Эукариоты
К этой группе относится подавляющее большинство живых организмов Земли. Их клетки чаще всего гораздо крупнее прокариотических, содержат ядро и мембранные органоиды. Клетка эукариот состоит из нескольких основных частей: оболочки (не у всех), наружной мембраны, цитоплазмы и ядра.
Клеточная стенка
У растений и грибов клетка снаружи покрыта клеточной стенкой или оболочкой. Оболочка растений состоит из целлюлозы и пектиновых веществ; у грибов – из хитина.
Оболочка обеспечивает защиту, прочность клетки, форму клетки, участвует в транспорте веществ. Под оболочкой располагается цитоплазматическая мембрана.
Мембрана (плазмалемма)
В состав мембраны входят фосфолипиды, составляющие ее основную часть, и белки. Молекулы липидов полярные и состоят из полярных гидрофильных головок и неполярных гидрофобных хвостов. В мембране липиды образуют два слоя, при этом гидрофильные головки расположены на внешней и внутренней поверхностях, а гидрофобные хвосты смотрят вовнутрь. Белки мембраны могут быть поверхностными, интегральными (пронизывают мембрану насквозь) и полуинтегральными (погружены в мембрану).
У клеток животных есть гликокаликс, представляющий собой внешний по отношению к мембране слой. Он состоит из углеводных частей гликолипидов и гликопротеидов и обеспечивает восприятие информации и обеспечение тканевой совместимости.
Функции мембраны:
- барьерная, т.е. мембрана ограничивает диффузию веществ или вообще не пропускает через себя многие вещества. Это играет важную роль в поддержании гомеостаза внутри клетки;
- взаимодействие клеток (например, синапсы);
- поддержание формы клетки;
- межклеточное узнавание, т.е. клетка опознает окружающие ее клетки. По сути, именно эта функция позволяет клеткам объединяться в ткани;
- рецепторная.
- транспорт веществ в клетку и из нее. Для микромолекул выделяют активный и пассивный транспорт. Активный транспорт идет с затратами энергии, а пассивный без них. К пассивному
относятся осмос и диффузия. Простая диффузия – транспорт веществ непосредственно через липиды мембраны. Облегченная диффузия – транспорт веществ с помощью специальных белков-переносчиков (пермеаз) по градиенту концентрации. Осмос – движение воды в сторону раствора с большей концентрацией. С помощью пассивного транспорта двигаются вода, жирорастворимые вещества, кислород, углекислый газ, аминокислоты и даже некоторые ионы. К активному транспорту
относится перенос веществ с участием ферментов-переносчиков против градиента концентрации. Он осуществляется с помощью ионных насосов. Все процессы энергозависимы.
Для макромолекул . Поглощение веществ клеткой происходит с помощью эндоцитоза; выделение из клетки макромолекул называют экзоцитозом. Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз – захват и поглощение клеткой крупных частиц (например, уничтожение патогенных микроорганизмов макрофагами организма человека). Впервые описан И. И. Мечниковым. Пиноцитоз – процесс захвата и поглощения клеткой капель жидкости с растворенными в ней веществами. Оба процесса связаны с затратой энергии и происходят по сходному принципу: на поверхности клетки вещество окружается мембраной в виде вакуоли, которая перемещается внутрь.
Цитоплазма
Цитоплазма расположена между ядром и мембраной. В цитоплазме различают основное вещество (гиалоплазму или матрикс), органеллы (органоиды) и включения.
Гиалоплазма
заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Она образует внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие друг с другом. Гиалоплазма может находиться в двух состояниях: гель или золь (более жидкое состояние). При этом матрикс легко переходит из геля в золь и наоборот. Также гиалоплазма содержит большое количество ионов со строго определенной концентрацией.
В матриксе цитоплазмы происходит гликолиз, распад веществ до мономеров, а также многие процессы биосинтеза: образование нуклеотидов, некоторых аминокислот, жирных кислот, модификация ферментов и т. д. Также в матриксе откладывается гликоген и жиры.
Органеллы или органоиды
– структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке специфические функции. Органоиды бывают:
1. мембранные (одно- и двумембранные (митохондрии и пластиды)) и немембранные;
2. органоиды общего значения и специальные. Первые характерны для большинства эукариотических клеток. Органоиды специального назначения присутствуют в клетках, выполняющих специализированные функции: реснички и жгутики, миофибриллы и т.д.
| Органоид | Строение | Функции |
| Мембранные | ||
| Эндоплазматическая сеть | Это система соединенных между собой канальцев и полостей различной формы и размера. Образует непрерывную структуру с ядерной мембраной. Бывает двух видов: гладкая и гранулярная или шероховатая (на ней находятся рибосомы) | Шероховатая: синтез и внутриклеточный транспорт белков.
Гладкая: синтез липидов и углеводов, резервуар ионов кальция |
| Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) | Расположен около ядра. Состоит из цистерн, уложенных в стопку. Отдельная группа этих цистерн, сложенных стопкой, называется диктиосомой. На концах цистерн могут образовываться пузырьки, отделяющиеся от них | Сортировка и упаковка макромолекул, транспорт веществ по клетке и к мембране с последующим выделением их из клетки, накопление веществ, участие в образовании лизосом |
| Лизосомы | Это пузырьки диаметром около 5 мкм, содержащие ферменты, действующие на все виды органических веществ. Выделяют первичные (непосредственно образуются в аппарате Гольджи) и вторичные (пищеварительная вакуоль) лизосомы | Расщепление полимеров до мономеров, старых частей клетки, целых клеток и даже отдельных органов (хвост головастика) |
| Пероксисома | Одномембранный органоид, содержащий разнообразные ферменты (каталаза и др.). У позвоночных в основном встречаются в клетках печени и почек | Разрушает перекись водорода |
| Вакуоль | Это крупная полость в центре клетки, заполненная клеточным соком. Встречаются только у растений, занимая до 90% объема клетки. В молодых клетках может быть несколько вакуолей, которые в дальнейшем сливаются в одну | Запас воды и различных веществ (в основном белков и сахаров), окраска, поддерживают внутреннее (тургорное) давление клетки |
| Митохондрии | Это органеллы с двойной мембраной: наружной гладкой и внутренней с многочисленными выростами (кристами). Количество крист зависит от интенсивности работы клетки: так, в кардиомиоцитах митохондрии содержат примерно в 2 раза больше крист, чем митохондрии клеток печени. Могут размножаться делением надвое. Между мембранами находится межмембранное пространство. На внутренней мембране находятся ферменты. Внутри находится матрикс, содержащий кольцевую ДНК, РНК, 50S или 70S-рибосомы и белки. В нем синтезируются собственные белки митохондрий | Участвуют в энергетическом обмене клетки, осуществляя синтез АТФ |
| Пластиды | Встречаются только у растений. Могут размножаться.
Хлоропласты (зеленые) содержат хлорофилл, имеют две мембраны, внутри - матрикс. Хорошо развита внутренняя мембрана двух типов: плоские, протяженные ламеллы и плоские, дисковидные пузырьки - тилакоиды. Часть тилакоидов собрана наподобие стопки в группы, называемые гранами. Граны соединяются друг с другом каналами. В матриксе есть ДНК, РНК и 70S-рибосомы. |
Фотосинтез, окраска, запас веществ (крахмал, жиры в виде масел и белки) |
| Немембранные | ||
| Клеточный центр | Есть у животных и низших растений; у высших растений отсутствует. Состоит из 2-х центриолей и микротрубочек. Центриоль состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных по окружности | Организация цитоскелета клетки; участие в делении клетки (образует веретено деления) и в образовании жгутиков и ресничек |
| Рибосомы и полисомы | Это сферические структуры, состоящие из 2-х субъединиц(большой и малой). Содержат р-РНК и белки. Находятся на эндоплазматической сети или свободно располагаются в цитоплазме. Участвуют в формировании полисомы | Биосинтез белка |
| Опорно-двигательная система | Образует цитоскелет клетки. В него входят микротрубочки и микрофиламенты. Микрофиламенты состоят из молекул белка актина, это самые тонкие нити цитосклелета клетки. Микротрубочки – это полые цилиндры, состоящие из белка тубулина | Определяют форму клеток, участвуют в движении клетки, опорная функция, участвуют в образовании жгутиков и ресничек, веретена деления и клеточного центра |
| Реснички и жгутики | Есть не у всех клеток. Внутри расположены микротрубочки: 9 двойных образуют стенку, в центре находятся еще 2. В основании есть базальные тельца, состоящие из 9 троек микротрубочек | Обеспечивают движение клетки |
Ядро
Ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного сока (кариоплазмы или нуклеоплазмы), ядрышка (обычно одно или два) и хроматина. Ядро отвечает за хранение и передачу наследственной информации.
Ядерная оболочка (кариолемма) состоит из двух биологических мембран. Через определенные интервалы обе мембраны сливаются друг с другом, образуя поры - это отверстия в ядерной мембране. Через них происходит обмен веществ с цитоплазмой. Ядерная оболочка обособляет хромосомы от цитоплазмы.
Основу кариоплазмы составляют белки. Она содержит ферменты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и рибосом. Также в ядерном соке содержится РНК.
Ядрышки - это место сборки рибосом, это непостоянные структуры ядра. Они исчезают в начале деления клетки и вновь появляются к его концу. Ядрышко состоит из белков и нуклеиновых кислот.
Хромосомы состоят из ДНК и белков-гистонов и могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: спирализованном (неактивном) и деспирализованном (рабочем).
В интерфазе хромосомы представлены клубком тонких деспирализованных нитей, которые различимы только в электронный микроскоп. Такое состояние называется рабочим, т.к. в этом состоянии происходят процессы транскрипции и репликации. В цитологии хромосомное вещество в интерфазе называют хроматином.
В процессе деления клетки хроматин конденсируется, образуя компактные структуры – хромосомы, различимые в световой микроскоп. При этом хроматин переходит в неактивное состояние – состояние метаболического покоя при максимальной конденсации, когда выполняются функции распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.
Во время деления хромосомы лучше всего видны под микроскопом в стадии метафазы. В это время хромосомы состоят из двух хроматид, связанных между собой первичной перетяжкой, которая делит каждую хроматиду на два участка плеча.
У некоторых хромосом, помимо центромеры, встречаются дополнительные перетяжки, которые получили название вторичных.
Хромосомы, отличающиеся друг от друга морфологически, называются негомологичными. Хромосомы, имеющие сходное строение и размеры, называются гомологичными. В диплоидном наборе каждая хромосома имеет гомологичную ей хромосому. У человека в диплоидном наборе 46 хромосом, из них 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (XX у женщин и XY у мужчин).
Клетки растений и животных: сравнительная характеристика
| Признак | Растения | Животные |
| Оболочка | Есть, состоит из целлюлозы | Отсутствует |
| Плазмалемма | Есть, гликокаликс отсутствует | Есть, на мембране развит гликокаликс |
| ЭПС, лизосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, рибосомы |
Есть | Есть |
| Вакуоль | Крупные, занимают центральное положение | Мелкие, присутствуют не во всех клетках |
| Пластиды | Есть | Отсутствуют |
| Клеточный центр | Только у низших | Есть у всех животных |
| Тип питания | Автотрофный, очень редко гетеротрофный | Гетеротрофный, очень редко – миксотрофный |
СТРОЕНИЕ КЛЕТОК ЭУКАРИОТ.
Основные компоненты клетки:
1. Плазматическая мембрана (клеточная, цитоплазматическая)
2. Цитоплазма
3. Ядро
1. Плазматическая мембрана .
«Мозаичная» модель строения мембраны.
В основе всех мембран клетки лежит двойной слой молекул липидов . Их гидрофобные "хвосты", состоящие из остатков молекул жирных кислот, обращены внутрь двойного слоя. Снаружи располагаются гидрофильные "головки", состоящие из остатка молекулы спирта глицерина. В состав мембран чаще всего входят фосфолипиды и гликолипиды (их молекулы наиболее полярны), а также жиры и жироподобные вещества (например, холестерин). Липиды являются основой мембраны, обеспечивают её устойчивость и прочность, т. е. выполняют структурную (строительную) функцию . Эта функция возможна благодаря гидрофобности липидов.
К заряженным головкам липидов, с помощью электростатических взаимодействий прикрепляются белки . Мембранные белки выполняют структурные, каталитические и транспортные функции. В зависимости от расположения различают погружённые, периферические и пронизывающие белки. Погружённые белки слегка погружены в двойной слой липидов и являются ферментами, которые катализируют различные биохимические реакции. Периферические белки расположены на поверхности двойного слоя липидов. Они стабилизируют расположение погружённых белков-ферментов. Пронизывающие белки пронизывают мембрану насквозь и выполняют транспортные функции.
На наружной поверхности мембраны расположены молекулы углеводов (олигосахариды), которые выполняют рецепторные функции. Олигосахариды воспринимают факторы внешней среды клетки и обеспечивают её реакцию, изменяют проницаемость мембраны, обеспечивают «распознавание» клеток одного типа и соединение их в ткани.. Совокупность олигосахаридов на поверхности животной клетки называется гликокаликсом.
Функции плазматической мембраны.
1. Барьерная функция. Мембрана ограничивает проникновение в клетку чужеродных, токсичных веществ.
2. Регуляторная. Олигосахариды, располагающиеся на поверхности плазматической мембраны выполняют роль рецепторов, воспринимающих действие различных веществ и изменяющих проницаемость мембраны.
3. Каталитическая. На поверхности мембран располагаются многочисленные ферменты, катализирующие биохимические реакции.
4. Мембранный транспорт. Различают несколько видов мембранного транспорта.
А). Транспорт крупных молекул органических веществ, бактерий и вирусов путём эндоцитоза (проникновение в клетку) или экзоцитоза (выведение из клетки). Эндоцитоз - это поглощение веществ путем окружения их выростами плазматической мембраны. При этом различают фагоцитоз (поглощение твердых веществ) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Фагоцитоз характерен для одноклеточных организмов и для фагоцитов многоклеточных, которые таким путем обеспечивают уничтожение инородных частиц. Пиноцитоз характерен для одноклеточных организмов и для эпителиальных клеток кишечника. Экзоцитоз - выделение веществ из клетки - осуществляется в обратном порядке.
Б). Небольшие молекулы органических и неорганических веществ, ионы могут поступать в клетку путем пассивного транспорта (диффузии) , если вещество перемещается из области высокой концентрации в область низкой концентрации . Пассивный транспорт осуществляется всегда без затрат энергии.
Различают 2 вида пассивного транспорта: обычную диффузию и облегченную диффузию.
Путем обычной диффузии перемещаются:
1. жирорастворимые вещества - напрямую через мембрану
2. гидрофильные мелкие молекулы (воды, углекислого газа) и ионы - через белковые поры, которые образованы пронизывающими белками
Облегченная диффузия осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Таким образом переносятся крупные гидрофильные молекулы, например, глюкоза. Глюкоза соединяется с белком-переносчиком. Образуется комплекс, хорошо растворимый в мембране, что облегчает проникновение глюкозы в клетку. Скорость облегченной диффузии выше, чем у обычной диффузии.
В). Транспорт веществ через мембрану может осуществляться и путем активного транспорта. Активный транспорт осуществляется только с затратами энергии, так как происходит перемещение веществ из области низкой концентрации в область высокой концентрации. Наиболее изучен процесс переноса ионов натрия и калия с помощью калий-натриевого насоса.
2.Цитоплазма.
Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органоидов и включений.
Гиалоплазма - жидкая (желеобразная) часть клетки, представляет собой раствор органических и неорганических веществ. Её функции:
1. По гиалоплазме перемещаются различные вещества (и-РНК, т-РНК, аминокислоты, АТФ и др).
2. В гиалоплазме протекают разнообразные биохимические реакции.
3. Гиалоплазма обеспечивает химическое взаимодействие всех клеточных структур и объединяет их в одно целое.
4. В гиалоплазме откладываются разнообразные по химическому составу включения.
Включения - это непостоянные клеточные структуры, представляют собой отложения веществ , временно не участвующих в обмене веществ клетки. По химическому составу и по функциям включения могут быть различными.
Примеры включений:
1. минеральные (например, кристаллы солей)
2. трофические (гранулы белков, полисахаридов, капли липидов)
5. пигментные (например, гранулы пигмента в клетках сетчатки глаза) и др.
Органоиды - это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции. В зависимости от строения цитоплазматические органоиды разделяют на мембранные органоиды и немембранные органоиды.
Особенности строения и функций мембранных органоидов
Мембранные органоиды - полые структуры, стенки которых образованы одинарной или двойной мембраной.
1. Органоиды, образованные одинарной мембраной: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли. Эти органоиды имеют сходный химический состав мембран и образуют внутриклеточную систему синтеза и транспорта веществ.
2. Двумембранные органоиды. Их стенки образованы двойной мембраной . Это – митохондрии (во всех!!! эукариотических клетках) и пластиды (только в клетках растений!!! ).
Одномембранные органоиды
1. Эндоплазматическая сеть (ЭПС).
ЭПС - это одномембранный органоид, состоящий из полостей и канальцев, соединенных между собой. Эндоплазматическая сеть структурно связана с ядром: от наружной мембраны ядра отходит мембрана, образующая стенки эндоплазматической сети. ЭПС бывает 2 видов: шероховатая (гранулярная) и гладкая (агранулярная). В любой клетке присутствуют оба вида ЭПС.
На мембранах шероховатой ЭПС располагаются многочисленные мелкие гранулы - рибосомы, специальные органоиды, с помощью которых синтезируются белки. Поэтому нетрудно догадаться, что на поверхности шероховатой ЭПС синтезируется белки, которые проникают внутрь шероховатой ЭПС и по её полостям могут переместиться в любое место клетки.
Мембраны гладкой ЭПС лишены рибосом, но зато в её мембранах встроены ферменты, осуществляющие синтез углеводов и липидов. После синтеза углеводы и липиды тоже могут перемещаться по мембранам ЭПС в любое место клетки Степень развития вида ЭПС зависит от специализации клетки. Например, в клетках, синтезирующих белковые гормоны, будет лучше развита гранулярная ЭПС, а в клетках, синтезирующих жироподобные вещества - агранулярная ЭПС.
Функции ЭПС:
1. Синтез веществ. На шероховатой ЭПС синтезируются белки, а на гладкой - липиды и углеводы.
2. Транспортная функция. По полостям ЭПС синтезированные вещества перемещаются в любое место клетки.
2. Комплекс Гольджи.
Комплекс Гольджи (диктиосома) представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, которые называются цистернами. Цистерны полностью изолированы друг от друга и не соединяются между собой . По краям от цистерн ответвляются многочисленные трубочки и пузырьки. От ЭПС время от времени отшнуровываются вакуоли (пузырьки) с синтезированными веществами, которые перемещаются к комплексу Гольджи и соединяются с ним. Вещества, синтезированные в ЭПС, усложняются и накапливаются в комплексе Гольджи.
Функции комплекса Гольджи
1. В цистернах комплекса Гольджи происходит дальнейшее химическое преобразование и усложнение веществ, поступивших в него из ЭПС. Например, формируются вещества, необходимые для обновления мембраны клетки (гликопротеиды, гликолипиды), полисахариды.
2. В комплексе Гольджи происходит накопление веществ и их временное «хранение»
3. Образованные вещества "упаковываются" в пузырьки (в вакуоли) и в таком виде перемещаются по клетке.
4. В комплексе Гольджи образуются лизосомы (сферические органоиды с расщепляющими ферментами).
3. Лизосомы ("лизис" - распад, растворение)
Лизосомы - мелкие сферические органоиды, стенки которых образованы одинарной мембраной; содержат литические (расщепляющие) ферменты. Сначала лизосомы, отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи, содержат неактивные ферменты. При определенных условиях их ферменты активизируются. При слиянии лизосомы с фагоцитозной или пиноцитозной вакуолью образуется пищеварительная вакуоль, в которой происходит внутриклеточное переваривание различных веществ.
Функции лизосом:
1. Осуществляют расщепление веществ, поглощённых в результате фагоцитоза и пиноцитоза. Биополимеры расщепляются до мономеров, которые поступают в клетку и используются на её нужды. Например, они могут быть использованы для синтеза новых органических веществ или могут подвергаться дальнейшему расщеплению для получения энергии.
2. Разрушают старые, повреждённые, избыточные органоиды. Ращепление органоидов может происходить и во время голодания клетки.
3. Осуществляют аутолиз (расщепление) клетки (рассасывание хвоста у головастиков, разжижение тканей в зоне воспаления, разрушение клеток хряща в процессе формирования костной ткани и др.).
4. Вакуоли .
Вакуоли - сферические одномембранные органоиды, представляющие собой резервуары воды и растворённых в ней веществ. К вакуолям относятся: фагоцитозные и пиноцитозные вакуоли, пищеварительные вакуоли, пузырьки, отшнуровывающиеся от ЭПС и комплекса Гольджи. Вакуоли животной клетки - мелкие, многочисленные, но их объём не превышает 5% от всего объёма клетки. Их основная функция - транспорт веществ по клетке, олсуществление взаимосвязи между органоидами.
В клетке растений на долю вакуолей приходится до 90% объема. В зрелой растительной клетки вакуоль одна, занимает центральное положение. Мембрана вакуоли растительной клетки - тонопласт, её содержимое - клеточный сок. Функции вакуолей в растительной клетке: поддержание клеточной оболочки в напряжении, накопление различных веществ, в том числе отходов жизнедеятельности клетки. Вакуоли поставляют воду для процессов фотосинтеза.
В состав клеточного сока могут входить:
· запасные вещества, которые могут использоваться самой клеткой (органические кислоты, аминокислоты, сахара, белки).
· вещества, которые выводятся из обмена веществ клетки и накапливаются в вакуоли (фенолы, дубильные в-ва, алкалоиды и др.)
· фитогормоны, фитонциды,
· пигменты (красящие вещества), которые придают клеточному соку пурпурный, красный, синий, фиолетовый цвет, а иногда жёлтый или кремовый. Именно пигменты клеточного сока окрашивают лепестки цветков, плоды, корнеплоды
Канальцево-вакуолярная система клетки (система транспорта и синтеза веществ)
ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли составляют единую канальцево-вакуолярную систему клетки. Все её элементы имеют сходный химический состав мембран, поэтому возможно их взаимодействие. Все элементы КВС берут начало от ЭПС. От ЭПС отшнуровываются вакуоли, поступающие к комплексу Гольджи, от комплекса Гольджи отшнуровываются пузырьки, сливающиеся с мембраной клетки, лизосомы.
Значение КВС :
1. Мембраны КВС делят содержимое клетки на отдельные отсеки (компа ртменты), в которых протекают определенные процессы. Это делает возможным одновременное протекание в клетке различных процессов, иногда прямопротивоположных.
2. В результате деятельности КВС происходит постоянное обновление мембраны клетки.
Двумембранные органоиды.
Двумембранный органоид - это полая структура, стенки которой образованы двойной мембраной. Известно 2 вида двумембранных органоидов: митохондрии и пластиды. Митохондрии характерны для всех клеток эукариот, пластиды встречаются только в клетках растений. Митохондрии и пластиды являются компонентами энергетической системы клетки, так в результате их функционирования синтезируется АТФ.
1. Строение и функции митохондрий.
Митохондрия – двумембранный полуавтономный органоид, осуществляющий синтез АТФ.
Форма митохондрий разнообразна, они могут быть палочковидными, нитевидными или шаровидными. Стенки митохондрий образованы двумя мембранами: внешней и внутренней. Внешняя мембрана - гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки - кристы. Во внутренней мембране встроены многочисленные ферментные комплексы, которые осуществляют синтез АТФ.
Складчатость внутренней мембраны имеет большое значение. На складчатой поверхности может расположиться больше ферментных комплексов, чем на гладкой поверхности. Количество складок в митохондрии может изменяться в зависимости от потребности клеток в энергии. Если клетка нуждается в энергии, то число крист увеличивается. Соответственно увеличивается и число ферментных комплексов, расположенных на кристах. В результате будет образовано большее количество АТФ. Кроме того, в клетке может возрастать общее количество митохондрий. Если клетка не нуждается в большом количестве энергии, то количество митохондрий в клетке снижается и уменьшается количество крист внутри митохондрий.
Внутреннее пространство митохондрий заполнено бесструктурным однородным веществом (матриксом). В матриксе располагаются кольцевые молекулы ДНК, РНК и мелкие рибосомы (как у прокариот). В ДНК митохондрий записана информация о строении митохондриальных белков. РНК и рибосомы осуществляют их синтез. Рибосомы митохондрий мелкие, по строению они очень похожи на рибосомы бактерий. . Некоторые ученые считают, что митохондрии образовались из бактерий, проникших в эукариотическую клетку Возможно, это происходило на начальных этапах возникновения жизни.
Митохондрии называют полуавтономными органоидами. Это означает, что они зависят от клетки, но в то же время сохраняют некоторую самостоятельность. Так, например, митохондрии сами синтезируют собственные белки, в том числе и ферменты своих ферментных комплексов. Кроме того, митохондрии могут размножаться путем деления независимо от деления клетки.
2. Пластиды.
В клетках растений есть особые двумембранные органоиды - пластиды. Различают 3 вида пластид: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.
Хлоропласты имеют оболочку из 2 мембран. Наружная оболочка гладкая, а внутренняя образует многочисленные пузырьки (тилакоиды). Стопка тилакоидов - грана. Граны располагаются в шахматном порядке для лучшего проникновения солнечного света. В мембранах тилакоидов встроены молекулы зеленого пигмента хлорофилла, поэтому хлоропласты имеют зеленый цвет. С помощью хлорофилла осуществляется фотосинтез. Таким образом, главная функция хлоропластов - осуществление процесса фотосинтеза.
Пространство между гранами заполнено матриксом. В матриксе находятся ДНК, РНК, рибосомы (мелкие, как у прокариот) , капли липидов, зерна крахмала.
Хлоропласты, так же как и митохондрии, являются полуавтономными органоидами растительной клетки, так как могут самостоятельно синтезировать собственные белки и способны делиться независимо от деления клетки.
Хромопласты - пластиды, имеющие красную, оранжевую или желтую окраску. Окраску хромопластам придают пигменты каротиноиды, которые расположены в матриксе. Тилакоиды развиты слабо или вообще отсутствуют. Точная функция хромопластов неизвестна. Возможно,
они привлекают к созревшим плодам животных.
Лейкопласты - бесцветные пластиды, расположены в клетках бесцветных тканей. Тилакоиды неразвиты. В лейкопластах накапливается крахмал, липиды и белки.
Пластиды могут взаимно превращаться друг в друга:
лейкопласты - хлоропласты - хромопласты.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИЙ НЕМЕМБРАННЫХ ОРГАНОИДОВ.
1. Рибосома - немембранный органоид клетки, осуществляющий биосинтез белка. Состоит из двух субъединиц - малой и большой. Рибосома состоит из 3-4 молекул р-РНК, образующих ее каркас, и нескольких десятков молекул различных белков. Рибосомы синтезируются в ядрышке. В клетке рибосомы могут располагаться на поверхности гранулярной ЭПС или в гиалоплазме клетки в виде полисом. Полисома - это комплекс и-РНК и нескольких рибосом, считывающих с неё информацию. Функция рибосом - биосинтез белка. Если рибосомы располагаются на ЭПС, то синтезируемые ими белки используются на нужды всего организма, рибосомы гиалоплазмы синтезируют белки на нужды самой клетки. Рибосомы прокариотических клеток мельче, чем рибосомы эукариот. Такие же мелкие рибосомы находятся в митохондриях и пластидах.
2. Микронити - нити сократимого белка актина или миозина, расположенные в поверхностном слое гиалоплазмы, непосредственно под плазматической мембраной. Способны к сокращению, в результате происходит перемещение гиалоплазмы, впячивание или выпячивание клеточной мембраны, образование перетяжки во время деления клетки.
3. Микротрубочки - полые цилиндрические структуры клетки, состоящие из несократимого белка тубулина. Микротрубочки не способны к сокращению. Стенки микротрубочки образованы 13 нитями белка тубулина. Микротрубочки располагаются в толще гиалоплазмы клеток. Функции микротрубочек:
· создают эластичный и довольно прочный клеточный каркас, который поддерживает форму клетки.
Основные положения современной клеточной теории.
1. Все живые организмы состоят из клеток. Исключение - вирусы.
2. Клетка - наименьшая единица живого. Вне клетки жизни нет.
3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу.
4. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.
5. Активность организма слагается из активности и взаимодействия составляющих его самостоятельных клеток.
6. Клеточное строение всех организмов говорит о единстве их происхождения.
Клетка - самая мелкая единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты. Она представляет собой элементарную живую систему, способную к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению.
Хотя отдельная клетка представляет собой наиболее простую форму жизни, строение ее достаточно сложно. Достижения цитологии позволили проникнуть в глубинные механизмы строения и функции клетки. Мощным средством ее изучения служит электронный микроскоп, дающий увеличение до 1000000 раз и позволяющий рассматривать объекты в 200 нм. Напомним, что с помощью светового микроскопа можно изучать структуры размером лишь около 0,4 мкм. Если сравнить разрешающие способности микроскопов и человеческого глаза, то световой в 500 раз сильнее глаза, а электронный в 500 раз сильнее светового микроскопа.
Рис. 1. Животная клетка под электронным микроскопом
Помимо электронного микроскопа, в цитологии используется ряд биохимических и биофизических методов исследования, помогающих изучению состава и жизнедеятельности клетки. Живая клетка отграничена от окружающей среды наружной плазматической мембраной, состоящей из трех (белково-липидных) слоев. В самой клетке находятся ядро и цитоплазма. Ядро от цитоплазмы отграничено также трехслойной плазматической мембраной (рис. 1).
Цитоплазма. Цитоплазма представляет собой полужидкую слизистую бесцветную массу, содержащую 75-85% воды, 10-12% белков и аминокислот, 4-6% углеводов, 2-3% жиров и липидов, 1% неорганических и других веществ. Цитоплазматическое содержимое клетки способно двигаться, что способствует оптимальному размещению органоидов, лучшему протеканию биохимических реакций, выделению продуктов обмена и т. д. Слой цитоплазмы формирует разные образования: реснички, жгутики, поверхностные выросты. Последние играют важную роль в движении и соединении клеток между собой в ткани.
Цитоплазма пронизана сложной сетчатой системой, связанной с наружной плазматической мембраной и состоящей из сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощенных мешочков. Такая сетчатая структура названа вакуолярной системой. Основными компонентами вакуолярной системы служат эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, ядерная мембрана.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС). Название этого органоида отражает место расположения его в центральной части цитоплазмы (греч. эндон-внутри). ЭПС представляет собой очень разветвленную взаимосвязанную систему канальцев, трубочек, пузырьков, цистерн разной величины и формы, отграниченных мембранами от цитоплазмы клетки. Она бывает двух видов:
гранулярная, состоящая из канальцев и цистерн, поверхность которых усеяна зернышками (гранулами), и агранулярная, т. е. гладкая (без гран). Граны в эндоплазматической сети не что иное, как рибосомы. Интересно, что в клетках зародышей животных наблюдается в основном гранулярная ЭПС, а у взрослых форм - агранулярная. Зная, что рибосомы в цитоплазме служат местом синтеза белка, можно предположить, что гранулярная сеть преобладает в клетках, активно синтезирующих белок. Считают, что агранулярная сеть в большей степени представлена в тех клетках, где идет активный синтез липидов (жиров и жироподобных веществ).
Оба вида эндоплазматической сети не только участвуют в синтезе органических веществ, но и накапливают и транспортируют их к местам назначения, регулируют обмен веществ между клеткой и окружающей ее средой.
Рибосомы. Рибосомы - немембранные клеточные органоиды, состоящие из рибонуклеиновой кислоты и белка. Их внутреннее строение во многом еще остается загадкой. В электронном микроскопе они имеют вид округлых или грибовидных гранул. Каждая рибосома разделена желобком на большую и меньшую части (субъединицы). Часто несколько рибосом объединяются нитью специальной рибонуклеиновой кислоты (РНК), называемой информационной (и-РНК). Рибосомы осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот.
Комплекс Гольджи. Продукты биосинтеза поступают в просветы полостей и канальцев ЭПС, где они концентрируются и транспортируются в специальный аппарат - комплекс Гольджи, расположенный вблизи ядра. Комплекс Гольджи участвует в транспорте продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в формировании лизосом и т. д.
Лизосомы. Лизосомы (от греч. лизео - растворяю и сома - тело). Это органоиды клетки овальной формы, окруженные одно-слойной мембраной. В них находится набор ферментов, которые разрушают белки, углеводы, липиды. В случае повреждения лизосомной мембраны ферменты начинают расщеплять и разрушать внутреннее содержимое клетки, и она погибает.
Клеточный центр. Клеточный центр можно наблюдать в клетках, способных делиться. Он состоит из двух палочковидных телец - центриолей. Находясь около ядра и аппарата Гольджи, клеточный центр участвует в процессе деления клетки, в образовании веретена деления.
Энергетические органоиды. Митохондрии (греч- митос - нить, хондрион - гранула) называют энергетическими станциями клеток. Такое название обусловливается тем, что именно в ми-тохондриях происходит извлечение энергии, заключенной в питательных веществах. Форма митохондрий изменчива, но чаще всего они имеют вид нитей или гранул. Размеры и число их также непостоянны и зависят от функциональной активности клетки.
На электронных микрофотографиях видно, что митохондрий состоят из двух мембран: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует выросты, называемые кристами, которые сплошь устланы ферментами. Наличие крист увеличивает общую поверхность митохондрий, что важно для активной деятельности ферментов. На кристах происходят ферментативные реакции, в результате которых из фосфата и АДФ (аденозиндифосфата) синтезируется богатое энергией (макроэргическое) вещество АТФ (аденозинтрифосфат). Последнее служит основным источником энергии для всех внутриклеточных процессов.
В митохондриях обнаружены свои специфические ДНК и рибосомы. В связи с этим они самостоятельно размножаются при делении клетки.
Хлоропласты - по форме напоминают диск или шар с двойной оболочкой - наружной и внутренней. Внутри хлоропласта также имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры- граны, связанные между собой и внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран и находится хлорофилл. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.
Ядро. Ядро - самый заметный и самый большой органоид клетки, который первым привлек внимание исследователей. Ядро отделено от цитоплазмы двойной мембраной, которая непосредственно связана с ЭПС и комплексом Гольджи. На ядерной мембране обнаружены поры, через которые (как и через наружную цитоплазматическую мембрану) одни вещества проходят легче, чем другие, т. е. поры обеспечивают избирательную проницаемость мембраны.
Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. В ядрышке образуются рибосомы. Поэтому между активностью клетки и размером ядрышек существует прямая связь: чем активнее протекают процессы биосинтеза белка, тем крупнее ядрышки и наоборот, в клетках, где синтез белка ограничен, ядрышки или очень невелики, или совсем отсутствуют.
В ядре находятся также молекулы ДНК, соединенные со специфическими белками - гистонами. В процессе деления клетки - митоза - эти нуклеопротеиды спирализуются и представляют собой плотные образования-хромосомы, хорошо различимые в световом микроскопе. ДНК хромосом содержит наследственную информацию о всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах, которые должны протекать в ней (например, синтез белка). Кроме того, в ядре осуществляется синтез и-РНК, которая после транспортировки в цитоплазму играет существенную роль в передаче информации для синтеза белковых молекул.