Ни одно тело не может пользоваться
жизнью, если его вмещающиеся части
не представляют клеточной ткани или
не образованы из клеточной ткани.
Ж.-Б. Ламаг
Как шло развитие представлений о клеточном строении живых организмов? Каковы основные компоненты клетки? Как устроены клеточные мембраны? Как вещества попадают в клетку? Какова структура клеточного ядра? Как клетки делятся?
Урок-лекция
КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ . Элементарной единицей онтогенетического уровня организации живого является биологическая система, состоящая из одной или нескольких клеток. Именно клетки и играют роль «кирпичиков», из которых слагается живой организм.
Впервые о существовании клеток сообщил в 1665 г. англичанин Роберт Гук. В дальнейшем клетки стали находить у всех исследуемых под микроскопом растений и животных. Постепенно сформировалась концепция, которая была опубликована в 1839 г. в книге Теодора Шванна и получила название клеточная теория .
В современном изложении основные постулаты клеточной теории выглядят так:
- клетка - элементарная единица жизни, мельчайший элемент материи который можно назвать живым;
- все живые существа состоят из одной или многих клеток;
- все клетки образуются только в результате деления других клеток.
Именно эти положения клеточной теории являются свидетельств единства организации биологических систем на онтогенетическом уровне. Существенный вклад в формирование клеточной теории внес в 1925 г французский исследователь Э. Шаттон, который предложил разделить все живые организмы на прокариот и эукариот . Первые не обладак оформленным ядром - это бактерии, вторые же обладают - это все остальные живые существа. Вирусы под постулаты клеточной теории не попадают - это неклеточная форма существования жизни.
Долгое время изучение клеток велось при помощи световых микроскопов. Разрешающая способность этих приборов не превышает О,4-0,7 мкм, что не позволяет детально исследовать особенности органиции структур, входящих в состав клеток. Только с появлением электронных микроскопов, разрешающая способность которых достигает тысячи долей микрометра, развитием биохимии и молекулярной биологии в середине - конце XX в. произошла подлинная революция в науке о строении клетки - цитологии.
СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ЭУКАРИОТ . В клетке эукариот выделяют плазматическую мембрану , цитоплазму и ядро (рис. 37). Цитоплазма представляет собой жидкую среду клетки (цитозоль) вместе с погруженными в нее внутриклеточными структурами - органеллами или органоидами.
Рис. 37. Обобщенная схема строения животной клетки
В структурной организации клетки чрезвычайно важная роль принадлежит мембранам, которые не только формируют наружную плазматическую мембрану, но и ограничивают многие органеллы. Строение всех клеточных мембран однотипно (рис. 38). Они состоят из двойного слоя липидов (в основном фосфолипидов), в который встроены белки.
Рис. 38. Строение плазматической мембраны
Наружная плазматическая мембрана клеток отделяет ее содержимое от внешней среды, благодаря чему поддерживается определенный химический состав цитоплазмы. Для нормального функционирования клетка должна непременно обмениваться веществами с окружающей средой. Молекулы проникают в клетку и выводятся из нее благодаря диффузии или переносятся специальными транспортными белками, которые входят в состав плазматической мембраны.
Клетки способны перемещать через плазматическую мембрану и весьма значительные количества веществ при пиноцитозе и фагоцитозе (рис. 39).
Рис. 39. Пиноцитоз (а) и фагоцитоз (б)
В результате этих процессов субстрат (жидкий при пиноцитозе и твердый при фагоцитозе) заключается мембраной в пузырек, который оказывается в цитоплазме. В цитоплазме пузырек сливается с одной или несколькими лизосомами - органеллами, которые содержат ферменты, способные разрушать органические соединения. Образующиеся при разложении субстрата простые органические молекулы поступают в цитоплазму и используются клеткой, а непереваренные остатки либо выводятся наружу, либо накапливаются в цитоплазме.
В клетке одновременно происходит синтез и распад огромного числа макромолекул. Упорядочиванию и достижению максимальной эффективности всех этих процессов способствует разделение внутреннего пространства клетки эукариот на замкнутые отсеки - органеллы .
В пределах каждой органеллы сосредоточиваются определенные ферменты и исходные вещества, необходимые для протекания той или иной химической реакции.
Синтез сахаров и жиров приурочен к гладкой эндоплазматической сети (ЭПС). Синтез же белков осуществляется на рибосомах - мельчайших органеллах (15-35 нм), образованных из РНК и белка и состоящих из двух частей. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме либо прикрепляться к уплощенным цистернам ЭПС, которая в этом случае называется шероховатой (ШЭПС). В процессе синтеза белки накапливаются в полости цистерн ШЭПС, откуда в виде окруженных мембраной пузырьков доставляются через цитоплазму к комплексу Гольджи (рис. 40).
Рис. 40. Схема строения комплекса Гольджи
В этой клеточной органелле, имеющей вид стопки плоских цистерн и пузырьков, белки подвергаются обработке ферментами и сортируются, причем каждый тип конечного белкового продукта попадает в отдельный пузырек, формирующийся за счет выпячивания мембраны цистерн комплекса Гольджи.
Отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи пузырьки с пищеварительными ферментами представляют собой лизосомы (см. выше). Пузырьки с секреторными продуктами транспортируются к наружной плазматической мембране, где их мембрана сливается с плазматической мембраной, а содержимое изливается наружу. Выстраивается цепочка транспортировки продуктов от места их производства через место доводки и сортировки (комплекс Гольджи) к конечной! станции (плазматическая мембрана, фагоцитарная вакуоль и др.).
Движение мембранных пузырьков в цитоплазме осуществляется при помощи белков - молекулярных моторов (подробнее об этом см. в § 64). Эти же белки могут составлять отдельные нити (фибриллы) или трубчатые структуры (микротрубочки), которые вместе с другими фибриллярными белками образуют внутренний каркас клетки - цитоскелет .
Митохондрии (рис. 41) имеются практически всех клетках эукариот. Они обеспечивают процессь клеточного дыхания, в результате которого вырабатывается ббльшая часть энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности клетки.
Рис. 41. Схема строения митохондрии
Ядро снаружи одето ядерной оболочкой, состоящей из внутренней и наружной мембран. Ядерная оболочка пронизана порами. Через поры происходит основной обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Поры оболочки ядра пропускают только определенные макромолекулы, так что состав жидкой среды внутри ядра (кариоплазмы) отличается от характерного для окружающей ядро цитоплазмы. Здесь концентрируются соединения, обеспечивающие нормальную работу генетического аппарата, который представлен хромосомами. Хромосомы - нити ДНК, «упакованные» вместе с белками. Собственно хромосомы как оформленные структуры становятся заметными в световой микроскоп только в период деления клеток.
Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки. Эти органеллы окружены двумя мембранами и имеют свою собственную кольцевую молекулу ДНК, рибосомы и могут самостоятельно делиться вне зависимости от деления клетки.
Во время деления клетки хромосомы утолщаются и укорачиваются - спирализуются. Каждая из них имеет перетяжку - центромеру, которая может находиться посередине хромосомы или располагаться ближе к одному из ее концов.
В ядрах клеток имеются одно или несколько ядрышек, которые производят рибосомы.
ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ . Размножение клеток эукариот осуществляется путем их деления, в ходе которого дочерние клетки получают полные копии генетического материала родительской клетки. Этот процесс получил название митоз и состоит из нескольких последовательно сменяющих друг друга фаз (рис. 42).
Рис. 42 Митоз
Все живые существа, несмотря на их многообразие, обладают клеточным строением. Это свидетельствует о единстве живого. Клетки эукариот состоят из ядра и цитоплазмы и ограничены снаружи плазматической мембраной. В цитоплазме клетки сосредоточены органеллы, каждая из которых выполняет свою функцию. Транспорт веществ в клетку осуществляется либо непосредственно через плазматическую мембрану, либо в виде одетых мембраной пузырьков (пиноцитоз и фагоцитоз). В клетках существует система транспортировки продуктов в мембранных пузырьках, причем ключевую роль в этом процессе играет комплекс Гольджи. Генетический аппарат клетки представлен хромосомами, которые сосредоточены в ядре.
В период между двумя делениями - в интерфазе - клетка реализует все функции, которые характерны для данного типа клеток (рис. 43). В конце интерфазы происходит репликация ДНК, которая приводит к удвоению хромосом. Ядрышко при этом исчезает. Каждая хромосома оказывается представленной двумя копиями, которые тесно связаны друг с другом. В интерфазе происходит и удвоение построенной из микротрубочек органеллы - центриоли. В профазе митоза завершается спирали-зация хромосом. Ядерная оболочка разрушается. Центриоли расходятся к полюсам клетки, и между ними формируются состоящие из микротрубочек нити митотического веретена.
Рис. 43 Схема клеточного цикла
В метафазе хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки и формируют так называемую метафазную пластинку. Часть нитей веретена присоединяется к хромосомам в области центромер. Во время анафазы связь между двумя копиями одной хромосомы теряется, и каждая из них при помощи нитей веретена перемещается к противоположному полюсу клетки. На завершающей стадии митоза (телофаза ) вокруг каждой из образовавшихся на полюсах групп хромосом формируется ядерная оболочка. Параллельно происходит разделение цитоплазмы материнской клетки (цитокинез), причем в каждую из дочерних клеток попадает примерно одинаковое количество органелл материнской. Постепенно в формирующемся ядре происходит деспирализация хромосом, и появляется ядрышко. Клетка вступает в интерфазу.
На жизнь клетки оказывает влияние концентрация ионов К + и Na + . Любому организму необходимо поддерживать солевой баланс. Недостаток или избыток солей в организме может оказать вредное влияние на его жизнедеятельность. Пища должна включать достаточное количество овощей и фруктов, содержащих минеральные соли. Недостаток солей можно восполнить приемом специальных препаратов. Однако при этом необходимо соблюдать рекомендации врачей и правильную дозировку.
При делении клеток (митоз) хромосомы удваиваются и распределяются между дочерними клетками так, что каждая из них получает копию генетического аппарата родительской клетки.
- Сформулируйте основные постулаты клеточной теории.
- Как работает транспортная система клетки?
- Какова роль огранелл в организации процессов жизнедеятельности клетки?
- Каково участие различных структур клетки в процессе митоза?
- Почему клетку можно назвать биологической системой?
1.doc
РефератКлетка как элементарная живая система
2010
Введение 3
1. Клеточная теория 4
2. Типы клеточной организации 7
3. Строение клетки 9
3.1. Клеточные мембраны 10
3.2. Цитоплазма и ее органеллы 13
3.2.1. Строение и функции основных органелл клетки 13
Заключение 21
Литература 22
Введение
Онтогенетический уровень живого представлен отдельными организмами (особями). Клетки как элементарные структуры действуют как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие), а так же, как клетки многоклеточных организмов. Особенность клеточного подуровня в том, что именно с него и начинается жизнь.
Клетка - элементарная живая система и основная форма организации живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетка - это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живого.
Между клетками растений и животных нет принципиальной разницы по строению и функциям, некоторые отличия лишь в строении мембран и некоторых органелл. За 3 млрд. лет существования на Земле живое вещество развилось до нескольких миллионов видов, но все они - от бактерий до высших животных - состоят из клеток. Специфичность клеточного подуровня заключается в специализации клеток. В человеческом организме до 10 15 клеток. Половые клетки служат для размножения, соматические (от греч. soma - тело) имеют разное строение и функции (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой, количеством поглощенного красителя. Среди живого есть одно- и многоклеточные организмы. Вирусы - неклеточные организмы, они размножаются в чужих клетках. Некоторые водоросли потеряли свое клеточное строение. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности во времени и пространстве, что связано с приуроченностью функций к различным субклеточным структурам.
^ 1. Клеточная теория
Основу современной биологии составляет клеточная теория, создание которой стало возможным после изобретения в 1590г. микроскопа. Родоначальником ее считается английский ученый Роберт Гук, который ввел термин «клетка», или «ячейка» в работе «Микрография» (1665). Изучая под микроскопом срез, приготовленный из пробки и сердцевины бузины, он заметил в этом составе множество мелких образований, похожих по форме на ячейки пчелиных сот. По существу, Р. Гук наблюдал не сами клетки, а лишь оболочки клеток, и ошибочно полагал, что это и есть живое существо.
Несмотря на то, что вопрос о клеточном строении всего живого был поставлен еще в XVII в., тем не менее, лишь во второй половине прошлого века строение клеток, их функции в эволюции живого стали более ясными за счет использования сверхточных приборов исследования живого.
Клеточная теория , или цитология (от греч. kytos... - сосуд, клетка), сложилась в течение XIX в., когда появились более совершенные микроскопы (в последнее время ее чаще называют биологией клетки). Английский ботаник Р. Броун открыл ядро (1833), описав его как характерное тельце растительных клеток. Его открытие послужило толчком к другим открытиям. У клеток выделяют два уровня организации - прокариоты, не имеющие оформленного ядра, и эукариоты, у которых оно есть. Обобщил наблюдения Броуна и установил клеточную природу растительной ткани немецкий ботаник М. Шлейден. Вместе со своим другом Т. Шванном он впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех организмов и образовании клеток (1839).
Основные принципы клеточной теории были сформулированы в работе Теодора Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Все организмы состоят из одинаковых частей - клеток. Клетки образуются, растут по одним и тем же законам. Общий принцип развития для всех элементарных частей организма - это образование клеток. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, но эти индивидуумы действуют совместно, так что возникает гармоничное целое.
Чешский естествоиспытатель Я. Пуркине, открывший ядро яйцеклетки (1825) и проводивший исследования по физиологии зрительного восприятия, ввел понятие протоплазмы для клеточного содержимого (1839), когда понял, что именно оно, а не стенки клетки, является живым веществом. Позже протоплазму клетки стали разделять на цитоплазму и ядро.
«Все клетки образуются в результате деления других клеток» - дополнил немецкий патолог и антрополог Р. Вирхов (1855) клеточную теорию Шлейдена и Шванна. Он считал, что любой организм есть совокупность живых клеток, организованных наподобие небольшого государства. И каждая клетка ведет самостоятельную жизнь. Установили, что хранение и передача наследственных признаков осуществляются с помощью клеточного ядра (Вирхов, Геккель). При большем увеличении микроскопов в клетках открыли постоянные специализированные структуры (органоиды, или органеллы ) - пластиды (такие, как хлоропласта, характерные для клеток, способных к фотосинтезу) и митохондрии. В 1898 г. итальянский гистолог К. Гольджи изобрел новый метод изучения клеток через микроскоп, вводя в них соли серебра, и обнаружил в нервных клетках совы и кошки сетчатые структуры, позднее названные аппаратом Гольджи.
Основа клеточной теории : клетка - основная структурная единица теории и единица развития живых организмов; ядро - основная составляющая клетки; клетки размножаются только делением; всем клеткам присуще мембранное строение; клеточное строение - свидетельство единого происхождения растительного и животного мира.
Приведем характеристику клетки как элементарной живой системы, предложенную А. Ленинджером.
1. Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.
2. В клетке протекает большое количество последовательных реакций, регуляция скорости которых осуществляется самой клеткой.
3. Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
4. Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.
5. Клетка способна почти точно самовоспроизводиться.
В начале XX в. многие биологи повторили опыты австрийского естествоиспытателя И.Менделя, открывшего еще в 1865 г. существование индивидуальных наследственных факторов (генов). Все это способствовало развитию цитогенетики.
Современная клеточная теория исходит из единства расчлененности многоклеточного организма на клетки и его целостности, основанной на взаимодействии клеток.
^ 2. Типы клеточной организации
Все клетки живых организмов подразделяются на два вида с учетом их строения и функций в живых организмах: прокариоты (лат. pro - перед и греч. karyon - ядро), или предъядерные клетки, и эукариоты (греч. еу - полностью, хорошо и karyon - ядро) (рис.1).
Рис. 1. Схема организации про- и эукариотной клеток.
Простейшие организмы, представленные одной или небольшим числом клеток, состоят из клеток прокариотов. Прокариоты (доядерные) - это мелкие (около 1 мкм) клетки гораздо меньше эукариотных. В клетках прокариотов нет оформленного ядра и ядерной оболочки. Генетический материал ДНК - лежит свободно в цитоплазме. Эта часть клетки носит название «нуклеотид». Прочие функциональные блоки тоже представлены небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли. Клетки бактерий и сине-зеленых водорослей не имеют мембранных органелл, присущих эукариотам (ЭР, комплекса Гольджи, митохондрий, пластид, дисозом). Единственной внутренней мембранной структурой является мезосома, о функциональном значении которой нет единого мнения. Полагают, что она участвует в процессах дыхания.
Большинство клеток прокариотов имеют размер около 1 -5 мкм. Средний размер эукариотической клетки имеет диаметр около 25 мкм (1 мм-103 мкм или 109 нм). Таким образом, в эукариотическую клетку может поместиться более 10 тысяч бактерий.
Эукариоты (с настоящим ядром) - крупные (10-50 и более мкм) клетки, в которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах (или органеллах). Все эукариотические клетки имеют одинаковое строение: ядро с оболочкой, цитоплазма с органоидами и оболочка.
Изолирующую роль для ядра и органоидов (органелл) выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности. Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амеба, инфузория и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека.
^ 3. Строение клетки
Клетки животных и растений (рис.2) различаются, но для них можно выделить три главные общие части:
Цитоплазму, представляющую собой коллоидную систему, содержащую, наряду с органическими ионами, продукты пластического и энергетического обмена, органеллы, а также запасные вещества и различные включения;
Клеточную, или плазматическую, мембрану, отделяющую цитоплазму от окружающей среды,
Клеточное ядро, в котором находится генетический материал клетки.
Рис.2. Строение клетки
^ 3.1. Клеточные мембраны
Клеткам присуще мембранное строение - это одно из положений клеточной теории. Среди мембранных органоидов - наружная цитоплазматическая мембрана (НЦМ), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы (Л), митохондрии (М), пластиды (П). В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана, все они имеют единый план строения. Мембранные структуры - арена важнейших жизненных процессов.
Биологическая мембрана (клеточная или плазматическая) - пленка, покрывающая клетку, и настолько тонкая, что ее удалось обнаружить лишь с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Все мембраны построены по одному плану, всегда слоистые. Поперечный разрез показывает, что по обе стороны внутренней, более светлой линии расположены более темные. Мембраны были открыты более века назад, но их роль в механизмах жизнедеятельности клеток до недавнего времени сводили в основном к барьерной функции. Опыты показали, что малые молекулы быстрее усваиваются живой клеткой, чем большие, и вещества, растворимые в воде и нерастворимые в жирах, проникают в клетку медленнее, чем растворимые в жирах. Значит, мембраны содержат жироподобные вещества - липиды и белки, способные связывать воду.
Клеточная мембрана, помимо барьерной функции, обеспечивает обмен между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку поступают вода, ионы, различные молекулы, а выводятся продукты обмена веществ и синтезированные в клетке вещества.
Мембрана играет важную роль: при ее повреждении клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных элементов жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницаемости наружной мембраны - первый признак гибели клетки.
Все биологические мембраны, в том числе и плазматическая, имеют общие свойства и структурные особенности. Они представляют собой двойной слой липидов, гидрофобные хвосты которых обращены внутрь, а гидрофильные головки - наружу. В него погружены на различную глубину белки; некоторые из них даже пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки (они называются трансмембранными) (рис.3.).
Мембранные белки могут выполнять различные функции:
♦ транспорт определенных молекул;
♦ катализ реакций, ассоциированных с мембранами;
♦ поддержание структуры мембран;
♦ получение и преобразование сигналов из окружающей среды.
Рис.3. Строение клеточной мембраны
Не следует думать, что мембрана представляет собой жесткую структуру - большая часть белков и липидов, входящих в ее состав, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. Мембраны асимметричны, т. е. липидный и белковый состав обоих слоев различен. К тому же плазматические мембраны многих животных клеток имеют снаружи так называемый слой гликокаликса, состоящий из полисахаридов, прикрепленных к молекулам белка, и выполняющий, главным образом, сигнальную и рецепторную функции. Он играет важную роль в объединении клеток в ткани.
Наиболее важным свойством мембран является их избирательная проницаемость. Различные вещества обладают различной растворимостью в липидах, поэтому естественно, что биологические мембраны более проницаемы для незаряженных молекул. Однако скорости прохождения ряда веществ через мембрану не зависят от растворимости их в липидах. Установлено, что существует ряд механизмов, обеспечивающих проникновение веществ в клетку:
1. Диффузия. Вещество при этом перемещается через мембрану по диффузионному градиенту.
2. ^ Пассивный транспорт или облегченная диффузия. В этом случае молекула-переносчик соединяется с переносимой молекулой или ионом на одной стороне мембраны и «перетягивает» его на другую. Пассивный транспорт может осуществляться и через формируемые молекулами белков особые каналы, пропускающие вещества только определенного типа. Перенос веществ здесь также осуществляется по градиенту концентрации.
^ 3. Активный транспорт. Этот механизм сопряжен с затратами энергии и служит для переноса молекул против их градиента концентрации. Он осуществляется белками-переносчиками, образующими так называемые насосы, наиболее изученным из которых является Na / К -насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Na наружу, поглощая при этом ионы К\ Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К и меньшая Na , чем в окружающей среде. На этот процесс затрачивается энергия АТФ. В растительных клетках примером активного транспорта может служить водородная помпа.
4. ^ Эндо- и экзоцитоз - поглощение веществ путем окружения их выростами плазматической мембраны, формирующими в дальнейшем пузырьки, отшнуровывающиеся от плазмалеммы. При этом различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкого материала). Экзоцитоз - выделение веществ из клетки - осуществляется в обратном порядке.
^ 3.2. Цитоплазма и ее органеллы
Внутреннее содержание клетки представлено цитоплазмой и расположенными в ней органоидами (или органеллами).
Цитоплазма - это живая часть клетки, помимо ее ядра. Снаружи она окружена клеточной мембраной, а внутри - ядерной. Пространство между ядром и внутренней поверхностью плазматической мембраны заполнено нитями клеточного матрикса, который определяет форму клетки и принимает участие в функциях, связанных с движением (деление клетки и ее перемещения, внутриклеточный транспорт везикул и органелл).
Цитоплазма создает условия для осуществления физиологических реакций клетки и протекания биохимических процессов. Такое свойство цитоплазмы, как буферность, позволяет клетке осуществлять свою жизнедеятельность и поддерживать внутреннее постоянство среды при изменении внешней, а постоянное движение – осуществлять связь между органоидами.
^ 3.2.1. Строение и функции основных органелл клетки
Органеллы - это рабочие субстанции клетки, выполняющие те или иные функции: производят энергию или приводят клетку в движение, служат для разделения клетки на области (или для выделения внутри нее областей) с разными условиями и содержат разные наборы молекул. К органеллам относятся ядро, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, митохондрии, жгутики, комплексы Гольджи, хлоропласты.
Ядро содержит полимерные молекулы дезоКсирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой закодирована вся информация о данном виде, и является хранителем генетической информации. В ряде одноклеточных организмов, называемых прокариотическими, ядро может отсутствовать. Роль хранителя генетической информации в них играет нуклеотид, не имеющий оболочки и состоящий из одной ДНК размером 1-5 мкм. Клетки, имеющие четко выраженные ядра, отделенные мембраной от остальной цитоплазмы, называются эукариотическими, их размер - 10-50 мкм. Размеры органелл составляют от 20 нм до 5 мкм (рибосомы -20 нм, ядра, митохондрии, хлоропласты - 1-5 мкм).
Ядро - основная часть клетки. От остальной части цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, состоящей из двух слоев плазматической мембраны. Наружная мембрана переходит непосредственно в эндоплазматический ретикулум.
В ядре различают ядрышко, кариоплазму и хроматин. Под электронным микроскопом ядро беспорядочно зернисто, а в одной его части зернистость резко возрастает, образуя ядрышко (иногда их несколько) - скопление рибосомальных белков и частей рибосом (рРНК), в основе которого лежит участок хромосомы, определяющий ее структуру и несущий ген. В растительных и животных клетках ДНК присутствует в виде структур размером около 1 мкм - хромосом (от греч. chroma - цвет, краска), число которых постоянно для каждого вида.
^ Ядрышко – сферическая структура, ее функция – синтез РНК, из которой состоят рибосомы.
Хромосомы представляют собой молекулы ДНК, связанные с белками. Хромосомы - это самостоятельные ядерные структуры, состоящие из двух продольных нитевидных половинок - сестринских хроматид (по внешнему виду их разделяют на равноплечие, неравноплечие и палочковидные). Клеточное ядро окрашено ядерными красителями почти равномерно, в микроскоп видна только его зернистость. Основные красители связываются нуклеиновыми кислотами.
Кариоплазма - жидкая фаза ядра, в которой находятся растворенные продукты жизнедеятельности.
Иногда вместо термина «хромосома» используют термин «хроматин ». Оба термина являются синонимами. Выделяют две формы хроматина. Эухроматин представляет собой активно работающую и потому не спирализованную ДНК, невидимую в световой микроскоп. Гетерохроматин – не экспресирующая конденсированная ДНК, видимая в световой микроскоп в виде глыбок, расположенных главным образом по периферии ядра.
Главными функциями ядра являются:
1. Хранение генетической информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления.
2. Контроль жизнедеятельности клетки путем определения, какие белки и в каких количествах должны синтезироваться.
Эндоплазматический ретикулум (ЭР) - это система внутриклеточных мембран, формирующих цистерны и каналы, разделяющие цитоплазму клетки на изолированные пространства компартменты. Это нужно для того, чтобы разделить множество параллельно идущих реакций. Мембраны ЭР служат местом протекания биосинтетических процессов. Выделяют шероховатый (ШЭР) и гладкий ЭР. Мембраны ШЭР содержат на своей поверхности рибосомы, на которых синтезируются белки, и представляют собой совокупность уплощенных мешочков. Строение гладкого ЭР ближе к трубчатому и одна из основных функций – синтез липидов. Помимо этого каналы ЭР служат внутриклеточной системой переноса и распределения веществ. В зависимости от функционального состояния клетки мембраны ЭР подвергаются процессам сборки и разборки. Кроме того, эндоплазматическая сеть служит местом образования цистерн для аппарата Гольджи.
Аппарат Голъджи (пластинчатый комплекс) представляет собой стопку из 5-30 уплощенных канальцев (цистерн), которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков, выполняющих транспортные функции, молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки и упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки.
Часто при описании трехмерной структуры аппарата Гольджи говорят, что он напоминает стопку блинов (рис. 4).
Рис.4. Аппарат Гольджи
У него выделяют наружную, обращенную к плазмалемме, и внутреннюю, соединенную с ЭР, поверхности. Функция данного органоида - транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ. Кроме того, пластинчатый комплекс содержит собственные системы синтеза сложных углеводов из простых сахаров. Аппарат Гольджи представляет собой динамическую структуру, участвующую в потоке клеточных мембран. Он является промежуточным звеном между мембранами ЭР и плазмалеммой (наружная часть комплекса расходуется в процессе отшнуровывания пузырьков, а внутренняя постепенно формируется эндоплазматическим ретикулумом).
Стопки АГ обладают прецизионной внутренней структурой из трех отделов, специализирующихся на разных типах модификации белков. Белок, проходя через них, химически модифицируется в соответствии со своим предназначением, белки сортируются и отправляются по нужному адресу.
АГ наиболее ярко выражен в железистых тканях, поэтому посчитали, что он связан с железами внутренней секреции. В пузырьках накапливаются вещества, которые синтезируются и транспортируются по сети. В АГ эти вещества подвергаются химическим превращениям, потом упаковываются в мембранные пузырьки и выбрасываются из клеток в виде секретов.
В структуре АГ образуются лизосомы. В железистых клетках неподалеку от диктосом, на которые может распадаться структура АГ, особенно много митохондрий .
Лизосомы - мембранные пузырьки, содержащие литические ферменты гидролазы - протеазы, липазы, фосфотазы. Ферменты лизосом могут переваривать как поступившие в клетку путем эндоцитоза продукты, так и отдельные составные части клетки (а иногда ее целиком – автолиз). Лизосомы отшнуровывающиеся от аппарата Гольджи, куда поступают ферменты, синтезированные в ЭР, называются первичными лизосомами. Они могут сливаться с пузырьками эндоцитоза или мембранами, окружающими ненужную структуру, образуя вторичные лизосомы, в которых происходит процесс переваривания и лизис содержащихся в них продуктов.
Митохондрии (отгреч. mitos - нить chondrion - зернышко, крупинка) - в большинстве случаев палочковидной формы органоиды, размером несколько мкм. Митохондрии наблюдали в световой микроскоп как самые крупные клеточные органеллы. Их содержимое - матрикс, окружено двумя мембранами. Внутренняя образует многочисленные гребневидные складки, называемые кристами (рис. 5).
Рис.5. Строение митохондрии
Митохондрии содержат мультиферментные системы, рибосомы и небольшое количество ДНК, чаще всего в виде кольцевых молекул. Они входят в состав любой клетки, по строению похожи на клетки прокариот, имеют округлую форму, а при соединении нескольких рядом могут выглядеть как нити длиной менее 1 мкм. Внутри митохондрий находятся окислительные ферменты, РНК, небольшое количество ДНК, чаще всего в виде кольцевых молекул, и рибосомы, отличающиеся от цитоплазматических.
Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, так как в них образуются молекулы АТФ, аккумулирующие энергию в виде химических связей. Митохондрии способны размножаться путем деления или отшнуровывания мелких фрагментов. Количество их в клетке зависит от функционального состояния и энергетических потребностей.
Жгутики - белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1-20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Т.е. это органоиды движения
Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Рибосомы – это мелкие органеллы, представленные глобулярными частицами диаметром порядка 20 нм, состоящими из двух субъединиц неравного размера – большой и маленькой. Состав рибосом состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК), синтезируемой в ядрышке. Рибосомы могут свободно находиться в цитоплазме, либо прикрепляться к ЭР. На них происходит синтез белковых молекул.
В клетках растений имеются пластиды (хлоропласты, хромопласты и лейкопласты), которые тоже имеют двухмембранное строение, как и митохондрии.
Пластиды – органеллы, окруженные оболочкой, состоящей из двух мембран. Образуются из пропластид – мелких телец, находящихся в меристематических клетках корней и побегов. В пластидах различают более или менее развитую мембранную систему и внутреннее содержимое, представленное гомогенным веществом – строму. По типу содержащихся в них пигментов пластиды делятся на хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.
Хлоропласты (от греч. chloros - зеленый plastos - вылепленный, образованный) - особые органеллы в растительных клетках, в которых протекает процесс фотосинтеза (рис.6).
Рис.6. Строение хлоропласта
Пигмент, окрашивающий их в зеленый цвет и поглощающий энергию солнечного света, назван хлорофиллом (от греч. ...phyllon - лист). При его участии хлоропласты синтезируют из воды и двуокиси углерода глюкозу - основное органическое вещество, которым питается все живое. Без процесса фотосинтеза вряд ли была бы возможна жизнь. С помощью электронного микроскопа установлено, что хлоропласт окружен двойной мембранной оболочкой, как и митохондрии. В ней заключено основное вещество - строма (от греч. stroma - подстилка), заполненная множеством пластинчатых структур - ламелл, которые расположены парами, на концах слипаются и окружают каждую цистерну, в хлоропластах сильно утолщены. В строме видны и крупные белые гранулы - крахмальные зерна; значит, здесь продукт фотосинтеза - глюкоза - сразу же переводится в нерастворимый крахмал. Выяснение связи структуры хлоропластов с их функциями важно для осуществления реакции фотосинтеза «в пробирке» и возможности управлять этим процессом, что явится одним из шагов на пути избавления человечества от забот о пропитании.
Как и митохондрии, хлоропласты содержат рибосомы и собственную ДНК и обладают способностью делиться. Помимо основной функции этих пластид (осуществление фотосинтеза) они участвуют в синтезе аминокислот и жирных кислот и служат хранилищем временных запасов крахмала.
Хромопласты – пластиды, содержащие пигменты каратиноиды, придающие им красную, желтую и оранжевую окраску. Могут развиваться из хлоропластов, которые при этом теряют хлорофилл и внутренние мембрановые структуры и накапливают каратиноиды. Эти явления происходят при созревании плодов. В цветах яркая окраска хромопластов может служить для привлечения насекомых.
Лейкопласты – непигментные, и, следовательно, бесцветные пластиды. Некоторые из них синтезируют и накапливают крахмал (аминопласты), другие способны к образованию и запасанию липидов и белков (элайопласты и протеинопласты). На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты.
Заключение
Клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма. Каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма, причем этот носитель жизни «подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом».
Клетке присущи все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления (самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в целом самоорганизация. Клетка обладает как бы полнотой свойств жизни, что позволяет ей как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде.
В природе существуют простейшие одноклеточные организмы, как животного, так и растительного свойства (амеба, инфузория, эвглена, хлорелла и др., некоторые водоросли и грибы) и многоклеточные (большинство животных и растений). Клетки всех живых организмов имеют похожий химический состав и сходное строение. Многоклеточные организмы содержат до несколько тысяч клеток и являются организованными совокупностями клеток, различных по форме, структуре и функциям, т.е. дифференцированными и дискретными системами. Однако организация клеток в организме построена по единому структурному признаку.
Итак, клетка является наименьшей, то есть элементарной живой системой , так как ей присущи все свойства живого организма, свойства жизни как явления.
^ Список литературы
1. Анисимов А.П. Концепции современного естествознания. Биология.-Владивосток: ТИДОТ ДВГУ, 2000 г.
2. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов / В. В. Горбачев. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: 000 «Издательство «Мир и Образование», 2005. -672 с: ил.
3. Дубнищева Т.Я.Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 608 с.
4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/С.Х. Карпенков. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003. - 488 с: ил.
5. Павлов И.Ю., Вахненко Д.В., Москвичев Д.В. Биология: учеб. пособие. - Ростов н/Д: Издательство «Феникс», 2002.- 608с.
Клетка - это структурно-функциональная единица живого организма, способная к делению и обмену с окружающей средой. Она осуществляет передачу генетической информации путем самовоспро-изведения.
Клетки очень разнообразны по строению, функции, форме, размерам (рис. 1). Последние колеблются от 5 до 200 мкм. Самыми крупными в организме человека являются яйцеклетка и нервная клетка, а самыми маленькими - лимфоциты крови. По форме клетки бывают шаровидные, веретеновидные, плоские, кубические, призматические и др. Некоторые клетки вместе с отростками достигают длины до 1,5 м и более (например, нейроны).
1 - нервная; 2 - эпителиальная; 3 - соединителытотканная; 4 - гладкая мышечная; 5- эритроцит; 6- сперматозоид; 7-яйцеклетка
Каждая клетка имеет сложное строение и представляет собой систему биополимеров, содержит ядро, цитоплазму и находящиеся в ней органеллы (рис. 2). От внешней среды клетка отграничивается клеточной оболочкой - плазма-леммой (толщина 9-10 мм), которая осуществляет транспорт необходимых веществ в клетку, и наоборот, взаимодействует с соседними клетками и межклеточным веществом. Внутри клетки находится ядро, в котором происходит синтез белка, оно хранит генетическую информацию в виде ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Ядро может иметь округлую или овоидную форму, но в плоских клетках оно несколько сплющенное, а в лейкоцитах палочковидное или бобовидное. В эритроцитах и тромбоцитах оно отсутствует. Сверху ядро покрыто ядерной оболочкой, которая представлена внешней и внутренней мембраной. В ядре находится нуклеошазма, которая представляет собой гелеобразное вещество и содержит хроматин и ядрыш-ко.
(по М. Р. Сапину, Г. Л. Билич, 1989):
1 - цитолемма (плазматическая мембрана); 2 - пиноцитозные пузырьки; 3 - центросома (клеточный центр, цитоцентр); 4 - гиалоплазма; 5 - эн-доплазматическая сеть (о - мембраны эндоплазматической сети, б - ри-босомы); 6- ядро; 7- связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 8 - ядерные поры; 9 - ядрышко; 10 - внутриклеточный сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 77-^ секреторные вакуоли; 12- митохондрии; 7J - лизосомы; 74-три последовательные стадии фагоцитоза; 75 - связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети
Ядро окружает цитоплазма, в состав которой входят ги-алоплазма, органеллы и включения.
Гиалоплазма - это основное вещество цитоплазмы, она участвует в обменных процессах клетки, содержит белки, полисахариды, нуклеиновую кислоту и др.
Постоянные части клетки, которые имеют определенную структуру и вы-полняют биохимические функции, называются органеллами. К ним относятся клеточный центр, митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая (ци-топлазматическая) сеть.
Клеточный центр обычно находится около ядра или комплекса Гольджи, состоит из двух плотных образований - центриолей, которые входят в состав веретена движущейся клетки и образуют реснички и жгутики.
Митохондрии имеют форму зерен, нитей, палочек, формируются из двух мембран - внутренней и внешней. Длина митохондрии колеблется от 1 до 15 мкм, диаметр - от 0,2 до 1,0 мкм. Внутренняя мембрана образует складки (кри-сты), в которых располагаются ферменты. В митохондриях происходят расщепление глюкозы, аминокислот, окислении жирных кислот, образование АТФ (аденозинтрифосфорнай кислота) - основного энергетического материала.
Комплекс Гольджи (внутриклеточный сетчатый аппарат) имеет вид пузырьков, пластинок, трубочек, расположенных вокруг ядра. Его функция состоит в транспорте веществ, химической их обработке и выведении за пределы клетки продуктов ее жизнедеятельности.
Эндоплазматическая (цитоплазматическая) сеть формируется из агранулярной (гладкой) и гранулярной (зернистой) сети. Агранулярная Эндоплазматическая сеть образуется преимущественно мелкими цистернами и трубочками диаметром 50-100 нм, которые участвуют в обмене липи-дов и полисахаридов. Гранулярная Эндоплазматическая сеть состоит из пластинок, трубочек, цистерн, к стенкам которых прилегают мелкие образования - рибосомы, синтезирующие белки.
Цитоплазма также имеет постоянные скопления отдельных веществ, которые называются включениями цитоплазмы и имеют белковую, жировую и пигментную природу.
Клетка как часть многоклеточного организма выполняет основные функции: усвоение поступающих веществ и расщепление их с образованием энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности организма. Клетки обладают также раздражимостью (двигательные реакции) и способны размножаться делением. Деление клеток бывает непрямое (митоз) и редукционное (мейоз).
Митоз - самая распространенная форма клеточного деления. Он состоит из нескольких этапов - профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Простое (или прямое) деление клеток - амитоз - встречается редко, в тех случаях, когда клетка делится на равные или неравные части. Мейоз - форма ядерного деления, при котором количество хромосом в оплодотворенной клетке уменьшается вдвое и наблюдается перестройка генного аппарата клетки. Период от одного деления клетки к другому называется ее жизненным циклом.