Углеводы – представители многочисленной группы соединений, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы (моносахариды, олигосахариды, полисахариды) являются важным источником энергии, они вырабатываются растениями и попадают в организм животных и человека с пищей. Углеводы в конечном итоге расщепляются в организме до простого сахара глюкозы, которая затем принимает участие в обменных процессах, протекающих с выделением энергии (глюкоза служит главным источником энергии во многих клетках). Растительные углеводы являются важным строительным материалом (например, целлюлоза), а также депо готовых продуктов (в основном, крахмал).
Нуклеиновые кислоты – основные молекулы жизни – ДНК или РНК, которые присутствуют в ядрах, а РНК и в цитоплазме всех живых клеток (рис. 1.1). Основными их функциями являются хранение и передача наследственной (биологической) информации и участие в синтезе белков. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Эти цепи закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль, и соединяются вместе при помощи водородных связей между основаниями нуклеотидов подобно ступенькам лестницы. Генетическая информация в молекулах ДНК содержится в последовательности оснований, располагающихся вдоль молекулы. Молекула ДНК может в точности копировать саму себя в процессе репликации, таким образом передавая генетическую информацию дочерним клеткам во время клеточного деления.
Примечание. В ДНК в последовательности оснований записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в белковой цепи.
Рис. 1.1. Пространственная структура нуклеиновых кислот (по Албертсу и соавт., с изменениями): I – РНК; II – ДНК; ленты – сахарофосфатные остовы; А, С, G, T, U – азотистые основания, решетки между ними – водородные связи
Ген (от греч. genos – род, происхождение) – элементарная структурная и функциональная единица наследственности, представленная участком молекулы ДНК со строго определенной последовательностью нуклеотидов, отвечающая за синтез одного белка.
Молекула РНК представляет собой одиночную полинуклеотидную цепь, образованную нуклеотидами. Эта кислота участвует в синтезе белков в клетке.
Каждая клетка ограничена клеточной мембраной, выполняющей множество функций: транспортная (поступление различных веществ в клетку и удаление из нее продуктов жизнедеятельности), защитная, восприятие сигналов. В состав клетки входит цитоплазма, в ней находится ядро, в котором хранится генетический (наследственный) материал, и органеллы, выполняющие специфические функции. К ним относятся, например, митохондрии – «энергетические станции» клетки; рибосомы, осуществляющие синтез белка; эндоплазматическая сеть, в которой синтезируются различные вещества; аппарат Гольджи, где накапливаются, упаковываются, транспортируются в пределах клетки и выводятся из клетки синтезированные продукты; лизосомы, осуществляющие расщепление веществ в клетке; клеточный скелет, выполняющий опорную функцию в клетке, и др.
Ядро – основная структура клетки, содержащая ее генетический материал – дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). ДНК, объединяясь с белком, обычно рассеивается по ядру в виде хроматина. Во время деления клетки хроматин спирализуется и становится визуально различимым в виде хромосом. В состав ядра также входит рибонуклеиновая кислота (РНК), большая часть которой сосредоточена в ядрышке. Хроматин и ядрышко находятся в нуклеоплазме. Ядро отделено от цитоплазмы двойной мембраной – ядерной оболочкой (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Ядро клетки (по Албертсу и др., с изменениями): 1 – наружная мембрана кариотеки (наружная ядерная мембрана); 2 – перинуклеарное пространство; 3 – внутренняя мембрана кариотеки (внутренняя ядерная мембрана); 4 – ядерная пластинка; 5 – поровый комплекс; 6 – рибосомы; 7 – нуклеоплазма (ядерный сок); 8 – хроматин; 9 – цистерна зернистой эндоплазматической сети; 10 – ядрышко
Обратите внимание! Хроматин неделящегося ядра и хромосомы делящегося – это по существу одно и то же.
Хромосома состоит из двух длинных полинуклеатидных цепей, образующих молекулу ДНК (рис. 1.3). Цепи спирально закручены одна вокруг другой. ДНК соединена с белками-гистонами. Вдоль всей длины молекулы ДНК линейно располагаются гены. Хромосомы хорошо окрашиваются в процессе деления клетки. В организме человека имеются два типа клеток, принципиально отличающихся друг от друга: половые и соматические, или телесные (от греч. soma – тело). В ядре каждой соматической клетки человека содержится 46 хромосом, 23 из них являются материнскими, а 23 – отцовскими, иными словами, в соматической клетке имеются по две копии каждой хромосомы, их называют гомологичными. Они одинаковы по длине, форме, строению, расположению полос и несут одни и те же гены, которые локализованы одинаково. В каждой паре хромосом одна происходит из ядра сперматозоида, другая – из ядра яйцеклетки. Лишь половые хромосомы составляют исключение. Мужская (Y) хромосома резко отличается от женской (X). Y-хромосома намного меньше Х-хромосомы и других хромосом. Нормальный кариотип (от греч. karyon – ядро ореха, typos – образец) соматических клеток человека включает 23 пары хромосом (диплоидный набор), 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом (XX у женщин или XY у мужчин); половые клетки содержат гаплоидный (одиночный) набор – 23 хромосомы: 22 аутосомы и одну половую (X или Y) (рис. 1.4).
Рис. 1.3. Метафазная хромосома: 1 – центромера; 2 – сестринские хроматиды
Рис. 1.4. Кариотип человека (здорового мужчины): I – кариотип, общий вид; II – метафазные хромосомы
Каждая хромосома может воспроизводить свою точную копию в промежутках между клеточными делениями, так что каждая новая образующаяся клетка получает полный набор хромосом. Клетки воспроизводятся только путем клеточного деления. Рост организма, восстановление после повреждений, образование новых клеток, увеличение их числа происходит благодаря клеточному делению.
Существуют два типа клеточного деления: митоз и мейоз. Митоз – вид клеточного деления, при котором из одной клетки образуются две генетически идентичные дочерние клетки, и каждая из них, как и материнская, имеет 23 пары хромосом (46 штук). В ходе митоза происходит образование новых клеток в процессе роста организма и регенерации (восстановления).
У человека и других животных, размножающихся половым путем, постоянно чередуются два поколения клеток: соматические, имеющие по 46 хромосом, и половые, имеющие по 23 хромосомы. Мейоз – вид клеточного деления, при котором из одной материнской образуются четыре дочерние клетки, каждая из которых имеет половину хромосомного набора соматической клетки, т. е. 23 хромосомы. В результате этого деления образуются сперматозоиды и яйцеклетки, а после оплодотворения восстанавливается нормальный (диплоидный) набор хромосом (23 хромосомы сперматозоида + 23 хромосомы яйцеклетки = 46 хромосом нового организма). Во время мейоза в дочерних клетках происходят определенные генетические изменения.
Все яйцеклетки содержат половую хромосому X, часть сперматозоидов – половую хромосому X, другая часть – Y. Если яйцеклетку оплодотворяет сперматозоид X, то родится девочка (половые хромосомы XX), если сперматозоид Y – мальчик (половые хромосомы XY).
Клетки и их производные образуют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Ткани формируют органы.
Орган отличается присущей лишь ему формой и строением, наилучшим образом приспособленными к выполнению определенной специфической функции, например, сердце, легкое. Органы содержат все типы тканей, однако одна из них является основной, «рабочей», она реализует главную функцию: так, например, в печени, легких, почках, железах это эпителиальная ткань, в мышцах – мышечная, в мозге – нервная.
Органы анатомически и функционально объединяют в системы органов. Система – ряд органов, имеющих общий план строения, единство происхождения и выполняющих одну большую функцию (например, пищеварения, дыхания). В организме человека выделяют следующие системы органов: пищеварения (пищеварительную), дыхания (дыхательную), мочевыделителъную, половую, нервную, сердечно-сосудистую, лимфоидную (иммунную, органы кроветворения и иммунной системы), органы чувств (сенсорные системы). Некоторые органы объединяют по функциональному признаку в аппараты: они зачастую имеют различное строение и происхождение, могут быть не связаны анатомически, но их объединяет либо участие в выполнении общей функции (например, опорно-двигательный, эндокринный аппараты), либо эти органы различны по своим функциональным задачам, но связаны единым происхождением (мочеполовой аппарат).
