Строение и функции клетки
Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариотические клетки безъядерные, типичные для некоторых одноклеточных организмов – прокариотов (бактерии). Эукариотические клетки характерны для организмов – эукариотов; это растения, животные и грибы, большинство из которых являются многоклеточными организмами.
Клетки, образующие ткани животных и растений, различаются по форме, размерам, внутреннему строению и функциям.
Клеточная мембрана
Основу этой оболочки клетки составляет плазматическая мембрана, которая согласно “жидкостно-мозаичной” модели имеет двойной слой молекул липидов. Между последними вкраплены молекулы белков, обеспечивающие активный и пассивный перенос различных соединений через оболочку.
Надмембранный комплекс (гликокаликс) помимо белков содержит гликолипиды и гликопротеины, обуславливающие индивидуальные свойства клетки, рецепцию тканевой совместимости. Здесь могут фиксироваться ферментные комплексы, не производимые самой клеткой.
В растительных клетках углеводный компонент формирует утолщенную целлюлозную клеточную стенку.
Субмембранный комплекс – пограничный с цитоплазмой слой содержит частично гиалоплазму с ферментативными системами, системами транспорта через мембрану и рецепции. Другая часть этого комплекса образована опорно-сократительными структурами – микротрубочками, микрофибриллами.
Клеточная мембрана обеспечивает диффузию, пассивный и активный транспорт, пиноцитоз и фагоцитоз, рецепторную функцию и др.
Цитоплазма. Органоиды и включения
Гиалоплазма (основное вещество или матрикс клетки)
Это внутренняя среда клетки, где протекают реакции внутриклеточного обмена и содержатся внутриклеточные структуры. Водный раствор неорганических и органических веществ, обеспечивающий вязкость, эластичность, сократимость и движение цитоплазмы.
Эндоплазматическая сеть (ретикулум)
Это система соединенных между собой полостей, трубочек и каналов, образующих единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки и наружной клеточной мембраной, ограниченных одиночной мембраной. Делится на гранулярную ЭПС, в которой располагаются рибосомы, и гладкую - без рибосом. Обеспечивает транспорт веществ как внутри клетки, так и между клетками. Делит клетку на отдельные отсеки, в которых одновременно происходят различные физиологические и химические процессы. В гранулярной ЭПС синтезируются белки, в гладкой – образуются липиды. Транспортируется АТФ.
Аппарат Гольджи
Собранные стопкой уплощенные дисковидные мембранные полости, трубочки и отделяющиеся мелкие пузырьки. Наиболее подвижный и изменяющийся комплекс вокруг ядра. По каналам ЭПС в аппарат доставляются синтезированные вещества, продукты распада, вещества, которые выводятся из клетки. Далее они преобразуются, накапливаются, сортируются, упаковываются в секреторные пузырьки и транспортируются по назначению. Происходит синтез полисахаридов и присоединение их к белкам с образованием гликопротеинов, формирование лизосом.
Лизосомы (“лизо” – растворяю, “сома” - тело, греч.)
Это одномембранные шаровидные пузырьки, заполненные ферментами, расщепляющими белки, жиры, углеводы. Переваривание при фагоцитозе и пиноцитозе. Защитная функция. Разрушение ненужных клетке структур, а также автолиз (саморастворение органелл) в условиях пищевого или кислородного голодания. Продукты лизиса поступают в клетку и включаются в дальнейший обмен веществ.
Митохондрии
Имееют оболочку из двух мембран: наружная – гладкая, внутренняя образует выросты – кристы. Матрикс содержит ферменты, рибосомы, ДНК, РНК, АТФ, фосфатные группы. Содержат митохондриальную ДНК, размножаются делением. Универсальный органоид, являющийся дыхательным и энергетическим центром клетки. В процессе кислородного (окислительного) этапа диссимиляции в матриксе с помощью ферментов происходит расщепление органических веществ с освобождением энергии, которая идет на синтез АТФ (на кристах).
Рибосомы
Это гранулы, которые включают в себя две субъединицы: большую и малую. Не имеют мембран. Состоят из белка и рРНК. Образуются в ядрышке. Объединяются вдоль молекулы иРНК в цепочки – полирибосомы – в цитоплазме. Находятся в цитоплазме в свободном состоянии или на мембранах ЭПС.
В рибосомах синтезируются белки по принципу матричного синтеза. Образуется полипептидная цепь – первичная структура белка.
Клеточный центр
Состоит из двух центриолей. Каждая имеет цилиндрическую форму, стенки образованы девятью триплетами микротрубочек. Центриоли расположены перпендикулярно друг к другу. Центриоли клеточного центра участвуют в формировании нитей веретена деления. Микротрубочки, полые белковые цилиндры, состоят из белков – тубулинов. Входят в состав центриолей, ресничек и жгутиков; составляют нити веретена деления клеток; осуществляют внутриклеточный транспорт; являются цитоскелетом.
Органоиды движения
а) реснички - многочисленные выросты цитоплазмы на поверхности мембраны. Удаление частичек пыли; передвижение.
б) жгутики - единичные цитоплазматические выросты на поверхности клетки. Передвижение (сперматозоиды, зооспоры, одноклеточные организмы).
г) микрофиламенты - тонкие белковые нити, образуют пучки, служащие опорой для различных внутриклеточных структур; образуют сократительные системы, обеспечивая клеточную подвижность.
д) ложные ножки (псевдоподии) – амебовидные выступы цитоплазмы. Образуются у животных в разных местах цитоплазмы для захвата пищи, передвижения.
е) миофибриллы - тонкие нити сократительных белков – актина и миозина. Служат для сокращения мышечных волокон, в которых они расположены.
Пластиды
а) хлоропласты (зеленые пластинки) - двухмембранный органоид. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя образует систему двухслойных пластин – тилакоидов стромы, тилакоидов гран. В мембране тилакоидов гран между слоями молекул находятся пигменты – хлорофилл и каротиноиды. В матриксе расположены рибосомы, ДНК, РНК, крахмал. Характерны для растительных клеток, где происходит фотосинтез, т. е. синтез сахаров и других веществ из СО2 и Н2О за счет световой энергии, улавливаемой хлорофиллом. Могут образовываться из лейкопластов, а осенью переходить в хромопласты (красные и оранжевые плоды, красные и желтые листья).
б) лейкопласты (бесцветные пластинки) - круглой формы, имеющие двухмембранное строение. Внутренняя мембрана образует 2-3 выроста. Бесцветны. Находятся в корнях, корневищах, клубнях. Могут синтезировать и накапливать белки, жиры, главным образом, крахмал. На свету превращаются в хлоропласты.
в) хромопласты (окрашенные пластинки) - органоиды, имеющие двухмембранное строение. Не имеют гран, к фотосинтезу не способны. Содержат пигменты: желтые, оранжевые и красные. Это погибшие пластиды. Придают лепесткам цветов окраску, привлекательную для насекомых-опылителей. В осенних листьях и зрелых плодах содержатся каратиноиды – конечные продукты обмена.
Включения
Это временные элементы, возникающие на определенной стадии жизнедеятельности клетки. Запас питательных веществ (крахмал, капли жира, гликоген и т. д.). Кристаллические включения. Пигменты.
Клеточное ядро
Ядерная оболочка – двухслойная мембрана. Наружная мембрана переходит в мембраны ЭПС, на ней располагаются рибосомы. Внутренняя мембрана гладкая. Мембрана содержит многочисленные поры. Отделяет ядро от цитоплазмы. Регулирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой: в цитоплазму – РНК и субъединицы рибосом, в ядро – белки, жиры, углеводы, АТФ, воду, ионы металлов.
Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – полужидкое вещество, представляющее коллоидный раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, минеральных солей. Среда в растворе кислая. Заполняет пространство между ядерными структурами – хроматином и ядрышками; осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки. При делении клеток смешивается с цитоплазмой.
Ядрышко – структура шаровидной формы. Состоит из белка и рРНК примерно поровну. Его образование связано со вторичными перетяжками хромосом. Непостоянное, во время деления клеток исчезает и восстанавливается после его окончания. Формирование половинок рибосом из рРНК и белка. Половинки (субъединицы) рибосом через поры в ядерной оболочке выходят в цитоплазму и объединяются в рибосомы.
Хроматин – В интерфазе клетки хроматин представлен в виде тонких нитей и гранул, состоящих из молекул ДНК и специальных белков – гистонов. Различные участки молекул ДНК в составе хроматина обладают разной степенью спирализации и различаются характером генетической активности. В процессе деления клеток происходит спирализация ДНК, и хроматиновые структуры образуют хромосомы. Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно: в соматических клетках хромосомы парные – диплоидный набор (2n), в половых – непарный набор хромосом – гаплоидный (n).
Набор хромосом в клетках конкретного вида, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называется кариотипом. Хромосомы - фактор передачи наследственной информации при делении клеток и построении молекул белка. Хроматиновые структуры – носители ДНК.
Отличия животной и растительной клеток
Признаки | Растительная клетка | Животная клетка |
Пластиды | Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты | Отсутствуют |
Способ питания | Автотрофный (фототрофный, хемотрофный) | Гетеротрофный (сапротрофный, паразитический) |
Синтез АТФ | В хлоропластах, митохондриях | В митохондриях |
Расщепление АТФ | В хлоропластах и всех частях клетки, где необходимы затраты энергии | Во всех частях клетки, где необходимы затраты энергии |
Клеточный центр | У низших растений | Во всех клетках |
Целлюлозная клеточная стенка | Расположена снаружи от клеточной мембраны | Отсутствует |
Включения | Запасные питательные вещества в виде зерен крахмала, белка, капель масла; вакуоли, с клеточным соком, кристаллы солей | Запасные питательные вещества в виде зерен и капель (белки, жиры, углеводы, гликоген); конечные продукты обмена, кристаллы солей; пигменты |
Вакуоли | Крупные полости, заполненные клеточным соком – водным раствором различных веществ, являющихся запасными или конечными продуктами. Осмотический резервуар клетки | Сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли. Обычно мелкие |
Основные положения клеточной теории
История цитологии тесно связана с развитием микроскопической техники. Первые сведения о клеточном строении были получены во второй половине XVII века. В 1665 году англичанин Р. Гук, наблюдая под микроскопом срез пробки, обнаружил существование мелких ячеек и назвал их “клетками”. ван Левенгук многократно наблюдал в капле воды одноклеточные организмы и назвал эти организмы “микроскопическими животными”. Долгое время основным структурным компонентом клетки считалась оболочка. В 1831 году английский ботаник Р. Браун обнаружил ядро, а позднее немецкий ботаник М. Шлейден пришел к заключению, что все растительные клетки содержат ядро. С течением времени накапливались знания о клетке и ее структурных компонентах, и в 1839 году немецкий зоолог Т. Шванн сформулировал клеточную теорию, включающую следующие постулаты:
- клетка является элементарной структурной единицей строения всех живых организмов (растений и животных);
- процесс образования клеток - универсальный способ развития, который складывается из суммы жизней образующих его клеток, обуславливает рост и развитие тканей и организмов.
Р. Вирхов в 1858 году дополнил клеточную теорию положением, что клетка может происходить только от клетки в результате ее деления. В XIX-XX вв., благодаря применению более современных методов цитологического анализа, были получены новые данные, позволившие подтвердить, уточнить и дополнить клеточную теорию. Согласно клеточной теории:
- клетка – элементарная структурно-функциональная и генетическая единица живых организмов, наименьшая единица живого;
- клетки всех одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны по строению, химическому составу, принципам обмена веществ и основным проявлениям жизнедеятельности;
- каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
- в сложных многоклеточных организмах клетки дифференцируются, специализируясь на выполнении определенной функции, и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые функционально связаны в системы и находятся под контролем межклеточных, гуморальных и нервных форм регуляции.
Клеточная теория позволила обосновать единство клеточной организации и общность происхождения растений и животных, помогла объяснить, что клетка - это элементарная, живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
