Основы цитологии Строение клеток эукариот

В основе всех мембран клетки лежит двойной слой молекул липидов.

К заряженным головкам липидов, с помощью электростатических

взаимодействий прикрепляются белки. Мембранные белки

выполняют структурные, каталитические и транспортные функции.

В зависимости от расположения различают погруженные,

периферические и пронизывающие белки. Погруженные 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 погруженных белков-ферментов. Пронизывающие белки пронизывают мембрану насквозь и выполняют транспортные функции.

На наружной поверхности мембраны расположены молекулы углеводов (олигосахариды), которые выполняют рецепторные функции. Совокупность олигосахаридов на поверхности животной клетки называется гликокаликсом.

Функции плазматической мембраны

Барьерная функция. Регуляторная. Каталитическая. Мембранный транспорт. Различают несколько видов мембранного транспорта.

А). Транспорт крупных молекул органических веществ, бактерий и вирусов путем 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.

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.
Цитоплазма

Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органоидов и включений.

Примеры включений:

минеральные (например, кристаллы солей)

трофические (гранулы белков, полисахаридов, капли липидов)

витаминные

пигментные (например, гранулы пигмента в клетках сетчатки глаза) и др.

Мембранные органоиды - полые структуры, стенки которых образованы одинарной или двойной мембраной.

ЭПС - это одномембранный органоид, состоящий из полостей и канальцев, соединенных между собой для синтеза и транспортировки веществ. Эндоплазматическая сеть структурно связана с ядром: от наружной мембраны ядра отходит мембрана, образующая стенки эндоплазматической сети. ЭПС бывает 2 видов: шероховатая (гранулярная) с рибосомами и гладкая (агранулярная).

Комплекс Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных

мешочков, которые называются цистернами. 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. В комплексе Гольджи образуются лизосомы.

Лизосомы - мелкие сферические органоиды, стенки которых образованы одинарной мембраной; содержат литические (расщепляющие) ферменты.

Функции лизосом:

Осуществляют расщепление веществ, поглощенных в результате фагоцитоза и пиноцитоза. Биополимеры расщепляются до мономеров, которые поступают в клетку и используются на ее нужды. Например, они могут быть использованы для синтеза новых органических веществ или могут подвергаться дальнейшему расщеплению для получения энергии.

Разрушают старые, поврежденные, избыточные органоиды. Ращепление органоидов может происходить и во время голодания клетки.

Осуществляют аутолиз (расщепление) клетки (рассасывание хвоста у головастиков, разжижение тканей в зоне воспаления, разрушение клеток хряща в процессе формирования костной ткани и др.).

Вакуоли - сферические одномембранные органоиды, представляющие собой резервуары воды и растворенных в ней веществ.

В клетке растений на долю вакуолей приходится до 90% объема. В зрелой растительной клетки вакуоль одна, занимает центральное положение. Мембрана вакуоли растительной клетки - тонопласт, ее содержимое - клеточный сок. Функции вакуолей в растительной клетке: поддержание клеточной оболочки в напряжении, накопление различных веществ, в том числе отходов жизнедеятельности 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.

Митохондрия – двумембранный полуавтономный

органоид, осуществляющий синтез АТФ.

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.

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. 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. 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.

Лейкопласты - бесцветные пластиды, расположены в клетках бесцветных тканей. В лейкопластах накапливается крахмал, липиды и белки.

Пластиды могут взаимно превращаться друг в друга: лейкопласты - хлоропласты - хромопласты.

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 нее информацию.

Центриоли - цилиндрическая структура, стенки которой

образованы из микротрубочек. Центриоли расположены

парами перпендикулярно друг другу. В области

центриолей образуются микротрубочек веретена деления.

Совокупность центриолей и микротрубочек веретена

деления называют клеточным центром.

В состав информационной системы клетки входят: ядро, рибосомы и разнообразные органические молекулы (и-РНК, белки-ферменты, АТФ и др.) Информационная система клетки обеспечивает хранение, воспроизводство и реализацию генетической информации, заключенной в ДНК.

Генетическая информация - это информация о свойствах организма, которая передается по наследству. Поскольку все свойства организмов зависят от разнообразных белков, то генетическая информация содержит сведения о строении белков. Генетическая информация записана в ДНК различными последовательностями ее нуклеотидов.
Место хранения генетической информации - ядро. Там же происходит ее воспроизводство путем удвоения ДНК.

Реализация генетической информации осуществляется в цитоплазме в процессе биосинтеза белка с помощью рибосом. Перенос информации из ядра в цитоплазму осуществляется молекулами и-РНК.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА

Ядро - важнейшая составная часть эукариотической клетки.

Функции ядра:

хранение генетической информации и ее воспроизводство

управление жизнедеятельностью клетки путем реализации генетической информации, заключенной в ДНК.

В строении ядра различают 4 основных компонента:

- ядерная оболочка

- ядерный сок (кариоплазма)

- ядрышко

- хроматин.

Ядерная оболочка состоит из 2 близко расположенных мембран - наружной и внутренней. Между ними находится пространство. Наружная мембрана переходит в мембрану эндоплазматической сети, к ней могут быть прикреплены рибосомы. Через определенное расстояние обе мембраны сливаются друг с другом, образуя отверстия - ядерные поры.

В кариоплазме ядра располагается хроматин.

Хроматин является нуклеопротеидом, так как

состоит из ДНК (75%) и белков (25%).

Участки ДНК обвивают группы из 8 молекул белков, в результате ДНК конденсируется (укорачивается) и становится более компактной. Степень конденсации хроматина в разных участках ядра различна. В связи с этим различают гетерохроматин и эухроматин.

Эухроматин выглядит как сеть из тонких нитей.

Эухроматин генетически активен, генетическая

информация ДНК копируется на молекулы РНК

(процесс транскрипции), переносится в цитоплазму, где на ее основе синтезируются различные белки.

Гетерохроматин находится в более конденсированном состоянии, поэтому генетически неактивен (в его состав входит неинформативная ДНК), генетическая информация не реализуется.

Перед делением клетки хроматин спирализуется и конденсируется (уплотняется), образуются плотные Х-образные тельца - митотические хромосомы.

Митотические хромосомы в начале деления состоят из двух хроматид.

Каждая хроматида представляет собой суперспирализованную молекулу

ДНК. Молекулы ДНК двух хроматид являются абсолютно одинаковыми

молекулами, несут одинаковую генетическую информацию, так как

образовались в результате удвоения одной материнской молекулы ДНК.

Хроматиды соединены в области перетяжки - центромеры.

Центромера делит каждую хроматиду на 2 плеча.

ХРОМОСОМНЫЕ НАБОРЫ

Хромосомный набор - совокупность хромосом клетки. Хромосомные наборы разных видов организмов могут отличаться числом хромосом, их размерами и формой. Совокупность количественных (число хромосом и размеры) и качественных (форма хромосом) признаков хромосомного набора называется кариотипом. Кариотип является постоянным для каждого вида и его особенности передаются по наследству.

В соматических клетках все хромосомы парные, поэтому хромосомные наборы называются диплоидными (2n). Хромосомы одной пары называются гомологичными. Они одинаковы по форме, размерам, набору генов. Одна из гомологичных хромосом является материнской, а другая - отцовской.

В половых клетках содержится только какая-то одна хромосома из пары. Хромосомные наборы половых клеток называются гаплоидными (n).

В хромосомном наборе различают аутосомы и половые хромосомы. Аутосомы одинаковы у особей мужского и женского пола. Половые хромосомы содержат гены, определяющие признаки пола и различаются у самцов и самок. Половые хромосомы бывают двух видов: Х-хромосомы и У-хромосомы. У человека у особей женского пола в хромосомном наборе две Х-хромосомы, а у особей мужского пола - ХУ.

Число хромосом в хромосомном наборе может быть одинаковым у разных видов (но кариотипы обязательно будут различаться!) Например, 48 хромосом имеют шимпанзе, таракан, перец. Поэтому можно сделать вывод, что число хромосом не говорит о видовой принадлежности и не указывает на эволюционное родство видов.

Число хромосом не зависит от уровня организации вида. Например, в хромосомном наборе сазана 104 хромосомы, а у человека - 46 хромосом.

В строении и функционировании животной и растительных клеток имеются как общие черты, так и различия. Различия заключаются в следующем:

У растительной клетки над клеточной мембраной располагается толстая и прочная клеточная оболочка из полисахаридов (целлюлоза). У животных клеток клеточная оболочка отсутствует. Клеточная мембрана покрыта очень тонким слоем углеводов, входящим в состав гликокаликса.

В клетках растений есть пластиды: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

В клетках высших растений отсутствуют центриоли, а клеточный центр представлен только микротрубочками. В клетках низших растений, как и в клетках животных, центриоли имеются.

Вакуоли в растительных клетках занимают до 90% их объема. В клетках животных вакуоли занимают небольщой объем (до 5 %). Это в основном сократительные, пищеварительные, фагоцитарные вакуоли.

В растительных клетках углеводы запасаются в виде крахмала, а в животных клетках - в виде гликогена.

По способу питания растения являются фотоавтотрофами, а животные - гетеротрофами.

ОСОБЕННОСТИ ГРИБНЫХ КЛЕТОК

Клеточная стенка из хитина

Нет пластид

Запасной углевод - гликоген

Прокариоты - организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра. Надцарство прокариот состоит из одного царства - царства Дробянок, к которому относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Бактерии имеют самые мелкие клетки - от 0,5 до 10 мкм. Для сравнения: средний размер животной клетки - 40 мкм.

Бактериальная клетка покрыта снаружи плазматической мембраной типичного строения. Над мембраной у всех бактерий находится прочная клеточная стенка, выполняющая защитные функции.

Клеточная стенка многих бактерий окружена слизистой капсулой из полисахаридов. У некоторых бактерий имеются органоиды движения .

У бактерий нет ограниченного мембраной ядра. Его заменяет кольцевая молекула ДНК (бактериальная «хромосома»), расположенная в центре бактериальной клетки. Место расположения ДНК называется нуклеоидом. В бактериальной клетке отсутствуют эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, пластиды и др. мембранные органоиды. Их функции выполняют мезосомы - внутренние впячивания мембраны клетки. У фотосинтезирующих бактерии образуются специальные мезосомы, в мембранах которых располагаются молекулы бактериального хлорофилла. Такие мезосомы осуществляют фотосинтез.

Рибосомы бактерий более мелкие и по размерам совпадают с рибосомами митохондрий и пластид эукариот. Функции рибосом, как и у эукариот - синтез белка. Из-за высокой скорости размножения и роста бактерии нуждаются в большом количестве белка, поэтому рибосомы могут иногда составлять до 40% массы клетки.


КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Клеточная теория - одно из наиболее важных биологических обобощений, согласно которому все организмы имеют клеточное строение.

Клеточная теория возникла в результате анализа огромного количества фактического материала, который был получен в течение 200 лет. Изучение клетки стало возможным после открытия микроскопа.

1665 г. - Роберт Гук при помощи примитивного светового микроскопа увидел на срезе пробки крошечные «ячейки», которые он назвал клетками.

1671 г. - Мальпиги, Грю, Фонтана подтвердили исследования Гука на других биологических объектах. Ученые указывают на наличие клеточных стенок.

1677 г. - Левенгук усовершенствовал микроскоп. Отшлифованные вручную линзы давали увеличение в 275 раз. С помощью своего микроскопа Левенгук открыл одноклеточных животных.

В 19 веке были созданы микроскопы с увеличением в 1200 раз, с хорошим, четким изображением без искажения. Были открыты протоплазма и ядро. Знания накапливались, совершенствовалась техника микроскопирования. Опираясь на имеющиеся данные и собственные исследования немецкий ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн в 1839 году почти одновременно, независимо друг от друга, пришли к выводу, что клетка является элементарной единицей строения всех растительных и животных организмов. М.Шлейден и Т.Шванн сформулировали основные положения клеточной теории, которая впоследствии развивалась многими учеными. Ошибки Шлейдена и Шванна заключались в следующем:

они считали, что клетка образуется из бесструктурного вещества

главная роль в клетке принадлежит ее оболочке.

Ошибки Шлейдена и Шванна были устранены работами немецкого паталогоанатома Рудольфа Вирхова. В частности он утверждал, что новая клетка образуется только в результате деления материнской клетки.

В последующий период клеточная теория обогащалась новым содержанием в связи с дальнейшим развитием цитологии.
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.