений жизнедеятельности клетки — движение цитоплазмы. Благодаря движению цитоплазмы ко всем частям клетки доставляются нужные ей вещества.
Движение цитоплазмы можно наблюдать под микроскопом в клетках листа элодеи. С этим водным растением вы уже знакомы. Элодею часто выращивают в аквариумах.
Чтобы увидеть движение цитоплазмы, надо приготовить препарат с живыми клетками и рассмотреть при увеличении в 300 раз. Для этого окуляр микроскопа должен иметь 20-кратное увеличение, а объектив — 15-кратное (20 х 15 = 300).
Зеленые пластиды клеток листа элодеи, перемещаясь вместе с цитоплазмой, позволяют увидеть медленное движение бесцветной цитоплазмы.
Движение цитоплазмы может замедляться или ускоряться под воздействием экологических факторов окружающей среды — света, температуры, снабжения кислородом, водой.
Если зеленый лист элодеи подсветить ярким светом или положить в слегка подогретую каплю воды, то цитоплазма в клетках такого листа будет двигаться быстрее.
И наоборот, при охлаждении листа скорость движения цитоплазмы замедляется. В этом проявляется реакция живых клеток растения на изменение условий среды обитания.
Движение цитоплазмы свойственно как клеткам растений, так и клеткам животных. Например, благодаря цитоплазматическому потоку перемещается микроскопический одноклеточный организм ─ амёба. Водится он в прудах, во влажной почве, а также во внутренностях животных.
Цитоплазма одной живой клетки обычно не изолирована от цитоплазмы других живых клеток, расположенных рядом. В клеточных оболочках есть поры, через которые нити цитоплазмы соединяются с соседними клетками.
Нередко живые растущие клетки всех органов растения меняют форму. Их оболочки округляются и местами отходят друг от друга. В этих участках межклеточное вещество разрушается, клетки разъединяются. Возникают межклетники, заполненные воздухом.
Так происходит при варке клубней картофеля. В спелых плодах арбузов и томатов, рассыпчатых яблоках клетки также легко разъединяются.
Любая живая клетка питается, то есть захватывает из внешней среды съедобные для себя вещества (в виде отдельных молекул или больших групп молекул ― пищевых частиц, иногда даже целых клеток меньшего размера) и так или иначе использует эти вещества.
Питанием называют совокупность процессов, которые включают поступление в организм, переваривание, всасывание и усвоение им пищевых веществ. В процессе питания организмы получают химические соединения, используемые ими для всех процессов жизнедеятельности.
Питание клетки происходит в результате целого ряда сложных химических реакций. В ходе этих реакций неорганические вещества, поступившие в клетку из внешней среды (углекислый газ, минеральные соли, вода), преобразуются в органические и входят в состав тела самой клетки в виде белков, сахаров, жиров, масел и др.
Большая часть веществ, поступающих из окружающей среды, расходуется не для получения энергии, а на синтез новых веществ, необходимых клетке или организму.
Помимо поступления различных питательных веществ в клетку в ней происходит и другой немаловажный процесс ― дыхание.
Дыхание клетки — это сложный процесс химических реакций, дающих клетке энергию. Реакции протекают в цитоплазме и митохондриях (специальных органеллах ― энергетических станциях клетки).
В ходе этих реакций поступившие в клетку органические вещества (углеводы, липиды, аминокислоты) окисляются кислородом до углекислого газа и воды. В итоге происходит выделение энергии, которая используется клеткой и всем организмом по мере необходимости.
В результате питания и дыхания происходит рост и развитие клетки.
Клетка возникает благодаря делению другой клетки. Затем она несколько увеличивается, главным образом за счет увеличения веществ цитоплазмы.
В старой клетке обычно имеется одна большая вакуоль, поэтому цитоплазма, в которой находится ядро, прилегает к клеточной оболочке, а молодые содержат много мелких вакуолей. Молодые клетки, в отличие от старых, способны делиться.
Клетка увеличивается в размере (растягивается), а затем дифференцируется. Так происходит ее развитие. То есть в ней появляются какие-то отличия от других клеток. В результате чего клетки начинают выполнять определенные возложенные на них функции.
После дифференциации клетка снова делится. Согласно клеточной теории, возникновение новых клеток происходит путём деления предыдущей, материнской клетки.
Жизнь клетки от момента её появления и до собственного деления, включая само деление, а также гибель клетки называется жизненным циклом клетки.
В результате деления происходит рост организмов.
Деление клетки — сложный процесс, состоящий из ряда этапов, последовательно идущих друг за другом. Главную роль в нем играют события, происходящие в ядре.
Сначала ядро увеличивается, и в нём становятся хорошо заметны тельца (обычно цилиндрической формы) — это хромосомы.
Хромосомы — это очень важные структуры. В них заложена вся необходимая информация об организме. Они передают наследственные признаки от клетки к клетке.
В результате сложного процесса каждая хромосома как бы копирует себя. Образуются две одинаковые части.
Благодаря специальным структурам хромосомы выстраиваются на экваторе клетки. Эти структуры тянут хромосомы с двух сторон к полюсам клетки.
При этом каждая хромосома расщепляется на две хроматиды ─ половинки двойной хромосомы.
Таким образом у двух полюсов клетки оказывается одинаковый генетический наследственный материал. Такой же, как был в клетке до начала деления.
В каждой вновь образованной клетке формируются ядерные оболочки и ядрышки. Ядро молодой клетки располагается в центре.
Всё содержимое также равномерно распределяется между двумя новыми клетками.
Благодаря делению клеток и их растяжению осуществляется рост организма. Например, растения, в отличие от других живых существ, растут всю жизнь. Отсюда и происходит их название ─»растения».