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.
Органоиды (органеллы) - это специализированные участки цитоплазмы клетки, имеющие специфическую структуру и выполняющие определенные функции в клетке. Большинство органоидов имеет мембранное строение. Мембраны отсутствуют в структуре рибосом и клеточного центра.
РИБОСОМЫ представляют собой мелкие сферические органоиды, состоящие из двух неравных субъединиц и содержащие примерно равное количество белка и р-РНК. Субъединицы рибосом синтезируются в ядрышках и через поры ядерной мембраны поступают в цитоплазму, где располагаются либо на мембранах эндоплазматической сети, либо свободно. При синтезе белков они могут объединяться на информационной РНК в группы (полисомы) числом от 5 до 70. Рибосомы непосредственно участвуют в сборке белковых молекул. Они содержатся в клетках всех типов.
ЦЕНТРОСОМА, ИЛИ КЛЕТОЧНЫЙ ЦЕНТР - органоид, находящийся вблизи ядра, характерен для большинства животных клеток, имеется у некоторых грибов, водорослей, мхов и папоротников. Это центр организации микротрубочек. Функция центросомы заключается в образовании полюсов деления и формировании микротрубочек веретена деления, с помощью которых происходит растягивание дочерних хромосом в анафазе мейоза и митоза. Хотя центросома играет важнейшую роль в клеточном делении, недавно было показано, что она не является необходимой. У многих живых организмов (животных и ряда простейших) центросома содержит пару центриолей, цилиндрических структур, расположенных под прямым углом друг к другу.
Впервые обнаружена в 1888 г. Теодором Бовери, который назвал её «особым органом клеточного деления». В подавляющем большинстве случаев в клетке в норме присутствует только одна центросома. Аномальное увеличение числа центросом характерно для раковых клеток.
Помимо участия в делении ядра, центросома играет важную роль в формировании жгутиков и ресничек. Центриоли, расположенные в ней, выполняют функцию центров организации для микротрубочек аксонем жгутиков. У организмов, лишенных центриолей (например, у сумчатых и базидиевых грибов, покрытосеменных растений), жгутики не развиваются.
КОМПЛЕКС (АППАРАТ) ГОЛЬДЖИ - сложная сеть, расположенная вокруг ядра (сетчатый комплекс). В клетках протистов и растений он представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы – диктиосомами, каналами, цистернами, которые окружены мембранами. В них происходит сортировка и упаковка поступивших макромолекул. От них отпочковываются пузырьки с веществами, необходимыми клетке. Комплекс Гольджи соединен с каналами эндоплазматической сети. Основные его функции: 1) концентрация, обезвоживание и уплотнение синтезированных в клетке белков, жиров, полисахаридов и веществ, поступивших извне, подготовка их к использованию или выведению из клетки; 2) образование лизосом и сборка сложных комплексов органических веществ, например гликопротеинов.
ЛИЗОСОМЫ - шаровидные мелкие тельца (пузырьки), покрытые элементарной мембраной и содержащие около 40 гидролитических ферментов, способных в кислой среде (рН 4,5-5,0) расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Лизосомы могут также лизировать стареющие органоиды. Образование лизосом происходит в комплексе Гольджи. Продукты лизиса через мембрану лизосом поступают в цитоплазму и включаются в дальнейший обмен веществ.
СФЕРОСОМЫ - мелкие тельца, первоначально окруженные биологической мембраной и содержащие специфические ферменты. Функция сферосом состоит в накоплении жира. Зрелая сферосома обычно представляет собой каплю жира, окруженную биологической мембраной или белковой оболочкой.
Мелкие сферические или эллипсоидальные органоиды, окруженные одной мембраной, получили название микротелец . Наиболее известные из них - глиоксисомы и пероксисомы.
ГЛИОКСИСОМЫ содержат ферменты, необходимые для превращения жиров в углеводы, что происходит во время прорастания семян. В них осуществляется цикл глиоксиловой кислоты.
ПЕРОКСИСОМЫ обнаружены в большинстве типов клеток. Функции пероксисом зависят от типа клетки. В ряде случаев они имеют непосредственное отношение к фотодыханию, играя важную роль в метаболизме гликолевой кислоты.
ПАРАМУРАЛЬНЫЕ ТЕЛЬЦА - особые тельца, первоначально возникающие в виде впячиваний в плазмалемме. Такие впячивания позднее могут отделяться от плазмалеммы и внедряться в цитоплазму.
ПЛАЗМИДЫ представляют собой кольцевые двуцепочечные молекулы ДНК, существующие в большинстве изученных клеток в автономном, не связанном с хромосомами состоянии. Они являются внехромосомными факторами наследственности и интенсивно используются в генной инженерии в качестве молекулярных переносчиков чужеродной ДНК. Наиболее изучены бактериальные плазмиды.
ОРГАНОИДЫ ДВИЖЕНИЯ КЛЕТОК (у животных) представлены жгутиками и ресничками. Это выросты цитоплазмы, покрытые элементарной мембраной, под которой находится 20 микротрубочек, образующих 9 пар по периферии и 2 одиночные в центре. У основания ресничек и жгутиков расположены базальные тельца, образующие микротрубочки этих органоидов. Длина жгутиков достигает 100 мкм. Короткие (10-20 мкм) многочисленные жгутики называются ресничками. Реснички и жгутики служат для передвижения организмов (бактерии, протесты, ресничные черви), половых клеток (сперматозоидов) либо для перемещения частиц или жидкостей (реснички мерцательного эпителия дыхательных путей, яйцеводов и др.).
МИТОХОНДРИИ - это палочковидные, нитевидные или шаровидные органеллы. Оболочка митохондрий состоит из двух мембран - наружной гладкой, и внутренней, образующейвыросты - кристы, кармановидные мешочки, которые вдаются во внутреннее гомогенное содержимое митохондрии - матрикс. Совокупность митохондрий в клетке называют хондриомом .
Наружная мембрана проницаема для неорганических ионов и относительно крупных молекул, в частности аминокислот, сахарозы и т. д., регулирует поступление веществ в митохондрию и их выведение.
В матриксе встречаются рибосомы, митохондриальная ДНК, промежуточные продукты обмена, а также многочисленные ферменты, которые локализованы на внутренней мембране, за счет этого резко увеличивается поверхность митохондрии. Митохондрии являются дыхательными центрами клетки, присутствуют во всех клетках с аэробным дыханием.
Основная функция митохондрии - образование энергии. Большая часть энергии сразу же расходуется на синтез АТФ из АДФ, часть непосредственно используется на активный транспорт через мембрану или на выработку тепла. Молекулы богатой энергией АТФ выходят из митохондрии и используются для поддержания процессов жизнедеятельности клетки - поглощения, выделения, различных синтезов, деления и т. д. При этом АТФ превращается в АДФ, которая опять поступает в митохондрии.
Источником энергии являются процессы окисления различных веществ (главным образом сахаров). Окисление, осуществляющееся в растительной клетке в процессе дыхания, сопровождается выделением большого количества энергии, которая консервируется в митохондриях путем образования АТФ. Присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ при синтезе АТФ в митохондриях носит название окислительного фосфорилирования.
Митохондрии могут делиться пополам (перешнуровываться) либо отпочковываться. В клетке митохондрии развиваются под контролем ядра.
ПЛАСТИДЫ - органоиды, содержащиеся только в растительных клетках. Они подразделяются на три группы - хлоропласты (зеленые), хромопласты (чаще желтые или оранжевые) и лейкопласты (бесцветные). Предшественниками пластид являются протопластиды (этиопласты) – бесцветные образования в делящихся клетках. Пластиды имеют сходное строение и при определенных условиях могут переходить из одного вида в другой. Так, при хранении картофеля и моркови на свету лейкопласты и хромопласты превращаются в хлоропласты (овощи зеленеют). Совокупность всех пластид в клетке называют пластидомом .
Хлоропласты по форме напоминают двояковыпуклую линзу и содержат зеленый пигмент хлорофилл. Существует несколько модификаций хлорофиллов - а, b, c, d. Хлоропласты имеются в листьях, молодых побегах, незрелых плодах. Стенка хлоропласта образована двумя мембранами , внутри находится бесструктурное содержимое - строма. Строма пронизана системой параллельно расположенных элементарных мембран, являющихся продолжением внутренней мембраны. Их называют тилакоидами . В некоторых местах мембраны тилакоидов плотно прилегают друг к другу, образуя стопки - граны. На тилактоидах гран располагаются молекулы хлорофилла, улавливающие солнечный свет, и ферменты, синтезирующие АТФ. В строме локализованы ферменты фиксации СО 2 и синтеза органических соединений с использованием энергии АТФ. Таким образом, в гранах протекает световая фаза фотосинтеза, а в строме - темновая. В строме хлоропластов имеется автономная система синтеза белков (ДНК, РНК и рибосомы). Основные функции хлоропластов - фотосинтез и синтез специфических белков. У водорослей хлоропласт часто один, крупный, специфический и называется хроматофором .
Лейкопласты - бесцветные пластиды, содержащиеся чаще в неокрашенных частях растений - стеблях, корнях, луковицах и т. п. Форма их может быть различной и непостоянна, внутренние мембраны развиты слабо. В лейкопластах могут синтезироваться и накапливаться белки, жиры и полисахариды (крахмал). Лейкопласты, накапливающие крахмал, называют амилопластами, накапливающие белки – протеопластами , жирные масла - олеопластами .
Хромопласты - пластиды, содержащие растительные пигменты (кроме зеленого), придающие окраску цветкам, плодам, стеблям и другим частям растений благодаря накоплению в них каротиноидов. Хромопласты – конечный этап в развитии пластид. Они мельче хлоропластов, имеют нелинзовидную форму, внутренняя мембранная система у них обычно отсутствует. Наиболее часто хлоропласты превращаются в хромопласты при осеннем пожелтении листьев или созревании плодов. Процесс превращения других пластид в хромопласты необратим.
ЯДРО РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ является обязательным компонентом всех растительных эукариотических клеток. Некоторые клетки имеют два и более ядер (грибы и др.). Форма и размеры ядра зависят от формы и величины клетки и выполняемой ею функции. В округлых и многоугольных клетках оно обычно шаровидное, в вытянутых - палочковидное или овальное.
По химическому составу ядро отличается от остальных компонентов клетки высоким содержанием ДНК (15-30 %) и РНК (12 %); 99 % ДНК клетки сосредоточено в ядре, где она вместе с белками образует комплексы - дезоксирибонуклеопротеины (ДНП).
Ядро выполняет две главные функции:
♦ хранение и воспроизведение наследственной информации;
♦ регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке.
В процессе деления клеток структуры ядра претерпевают значительные изменения.
В интерфазном ядре
различают ядерную оболочку, ядерный сок, хроматин и ядрышки.
Ядерная оболочка (кариолемма) представлена двумя биологическими мембранами, между которыми находится перинуклеарное пространство. Наружная ядерная мембрана непосредственно соединена с мембранами каналов эндоплазматической сети. На наружной мембране располагаются рибосомы, внутренняя мембрана гладкая. Ядерная оболочка пронизана многочисленными порами, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Основная функция ядерной оболочки - регуляция обмена веществ. Кроме того, она выполняет защитную функцию.
Ядерный сок (кариоплазма) - это однородная масса, заполняющая пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). В его состав входят вода, белки (ферменты), нуклеотиды, аминокислоты и различные виды РНК (и-РНК, т-РНК, р-РНК). Ядерный сок осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.
Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), выявляемый под световым микроскопом в виде тонких нитей и гранул. Так выглядят деспирализованные хромосомы в интерфазе. В процессе митоза хроматин путем спирализации образует хорошо видимые (особенно в метафазе) интенсивно окрашивающиеся структуры - хромосомы. Основная функция хромосом состоит в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации в клетке.
Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей ДНП - хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки - центромеры, к которой прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки различают следующие типы хромосом: метацентрические (равноплечие,), в которых центромера расположена посередине, а плечи примерно равной длины; субметацентрические (неравноплечие), когда центромера смещена от середины хромосомы, а плечи неравной длины; акроцентрические (палочковидные,), когда центромера смещена к концу хромосомы и одно плечо очень короткое. В некоторых хромосомах могут быть вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником .
Ядрышки обычно имеют шаровидную форму, не окружены мембраной и находятся в контакте с ядерным соком. Они содержат белки и р-РНК в равном соотношении. Ядрышки - непостоянные образования, они растворяются в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Их образование связано со вторичными перетяжками (ядрышковыми организаторами) спутничных хромосом. В области вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК и белков. В ядрышках происходит формирование рибосом, которые затем выходят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке.
РАЗЛИЧИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ И ЖИВОТНОЙ КЛЕТКИ:
♦ клетки животных не имеют клеточной стенки (покрыты только элементарной мембраной), у клеток растений есть клеточная стенка (поверх мембраны имеется оболочка: у растений ее основой является полисахарид целлюлоза, у грибов стенка состоит главным образом из азотсодержащего полисахарида хитина). Симпластический обмен веществ осуществляется в растительных клетках осуществляется через плазмодесмы.
♦ животная клетка - гетеротроф, она не содержит пластид, растительная - автотроф, имеет пластиды;
♦ в животной клетке имеются центриоли, в растительной - нет;
♦ в животной клетке нет центральной вакуоли, в растительной она имеется и содержит клеточный сок;
запасное питательное вещество животной клетки и у большинства грибов - гликоген,
у растительной – полисахарид крахмал.
ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК. У многоклеточных организмов рост и развитие происходят в результате роста и деления клеток, составляющих его тело. Существуют 4 способа деления клетки: амитоз, эндомитоз, митоз и мейоз.
АМИТОЗ, или прямое деление, - способ, при котором происходит вначале разделение ядрышка, затем простое деление ядра на два перетяжкой в виде цифры 8, вслед за этим наступает полное деление протопласта и всей клетки на две. При этом ядерное вещество не всегда равномерно распределяется между дочерними клетками. Амитоз встречается в клетках стареющих тканей либо больных, поэтому деление носит патологический характер. Открыт Николаем Ивановичем Железновым в 1840 году.
ЭНДОМИТОЗ представляет собой внутриклеточное деление. Происходит редупликация хромосом в клетке, но хромосомы не расходятся по полюсам. Эндомитоз часто является причиной полиплоидии.
МИТОЗ , или кариокинез, - широко распространенный, универсальный способ деления. Этим способом делятся вегетативные клетки (соматические) всех растений, животных и человека. Митотическое деление - сложный процесс, благодаря которому клеточный материал распределяется между дочерними клетками поровну. Открыт в 1874 году Иваном Дорофеевичем Чистяковым.
Митоз - одна из частей клеточного цикла, но так как он достаточно сложен, в его составе были выделены четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Удвоение хромосом происходит еще в ходе интерфазы. В результате этого, в митоз хромосомы вступают уже удвоенными, напоминающими букву X (идентичные копии материнской хромосомы соединены друг с другом в области центромеры). Продолжительность митоза составляет 0,5-3 ч.
В профазе начинает увеличиваться объем ядра, хромосомы становятся видимыми вследствие спирализации хроматина. К концу профазы заметно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных в области центромеры. Постепенно исчезает ядрышко, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
Метафаза характеризуется максимальной спирализацией хромосом. Они упорядочение располагаются на экваторе клетки, образуя метафазную пластинку. При этом отчетливо видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид (2n2хр), поэтому подсчет и изучение хромосом проводят именно в данный период.
В анафазе соединение в районе центромеры разрушается, хромосомы делятся и расходятся к полюсам деления.
В телофазу собравшиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг них из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. Восстанавливаются ядрышки. Одновременно идет деление цитоплазмы в животных клетках - путем перетяжки, а в растительных - путем построения мембраны, начиная с середи ны клетки (цитокинез). Образовавшиеся дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды (2n1хр).
Биологическое значение митоза заключается в точном распределении хромосом и содержащейся в них генетической информации между дочерними клетками, что обеспечивает постоянство кариотипа и генетическую преемственность в многочисленных клеточных поколениях. Митоз обусловливает важнейшие явления жизнедеятельности: рост, развитие и восстановление тканей и органов организма.
МЕЙОЗ (редукционное деление). Открыт в 1885 году Владимиром Ивановичем Беляевым. Мейозу подвержены половые клетки (гаметы). Весь процесс слагается из двух делений ядра, быстро следующих друг за другом. Наиболее сложно первое деление, при котором происходит редукция хромосом. Второе деление протекает как типичное митотическое. В результате мейоза образуются 4 гаплоидные клетки, представляющие в одних случаях споры (у большинства низших и у всех высших архегониальных растений), а в других - гаметы.
Профаза мейоза I длительна и распадается на 5 стадий – лептонему, зигонему, пахинему диплонему, диакинез. Происходит постепенная спирализация хроматина, образуются видимые хромосомы. Гомологичные хромосомы попарно сближаются сначала в области центромер, а затем по всей длине, образуя одну общую структуру, состоящую из двух хромосом и четырех хроматид. Их называют бивалентами или тетрадами (bi - два, tetra - четыре). Тесное соприкосновение двух гомологичных хромосом называется конъюгацией. В процессе конъюгации между некоторыми хроматидами гомологичных хромосом может происходить обмен участками - кроссинговер, приводящий к перекомбинации генетического материала. К концу профазы растворяются ядерная оболочка и ядрышки, формируется ахроматиновое веретено деления. Проконъюгировавшие хромосомы сначала разделяются в области центромер, оставаясь соединенными в области плеч, и образуют перекресты (хиазмы). Расхождение хроматид постепенно увеличивается, и перекресты смещаются к их концам. Содержание генетического материала в этот период - 2n2хр.
В метафазе мейоза I гомологичные хромосомы располагаются попарно в экваториальной плоскости клетки. В этот момент спирализация их достигает максимума. Содержание генетического материала не изменяется (2n2хр).
В анафазе мейоза I гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, расходятся к противоположным полюсам клетки. Следовательно, из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна - число хромосом уменьшается вдвое (происходит редукция). Содержание генетического материала становится 1n2хр у каждого полюса.
В телофазе происходит формирование ядер и разделение цитоплазмы - образуются две дочерние клетки. Каждая клетка содержит гаплоидный набор хромосом, состоящих из двух хроматид (1n2хр).
Интеркинез – переходная фаза между делениями.
Мейоз II протекает по типу митоза. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Изменений генетического материала не происходит (1n2хр). В анафазе мейоза II хроматиды каждой хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки и содержание генетического материала у каждого полюса становится 1n1хр. В телофазе образуются 4 гаплоидные клетки (1n1хр).
Редукционное деление имеет важное биологическое значение . 1) Благодаря редукции хромосом сохраняются виды, так как гаметы с гаплоидным числом хромосом после слияния восстанавливают первоначальное число хромосом, характерное для данного вида. 2) Обеспечивается возможность рекомбинации хромосом и генов при половом процессе. Это обеспечивает появление разнообразного и разнокачественного потомства при половом размножении организмов. 3) Благодаря мейозу происходит чередование ядерных фаз - диплоидной и гаплоидной, что, в свою очередь, обусловливает чередование бесполого (спорофита) и полового (гаметофита) поколения в цикле их развития. Чередование поколений играет решающую роль в сохранении видов, образованных в результате эволюции.
Митоз . I-III - профаза; IV - метафаза;
V-VI - анафаза; VII-VIII - телофаза.
Мейоз
. Профаза I (1-5), 6 - метафаза I;
7 - анафаза I; 8 - телофаза I; 9 - интеркинез;
10 - метафаза II; 11 - анафаза II; 12 - телофаза II.
Одна из двух гомологичных хромосом заштрихована, другая - белая. Обмен белыми
и заштрихованными участками хромосом - результат кроссинговера.
Маленькие белые кружки - центромеры, большой круг - контур ядра.
В метафазе и анафазе обоих делений ядерная мембрана исчезает. В телофазе возникает снова. В метафазе и анафазе обоих делений стрелками показано направление растягивания и движения хромосом с помощью нитей веретена.
Кристаллы и скопления минеральных солей в клетках:
1 - цистолит в клетке эпидермы листа инжира, 2 - рафиды в клетках листа традесканции, 3 - друзы в клетках палисадной ткани листа инжира, 4 - друзы и одиночные кристаллы в клетках черешка бегонии, 5 - одиночные кристаллы в клетках эпидермы чешуи луковицы лука, 6 - скопление мелких кристаллов («кристаллический песок») в клетках мезофилла листа красавки (белладонны)
Целлюлоза (клетчатка) . Она, как и крахмал, является полимером глюкозы, однако из-за различий в строении молекулярной цепочки целлюлоза не расщепляется в кишечнике человека.
Пектин - природный полимер Д - галактуроновой кислоты
Гемицеллюлоза – полисахарид клеточной оболочки, состоящий из полимеров глюкозы и гексозы. Г. отличается от целлюлозы лучшей р-римостью в р-рах щелочей и способностью легко гидролизоваться кипящими разб. минеральными к-тами.
Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов.
Все простейшие - одноклеточные или многоклеточные, не имеющие высокоорганизованных тканей.
Мононуклеотид аденозинтрифосфорная кислота, аденозинтрифосфат, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены между собой высокоэнергетическими связями
Центриоли принимают участие в формировании цитоплазматических микротрубочек во время деления клетки и в регуляции образования митотического веретена. В клетках растений центриолей нет, и митотическое веретено образуется там иным способом.
Архегониальные растения (Archegoniatae), растения, имеющие женский половой орган в форме архегония. А. р. впервые были выделены в отдельный тип в 1876 русским ботаником И.Н. Горожанкиным, который включал сюда голосеменные, мохообразные и папоротникообразные, в отличие от покрытосеменных, у которых нет архегония, а имеется сложный женский орган - пестик. Большинство ботаников выделяют эти группы в три самостоятельных типа: мохообразные, папоротникообразные и голосеменные.
Растение, как и всякий живой организм, состоит из клеток, причем каждая клетка порождается тоже клеткой. Клетка - это простейшая и обязательная единица живого, это его элемент, основа строения, развития и всей жизнедеятельности организма.
Существуют растения, построенные из одной-единственной клетки. К ним относятся одноклеточные водоросли и одноклеточные грибы. Обычно это микроскопические организмы, но есть и довольно крупные одноклеточные (длина одноклеточной морской водоросли ацетабулярии достигает 7 см). Большинство растений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, - это многоклеточные организмы, построенные из большого числа клеток. Например, в одном листе древесного растения их около 20 000 000. Если дерево имеет 200 000 листьев (а это вполне реальная цифра), то число клеток во всех них составляет 4 000 000 000 000. Дерево в целом содержит еще раз в 15 больше клеток.
Растения, за исключением некоторых низших, состоят из органов, каждый из которых выполняет свою функцию в организме. Например, у цветковых растений органами являются корень, стебель, лист, цветок. Каждый орган обычно построен из нескольких тканей. Ткань - это собрание клеток, сходных по строению и функциям. Клетки каждой ткани имеют свою специальность. Выполняя работу по своей специальности, они вносят вклад в жизнь целого растения, которая состоит в сочетании и взаимодействии разных видов работы различных клеток, органов, тканей.
Основными, самыми общими компонентами, из которых построены клетки, являются ядро, цитоплазма с многочисленными органоидами различного строения и функций, оболочка, вакуоль. Оболочка покрывает клетку снаружи, под ней находится цитоплазма, в ней - ядро и одна или несколько вакуолей. Как строение, так и свойства клеток разных тканей в связи с их разной специализацией резко различаются. Перечисленные основные компоненты и органоиды развиты в них в различной степени, имеют неодинаковое строение, а иногда тот или иной компонент может вовсе отсутствовать.
Главнейшими группами тканей, из которых построены вегетативные (непосредственно не связанные с размножением) органы высшего растения, являются следующие: покровные, основные, механические, проводящие, выделительные, меристематические. В каждую группу обычно входит несколько тканей, имеющих сходную специализацию, но построенных каждая по-своему из определенного вида клеток. Ткани в органах не изолированы друг от друга, а составляют системы тканей, в которых элементы отдельных тканей чередуются. Так, древесина - это система из механической и проводящей, а иногда и основной ткани.
В растительной клетке следует различать клеточную оболочку и содержимое. Основные жизненные свойства присуши именно содержимому клетки - протопласту. Кроме того, для взрослой растительной клетки характерно наличие вакуоли - полости, заполненной клеточным соком. Протопласт состоит из ядра, цитоплазмы и включенных в нее крупных органелл, видимых в световой микроскоп: пластид, митохондрий. В свою очередь цитоплазма представляет собой сложную систему с многочисленными мембранными структурами, такими, как аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, и немембранными структурами-микротрубочки, рибосомы и др. Все указанные органеллы погружены в матрикс цитоплазмы - гиалоплазму, или основную плазму.
Каждая из органелл имеет свою структуру и ультраструктуру. Под ультраструктурой понимается расположение в пространстве отдельных молекул, составляющих данную органеллу. Даже с помощью электронного микроскопа далеко не всегда можно увидеть ультраструктуру более мелких органелл (рибосом). По мере развития науки открываются все новые структурные образования, находящиеся в цитоплазме, и в этой связи наши современные представления о ней ни в коей мере не являются окончательными. Размеры клеток и отдельных органелл приблизительно следующие: клетка 10 мкм, ядро 5-30 мкм, хлоропласт 2-6 мкм, митохондрии 0,5-5 мкм, рибосомы 25 нм. В создании надмолекулярных структур отдельных органоидов клетки большое значение имеют так называемые слабые химические связи.
Наиболее важную роль играют водородные, вандерваальсовы и ионные связи. Важнейшей особенностью является то, что энергия образования этих связей незначительна и лишь немного превышает кинетическую энергию теплового движения молекул. Именно поэтому слабые связи легко возникают и легко разрушаются. Средняя продолжительность жизни слабой связи составляет лишь долю секунды. Наряду со слабыми химическими связями большое значение имеют гидрофобные взаимодействия. Обусловлены они тем, что гидрофобные молекулы или части молекул, находящиеся в водной среде, располагаются так, чтобы не контактировать с водой. При этом молекулы воды, объединяясь друг с другом, как бы выталкивают неполярные группы, сближая их. Именно слабые связи определяют в большой степени конформацию (форму) таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты, лежат в основе взаимодействия молекул и, как следствие, в образовании и самосборке субклеточных структур, в том числе органелл клетки.
Для поддержания сложной структуры цитоплазмы необходима энергия. Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к уменьшению упорядоченности, к энтропии. Поэтому любое упорядоченное расположение молекул требует притока энергии извне. Выяснение физиологических функций отдельных органелл связано с разработкой метода их изоляции (выделения из клетки). Таков метод дифференциального центрифугирования, который основан на разделении отдельных компонентов протопласта. В зависимости от ускорения удается выделить все более и более мелкие фракции органелл. Совместное применение методов электронной мик-роскопии и дифференциального центрифугирования дало возможность наметить связи между структурой и функциями отдельных органелл.
Растительная клетка. Её строение, функции, химический состав. Органоиды клетки.
|
Название органоида |
Строение |
Функции |
||
|
Мембрана |
Состоит из клетчатки. Она очень упругая (это ее физическое св-во). Состоит из 3-х слоев: внутренний и внешний из которых состоят из молекул белка; средний - из двухслойной молекулы фосфолипидов. Внешняя оболочка – мягкая, образована из молекул гликокаликса. |
Опорная функция |
||
|
Плазмалемма |
Очень тонкая (10 мм). Внешняя сторона образована из углеводов, внутренняя – из толстой белковой молекулы. Покрыта молекулами углеводо-гликоликса толщиной 3- 4 мм. Химическую основу мембраны составляют: белки - 60%, жиры - 40% и углеводы - 2-10%. |
*Проницаемость; *Транспортная ф-я; *Защитная ф-я. |
||
|
Цитоплазма |
Полужидкое вещество, окружающее ядро-клетки. Основа - гиоплазма. Ее состав разнообразен. В ее составе содержатся гранулированные тела, белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, углеводы, молекулы АТФ; содержит молекулы белка тубулина. |
Может переходить из 1 состояния (жидкого) в другое - твердое и наоборот. |
||
|
МЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ |
||||
|
ЭПС (эндоплазматическая сеть) |
Состоит из полостей и копальцев. Делится на 2 вида - гранулярную и гладкую. Гранулярная - продолговатые копальца и полости; имеются плотные гранулы. Поры ЭПС взаимосвязаны с порами ядерной мембраны. |
*Уч-ет в синтезе молекул гликолипидов и их транспортировке; *Уч-ет в биосинтезе белка, транспортировке синтезирующих веществ. |
||
|
Комплекс Гольджи |
Находится в нервных клетках. Его мембрана очень хорошо впитывает раствор осмия. Комплекс Гольджи входит в состав всех эукариотических клеток. Иногда встречается в виде сети, соединенной между собой системой полостей. Бывает овальной или сердцевидной. |
*Уч-ет в формировании продуктов жизнедеятельности клетки; *Распадается до диктиосомы (при делении); *Выделительная функция. |
||
|
Лизосома |
Означает растворитель вещ-в. Встречается во всех клетках эукариот (больше в лейкоцитах). В составе содержатся ферменты гидролиза. Лизосома окружена липопротеидной мембраной, при ее разрушении ферменты лизосом воздействуют на внешнюю среду. В состав лизосом входит около 60 гидролизных ферментов. |
*Ф-я всасывания; *Ф-я выделения; *Функция защитная. |
||
|
Митохондрия |
В клетке имеет форму зерна, гранулы и встречается в кол-ве от 1 до 100 тысяч. Кол-во зависит от активности клетки. Иногда мит-рия находится в непрерывном движении. Ее ср. длина 10 мкм, диаметр 0,2-1 мкм. Она относится к друмембранным органоидам и сост. из: а) наружной мембраны, б) внутренней мембраны, в) межмембранного пространства. В матриксе митохондрии встречаются кольцевидные ДНК и РНК, рибосомы, гранулы, тельца. Синтезируются белки и жиры. Мит-рия состоит на 65-70% из белка, 25-30% из липидов, нуклеиновых кислот и витаминов. Митохондрия - это система синтеза белка. |
*Ф-ю мит-рии иногда выполняют хлоропласты; *Транспортная ф-я; *Синтез белка; *Синтез АТФ. |
||
|
Пластиды - мембранные органоиды |
Это основной органоид растит. клетки. 1) хлоропласты - зеленые, по форме овальные, длина 5 мкм, ширина 2-4 мкм, толщина – 7 мкм. Внутри много широко мембранных тилакоидов и составляющих его массу белков стром. Имеются нуклеиновые кислоты - ДНК, РНК, рибосомы. Размножаются делением. 2) хромопласты - разного цвета. В них находятся различные пигменты. Их роль велика. 3) лейкопласты - бесцветные. Находятся в тканях половых клеток, цитоплазмах спор и материнских гамет, семенах, плодах, корнях. В них идет синтез и накопление крахмала. |
*Выполняют процесс фотосинтеза |
||
|
НЕМЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ |
||||
|
Рибосома |
Сост. из двух частей: большая и малая. Имеет яйцеобразную форму, ср. диаметр-15-35нм. Бывают 2-х видов: эукариотические и прокариотические. Общ. Размер эукариотических: 80s, малой - 20s, большой - 60s. Прокариотических: от 30s до 70s (колеблется). Рибосома сост. из РНК (на 50-60% из белков). |
*Тут происходит биосинтез белка; *Синтез молекулы белка; *Транспортная ф-я. |
||
|
Клеточный центр |
Сост. из 2-х центриолей, кот имеют цилиндрическую форму, длина из 1 мкм. Центр делится пополам перед делением клетки и подтягивается от экватора к полюсам. Кл. центр удваивается путем деления. |
*Уч-ет в мейозе и митозе |
||
|
Клеточное ядро |
Имеет сложное строение. Ядерная оболочка сост. из 2-х трехслойных мембран. Поры ядерной мембраны открываются подобно порам ЭПС. В период клетки мембрана ядра исчезает и вновь образуется в новых клетках. Мембранам св-нна полупроницаемость. Ядро сост. из хромосом, сока ядра, ядрышка, РНК и др. частей, сохраняющих наследственную инф-ию и св-ва живого организма. |
*Защитная ф-я |
||
Наука, изучающая строение и функции клеток, называется цитология .
Клетка - элементарная структурная и функциональная единица живого.
Клетки, несмотря на свои малые размеры, устроены очень сложно. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы .
Цитоплазма является внутренней средой клетки, где проходят различные процессы и расположены компоненты клетки - органеллы (органоиды).
Клеточное ядро
Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки.
От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран. В оболочке ядра имеются многочисленные поры для того, чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот.
Внутреннее содержимое ядра получило название кариоплазмы
или ядерного сока
. В ядерном соке расположены хроматин
и ядрышко
.
Хроматин
представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно накручиваются спиралью на особые белки, как нитки на катушку. Такие плотные образования хорошо видны в микроскоп и называются хромосомами
.
Ядро содержит генетическую информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.
Ядрышко
представляет собой плотное округлое тело внутри ядра. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления - разрушаются.
Функция ядрышек - синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды - рибосомы
.
Рибосомы
участвуют в биосинтезе белка. В цитоплазме рибосомы чаще всего расположены на шероховатой эндоплазматической сети
. Реже они свободно взвешены в цитоплазме клетки.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) участвует в синтезе белков клетки и транспортировке веществ внутри клетки.
Значительная часть синтезируемых клеткой веществ (белков, жиров, углеводов) не расходуется сразу, а по каналам ЭПС поступает для хранения в особые полости, уложенные своеобразными стопками, “цистернами”, и отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости получили название аппарат (комплекс) Гольджи
. Чаще всего цистерны аппарата Гольджи расположены вблизи от ядра клетки.
Аппарат Гольджи
принимает участие в преобразовании белков клетки и синтезирует лизосомы
- пищеварительные органеллы клетки.
Лизосомы
представляют собой пищеварительные ферменты, “упаковываются” в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме.
В комплексе Гольджи также накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выводятся из клетки наружу.
Митохондрии - энергетические органоиды клеток. Они преобразуют питательные вещества в энергию (АТФ), участвуют в дыхании клетки.
Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы - кристы.
Плазматическая мембрана
Чтобы клетка представляла собой единую систему, необходимо, чтобы все ее части (цитоплазма, ядро, органоиды) удерживались вместе. Для этого в процессе эволюции развилась плазматическая мембрана , которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки - цитоплазму и ядро - от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.
Строение мембраны одинаково у всех клеток. Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Некоторые белки находятся на поверхности липидного слоя, другие - пронизывают оба слоя липидов насквозь.
Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие маленький диаметр. Однако более крупные частицы (молекулы пищевых веществ - белки, углеводы, липиды) через мембранные каналы пройти не могут и попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза:
- В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называется фагоцитозом (клетки растений поверх наружной клеточной мембраны покрыты плотным слоем клетчатки (клеточной оболочкой) и не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза).
- Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что в этом случае впячивание наружной мембраны захватывает не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами. Это один из основных механизмов проникновения веществ в клетку.
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:
- структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
- 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;
- 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.
| Виды клеток | Строение и функции наружного и внутреннего слоев клеточной оболочки | ||
|---|---|---|---|
| наружный слой (хим. состав, функции) |
внутренний слой - плазматическая мембрана |
||
| химический состав | функции | ||
| Клетки растений | Состоят из клетчатки. Этотслой служит каркасом клетки и выполняет защитную функцию | Два слоя белка, между ними - слой липидов | Ограничивает внутреннюю среду клетки от внешней и поддерживает эти различия |
| Клетки животных | Наружный слой (гликокаликс) очень тонкий и эластичный. Состоит из полисахаридов и белков. Выполняет защитную функцию. | Тоже | Специальные ферменты плазматической мембраны регулируют проникновение многих иононов и молекул в клетку и выход их во внешнюю среду |
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.
| Главные рганоиды | Строение | Функции |
|---|---|---|
| Цитоплазма | Внутренняя полужидкая среда мелкозернистой структуры. Содержит ядро и органоиды |
|
| ЭПС - эндоплазматическая сеть | Система мембран в цитоплазме» образующая каналы и более крупные полости, ЭПС бывает 2-х типов: гранулированная (шероховатая), на которой расположено множество рибосом, и гладкая |
|
| Рибосомы | Мелкие тельца диаметром 15-20 мм | Осуществляют синтез белковых молекул, их сборку из аминокислот |
| Митохондрии | Имеют сферическую, нитевидную, овальную и другие формы. Внутри митохондрий находятся складки (дл. от 0,2 до 0,7 мкм). Внешний покров митохондрий состоит из 2-х мембран: наружная - гладкая, и внутренняя - образует выросты-кресты, на которых расположены дыхательные ферменты |
|
| Пластиды - свойственны только клеткам раститений, бывают трех типов: | Двумембранные органеллы клетки | |
| хлоропласты | Имеют зеленый цвет, овальную форму, ограничены от цитоплазмы двумя трехслойными мембранами. Внутри хлоропласта располагаются грани, где сосредоточен весь хлорофилл | Используют световую энергию солнца и создают органические вещества из неорганических |
| хромопласты | Желтые, оранжевые, красные или бурые, образуются в результате накопления каротина | Придают различным частям растений красную и желтую окраску |
| лейкопласты | Бесцветные пластиды (содержатся в корнях, клубнях, луковицах) | В них откладываются запасные питательные вещества |
| Комплекс Гольджи | Может иметь разную форму и состоит из отграниченных мембранами полостей и отходящих от них трубочек с пузырьками на конце |
|
| Лизосомы | Округлые тельца диаметром около 1 мкм. На поверхности имеют мембрану (кожицу), внутри которой находится комплекс ферментов | Выполняют пищеварительную функцию - переваривают пищевые частицы и удаляют отмершие органоиды |
| Органоиды движения клеток |
|
|
| Клеточные включения | Это непостоянные компоненты клетки — углеводы, жиры и белки | Запасные питательные вещества, используемые в процессе жизнедеятельности клетки |
| Клеточный центр | Состоит из двух маленьких телец - центриолей и центросферы - уплотненного участка цитоплазмы | Играет важную роль при делении клеток |
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
| Главные органоиды | Строение | Функции |
|---|---|---|
| Ядро растительной и животной клетки | Округлой или овальной формы | |
| Ядерная оболочка состоит из 2-х мембран с порами |
|
|
| Ядерный сок (кариоплазма) - полужидкое вещество | Среда, в которой находятся ядрышки и хромосомы | |
| Ядрышки сферической или неправильной формы | В них синтезируется РНК, которая входит в состав рибосомы | |
| Хромосомы - плотные удлиненные или нитевидные образования, видимые только при делении клетки | Содержат ДНК, в которой заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение |
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.
Loading...