Вопросы для самопроверки:

1. Что такое прокариоты?

2. Каково строение тела бактерий?

3. Какие две группы включает отдел бактерии?

4. Какие органеллы имеются в клетке бактерии?

5. Как питаются бактерии?

6. Какие способы размножения характерны для бактерий?

7. Какие бактерии выполняют роль санитаров?

8. Какой тип дыхания характерен для бактерий?

9. Почему бактерии могут жить в самых неблагоприятных условиях?

Тема 5. Биология и строение эукариотических клеток

Цель: Изучить строение эукариотических клеток. На примере строение животной и растительной клетки, показать общность строения и происхождения живых организмов.

Клетка – это элементарная живая система, основная структурная единица растительных и животных организмов, способных к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Методы изучения клетки

Всеобъемлющим современным подходом к изучению клеток является системно-структурный подход.

Для изучения клеток используют микроскопическую технику в виде световой, фазово-контрастной, ультрафиолетовой, люменесцентной и электронной микроскопии. Последняя используется в сочетании с техникой ультратонких срезов. С целью получения трехмерных изображений клеток используют сканирующие электронные микроскопы. Для документации поведения живых клеток используют замедленную видеосъемку.

В цитологических исследованиях очень эффективны цитохимические методы, основанные на том, что определенные реактивы (краски) избирательно окрашивают химические вещества цитоплазмы, а также ауторадиография, которая заключается во введении в клетки радиоактивных изотопов фосфора (P³²), углерода (С¹⁴) и водорода (Н³) с последующим обнаружением их клеточной локализации с помощью фотоэмульсий.

Для выделения клеточных компонентов используют дифференциальное центрифугирование, а для разведения биологических молекул – хромотографию и электрофорез. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять пространственное расположение молекул различных веществ, расстояние между отдельными молекулами, объем, форму и другие свойства молекул. Метод ядерного магнитного резонанса позволяет исследования химической природы вещества.

Для изучения клеток используют также биохимические, генетические и иммунологические методы в сочетании с культивированием клеток на искусственных питательных средах. В последние годы в исследованиях клеток широко используют методы генетической инженерии.

Структурно-функциональная организация эукариотических клеток

Наиболее сложная организация присуща эукариотическим клеткам животных и растений. Строение клеток животных и растений характеризуется принципиальным сходством, но форма, размеры и масса их чрезвычайно разнообразны и зависят от того, является ли организм одноклеточным или многоклеточным. Например, диатомовые водоросли, эвгленовые, дрожжи, миксомицеты и простейшие являются одноклеточными эукариотами, тогда как организмы подавляющего большинства других типов являются многоклеточными эукариотами, количество клеток у которых составляет от нескольких (например, у некоторых гельминтов) до миллиардов (у млекопитающих) на организм. Организм человека состоит из около 10 различных клеток, которые различаются между собой по осуществляемым или функциям.

Эукариотические клетки по сравнению с прокариотическими обладают более сложной системой восприятия веществ из окружающей среды, без чего невозможна их жизнь. Существуют и другие различия между эукариотическими и прокариотическими клетками.

Считают, что чем крупнее организм в пределах вида, тем крупнее его клетки. Однако для родственных видов животных, различающихся по размерам, характерны и сходные по размерам клетки. Например, у всех млекопитающих сходны по размерам эритроциты.

Клетки различаются также и по массе. Например, одиночная клетка печени (гепатоцит) человека весит 19^-9 г.

Использование электронной микроскопии и других методов позволило установить чрезвычайное разнообразие в структуре как оболочки и цитоплазмы, так и ядра. В частности, был установлен мембранный принцип строения внутриклеточных структур, исходя из которого различают ряд структурных компонентов клетки, а именно:

1. Мембранная система.

2. Цитоплазматический матрикс (основное вещество клеток).

3. Клеточные органеллы.

4. Клеточные включения.

Мембранная система. Эта система представлена клеточной плазматической (цитоплазматической) мембраной, цитоплазматической (эндоплазматической) сетью (ретикулом) и пластинчатым комплексом Гольджи.

а) Плазматическая (цитоплазматическая) мембрана имеет толщину 8-12 нм и состоит из трех слоев, два из которых являются белковыми слоями толщиной по 3 нм каждый, а третий (внутренний) – двойным фосфолипидным слоем толщиной 6 нм. Плазматическая мембрана является полупроницаемой структурой. Через нее в клетку входят питательные вещества и выходят все «отходы» (продукты секреции). Она создает барьер проницаемости. В результате этого плазматическая мембрана регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. В плазматической мембране содержатся многие важные ферменты, системы активного транспорта ионов натрия и калия при помощи АТФазы, а также системы транспорта аминокислот.

На поверхности плазматической мембраны обнаруживают ряд специальных образований в виде микроворсинок и ресничек. Микроворсинки очень часты в эпителии кишечника и почек. Реснички – это своеобразные выросты цитоплазмы. У эритроцитов мембрана является гладкой (элементарная мембрана). У некоторых одноклеточных организмов-эукариотов плазматическая мембрана также содержит реснички (микроворсинки), различные выпячивания и выросты, переходящие в пузырьки. На внешней поверхности клеток животных обнаружены гликопротеиды как компоненты плазматической мембраны. Предполагают, что поверхностные гликопротеиды обеспечивают адгезионную способность клеток в тканях, и, следовательно, слипание однотипных клеток. В мембранах эритроцитов содержится гликопротеид, получивший название гликофорина (м.м. 30000). Этот гликопротеид состоит из 130 аминокислотных остатков и большого количества (60% всей молекулы) остатков сахара. Кроме того, в эритроцитарной мембране содержится белок спектрин, молекулы которого формируют скелет мембраны.

У клеток растений наружной структурой служит жесткая клеточная стенка, построенная из молекул целлюлозы, создающих очень прочные волокна, погруженные в матрикс из других полисахаридов и полимерного вещества лигнина. Клетка наружных слоев растений иногда покрыты очень тонким слоем восковидного вещества. На поверхности плазматических мембран имеются также специфические рецепторы (участки распознания) для гормонов и других соединений. Кроме того, здесь же локализованы особые рецепторы, ответственные за индивидуальную тканевую совместимость. Считают, что рецепторные участки формируются гликопротеидами и ганглиозитами.

б) Цитоплазматическая (эндоплазматическая) сеть (ретикулум) представлена пронизывающими однослойными мембранными полостями (трубочками, цистернами, вакуолями) разных размеров, заполненными белковыми гранулами. Открыта К. Портером в 1945 г. Толщина трубочек и других структур этой сети равна 5-6 нм.

Различают гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум, который выстлан множеством рибосом диаметром порядка 21-25 нм и молекулярной массой 4х10⁶, служащих центрами синтеза молекул белков, и агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум, на котором нет рибосом, но на котором синтезируются липиды и углеводы. Степень насыщенности гранулярной эндоплазматической сети рибосомами определяет степень интенсивности синтеза белков. У человека и животных агронулярной сетью богаты клетки коры надпочечников, яичников и семенников, печени, скелетных мышц.

Цитоплазматическая сеть без перерыва соединена с цитоплазматической мембраной, ядерной мембраной и пластинчатым комплексом Гольджи. Это позволяет синтезируемым белкам проходить в комплекс Гольджи, откуда после специальной обработки они выводятся из клетки или идут на построение лизосом.

Плазматическая мембрана, мембрана эндоплазматической сети, а также ядер, митохондрий и хлоропластов представляют собой чрезвычайно сложные структуры, обладающие рядом важнейших биологических свойств. Многие мембраны содержат ферменты, транспортные системы, с помощью которых осуществляется перенос молекул питательных веществ и неорганических ионов внутрь клеток и внутри клеток, а также вывод из клеток продуктов жизнедеятельности. Мембранные структуры способны к самовосстановлению, если в них по каким-то причинам возникают повреждения.

В процессе искусственного растирания или гомогенизации клеток с экспериментальными целями образуются мелкие частицы диаметром 50-150 нм, состоящие из фрагментов эндоплазматического ретикулума и плазматической мембраны. Эти структуры получили название микросом и их широко используют в лабораторной работе для решения тех или иных вопросов молекулярной организации клеток.

в) Комплекс Гольджи. Этот комплекс, называемый еще пластинчатым, был открыт итальянцем Камилло Гольджи в 1898 г. Он присутствует во всех клетках, кроме эритроцитов и сперматозоидов, и представляет собой систему дискообразных однослойных мембран (мембранных пузырьков или цистерн), локализующихся рядом с гладким эндоплазматическим ретикулом и ядром. Часто в клетках обнаруживают несколько таких комплексов (диктиосом), размеры которых составляют 30-60 нм. Структурными молекулами, поддерживающими структуру цистерн, являются ферменты, вовлеченные в процессинг олигосахаридов, белки, являющиеся компонентами цитоскелета. Основная функция комплекса Гольджи заключается в том, что он является местом упаковки (уплотнения) белков, поступающих с рибосом, а также присоединения к белкам углеводов (образования гликопротеидов), а к полисахаридам – сульфатных групп с последующим транспортом их к другим клеточным структурам или за пределы клетки (экзоцитоз). В клетках печени этот комплекс участвует в выделении в кровь липопротеидов. Как отмечено выше, он участвует также и в формировании лизосом.

Клеточные органеллы. Это структуры представлены ядром, хромосомами, ядрышком, центриолями, митохондриями, рибосомами, лизосомами. Они характерны за некоторыми исключениями как для клеток животных, так и для клеток растений.

а) Ядро в клетке имеет форму и размеры, зависящие от формы, размеров и функций клетки. В клетках эукариотических организмов содержится, как правило, по одному ядру, реже по два и более. В зрелом состоянии эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубочек покрытосеменных растений лишены ядер, тогда как клетки скелетных мышц позвоночных и млечных сосудов растений являются многоядерными. Для инфузорий характерно наличие двух ядер – одно небольшое (микронуклеус) и одно крупное политенное (макронуклеус).

Обычно ядро имеет округлую, палочковидную, четковидную вытянутую и другие формы. Размеры его колеблются от 2 до 100 мкм, а объем составляет около 65 мкм³. Особенно крупные ядра характерны для половых клеток (размером до 500 мкм). Отношение объема ядра к объему цитоплазмы называют ядерно-плазменным отношением, которое у клеток всех типов обычно постоянно.

Строение ядра характеризуется чрезвычайной сложностью, хотя принципиально одинаково в клетках всех эукариотических организмов. В случае животных клеток ядро располагается в центре клетки. Напротив, в клетках растений оно имеет пристеночную локализацию. Однако положение, форма и размеры ядра могут меняться в зависимости от интенсивности метаболизма. В ядре содержатся хромосомы и ядрышки. Благодаря им ядро плотно заполнено ДНК, РНК и белками. Содержимое ядра иногда называют нуклеоплазмой или кариоплазмой. Она отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, построенной из двух слоев (наружного и внутреннего) толщиной по 7 нм каждый и имеющей поры диаметром 40-100 нм. Поры занимают около 5% площади ядра. Через ядерные поры синтезируется в ядре РНК выходит в цитоплазму, где она участвует в трансляции генетической информации (синтезе белков).

Ядерная мембрана и ядерные поры объединены с мембранной системой клетки, в результате чего клетка, по существу, канализирована различными проходами, обеспечивающими двухстороннее движение веществ в клетке, начиная от плазматической мембраны. В порах обнаружены глобулярные и фибриллярные белковые структуры. Количество пор зависит от вида клеток и обычно увеличивается в S-периоде. Между мембранными слоями имеется так называемое перинуклеарное пространство шириной 20-60 нм. Наружная ядерная мембрана часто переходит в эндоплазматическую сеть. Когда клетки делятся, ядерная оболочка исчезает, а после деления восстанавливается. Ядерное вещество (кариоплазма) – плотный коллоид.

Важнейшая функция ядра заключается в том, что оно является центром управления в клетке, в нем происходит синтез ДНК, РНК и ядерных белков.

б) Хромосомы. Хромосомы располагаются в ядре. Их название введено в литературу В. Вайдейлом в 1883 г. Они имеют форму палочек, нитей, петлей. Для каждой хромосомы характерны индивидуальные особенности, касающиеся длины и положения перетяжки (центромеры) по длине хромосомы. Каждая из митотических индивидуальных хромосом состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых центромерой. В зависимости от локализации центромер различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические и телоцентрические хромосомы.

Цитоплазма. Это полужидкая слизистая бесцветная масса сложного физико-химического строения (биологический коллоид), в котором расположены ядро, все органеллы и включения. Основное вещество цитоплазмы называется матриксом или гиалоплазмой. Она связывает все погруженные в нее органеллы, обеспечивая их тесное взаимодействие.

С виду аморфная цитоплазма является внутренним скелетом клетки – цитоскелетом, который определяет форму клеток, их способность двигаться самим и перемещать органеллы из одной части клетки в другую. Цитоскелет образован сетью белковых волокон. Среди них активные нити и микротрубочки. Они участвуют в механизмах клеточных движений, обеспечивают мышечное сокращение, а микротрубочки являются основными структурными и силовыми элементами, обусловливающими движение ресничек и жгутиков. Существует также предположение, что большинство органелл клетки прямо или косвенно прикреплены к цитоскелету и могут перемещаться в клетке. Движение цитоплазмы способствует оптимальному размещению органелл, лучшему протеканию биохимических реакций, выделению продуктов обмена веществ и т.д.

Вакуоли содержатся почти во всех растительных клетках и представляют собой полости в массе цитоплазмы, заполненные клеточным соком и окруженные полупроницаемой мембраной – тонопластом.

Вакуоли заполнены клеточным соком, который представляет собой раствор различных неорганических и органических веществ. Большинство из них относятся к группе продуктов метаболизма протопласта, которые могут появляться и исчезать в различные периоды жизни клетки. Химический состав и концентрация клеточного сока очень изменчивы и зависят от вида растения, органа, ткани и состояния клетки. В клеточном соке содержатся минеральные соли, сахара (прежде всего сахароза, а также глюкоза и фруктоза), органические кислоты (яблочная, уксусная, щавелевая, лимонная и др.), аминокислоты, белки, дубильные вещества (танины), физиологически активные вещества (фитогормоны – регуляторы роста растений, фитонциды), алкалоиды (например, кофеин в семенах кофе, морфин в плодах мака, атропин у белены).

Митохондрии являются неотъемлемыми компонентами всех живых клеток эукариот. Форма, величина, число и положение митохондрий в цитоплазме постоянно меняются. Они выглядят как палочки, шарики, линзочки, нити длиной 0,5-0,7 мкм и до 1 мкм шириной. Кроме того, митохондрии очень динамичные структуры: они могут расти в длину, сжиматься, ветвиться, делиться – и все это за период меньше 1 мин.

Оболочка митохондрий состоит из двух мембран – наружной и внутренней. Наружная гладкая, а от внутренней в полость митохондрии отходят многочисленные выросты – кристы. На мембранах крист располагаются окислительные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Кроме того, кристы разделяют внутреннюю полость митохондрии на отсеки (камеры) и резко увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны. Внутренняя полость митохондрий заполнена близким по составу к цитоплазме веществом – матриксом, который содержит ДНК, все типы РНК, рибосомы, ряд витаминов и различные включения. ДНК обусловливает генетическую автономность митохондрий.

Вместе с хлоропластами митохондрии поставляют почти всю необходимую клетке допустимую энергию (в виде АТФ), а в тех клетках, где хлоропласты отсутствуют, они одни выполняют эту важнейшую функцию.

Пластиды – характерные органеллы растительных клеток, форма и размеры которых разнообразны. Классифицируют пластиды главным образом по наличию или отсутствию в них тех или иных пигментов. Пластиды размножаются делением посредством простой перетяжки. Они заново образуются из пластид – мельчайших бесцветных образований, обнаруживаемых в спорах, яйцеклетках, эмбрионных клетках точек роста. Различают пластиды трех видов: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

Хлоропласты имеют зеленый цвет, обусловленный присутствием хлорофилла. Кроме него в состав хлоропластов входят желтые пигменты – каротиноиды. Именно они поставляют в клетку энергетический материал, синтезированный ими из CO₂ и H ₂O в процессе фотосинтеза, образуют АТФ и восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

15 16 17	1 - цитоплазма, 2 - гладкая эндоплазматическая сеть, 3 - гранулярная эндоплазматическая сеть, 4 - свободные рибосомы, 5 - аппарат Гольджи, 6 - хлоропласт, 7 - лейкопласт, 8 - митохондрии, 9 - ядро, 10 - ядрышко, 11 - ядерная оболочка, 12 - ламеллы хлоропласта, 13 - ядерный сок, 14 - хроматин (деспирализованные хромосомы), 15 - клеточная стенка, 16 - поры в клеточной стенке, 17 - межклеточное пространство, 18 - наружная клеточная мембрана (плазмалемма), 19 - вакуоль, 20 - лизосома, 21 - пора в ядерной оболочке, 22 - гранула, 23 - строма.
Рис. 6. Строение растительной клетки
	1 - цитоплазма, 2 - гладкая эндоплазматическая сеть, 3 - гранулярная эндоплазматическая сеть, 4 - свободные рибосомы, 5 - клеточный центр, 6 - аппарат Гольджи, 7 - лизосома, 8 - митохондрии, 9 - хроматин, 10 - ядрышко, 11 - ядерная оболочка, 12 - ядерный сок, 13 - пиноцитозный пузырек, 14 - сократительная вакуоль, 15 - наружная клеточная мембрана (плазмолемма).
Рис. 7. Строение животной клетки

Хромопласты в большинстве случаев развиваются из хлоропластов, изредка – лейкопластов и являются причиной желтой, оранжевой и красной окраски многих цветков, плодов, осенних листьев и некоторых корней (морковь, кормовая свекла). Окраска пластид обусловлена присутствием пигментов группы каротиноидов. Роль хромопластов состоит в том, что они обусловливают яркую окраску цветков и плодов, привлекающих насекомых и других животных для прекрасного опыления и распространения плодов.

Лейкопласты – бесцветные пластиды округлой веретеновидной формы. Они встречаются в клетках органов, скрытых от солнечного света, - подземных частях растений, спорах, семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Лейкопласты содержат ДНК, зерна, крахмала, пластоглобулы, рибосомы. Лейкопласты являются органеллами, в которых синтезируются и накапливаются запасные питательные вещества (крахмал, белки, жиры), используемые затем на нужды клетки, а в некоторых тканях (эпидермис, ситовидные трубки и др.) они вообще не имеют определенных функций.

Клеточный центр обнаружен в клетках животных, некоторых водорослей и грибов. Он состоит из двух телец цилиндрической формы диаметром около 150 нм и длиной 300-500 нм, расположенных под прямым углом друг к другу. Эти тельца получили название – центриолей. Стенки центриоли состоят их 9 тройных микротрубочек, соединенных между собой фибриллами.

Находясь непосредственно около ядра, клеточный центр участвует в процессе деления клетки: от центриолей начинается рост микротрубочек, формирующих веретено деления. Полюсы митоза устанавливаются только после расхождения центриолей, которые определяют ориентацию веретена, расположение хромосом и направления разрастания вновь образованных клеток.

Задание 1. Изучить и зарисовать клетку многоклеточного организма растительную или животную. (Рис. 6, 7).

Задание 2. Изучить структуру клетки и строение основных организмов, указать их функции, заполнив таблицу 8.

Таблица 8. - Структурная организация клетки

№ п/п	Органеллы	Строение	Функции
1	Наружная клеточная мембрана
2	ЭПС
3	Рибосомы
4	Митохондрии
5	Пластиды
6	Аппарат Гольджи
7	Цитоплазма
8	Ядро, ядрышко
9	Клеточный центр
10	Вакуоли

Задание 3. Провести сравнительную характеристику растительной и животной клетки. Указать общие и отличительные признаки, заполнив таблицу 9.

Таблица 9. - Сравнение растительной и животной клетки

№ п/п	Признаки	Растительная клетка	Животная клетка
Отличительные признаки:
1	Пластиды
2	Способ питания
3	Синтез АТФ
4	Расщепление АТФ
5	Клеточный центр
6	Целлюлозная клеточная стенка
7	Включения
8	Вакуоли
Общие признаки: