Кле́тка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов , о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные , растения и грибы , состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии , являются одноклеточными организмами . Раздел биологии , занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии . В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии.
Элементы, используемые для выполнения этих реакций, пульсируют клетками в их среде. Кроме того, некоторые из этих химических реакций происходят внутри определенной органеллы. Например, дыхание происходит в митохондриях животных и растительных клеток, а фотосинтез происходит в хлоропластах растительных клеток. 2 - Контроль клеточного метаболизма На клеточный метаболизм влияют условия окружающей среды, которым подвергается эта клетка. Фактически, факторы окружающей среды, такие как температура, освещение и количество кислорода и питательных веществ, доступных в окружающей среде, могут быть ограничивающим фактором для метаболизма.
История открытия
Срез пробкового дерева из книги Микрография, Роберт Гук, 1635-1703
Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука ). В 1665 году , пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа . Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему соты в ульях медоносных пчел, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «ячейка, клетка»).
Экариотические клетки, которые являются людьми, нуждаются в кислороде и глюкозы, чтобы их метаболизм работал правильно. Если положить их в анаэробной среде, с есть без кислорода, обмен веществ перестает работать, и они могут умереть. В дополнение к окружающей среде метаболизм зависит от генетического наследия, и клетка больше не может выполнять определенные химические реакции, которые изменяют метаболизм этой клетки. Это дыхание требует кислорода и выделяет углекислый газ в клеточном масштабе. Он разрушается в гликолиз, цикл Кребса и дыхательную цепь, которые имеют место в разных клеточных отделениях.
В 1675 году итальянский врач М. Мальпиги , а в 1682 году - английский ботаник Н. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632 -1723 ) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы (инфузории , амёбы , бактерии ). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки - эритроциты и сперматозоиды . Таким образом, уже к началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. В 1802 -1808 годах французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками. Ж. Б. Ламарк в 1809 году распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1825 году чешский учёный Я. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в 1839 ввёл термин «протоплазма ». В 1831 году английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в 1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. С тех пор главным в организации клеток считается не мембрана, а содержимое.
В анаэробных условиях некоторые клетки способны делать ферментацию, которая не требует кислорода, но имеет менее выгодный энергетический баланс. Существует несколько типов ферментаций, включая алкогольную ферментацию и молочную ферментацию. дыхание таким образом, что «на» предназначен в биологии клеточного дыхания. наиболее эукариотические клетки дышать. дыхание дыхание состоит в окислении органического вещества минерального материала через кислород, чтобы вывести энергию, необходимую, чтобы управлять клетка.
Все клетки Дыхание человека дышать состоит из нескольких этапов, которые происходят в различных клеточных компартментах. гликолиза происходит в гиалоплазме цикле Кребса в митохондриях митохондриальной дыхательной цепи в. внутренняя мембрана митохондрий Гиалоплазма Гиалоплазма - это жидкость, в которой органеллы погружены внутрь клетки. Это происходит в гиалоплазме. Гликолиз Гликолиз является глюкозо-деградирующей реакцией в гиалоплазме клетки. Митохондрии Митохондрии является органеллы эукариотических клеток.
Клеточная теория
Клеточная теория строения организмов была сформирована в 1839 году немецкими зоологами Т. Шванном и М. Шлейденом и включала в себя три положения. В 1858 году Рудольф Вирхов дополнил её ещё одним положением, однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы. В 1878 году русским учёным И. Д. Чистяковым открыт митоз в растительных клетках; в 1878 году В. Флемминг и П. И. Перемежко обнаруживают митоз у животных. В 1882 году В. Флемминг наблюдает мейоз у животных клеток, а в 1888 году Э. Страсбургер - у растительных.
Но некоторые виды способны жить в анаэробных условиях. Анаэробные Средний Анаэробная среда является средой без кислорода. Организмы способны жить говорят, являются анаэробными. Анаэробные или аэробно-анаэробные организмы ферментируют в среде без кислорода. Ферментация начинается с гликолиза, точно такой же реакции, что и при дыхании. Но оба пирувато производство гликолиза будет разлагаться в реакции, которая не требует кислорода Глава 3. Хлорофилловые растения являются автотрофными организмами. Хлорофиллийные клетки растений являются зелеными листовыми клетками.
Клеточная теория является одной из основополагающих идей современной биологии, она стала неопровержимым доказательством единства всего живого и фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология , гистология и физиология . Основные положения клеточной теории не потеряли своей актуальности, однако со времени её создания были дополнены, и теперь она содержит такие утверждения:
Зеленый цвет обусловлен наличием хлорофилла в хлоропластах клеток. хлоропласты хлоропласт является органеллами фотосинтетического хлорофилла клеток. Она захватывает световые волны, необходимые для фотосинтеза. хлорофилл хлорофилла является фотосинтетическим пигментом, который поглощает синие и красные световые волны. Он находится в хлоропластах хлорофилла клеток плоскости Фотосинтез - это процесс, который придает растению свою автотрофность. Это комплекс химических реакций, который позволяет производить органическое вещество, необходимое для функционирования и роста растения.
Клетка - элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов, вне клетки нет жизни.
Клетка - целостная система, содержащая большое количество связанных друг с другом элементов - органелл .
Клетки различных организмов похожи (гомологичны) по строению и основным свойствам и имеют общее происхождение.
Он имеет место в мембране тилакоидов, структуре хлоропластов. Требуется: световая энергия, захваченная хлорофиллом, Вода, поглощенная корнями Окисляет кислород в воде, что приводит к образованию кислорода. Он происходит из продуктов прозрачной фазы, поэтому он начинается вскоре после начала фазы и останавливается вскоре после его окончания. Эти хлоропласты содержат зеленый пигмент, хлорофилл, который дает растениям свой зеленый цвет. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая образует органическое вещество от минерального вещества и легкой энергии.
Увеличение количества клеток происходит путем их деления, после репликации их ДНК : клетка - от клетки.
Многоклеточный организм - это новая система, сложный ансамбль из большого количества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных между собой с помощью химических факторов: гуморальных и нервных.
Фотосинтез происходит в хлоропластах. Хлорофилл захватывает световую энергию, необходимую для фотосинтеза, которая является реакцией, требующей энергии. Минеральные ионы представляют собой положительно или отрицательно заряженные молекулы, которые присутствуют в почве и поглощаются корнями растения водой, а вода и минеральные ионы удаляются из почвы. Затем глюкозу, образованную фотосинтезом, можно трансформировать в другие органические молекулы, такие как аминокислоты. Таким образом, фотосинтез позволяет хранить солнечную энергию в виде органического растительного вещества.
Клетки многоклеточных организмов тотипотентны - любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала этого организма, всеми возможными потенциями для проявления этого материала, - но отличаются по уровню экспрессии (работы) отдельных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - дифференцировке .
Роли фотосинтеза. Фотосинтез также является важным источником производства биомассы. Фактически, большинство пищевых цепей начинаются с растения Биомасса Биомасса - это все органическое вещество, растительное и животное. Когда мы говорим о биомассе как источнике энергии, мы чаще всего рассматриваем ее как форму сжигания. Цепочка продуктов питания. Цепочка продуктов питания - это набор живых вещей, связанных пищевыми отношениями. Цветок, насекомое, птица образуют пищевую цепь. Продовольственная сеть Веб-сеть представляет собой набор связанных пищевых цепей.
Следует отметить, что в разных источниках количество и формулировки отдельных положений современной клеточной теории могут отличаться.
Методы исследования клеток
Впервые клетки удалось увидеть только после создания световых микроскопов, с того времени и до сих пор микроскопия остается одним из важнейших методов исследования клеток. Световая (оптическая) микроскопия, несмотря на своё сравнительно небольшое разрешение, позволяла наблюдать за живыми клетками. В ХХ веке была изобретена электронная микроскопия , давшая возможность изучить ультраструктуру клеток.
В примере предыдущего определения насекомое также может быть съедено лягушкой. Все эти пищевые звенья образуют трофическую сеть. Говорят, что растения являются первичными производителями, они способны синтезировать свое органическое вещество из минеральных молекул. Они могут питаться и, следовательно, автотрофны. растения служат пищей для других организмов, называемых вторичными производителями. Животные обязаны потреблять другое живое существо, чтобы прокормить себя, а также говорят, что они гетеротрофны.
Разлагатели заканчивают цикл: они питаются остатками живых существ и производят минеральное вещество. Таким образом, фотосинтез позволяет обеспечить пищу живым существам. Нуклеотидная последовательность имеет важное значение, поскольку она кодирует в виде генов генетическую информацию для всех живых существ. Универсальность генетической информации является показателем родства между живыми существами. нити - это совокупность элементов, называемых нуклеотидами. Если мы знаем нуклеотидную последовательность одной нити, мы можем вывести другую.
Для изучения функций клеток и их частей используют разнообразные биохимические методы - как препаративные, например фракционирование методом дифференциального центрифугирования, так и аналитические. Для экспериментальных и практических целей используют методы клеточной инженерии. Все упомянутые методические подходы могут использоваться в сочетании с методами культуры клеток .
Нуклеотидная последовательность, имеющая определенный порядок, представляет собой код, который несет информацию. Эта генетическая информация необходима и универсальна в живом мире, то есть все живые существа используют один и тот же код. Это последовательность, которая содержит генетическую информацию, а основания - как буквы, которые составляют У людей набор хромосом определяет последовательность из 3, 4 миллиардов оснований, а генетическая информация написана на универсальном языке. Поэтому можно взять фрагмент из организма одного вида и внедрить его в организм другого вида.
Оптическая микроскопия
В оптическом микроскопе увеличение объекта достигается благодаря серии линз, через которые проходит свет. Максимальное увеличение, которое можно достичь благодаря оптическому микроскопу, составляет около 1000. Еще одной важной характеристикой является разрешение - расстояние между двумя точками, которые еще распознаются отдельно, другими словами, разрешение характеризует чёткость изображения. Эта величина ограничивается длиной световой волны, и даже при использовании самого коротковолнового света - ультрафиолетового - можно достичь разрешения только около 200 нм; такое разрешение было получено еще в конце XIX века. Таким образом, малейшие структуры, которые можно наблюдать под оптическим микроскопом, это митохондрии и небольшие бактерии , линейный размер которых составляет примерно 500 нм. Однако объекты размером меньше 200 нм видны в световом микроскопе только тогда, если они сами излучают свет. Эта особенность используется в флуоресцентной микроскопии , когда клеточные структуры или отдельные белки связываются со специальными флуоресцентными белками или антителами с флуоресцентными метками. На качество изображения, полученного с помощью оптического микроскопа, влияет также контрастность - её можно увеличить, используя различные методы окраски клеток. Для изучения живых клеток используют фазово-контрастную , дифференциальную интерференционно-контрастную и темнопольную микроскопию. Конфокальные микроскопы позволяют улучшить качество флуоресцентных изображений .
Это называется трансгенезом, который продуцирует генетически модифицированные организмы. Обнаружено, что организм, в который был перенесен ген, начинает продуцировать тот же самый белок, связанный с переносимым геном, как организм в начале этого гена, который показывает, что генетическая информация понимается клетками гена. Поэтому любой ген несет точную генетическую информацию, которая зависит от последовательности в нуклеотидах. Гены кодируют белки, которые ответственны за персонажи, составляющие наблюдаемый фенотип индивидуума.
Поэтому фенотип каждого человека зависит от его генотипа. Это означает, что этот ген содержит информацию, необходимую для получения белка, и каждый белок отвечает за конкретный признак. Генотип генотипа представляет собой набор генов индивидуума. Фенотип Фенотип - это набор наблюдаемых характеристик человека. Цвет глаз, размер, тип крови - это символы, которые являются частью фенотипа. Будучи загорелыми или ранеными, хотя и временными, также являются частью фенотипа. Геном - это набор генов вида.
Электронная микроскопия
В 30-х годах XX века был сконструирован электронный микроскоп , в котором вместо света через объект пропускается пучок электронов. Теоретический предел разрешения для современных электронных микроскопов составляет около 0,002 нм, однако из практических причин для биологических объектов достигается разрешение только около 2 нм. С помощью электронного микроскопа можно изучать ультраструктуру клеток. Различают два основных типа электронной микроскопии: сканирующую и трансмиссионную. Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (РЭМ) используется для изучения поверхности объекта. Образцы зачастую покрывают тонкой пленкой золота. РЭМ позволяет получать объемные изображения. Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия (ПЭМ) - используется для изучения внутреннего строения клетки. Пучок электронов пропускается через объект, предварительно обработанный тяжелыми металлами , которые накапливаются в определенных структурах, увеличивая их электронную плотность . Электроны рассеиваются на участках клетки с большей электронной плотностью, в результате чего на изображениях эти области выглядят темнее .
Это расширяет концепцию генотипа, которая относится к индивидууму ко всему виду, в то время как индивидуумы того же вида имеют один и тот же геном, но имеют разные фенотипы, что указывает на изменчивость самих генов. то же самое. Фактически, не все люди имеют один и тот же генотип, а фенотип зависит от генотипа, но также от факторов окружающей среды. Эти изменения, называемые мутациями, происходят, когда один нуклеотид заменяется другим, теряется или добавляется к генотипу. последовательность. Мутированный ген может затем кодировать другой белок.
Фракционирование клеток
Для установления функций отдельных компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, чаще всего это делается с помощью метода дифференциального центрифугирования. Разработаны методики, позволяющие получить чистые фракции любых клеточных органелл. Получение фракций начинается с разрушения плазмалеммы и образования гомогената клеток. Гомогенат последовательно центрифугируется при различных скоростях, на первом этапе можно получить четыре фракции: (1) ядер и крупных обломков клеток, (2) митохондрий, пластид, лизосом и пероксисом, (3) миркосом - пузырьков аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума , (4) рибосом, в супернатанте останутся белки и более мелкие молекулы. Дальнейшее дифференциальное центрифугирование каждой из смешанных фракций позволяет получить чистые препараты органелл, к которым можно применять разнообразные биохимические и микроскопические методы .
Он также не может изменять информацию и всегда кодировать один и тот же белок. В последнем случае мутация называется тихой, что приводит, в частности, к новым версиям генов, то есть к новым аллелям. Аллелы представляют собой различные варианты гена. Различные аллели имеют разные последовательности, но они определяют один и тот же характер. Часто последовательности являются близкими. Следовательно, в результате появляются новые аллели и, следовательно, разнообразие живых.
Каждый человек имеет два аллеля каждого из его генов, аллели, которые могут быть одинаковыми или разными. Пара гомологичных хромосом несет один из аллелей. Клетки растений и животных являются эукариотическими клетками. Эукариотическая клетка Хромосомы находятся в постоянном числе внутри вида и существуют как переменная конденсация во время клеточного цикла. Хромосомы представляют собой одну хроматид. Хромосомы меняются на две хроматиды. Хромосомы являются двумя хроматидами. Материнская клетка с хромосомными хромосомами дает две дочерние клетки с хроматическими хромосомами.
Строение клеток
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:
прокариоты (доядерные) - более простые по строению и возникли в процессе эволюции раньше;
эукариоты (ядерные) - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.
Количество хромосом является видоспецифичным. Есть 46 хромосом у 23 пар у людей. В этом глазе свободные нуклеотиды, обеспечиваемые питательными веществами, расположены так, чтобы образовывать двойную молекулу, половину материи, половину неоформированной, путем комплементарности оснований. глаз движется по хромосоме до тех пор, пока она не достигнет хромосомы с двумя хроматидами, одновременно открываются множественные глаза репликации, что позволяет сделать репликацию человека в течение нескольких часов при 50 нуклеотидов в секунду.
Метафаза: центромеры хромосом выровнены на экваториальной плоскости, которая разделяет клетку на две части. Анафаза: хроматиды разделяются и мигрируют на противоположные полюса клетки. Телофаза: клетка разделяется на две части, это цитолиз. Формируются ядерные мембраны двух новых клеток. Хромосомы деконденсации. Составляющие растительной клетки.
Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной , или плазмалеммой . Внутри клетка заполнена цитоплазмой , в которой расположены различные органоиды и клеточные включения , а также генетический материал в виде молекулы ДНК . Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Прокариотическая клетка
Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро , орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий ). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК , в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид ) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина ). К прокариотам относятся бактерии , в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи . Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды . Основное содержимое клетки, заполняющее весь её объём, - вязкая зернистая цитоплазма.
Эукариотическая клетка
Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех) - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром , отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят ) комплекс с белками-гистонами , называемый хроматином . В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты -прокариоты - митохондрии , а у водорослей и растений - также и пластиды .
Строение прокариотической клетки
Строение типичной клетки прокариот: капсула , клеточная стенка , плазмолемма , цитоплазма , рибосомы , плазмида , пили , жгутик , нуклеоид .
Фимбрии кишечной палочки, которые позволяют ей прикрепляться к субстрату (ОМ)
Бактерия Helicobacter pylori с несколькими жгутиками (ПЭМ)
Возбудитель столбняка - Clostridium tetani , в клетках видны эндоспоры (оранжевые)
Основная статья: Структура бактериальной клетки
Клетки двух основных групп прокариот - бактерий и архей - похожи по структуре, характерными их признаками являются отсутствие ядра и мембранных органелл.
Основными компонентами прокариотической клетки являются:
Грамположительные бактерии (например роды Staphylococcus , Bacillus , Lactobacillus ) - имеют более простую структуру клеточной стенки, состоящую почти исключительно из муреина;
Грамотрицательные бактерии (например роды Salmonella , Escherichia , Azotobacter ) - клеточная стенка содержит меньше пептидогликана и имеет дополнительную внешнюю мембрану, которая состоит из фосфолипидов.
Клеточная стенка , которая окружает клетку извне, защищает ее, придаёт устойчивую форму, предотвращающую от осмотического разрушения. У бактерий клеточная стенка состоит из пептидогликана (муреина), построенного из длинных полисахаридных цепей, соединенных между собой короткими пептидными перемычками. По строению клеточной стенки различают две группы бактерий:
Клеточная стенка архей не содержит муреина, а построена в основном из разнообразных белков и полисахаридов .
Фимбрии - пили, которые служат для прикрепления. Например, возбудитель гонореи - Neisseria gonorrhoeae использует фимбрии для удержания на слизистой оболочке хозяина.
Половые пили (F-пили) - задействованы в процессе конъюгации у бактерий .
Капсула - имеющаяся у некоторых бактерий слизистая оболочка, расположенная снаружи от клеточной стенки. Состоит в основном из разнообразных белков , углеводов и уроновых кислот . Капсулы защищают клетки от высыхания, могут помогать бактериям в колониях удерживаться вместе, а индивидуальным бактериям - прикрепляться к различным субстратам. Кроме этого, капсулы предоставляют клетке дополнительную защиту: например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме и вызывают воспаление легких , тогда как некапсулированные быстро уничтожаются иммунной системой и являются абсолютно безвредными .
Пили или ворсинки - тонкие волоскоподобные выросты, что присутствуют на поверхности бактериальных клеток. Существуют различные типы пилей, из которых наиболее распространенными являются:
Жгутики - органеллы движения некоторых бактерий. Бактериальный жгутик построен значительно проще эукариотического, и он в 10 раз тоньше, внешне не покрыт плазматической мембраной и состоит из одинаковых молекул белков, которые образуют цилиндр. В мембране жгутик закреплен при помощи базального тела .
Плазматичческая и внутренние мембраны . Клетки всех живых организмов, как эукариот, так и прокариот, окружены полупроницаемыми мембранами, состоящими из фосфолипидов и белков. Однако большинство прокариотических клеток (в отличие от эукариотических) не имеют внутренних мембран, которые разделяют цитоплазму на отдельные компартменты . Только у некоторых фотосинтетических и аэробных бактерий плазмалемма образует вгибание внутрь клетки, что выполняет соответствующие метаболические функции .
Нуклеоид - не ограниченный мембранами участок цитоплазмы , в котором расположена кольцевая молекула ДНК - «бактериальная хромосома», где хранится весь генетический материал клетки .
Плазмиды - небольшие дополнительные кольцевые молекулы ДНК, несущие обычно всего несколько генов. Плазмиды, в отличие от бактериальной хромосомы, не являются обязательным компонентом клетки. Обычно они придают бактерии определенные полезные для нее свойства, такие как устойчивость к антибиотикам, способность усваивать из среды определенные энергетические субстраты, способность инициировать половой процесс и т. д.
Рибосомы прокариот, как и у всех других живых организмов, отвечают за осуществление процесса трансляции (одного из этапов биосинтеза белка ). Однако бактериальные рибосомы несколько меньше, чем эукариотические (коэффициенты седиментации 70S и 80S соответственно), и имеют другой состав белков и РНК . Из-за этого бактерии, в отличие от эукариот, чувствительны к таким антибиотикам, как эритромицин и тетрациклин , которые избирательно действуют на 70S-рибосомы .
Эндоспоры - окруженные плотной оболочкой структуры, содержащие ДНК бактерии и обеспечивающее выживание в неблагоприятных условиях. К образованию эндоспор способны лишь некоторые виды прокариот, например представители родов Clostridium (C. tetani - возбудитель столбняка , C. botulinum - возбудитель ботулизма , C. perfringens - возбудитель газовой гангрены и т. п.) и Bacillus (в частности B. anthracis - возбудитель сибирской язвы ). Для образования эндоспоры клетка реплицирует свою ДНК и окружает копию плотной оболочкой, из созданной структуры удаляется избыток воды, и в ней замедляется метаболизм . Споры бактерий могут выдерживать довольно жесткие условия среды, такие как длительное высушивание, кипячение, коротковолновое облучение и др.
Строение эукариотической клетки
Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)
Поверхностный комплекс животной клетки
Состоит из гликокаликса , плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы . Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана , толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию . На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира - гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов , полисахаридов , гликопротеинов и гликолипидов . Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков , в частности, поверхностных антигенов и рецепторов . В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета - упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты . Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции : выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий . При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок ).
Структура цитоплазмы
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 которого прикреплены рибосомы , относят к гранулярному (или шероховатому ) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к агранулярному (или гладкому ) 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.
Ядро
Клеточное ядро содержит молекулы ДНК , на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация - удвоение молекул ДНК, а также транскрипция - синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками . Компартмент для ядра - кариотека - образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки . Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством . Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной , жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами , к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры , через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
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.
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, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.
Центриоли
Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет, за исключением низших водорослей). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована 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.
Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек .
Митохондрии
Митохондрии - особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ - универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа ) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.
Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом , отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней , между которыми располагается межмембранное пространство . Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы . В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.
1. Какие из перечисленных структур имеются в бактериальной клетке?
Цитоплазматическая мембрана, ядро, цитоплазма, разнообразные мембранные органоиды, немембранные органоиды.
В бактериальной клетке имеются: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, немембранные органоиды (рибосомы).
2. Каковы особенности строения поверхностного аппарата клеток бактерий?
Поверхностный аппарат бактериальных клеток включает цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку. Кроме того, у некоторых групп бактерий в состав поверхностного аппарата может входить дополнительная наружная мембрана или слизистая капсула.
Строение и функции плазмалеммы бактерий сходны с таковыми у эукариот, а клеточная стенка по строению существенно отличается от оболочек клеток растений и грибов – её основу составляет жёсткая решетка из полисахарида муреина.
3. Что представляет собой бактериальная хромосома? Плазмиды? Что такое мезосомы?
Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую молекулу ДНК, которая располагается непосредственно в цитоплазме бактериальной клетки. Кроме того, в цитоплазме могут содержаться небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные автономно удваиваться и при делении передаваться дочерним клеткам. Такие внехромосомные структуры называются плазмидами.
Мезосомы – мембранные структуры прокариотической клетки, которые образуются путём впячивания плазмалеммы внутрь цитоплазмы. Часто они имеют вид закрученных в спираль или клубок образований. Считается, что мезосомы могут принимать участие в образовании поперечных перегородок при делении клеток, а также служат местом прикрепления бактериальных хромосом.
4. Какие организмы называются аэробами? Анаэробами?
Аэробы – это организмы, использующие для клеточного дыхания кислород.
Анаэробы – организмы, которые способны обитать в бескислородной среде (на клетки некоторых анаэробов кислород действует и вовсе губительно).
5. В клетках прокариот отсутствуют такие органоиды, как митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть. Каким образом их клетки могут функционировать без этих органоидов? Почему прокариоты не могут «обойтись» без рибосом?
У прокариот функции мембранных органоидов выполняет цитоплазматическая мембрана и её производные. Например, в клетках цианобактерий содержатся округлые замкнутые мембранные структуры – хроматофоры, в которых расположены фотосинтетические пигменты, т.е. хроматофоры выполняют функции хлоропластов.
Белки в клетках всех живых организмов выполняют чрезвычайно важные биологические функции, многие из которых не способны выполнять никакие другие вещества. Биосинтез белков осуществляется исключительно на рибосомах. Поэтому прокариоты, как и другие живые организмы, не могут "обойтись" без рибосом.
6. Сравните по различным признакам прокариотическую и эукариотическую клетки, выявите черты сходства и различия.
Сходство:
● Имеют поверхностный аппарат, включающий цитоплазматическую мембрану и надмембранный комплекс. Сходное строение и функции цитоплазматической мембраны.
● Имеется генетический аппарат, представленный ДНК, а также система биосинтеза белка (все типы РНК, рибосомы).
● Клетки некоторых прокариот и эукариот могут иметь жгутики.
Различия:
● Генетический аппарат эукариот представлен линейными молекулами ДНК, находящимися в ядре клетки. В клетках прокариот отсутствует ядро, их генетический аппарат представлен кольцевой молекулой ДНК (бактериальной хромосомой), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.
● В эукариотических клетках, в отличие от клеток прокариот, имеются одномембранные и двумембранные органоиды. Наличие мезосом характерно только для прокариотических клеток.
● Как правило, клетки эукариот значительно крупнее клеток прокариот.
● Клеточная стенка у прокариот построена из муреина, а у эукариот – из целлюлозы или хитина, либо отсутствует.
● Рибосомы прокариот меньше по размеру, чем рибосомы эукариот.
7*. Сравните строение двумембранных органоидов (митохондрий, хлоропластов) и бактериальных клеток. Какие черты сходства обнаруживаются? Предположите, чем они могут объясняться.
Сходство:
● Генетический аппарат митохондрий, хлоропластов и бактерий представлен кольцевой молекулой ДНК, находящейся не в ядре, а непосредственно во внутренней среде этих органоидов и клеток (в матриксе митохондрии, в строме хлоропласта, в цитоплазме бактериальной клетки).
● Цитоплазматическая мембрана бактерий и внутренняя мембрана митохондрий и хлоропластов образуют многочисленные впячивания (мезосомы, кристы и тилакоиды соответственно), служащие для увеличения площади поверхности.
● Сопоставимые размеры. Средние размеры бактерий – 0,25-10 мкм, хлоропластов – 4-10 мкм, митохондрии имеют ширину 0,25-1 мкм при длине 1-60 мкм.
И (или) другие существенные признаки.
Согласно теории симбиогенеза (эндосимбиоза) митохондрии и пластиды являются видоизменёнными прокариотическими организмами, которые в глубокой древности (2,5 - 1,5 млрд лет назад) поселились в более крупных гетеротрофных клетках-хозяевах, постепенно утратили свою автономность и стали органоидами.
* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.