Клеточная биология

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

В лаборатории «Клеточная биология» можно создавать клетки разных типов, которые способны устойчиво поддерживать собственное существование в определенной среде обитания. Такая клетка осуществляет все необходимые ей для поддержания жизни биохимические процессы.

Компоненты интерактивных моделей

• Среда обитания – водный раствор различных органических и неорганических веществ.
• Одноклеточный организм, которого можно сконструировать, используя различные структуры эукариотических клеток: органеллы, цитозольные ферменты, белки-переносчики для транспорта веществ через плазматическую мембрану с затратой АТФ (АТФазы-переносчики).
• Панели, показывающие численные значения концентраций (или количеств) веществ в среде и в клетке.
• Столбчатые диаграммы, отображающие концентрации или количества веществ в среде и в клетке.

Строение клетки

Из органелл виртуальная клетка может включать плазматическую мембрану, ядро, эндоплазматический ретикулум (ЭПР), рибосомы, клеточную стенку, хлоропласт, митохондрию, пероксисому, вакуоль. Каждая органелла выполняет свой набор функций. Так, плазматическая мембрана поддерживает целостность клетки и ограничивает ее внутреннюю среду, создавая непроницаемый барьер для многих веществ. Ядро, ЭПР и рибосомы в совместной работе обеспечивают клетке синтез всех белков (и поэтому они объединены в один элемент конструктора). Клеточная стенка препятствует набуханию и разрыву клетки, который может произойти, если концентрации осмотически активных веществ внутри клетки выше, чем снаружи. Хлоропласт на свету осуществляет процесс фотосинтеза, а в его внутренней среде возможен синтез аминокислот. Митохондрия выполняет процессы кислородного дыхания, синтеза аминокислот, окисления жирных кислот, получения ацетил-кофермента А (ацетил-КоА) – промежуточного вещества, необходимого для синтеза жиров. Пероксисома обезвреживает молекулы токсичного для клетки кислорода, превращая кислород в воду. Вакуоль накапливает в себе осмотически активные вещества, снижая их концентрацию в цитозоле.

Цитозольные ферменты являются катализаторами важных для жизнедеятельности клетки химических реакций. К таким реакциям относятся гликолиз и брожение, синтез жиров из ацетил-КоА, синтез структурных полисахаридов, синтез нуклеотидов.

Белки-переносчики (или АТФазы-переносчики) располагаются в плазматической мембране. Они нужны для транспорта веществ, для которых мембрана непроницаема. На перенос одной молекулы вещества затрачивается энергия в виде одной молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Поддержание структуры клетки

Клетка состоит из белков, жиров, углеводов и нуклеотидов. Молекулы этих органических веществ со временем разрушаются и изменяют свое строение. Наличие токсичного кислорода в клетке ускоряет их скорость повреждения. Если доля разрушенных структурных молекул достигает критической, клеточные органеллы, ферменты и белки-переносчики прекращают выполнять свои функции. Обычно это приводит к гибели клетки. Чтобы этого не случилось, клетка должна заменять поврежденные молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеотидов новыми. Она может самостоятельно синтезировать новые молекулы или же получать их из внешней среды. Для синтеза белков необходимы аминокислоты, для синтеза жиров – ацетил-КоА, для синтеза нуклеотидов – аминокислоты и глюкоза, для синтеза глюкозы – углекислый газ и вода, для синтеза полисахаридов – глюкоза.

Индикаторы в виде горизонтальных полос на рисунке клетки отображают степени повреждения клеточных структур. Если щелкнуть левой кнопкой мыши по структурному компоненту клетки, откроется панель с составом этого компонента и числом неповрежденных молекул в нем.

Энергия и способы ее получения

Для осуществления многих химических превращений и для транспорта веществ клетке необходима энергия. Веществом, которое поставляет энергию для большинства химических реакций, является аденозинтрифосат (АТФ). У клетки существует несколько способов получения АТФ: гликолиз, кислородное дыхание, окисление жирных кислот, фотосинтез.

Диффузия и осмос

Клетка обитает в водной среде, в которой могут находиться газы, соли, органические вещества. Для веществ в среде действует закон диффузии. Так, если в среде вокруг клетки концентрация вещества, проходящего через мембрану, оказывается выше, чем в клетке, то это вещество поступает в клетку до тех пор, пока не произойдет выравнивание концентраций снаружи и внутри. Однако для ряда веществ мембрана непроницаема: ионы неорганических солей, аминокислоты, глюкоза, нуклеотиды, ацетил-КоА, пируват не проходят через мембрану, если у клетки нет специальных белков-переносчиков.

Среди веществ, для которых мембрана непроницаема, есть те, которые растворяются в воде (т.н. осмотически активные вещества). Если концентрация такого растворенного вещества по одну сторону от мембраны окажется выше, чем по другую, вода (для которой мембрана проницаема) будет проходить через мембрану в сторону большей концентрации. Так возникает осмотическое давление на мембрану, которое может привести к гибели клетки (клетка разбухнет от воды и разорвется или же, наоборот, съежится).