Клетка человека: вещества, органоиды, ДНК и гены
Проследим путь от молекул и мембраны к работе клетки, а затем разберём, как ДНК, ген и хромосома соотносятся друг с другом.
Федеральная программа · базовый уровень · 9 класс
Структура организма человека
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Вода, минеральные и органические вещества клетки
- Клеточная мембрана, цитоплазма, ядро и органоиды
- Обмен веществ и превращение энергии в клетке
- Нуклеиновые кислоты, ДНК, ген и хромосома
- Разнообразие клеток человеческого организма
Как это устроено
Клетка состоит преимущественно из воды с растворёнными ионами и органическими веществами. Вода служит средой реакций, ионы нужны для электрических и химических процессов, белки выполняют разнообразные задачи, липиды входят в мембраны, углеводы участвуют в обмене энергии. Но слово «полезно» нельзя прикрепить к целой группе без количества и условий: клетке нужен определённый баланс веществ. Мембрана поддерживает отдельность внутренней среды и регулирует обмен с тканевой жидкостью.
Ядро хранит большую часть клеточной ДНК. Органоиды выполняют разные задачи: митохондрии участвуют в образовании АТФ, рибосомы собирают белки, эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи помогают производству и распределению молекул, лизосомы участвуют в их расщеплении. Функции связаны: клетка не является складом независимых «деталей». Например, сигнал на мембране может изменить работу генов, после чего синтезированный белок окажется в мембране.
Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — состоят из цепей нуклеотидов. У многих генов сначала по последовательности ДНК образуется РНК. Информационная РНК используется рибосомой как шаблон порядка аминокислот; транспортные РНК доставляют их, а рибосомные РНК участвуют в работе самой рибосомы. Поэтому стрелка ДНК → РНК → белок обозначает передачу информации для белкового продукта, а не буквальное превращение одной молекулы в другую. РНК, работающая сама как функциональный продукт, не обязана далее превращаться в белок.
ДНК — молекула, ген — функционально определяемый участок ДНК, хромосома — структура из ДНК и белков. Неудвоенная ядерная хромосома содержит одну молекулу ДНК, удвоенная — две в сестринских хроматидах. Обычно у клетки тела 23 пары ядерных хромосом, у гаметы — 23 хромосомы. Это не описание всех клеток: зрелый эритроцит безъядерный, существуют другие особенности. Из числа хромосом нельзя вывести ценность, способности или характер человека.
Клетки организма различаются по форме и функции несмотря на общую историю развития. Нейрон проводит и обрабатывает сигналы, мышечная клетка сокращается, клетка эпителия образует барьер, а зрелый эритроцит переносит газы с помощью гемоглобина. Различие связано с тем, какие гены работают, как клетка устроена и в каких условиях она находится. Важно не утверждать, что каждая клетка «имеет все органоиды»: зрелый эритроцит — известное исключение, а некоторые клетки имеют необычное число ядер.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Клетка человека
Наименьшая живая структурная единица человеческого организма, отделённая мембраной и выполняющая определённые процессы в составе тканей.
Пример: Нейрон, клетка печени и мышечная клетка имеют общий клеточный план, но разные задачи.
Важно: Не всякая зрелая клетка сохраняет ядро: эритроцит человека при созревании его теряет.
- Клеточная мембрана
Избирательно проницаемая оболочка из липидов и белков, отделяющая клетку от среды и участвующая в переносе веществ и приёме сигналов.
Пример: Мембранный белок может переносить глюкозу внутрь клетки.
- Цитоплазма
Содержимое клетки между мембраной и ядром, включающее водную основу, растворённые вещества и расположенные в ней структуры.
Пример: В цитоплазме находятся митохондрии и происходят многие реакции обмена веществ.
- Ядро
Ограниченная оболочкой структура большинства клеток человека, в которой хранится основная часть ДНК и регулируется работа многих генов.
Пример: Ядро клетки кожи содержит хромосомы, необходимые для её жизнедеятельности.
- Митохондрия
Клеточный органоид, в котором часть реакций клеточного дыхания связывает окисление питательных веществ с образованием АТФ.
Пример: Активная мышечная клетка нуждается в постоянном образовании АТФ, в котором участвуют митохондрии.
Важно: АТФ образуется не только в митохондриях: часть реакций идёт в цитоплазме.
- Белок
Биологическая молекула из аминокислот, способная выполнять структурные, транспортные, сигнальные и каталитические функции.
Пример: Гемоглобин — белок, который переносит кислород в эритроците.
- Липид
Общее название группы веществ с разными химическими свойствами, среди которых мембранные компоненты и молекулы запасания энергии.
Пример: Фосфолипиды образуют основу клеточной мембраны.
- Углевод
Органическое соединение из группы сахаров и их производных, участвующее в энергетическом обмене, запасании или построении клеточных структур.
Пример: Глюкоза может использоваться клеткой как источник энергии; гликоген служит запасом.
- ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота — молекула, последовательность которой хранит наследственную информацию и копируется перед делением клетки.
Пример: ДНК в хромосомах ядра содержит участки, необходимые для синтеза разных РНК и белков.
- Нуклеотид
Структурная единица нуклеиновой кислоты: азотистое основание, сахар и фосфатная группа. В ДНК сахар — дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
Пример: Последовательность оснований нуклеотидов несёт информацию; это не последовательность отдельных генов-шариков.
- РНК
Рибонуклеиновая кислота — молекула из нуклеотидов с рибозой; обычно её цепь одна. Вместо тимина ДНК в РНК используется урацил.
Пример: Информационная РНК переносит сведения для сборки белка; рибосомная входит в рибосому, транспортная доставляет аминокислоты.
Важно: Не всякая РНК служит шаблоном белка: есть структурные и регулирующие РНК.
- Рибосома
Комплекс РНК и белков без собственной мембранной оболочки, на котором аминокислоты соединяются в белковую цепь.
Пример: Рибосомы бывают свободными в цитоплазме и связанными с эндоплазматической сетью.
- Эндоплазматическая сеть (ЭПС)
Система мембранных полостей клетки. Шероховатая ЭПС несёт рибосомы; гладкая их не несёт и участвует, в частности, в образовании липидов.
Пример: Белки для выделения из клетки начинают собираться на связанных с ЭПС рибосомах.
- Аппарат Гольджи
Система уплощённых мембранных полостей, где молекулы модифицируются, сортируются и упаковываются для дальнейшего переноса.
Пример: Некоторые белки из ЭПС проходят через аппарат Гольджи перед выделением.
- Лизосома
Мембранный органоид с ферментами расщепления, участвующий во внутриклеточном переваривании поступивших веществ и обновлении клеточных компонентов.
Пример: Материал из захваченного клеткой пузырька может расщепляться в лизосоме.
Важно: Это не желудок всего организма; внутриклеточное переваривание и пищеварение в кишечнике — разные уровни.
- АТФ
Аденозинтрифосфат — молекула, превращения которой связывают высвобождение энергии в одних реакциях с затратами на другие процессы клетки.
Пример: Превращение АТФ в АДФ и фосфат сопрягается с работой клеточных насосов.
Важно: АТФ не создаёт энергию из ничего; её запас постоянно пополняется за счёт обмена веществ.
- Ген
Участок ДНК, последовательность которого используется для образования функционального продукта, например РНК или белка, вместе с соответствующими регуляторными областями.
Пример: Варианты гена гемоглобина могут влиять на свойства соответствующего белка.
Важно: Один признак нередко зависит от многих генов и среды, поэтому ген не является готовой «кнопкой» сложного качества.
- Хромосома
Структура наследственного материала из ДНК и связанных с ней белков. У ядерной хромосомы человека до копирования ДНК одна молекула ДНК; после копирования — две молекулы в двух сестринских хроматидах. До их расхождения это одна удвоенная хромосома.
Пример: Типичная клетка тела человека до копирования имеет 46 ядерных хромосом и 46 соответствующих молекул ДНК; после копирования, до расхождения хроматид, — 46 хромосом и 92 молекулы ДНК.
Важно: Эти числа относятся к ядерным хромосомам типичной диплоидной клетки, не включают митохондриальную ДНК и не описывают зрелый безъядерный эритроцит.
- Сестринские хроматиды
Две связанные копии одной хромосомы, возникшие при копировании ДНК; каждая содержит свою молекулу ДНК с белками.
Пример: Две половины удвоенной X-образной хромосомы — сестринские хроматиды, а не пара материнской и отцовской хромосом.
- Центромера
Область хромосомы, с которой связано образование структуры для прикрепления нитей веретена деления и распределения хромосом. У удвоенной хромосомы здесь располагается область связи сестринских хроматид.
Пример: Центромера может находиться не посередине, поэтому плечи хромосомы бывают разной длины.
- Обмен веществ
Совокупность химических реакций клетки, в которых вещества создаются, преобразуются и расщепляются с затратой или высвобождением энергии.
Пример: Клетка соединяет аминокислоты в белок и использует АТФ для многих этапов этого процесса.
Пример по шагам
Ученик говорит: «Хромосома и ген — одно и то же, ведь оба хранят наследственность». Как уточнить?
- Называем молекулу-носитель — ДНК с последовательностью нуклеотидов.
- Ген — участок ДНК, используемый для функционального продукта; на одной хромосоме расположено много генов.
- Хромосома — структура из ДНК и белков. До копирования у ядерной хромосомы одна молекула ДНК, после копирования — две в связанных сестринских хроматидах.
Вывод: Ген является частью генетического материала хромосомы, но не равен всей хромосоме.
Практическая работа
Читаем две клеточные схемы
- Сравните подписанные схемы нейрона и зрелого эритроцита человека: отметьте мембрану и структуры, которые действительно присутствуют.
- Сопоставьте рисунок ядра с отдельной схемой хромосомы и гена, обозначив разные масштабы изображения.
- Составьте таблицу «наблюдаемая структура — возможная функция — чем подтверждать функцию», не выдавая схематический цвет за натуральный.
Что можно заключить: Клеточный план общий, но набор структур зависит от типа и стадии клетки; учебные рисунки показывают разные уровни масштаба.
Безопасность: Используйте готовые изображения и препараты под руководством учителя; не получайте образцы крови или тканей у себя и других людей.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.