Сегодня мы с вами познакомимся со строением клетки.
Что из себя представляет клетка? Клетка – это открытая биологическая система, состоящая из множества субъединиц (органоидов), являющаяся элементарной единицей строения и жизнедеятельности живых организмов. А если по-простому, клетка – это самый маленький жизненный кирпичик, на которых вы можете разделить организм, подобно атому в физике.
ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА
В первую очередь давайте обсудим то, что отделяет одну клетку от всего остального – о клеточной мембране (плазмалемма, цитолемма). По химическому составу она очень интересна: основными биологическими молекулами, которые ее образуют, являются фосфолипиды, гликолипиды, холестерол, а также различные белки. В рамках школьного курса биологии нам очень интересны фосфолипиды. Они устроены довольно забавно, так что вам будет просто их запомнить. Фосфолипиды состоят из головок и хвостиков. Головки – гидрофильны, то есть очень любят (фил) воду (гидро), поэтому всегда к ней разворачиваются. Хвосты – гидрофобны, то есть боятся (фоб) воды, поэтому всегда от нее отворачиваются. Таким образом и формируется билипидный слой: с головками, направленными наружу, и хвостами, повернутыми внутрь.
Также нам с вами интересны белки. Они могут быть интегральными (проходить через мембрану насквозь), полуинтегральными (погруженными в мембрану частично) и поверхностными (располагаться на внешней или внутренней части мембраны).
Но и это еще не все интересности плазматической мембраны: в животных и прокариотических клетках присутствует структура под названием гликокаликс. Гликокаликс – это поверхностный слой клетки, состоящий из углеводов. Основная функция гликокаликс – рецепторная. Главное запомните, что гликокаликса нет у клеток растений и грибов.
Урааа, со строением мембраны все ясно, тогда самое время переходить к функциям:
1) Барьерная – для плазматической мембраны характерна избирательная проницаемость. Это значит, что мембрана не пропускает все подряд молекулы, некоторые фейс-контроль не проходят.
2) Транспортная – но через мембрану поступает и выходит очень много веществ! Часть веществ способны проходить через сам билипидный слой, а часть проходит через белковые «насосы» - специальные белки переносчики.
3) Механическая – обеспечивает автономность клетки и ее контакт с другими клетками.
4) Энергетическая – из подобного липидного бислоя состоят и другие мембранные органоиды. И именно строение билипидного слоя помогает получать энергетические молекулы.
5) Рецепторная – за счет гликокаликса клетка способна реагировать на сигналы биологически активных молекул (например, гормонов).
6) Ферментативная – мембранные белки могут являться ферментами!
7) Генерация и проведения биопотенциалов – с помощью мембраны у нашей клетки поддерживается постоянный заряд. Да-да, наша клетка заряжена! Именно поэтому некоторые клетки обладают способностью даже генерировать и передавать нервный импульс.
ОРГАНОИДЫ КЛЕТКИ
Ну чтож, с оболочкой клетки мы разобрались, теперь давайте разбираться с ее наполнением. Внутреннее содержимое клетки называется цитоплазмой (органоиды + цитозоль (гиалоплазма), жидкая составляющая клетки). Органоиды клетки можно поделить на три группы: немембранные, одномембранные и двумембранные. Очень важно знать, какой органоид к какой группе относится. Далее мы с ними и познакомимся.
РИБОСОМЫ
И начнем мы наше знакомство с немембранных органоидов. Как вы поняли, рибосомы – немембранные органоиды. Их мы обнаружим в абсолютно любой клетке. Рибосомы являются нуклеопротеидами, то есть состоят из нуклеиновой кислоты (рРНК) и белков. Органоид состоит из двух единиц – большой и малой. Притом рибосомы эукариот и прокариот отличаются друг от друга «размерами»: большая и малая субъединицы 60S и 40S эукариот (общий «размер» рибосомы 80S), 50S и 30S прокариот (общий «размер» 70S). Почему «размер» в ковычках? S – это константа седиментации, которая показывает скорость оседания в ультрацентрифуге.
Что интересно, в пластидах и митохондриях эукариот находятся прокариотические рибосомы, обратите на это особое внимание.
А вообще рибосомы можно найти много где: в ядрышке, где они собираются, в цитоплазме, на мембране ЭПР, в пластидах и митохондриях.
ЦИТОСКЕЛЕТ
Именно он придает форму клетке, позволяет органоидам перемещаться внутри клетки, а также принимает участие в ее делении. Присутствует во всех клетках эукариот. Цитоскелет является динамической структурой и способен разбирать и собирать свои внутренние части.
Цитоскелет состоит из белков различных типов, которые образуют микрофиламенты, промежуточные филаменты и микротрубочки.
Актиновые филменты (микрофиламенты) имеют примерно 7 нм в диаметре и состоят из мономеров актина. Они отвечают за форму клетки и даже способны формировать на поверхности клетки микроворсинки.
Промежуточные филаменты (нанофиламента) имеют примерно 8-12 нм в диаметре, состоят в основном из белков кератинов. Эти структуры очень эластичны.
Микротрубочки – полые цилиндры диаметром 25 нм, стенки которых образованы 13 протофиламентами (белок тубулин). Необходимы для внутриклеточного транспорта.
Также в состав цитоскелета входит ряд моторных белков: кинезины, динеины и миозины.
КЛЕТОЧНЫЙ ЦЕНТР
Клеточный центр (центросома) – состоит из двух центриолей и перицентриолярного материала. Играет большую роль в формировании ресничек и жгутиков, а также в формировании нитей веретена деления.
Центросома состоит из 2 центриолей, которые располагаются под прямым углом друг к другу. Каждая центриоль состоит из 9 триплетов микротрубочек, который формируют цилиндр. Клеточный центр отсутствует у клеток высших растений, низших грибов, прокариот и некоторых простейших.
ОДНОМЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ
ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) или эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – внутриклеточный органоид клетки, который выглядит как разветвленная система из окруженных мембраной полостей, пузырьков и канальцев.
По своему строению ЭПС делится на шероховатую и гладкую.
Шероховатая ЭПС имеет на поверхности мембраны «пупырки» - рибосомы, которые здесь осуществляют синтез белка. После синтеза белок сразу направляется в полость ЭПС, где претерпевает различные изменения. Мембрана шероховатой ЭПС «перетекает» в мембрану ядра, именно поэтому шероховатую ЭПС на схемах мы ищем именно рядом с ядром. Помимо синтеза белка функцией шероховатой ЭПС является синтез и транспорт липидов и стероидов.
Гладкая ЭПС не имеет на своей поверхности рибосом, поэтому лишена «пупырок». Функции: синтез и метаболизм углеводов, транспорт веществ, синтезирует провакуоли, которые необходимы для жизни растительной клетки.
Из интересного: в мышечных клетках есть особая форма ЭПС, которая называется саркоплазматический ретикулум. В нем накапливается большое количество Ca2+, который необходим для сокращений мышечных клеток.
АППАРАТ ГОЛЬДЖИ
Аппарат Гольджи (АГ) или комплекс Гольджи (КГ) – одномембранный органоид клетки – одномембранный органоид, который выглядит как стопка полостей, цистерн и пузырьков. Внешней напоминает значок вай-фая.
Функции АГ:
1) Модификация белков (приобретение ими вторичной, третичной, четвертичной структуры);
2) Хранение вещест;
3) Образование лизосом.
Из интересного: первоначально белки образуются рибосомами, после попадают и транспортируются ЭПС. И только после этого они попадают в АГ, где проходят последние приготовления для выхода во взрослую жизнь.
Клетки желез очень богаты АГ, так как в них накапливаются ферменты/секреты клетки.
ЛИЗОСОМЫ
Одномембранные пузырьки, отвечающие за внутриклеточное переваривание макромолекул. Лизосомы образуются в АГ, от которого отшнуровываются и отправляются в свободное плавание по клетке. В лизосомах находятся гидролитические ферменты (гидролазы, протеазы, сульфатазы, фосфатазы).
Функции лизосом:
1) Переваривание макромолекул;
2) Аутофагия – переваривание ненужных клетке структур;
3) Автолиз – самопереваривание клетки. Например: при превращении головастика в лягушку, лизосомы, находящиеся в клетках хвоста, переваривают его: хвост исчезает, а образовавшиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются другими клетками тела.
ВАКУОЛИ
Вакуоли бывают разными: пищеварительными, сократительными, растительные.
Пищеварительная вакуоль (фагосома)
Вакуоль, которая появляется в ходе эндоцитоза. Внутри пищеварительной вакуоли находятся молекулы, которые подлежат перевариванию. Фагосома сливается с лизосомой, которая доставляет необходимые для переваривания ферменты, и молекулы деграируют.
Сократительная вакуоль
Вакуоль, которая обычно распространена у пресноводных протистов. Сократительная вакуоль постоянно удаляет излишки воды из клетки, которые поступают из-за высокого осмотического давления.
Осмос
По-умному, осмос – это самопроизвольный перенос (диффузия) растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворённое вещество, и разделяющую два раствора одного и того же вещества с различными концентрациями, либо чистый растворитель и раствор.
А теперь я попробую объяснить по-простому. Представьте, что у вас есть стакан с водой. Посреди стакана – мембрана, этакая стена между правой и левой сторонами. Эта мембрана полупроницаемая, то есть через нее могут проходить только молекулы воды, а другие не могут. А теперь представьте, что с правой стороны концентрация растворенных веществ больше, чем слева. Природа всегда стремится к равновесию, поэтому ей хочется, чтобы концентрация веществ справа, была равна концентрации веществ слева. Как это можно сделать? Концентрация – это количество молекул вещества, деленное на объем. Раз молекулы вещества проходить через мембрану не могут, мы будет изменять в этой формуле объем. Поэтому вода начнет свое движение с области с низкой концентрацией веществ в область высокой концентрации веществ, дабы уравновесить концентрацию.
Ой, а теперь и умный термин стал понятным. Попробуйте перечитать его еще раз.
Растительная вакуоль
Большая одномембранная органелла в растительных клетках. Функция вакуоли заключается в запасе питательных веществ (клеточный сок внутри вакуоли) и в поддержании тургорного давления клетки.
Что интересно, по размерам вакуолей можно определить возраст клетки: чем больше вакуоль, чем старше клетка. Вакуоли старых клеток могут быть настолько большими, что оттесняют ядро на периферию.
Тургор
Тургорное давление — это сила, с которой насыщенное водой содержимое клетки давит на ее стенки. В состоянии полного насыщения клетки водой тургорное давление полностью уравновешивает осмотическое, и клетка перестает поглощать воду.
ДВУМЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ
ЯДРО
Наконец-то мы добрались до двумембранных органоидов, ура! Разбираемся со строением и устройством ядра.
Кле́точное ядро́ (лат. nucleus) — окружённая двумя мембранами органелла (компартмент) эукариотической клетки (в клетках прокариот ядро отсутствует). Обычно в клетках эукариот имеется одно ядро, однако некоторые типы клеток, например, эритроциты млекопитающих, не имеют ядра, а другие содержат несколько ядер.
Первым, кто увидел ядро считается Антони ван Левенгук, но честь открытия принадлежит Феликсу Фонтане. Ботаник Роберт Браун первым назвал структуру ядром.
Ядро окружено двойной мембраной, ядерной оболочкой. Две мембраны разделены промежутком, который контактирует с ЭПР. Две мембраны пронизаны порами, которые называются ядерный поровый комплекс (ЯПК). Данные поры нужны для обмена молекулами между ядром и цитоплазмой.
Ядро внутри также разделено на регионы – субкомпартменты. Хорошо заметный компартмент ядра – это ядрышко, в котором происходит синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом. Часть ядра, которая находится вне ядрышек, называется нуклеоплазма.
В ядре ДНК находится в различном состоянии: суперскрученном, где не идет синтез ДНК и РНК (гетерохроматин) и свободном, более светлом, где идет активная транскрипция (эухроматин).
Наличие ядра позволяет эукариотам иметь более сложную систему регуляции активности генов, чем у прокариот.
В ядре находится ДНК, но в аккуратно сложенном состоянии. Разберемся с терминологией:
1. Хроматин (от др.-греч. χρώματα — «цвета, краски») — нуклеопротеид, составляющий основу хромосом. Состоит из ДНК и белков (главным образом гистонов). Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот.
2. Хромосо́мы (др.-греч. χρῶμα «цвет» + σῶμα «тело») — нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки, в которых сосредоточена бо́льшая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи. Хромосомы чётко различимы в световом микроскопе только в период митотического или мейотического деления клетки.
ДНК скручивается в состояния хроматина и хромосом в несколько стадий:
Важно, что каждая хромосома в ядре занимает определенную территорию, они не расположены беспорядочно. Также хроматин не заполняет все ядро. Существуют области его преимущественной локализации (хромосомные домены) и, примыкающие к ним, но не содержащие хроматина, которые называются межхромосомные домены.
МИТОХОНДРИИ
Также двумембранный органоид. Внутренняя мембрана митохондрии образует впячивания – кристы, которые активно участвуют в выполняемой митохондрией функции – синтез АТФ. Именно поэтому часто митохондрии обзывают «энергетической станцией клетки». Внутреннее жидкое пространство митохондрии называется матриксом, и содержит в себе собственные рибосомы (как у прокариотических клеток) и кольцевые молекулы ДНК. Так как у митохондрий есть собственная генетическая информация они считаются полуавтоновными органоидами и не способны образовываться de novo, то есть с нуля. Митохондрии перед делением клетки удваиваются и расходятся в новые клетки в процессе.
В митохондриях проходят такие процессы как цикл Кребса, окислительное фосфорилирование и цепь переноса электронов, направленные на синтез АТФ. Обратите внимание, что для получения АТФ в митохондриях необходим кислород.
Чем более активна клетка, тем больше в ней митохондрий, поэтому в мышечных клетках митохондрий будет очень много.
ПЛАСТИДЫ
Пластиды бывают различных видов:
1. Хлоропласты
Двумембранный органоид, внутри имеющий жидкую составляющую – строму. В этой строме расположены мембранные образования – тилакоиды, которые собираются в стопки – граны. Внутреннее вещество тилакоида называется люмен.
Основная функция хлоропластов – синтез полисахаридов в ходе фотосинтеза. Здесь мы сталкиваемся с циклом Кальвина. Для этого в хлоропластах есть такие пигменты как хлорофилл и каротиноиды в различных соотношениях.
В строме хлоропластов, также как и в матриксе митохондрий можно обнаружить кольцевые ДНК и рибосомы, поэтому эти органоиды также считаются полуавтономными и не способны образовываться de novo.
2. Хромопласты
В основном содержат лишь каротиноиды, которую способны придавать красную, оранжевую или желтую окраску тканям. Образуются из хлоропластов.
3. Лейкопласты
Не содержат пигментов, и находятся в частях растения, которые не подвержены действию солнечного света. В лейкопластах накапливаются крахмал, липиды, белки. Лейкопласты на свету способны превращаться в хлоропласты и фотосинтезировать.
СРАВНЕНИЕ КЛЕТОК
ТЕОРИЯ СИМБИОГЕНЕЗА
Считается, что митохондрии и пластиды в прошлом были симбиотическими бактериями, которые были поглощены большой клеткой, и остались в ней в качестве симбионтов. Какие есть доказательства этой теории?
- имеют две полностью замкнутые мембраны. При этом внешняя сходна с мембранами вакуолей, внутренняя — бактерий.
- размножаются бинарным делением (причём иногда делятся независимо от деления клетки) и не образуются de novo.
- генетический материал — кольцевая ДНК, не связанная с гистонами
- имеют свой аппарат синтеза белка — рибосомы и др.
- рибосомы прокариотического типа — c константой седиментации 70S.
