Тема 4 Морфологические, физиологические и биохимические аспекты жизнедеятельности клеток

Цель:

- сформировать у студентов понятия о клетке как целостной живой системе.

- ознакомить со строением и функциями клетки

План:

1 Типы клеточной организации

2 Строение эукариотических клеток

а) Структуры общие для животных и растительных клеток

б) Структуры свойственные растительным клеткам.

1 Типы клеточной организации

Среди живых организмов только вирусы не имеют клеточного строения. Все остальные организмы представлены клеточными формами жизни. Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли, к эукариотам – растение, грибы и животные.

Прокариотические клетки устроены сравнительно просто. Они не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеотид, единственная молекула ДНК кольцевая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид – муреин, мембранные органоиды отсутствуют, их функции выполняют впячивания плазматической мембраны, рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру.

Эукариотические клетки имеют ядро, в котором находятся хромосомы.

Растительные клетки отличаются наличием толстой целлюлозной клеточной стенки, пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр, высших растений не содержит центриоли. Запасным углеводом является крахмал.

Клетки грибов имеют клеточную стенку, содержащую хитин, в цитоплазме имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Главным резервным углеводом является гликоген.

Животные клетки не имеют клеточной стенки, не содержат пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна центриоль. Запасным углеводом является гликоген.

В зависимости от количества клеток, из которых состоят организмы, их делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят из одной клетки, выполняющей функции целостного организма. Одноклеточными являются все прокариоты, а также простейшие, некоторые зеленые водоросли и грибы. Тело многоклеточных организмов состоит из множества клеток, объединенных в ткани, органы, системы органов. Клетки многоклеточного организма специализированы для выполнения определенной функции и могут существовать вне организма лишь в микросреде, близкой к физиологической (например, в условиях культуры тканей). Клетки в составе многоклеточного организма различаются по размерам, форме, структуре и выполняемым функциям. Несмотря на индивидуальные особенности, все клетки построены по единому плану и имеют много общих черт.

2 Строение эукариотических клеток

Все клетки состоят из трех основных частей:

1. клеточная оболочка ограничивает клетку от окружающей среды.

2. цитоплазма составляет внутреннее содержимое клетки.

3. ядро – содержит генетический материал клетки.

Клеточная оболочка. Основу клеточной оболочки составляет плазматическая мембрана – биологическая мембрана, ограничивающая внутреннее содержимое клетки от внешней среды.

Все биологические мембраны представляют собой двойной слой липидов, гидрофобные концы которых обращены внутрь, а гидрофильные головки – наружу. В него на различную глубину погружены белки. Белки способны перемещаться в плоскости мембраны. Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт различных молекул; получение и преобразование сигналов из окружающей среды; поддержание структуры мембран. Наиболее важное свойство мембран – избирательная проницаемость.

Плазматические мембраны животных клеток имеют снаружи слой гликокаликса, состоящий из гликопротеинов и гликолипидов, и выполняющий сигнальную и рецепторную функции. Он играет важную роль в объединении клеток в ткни. Плазматические мембраны растительных клеток покрыты клеточной стенкой из целлюлозы. Поры в стенке позволяют пропускать воду и небольшие молекулы, а жесткость обеспечивает клетке механическую опору и защиту.

Клеточная оболочка выполняет следующие функции: определяет и поддерживает форму клетки; защищает клетку от механических воздействий и проникновения повреждающих биологических агентов; ограничивает внутреннее содержимое клетки; регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава; осуществляет узнавание многих молекулярных сигналов; участвует в формировании межклеточных контекстов и различного рода специфических выпячиваний цитоплазмы (микроворсинок, ресничек, жгутиков).

Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из основного вещества (гиалоплазмы) и находящихся в нем разнообразных внутриклеточных структур (включений и органоидов).

Гиалоплазма (матрикс) – это водный раствор неорганических и органических веществ, способный изменять свою вязкость и находящийся в постоянном движении.

Цитоплазматические структуры клетки представлены включениями и органоидами. Включения – непостоянные структуры цитоплазмы в виде гранул (крахмал, гликоген, белки) и капель (жиры). Органоиды – постоянные и обязательные компоненты большинства клеток, имеющие специфическую структуру и выполняющие важные функции. Органоиды бывают мембранные (одно и двумембранные) и немембранные.

Одномембранные органоиды – эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли. Эндоплазматическая сеть – система соединенных между собой полостей, трубочек и каналов, ограниченных от цитоплазмы одним слоем мембраны и разделяющих цитоплазму клеток на изолированные пространства. Это необходимо, чтобы отделить множество параллельно идущих реакций. Выделяют шероховатый (на его поверхности расположены рибосомы, на которых синтезируются белки) и гладкий (на его поверхности осуществляется синтез липидов и углеводов).

Аппарат Гольджи представляет собой стопку из 5-20 уплощенных дисковидных мембранных полостей и отшнуровывающихся от них микропузырьков. Его функция – трансформация, накопление, транспорт поступающих в него веществ к различным структурам или за пределы клетки. Мембраны аппарата Гольджи способны образовывать лизосомы.

Лизосомы – мембранные пузырьки, содержащие литические ферменты. В лизосомах перевариваются как поступающие в клетку путем эндоцитоза продукты, так и составные части клеток или клетки целиком. Различают первичные и вторичные лизосомы. Первичные лизосомы – это отшнуровывающиеся от полостей аппарата Гольджи микропузырьки, окруженные одиночной мембраной и содержащие набор ферментов. После слияния первичных лизосом с субстратом, подлежащим расщеплению, образуются вторичные лизосомы.

Вакуоли – наполненные жидкостью мембранные мешки. Мембрана называется тонопластом, и содержимое клеточным соком. В клеточном соке могут находиться запасные питательные вещества, растворы пигментов, отходы жизнедеятельности, гидролитические ферменты. Вакуоли участвуют в регуляции водно – солевого обмена, создании тургорного давления, накоплении запасных веществ и выведении из обмена токсичных соединений.

Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли являются одномембранными структурами и образуют единую мембранную систему клетки.

Двумембранные органоиды клетки: митохондрии и пластиды, они имеют собственную кольцевую молекулу ДНК, рибосомы мелкого размера и способны делиться. Митохондрии – органоиды палочковидной, овальной или округлой формы. Содержимое митохондрий (матрикс) ограничено от цитоплазмы двумя мембранами: наружной гладкой и внутренней, образующей складки (кристы). В митохондриях образуются молекулы АТР.

Пластиды – органоиды, окруженные оболочкой, состоящей из двух мембран, с гомогенным веществом внутри (стромой). Пластиды характерны только для клеток фотосинтезирующих эукариотических организмов. В зависимости от пигментов различают хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

Хлоропласты – зеленые пластиды, в которых протекает процесс фотосинтеза. Наружная мембрана гладкая. Внутренняя – формирует систему плоских пузырьков (тилакоидов), которые собраны в стопки (граны). В мембранах тилакоидов содержатся хлорофиллы и каратиноиды. Хромопласты – содержат каратиноиды, придающие им красную, желтую или оранжевую окраску. Они придают яркую окраску цветам и плодам. Лейкопласты – непигментированные, бесцветные пластиды. Содержатся в клетках подземных или неокрашенных частей растений (корней, корневищ, клубней). Способны накапливать запасные питательные вещества, в первую очередь крахмал, липиды и белки. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, а хлоропласты – в хромопласты (при созревании плодов).

Немембранные органоиды: рибосомы, микрофилламенты, микротрубочки, клеточный центр.

Рибосомы – мелкие органоиды, образованные двумя субъединицами: большой и малой. Они состоят из белков и РНК. На рибосомах происходит синтез белка.

Микротрубочки и микрофилламенты – нитевидные структуры (состоящие из сократительных белков и обуславливающие двигательные функции клетки. Микротрубочки имеют вид длинных полых цилиндров, стенки которых состоят из белков – тубулинов. Микрофилламенты еще более тонкие, длинные, нитевидные структуры, состоящие из актина и миозина. Микротрубочки и микрофилламенты пронизывают всю цитоплазму клетки, формируя ее цитоскелет, обуславливают циклоз (ток цитоплазмы), внутриклеточные перемещения органоидов, образуют веретено деления. Определенным образом организованные микротрубочки, формируют центриоли клеточного центра, базальные тельца, реснички, жгутики.

Клеточный центр (центросома) обычно находится в близи ядра, состоит из двух центриолей, располагающихся перпендикулярно друг другу.

Каждая центриоль имеет вид полого цилиндра, стенка которого образована 9 триплетами микротрубочек. Центриоли играют важную роль в делении клетки, образуя веретено деления.

Жгутики и реснички – это органоиды движения, представляющие собой своеобразные выросты цитоплазмы клетки. Остов жгутика и реснички имеет вид цилиндра, по периметру которого располагаются 9 парных микротрубочек, а в центре – 2 одиночные.

Ядро имеет шаровидную или овальную форму. В состав ядра входят: ядерная оболочка, кариоплазма, хроматин и ядрышки. Ядерная оболочка образована двумя мембранами, имеющими ядерные поры. Через них осуществляется обмен веществом между ядром и цитоплазмой.

Кариоплазма – внутреннее содержимое ядра. Хроматин – неспирализованная молекула ДНК связанная с белками. В таком виде ДНК присутствует в неделящих клетках. При этом возможно удвоение ДНК (репликация) и реализация заключенной в ДНК информации. Хромосома – спирализованная молекула ДНК, связанная с белками. ДНК спирализуется перед делением клетки для более точного распределения генетического материала при делении. Две хроматиды объединяются между собой в области первичной перетяжки, или центромеры. Центромера делит хромосому на два плеча. Ядрышко – сферическая структура, функция которой – синтез рРНК.

Функции ядра – 1. хранение генетической информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления.