Клеточные органы. Клетки живых организмов

Лекция: Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки - основа её целостности

Клетка является сложной многокомпонентной открытой системой, что значит – она имеет постоянную связь с внешней средой путем обмена энергии и веществ.

Органоиды клеток

Плазматическая мембрана - это двойной слой из фосфолипидов, пронизанный молекулами протеинов. На наружном слое располагаются гликолипиды и гликопротеины. Проницаема избирательно для жидкостей. Функции - защитная, а также связь и взаимодействие клеток меж собой.

Ядро. Функционально – хранит ДНК. Ограничено двойной пористой мембраной, связанной через ЭПС с наружной мембраной клетки. Внутри ядра находится ядерный сок и располагаются хромосомы.

Цитоплазма. Представляет собой гелеобразное полужидкое внутреннее содержимое клетки. Функционально – обеспечивает связь органоидов между собой, является средой их существования.

Ядрышко. Это – собранные вместе части рибосом. Округлое, очень мелкое тело, расположенное недалеко от ядра. Функция – синтез рРНК.

Митохондрии. Двумембранный органоид. Внутренняя мембрана собрана в складки, называемые кристами, на них располагаются ферменты, участвующие в реакциях окислительного фосфорилирования, то есть синтеза АТФ, что и является основной функцией.

Рибосомы. Состоят из большей и меньшей субъединиц, не имеют мембран. Функционально – участвуют в сборке белковых молекул.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПС) . Одномембранная структура во всем объеме цитоплазмы, состоящая из полостей сложной геометрии. На гранулярной ЭПС расположены рибосомы, на гладкой – ферменты для синтеза жиров.

Аппарат Гольджи. Это уплощенные цистернообразные полости мембранной структуры. От них могут отделяться пузырьки с необходимыми для метаболизма веществами. Функции – накопление, преобразование, сортировка липидов и белков, образование лизосом.

Клеточный центр. Это область цитоплазмы, в которой содержатся центриоли – микротрубочки. Их функция – правильное распределение генетического материала при митозе, образование митотического веретена.

Лизосомы. Одномембранные пузырьки с ферментами, участвующие в переваривании макромолекул. Функционально – растворяют крупные молекулы, уничтожают старые структуры в клетке.

Клеточная стенка. Представляет собой плотную оболочку из целлюлозы, осуществляет скелетную функцию у растений.

Пластиды. Мембранные органоиды. Существует 3 вида – хлоропласты, где совершается фотосинтез, хромопласты, содержащие красящие вещества, и лейкопласты, являющиеся хранилищами крахмала.

Вакуоли. Пузырьки, которые в растительных клетках могут занимать до 90% объема клетки и содержать питательные вещества. У животных – вакуоли пищеварительные, сложной структуры, небольшого размера. Отвечают также за выделение ненужных веществ во внешнюю среду.

Микрофиламенты (микротрубочки). Белковые немембранные структуры, отвечающие за движение органоидов и цитоплазмы внутри клетки, появление жгутиков.

Компоненты клетки являются взаимосвязанными пространственно, химически и физически и находятся в постоянном взаимодействии между собой.

Клетка является основной элементарной единицей всего живого, поэтому ей присущи все свойства живых организмов: высокоупорядоченное строение, получение энергии извне и ее использование для выполнения работы и поддержания упорядоченности, обмен веществ, активная реакция на раздражения, рост, развитие, размножение, удвоение и передача биологической информации потомкам, регенерация (восстановление поврежденных структур), адаптация к окружающей среде.

Немецкий ученый Т. Шванн в середине XIX века создал клеточную теорию, основные положения которой свидетельствовали о том, что все ткани и органы состоят из клеток; клетки растений и животных принципиально сходны между собой, все они возникают одинаково; деятельность организмов - сумма жизнедеятельности отдельных клеток. Большое влияние на дальнейшее развитие клеточной теории и вообще на учение о клетке оказал великий немецкий ученый Р. Вирхов. Он не только свел воедино все многочисленные разрозненные факты, но и убедительно показал, что клетки являются постоянной структурой и возникают только путем размножения.

Клеточная теория в современной интерпретации включает в себя следующие главные положения: клетка является универсальной элементарной единицей живого; клетки всех организмов принципиально сходны по своему строению, функции и химическому составу; клетки размножаются только путем деления исходной клетки; многоклеточные организмы являются сложными клеточными ансамблями, образующими целостные системы.

Благодаря современным методам исследования были выявлены два основных типа клеток : более сложно организованные, высокодифференцированные эукариотические клетки (растения, животные и некоторые простейшие, водоросли, грибы и лишайники) и менее сложно организованные прокариотические клетки (сине-зеленые водоросли, актиномицеты, бактерии, спирохеты, микоплазмы, риккетсии, хламидии).

В отличие от прокариотической эукариотическая клетка имеет ядро, ограниченное двойной ядерной мембраной, и большое количество мембранных органелл.

ВНИМАНИЕ!

Клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов, осуществляющей рост, развитие, обмен веществ и энергии, хранящей, перерабатывающей и реализующей генетическую информацию. С точки зрения морфологии клетка представляет собой сложную систему биополимеров, отделенную от внешней среды плазматической мембраной (плазмолеммой) и состоящую из ядра и цитоплазмы, в которой располагаются органеллы и включения (гранулы).

Какие бывают клетки?

Клетки разнообразны по своей форме, строению, химическому составу и характеру обмена веществ.

Все клетки гомологичны, т.е. имеют ряд общих структурных признаков, от которых зависит выполнение основных функций. Клеткам присуще единство строения, метаболизма (обмена веществ) и химического состава.

Вместе с тем различные клетки имеют и специфические структуры. Это связано с выполнением ими специальных функций.

Строение клетки

Ультрамикроскопическое строение клетки:

1 - цитолемма (плазматическая мембрана); 2 - пиноцитозные пузырьки; 3 - центросома клеточный центр (цитоцентр); 4 - гиалоплазма; 5 - эндоплазматическая сеть: а - мембрана зернистой сети; б - рибосомы; 6 - связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 7 - ядро; 8 - ядерные поры; 9 - незернистая (гладкая) эндоплазматическая сеть; 10 - ядрышко; 11 - внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 12 - секреторные вакуоли; 13 - митохондрия; 14 - липосомы; 15 - три последовательные стадии фагоцитоза; 16 - связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети.

Химический состав клетки

В состав клетки входит более 100 химических элементов, на долю четырех из них приходится около 98% массы, это органогены: кислород (65–75%), углерод (15–18%), водород (8–10%) и азот (1,5–3,0%). Остальные элементы подразделяются на три группы: макроэлементы - их содержание в организме превышает 0,01%); микроэлементы (0,00001–0,01%) и ультрамикроэлементы (менее 0,00001).

К макроэлементам относятся сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций.

К микроэлемен-там - железо, цинк, медь, йод, фтор, алюминий, медь, марганец, кобальт и др.

К ультрамикроэлементам - селен, ванадий, кремний, никель, литий, серебро и до. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы и ультрамикроэлементы играют очень важную роль. Они влияют, главным образом, на обмен веществ. Без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма как целого.

Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Среди неорганических наибольшее количество воды. Относительное количество воды в клетке составляет от 70 до 80%. Вода - универсальный растворитель, в ней происходит все биохимические реакции в клетке. При участии воды осуществляется теплорегуляция. Вещества, растворяющиеся в воде (соли, основания, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными. Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные) не растворяются в воде. Другие неорганические вещества (соли, кислоты, основания, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5%.

Среди органических веществ преобладают белки (10–20%), жиры, или липиды (1–5%), углеводы (0,2–2,0%), нуклеиновые кислоты (1–2%). Содержание низкомолекулярных веществ не превышает 0,5%.

Молекула белка является полимером, который состоит из большого количества повторяющихся единиц мономеров. Мономеры белка аминокислоты (их 20) соединены между собой пептидными связями, образуя полипептидную цепь (первичную структуру белка). Она закручивается в спираль, образуя, в свою очередь, вторичную структуру белка. Благодаря определенной пространственной ориентации полипептидной цепи возникает третичная структура белка, которая определяет специфичность и биологическую активность молекулы белка. Несколько третичных структур, объединяясь между собой, образуют четвертичную структуру.

Белки выполняют важнейшие функции. Ферменты - биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке в сотни тысяч миллионы раз, являются белками. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Движения клеток также осуществляют белки. Они обеспечивают транспорт веществ в клетку, из клетки и внутри клетки. Важной является защитная функция белков (антитела). Белки являются одним из источников энергии.Углеводы подразделяются на моносахариды и полисахариды. Последние построены из моносахаридов, являющихся, подобно аминокислотам, мономерами. Среди моносахаридов в клетке наиболее важны глюкоза, фруктоза (содержит шесть атомов углерода) и пентоза (пять атомов углерода). Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде. Полисахариды плохо растворяются в воде (в животных клетках гликоген, в растительных - крахмал и целлюлоза. Углеводы являются источником энергии, сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеиды), жирами (гликолипиды), участвуют в образовании клеточных поверхностей и взаимодействиях клеток.

К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. К жироподобным веществам относятся холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды, являющиеся основным компонентом клеточных мембран, выполняют тем самым строительную функцию. Липиды - важнейшие источники энергии. Так, если при полном окислении 1 г белка или углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира - 38,9 кДж. Липиды осуществляют терморегуляцию, защищают органы (жировые капсулы).

ДНК и РНК

Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, образованными мономерами нуклеотидами. Нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового основания, сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонулеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые отличаются по составу оснований и сахаров.

Пространственная структура нуклеиновых кислот:

(по Б. Албертсу и соавт., с изм.).I - РНК; II - ДНК; ленты - сахарофосфатные остовы; A, C, G, T, U - азотистые основания, решетки между ними - водородные связи.

Молекула ДНК

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин - с гуанином (А - Т, Г - Ц). В ДНК записана генетическая информация, которая определяет специфичность синтезируемых клеткой белков, т. е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи. ДНК передает по наследству все свойства клетки. ДНК содержится в ядре и митохондриях.

Молекула РНК

Молекула РНК образована одной полинуклеотидной цепью. В клетках существует три типа РНК. Информационная, или мессенджер РНК тРНК (от англ. messenger - «посредник»), которая переносит информацию о нуклеотидной последовательности ДНК в рибосомы (см. ниже). Транспортная РНК (тРНК), которая переносит аминокислоты в рибосомы. Рибосомальная РНК (рРНК), которая участвует в образовании рибосом. РНК содержится в ядре, рибосомах, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах.

Состав нуклеиновых кислот:

Клетки, образующие ткани растений и животных, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Биологические превращения, происходящие в клетке, неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение гой или иной функции. Такие структуры получили название органоидов.

Клетки всех типов содержат три основных, неразрывно связанных между собой компонента:

1. структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
2. цитоплазма с целым комплексом специализированных структур — органоидов (эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии и пластиды, комплекс Гольджи и лизосомы, клеточный центр), присутствующих в клетке постоянно, и временных образований, называемых включениями;
3. ядро - отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко.

Строение клетки

Поверхностный аппарат клетки (цитоплазматическая мембрана) растений и животных имеет некоторые особенности.

У одноклеточных организмов и лейкоцитов наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку ионов, воды, мелких молекул других веществ. Процесс проникновения в клетку твердых частиц называется фагоцитозом, а попадание капель жидких веществ - пиноцитозом.

Наружная плазматическая мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой.

В клетках эукариот есть органоиды, покрытые двойной мембраной, - митохондрии и пластиды. Они содержат собственные ДНК и синтезирующий белок аппарат, размножаются делением, то есть имеют определенную автономию в клетке. Кроме АТФ, в митохондриях происходит синтез небольшого количества белка. Пластиды свойственны клеткам растений и размножаются путем деления.

К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей.

Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» - прокариоты и «ядерные» - эукариоты.

У прокариот-бактерий и сине-зеленых водорослей, а также вирусов имеется всего одна хромосома, представленная молекулой ДНК (реже РНК), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.

Эукариоты обладают большим богатством органоидов, имеют ядра, содержащие хромосомы в виде нуклеопротеидов (комплекс ДНК с белком гистоном). К эукариотам относятся большинство современных растений и животных как одноклеточных, так и многоклеточных.

Выделяют два уровня клеточной организации:

• прокариотический - их организмы очень просто устроены - это одноклеточные или колониальные формы, составляющие царство дробянок, синезеленых водорослей и вирусов
• эукариотический - одноклеточные колониальные и многоклеточные формы, от простейших - корненожки, жгутиковые, инфузории — до высших растений и животных, составляющие царство растений, царство грибов, царство животных

Все органоиды клетки, несмотря на особенности их строения и функций, находятся во взаимосвязи и «работают» на клетку, как на единую систему, в которой связующим звеном является цитоплазма.

Особые биологические объекты, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой, представляют собой вирусы, открытые в 1892 г. Д. И. Ивановским, они составляют в настоящее время объект особой науки - вирусологии.

Вирусы размножаются только в клетках растений, животных и человека, вызывая различные заболевания. Вирусы имеют очень прослое строение и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Вне клеток хозяина вирусная частица не проявляет никаких жизненных функций: не питается, не дышит, не растет, не размножается.

Клетка - это единая живая система, состоящая из двух неразрывно связанных частей - цитоплазмы и ядра (цв. табл. XII).

Цитоплазма - это внутренняя полужидкая среда, в которой расположено ядро и все органоиды клетки. Она имеет мелкозернистую структуру, пронизанную многочисленными тонкими нитями. В ней содержатся вода, растворенные соли и органические вещества. Основная функция цитоплазмы - объединять в одно целое и обеспечивать взаимодействие ядра и всех органоидов клетки.

Наружная мембрана окружает клетку тонкой пленкой, состоящей из двух слоев белка, между которыми расположен жировой слой. Она пронизана многочисленными мелкими порами, через которые осуществляется обмен ионами и молекулами между клеткой и средой. Толщина мембраны 7,5-10 нм, диаметр пор 0,8-1 нм. У растений поверх нее образуется оболочка из клетчатки. Основные функции наружной мембраны - ограничивать внутреннюю среду клетки, защищать ее от повреждений, регулировать поступление ионов и молекул, выводить продукты обмена и синтезируемые вещества (секреты), соединять клетки и ткани (за счет выростов и складок). Наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку крупных частиц путем фагоцитоза (см. разделы в «Зоологии» - «Простейшие», в «Анатомии» - «Кровь»). Аналогичным образом происходит поглощение клеткой капель жидкости - пиноцитоз (от греч. «пино» - пью).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это состоящая из мембран сложная система каналов и полостей, пронизывающих всю цитоплазму. ЭПС бывает двух типов - гранулированная (шероховатая) и гладкая. На мембранах гранулированной сети располагается множество мельчайших телец - рибосом; в гладкой сети их нет. Основная функция ЭПС - участие в синтезе, накоплении и транспортировке основных органических веществ, вырабатываемых клеткой. Белок синтезируется в гранулированной, а углеводы и жиры - в гладкой ЭПС.

Рибосомы - мелкие тельца, диаметром 15-20 нм, состоящие из двух частиц. В каждой клетке их сотни тысяч. Большинство рибосом располагаются на мембранах гранулированной ЭПС, а часть - в цитоплазме. В их состав входят белки и р-РНК. Основная функция рибосом - синтез белка.

Митохондрии - это мелкие тельца, размером 0,2-0,7 мкм. Их количество в клетке достигает нескольких тысяч. Они часто меняют форму, размеры и местоположение в цитоплазме, перемещаясь в наиболее активную их часть. Внешний покров митохондрии состоит из двух трехслойных мембран. Наружная мембрана гладкая, внутренняя - образует многочисленные выросты, на которых располагаются дыхательные ферменты. Внутренняя полость митохондрий заполнена жидкостью, в которой размещаются рибосомы, ДНК и РНК. Новые митохондрии образуются при делении старых. Основная функция митохондрий - синтез АТФ. В них синтезируется небольшое количество белков, ДНК и РНК.

Пластиды свойственны только клеткам растений. Различают три вида пластид - хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Они способны к взаимному переходу друг в друга. Размножаются пластиды путем деления.

Хлоропласты (60) имеют зеленый цвет, овальную форму. Размер их 4-6 мкм. С поверхности каждый хлоропласт ограничен двумя трехслойными мембранами - наружной и внутренней. Внутри он заполнен жидкостью, в которой располагаются несколько десятков особых, связанных между собой цилиндрических структур - гран, а также рибосомы, ДНК и РНК. Каждая грана состоит из нескольких десятков наложенных друг на друга плоских мешочков из мембран. На поперечном разрезе она имеет округлую форму, диаметр ее 1 мкм. В гранах сосредоточен весь хлорофилл, в них происходит процесс фотосинтеза. Образующиеся при этом углеводы вначале скапливаются в хлоропласте, затем поступают в цитоплазму, а из нее - в другие части растения.

Хромопласты определяют красную, оранжевую и желтую окраску цветов, плодов и осенних листьев. Они имеют форму многогранных кристаллов, расположенных в цитоплазме клетки.

Лейкопласты бесцветны. Они содержатся в неокрашенных частях растений (стеблях, клубнях, корнях), имеют округлую или палочковидную форму (размером 5-6 мкм). В них откладываются запасные вещества.

Клеточный центр обнаружен в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух маленьких цилиндров - центриолей (диаметром около 1 мкм), расположенных перпендикулярно друг другу. Стенки их состоят из коротких трубочек, полость заполнена полужидким веществом. Основная их роль - образование веретена деления и равномерное распределение хромосом по дочерним клеткам.

Комплекс Гольджи получил название по имени итальянского ученого, впервые открывшего его в нервных клетках. Он имеет разнообразную форму и состоит из ограниченных мембранами полостей, отходящих от них трубочек и расположенных на их концах пузырьков. Основная функция - накопление и выведение органических веществ, синтезируемых в эндоплазматической сети, образование лизосом.

Лизосомы - округлые тельца диаметром около 1 мкм. С поверхности лизосома ограничена трехслойной мембраной, внутри ее находится комплекс ферментов, способных расщеплять углеводы, жиры и белки. В клетке имеется несколько десятков лизосом. Новые лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Их основная функция - переваривание пищи, попавшей в клетку путем фагоцитоза, и удаление отмерших органоидов.

Органоиды движения - жгутики и реснички - представляют собой выросты клетки и имеют однотипное строение у животных и растений (общность их происхождения). Движение многоклеточных животных обеспечивается сокращениями мышц. Основной структурной единицей мышечной клетки являются миофибриллы - тонкие нити длиной более 1 см, диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна.

Клеточные включения - углеводы, жиры и белки - относятся к непостоянным компонентам клетки. Они периодически синтезируются, накапливаются в цитоплазме в качестве запасных веществ и используются в процессе жизнедеятельности организма.

Углеводы концентрируются в зернах крахмала (у растений) и гликогена (у животных). Их много в клетках печени, клубнях картофеля и других органах. Жиры накапливаются в виде капель в семенах растений, подкожной клетчатке, соединительной ткани и т. д. Белки откладываются в виде зерен в яйцеклетках животных, семенах растений и других органах.

Ядро - один из важнейших органоидов клетки. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух трехслойных мембран, между которыми располагается узкая полоска из полужидкого вещества. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки и углеводы. Ядрышко - округлое тельце размером от 1 до 10 мкм и более; в нем синтезируется РНК. Хромосомы видны только в делящихся клетках. В интерфазном (неделящемся) ядре они присутствуют в виде тонких длинных нитей хроматина (соединения ДНК с белком). В них заключена наследственная информация. Число и форма хромосом у каждого вида животных и растений строго определенные. Соматические клетки, из которых состоят все органы и ткани, содержат диплоидный (двойной) набор хромосом (2 n); половые клетки (гаметы) - гаплоидный (одинарный) набор хромосом (n). Диплоидный набор хромосом в ядре соматической клетки создается из парных (одинаковых), гомологичных хромосом . Хромосомы разных пар (негомологичные) отличаются друг от друга по форме, месту расположения центромеры и вторичных перетяжек.

Прокариоты - это организмы с мелкими, примитивно устроенными клетками, без четко выраженного ядра. К ним относятся сине-зеленые водоросли, бактерии, фаги и вирусы. Вирусы представляют собой молекулы ДНК или РНК, покрытые белковой оболочкой. Они так малы, что их можно разглядеть только в электронный микроскоп. У них отсутствуют цитоплазма, митохондрии и рибосомы, поэтому они не способны синтезировать белок и энергию, необходимые для их жизнедеятельности. Попав в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию, они нормально развиваются.

Эукариоты - организмы с более крупными типичными клетками, содержащие все основные органоиды: ядро, эндоплазматическую сеть, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы и другие. К эукариотам относятся все остальные растительные и животные организмы. Их клетки имеют сходный тип строения, что убедительно доказывает единство их происхождения.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

Кле ́ тка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всехорганизмов (кромевирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формахжизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию,самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо состоят из множества клеток (многоклеточныеживотные, растения игрибы), либо являютсяодноклеточными организмами (многиепростейшие ибактерии). Разделбиологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил названиецитологии . В последнее время принято также говорить о биологии клетки, иликлеточной биологии .

Обычно размеры растительных и животных клеток колеблются в пределах от 5 до 20 мкм в поперечнике. Типичная бактериальная клетка значительно меньше – ок. 2 мкм, а наименьшая из известных – 0,2 мкм.

Некоторые свободноживущие клетки, например такие простейшие, как фораминиферы, могут достигать нескольких сантиметров; они всегда имеют много ядер. Клетки тонких растительных волокон достигают в длину одного метра, а отростки нервных клеток достигают у крупных животных нескольких метров. При такой длине объем этих клеток небольшой, а поверхность очень велика.

Самые крупные клетки – это неоплодотворенные яйца птиц, заполненные желтком. Наибольшее яйцо (и, следовательно, наибольшая клетка) принадлежало вымершей громадной птице – эпиорнису (Aepyornis ). Предположительно его желток весил ок. 3,5 кг. Самое крупное яйцо у ныне живущих видов принадлежит страусу, его желток весит ок. 0,5 кг

Одно время клетка рассматривалась как более или менее гомогенная капелька органического вещества, которую называли протоплазмой или живой субстанцией. Этот термин устарел после того, как выяснилось, что клетка состоит из множества четко обособленных структур, получивших название клеточных органелл («маленьких органов»).

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учѐный Роберт Гук (известный нам благодарязакону Гука). В1665 году, пытаясь понять, почемупробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного иммикроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему соты в ульях медоносных пчел, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «ячейка, клетка»).

В 1675 году итальянский врачМ. Мальпиги, а в1682 году - английский ботаникН. Грю подтвердили клеточное строение растений. О клетке стали говорить как о «пузырьке, наполненном питательным соком». В1674 году голландский мастерАнтоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» - движущиеся живые организмы (инфузории, амѐбы, бактерии). Также Левенгук впервые наблюдал животные клетки -эритроциты исперматозоиды. Таким образом, уже к началу XVIII века учѐные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. В 1802-1808 годах французский исследователь Шарль-Франсуа Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками.Ж. Б. Ламарк в1809 году

распространил идею Мирбеля о клеточном строении и на животные организмы. В 1825 году чешский учѐныйЯ. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в1839 ввѐл термин «протоплазма». В 1831 году английский ботаникР. Броун впервые описал ядро растительной клетки, а в1833 году установил, что ядро является обязательным органоидом клетки растения. С тех пор главным в организации клеток считается не мембрана, а содержимое.

Методы исследования клеток

Впервые клетки удалось увидеть только после создания световых микроскопов, с того времени и до сих пор микроскопия остается одним из важнейших методов исследования клеток. Световая (оптическая) микроскопия, несмотря на своѐ сравнительно небольшое разрешение, позволяла наблюдать за живыми клетками. В ХХ веке была изобретенаэлектронная микроскопия, давшая возможность изучить ультраструктуру клеток.

В изучении клеточной формы и структуры первым инструментом был световой микроскоп. Его разрешающая способность ограничена размерами, сравнимыми с длиной световой волны (0,4–0,7 мкм для видимого света). Однако многие элементы клеточной структуры значительно меньше по размерам.

Другая трудность состоит в том, что большинство клеточных компонентов прозрачны и коэффициент преломления у них почти такой же, как у воды. Для улучшения видимости часто используют красители, имеющие разное сродство к различным клеточным компонентам. Окрашивание применяют также для изучения химии клетки. Например, некоторые красители связываются преимущественно с нуклеиновыми кислотами и тем самым выявляют их локализацию в клетке. Небольшая часть красителей

– их называют прижизненными – может быть использована для окраски живых клеток, но обычно клетки должны быть предварительно зафиксированы (с помощью веществ, коагулирующих белок) и только после этого могут быть окрашены.

Перед проведением исследования клетки или кусочки ткани обычно заливают в парафин или пластик и затем режут на очень тонкие срезы с помощью микротома . Такой метод широко используется в клинических лабораториях для выявления опухолевых клеток. Помимо обычной световой микроскопии разработаны и другие оптические методы изучения клетки: флуоресцентная микроскопия, фазово-контрастная микроскопия, спектроскопия и рентгеноструктурный анализ.

Оптическая микроскопия

В оптическом микроскопе увеличение объекта достигается благодаря серии линз, через которые проходит свет. Максимальное увеличение, которое можно достичь благодаря оптическому микроскопу, составляет около 1000. Еще одной важной характеристикой является

разрешения только около 200 нм; такое разрешение было получено еще в конце

XIX века. Таким образом, малейшие структуры, которые можно наблюдать под оптическим микроскопом, это митохондрии ибактерии, линейный размер которых составляет примерно 500 нм. Однако объекты размером меньше 200 нм видны в световом микроскопе только тогда, если они сами излучают свет. Эта особенность используется вфлуоресцентной микроскопии , когда клеточные структуры или отдельные белки связываются со специальнымифлуоресцентными белками или антителами с флуоресцентными метками. На качество изображения, полученного с помощью оптического микроскопа, влияет такжеконтрастность - еѐ можно увеличить, используя различные методы окраски клеток. Для изучения живых клеток используютфазовоконтрастную, дифференциальную интерференционно-контрастную итемнопольную микроскопию.Конфокальные микроскопы позволяют улучшить качество флуоресцентных изображений.

Электронная микроскопия

В 30-х годах XX века был сконструированэлектронный микроскоп, в котором вместо света через объект пропускается пучок электронов. Теоретический предел разрешения для современных электронных микроскопов составляет около 0,002 нм, однако из практических причин для биологических объектов достигается разрешение только около 2 нм. С помощью электронного микроскопа можно изучать ультраструктуру клеток. Различают два основных типа электронной микроскопии:

сканирующую и трансмиссионную.

Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (РЭМ ) используется для изучения поверхности объекта. Образцы зачастую покрывают тонкой пленкой золота. РЭМ

позволяет получать объемные изображения. Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия (ПЭМ ) - используется для изучения внутреннего

строения клетки. Пучок электронов пропускается через объект, предварительно обработанный тяжелыми металлами, которые накапливаются в определенных структурах, увеличивая ихэлектронную плотность. Электроны рассеиваются на участках клетки с большей электронной плотностью, в результате чего на изображениях эти области выглядят темнее.

Фракционирование клеток. Для установления функций отдельных компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, чаще всего это делается с помощью метода дифференциальногоцентрифугирования . Разработаны методики, позволяющие получить чистые фракции любых клеточных органелл. Получение фракций начинается с разрушенияплазмалеммы и образования гомогената клеток. Гомогенат последовательно центрифугируется при различных скоростях, на первом этапе можно получить четыре фракции: (1) ядер и крупных обломков клеток, (2) митохондрий, пластид, лизосом и пероксисом, (3) микросом - пузырьковаппарата Гольджи иэндоплазматического ретикулума, (4) рибосом, в супернатанте останутся белки и более мелкие молекулы. Дальнейшее дифференциальное центрифугирование каждой из смешанных фракций позволяет получить чистые препараты органелл, к которым можно применять разнообразные биохимические и микроскопические методы.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

прокариоты (доядерные) - более простые по строению;

эукариоты (ядерные) - более сложные. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Прокариотическая клетка

Прокариоты (отлат. pro - перед, до игреч. κάρῠον -ядро, орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, уцианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекулаДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемыйнуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемогохроматина). К прокариотам относятсябактерии, в том числецианобактерии (сине-зелѐные водоросли), иархеи. Основное содержимое клетки, заполняющее весь еѐ объѐм, - вязкая зернистая

цитоплазма.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (отгреч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех)

Организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключѐн в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплѐнных изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства комплекс с белками-гистонами, называемыйхроматином .

Строение эукариотической клетки. Схематическое изображение животной клетки.

Некоторые клетки, в основном растительные и бактериальные, имеют наружную клеточную стенку . У высших растений она состоит из целлюлозы. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.. У клеток животных клеточные стенки, как правило, отсутствуют.

Под клеточной стенкой растений расположена плазматическая мембрана илиплазмалемма . Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.

Внутри клетка заполнена цитоплазмой , в которой расположены различныеорганоиды иклеточные включения, а также генетический материал в виде молекулыДНК. Каждый изорганоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Плазматическая мембрана обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для

клетки среде. Она представляет собой двойной слой молекул (бимолекулярный слой, или бислой). В основном это молекулы фосфолипидов и других близких к ним веществ. Липидные молекулы имеют двойственную природу, проявляющуюся в том, как они ведут себя по отношению к воде. Головы молекул гидрофильные, т.е. обладают сродством к воде, а их углеводородные хвосты гидрофобны. Поэтому при смешивании с водой липиды образуют на ее поверхности пленку, аналогичную пленке масла; при этом все их молекулы ориентированы одинаково: головы молекул – в воде, а углеводородные хвосты – над ее поверхностью.

В клеточной мембране два таких слоя, и в каждом из них головы молекул обращены наружу, а хвосты – внутрь мембраны, один к другому, не соприкасаясь таким образом с водой.

Кроме основных липидных компонентов, она содержит крупные белковые молекулы, которые способны «плавать» в липидном бислое и расположены так, что одна их сторона обращена внутрь клетки, а другая соприкасается с внешней средой. Некоторые белки находятся только на наружной или только на внутренней поверхности мембраны или лишь частично погружены в липидный бислой.

Основная функция клеточной мембраны заключается в регуляции переноса веществ в клетку и из клетки.

Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану:

Диффузия - проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Диффузный транспорт веществ осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры (вода, ионы), либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).

Облегченная диффузия - специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом, или молекулой и переносят их через мембрану.

Активный транспорт . Этот механизм сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными

белками-переносчиками, образующими так называемыеионные насосы. Наиболее изученным является Nа+ /К+ -насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Nа наружу, поглощая при этом ионы К+ .

В сочетании с активным транспортом ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Такая избирательная проницаемость физиологически очень важна, и ее отсутствие

– первое свидетельство гибели клетки. Это легко проиллюстрировать на примере свеклы. Если живой корень свеклы погрузить в холодную воду, то он сохраняет свой пигмент; если же свеклу кипятить, то клетки погибают, становятся легко проницаемыми и теряют пигмент, который и окрашивает воду в красный цвет.

Крупные молекулы типа белковых клетка может «заглатывать». Под влиянием некоторых белков, если они присутствуют в жидкости, окружающей клетку, в клеточной мембране возникает впячивание, которое затем смыкается, образуя пузырек – небольшую вакуоль, содержащую воду и белковые молекулы; после этого мембрана вокруг вакуоли разрывается, и содержимое попадает внутрь клетки. Такой процесс называется пиноцитозом (буквально «питье клетки»), илиэндоцитозом.

Более крупные частички, например частички пищи, могут поглощаться аналогичным образом в ходе т.н. фагоцитоза . Как правило, вакуоль, образующаяся при фагоцитозе, крупнее, и пища переваривается ферментами лизосом внутри вакуоли до разрыва окружающей ее мембраны. Такой тип питания характерен для простейших, например для амеб, поедающих бактерий.

Экзоцитоз (экзо - наружу), благодаря нему, клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др..

Структура цитоплазмы.

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другиеорганоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемыхмикротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами», и специальных белковдинеинов икинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельныебелковые молекулы также недиффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн),

которая называется эндоплазматическим ретикулумом (илиэндоплазматическая сеть ,ЭПР илиЭПС ). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикрепленырибосомы, относят кгранулярному (илишероховатому ) эндоплазматическому

ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому ЭПР , принимающему участие в синтезелипидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветомядерной оболочки. Канальцы открываются и на поверхности клетки, и эндоплазматический ретикулум, таким образом, играет роль аппарата, через который внешняя среда может непосредственно взаимодействовать со всем содержимым клетки.

Крошечные тельца, называемые рибосомами , покрывают поверхность шероховатого эндоплазматического ретикулума, особенно вблизи ядра. Диаметр рибосом около 15 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой Их основная функция – синтез белков; к их поверхности прикрепляются матричная (информационная) РНК и аминокислоты, связанные с транспортными РНК. Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи)

представляет собой стопку плоских мембранных мешочков, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образованиялизосом. Аппарат Гольджи асимметричен - цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис -Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки -везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы

(транс -Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Лизосомы

Лизосомы (греч. «лизео» - растворяю, «сома» - тело) представляют собой небольшие округлые тельца. Эти мембранные органоиды клетки имеют овальную форму и диаметр 0,5 мкм Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Из-за своего разрушительного действия эти ферменты как бы «заперты» в лизосомах и высвобождаются только по мере надобности. Но если лизосома

повреждается от каких-либо внешних воздействий, то разрушается вся клетка или часть ее.

При внутриклеточном пищеварении ферменты выделяются из лизосом в пищеварительные вакуоли.

При голодании клетки лизосомы переваривают некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное переваривание обеспечивает клетке на какое-то время необходимый минимум питательных веществ.

Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов. Например, исчезновение хвоста у головастика лягушек происходит под действием ферментов лизосом.. В данном случае это нормально и полезно для организма, но иногда такое разрушение клеток носит патологический характер. Например, при вдыхании асбестовой пыли она может проникнуть в клетки легких, и тогда происходит разрыв лизосом, разрушение клеток и развивается легочное заболевание.

Информационным центром клетки, местом хранения и воспроизводства наследственной информации, которая определяет все признаки данной клетки и организма в целом, является ядро . Удаление ядра из клетки, как правило, ведет к ее быстрой гибели. Форма и размеры ядра клетки очень изменчивый зависят от вида организма, а также от типа, возраста и функционального состояния клетки. Общий план

строения ядра одинаков у всех клеток эукариот. Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного матрикса (нуклеоплазмы ),хроматина иядрышка (одного или нескольких). От цитоплазмы содержимое ядра отделено двойной мембраной или так называемойядерной оболочкой . Наружная мембрана в некоторых местах переходит в каналы эндоплазматического ретикулума; к ней прикреплены рибосомы.Клеточное ядро содержит молекулыДНК, на которых записана генетическая информация организма. . Этим определяется ведущая роль клеточного ядра в наследственности. В ядре происходитрепликация - удвоение молекул ДНК, а такжетранскрипция- синтез молекулРНК на матрице ДНК. Сборкарибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемыхядрышками . Ядерная оболочка пронизана множеством пор, диаметр которых около 90 нм. Благодаря наличию пор, обеспечивающих избирательную проницаемость, ядерная оболочка контролирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой.

фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые ипромежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в составжгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания

формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, повидимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет, за исключением низших водорослей). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборамимикротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может

колебаться для разных организмов от 1 до 3.

Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.

Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюсаверетена деления. Послецитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путѐм синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.

Митохондрии

Митохондрии - особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ - универсального носителя энергии. В митохондриях протекает окисление органических веществ, сопряженное с синтезом

аденозинтрифосфата (АТФ). Распад АТФ с образованием аденозиндифосфата (АДФ) сопровождается выделением энергии, которая расходуется на различные процессы жизнедеятельности, например на синтез белков и нуклеиновых кислот, транспорт веществ внутрь клетки и из нее, передачу нервных импульсов или мышечное сокращение.

Митохондрии, таким образом, являются энергетическими станциями, перерабатывающими «топливо» – жиры и углеводы – в такую форму энергии, которая может быть использована клеткой, а следовательно, и организмом в целом.