Строение клетки

Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ:

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

 

 

Общий план строения клетки

Все клетки содержат наследственный аппарат, погруженный в цитоплазму, и отделяющую клетку от окружающей среды плазматическую мембрану. Клетка представляет собой неразрывное единство составляющих её компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию. В данном разделе будет рассмотрено строение только эукариотической клетки, основным отличием которой от прокариотической является наличие ядра.

Строение и функции биологических мембран

Строение биомембраны. Мембраны, ограничивающие клетки и мембранные органоиды эукариотических клеток, имеют общий химический состав и строение. В их состав входят липиды (фосфолипиды, гликолипиды и холестерин), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в составе гликолипидов и гликопротеинов). Толщина мембран составляет 7-10 нм.

Согласно жидкостно-мозаичной модели строения мембран, фосфолипиды образуют двойной слой, или липидный бислой, в котором гидрофильные "головки" молекул липидов обращены наружу, а гидрофобные "хвосты" спрятаны вовнутрь мембраны. Эти "хвосты", благодаря своей гидрофобности обеспечивают разделение водных фаз внутренней среды клетки и её окружения. Часть белков расположена на поверхности мембраны. Такие белки называют периферическими, или поверхностными. Другие белки частично или полностью погружены в мембрану - это интегральные, или погруженные, белки.

Основные типы мембран - плазматическая и внутренняя. Плазматическая мембрана содержит около 45% липидов (в т.ч. гликолипидов), 50% белков и 5% углеводов. Цепочки углеводов, входящих в состав сложных белков-гликопротеинов и сложных липидов-гликолипидов, выступают над поверхностью мембраны. Гликопротеины плазмалеммы обеспечивают взаимное узнавание клеток, в том числе сперматозоида и яйцеклетки.

На поверхности животных клеток углеводные цепочки образуют тонкий поверхностный слой - гликокаликс. Он обеспечивает непосредственную связь клетки с внешней средой, в нем происходит внеклеточное пищеварение, размещены рецепторы.

Внутренние мембраны эукариотических клеток разграничивают различные части клетки, образуя мембранные органоиды.

Функции мембран:

1. Ограничивающая. Мембраны отделяют внутреннее пространство клетки от внешней среды.

2. Транспортная. Перенос частиц в клетку и из неё происходит с участием различных компонентов мембраны.

3. Рецепторная. Связана с восприятием сигналов окружающей среды и передачей этой информации внутрь клетки белками-рецепторами.

4. Каталитическая. На мембранах расположены многочисленные ферментные комплексы, поэтому на них происходят интенсивные синтетические процессы.

5. Энерготрансформирующая. Связана с образованием энергии, её запасанием в виде АТФ и расходованием.

6. Образование межклеточных контактов.

 

Мембранный транспорт. Транспорт веществ через мембрану клетки делят на пассивный, активный, эндо- и экзоцитоз.

Пассивный транспорт - это вид транспорта, который происходит без затраты энергии из области с большей концентрацией к меньшей. Растворимые в липидах неполярные молекулы (О2, СО2) легко проникают в клетку путем простой диффузии. Липонерастворимые, в том числе заряженные небольшие частицы, переносятся белками-переносчиками или проходят через специальные белковые каналы (глюкоза, аминокислоты, ионы калия, фосфат-ионы). Такой вид пассивного транспорта называется облегченной диффузией. Вода поступаетв  клетку по специальным каналам. Транспорт воды через мембрану называется осмосом.

Если клетку поместить в раствор с более высокой концентрацией солей, чем в клеточном растворе, то вода начнет выходить из клетки, и объем живого содержимого начнет уменьшаться. У животных клеток происходит сжимание клетки в целом, а у растительных - отставание цитоплазмы от клеточной стенки, которое называется плазмолизом. При помещении клетки в менее концентрированный, чем цитоплазма, раствор транспорт воды происходит в обратном направлении - в клетку. Явление заполнения клеточным содержимым всего внутреннего пространства клетки называется деплазмолизом.

Активный транспорт протекает с затратой энергии АТФ из области с меньшей концентрацией вещества к большей. Он осуществляется с помощью специальных белков-насосов. Разница концентраций ионов (калия, натрия, водорода) по обе стороны мембраны способствует транспорту органических веществ, возникновению нервных импульсов.

Эндоцитоз - это активный процесс поглощения веществ клеткой, при котором мембрана образует впячивания, а затем формирует мембранные пузырьки - фагосомы, в которых заключены поглощаемые объекты. Затем с фагосомой сливается первичная лизосома, и образуется вторичная лизосома, или фаголизосома, или пищеварительная вакуоль. Содержимое пузырька расщепляется ферментами лизосом, а продукты расщепления поглощаются и усваиваются клеткой.

Различают два основных вида эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз - это процесс захвата клеточной поверхностью и поглощения твердых частиц, а пиноцитоз - жидкости. Фагоцитоз обеспечивает питание одноклеточных животных и защиту организма (лейкоциты человека). Путем пиноцитоза происходит поглощение белков, комплексов антиген-антитело в процессе иммунных реакций и т.д.

Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким образом выделяются непереваренные остатки пищи из пищеварительных вакуолей, выводятся вещества, необходимые для жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, передача нервных импульсов другим клеткам происходит благодаря выделению посылающим импульс нейроном химических посредников - медиаторов, а в растительных клетках так выделяются вспомогательные углеводы клеточной оболочки.

Клеточные оболочки клеток растений, грибов и бактерий. Снаружи от мембраны клетка может выделять прочный каркас - клеточную оболочку, или клеточную стенку. У растений основу клеточной оболочки составляет целлюлоза. Она пронизана канальцами - плазмодесмами, через которые проходят мембраны эндоплазматической сети. По плазмодесмам осуществляется транспорт веществ между клетками. Со временем клеточная оболочка растений может одревеснеть. Клеточные стенки клеток грибов образованы хитином - углеводом, содержащим азот. У бактерий в состав клеточной стенки входит углевод с фрагментами пептидов - муреин. Оболочка определяет форму клетки, служит механической опорой, выполняет защитную функцию, обеспечивает осмотические свойства клетки, ограничивая растяжение живого содержимого и предотвращая разрыв клетки, увеличивающейся вследствие поступления воды.

Цитоплазма

Цитоплазма - это внутреннее содержимое клетки. В нее погружены все органоиды клетки, ядро и разнообразные продукты жизнедеятельности. Цитоплазма связывает все части клетки между собой, в ней протекают многочисленные реакции обмена веществ. Жидкая часть цитоплазмы без органоидов называется гиалоплазмой. Гиалоплазма (матрикс цитоплазмы, или цитозоль) представляет собой коллоидный раствор, в котором находится своеобразная взвесь достаточно крупных частиц, например белков, окруженных диполями молекул воды. Осаждения этой взвеси не происходит вследствие того, что частицы имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга.

Органоиды

Органоиды - постоянные компоненты клетки, выполняющие определенные функции. Существуют мембранные и немембранные органоиды. Мембранные органоиды бывают одномембранными (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли) и двумембранными (митохондрии, пластиды и ядро). Немембранными органоидами являются рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и клеточный центр. Прокариотам из перечисленных органоидов присущи только рибосомы.

Строение и функции ядра. Ядро - крупный двумембранный  органоид эукариотической клетки, лежащий в центре или на периферии клетки. Размеры ядра могут колебаться в пределах 3-35 мкм. Форма ядра чаще сферическая или эллипсоидная. Большинство клеток имеет одно ядро. В образующих скелетные мышцы позвоночных волокнах содержится много ядер. Эритроциты и ситовидные клетки флоэмы растений относятся к безъядерным.

Ядро окружено ядерной оболочкой, а его внутреннее пространство заполнено нуклеоплазмой (кариоплазмой), в которую погружены хроматин и ядрышко. Функции ядра - хранение и передача наследственной информации, контроль жизнедеятельности клетки. 

Ядерная оболочка образована двумя мембранами - наружной и внутренней. Ядерная оболочка пронизана многочисленными белковыми порами. Через поры происходит транспорт веществ: в ядро попадают, например, белки, ионы, нуклеотиды, а покидают его молекулы РНК, субъединицы рибосом. Функциями ядерной оболочки являются обособление содержимого ядра и регуляция обмена веществ между ядром и цитоплазмой.

Нуклеоплазмой называют содержимое ядра, в которое погружены хроматин и ядрышко. Это коллоидный раствор, по составу напоминающий гиалоплазму.

Хроматин - это совокупность тонких нитей и гранул (зерен), погруженных в нуклеоплазму. Хроматин представляет собой структурное видоизменение хромосом в неделящемся ядре. Таким образом, хромосомы постоянно присутствуют в ядре, изменяется лишь их состояние в зависимости от функции, которую ядро выполняет в данный момент.

По химическому составу хроматин является комплексом нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. Белки необходимы для поддержания структуры хроматина и его реструктуризации, а также для процессов удвоения ДНК, репарации и синтеза РНК.

Ядрышко - сферическое, хорошо заметное под микроскопом тельце диаметром 1-3 мкм. Ядрышко в ядре часто одно. Функции ядрышек - синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом путем объединения рРНК с белками, поступающими из цитоплазмы.

Митохондрии - двумембранные органоиды чаще округлой, овальной или палочковидной формы. Диаметр митохондрий составляет до 1 мкм, а длина - до 7 мкм. Пространство внутри митохондрий заполнено коллоидным матриксом - основным веществом митохондрий. В него погружены кольцевая молекула ДНК и рибосомы. Наружная мембрана митохондрий гладкая. Внутренняя мембрана имеет выросты - кристы. На её поверхности расположены многочисленные белковые комплексы. В митохондриях протекает аэробный этап дыхания, в ходе которого синтезируется АТФ.

Пластиды - крупные двумембранные органоиды, характерные только для растительных клеток. Внутреннее пространство пластид заполнено стромой, или матриксом. В строме находится система мембранных пузырьков - тилакоидов, собственная кольцевая молекула ДНК и рибосомы. Различают три основных типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

Хлоропласты - это зеленые пластиды диаметром 3-10 мкм, хорошо различимые под микроскопом. Они содержатся только в зеленых частях растений. В основном имеют овальную или эллипсоидную форму. В мембранах тилакоидов хлоропластов находятся пигменты: основной пигмент фотосинтеза хлорофилл, обусловливающий окраску, и вспомогательные пигменты - каротиноиды. Основной функцией хлоропластов является фотосинтез.

Хромопласты - это желтые, оранжевые и красные пластиды, содержащие пигменты каротиноиды. Хромопласты придают окраску цветкам и плодам растений, привлекая опылителей и распространителей семян и плодов.

Лейкопласты - это белые или бесцветные пластиды в основном округлой или овальной формы. Они распространены в нефотосинтезирующих частях растений, например, в кожице листа, клубнях картофеля и т.д. В них откладываются в запас питательные вещества, чаще всего крахмал, но у некоторых растений это могут быть белки или жидкие жиры - масла.

Пластиды и митохондрии называют полуавтономными органоидами клетки, так как они имеют собственные молекулы ДНК и рибосомы, осуществляют синтез белка и делятся независимо от деления клетки. Эти особенности объясняются их происхождением от одноклеточных прокариотических организмов. Однако автономность митохондрий и пластид ограничена, так как их ДНК содержит только часть генов, необходимых для свободного существования, остальная же информация закодирована в хромосомах ядра.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), - это одномембранный органоид, представляющий собой сеть мембранных полостей (цистерн) и канальцев. Различают два вида ЭПС - шероховатую и гладкую. Шероховатая ЭПС несет рибосомы, на ней происходит синтез белков.

Гладкая ЭПС лишена рибосом. Её функция - синтез липидов и углеводов, а также транспорт, запасание веществ и обезвреживание токсинов. Вещества, синтезированные в ЭПС, транспортируются в аппарат Гольджи. В ЭПС происходит также сборка мембран клетки, однако, их формирование завершается в аппарате Гольджи.

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, - одномембранный органоид, образованный системой плоских цистерн, канальцев и отшнуровывающихся от них везикул (пузырьков). Структурной единицей аппарата Гольджи является диктиосома - стопка цистерн, на один полюс которой приходят вещества из ЭПС, а с противоположного полюса, подвергшись определенным превращениям, они упаковываются в пузырьки и направляются в другие части клетки. Основные функции комплекса Гольджи - синтез некоторых веществ и модификация (изменение) белков, липидов и углеводов, поступающих из ЭПС, окончательное формирование мембран, а также транспорт веществ по клетке, обновление её структур и образование лизосом. Своё название аппарат Гольджи получил в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего данный органоид (1898).

Лизосома - небольшие одномембранные органоиды до 1 мкм в диаметре, в которых содержатся гидролитические ферменты, участвующие во внутриклеточном пищеварении, например, в процессе фагоцитоза, образуя пищеварительные вакуоли.

Вакуоль - это полость в цитоплазме клеток, ограниченная мембраной и заполненная жидкостью. В клетках простейших животных обнаруживаются пищеварительные и сократительные вакуоли. Первые принимают участие в процессе фагоцитоза, так как в них происходит расщепление питательных веществ. Вторые обеспечивают поддержание водно-солевого баланса за счет осморегуляции. У многоклеточных животных в основном встречаются пищеварительные вакуоли.

В растительных клетках вакуоли присутствуют всегда, они заполнены клеточным соком.Клеточный сок - это водный раствор минеральных солей, органических кислот, углеводов, белков, гликозидов, алкалоидов и др. Вакуоль выполняет запасающую, выделительную, осмотическую, защитную, лизосомную и другие функции.

Вакуоли имеются также и в клетках некоторых грибов и бактерий, однако, у грибов они выполняют только функцию осморегуляции, а у цианобактерий поддерживают плавучесть и участвуют в процессах усвоения азота из воздуха.

Рибосома - небольшие мембранные органоиды диаметром 15-20 мкм, состоящие из двух субъединиц - большой и малой. Субъединицы рибосома эукариот собираются в ядрышке, а затем транспортируются в цитоплазму. Рибосомы прокариот, митохондрий и пластид меньше по величине, чем рибосомы эукариот. В состав субъединиц рибосом входят рРНК и белки.

В цитоплазме, митохондриях и пластидах рибосомы находятся в свободном состоянии, а на шероховатой ЭПС - в связанном. Они осуществляют процесс трансляции - синтез полипептидной цепи на молекуле иРНК. Рибосомы в гиалоплазме могут находиться поодиночке или собираться в полирибосомы при одновременном синтезе на одной иРНК сразу нескольких полипептидных цепей.

Микротрубочки - это циллиндрические полые немембранные органоиды, которые пронизывают всю цитоплазму клетки. Они образованы многочисленными молекулами белка тубулина. Микротрубочки образуют своеобразную решетку, которая придает клетке форму и объем, связывают плазматическую мембрану с другими частями клетки, обеспечивают транспорт веществ по клетке, принимают участие в движении клетки и внутриклеточных компонентов, а также в делении генетического материала. Они входят в состав клеточного центра и органоидов движения - жгутиков и ресничек.

Микрофиламенты, или микронити, также являются немембранеыми органоидами. Они имеют нитевидную форму и образованы актином. Принимают участие в процессах мембранного транспорта, делении цитоплазмы клетки и движении. В мышечных клетках взаимодействие актиновых микрофиламентов с миозиновыми микронитями обеспечивает сокращение.

Микротрубочки и микрофиламенты образуют внутренний скелет клетки - цитоскелет.

Клеточный центр - немембранный органоид, располагающийся в животных клетках вблизи ядра (в растительных клетках отсутствует). Клеточный центр образован двумя центриолями, лежащими во взаимно перпендикулярных плоскостях, и лучистой сферой из микротрубочек. Каждая центриоль образована девятью группами по три микротрубочки. Клеточный центр принимает участие в процессах сборки микротрубочек, делении генетического материала клетки.

Органоиды движения. Жгутики и реснички представляют собой выросты клетки, покрытые плазмалеммой. Основу этих органоидов составляют девять пар микротрубочек, расположенных по периферии, и две свободные микротрубочки в центре. Источником энергии для движения жгутиков и ресничек является АТФ. Восстановление утраченных жгутиков и ресничек является функцией базальных телец, или кинетосом, расположенных в их основании.

Длина ресничек составляет около 10-15 нм, а жгутиков - 20-50 мкм. Строго направленные движения жгутиков и ресничек способствуют движению одноклеточных животных и сперматозоидов. У человека биение ресничек мерцательного эпителия маточных труб обеспечивает продвижение яйцеклетки или эмбриона от яичника к матке, а эпителия дыхательных путей - очистку воздуха.

Включения

Включения - это непостоянные компоненты клетки, которые образуются и исчезают в процессе её жизнедеятельности. К ним относят как запасные вещества, например, зёрна крахмала или белка в растительных клетках, гранулы гликогена в клетках животных и грибов, волютина у бактерий, капли жира во всех типах клеток, так и отходы жизнедеятельности, в частности непереваренные в результате фагоцитоза остатки пищи, образующие так называемые остаточные тельца.

 

 

 

ЕГЭ. Биология: пошаговая подготовка / Ю.А. Садовниченко. - Москва: Эксмо, 2018. - 368 с.