Структурно-функциональная организация прокариотической и эукариотической клеток

Цель занятия: Знать

• Основные положения современной клеточной теории.

• Особенности строения прокариотической и эукариотической клеток.

• Строение и функции компонентов и органелл эукарио­тической животной клетки.

Уметь использовать полученные знания при изучении стро­ения органов и тканей человека на кафедрах гистологии, патоло­гической анатомии и ряде других.

Ознакомиться с основными отличиями растительной клетки от животной.

Внеаудиторная работа

Задание 1. Основные формы жизни. Общий план строения прокариотической клетки

В зависимости от степени структурной организации выделяют следующие формы жизни: доклеточные (вирусы) и клеточные

(нанобактерии, цианобактерии, микоплазмы, бактерии, грибы, рас­тения, животные). Исходя из особенностей организации клеточного наследственного материала выделяют про- и эукариотические клет­ки.

Изучите общий план строения прокариотической клетки (схе­ма 1). Какие из указанных на схеме структур встречаются, как пра­вило, во всех клетках прокариот?

Таблща 1

Строение и функции оболочки бактериальной клетки

Компонент	Характеристика
Слизистые слои и капсула	Комплекс полисахаридов. Создают дополнительную защиту; способствуют формированию клеточных колоний.
Клеточная стенка (КС)	Основной компонент муреин. В него могут быть встроены полисахариды, белки (антигенные свойст­ва), липиды. Придает клетке форму, препятствует ее осмотическому набуханию и разрыву. Через поры КС легко проникают вода, ионы, мелкие молекулы. За счет ферментов на поверхности КС расщепля­ются полимерные молекулы до низкомолекулярных соединений, поступающих затем в клетку.
Жгутики	Один или несколько у многих бактерий. Состоят из одинаковых субъединиц белка, микротрубочек нет. Обеспечивают передвижение.
Ворсинки (пили)	На поверхности ряда бактерий; короче и тоньше жгу тиков. Служат для прикрепления клеток к субстрату или друг к другу; участвуют в транспорте продуктов обмена веществ; F-пили обеспечивают передачу части ДНК из клетки в клетку.
Плазмалемма (ПМ)	Сходна с ПМ эукариот, но в ней больше белков (ферменты дыхательной цепи и синтеза липидов). Содержит группу липидов (кардиолипины), которых нет в ПМ эукариот. Кардиолипины участвуют в процессах окислительного фосфорилирования и переноса электронов в процессе синтеза АТФ. ПМ не способна к эндо- и экзоцитозу.

Задание 2. Оболочка прокариотической клетки

Оболочка (поверхностный аппарат) клеток прокариот сос­тоит из плазмалеммы (ПМ) и поверхностных структур (кле­точная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки).

-11-

Таблица 2

Изучите по табл. 1 строение и функции компонентов оболочки бактериальной клетки. Особенности молекулярной организации надмембранного комплекса бактерий определяют их устойчивость к бактериолизинам (антитела, разрушающие клеточную стенку), лизоциму, фагоцитам и некоторым анти­биотикам. Например, инкапсулированные штаммы пневмокок­ков, имеющие толстую и плотную капсулу, интенсивно раз­множаются в организме человека, вызывая пневмонию, а не-капсулированные уничтожаются фагоцитами и безвредны для человека. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка имеет тонкий слой липидов, защищающий такие бактерии от действия лизоцима.

Ответьте на вопросы:

• Какие прокариотические организмы с размером клетки ~ 0,1 мкм не имеют клеточной стенки?

• Какие вещества (низко- или высокомолекулярные) лег­ко проникают через клеточную стенку и ПМ бактерий?

• Есть ли у бактерий лизосомы? Внутри или снаружи бак­териальной клетки происходит расщепление белков, полисахаридов и других макромолекул экзогенной при­роды?

• Лизоцим обнаружен у животных в слюне, слезах, сли­зистой оболочке носа и др. Какое действие оказывают лизоцим на полисахаридную основу муреина оболочки бактерий? Почему грамотрицательные бактерии устой­чивы к лизоциму слюны и интенсивно размножаются в ротовой полости человека?

Задание 3. Цитоплазма прокариотической клеткию

Изучите по табл. 2 особенности строения и функции ком­понентов цитоплазмы прокариотической клетки на примере бактериальной.

-12-

Компоненты цитоплазмы прокариотической

клетки

Компонент или структура	Характеристика	Функции
Основное ве­щество (гиа-лоплазма)	Коллоидная система (золь-гель), не способная к цик-лозу.	Выполняет роль вну­тренней среды клет­ки, в которой проис­ходят разнообразные биохимические реак­ции.
Органеллы -рибосомы	Более мелкие, чем у эука-риот. Отличаются от рибо­сом эукариот по числу бел­ков и коэффициенту седи­ментации (70S - рибосомы).	Синтез белка
Система внутриклеточ­ных мембран	Отсутствует или выражена плохо. Могут образовывать­ся мезосомы - многосклад­чатые впячивания ПМ. Соде­ржат ферменты дыхательной цепи. Фотосинтетические мембра­ны; образуются только у фотосинтетиков.	Синтез АТФ Фотосинтез
Включения	Липиды, гликоген, полифос­фаты, белки.	Запасные питатель­ные вещества

Задание 4. Общий план строения эукариотической клетки

Изучите по схеме 2 общий план строения эукарио­тической клетки. Назовите органеллы мембранного и немем­бранного строения; органеллы общего (присущие всем клет­кам) и специального (встречаются в особых клетках) назна­чения.

-13-

Задание 5. Органеллы эукариотической клетки

Изучите по табл. 3 и 4 особенности строения и функции органелл эукариотической клетки.

Ответьте на вопросы:

• У представителей каких царств в клетках имеются ЭПС, КГ, лизосомы, перексисомы, пластиды?

-14-

• В каких клетках человека (фагоцитах, эритроцитах, кишеч­ного эпителия, мышечных) содержится большое количество лизосом?

• За счет каких органелл в клетках животных устраняются из­быточные или потерявшие свою активность органеллы?

Мембранные
Пероксо-сомы	Мембранные пузырьки с ферментами, нейт­рализующие многие токсические соединения (этанол, пероксид водорода и др.)- Участвуют в обмене холе­стерина, жиров, пуринов.
Протеосо-мы	Структуры животной клетки, в которых происходит деградация ненужных белковых молекул, доставля­емых туда пептидом - убиквитином.
Митохон­дрии	Ограничены двумя мембранами. Внутренняя мембрана образует кристы, погруженные в матрикс. В матриксе расположены ДНК и рибосомы. Главная функция -ферментативное извлечение из химических веществ энергии и трансформация ее в энергию молекул АТФ; побочная - синтез стероидных гормонов и некоторых аминокислот. Способны к автономному размножению.
Пластиды	В клетках растений. В зависимости от окраски: лейко-, хромо-, и хлоропласты. Хлоропласты (ХП) ограничены двумя мембранами. Внутренняя мембрана образует граны из тилакоидов, погруженных в строму. В строме находится молекула ДНК и рибосомы. В ХП происходит фотосинтез. Способны к размножению.
Немембранные
Рибосомы	Состоят из малой и большой субчастиц, в состав кото­рых входят белки, рРНК и ионы магния. Рибосомы (Р) эукариот более крупные (80 S-рибосомы), чем у про­кариот. На Р гиалоплазмы синтезируются белки для нужд клетки, на Р гранулярной ЭПС - белки, выводи­мые из клетки.
Клеточный центр	Образован 2 центриолями и центросферой. Стенку центриоли образуют 9 триплетов микротрубочек. Фор­мирует веретено деления и определяет расхождение хромосом к полюсам клетки.

-16-

Органеллы специального назначения

Органелла	Строение и функции
Реснички	Выросты эпителиальной клетки, окруженные плазма-леммой. В основании реснички находится базальное тель­це, от которого тянутся дуплеты микротрубочек. Колеба­тельные движения ресничек способствуют передвижению различных материалов, попавших на слизистую верхних дыхательных путей, маточных труб, семявыводящих ка­нальцев.
Жгутики	Напоминают реснички, но длиннее их. Обеспечивают движение (жгутик сперматозоида, органеллы движения у жгутиковых простейших).
Микровор­синки	Производные плазмалеммы; увеличивают всасывающую поверхность эпителиальных клеток кишечника.
Миофиб-риллы	Сократимые белковые нити в мышечных клетках; обеспечивают их сокращение.
Синапти- ческие пузырьки	Находятся на разветвленных концах аксонов. Содержат вещества, участвующие в передаче нервного импульса.

Ответьте на вопросы:

• Какую функцию выполняют пероксисомы? В клетках каких органов человека присутствуют крупные пероксисомы, окис­ляющие алкоголь до ацетальдегида?

• 

  Представители каких царств имеют в клетках рибосомы? Сколько разновидностей рибосом (в зависимости от констан­ты седиментации) существует в клетках эукариот?

• Где в клетке эукариот происходит синтез субчастиц рибосом?

• Какие элементы цитоскелета обеспечивают способность ПМ к эндо- и экзоцитозу?

• Что такое включения? Какие выделяют типы включений в за­висимости от их состава и способа использования клеткой?

Аудиторная работа

Рис 3. Обобщенная схема строения клетки бактерий

Задание 6. Основные компоненты прока­риотической клетки

Изучите схему субмикроскопического строения бакте- риальной клетки (рис. 3). На рисунке обозначьте: клеточную стенку, плазмалемму, мезосомы, фотосинтетические мембраны, цитоплазму, рибосомы, хромосому, плазмиды, скопление запас- ных веществ;

Ответьте на вопросы:

• Какие древнейшие прокариоты, живущие в настоящее время, занимают промежуточное положение между вирусами и бак­териями?

• В каких структурах клетки происходит синтез АТФ у гете­ротрофных и автотрофных прокариот?

• Какие системы жизнеобеспечения присущи любой клетке? Чем представлена система самовоспроизведения в прокариотической клетке?

Задание 7. Строение эукариотической растительной клетки

Рассмотрите схему строения растительной клетки (рис. 46). На рисунке обозначьте: оболочку, плазмалемму, цитоплазму, митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, ЭПС, вакуоли, ри­босомы, ядро, ядрышко, ядерную мембрану, кариоплазму.

Перечислите структуры, свойственные только раститель­ным клеткам.

Какие органеллы, характерные для животных клеток, от­сутствуют в клетках высших растений? Приготовьте временный препарат листа элодеи. Зари­суйте 1-2 клетки, обозначьте: оболочку, плазмалемму, цито­плазму, ядро, хлоропласты. Обратите внимание на движение хлоропластов под воздействием света. Укажите основные структурные отличия между животными и растительными клетками.

Задание 8. Строение животной эукариотической клетки

Рассмотрите схему субмикроскопического строения жи­вотной клетки (рис. 4а). На рисунке обозначьте: ПМ, цито­плазму, ЭПС, КГ, митохондрии, лизосомы, рибосомы, клеточ­ный центр. Обратите внимание на компартментацию клетки, определяемую большим количеством внутриклеточных мем­бран. Рассмотрите электронные микрофотографии органелл эукариотической клетки.

На микропрепаратах под малым и большим увеличениями микроскопа рассмотрите строение клеток слизистой полости рта человека или клеток печени крысы. Зарисуйте 1-2 клетки, обозначьте: ПМ, цитоплазму, ядро, включения гликогена (клетки печени).

Задание 9. Поверхностный комплекс животной клетки

В клеточной оболочке животной клетки различают над-мембранный комплекс (гликокаликс), ПМ и кортикальный (корковый) слой, который изнутри примыкает к ПМ.

Изучите по табл. 5 особенности организации и функции компонентов поверхностного комплекса животной клетки.

Ответьте на вопросы:

• Как поступают в клетку неполярные(холестерин и его производные) вещества (1), полярные высокомолеку­лярные соединения (2) и ионы (3):

а) свободно без участия мембранных пузырьков;

б) через белковые ионные насосы;

в) только путем эндо- и экзоцитоза при помощи мем- бранных пузырьков;

г) путем осмоса?

Для каких клеток крови человека важное значение име­ет транспорт веществ в мембранной упаковке (пино- и фагоцитоз)? Какие элементы цитоскелета клетки, соединяясь с ПМ, обеспечивают изменение ее конфигурации и далее – пино- и фагоцитоз?

• Липосомы - это искусственно приготовленные из фос-фолипидов мембранные пузырьки. Почему их можно использовать для введения внутрь клеток лекарственных препаратов?

Ответьте на вопросы:

• Сколько ядер имеют большинство клеток человека? Ка­кие клетки человека безъядерные? Имеют два и много ядер?

• Зависит ли количество пор в ядерной мембране от фун­кционального состояния клетки? Увеличивается или уменьшается их количество с повышением синтети­ческой активности в клетке? Чем это можно объяснить?

Функции компонентов ядра

Таблица 5

Поверхностный комплекс животной эукариотической клетки

Компонент	Особенности и функции
Гликокаликс	Представлен периферическими белками ПМ и углеводами (2 - 10%) в составе гликолипидов и гликопро-теидов. Определяет межклеточные узнавания, антигенные, адгезивные и рецепторные свойства клетки.
Плазмалемма	Бислой фосфолипидов (25 - 60%) в комплексе с белками (40 - 75%). Периферические белки расположены на поверхности ПМ, связаны с полярными головками ли-пидных молекул. Основная их функция - рецепторная. Полупогруженные в бислой белки связаны с липидами гидрофобными взаимодействиями. Пронизывающие бислой белки определяют рецепторную, ферментативную и транспортную функции.
Кортикальный слой	Представлен микротрубочками и микрофиламентами. Определяет форму клетки, передачу внешних сигналов глубинным структурам клетки.

Задание 10. Ядро

Изучите по табл. 6 особенности строения и функции компонентов ядра. На электронной микрофотографии ядра найдите оболочку, поры, хроматин, ядрышко. Обратите внимание на связь наружной мембраны ядерной оболочки с каналами ЭПС.

-22-

Задание 11. Митохондрии (УИРС)

Рассмотрите на электронной микрофотографии субмикро­скопическое строение митохондрии. Найдите наружную и внутреннюю мембраны, юристы, матрикс, рибосомы. Пользуясь материалом табл. 7, ответьте на вопросы:

• Какие факты свидетельствуют о том, что митохондрии -потомки древних прокариотических клеток, вступивших на ранних этапах происхождения эукариотической клетки в эндосимбиотические отношения с другими прокарио-тическими клетками?

• Общая масса митохондрий по отношению к массе клеток различных органов крысы составляет: в поджелудочной железе - 7,9%, в печени - 18,4%, в сердце - 35,8%. Почему в клетках этих органов различное содержание митохондрий?

• В каких клетках человека - эмбриональных или взрослого организма - митохондрии более многочисленны?

Строение и функции митохондрий

Матрикс

Внутренняя среда митохондрии, в которой раз- мещена ДНК, мелкие рибосомы (70S), ферменты репликации, транскрипции, трансляции, цикла Кребса.

Задание 12. Проверка усвоения материала

Проверьте усвоение материала по тестам из методи­ческого пособия «Основы цитологии» (с. 16 - 50).