ЧЕЛОВЕК. Клетка. Клетка физического тела

Введение

Предыдущая тема была целиком и полностью посвящена анатомии систем физического тела человека. Согласно представленным лекциям, создается впечатление, что все системы организма существуют и работают во благо единой цели – обеспечения жизни каждой клетке физического тела. Но избирать такую точку зрения не стоит, и в настоящем курсе лекций ты поймешь почему.

Клетка физического тела человека, если не смотреть на ее форму, размеры, внешний вид, очень похожа на всего человека в целом. У нее есть свои “глаза”(воспринимающие электромагнитное излучение), свои “уши” (воспринимающие акустические волны), свои рецепторы (способные к восприятию “вкуса” и “запаха”), осязание (дающее возможность ощущать “прикосновение”). Клетка, как и человек, способна пропускать через себя многоканальные потоки информации, обрабатывать их и вырабатывать ответ. Клетка общается с такими же клетками, организует группы, сообщества, “социальные сети”. Клетки, как люди, дифференцируются по виду деятельности, специализации и роли, играемой во всем коллективе клеток организма. Как и человек, клетка питается, дышит, поддерживает постоянство внутренней среды, размножается.

Все те органы и системы, наблюдаемые в физическом теле человека, можно найти и в клетке. С этой точки зрения вопрос, почему клетки организованы в такую структуру, как человек, принимает тот же смысл, что и вопрос о существовании человечества и глобального социума. Малое количество людей способно выжить вне социума. Чтобы обеспечить себе комфортное пребывание в окружающей среде, человек должен занять свое место в социуме, где он будет занимать определенное место, питая социум, и питаясь тем, что социум способен ему дать. Клетки таким же образом занимают свое место в организме, как человек в социуме. Однако, подобно человеку, единицы клеток могут жить отдельно от социума, и такие клетки существуют. Однако наши лекции коснутся только структуры человека, а, значит тех клеток, которые работают слаженно внутри этой структуры.

В лекциях и практиках мы затронем как физическое проявление клетки, как элементарного кирпичика человеческого тела, так и ее энерго-информационного проявления с позиции других тел (оболочек) Человека.

Химический состав клетки

Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке — одно из основных условий её жизни, развития и функционирования. Одних химических элементов в клетке больше, других — меньше.

К макроэлементам относят:  кислород (65—75 %), углерод (15—18 %), водород (8—10 %), азот (2,0—3,0 %), калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2 %), фосфор (0,2—1,0 %), хлор (0,05—0,1 %), магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—0,03 %), кальций (0,04—2,00 %), железо (0,01—0,015 %. Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.

Кислород — входит в состав практически всего органического вещества клетки. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.

Водород — входит в состав всего органического вещества клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды.

Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.

Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.

Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).

Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий; входит в состав хлорофилла; необходим для функционирования мышечных и костных систем в животных клетках.

Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала; необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.

Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови.

Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.

Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.

К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят: ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк.

Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина.

Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Селен - участвует в регуляторных процессах организма.

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001 % в организмах живых существ, к ним относят: золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий.

Наиболее резкие различия между живой и неживой природой проявляются на молекулярном уровне. К неорганическим молекулам относятся: вода (70-80%), минеральные соли (1.0 – 1.5%). К органическим молекулам относят: белки (10—20 %), углеводы (0,2—2,0 %), жиры (1—5 %), нуклеиновые кислоты (1,0—2,0 %), АТФ, соли и др. вещества (0,1—0,5 %).

Органические соединения, входящие в состав живого, удивительно разнообразны по химической природе. В силу особенностей структуры и функций эти молекулы принято называть БИОМОЛЕКУЛАМИ.

Большинство биомолекул можно сгруппировать в несколько классов: белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), углеводы и липиды. Простейший одноклеточный организм – кишечная палочка – содержит примерно 3 тыс. видов белков и около 1 тыс. видов нуклеиновых кислот. В более сложном организме белков уже значительно больше, а в организме человека их около 5 млн.!

Потрясающее разнообразие биомолекул в конечном итоге сводится к простой картине. Конструируя сложные биомолекулы, природа не стала “изобретать велосипед”. Их строение подчиняется определенным закономерностям, которые кажутся элементарными, но приводят к ошеломляющей сложности живой материи.

Крупные молекулы состоят из огромного количества сравнительно простых и небольших фрагментов. Эти фрагменты служат строительными блоками, которые связываются друг с другом в длинные цепи. Строительные блоки любой макромолекулы сходны по строению, то есть имеют одинаковые химические группировки. Например, невероятное многообразие белков составлено примерно из 20 аминокислот. Этого набора аминокислот достаточно, чтобы “слепить” белок с любой структурой и свойствами.

Для четкой и отлаженной работы систем клетки, необходима их четкая организация. Существует механизм, управляющий процессом группировки биомолекул в клетке.

В качестве силы, связывающей биомолекулы, обычная химическая ковалентная связь не подходит, так как атомы, связанные ковалентной связью, становятся частью одной молекулы. Для биомолекул необходимо совсем иное – подобие “рыболовной сети”. Такая “сеть” будет надежно удерживать биомолекулы вместе и предоставит им некоторую свободу на выполнение своих функций.

Сеть, соединяющая две биомолекулы, образуется потому, что ковалентно связанные атомы способны взаимодействовать с близлежащими атомами в пределах одной и той же, либо разных молекул. Эти взаимодействия значительно слабее, чем ковалентные связи, и называются – СЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Различают три типа слабых взаимодействий:

1.  Водородные связи
2.  Ионные взаимодействия
3.  Вандерваальсовы силы

Еще одно важное взаимодействие обусловлено не природой атомов, а пространственной структурой воды. Вода – это уникальное вещество. Для жидкости оно обладает слишком упорядоченной структурой, поддерживаемой водородными связями. Когда в такую отлаженную систему внедряются чужеродные объекты – неполярные группы атомов, которые в изобилии содержатся во многих биомолекулах, водородные связи нарушаются.

Наиболее энергетически выгодный исход – собрать чужеродные неполярные остатки в одну кучку и уменьшить, таким образом, их соприкосновение с молекулами воды. В итоге, неполярные остатки, попадая в воду, стремятся держаться вместе и образуют контакты друг с другом, а не с молекулами воды. Эти контакты называются ГИДРОФОБНЫМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ.

В результате слабых взаимодействий за счет участия в них огромного количества атомов, формируются устойчивые структуры. Большое число контактов между атомами взаимодействующих молекул определяется тем, что их поверхности соответствуют друг другу. На уровне макромолекулы поверхность становится важнейшим понятием. Все крупные молекулы свернуты в пространстве так, что часть групп остается снаружи, а часть “смотрит внутрь”. От того, какие группы находятся на поверхности, очень сильно зависят свойства всей макромолекулы. Чтобы взаимодействие двух макромолекул было прочным, их поверхности должны быть КОМПЛЕМЕНТАРНЫ (это свойство напоминает сборку деталей конструктора, подходящих друг к другу по форме). Этот принцип лежит в основе самосборки многих клеточных структур.

Комплементарные макромолекулы распознают друг друга и стремятся к объединению. Например, молекулы белков и липидов могут ассоциировать, образуя липопротеиды. Эти комплексы присутствуют в плазме крови млекопитающих и выполняют транспортные функции. При объединении нуклеиновых кислот и белков в комплекс, образуются сложные по строению нуклеопротеиды, выполняющие различные биологические функции (один из их классов - вирусы).

Среди нуклеопротеидов есть и РИБОСОМЫ – комплексы, состоящие из 55-100 различных белковых молекул и нескольких молекул РНК. На рибосомах происходит сборка новых белков в клетке. Следующий после комплексов уровень организации – отдельные структуры, называемые КЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ. К ним относятся: ядра, митохондрии, хлоропласты и т.п. Различные компоненты клеточных органелл так же объединяются друг с другом в основном при помощи не ковалентных взаимодействий.

Для получения химических веществ, в промышленности необходимы условия высоких температур, давлений, присутствия сильных кислот и щелочей, электрических разрядов. В клетке же все химические реакции протекают в слабых условиях: при температуре в несколько десятков градусов Цельсия, атмосферном давлении и нейтральной среде. Работа “химической лаборатории” клетки возможна только благодаря уникальным катализаторам – белковым молекулам, называемым ФЕРМЕНТАМИ.

Рассмотрим теперь некоторые биомолекулы в отдельности.

1. Углеводы

Углеводы (сахара) — группа природных органических соединений с общей формулой (CH2O)n. Название происходит от слов "уголь" и "вода". По способности к гидролизу на мономеры, углеводы делятся на две группы: простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды).

Углеводы выполняют пластическую функцию, то есть участвуют в построении костей, клеток, ферментов. Они составляют 2-3 % от веса. Углеводы являются основным энергетическим материалом. При окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды. В крови содержится 100—110 мг/% глюкозы. От концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.

Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

2. Липиды

Липиды — большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях, таких, как метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В то же время эти вещества не растворимы или мало растворимы в воде. Слабая растворимость связана с недостаточным содержанием в молекулах липидов атомов с поляризующейся электронной оболочкой, таких, как O, N, S или P.

Липиды подразделяются на омыляемые и неомыляемые. Структурные компоненты омыляемых липидов связаны сложноэфирной связью. Эти липиды легко гидролизуются в воде под действием щелочей или ферментов. Омыляемые липиды включают в себя три группы веществ: сложные эфиры, фосфолипиды и гликолипиды.

Группа неомыляемых липидов включает предельные углеводороды и каротиноиды, а также спирты. В первую очередь это спирты с длинной алифатической цепью, циклические стерины (например, холестерин) и стероиды (эстрадиол, тестостерон и др.). Важнейшую группу липидов образуют жирные кислоты.

Биологические функции липидов.

Макроэргические вещества. Липиды — наиболее важный из всех питательных веществ источник энергии. В количественном отношении липиды — основной энергетический резерв организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим “топливом”. Липиды окисляются в митохондриях до воды и диоксида углерода с одновременным образованием большого количества АТФ (ATP).
Структурные блоки. Ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран. Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Следует отметить, что мембраны не содержат жиров.
Изолирующий материал. Жировые отложения в подкожной ткани и вокруг различных органов обладают высокими теплоизолирующими свойствами. Как основной компонент клеточных мембран липиды изолируют клетку от окружающей среды и за счет гидрофобных свойств обеспечивают формирование мембранных потенциалов.
Прочие функции липидов. Некоторые липиды выполняют в организме специальные функции. Стероиды, эйкозаноиды и некоторые метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции. Они служат в качестве гормонов, медиаторов и вторичных переносчиков (мессенджеров). Отдельные липиды выполняют роли “якорей”, удерживающих на мембране белки и другие соединения. Некоторые липиды являются кофакторами, принимающими участие в ферментативных реакциях, например, в свертывании крови или в трансмембранном переносе электронов. Светочувствительный каротиноид ретиналь играет центральную роль в зрительном процессе. Поскольку некоторые липиды не синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей в виде незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов.

Жирами называются сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. Так как молекулы жиров не несут заряда, эту группу веществ называют нейтральными жирами.

Жиры наряду с белками и углеводами составляют основу питания человека. Они – самый эффективный источник энергии. Она расходуется преимущественно для поддержания нормальной температуры нашего тела, а так же на работу различных мышц.

3. Белки

Своим бесконечным разнообразием все живое обязано уникальным молекулам белка. Белки или протеины (“протос” - первый) – это природные органические соединения, которые обеспечивают все жизненные процессы любого организма.

Молекула белка очень длинная. Химически называют такие молекулы полимерными. Молекула полимера состоит из множества маленьких молекул, связанных друг с другом. Так нанизываются на нить бусинки в ожерелье. В полимерах роль нити играют химические связи между бусинками-молекулами.

Секрет белков спрятан в особенностях этих бусинок. Большинство полимеров не принимает устойчивой формы в пространстве, уподобляясь тем же бусам, у которых и не может быть пространственной структуры. Некоторые бусинки могут слипаться друг с другом. Тогда вся цепочка примет определенную форму. Отдельные маленькие молекулы, входящие в состав белка, обладают способностью “слипаться”. В результате у любой белковой цепи есть характерная только для нее пространственная структура. Составляющие белка называются аминокислотами. Это и есть те “бусинки”, из которых состоит белок.

В каждой молекуле аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями:

1. атом водорода
2. карбоксильная группа COOH (она легко отдает ион водорода H+).
3. аминогруппа – NH2
4. группа атомов, которую в общем случае обозначают R.

Рисунок. Ч.10.1

Свойства аминокислот скрыты в R-группах (боковых цепях). Всем атомам углерода в молекуле аминокислоты в зависимости от их удаления от группы COOH даются названия: ближайший атом углерода именуется альфа-атомом, второй – бета-атомом, следующий – гамма-атомом, и т.д. Альфа-атом углерода связан с аминогруппой, поэтому входящие в состав белка природные аминокислоты, называют альфа-аминокислотами.

Именно их выбрала природа для построения организма. Число альфа-аминокислот в организме человека насчитывает 20 видов. Аминокислоты – это алфавит белковой молекулы.

В живых организмах аминокислоты выполняют множество функций:

Структурные элементы пептидов и белков. В состав белков входят 20 протеиногенных аминокислот, которые кодиpyютcя генетическим кодом и постоянно обнаруживаются в белках.
Структурные элементы дpyгих природных соединений. Аминокислоты и их производные входят в состав коферментов, желчных кислот, антибиотиков.
Переносчики сигналов. Некоторые из aминoкиcлoт являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, медиаторов или гормонов.
Метаболиты. Аминoкиcлoты — важнейшие, а некоторые из них жизненно важные компоненты питания. Некоторые aминoкиcлoты принимают участие в обмене веществ (нaпpимep, cлyжaт донорами азота).

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет для поддержания формы клеток. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Ферменты являются биокатализаторами, т.е. веществами биологического происхождения, ускоряющими химические реакции. Организованная последовательность процессов обмена веществ возможна при условии, что каждая клетка обеспечена собственным генетически заданным набором ферментов. Только при этом условии осуществляется согласованная последовательность реакции (метаболический путь). Ферменты принимают участие также в регуляции многих метаболических процессов, обеспечивая тем самым соответствие обмена веществ измененным условиям. Почти все ферменты являются белками.

С проявлениями ферментов мы сталкиваемся на каждом шагу. В пищеварительных соках человека содержатся десятки ферментов: липазы, разлагающие жиры на глицерин и органические кислоты; протеазы, разрушающие белок, и др. По мере того, как пища проходит по желудочно-кишечному тракту, одни ферменты - дробят сложные молекулы на мелкие кусочки, другие - помещают эти “кирпичики” на клеточные “склады” сырья, третьи - строят из них вещества, необходимые организму.

Очень важную роль играют ферменты, называемые фосфатазами: они отвечают за гидролиз сложных эфиров фосфорной кислоты. С помощью этих ферментов организм использует энергию, заключенную в углеводах. Мы обычно не задумываемся над тем, что вся живая природа существует лишь благодаря ферментативному катализу. На сегодняшний день известно свыше 2 тыс. ферментов.

Строение клетки

Примерно 200000000000000 атомных групп – молекул – задействовано в одновременной работе одной клетки. Эти атомарные группы образуют скопления. Эти скопления являются тем, что в теле человека называется органами, а в клетке – органеллами.

Основным компонентом всех клеток является вода (70%). Остальная часть — это макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), небольшие органические молекулы и неорганические ионы. Наиболее распространенными из макромолекул являются белки, составляющие до 55% сухого веса клетки.

Единичная клетка имеет объем около 0,88 мкм3. По одной шестой этого объема составляют мембраны и ДНК. Оставшееся внутреннее пространство заполнено цитоплазмой. С учетом ряда допущений относительно размера белков (средняя молекулярная масса 40 кДа) и их распределения в клетке, можно считать, что цитоплазма клетки содержит приблизительно 250000 белковых молекул. В эукариотических клетках, которые примерно в 1000 раз больше, число белковых молекул можно оценить в несколько миллиардов.

На участке цитоплазмы (длиной около 100 нм), составляющий 1/600 объема клетки содержатся: — сотни макромолекул, необходимых для синтеза белков, т. е. 30 рибосом, более чем 100 белковых факторов, 30 молекул аминоацил-тРНК-синтетаз, 340 молекул тРНК, 2-3 мРНК (каждая из которых по размерам 10-кратно превышает приведенный участок клетки) и 6 молекул РНК-полимеразы;

около 300 молекул других ферментов, включая 130 гликолитических ферментов и 100 ферментов цитратного цикла;
30000 небольших органических молекул с молекулярной массой от 100 до 1000 Да, например продукты промежуточного метаболизма и коферменты (показаны в 10-кратном увеличении внизу справа);
наконец, 50000 неорганических ионов: остальной объем занимает вода.

На рисунке представлены основные органеллы клетки. Дадим краткое описание их роли в жизни клетки.

Рисунок. Ч.10.2

Мембрана

Снаружи клетку покрывает КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА. Это белково-липидная оболочка с отверстиями, посредством которых происходит сообщение между содержимым самой клетки и окружающей среды. Мембрана обладает свойствами определенной текучести. Для безопасности клетки состоит из двух слоев.

Рисунок. Ч.10.3

Клетка состоит на 80-85% из воды. Все ее содержимое словно “плавает” в ней, как в аквариуме. Молекулы воды собираются в полимолекулы посредством атомарного азота. Снижение содержания воды в клетке приводит к закономерному снижению ее жизненных функций. Вода способна проникнуть в клетку сквозь мембрану лишь в том случае, если размеры отдельных ее капелек достаточно малы (талая, родниковая вода). Логично, что капельки должны быть меньше  диаметра отверстия в мембране.

Рисунок. Ч.10.4

Ядро и ядрышко

Центральную часть клетки составляет ЯДРО, а внутри него – ЯДРЫШКО. В нем производятся рибосомы – это необходимые компоненты для соединения различных “кирпичиков” в целостный генетический код. Оставшееся место в ядре занимают хромосомы, в которых этот генокод записан. Что это такое и какую роль выполняет, мы разберем отдельно немного позже. Ядро покрыто двойной мембранной оболочкой, через которую поступают все команды по управлению жизнедеятельностью клетки.

Рисунок. Ч.10.5*

Ядро — наиболее крупная (диаметром около 10 мкм), видимая в оптический микроскоп органелла эукариотической клетки. От остальной клетки ядро отделено оболочкой, состоящей из внутренней и внешней ядерных мембран.

Область между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным пространством. Внешняя ядерная мембрана усыпана рибосомами и переходит в шероховатый эндоплазматический ретикулум. Внутренняя ядерная мембрана выстлана специальными белками (ламином и др.), которые служат для закрепления ядерных структур (ядерная пластинка).

В ядре расположена почти вся ДНК (DNA) клетки. Эта ДНК является носителем генетической информации и главным местом ее репликации и экспрессии. В интерфазе (фазы между делениями клетки) большая часть ДНК в ядре присутствует в виде гетерохроматина, т.е. плотно упакованной ДНК, ассоциированной с РНК (RNA) и белками. Менее плотно упакованная ДНК называется эухроматином; это место активной транскрипции ДНК в РНК (RNA). Ядро часто содержит ядрышко, а иногда и несколько ядрышек. Во время деления клеток структура ядра разрушается. Хроматин организуется в хромосомы, т. е. в высшей степени конденсированные формы молекул ДНК, видимые в оптический микроскоп.

Вокруг ядра плавает, грубо говоря, “все остальное”. А это различные “фабрики” любой клетки. Одни работают на выработку энергии, другие продуцируют белки для дочерней клетки, третьи – собирают из этих белков необходимые структуры, из которых состоит дочерняя клетка. Есть даже участки, контролирующие правильность выполнения различных процессов. Поэтому остается только подать вовремя стройматериал и вывести лишний мусор – и все будет работать исправно. Поэтому нужно четко следить за привозным клетке сырьем.

Каждая клетка адресно принадлежит какому-нибудь органу и выполняет функции этого органа. Для этого они, собственно, и существуют. Так же клетке необходимо выполнять функцию собственного воспроизводства – копирования собственной структуры. И все эти функции выполняются одновременно и для каждой из них нужен свой ассортимент питания – сырья.

Клетка никогда не отдыхает. У нее есть конкретная программа ее действий.

В такой программе указана последовательность операций, которые необходимо выполнять, их скорость процессов, график поступления необходимых ингредиентов и стройматериалов, системы безопасности и аварийной работы на случай форс-мажорных ситуаций. Такого совершенного компьютера, с полным программным обеспечением и производительностью, людской науке еще видеть не приходилось. Тут  и нанотехнологиям должно приклонить колени – размеры этого чудокомпьютера воистину малы.

Митохондрии

Считается, что молекулы электронейтральны. Но электронейтральны они только номинально. Заряды составляющих их атомов просто уравновешивают друг друга. Противоположные заряды притянулись и стали выглядеть нейтральными лишь со стороны, образовав ДИПОЛЬ. Угадать, каков потенциал такого диполя весьма трудно. Пока заряды не “востребованы”, то они и не проявятся. Например, как определить, что батарейка, лежащая на полке, имеет заряд? Только одним способом – подключением к ней приемника(потребителя) энергии.

Вокруг любого источника энергии распространяется электрическое поле. Как только к источнику энергии подключается приемник энергии, то все диполи начинают быстро ориентироваться в электрическом поле источника энергии, строго выстраиваясь известным любому школьнику образом.

В клетке суть та же: для того, чтобы различные химические процессы преобразования могли проходить, необходимо их направлять. Все процессы подчиняются законам Природы о химических взаимодействиях под влиянием слаботочных электрических полей. То есть любой процесс может протекать только в присутствии электрического поля. Такие слаботочные электрические поля клетка сама в себе создает посредством МИТОХОНДРИЙ, играющих роль “электростанций”. Есть сырье – будет “ток”, нет сырья – нет и энергии.

А если перестала поступать энергия, то в дело вступает энтропия – все начинает хаотически разрушаться. Ведь энергетических сдерживающих факторов больше нет. В митохондриях содержатся молекулы АТФ – аденозинтрифосфорной кислоты. Эта молекула и обеспечивает приток энергии. Каким образом – рассмотрим в свое время. Если клетка достаточно обеспечена энергией – она будет исправно выполнять все свои функциональные операции. Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки.

Рисунок. Ч.10.6

Цитоплазма

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которых прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов, от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Рисунок. Ч.10.7

Лизосомы

Лизосома — небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция — автолиз — то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.

Рисунок. Ч.10.8

Цитоскелет

К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки и ее способности реагировать. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Рисунок. Ч.10.9*

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет), боковые поверхности которых образованы девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.

Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус-концы микротрубочек клетки.

Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.

Заключение

В данной лекции мы представили общее строение клетки: химический состав и состав органелл. Это тот простейший материал, который позволяет хотя бы отчасти представить себе масштаб процессов, протекающих внутри клетки. Разумеется, весь основной материал, освещающий особенности ее работы, управления, функционирования еще впереди. На практике ты познакомишься с оптическими и биохимическими свойствами клетки. В последующих лекциях будет описана энергоинформационная основа клетки и ее связь с Матричным телом.

       Вопросы:

1. Перечисли основные микроэлементы и макроэлементы, входящие в состав клетки.
2. Что такое биомолекула?
3. Посредством каких взаимодействий связываются биомолекулы?
4. Что такое углеводы, жиры, белки?
5. Что такое аминокислоты?
6. Что такое фермент?
7. Что такое органелла? Перечисли известные тебе органеллы.
8. Каковы размеры клетки?
9. Для чего нужны митохондрии?

Практическое занятие:

Управление клеточными процессами происходит посредством внешних сигналов, природа которых – высокочастотное волновое излучение. В качестве управляющей системы подобная природа сигналов выбрана неслучайно.

Взаимодействовать с материей, из которой состоит клетка можно только посредством электрохимических связей и оптического (электромагнитного) излучения. Электрохимическая природа сигналов крайне ненадежна и сильно подвержена нарушениям со стороны внешних условий.

Оптическое излучение видимого света поглощается веществом, активно взаимодействуя с атомами и молекулами и для внешних сигналов не пригодно. Высокочастотное излучение ультрафиолетовой области (и выше) обладает сильно проникающей способностью.

Вариация оттенков цвета данной области спектра, углов поляризации и интенсивности создает широкую гамму сигналов. Гарантия, что нужный сигнал будет принят нужным элементом, осуществляется за счет люминофоров, входящих в состав углеродного скелета, способных, в отличие от других биологических молекул, взаимодействовать с высокочастотным излучением и преобразовывать его в низкочастотное излучение оптического диапазона.

Внутри клетки используются сигналы оптического диапазона, строго поляризованные, так как внутри клетки все излучения производятся дискретными элементами – атомами и молекулами. Эти излучения обусловлены поступлением внешнего излучения в виде управляющих сигналов через мембраны клетки и электрохимических полей внутри клетки. Естественный свет внутрь клетки не проникает.

Основа взаимодействия клетки с высокочастотным оптическим излучением – ее углеродный скелет. Поэтому нам необходимо понимание свойств углерода, его соединений, а так же свойств органических люминофоров, основой которых он является.

Законы организации биомолекул в макроструктуры и органеллы клеток помогут нам понять основные ее функции и основы рабочих процессов.

После всего остается рассмотреть структуру и роль клеточных элементов – органелл, и механизмов их взаимодействия.

Это все задачи, которые ставятся в данной теме. Продолжением работы будет ознакомление с регуляторными функциями работы клетки, ее системы управления. Сюда входит изучение генетического аппарата клетки, гормонов, обмена веществ, клеточных сигналов и много другого.

УГЛЕРОД – основа органической жизни на планете Земля.

Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IVA группе периодической системы.

Если у атома, вступающего в химическую связь имеются неспаренные электроны на разных орбиталях (s-, p-, d- или f-), то в процессе формирования химической связи происходит гибридизация (смешение) орбиталей, т.е. из разнотипных атомных орбиталей образуется набор одинаковых.

Сложение s-облака и 1-ого p-облака - sp-гибридизация.

Сложение s-облака и 2-х p-облаков - sp2-гибридизация.

Сложение s-облака и 3-х p-облаков - sp3-гибридизация.

Рисунок. Ч.10.10

Атом углерода при образовании химических связей обладает способность проявлять не одну, а целых три разновидности гибридизации орбиталей.

Рисунок. Ч.10.11

Каждое валентное состояние характеризует определенную и единственную аллотропную форму:

sp3-тип гибридизации свойственнен  пространственному (трехмерному) полимеру углерода - алмазу;
sp2-тип - плоскостному (двумерному) графиту;
sp-тип - линейно-цепочечному (одномерному) карбину.

Рисунок. Ч.10.12

Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталей – одинаково -  это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода. Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемых органической химией.

При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.

Подобное качество углерода идеально подходит для “углеродного скелета” живых организмов, создавая возможность синтеза множества микроэлементов при искусственно созданных условиях и их стабильное существование в нормальных условиях на Земле. Подобный механизм создания “углеродного скелета” можно сравнить с ковкой металлических изделий: в расплавленном состоянии можно создать сплав любой химической природы, придать ему любую форму, а после “закалки” получить предмет труда, который будет служить десятилетиями.

Углеродный каркас достаточно прочен, устойчив к нагреванию, действию агрессивных химических сред, освещению. Наконец, углеродный каркас подвижен, не жесток: цепи углеродных атомов, соединенных простыми одинарными связями, могут изгибаться, сворачиваться и другими способами менять свою форму.

Показательно, что всего три элемента - C, O и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ.

Вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений, называются люминофорами. Известны два типа люминофоров: органические и неорганические.

Электронные спектры люминесцентных веществ обусловлены энергетическими переходами между невозбужденными (основными) и возбужденными состояниями молекулы. Спектры поглощения большинства органических соединений лежат в видимой и ближней ультрафиолетовой области.

Частота излучения всегда меньше частоты поглощенного света (закон Стокса), поэтому спектр люминесценции обычно расположен в более длинноволновой, чем спектр поглощения, области.

Органические люминофоры способны преобразовывать коротковолновое излучение в длинноволновое.

Длинноволновый сдвиг максимума люминесценции относительно максимума поглощения обычно колеблется в пределах 50-70 нм и характеризует безизлучательные потери в акте люминесценции, заключающиеся в том, что иногда, поглотив квант света, молекула претерпевает в возбужденном состоянии структурные изменения (изменяются углы и межатомные расстояния).

Безызлучательные потери связаны с энергией, необходимой для перестройки пи-облаков молекулы. С увеличением цепи сопряженных связей, например, у бензольных колец  ароматических углеводов или гетероциклов, энергия уменьшается, то есть спектры смещаются в длинноволновую область.

Рисунок. Ч.10.13

Самыми эффективными органическими люминофорами являются вещества, содержащие углеродные кольца в виде гетероциклов: пента - и гекса - углеродных колец. Подобные углеродные структуры в огромных количествах входят в состав углеводов, белков и жиров. Живой организм заполнен органическими люминофорами!

Влияние молекулярного строения на люминесценцию может значительно меняться в зависимости от агрегатного состояния вещества, природы растворителя, концентрации раствора, его вязкости, температуры и др.

Под воздействием ультрафиолета настоящие алмазы светятся ярким голубым светом. Действительно, бриллианты люминесцируют (светятся) под воздействием УФ-излучения. Наиболее распространенный цвет - голубой, однако свечение может быть зеленым, желтым, оранжевым, красным, молочно-белым.

Преобразование света алмазами происходит по тем же причинам, что и в органических люминофорах.

Атомные спектры

Атом излучает и поглощает электромагнитные волны при переходе электрона между его энергетическими уровнями.

Рисунок. Ч.10.14

Все спектры излучения (и поглощения) света объясняются единой формулой:

E2-E1=hυ

∆E=E2-E1 – разность энергий между энергетическими уровнями электрона.

hυ - энергия испускаемого (поглощаемого) кванта света, где υ - частота излучения.

Молекулярные спектры

В то время, как атомные спектры состоят из отдельных линий, молекулярные спектры при наблюдении в прибор средней разрешающей силы представляются состоящими из полос. Полосы состоят из большого числа тесно расположенных линий.

В зависимости от того, изменение каких видов энергии обуславливает испускание молекулой фотона, различают три вида полос:

1) Вращательные

2) Колебательно-вращательные

3) Электронно-колебательные

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ интересны тем, что они очень вариабельны. Спектр излучения молекулы зависит не только от энергетических уровней электронных облаков, но и от пространственной конфигурации и состава атомов, в нее входящих.

Вместо дискретного линейчатого спектра излучения молекула обладает динамическим дискретным спектром. Динамика спектра излучения молекулы обуславливается ее способностью к изменению своей структуры при внешнем воздействии электрических полей, электромагнитных волн и др. При подаче управляемых сигналов на молекулу, возможно изменение ее спектра излучения, а так же углов поляризации.

Сигналом для молекулы может служить электрическое или магнитное поле, электромагнитное излучение, химическая реакция, изменение температуры и др. При постоянном внешнем воздействии на молекулу – ее свойства будут изменены и сохранятся вплоть до прекращения воздействия, после чего молекула вернется в свое основное энергетически выгодное состояние.

Общая характеристика оптических систем

Человечество оценило достоинства и преимущества оптических систем связи и передачи информации перед привычной радиосвязью и посредством электрического тока.

Основные преимущества оптических систем по сравнению со связью на радиочастотах:

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации. Оптические системы обеспечивают при минимальной емкости оборудования извлекать максимум скорости и объемов передачи данных.
Спектральное уплотнение каналов — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. В оптических системах, использованных в организме человека, затухание волны пренебрежимо мало в силу малости размеров организма.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода. Низкий уровень шумов позволяет использовать сигналы малой амплитуды без сложных систем селекции сигнала.
Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям. Это особенно важно в целях безопасности передачи биологических команд в жестких условиях окружающей среды.
Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. Идентичный кварцу материал – углерод.

Вывод: углеродный скелет подходит на роль оптических волокон организма.

Реализация квантово-оптических технологий в клетке

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КЛЕТОЧНЫМИ ПРОЦЕССАМИ основывается на оптике волновых излучений. Подобно тому, как когда-то человечество стало заменять медные кабели коммуникаций на оптоволоконные, создатели жизни на Земле изначально избрали за основу управления биопроцессами оптические технологии.

В основе механизма управления лежит взаимодействие света с веществом. Волновое излучение порождается электронными облаками атома, оно же способно и воздействовать на них по принципу обратной связи. Структура электронных облаков атома, в свою очередь, определяет его химические и стереохимические (форму и пространственную ориентацию валентных углов, химических связей и др.) свойства, а так же спектр излучения и поглощения.

С коротковолновым излучением способны взаимодействовать лишь ряд элементов, обладающих определенными характеристиками. Эти элементы приняты на роль АНТЕННЫХ ЯЧЕЕК биомолекул.

В качестве антенных ячеек выступает углеродный скелет живой клетки. Он включает в себя органические люминофоры, состоящие из гетероциклических ПЕНТА - и ГЕКСА - КОЛЕЦ УГЛЕРОДА. Они входят в состав:

1.  Моносахаридов
2.  Дисахаридов
3.  Полисахаридов

В качестве функциональных элементов наиболее интересны олигосахариды.

ОЛИГОСАХАРИДЫ — это олигомеры, состоящие из нескольких (не более 20) мономеров — моносахаридов, в отличие от полисахаридов, состоящих из десятков, сотен или тысяч моносахаридов; - соединения, построенные из нескольких остатков моносахаридов (от 2 до 10), связанных между собой гликозидной связью. Весьма важным и широко распространённым частным случаем олигосахаридов являются дисахариды — димеры, состоящие из двух молекул моносахаридов.

Рисунок. Ч.10.15

Олисахариды и гетероолисахариды в соединении с белками и жирами создают комбинацию из функциональной и антенной части.

ГЛИКОПРОТЕИНЫ — это сложные белки, в которых белковая (пептидная) часть молекулы ковалентно соединена с одной или несколькими группами гетероолигосахаридов.

Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран животных и растительных организмов. К гликопротеинам относят большинство белковых ГОРМОНОВ. Также гликопротеинами являются все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока, рецепторные белки и др.

Рисунок. Ч.10.16

Все те клеточные компоненты и компоненты организма в целом, отвечающие за регуляцию (гормоны), иммунитет (антитела, интерферометры), сигналы (рецепторные белки, белки клеточных мембран) состоят из гликопротеинов, то есть содержат углеродные антенные ячейки для приема высокочастотных сигналов.

Все вышеперечисленные функции обязаны быть регулируемыми, в зависимости от внешних и внутренних условий, системой управления организма через ОПТИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ.

Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран в широком интервале температур. Он необходим для выработки витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных гормонов, включая кортизол, кортизон, альдостерон, женских половых гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона тестостерона, а по последним данным — играет важную роль в деятельности синапсов головного мозга и иммунной системы, включая защиту от рака.

Рисунок. Ч.10.17

Витамин D — группа биологически активных веществ (в том числе эргокальциферол и холекальциферол). Витамины группы D являются незаменимой частью пищевого рациона человека. Растворим в жирах. Состоит из феролов, приобретающих активность при ультрафиолетовом облучении. Основная функция витамина D — обеспечение нормального роста и развития костей, предупреждение рахита и остеопороза. Он регулирует минеральный обмен и способствует отложению кальция в костной ткани и дентине, таким образом, препятствуя остеомаляции (размягчению) костей.

Жидкие кристаллы и их квантово-оптические свойства

Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

1) термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений

2) лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами. Примером амфифилов могут служить ФОСФОЛИПИДЫ.

Рисунок. Ч.10.18

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления.

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга.

Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль).

Рисунок. Ч.10.19

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра.

Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Дисплей на жидких кристаллах

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Рисунок. Ч.10.20

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света — ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение — молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени — жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграций ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток, или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (т.к. изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения, это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Роль ЖК в структуре клеток

Многие структурные звенья клетки похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности. Они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния.

Рисунок. Ч.10.21

Спиральная структура холестериков определяет их высокую оптическую активность (которая на несколько порядков выше, чем у обычных орг. жидкостей и твердых кристаллов) и способность селективно отражать циркулярно (круговая поляризация) поляризованный свет видимого, ИК и УФ диапазонов. При изменении температуры, состава среды, напряженности электромагнитного поля изменяется шаг спирали, что сопровождается изменением оптических свойств, в частности цвета.

Холестерин (2) в структуре мембраны клетки:

Рисунок. Ч.10.22

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные (например, креветка-богомол павлиновая) способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией.

Модуляция света посредством поляризации

Два скрещённых поляроида составляют основу многих полезных устройств. Через скрещённые поляроиды свет не проходит, но, если поместить между ними оптический элемент, поворачивающий плоскость поляризации, можно открыть дорогу свету. Так устроены быстродействующие электрооптические модуляторы света.

Между скрещёнными поляроидами помещается, например, двоякопреломляющий кристалл, на который подаётся электрическое напряжение. В кристалле в результате взаимодействия двух ортогональных линейно-поляризованных волн свет становится эллиптически-поляризованным с составляющей в плоскости пропускания второго поляроида (линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса).

При подаче переменного напряжения будет периодически меняться форма эллипса и, следовательно, величина проходящей через второй поляроид составляющей. Так осуществляется модуляция — изменение интенсивности света с частотой приложенного напряжения, которая может быть очень высокой — до 1 гигагерца (109 Гц). Получается затвор, прерывающий свет миллиард раз в секунду. Его используют во многих технических устройствах — в электронных дальномерах, оптических каналах связи, лазерной технике.

Аминокислоты, белки и их оптические свойства

В каждой молекуле аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями: атом водорода, карбоксильная группа COOH (она легко отдает ион водорода H+), аминогруппа – NH2, группа атомов, которую в общем случае обозначают R.

Рассматривая взаимодействие поляризованного внешнего излучения с молекулой белка, можно выделить ряд важных моментов. Механизм фотоэмиссии, то есть излучения квантов электромагнитного излучения вследствие поглощения падающих квантов излучения на атом или молекулу, делает белок своеобразным оптическим “ключом”.

Поглощая внешнее излучение определенной частоты, аминокислотная последовательность в белке преобразует поглощенный свет в соответствии с последовательностью и составом аминокислот, входящих в цепочку белка.

Аминокислоты белковых соединений – оптически активны, то есть способны вращать плоскость поляризации падающего излучения (под вращением понимается отклонение плоскости поляризации на определенный угол). Спираль, выстроенная из оптически активных молекул, циклически вращает плоско поляризованный свет, преобразуя его в эллиптически поляризованный свет.

Квантово-оптические свойства клеточной мембраны

Все биомембраны построены одинаково; они состоят из двух слоев липидных молекул толщиной около 6 нм, в которые встроены белки. Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы, связанные с липидами и белками. Соотношение липиды-белки-углеводы является характерным для клетки или мембраны и существенно варьируется в зависимости от типа клеток или мембран.

Компоненты мембран удерживаются нековалентными связями, вследствие чего они обладают лишь относительной подвижностью, т. е. могут диффундировать в пределах липидного бислоя.

Подвижными являются и мембранные белки. Если белки не закреплены в мембране, они “плавают” в липидном бислое как в жидкости. Поэтому говорят, что биомембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.

В мембранах содержатся липиды трех классов: фосфолипиды, холестерин и гликолипиды. Холестерин присутствует во внутриклеточных мембранах животных клеток (за исключением внутренней мембраны митохондрий).

Протеины могут связываться с мембраной различным путем.

Интегральные мембранные белки имеют трансмембранные спирализованные участки (домены), которые однократно или многократно пересекают липидный бислой. Такие белки прочно связаны с липидным окружением.

Периферические мембранные белки удерживаются на мембране с помощью липидного “якоря” и связаны с другими компонентами мембраны; например, они часто бывают ассоциированы с интегральными мембранными белками.

Белки клеточной поверхности и некоторые липидные молекулы несут ковалентно связанные углеводные компоненты, экспонированные на наружной стороне мембраны. Эти гликопротеины и гликолипиды вместе с дополнительными несвязанными гликопротеинами и полисахаридами образуют клеточную оболочку (гликокаликс).

ГЛИКОКАЛИКС - это обогащенная углеводами периферическая зона на поверхности большинства эукариотических клеток (клеточная оболочка). На поверхности всех эукариотических клеток имеются мембранные углеводы, представленные в виде олигосахаридных боковых цепей, ковалентно присоединенных к мембранным белкам и в меньшей степени - к мембранным липидам. Содержание углеводов в плазматических мембранах варьируется от 2 до 10% (по весу). Идентифицировано несколько тысяч гликопротеинов, причем почти ежедневно обнаруживаются новые.

Гликопротеины, напомним, это сложные белки, в которых белковая (пептидная) часть молекулы ковалентно соединена с одной или несколькими группами гетероолигосахаридов.

Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран животных и растительных организмов. К гликопротеинам относят большинство белковых гормонов.  Гликопротеинами являются все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока, рецепторные белки и др.

Рисунок. Ч.10.23

Углеродные кольца олигосахаридных боковых цепей гликопротеинов являются органическими люминофорами, а значит идеально подходят для приема высокочастотных оптических сигналов системы управления организмом.

Возбуждение электронных облаков олигосахаридных цепей передается на белковую часть молекулы гликопептида - оптически активную цепь аминокислот, слагающих данный пептид. Возбуждение сопровождается эмиссионным излучением видимой области спектра. Оптический сигнал передается белками, включенными в мембраны, через липидный слой во внутреннюю полость клетки – цитоплазму и органеллы.

Гормоны, антитела, рецепторные белки – все являются гликопротеинами, а, значит, обладают функциями приема высокочастотных оптических сигналов системы управления. С гормонами мы познакомимся позже – они выполняют функцию регуляции химических и метаболических процессов клетки, антитела выполняют защитную функцию, а рецепторные белки – прием и передачу возбуждающих сигналов. Все эти компоненты входят в общую систему регуляции работы организма на клеточном уровне.

О физике и свойствах сигналов внутри клетки

Все вышеперечисленные механизмы и алгоритмы последовательных электрохимических взаимодействий необходимо научиться воспринимать не как дискретные “акты действий” внутри клетки, а как непрерывную цепь химических взаимодействий и превращений.

Работа клетки не прерывается никогда вплоть до ее гибели. Пока идет эта работа – внутри нее выполняются одинаковые алгоритмы синтеза определенных биомолекул, их транспорт в определенные места. Параллельно  происходит поступление веществ извне, их перестройка в необходимые биомолекулы и т.д.

Эта работа регулируется внешними сигналами, которые влияют лишь на интенсивность тех или иных реакций, но не на их направленность и последовательность. То есть внешние сигналы служат корректировкой интенсивностей внутренних процессов клетки.

Для непрерывной работы клетки ей необходима энергия, которая поступает извне в качестве волнового излучения света. Поток внешнего излучения – непрерывен, поэтому и структура волнового поля внутри клетки – так же непрерывна, и обусловлена лишь структурным расположением оптически активных элементов в мембранах клетки и внутри нее (цитоскелет).

За счет осмотического давления клетка стремится принять форму сферы. Если оценить размеры клетки - порядка 70 микрометров, и длину волн света оптического диапазона – 0,5-1,5 микрометров, то они оказываются одного порядка. Сферическая симметрия клеточной структуры способствует образованию интерференционной картины волновых излучений. При этом свет в сферически замкнутой полости формирует стоячие волны.

Стоячие волны характеризуются локализацией энергии внутри клетки. Все вместе формирует оптическую информационную структуру клетки – МАТРИЦУ. Это многоуровневая система, основными характеристиками которой служат: частота оптического сигнала, углы поляризации, спектральная плотность сигналов (интенсивность цвета) и др.

С точки зрения киматики вибраций, электромагнитные волны можно сравнить с объемными вибрационными структурами (подобно вибрирующей коллоидной жидкости), обладающими своими узлами стоячих волн и пучностями – максимумами энергии. Конфигурация таких структур зависит от частоты вибрации.

С этой стороны становится очевидным, что стабильными внутри клетки будут только стоячие пакеты электромагнитных волн, кратные по частоте – частотные ГАРМОНИКИ. Это рождает упорядоченность и надежность управляющих сигналов клетки.

Матрица клетки динамичная и управляется сигналами извне, а так же сигналами, поступающими от генетического аппарата. Однако подробности регуляции работы клетки будут рассмотрены в дальнейшем ее исследовании.

Чтобы лучше себе представить структуру оптической матрицы клетки, необходимо визуализировать все радио- и телекоммуникации, сотовую и спутниковую связь и др. В пространстве, нас окружающем, существует независимо друг от друга широкая полоса частот электромагнитного спектра, используемых для сигналов связи различных приборов.

Очевидно, что любой процесс управления осуществляется посредством СИГНАЛА. Вид, форма и конфигурация сигнала осуществляют передачу определенного алгоритма от источника сигнала к приемнику сигнала. Сигналом может служить все что угодно. В электротехнике в качестве сигнала используется чаще всего электрический ток, преобразование которого производится элементами цепи (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды и другие). Так же сигналом может являться звуковая волна, а так же волна электромагнитного диапазона. То есть сигналы могут существовать и в виде полей и волн.

Излучение (волновое поле) конкретного пространства имеет свой СПЕКТР – то есть дискретизацию волновой энергии по частоте и длине волны.

Ни один из источников не дает монохроматического света, то есть света строго определенной длины волны. В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несёт с собой свет от источника, определенным образом распределена по длинам волн, входящим в состав светового пучка. Можно также сказать, что энергия распределена по частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь.

Плотность потока электромагнитного излучения или интенсивность, определяется энергией W, приходящейся на все частоты. Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину - интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью интенсивности излучения.

Свой СПЕКТР имеет каждое волновое поле. Система управления физиологией человека напрямую связана со спектром электромагнитного и других полей. Сигналы управления различными элементами и органами работают на различных частотах таких спектров. Так реализована ФУНКЦИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ по частотам волновых полей. Так же имеет место быть разделение функции энергетики отдельных частей организма по спектральной плотности интенсивности излучения – различным системам организма требуется различная интенсивность энергии.

Спектр - есть не что иное, как РАДУГА – основа нашей жизни. Цвета радуги – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Сигналы разделены не только по спектру частот, но и по функции модуляции.

МОДУЛЯЦИЯ — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала. В результате, спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем (низкочастотном) сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т.д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания.

В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией. Таким образом, волновое поле окружающего пространства, другими словами, волновое поле планеты, где мы проживаем, принимается за высокочастотную составляющую.

Несущей частотой системы управления телом человека служит частота окружающего волнового поля, то есть поля планеты. Точнее мы имеем дело со спектрами несущих частот электромагнитного и других волновых полей. Управляющие модулирующие сигналы преобразуют эти высокочастотные волны, используя их в качестве переносчика (каналов передачи) и переносят алгоритм команды от системы управления на функциональные элементы. Естественно, данные сигналы должны чем-то модулироваться, и это что-то есть не что иное, как нейрон. Однако его функции мы подробнее рассмотрим позже.

Таким образом, модуляция волнового поля окружающего пространства позволяет реализовать систему управления организмом человека. Все звенья, участвующие в этой системе – сложные наукоемкие биологические приборы, которые мы привыкли называть нервными клетками, лимфатическими узлами и другими элементами.

Говоря о плотности интенсивности спектрального излучения, нельзя не отметить тот факт, что на разных частотах интенсивность будет различна. Те отделы тела, которые управляются на самой низкой частоте (красный цвет радуги), нуждаются в энергетике с низкой интенсивностью, на более высокой частоте – требуют более высокого уровня интенсивности энергетики.

Задание 1. Понять и проанализировать все, о чем шла речь в данной практике. Эти знания необходимы в качестве фундамента для понимания последующего материала об энергетическом строении и энергетическом питании клетки.