Stroenie_kletki

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

новными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивают существование всех других организмов;

в неблагоприятных условиях образуют цисты, при этом теряют до 60 % воды, а остальная переходит в связанное, неактивное состояние, покрываются толстой, защитной оболочкой;

Размножаются бесполым способом – деление (в благоприятных условиях каждые 20-25 мин) и иногда половым способом (конъюгация).

Конъюгация бактерий – половой процесс обмена генетической информацией у бактерий. Клетка, дающая ДНК (донор) присоединяется к клетке принимающей ДНК (акцептор) при помощи трубочки, состоящей из белка - пилина. При воздействии полового F-фактора клетка-акцептор может преобразоваться в клеткудонора. В результате конъюгации старая и новая молекулы ДНК образуют комплекс, состоящий из двух молекул ДНК, соединенных гомологичными участка-

ми. Обычно гаплоидная, однохроматидная клетка становится диплоидной. Про-

исходит процесс схожий с кроссинговером эукариотических клеток. Хромосомы обмениваются генами или группой генов. При делении клетки хромосомы расходятся в разные дочерние клетки, и бактериальные клетки вновь становятся гаплоидными. Конъюгация обеспечивает генетическое разнообразие бактерий и

обеспечивает их приспособление к внешней среде.

Подобно бактериям, сине-зеленые водоросли не имеют оформленного ядра, и ДНК их располагается непосредственно в цитоплазме, в самом центре клетки. Они не имеют также хлоропластов, и мембраны, с заключенным в них хлорофиллом, находятся прямо в цитоплазме. Оболочки клеток этих организмов обладают значительной прочностью и состоят из углеводов. Размножаются делением клетки пополам.

3. ПОНЯТИЕ О СТРОЕНИИ И ФУНКЦИЯХ ОРГАНЕЛЛ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ

Все живые организмы, кроме вирусов, бактерий и сине-зеленых водорослей, являются эукариотами (растения, грибы, животные).

Эукариоты – ядерные клеточные формы живого. Древнейшие останки эукариот найдены в породах возрастом 1,4-2 млрд. лет. Эукариотическая клетка может быть самостоятельным одноклеточным организмом или частью многоклеточного организма, формируя различные ткани. Учитывая это, среди эукариот выделяют три класса:

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 11 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

1.Одноклеточные эукариоты (протисты):

тело состоит из одной клетки;

обладают одновременно всеми свойствами живой системы и клетки;

обитают в воде, в почве, организме растений, животных, человека (симбионты, паразиты);

питание автотрофное (фототрофы), гетеротрофное (паразиты, сапрофиты), миксотрофное;

размножение бесполым (деление, почкование) и половым (коньюгация, копуляция) способами;

в неблагоприятных условиях образуют цисты (инцистирование обеспечивает сохранение и распространение в природе).

2.Колониальные эукариоты:

колонии возникают путем клеточного деления;

в высокоорганизованных колониях, например у шаровидной водоросли вольвокс, имеет место разделение функций (вегетативные клетки, образующие стенку, обеспечивают питание, синхронное передвижение, а генеративные служат для размножения);

наружные одинаковые вегетативные клетки соединяются между собой цитоплазматическими мостиками (плазмодесмы), образуя морфологическое и функциональное единство;

каждая клетка, входящая в состав колонии, способна жить самостоятельно.

3.Многоклеточные эукариоты:

Многоклеточные организмы по уровню развития подразделяются на:

группы без истинных тканей (талломные растения, грибы, губки);

группы с истинными тканями (высшие растения, животные).

Вразвитии многоклеточных форм растений и животных наблюдается все большая специализация и разделение тела на ткани, органы, системы, их усовершенствование (повышение степени дискретности) с одной стороны и совершенствование регулирующих систем с другой (для обеспечения целостности живой системы, ее приспособления к внешней среде).

Взависимости от выполняемых функций эукариотические клетки могут иметь разное строение, размеры. Тело многоклеточных организмов образовано из дифференцированных, высокоспециализированных клеток с оформленным ядром и цитоплазмой, разделенной внутренними мембранами на отдельные части (органоиды).

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 12 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

Рис. 3. Схема строения животной клетки

Для всех эукариотических клеток, независимо от формы, размеров и функции, характерны следующие общие черты:

крупные размеры от 10 до 100 мкм (в 1000 раз больше прокариотической клетки);

наличие оформленного ядра, окруженного ядерной мембраной;

сосредоточение генетического материала преимущественно в хромосомах (в ядре), имеющих сложное строение; таким образом, генетический материал (ДНК) отделен от цитоплазмы двойной ядерной мембраной;

изобилие и сложность внутренних мембран, делящих клетку на дискретные функциональные части – органоиды. Наличие большого количества различных органелл мембранного и немембранного строения;

деление (размножение) митозом, мейозом, амитозом;

присутствие различных включений;

способность к фагоцитозу, пиноцитозу и циклозу.

Рассмотрим подробно строение, свойства и функции всех органелл эукариотических клеток.

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 13 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

3.1. КЛЕТОЧНАЯ ОБОЛОЧКА

Клеточная оболочка всех эукариотических клеток состоит их двух частей:

надмембранной полисахаридной структуры (гликокаликс у животной клетки, целлюлоза у растительной);

цитоплазматической мембраны (плазмалеммы), в состав которой входят бислой липидов и белковые молекулы.

Гликокаликс животной клетки имеет толщину 10-20 нм. Углеводы образуют комплексы с мембранными белками (гликопротеиды), реже с липидами (липопротеиды).

Выступающие разветвленные части гликокаликса обеспечивают:

индивидуальность клетки;

связь с внешней средой;

иммунологическую индивидуальность клетки (роль антигенов);

соединение клеток при образовании тканей.

Клетчатка (целлюлоза) является полисахаридом, который не растворяется в воде, в щелочах, во многих кислотах. Ее расщепляют только некоторые бактерии и грибы.

В процессе жизнедеятельности растения клетчатка может подвергаться химическим изменениям: одревеснению, опробковению и ослизнению. В растениях она выполняет опорную (обеспечивает форму клетки) и защитную функции.

Цитоплазматическая мембрана, или клеточная мембрана, или плазмалем-

ма, – окружает клетку, отделяя внутреннее содержимое от внешней среды. Помимо этого плазмалемма выполняет еще целый ряд очень важных функций:

защитная (окружая клетку, защищает ее содержимое от различных физических и химических воздействий);

рецепторная (способна воспринимать химические и электрические сигналы, поступающие извне клетки);

транспортная (через нее осуществляется движение различных веществ);

регуляторная (высокая избирательность поступления веществ в клетку и выход их из клетки связаны со свойством полупроницаемости мембран);

контактная (за счет мембранных выростов клетки соединяются друг с другом, формируя ткани, органы).

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 14 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

Рис. 4. Структура цитоплазматической мембраны

Плазмолемма составляет основную часть клеточной оболочки. Она имеет универсальную постоянную структуру:

бислой липидов (фосфолипиды, гликолипиды, стеролы; их соотношение различно в клетках разных типов). Фосфолипиды – основная масса липидов, состоящая из полярных гидрофильных головок (наружная часть бислоя) и двух неполярных гидрофобных хвостов (внутренняя часть бислоя). Липидная часть обеспечивает дискретность, механическую прочность мембраны. Этот слой относительно непроницаем для большинства водорастворимых молекул;

белковый слой, молекулы которого могут располагаться на поверхности мембраны, частично погружаясь в липидный бислой или пронизывая всю его толщу (гидрофильные поры). Среди тысячи мембранных белков различают структурные и структурные с дополнительными функциями (ферменты, рецепторы, переносчики). Мембранные белки обладают способностью свободно перемещаться в плоскости мембраны, обеспечивая движение веществ через нее. Мембранные транспортные белки есть во всех типах биологических мембран; они могут значительно отличаться друг от друга, обладая определенной специфичностью. Другими словами, движение различных групп веществ (неорганические ионы, аминокислоты, сахара и т.д.) осуществляется разными транспортными мембранными белками;

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 15 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

Транспорт веществ. Клетка, являясь открытой системой, обменивается веществами с окружающей средой. Главная функция плазматической мембраны состоит в регулировании этого обмена:

некоторые вещества она пропускает (избирательная проницаемость);

другие перекачивает против градиента концентрации.

Это ограничивает потерю веществ или обусловливает поступление в нее необ-

ходимых.

Существуют следующие виды транспорта:

непосредственный – без специальных переносчиков;

опосредованный – со специальными переносчиками;

с изменением конформации мембраны.

Независимо от вида транспорт может осуществляться без затраты энергии

(пассивный) и с затратой энергии (активный).

Непосредственный транспорт (физическая диффузия) – транспорт веществ без затраты энергии (пассивный) через поры (белоксодержащие участки мембраны) или липидную фазу. Перемещение растворенных веществ из области высокой концентрации в область более низкой происходит до выравнивания концентраций веществ с обеих сторон. Скорость диффузии зависит от величины молекул и относительной растворимости в липидах. Чем мельче молекула, тем она лучше растворяется в липидах, тем легче протекает ее диффузия (быстро перемещаются неполярные частицы, небольшие молекулы, вода, мочевина, этанол; медленно – аминокислоты, глицерин, глюкоза, жирные кислоты).

Опосредованный транспорт может быть пассивным (за счет кинетической энергии самих частиц) и активным (за счет метаболической энергии АТФ). Опосредованный пассивный транспорт протекает в виде облегченной диффузии и обменной диффузии.

Облегченная диффузия – протекает в одном направлении (по градиенту концентрации) из области с более высокой концентрацией в область с более низкой. Перенос заряженных молекул (ионов) независимо от их размера (сахара, аминокислоты, нуклеотиды) осуществляется при помощи специальных белковпереносчиков. Соединяясь с молекулой или ионом, переносчики образуют комплекс, транспортируя его в клетку. Впоследствии комплекс распадается, а транспортируемое вещество освобождается. Скорость облегченной диффузии определяется числом функционирующих в мембране переносчиков и зависит от скорости образования и распада комплекса (переносчик – транспортируемое вещество). Процесс облегченной диффузии не требует затраты энергии.

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 16 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

Обменная диффузия – при этом процессе транспорт через мембрану одного вещества связан с переносом в противоположном направлении другого вещества. Переносчики, участвующие в обменной диффузии, обладают двумя различными центрами для связывания одного вещества на внешней стороне мембраны и другого – на внутренней. Процесс идет без затраты энергии и обеспечивает только равновесный обмен независимо от концентрационных градиентов транспортируемых веществ.

Опосредованный активный транспорт может быть в виде сопряженного и несопряженного.

Сопряженный транспорт – переносчики транспортируют два различных вещества, либо в одном, либо в противоположных направлениях Несопряженный транспорт – перенос вещества осуществляется в одном направлении против градиента концентрации.

Транспорт с изменением конформации мембраны (активный) протекает в виде эндо- и экзоцитоза.

3.2. ЦИТОПЛАЗМА

Цитоплазма – основная по массе часть клетки. Она представляет собой соединение коллоидных растворов белков и других органических веществ с истинными растворами различных солей, объединяет все компоненты клетки в единую систему и обеспечивает целостность клетки. Основное вещество цитоплазмы, в которое погружены различные клеточные структуры, – цитозоль.

Вцитоплазме различают:

1.Цитоплазматический матрикс (гиалоплазма) – жидкое содержимое клетки. С

ним связаны коллоидные свойства, обеспечивающие такие процессы, как:

превращение золь-гель (в зависимости от функциональной активности клетки, а также ионного состава, рН и давления).

Золь – жидкая коллоидная система (может быть гидрофобной или гидрофильной); увеличение вязкости золя может привести к переходу системы в состояние геля. Гель – плотная коллоидная система (застывший золь);

внутриклеточное циклическое движение цитоплазмы (циклоз);

амебовидное движение – передвижение простейших (саркодовые), некоторых клеток многоклеточных животных и человека (лейкоциты, фагоциты), органоидов (митохондрии, хлоропласты) при помощи временных ложноножек (псевдоподии);

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 17 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

формирование ахроматинового веретена (ахроматин – неокрашивающееся вещество) – аппарат деления клетки, состоящий из ахроматино-

вых нитей и центриолей. Пучки микротрубочек определяют полярность клетки. У высших растений и низших грибов центриоли не обнаружены. Ахроматиновое веретено отодвигает структурные компоненты клетки к периферии. Эндоплазматическая сеть в отдельных случаях может разрываться при делении клетки;

буферные (способность буферных растворов поддерживать постоянную сбалансированную концентрацию ионов водорода при разбавлении, а также прибавлении кислоты или соли) и осмотические свойства.

2.Клеточные органеллы (органеллы, имеющие мембранное строение, и немембранные органеллы) – постоянные, обязательные структуры клетки, обладающие определенным химическим составом, строением и выполняющие строго специфические функции.

Органоиды обеспечивают одновременное протекание различных реакций при

участии ферментов, большинство из которых локализованы на мембранах. Органоиды, характерные для всех или большинства клеток называются общими, а

для некоторых – специальными.

Органоиды по наличию мембран подразделяются на:

двумембранные (ядро, митохондрии, хлоропласты);

одномембранные (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли);

немембранные (рибосомы, центросома, микрофибриллы, микротрубочки).

3.Клеточные включения – непостоянные структуры различной химической природы (белки, углеводы, соли и т.д.), которые могут возникать на определенных стадиях жизни клетки, когда в них имеется потребность. Включения, содержащие ненужные клетке вещества, могут либо удаляться из клетки, либо накапливаться

вней. К включениям относятся и запасные питательные вещества: капли жира, соли органических и неорганических кислот, в растительных клетках – крахмал, эфирные масла, в животных – гликоген и другие вещества.

Они образуются и используются (или запасаются, выделяются) в процессе жизнедеятельности клетки.

Могут быть в клетке в большом количестве или отсутствовать в зависимости от типа клеток, возраста, физиологического состояния.

4.Система микрофиламентов и микротрубочек, формирующих цитоскелет клет-

ки.

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 18 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

Цитоплазма содержит ферменты биосинтеза и продуцирования энергии (гликолиз). Гликолиз – («гликос» - сладкий, «лизис» - растворяю) процесс расщепления углеводов (преимущественно глюкозы) в отсутствии кислорода до молочной кислоты (лактат). Реакции гликолиза протекают в гиалоплазме и не связаны с клеточными структурами. В клетках животных конечным продуктом является лактат (в аэробных условиях пируват превращается в ацетил-СоА).

3.3. ДВУМЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ

Двумембранные органоиды объединяют общим названием пласты. Для них характерно наличие ДНК, РНК, ферментов, рибосом (белоксинтезирующего аппарата).

3.3.1. Ядро Ядро – самая крупная органелла клетки, ее важнейший регулирующий центр.

Как правило, эукариотическая клетка имеет одно ядро, но существуют клетки двухядерные и многоядерные. В некоторых организмах могут встречаться клетки, утратившие ядра в процессе дифференцировки – приобретения индивидуальных отличий (специализация) среди клеток с одинаковым генотипом в процессе формирования различных тканей. К таким безъядерным клеткам относятся, например, эритроциты млекопитающих, тромбоциты, клетки ситовидных трубок растений и некоторые другие типы клеток.

Форма ядра обычно округлая или овальная. Диаметр ядра может колебаться от 5-10 мкм до 20 мкм. Снаружи ядро окружено двойной мембраной (ядерной оболочкой или кариолеммой), в которой имеются ядерные поры; через эти поры осуществляется связь ядра с цитоплазмой. Так, например, поступают в ядро из цитоплазмы нуклеотиды, белки и выходят из ядра в цитоплазму молекулы РНК, рибосомные субъединицы. Ядерные поры не просто пропускают различные вещества из ядра в цитоплазму и обратно, но и регулируют это движение. Наружная мембрана ядра связана с цитоплазматическим ретикулом.

Форма и размер ядра зависят от типа клетки и ее функциональной активности в период интерфазы. В зависимости от периода жизненного цикла клетки (интерфаза или деление) ядро имеет различную структуру.

А. Интерфазное ядро состоит из нуклеоплазмы, хроматина, одного или нескольких ядрышек и отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной.

Ядерная оболочка (кариотека) – состоит из двух мембран (каждая толщиной 6- 8 нм), разделенных околоядерным пространством (перинуклеарная зона). Наружная

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 19 из 38

Садчикова Е.В., Селезнева И.С.

Строение клетки

ядерная мембрана продолжается в эндоплазматическую сеть, является ее частью (после деления она восстанавливается из частей старой мембраны и цистерн ретикулума) и может содержать рибосомы. В отличие от других мембран ядерная оболочка имеет крупные ядерные поры, образованные слиянием наружной и внутренней мембраны. Они обеспечивают транспорт высокомолекулярных веществ (РНК, ферменты, гистоны, субъединицы рибосом). Мелкие молекулы и ионы проходят диффузией сквозь мембрану. Число пор зависит от функциональной активности клетки (чем активнее, тем их больше).

Функция ядерной мембраны:

отделение генетического материала клетки от цитоплазмы;

регуляция взаимосвязи «ядро-цитоплазма».

Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – составляет основную внутреннюю массу ядра и представлен гелеобразным матриксом (заполняет пространство между структурами ядра и содержит различные белки, ферменты, свободные нуклеотиды, аминокислоты, соли, ионы, метаболиты), ядрышками (одно или несколько) и хроматином.

Функция:

внутренняя среда;

обеспечивает взаимосвязи внутриядерных структур;

участвует в функционировании наследственного материала.

Ядрышко – уплотненное тельце, округлой формы, лишенное мембраны. В ядрышке различают две части:

Центральная область – плотная фибриллярная структура, в которой располагаются рядом участки различных хромосом. Эти участки представляют собой большие петли ДНК, содержащие гены, которые кодируют синтез рибосомальных РНК. Такие петли называются ядрышковым организатором. У человека 13-15 и 21-22 пары таких генов.

Ген – (гр. «генос» рождение) – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре молекулы белка или РНК, элементарная единица наследственности. Гены расположены в хромосомах и объединены в группы сцепления.

Периферическая область (менее плотная) содержит гранулы, обеспечивающие формирование пространственной конфигурации рРНК и сборку рибосом (при делении ядер ядрышки исчезают и вновь появляются на стадии телофазы).

Функция ядрышка – синтез рибосом. Ядрышко является центром образования рибосом, т.к. здесь осуществляется синтез рибосомальной РНК (рРНК) и соединение этих молекул с белками, т.е. происходит формирование субъединиц рибосом, которые затем поступают в цитоплазму, где и завершается сборка рибосом.

ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005

Стр. 20 из 38