- Строение клетки
- Наружная клеточная мембрана
- Транспорт веществ через плазматическую мембрану
- Ядро. Хроматин
- Кариотип. Геном
- Цитоплазма. Цитоскелет. Клеточный центр. Рибосомы
- уметь устанавливать связь между особенностями строения плазматической мембраны и выполняемыми ею функциями, объяснять механизмы транспорта через плазматическую мембрану, особенности строения клеточных структур в связи с выполняемыми ими функциями
- знать определения основных биологических терминов цитологии
- Два студента-медика на лабораторном занятии препарировали лягушку. Для предотвращения высыхания внутренних органов они смачивали их 9%-м раствором поваренной соли. Однако органы начали сморщиваться, и лягушка погибла. Какую ошибку допустили студенты? Что нужно знать медикам о строении клетки?
Клетка — это элементарная структурная и функциональная единица живых организмов, обладающая всеми признаками живого. Способна к саморегуляции, самообновлению, самовоспроизведению.
Строение клетки
Рассматривая огромное разнообразие клеток, научный мир сталкивается со сложным клеточным строением. Сравнив особенности строения клеток, учёные разделили их на две большие группы. Прокариоты , или безъядерные, клетки, не имеющие оформленного ядра, в них выделяется лишь ядерная зона, содержащая молекулу ДНК, отсутствует большое число органоидов. Эукариоты — ядерные клетки, имеющие оформленное ядро и все основные органоиды.
Но несмотря на кардинальные отличия все клетки имеют общие структуры: наружная клеточная мембрана, цитоплазма и органоиды, ядро или ядерный материал.
Наружная клеточная мембрана
В основе структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения: клетка в основном построена из мембран.
1972 г. Сингер и Николсон создали жидкостно-мозаичную модель мембраны: белковые молекулы плавают в жидком липидном бислое , образуя в нём мозаику. Толщина составляет около 7–10 нм. Мембрана представляет собой подвижную текучую структуру, состоящую из двойного слоя фосфолипидов с плавающими и погружёнными в них молекулами белка (рис. 1).
Двум частям молекул фосфолипида свойственна различная растворимость:
- полярной : гидрофильные головы (рис. 1, 1а) обращены наружу и активно взаимодействует с водой;
- неполярной : гидрофобные хвосты (рис. 1, 1б), избегающие воду, примыкают друг к другу и располагаются так, чтобы не соприкасаться с водой.
Фосфолипидный бислой служит барьером между двумя водными средами.
На наружной поверхности мембраны имеется полисахаридный комплекс — гликокаликс . Поверхностные углеводы обычно состоят из олигосахаридов, которые выполняют в клетке функции распознавания. Клетки растений, грибов и бактерий имеют клеточную стенку, в состав которой входят целлюлоза (растения), хитин (грибы) и муреин (бактерии и сине-зелёные водоросли), придающие ей прочность.
Рис. 1. Строение плазматической мембраны
Модель мозаичного строения мембран
-
Липидный бислой
— фосфолипиды, холестерол (барьер между водными средами):
1а — гидрофильные головы;
1б — гидрофобные хвосты.
-
Мембранные белки
:
2а — периферические (расположены на поверхности мембраны, отграничивают её структуру);
2б — погруженные (как правило, ферменты);
2в — пронизывающие (образуют транспортные системы).
- Гликокаликс — поверхностные углеводы — гликопротеиды, гликолипиды (выполняют рецепторную и сигнальную функции).
Функции мембраны
- Разделительная (защитная, или барьерная): отграничение содержимого клетки от внешней среды, защита от повреждений, разделение внутриклеточной среды на отсеки.
- Транспортная: создание мембранных каналов и переносчиков веществ.
- Электрическая: создание мембранного электрического потенциала.
- Секреторная: выделение клеткой веществ во внешнюю среду.
- Рецепторная: распознавание участков соседних клеток, обеспечение сцепления клеток и их правильная ориентация в тканях.
Транспорт веществ через плазматическую мембрану
Благодаря избирательной проницаемости и гидрофобности внутренней части плазматическая мембрана предотвращает утечку содержимого клетки. Мембрана непроницаема для большинства полярных молекул, препятствует перемещению растворимых в воде веществ. Но между внешней средой и клеткой постоянно происходит обмен веществ, клетка должна получать питательные вещества. Для каждого класса веществ существует несколько механизмов транспорта через плазматическую мембрану.
Пассивный транспорт — транспорт по градиенту концентрации, от большей концентрации веществ к меньшей, не требует затрат энергии АТФ (рис. 2).
|
Простая диффузия
|
Облегчённая диффузия
|
|
|
Переход малых незаряженных молекул и жирорастворимых веществ.
|
с участием белка переносчика
|
по ионным каналам
|
|
связываются с переносимой молекулой и переносят её
|
специализированные каналы пропускают вещества особого вида
|
|
|
О2, СО2, C2H5OH, Н2О
|
аминокислоты, глюкоза
|
Na+, К+, Са2+
|
Диффузию молекул воды называют осмосом . Осмос связан с переходом только молекул растворителя по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану. Несмотря на то что молекулы воды полярны и нерастворимы в жирах, их малые размеры позволяют легко проникать между молекулами липидов через случайные отверстия, образующиеся в мембране.
Рис. 2. Транспорт веществ через мембрану
Активный транспорт — транспорт против градиента концентрации, от меньшей концентрации веществ к большей, требует затрат энергии АТФ (рис. 2).
|
Первично-активный
|
Вторично-активный транспорт (рис. 3)
|
Транспорт с изменением мембраны
|
|
по специализированным
|
с участием белка переносчика: связываются с переносимой
|
мембрана впячивается внутрь -
эндоцитоз
— введение -
экзоцитоз
— выделение
|
|
натрий-калиевый насос
|
аминокислоты, глюкоза
|
жидкие (пиноцитоз),
|
Рис. 3. Натрий-калиевый насос
|
Рис. 4. Экзоцитоз. Эндоцитоз
|
Ядро. Хроматин
Ядро — обязательный органоид эукариотической клетки.
Рис. 5. Ядро
Функции ядра:
- Хранение, воспроизведение и передача наследственной генетической информации.
- Регуляция процессов обмена веществ, биосинтеза веществ, деления, жизненной активности клетки.
- Синтез всех видов РНК.
|
Ядерная оболочка - внешняя мембрана (рис. 5.1), (рис. 5.2), - поры (рис. 5.3).
|
Двумембранная, пористая, наружная мембрана обращена в цитоплазму, несёт рибосомы и переходит в мембраны ЭС.
|
|
|
Ядерный сок (кариолимфа, кариоплазма) (рис. 5.6)
|
Полужидкое вещество, представляющее коллоидный раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, минеральных солей.
|
|
|
Ядрышко (рис. 5.4)
|
Шаровидное тело, напоминающее клубок нитей. Состоит из р-РНК и белка.
|
|
|
Хроматин* (рис. 5.5) в период между делениями
|
Спирализация (закручивание) хроматина Деспирализация (раскручивание) хромосом
|
|
|
Хромосомы** во время деления
|
Хромосома существует в период деления клетки. Хромосома состоит из двух хроматид (3). Хромосомы имеют первичную перетяжку, на которой расположена центромера (1); перетяжка делит хромосому на два плеча (3) одинаковой или разной длины.
|
*Хроматин представляет собой комплекс нитей ДНК, связанных с белками — гистонами .
Рис. 6. Хроматин.
В промежутках между делениями нити хроматина плохо различимы в световой микроскоп и имеют вид мелкозернистых нитевидных структур. Длинные молекулы ДНК скручиваются, а белки же необходимы для правильной укладки ДНК (рис. 6).
**Хромосома — это самостоятельная ядерная структура, имеющая плечи и первичную перетяжку (центромеру).
Рис. 7. Схема строения хромосомы в метафазе митоза. 1 — хроматида; 2 — центромера; 3 — короткое плечо; 4 — длинное плечо
Форма хромосом зависит от положения так называемой первичной перетяжки, или центромеры, — области, к которой во время деления клетки (митоза) прикрепляются нити веретена деления. Она делит хромосому на два плеча. Расположение центромеры определяет три основных типа хромосом:
- метацентрические (равноплечие) — с плечами равной или почти равной длины;
- субметацентрические (неравноплечие) — с плечами неравной длины;
- акроцентрические (палочковидные) — с одним длинным и вторым очень коротким, иногда с трудом обнаруживаемым плечом.
Кариотип. Геном
Изучение хромосом позволило установить следующие факты:
- Во всех соматических клетках любого растительного или животного организма число хромосом одинаково.
- Половые клетки данного вида организмов всегда содержат вдвое меньше хромосом, чем соматические клетки.
- У всех организмов, относящихся к одному виду, число хромосом в клетках одинаково.
Число хромосом не зависит от уровня организации и не всегда указывает на родство организмов. Таким образом, число хромосом не является видоспецифическим признаком. Однако характеристика хромосомного набора в целом видоспецифична, т. е. свойственна только одному какому-то виду организмов растений или животных и носит название кариотип.
Кариотип — это совокупность количественных (число и размеры) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки.
Генóм — это набор всех генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма.
Все особи данного вида имеют одинаковый геном. Создана и успешно работает международная программа «Геном человека». Её задача — организация работ по определению полной нуклеотидной последовательности всех ДНК человека. В результате люди будут лучше разбираться в строении и предназначении того или иного участка ДНК, что поможет победить те болезни, которые запрограммированы генетически. Получение полных последовательностей геномов разных организмов позволило пролить свет на степень различий между геномами разных живых организмов.
Цитоплазма. Цитоскелет. Клеточный центр. Рибосомы
Каждая клетка представляет собой сложнейшее образование, в котором одновременно протекают сотни и тысячи биохимических реакций (питание, дыхание, размножение и др.), при помощи которых клетка обеспечивает свои жизненные потребности. Кроме того, каждая клетка выполняет какие-либо функции для целого организма: клетки листа синтезируют сахара, мышечные клетки обеспечивают движение, стрекательные клетки гидры парализуют жертву, клетки желёз выделяют гормоны и т. д. Все эти разнообразные процессы происходят в цитоплазме клетки и её органоидах.
|
Цитоплазма Представляет собой всё содержимое клетки, заключённое между ядром и клеточной мембраной. Основа цитоплазмы — бесцветный густой коллоидный раствор, называемый гиалоплазмой . Основа гиалоплазмы — вода (до 90 %). Кроме того, в ней много белков и других органических соединений.
|
В ней расположены различные органоиды и элементы цитоскелета.
|
|
Цитоскелет Особая опорная система, построенная из белков (рис. 8). Цитоскелет состоит из микротрубочек и микрофиламентов . Микротрубочки представляют собой полые цилиндры, стенки которых образованы глобулами белков.
|
|
|
Рибосомы Мелкие органоиды округлой или грибовидной формы, состоящие из двух субъединиц — большой (60S) и малой (40S) (рис. 9). Химический состав: белки и р-РНК. Способны образовывать группы из нескольких десятков рибосом — полисомы (полирибосомы) . Большая часть рибосом лежит в гранулярной ЭПС, а часть — свободно в цитоплазме
|
Синтез всех белков клетки.
|
|
Клеточный центр (центриоли) Расположен вблизи ядра клеток животных и низших грибов. Представлен двумя цилиндрами, расположенными перпендикулярно друг другу (рис. 10). Цилиндры — мелкие полые стенки, состоят из девяти триплетов (комплексов микротрубочек, построенном из трёх микротрубочек). Основной белок, образующий центриоли — тубулин. Полость цилиндра заполнена однородным веществом, содержащим ДНК.
|
Играет главную роль при делении клетки: образует веретено деления. Принимает участие в перемещении дочерних хромосом к разным полюсам клетки.
|
Рис. 8. Цитоскелет
Рис. 9. Рибосома.
|
Рис. 10. Клеточный центр
|
Контрольные вопросы
- Какие структуры плазматической мембраны обеспечивают:
а) её избирательную проницаемость;
б) распознавание соседних клеток;
в) взаимное сцепление клеток одной ткани?
Как эти структуры связаны друг с другом? - В каких частях клетки находится ДНК?
- Сравните строение ядерной мембраны с плазматической. Укажите их сходство и отличия. Чем обусловлены отличия?
- Сколько молекул ДНК содержит одна хромосома?
- Что такое генóм?
- Какие функции выполняет цитоскелет?
- Почему хромосомы не всегда хорошо видны в световой микроскоп?
- Каково значение изучения генома человека?
Подумайте
- Эксперименты по изучению проницаемости плазматической мембраны показали, что органические растворители проникают сквозь неё гораздо быстрее, чем вода. Объясните почему. С какими свойствами веществ это связано?
- Многие вещества способны диффундировать в клетке или из клеток по градиенту концентрации. В связи с этим можно предположить, что, будучи предоставлены сами себе, они вскоре должны равномерно распределиться между клеткой и внешней средой, т. е. их концентрации в клетке и во внешней среде должны сравняться. Однако на самом деле в живых клетках этого никогда не происходит. В чём причина?
- Чтобы поглотить больше воды, клетка поглощает больше ионов различных солей, молекул глюкозы и других растворимых соединений. Почему?
- Если плазматическую мембрану проткнуть иглой или разрезать микроножом, то она автоматически замкнётся. Этот эффект схож с «эффектом мыльного пузыря». Если мыльный пузырь разрезать пополам, то получится два пузыря поменьше, а не две половины. При слиянии двух пузырей получается один большой пузырь. Как это можно объяснить?
- Для многих типов клеток характерны участки с сильной складчатостью плазматической мембраны. Например, клетки цилиндрического эпителия, выстилающие тонкий кишечник, на поверхности имеют множество выступов, или микроворсинок. Чем это обусловлено?
- Где в клетке расположены рибосомы? Какую функцию они выполняют? С какими клеточными структурами связана их деятельность? Где содержится больше рибосом: в клетках жировой ткани, клетках волосяного фолликула или железистого эпителия? Ответ поясните.
