Клетка как структурная и функциональная единица жизни #46

К Клетка является основой всего живого на земле. Строение, функции и жизнедеятельность клеток изучает наука под названием цитология. Создателями клеточной теории являются М. Шлейден, Т. Шван и Р. Вирхов.

Цитология

Цитология (cytos – клетка, logos – наука) – наука, изучающая химический состав, строение и функции клеток, их размножение, развитие и взаимодействие в многоклеточном организме.

Основные задачи цитологии: дальнейшее изучение строения и функции клеток и их компонентов (мембран, органоидов, включений, ядра), деления клеток, возможностей их приспособления к изменениям условий окружающей среды, взаимоотношений между клетками многоклеточного организма.

Методы исследования

В цитологии применяются различные методы исследования. С их помощью можно: изучать морфологию клеток и их компонентов (световая, люминесцентная и электронная микроскопия), устанавливать химический состав и локализацию химических веществ в клетке (гистохимические методы), изучать химический состав и протекание биохимических реакций в клетках (биохимические методы), выделять отдельные компоненты клеток для дальнейшего изучения (дифференциальное центрифугирование), устанавливать пространственную конфигурацию и физические свой‘ ства макромолекул (рентгеноструктурный анализ), изучать процессы деления клеток и ход реакций матричного синтеза (авторадиография).

Основные положения клеточной теории

Основоположниками клеточной теории являются М. Шлейден, Т. Шванн и Р. Вирхов. Основные положения современной клеточной теории:

  • клетка-основная структурно-функциональная и генетическая единица живых организмов, наименьшая единица живого;
  • клетки одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по строению, химическому составу и важнейшим проявлениям процессов жизнедеятельности;
  • каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
  • клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани.

Биологическая мембрана

Строение биологической мембраны
Схема строения биологической мембраны: 1 — гидрофильные концы липидных молекул; 2 — гидрофобные концы липидных молекул; 3 — периферические белки; 4 — полуинтегральные белки; 5 — интегральные белки; 6 — гликокалис.

Эукариотическая клетка представляет собой элементарную живую систему, состоящую из трех основных структурных компонентов оболочки, цитоплазмы и ядра.

Биологическая (элементарная) мембрана имеет толщину 6 — 10 нм и при рассмотрении под электронным микроскопом выглядит трехслойной. Наружный и внутренний слои мембраны (темные) образованы молекулами белков, а средний (светлый) – бимолекулярным слоем липидов (преимущественно фосфолипиды). Липидные молекулы расположены строго упорядоченно: гидрофильные концы молекул обращены к белковым слоям, а гидрофобные – друг к другу. Белковые молекулы по отношению к липидному слою могут располагаться по-разному: большинство их находится на наружной и внутренней поверхностях билипидного слоя (периферические белки), часть молекул пронизывает один слой липидных молекул (полуинтегральные белки), а часть – оба слоя липидных молекул (интегральные белки). Такая структура мембран обеспечивает их свойства:

  • пластичность;
  • полупроницаемость;
  • способность самозамыкаться.

Биологическая мембрана обладает избирательной проницаемостью, которая обусловлена особенностями ее строения. Большинство интегральных белковых молекул, пронизывающих оба липидных слоя, являются ферментами. Они образуют гидрофильные поры, через которые проходят водорастворимые вещества. В липидном слое мембран могут растворяться и проходить через них гидрофобные вещества.

Большую роль в обеспечении избирательного поступления веществ через мембраны играет надмембранный комплекс – гликокаликс (преимущественно разветвленные молекулы гликопротеинов, распопоженные на поверхности мембран), большинство из которых представляют собой рецепторы, воспринимающие («узнающие») определенные химические вещества, окружающие клетку. Гликокаликс обеспечивает взаимоотношения клеток многоклеточного организма, иммунный ответ и другие реакции.

Функции биологической мембраны:

  • структурная – является структурным компонентом плазмалеммы‚ большинства органоидов и кариолеммы;
  • разделительная – разделяет цитоплазму клетки на отдельные отсеки;
  • транспортная – обеспечивает транспорт веществ;
  • рецепторная – узнает определенные вещества;
  • ферментативная – некоторые белки мембран являются ферментами.

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана – плазмалемма – биологическая мембрана, покрывающая цитоплазму клетки и обеспечивающая обменные процессы клетки с окружающей средой. Плазмалемма образует выросты, выпячивания, складки, микроворсинки, которые многократно увеличивают поверхность клетки. Наружная поверхность мембран животных клеток может быть покрыта муцином (гликопротеин), слизью или хитином, растительных – целлюлозой или пектиновыми веществами, образующими оболочку растительной клетки.

Плазмалемма выполняет следующие основные функции:

  • барьерную – отграничивает и защищает клетку от воздействий факторов окружающей среды;
  • регуляторную – участвует в регуляции обмена веществ и энергии между клеткой и внешней средой;
  • рецепторную – узнает определенные вещества и обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточного организма;
  • структурную – участвует в образовании жгутиков и ресничек.

Транспортировка веществ в клетку

Вещества в клетку могут поступать пассивным и активным транспортом. При пассивном транспорте (ионы, мелкие молекулы, вода) поступление веществ идет по градиенту концентрации (простая диффузия и осмос) без затраты энергии. При облегченной диффузии белки-переносчики временно соединяются с молекулой вещества и проводят его через мембрану.

При активном транспорте идет перемещение веществ против градиента концентрации с затратой энергии АТФ с помощью белков-пермеаз. Через плазмалемму в клетку могут поступать не только мелкие молекулы или ионы, но и крупные молекулы и даже частицы (эндоцитоз). При этом мембрана окружает частицу, края ее смыкаются и частица оказывается в мембранном пузырьке в цитоплазме. Такой способ поглощения твердых частиц называется фагоцитозом, а капель жидкости – пиноцитозом. Выведение веществ из клетки называется экзоцитозом. Эти процессы протекают с затратой энергии АТФ.

Цитоплазма

Цитоплазма содержит гиалоплазму, цитоскелет, органоиды и включения.

Гиалоплазма (цитоплазматический матрикс) на 85% состоит из воды и на 10% из белков. Остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, РНК и минеральных солей. Гиалоплазма имеет однородную мелкозернистую структуру, обеспечивает вязкость, эластичность, сократимость и движение цитоплазмы. Она представляет собой коллоидный раствор и является внутренней средой клетки, где протекают реакции обмена.

В цитоплазме клеток расположен цитоскелет‚ образованный развитой сетью белковых нитей (филаментов), способных сокращаться. В зависимости от диаметра филаменты делят на: микрофиламенты (диаметром 6 — 8 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Цитоскелет заполняет пространство между ядерной оболочкой и плазмалеммой. Он определяет форму клетки и участвует в различных движениях самой клетки (например, при делении) и во внутриклеточном перемещении органоидов и отдельных соединений.

Включения – это непостоянные компоненты цитоплазмы, содержание которых меняется в зависимости от функционального состояния клетки. Различают трофические, секреторные и экскреторные включения. Трофические включения представляют собой запасы питательных веществ. В растительных клетках это жир, крахмальные и белковые зерна, в животных – гликоген и капли жира. Секреторные включения являются продуктами жизнедеятельности клеток желез внешней и внутренней секреции (гормоны, ферменты, слизь). Экскреторные включения представляют собой продукты обмена веществ в растительных и животных клетках (кристаллы щавелевой кислоты, щавелевокислого кальция и др.), подлежащие выведению из клетки.

Органоидные клетки

Органоиды – это постоянные специализированные участки цитоплазмы клетки, имеющие определенное строение и выполняющие определенные функции в клетке. Органоиды общего назначения: митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, рибосомы‚ клеточный центр, лизосомы и пластиды (характерны для большинства клеток). Органоиды специального назначения характерны для специализированных клеток: миофибриллы – в мышечных клетках; жгутики, реснички, пульсирующие и пищеварительные вакуоли – в клетках протистов. Большинство органоидов имеет мембранное строение. Немембранными органоидами являются рибосомы и клеточный центр.

Эндоплазматическая сеть

Схема строения эндоплазматической сети
Схема строения эндоплазматической сети: 1 — мембрана; 2 — канал; 3 — рибосома.

Эндоплазматическая сеть (ретикулум) представлена системой каналов, образованных биологическими мембранами и пронизывающих гиалоплазму клетки. Имеются два типа эндоплазматической сети – гладкая (агранулярная) и шероховатая (гранулярная), на мембранах последней расположены рибосомы. Функции ЭПС: на мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез жиров и углеводов, шереховатая ЭПС принимает также участие в синтезе белков; каналы ЭПС соединяют между собой все органоиды и ядро с цитоплазмой и выполняют транспортную функцию; мембраны ЭПС делят клетку на отсеки, изолирующие различные ферментные системы.

Рибосомы

Рибосомы – мелкие сферические тельца (от 15 до 35 нм), состоящие из большой и малой субъединиц, содержащие преимущественно белки и р-РНК. Субъединицы рибосом образуются в ядрышках и через поры ядерной мембраны поступают в цитоплазму, где располагаются на мембранах эндоплазматической сети, на наружной ядерной мембране, свободно в цитоплазме, в митохондриях и пластидах. Они содержатся в клетках всех типов. Функция рибосом: участие в сборке белковых молекул.

Комплекс Гольджи

Схема строения комплекса Гольджи
Схема строения комплекса Гольджи: 1 — мембрана; 2 — канал; 3 — цистерна; 4 — пузырьки.

Комплекс (аппарат) Гольджи обнаруживается под световым микроскопом в виде сложной сети, расположенной вокруг ядра. Электронномикроскопические исследования показали, что комплекс Гольджи состоит из биологических мембран и напоминает стопку наложенных друг на друга рулонов. Они образуют узкие каналы, расширяющиеся на концах в цистерны, от которых отпочковываются пузырьки. Основные функции комплекса Гольджи: концентрация, обезвоживание, уплотнение веществ, предназначенных для выведения из клетки; образование лизосом и сборка сложных комплексов органических веществ (например, липопротеинов).

Лизосомы

Лизосомы – органоиды клеток шаровидной формы диаметром от 0,2 до 1 мкм. Их стенка образована биологической мембраной. Они содержат около 40 гидролитических ферментов, способных расщеплять белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Функции лизосом: переваривание пищевых веществ и бактерий, поступивших в клетку; разрушение временных органов эмбрионов и личинок и отмирающих в процессе жизнедеятельности структурных компонентов клеток.

Митохондрии

Схема строения митохондрии
Схема строения митохондрии: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — матрикс; 4 — криста; 5 — рибосома.

Митохондрии видны под световым микроскопом в виде гранул, палочек, нитей величиной от 0,5 до 7 мкм. При исследовании под электронным микроскопом установлено, что стенка митохондрий состоит из двух мембран наружной гладкой и внутренней, образующей выросты – кристы‚ которые вдаются во внутреннее гомогенное содержимое митохондрии (матрикс). В матриксе имеется автономная система биосинтеза белков: митохондриальная ДНК, рибосомы и различные виды РНК. В митохондриях имеются ферментные системы, обеспечивающие аэробный этап энергетического обмена. Основные функции митохондрий: окисление веществ, синтез АТФ и специфических белков.

Пластиды

Пластиды – органоиды растительных клеток. Их делят на три группы – хлоропласты (зеленые), хромопласты (желтые или оранжевые) и лейкопласты (бесцветные). Пластиды имеют сходное строение и при определенных условиях могут переходить из одного вида в другой. Хромопласты содержат пигменты (каротиноиды), придающие окраску цветкам и плодам. В лейкопластах синтезируются и накапливаются запасные питательные вещества (крахмал, белки, жиры).

Хлоропласты

Схема строения хлоропласта
Схема строения хлоропласта: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — строма; 4 — грана; 5 — тилакоид граны; 6 — тилакоид стромы; 7 — ДНК; 8 — рибосомы.

Хлоропласты по форме напоминают двояковыпуклую линзу размером 5 — 10 мкм и содержат зеленый пигмент хлорофилл. Стенка хлоропласта образована двумя мембранами. Внутри находится бесструктурное содержимое – строма. Строма пронизана системой параллельно расположенных элементарных мембран, являющихся продолжением внутренней мембраны и называемых тилакоидами стромы. В отдельных участках несколько тилакоидов, лежащих друг над другом, образуют грану – замкнутую полость диаметром около 0,3 мкм (тилакоиды гран). В мембранах тилакоидов стромы и гран содержится хлорофилл и другие пигменты, где и протекает световая фаза фотосинтеза, а в строме – темновая. В строме хлоропластов имеется автономная система синтеза белков (ДНК, разные виды РНК и рибосомы).

Основные функции хлоропластов: фотосинтез и синтез специфических белков.

Клеточный центр

Кгеточный центр (центросома) расположен вблизи ядра и состоит из двух мелких гранул центриолей, окруженных лучистой сферой (центросферой). С помощью электронного микроскопа установлено, что каждая центриоль представляет собой цилиндрическое тельце длиной 0,3 — 0‚5 мкм и диаметром 0,15 мкм, состоящее из 27 микротрубочек, сгруппированных по три в 9 групп. Функции центросомы: образование полюсов и веретена деления при митозе и мейозе.

Вакуоли и органоиды движения

Вакуоли представляют собой участки гиалоплазмы растительных клеток и протистов, ограниченные элементарной мембраной. У растений они содержат клеточный сок и поддерживают тургорное давление. Вакуоли протистов подразделяют на пищеварительные и сократительные. Органоиды движения клеток представлены жгутиками и ресничками. Они содержат по 20 микротрубочек, образующих 9 пар по периферии и две одиночные, расположенные в центре. Жгутики и реснички покрыты элементарной мембраной. У основания органоидов движения расположены базальные тельца, образующие микротрубочки. Реснички и жгутики служат для передвижения бактерий, протистов, ресничных червей и сперматозоидов. Реснички мерцательного эпителия дыхательных путей освобождают их от попавших частиц.

Оставьте комментарий