Онлайн-урок №19 "Цитологія. Немембранні та двомембранні органели."

 

Клеточная теория. Типы клеточной организации

 

Год	Автор	Вклад
1665	Р. Гук	Клеточное строение растений  (срез пробки). Термин «клетка».
1673	Антони Ван  Левенгук	Описал некоторые микроструктуры  растительных и животных клеток.
1831	Р. Броун	Обнаружил клеточное ядро.
1839	Т. Шванн, Т.  Шлейден	Показали, что тканям животных  присуще клеточное строение.  Выдвинул клеточную  теорию.
1827	К. М. Бэр	Открыл яйцеклетки  млекопитающих.
1855	Р. Вирхов	Постулировал, что клетка может в  озникнуть только из  предшествующей клетки путем ее  деления.

 

Основные положения клеточной теории:
1. Клетка – элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития организмов.
2. Клетки всех живых организмов сходны по строению и химическому составу.
3. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.
4. Клеточное строение организмов – доказательство единства происхождения всего живого.
Типы клеточной организации:

 

1. прокариотический (бактерии);

 

2. эукариотический (растения, грибы, животные).

 

  Оба типа ограничены оболочкой, внутреннее содержимое представлено цитоплазмой, в которой находятся органоиды и включения.
Органоиды (органеллы) – постоянные, компоненты клетки, выполняющие специфические функции. Могут быть ограничены одной или двумя мембранами (мембранные органоиды) или не ограничены мембранами (немембранные органоиды).
Включения – непостоянные компоненты клетки, представляющие собой отложения веществ, временно выведенных из обмена или конечных его продуктов.
Методы изучения клеток:

 

1. световая микроскопия;

 

2. электронная микроскопия;

 

3. дифференциальное ультрацентрифугирование;

 

4. рентгеноструктурный анализ;

 

5. хроматография;

 

6. электрофорез;

 

7. микрохирургия;

 

8. метод культуры клеток и др.

 

Органеллы (органоиды)

 

Цитоплазма – обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на гиалоплазму (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы).

 

Функции цитоплазмы:

 

   1. объединение всех компонентов клетки в единую систему;

 

   2. среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов;

 

   3. среда для существования и функционирования органоидов.
Цитоплазматическая мембрана (синонимы: плазмалемма, клеточная мембрана, плазматическая мембрана) – липидный бислой, инкрустированный белками; выполняет функцию физического, осмотического и метаболического барьера. ЦПМ животной клетки покрыта гликокаликсом – надмембранным комплексом гликопротеинов, гликолипидов, липопротеинов); в нём располагаются многие рецепторы клетки, с его помощью происходит адгезия клеток. В растительной клетке аналогичный слой – толстый, образован целлюлозой и называется клеточной стенкой.
Различают:

 

1. периферические белки (расположены на наружной или внутренней поверхности липидного бислоя);

 

2. полуинтегральные белки (погружены в липидный бислой на различную глубину);

 

3. интегральные или трансмембранные белки (пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом и с наружной, и с внутренней средой клетки).

 

Функции мембран:

 

1. отделение клеточного содержимого от внешней среды, регуляция обмена веществ между клеткой и средой;

 

2. деление клетки на компартаменты («отсеки»);

 

3. место локализации «ферментативных конвейеров»;

 

4. обеспечение связи между клетками в тканях многоклеточных организмов (адгезия), распознавание сигналов.
Виды пассивного транспорта (без затрат энергии):

 

1. простая диффузия – транспорт веществ непосредственно через липидный бислой (кислород, углекислый газ);

 

2. диффузия через мембранные каналы – транспорт через каналообразующие белки (Na+, K+, Ca2+, Cl-);

 

3. облегченная диффузия – транспорт веществ с помощью специальных транспортных белков, каждый из которых отвечает за перемещение определенных молекул или групп родственных молекул (глюкоза, аминокислоты, нуклеотиды);

 

4. осмос – транспорт молекул воды (во всех биологических системах растворителем является именно вода).
Активный транспорт осуществляется особыми белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Источником энергии служат молекулы АТФ. К активному транспорту относят:

 

   1. Na+/К+-насос (натрий-калиевый насос);

 

   2. эндоцитоз;

 

   3. экзоцитоз.
Эндоцитоз – процесс поглощения клеткой крупных частиц и макромолекул.

 

Различают:

 

1. фагоцитоз – захват и поглощение крупных частиц (клеток, частей клеток, макромолекул);

 

2. пиноцитоз – захват и поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Явление фагоцитоза открыто И.И. Мечниковым в 1882 г. Экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу: выведение различных веществ из клетки.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) или эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – одномембранный органоид; система мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство. Мембраны с одной стороны связаны с цитоплазматической мембраной, с другой – с наружной ядерной мембраной.

 

Различают два вида ЭПС:

 

1. шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы;

 

2. гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут.

 

Функции:

 

   1. транспорт веществ из одной части клетки в другую;

 

   2. разделение цитоплазмы клетки на компартменты («отсеки»);

 

   3. синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС);

 

   4. синтез белка (шероховатая ЭПС);

 

   5. место образования аппарата Гольджи.
Аппарат Гольджи или комплекс Гольджи – одномембранный органоид; стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями. Диктиосома – стопка из 4-6 «цистерн», является структурно-функциональной единицей аппарата Гольджи.

 

Функции аппарата Гольджи:

 

   1. накопление белков, липидов, углеводов;

 

   2. модификация поступивших органических веществ;

 

   3. «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов;

 

   4. секреция белков, липидов, углеводов;

 

   5. синтез углеводов и липидов;

 

   6. место образования лизосом.
Лизосомы – мелкие одномембранные органоиды, содержащие набор гидролитических ферментов. Лизис – расщепление веществ с помощью ферментов.
Автофагия – процесс уничтожения ненужных клетке структур. Автолиз – саморазрушение клетки, наступающее вследствие высвобождения содержимого лизосом.

 

Функции лизосом:

 

1. внутриклеточное переваривание органических веществ,

 

2. уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур,

 

3. участие в процессах реорганизации клеток.
Вакуоли – одномембранные органоиды, представляют собой «емкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ (клеточный сок). Тонопласт – мембрана, ограничивающая растительную вакуоль. В состав клеточного сока входят водорастворимые органические и неорганические соли, моносахариды, дисахариды, аминокислоты, конечные или токсические продукты обмена веществ (гликозиды, алкалоиды), некоторые пигменты (антоцианы).

 

Функции вакуоли:

 

1. накопление и хранение воды;

 

2. регуляция водно-солевого обмена;

 

3. поддержание тургорного давления;

 

4. накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ;

 

5. окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и распространителей семян;

 

6. см. функции лизосом.
Митохондрия – двумембранная гранулярная или нитевидная органелла, основная функция которой – окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ, который происходит за счёт движения электрона по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки – кристы. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом, в котором содержатся кольцевая ДНК, специфические иРНК, рибосомы прокариотического типа (70S-типа), ферменты цикла Кребса.
Рибосомы – немембранные органоиды, состоящие из двух субъединиц – большой и малой, на которые могут диссоциировать. Образованы белками и рРНК.

 

Различают два типа рибосом:

 

1. эукариотические (с константами седиментации целой рибосомы – 80S, малой субъединицы – 40S, большой – 60S);

 

2. прокариотические (соответственно 70S, 30S, 50S). Могут «работать» поодиночке или объединяться в комплексы – полирибосомы (полисомы).

 

Функция рибосом: сборка полипептидной цепочки (синтез белка).
Цитоскелет образован микротрубочками и микрофиламентами. Микротрубочки – цилиндрические неразветвленные структуры. Основной компонент – белок тубулин. Микрофиламенты – нити диаметром 5-7 нм, состоят из белка актина.

 

Функции цитоскелета:

 

1. определение формы клетки;

 

2. опора для органоидов;

 

3. образование веретена деления;

 

4. участие в движениях клетки;

 

5. организация тока цитоплазмы.
Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов). Объединены в пары, где расположены под прямым углом друг к другу. Формируют веретено деления, способствующее равномерному распределению генетического материала между дочерними клетками. В клетках высших растений (голосеменные, покрытосеменные) клеточный центр центриолей не имеет. Функции:

 

1. обеспечение расхождения хромосом к полюсам клетки во время митоза или мейоза,

 

2. центр организации цитоскелета.
Органоиды движения: реснички (инфузории, эпителий дыхательных путей), жгутики (жгутиконосцы, сперматозоиды), ложноножки (корненожки, лейкоциты), миофибриллы (мышечные клетки) и др.
Жгутики и реснички – органоиды движения нитевидной формы. Представляют собой аксонему, ограниченную мембраной. Аксонема – цилиндрическая структура; стенка цилиндра образована девятью парами микротрубочек, в его центре находятся две одиночные микротрубочки. В основании аксонемы находятся базальные тельца, представленные двумя взаимно перпендикулярными центриолями (каждое базальное тельце состоит из девяти триплетов микротрубочек, в его центре микротрубочек нет). Длина жгутика достигает 150 мкм, реснички в несколько раз короче.

 

Пластиды

 

  Характерны только для растительных клеток.
Хлоропласты – двумембранные фотосинтезирующие органоиды. Внутренняя имеет сложную складчатую структуру. Наименьшая складка называется тилакоидом. Группа тилакоидов, уложенных наподобие стопки монет, называется граной. Граны связываются друг с другом уплощенными каналами – ламеллами. В мембраны тилакоидов встроены фотосинтетические пигменты и ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Главным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл, который и обусловливает зеленый цвет хлоропластов. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено стромой. В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы 70S-типа, ферменты цикла Кальвина, зерна крахмала.
Лейкопласты – двумембранные органоиды. В строме имеют кольцевую ДНК, рибосомы 70S-типа, ферменты синтеза и гидролиза запасных питательных веществ. Пигменты отсутствуют. Особенно много лейкопластов имеют клетки подземных органов растения (корни, клубни, корневища и др.).

 

Функция лейкопластов: синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ.

 

Амилопласты – лейкопласты, которые синтезируют и накапливают крахмал, элайопласты – масла, протеинопласты – белки. В одном и том же лейкопласте могут накапливаться разные вещества.
Хромопласты – двумембранные органоиды, запасающие пигменты. В строме имеются кольцевая ДНК и пигменты – каротиноиды, придающие хромопластам желтую, красную или оранжевую окраску.

 

Функция хромопластов: окрашивание цветов и плодов и тем самым привлечение опылителей и распространителей семян.
Пропластиды – мелкие органоиды, содержащиеся в меристематических тканях, из которых образуются пластиды. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (позеленение клубней картофеля на свету), хлоропласты – в хромопласты (пожелтение листьев и покраснение плодов).

 

Ядро

 

Ядро – один из структурных компонентов эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию (молекулы ДНК), осуществляющий основные функции: хранение, передача и реализация наследственной информации с обеспечением синтеза белка. Кариоплазма (ядерный сок, нуклеоплазма) – внутреннее содержимое ядра, в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек.
Ядрышко – скопление рРНК и рибосомальных субъединиц на разных этапах их формирования. Обнаруживаются только в неделящихся ядрах, образуется на участках хромосом, несущих информацию о структуре рРНК. Такие участки называются ядрышковым организатором и содержат многочисленные копии генов, кодирующих рРНК.
Хроматин – внутренние нуклеопротеидные структуры ядра; форма существования генетического материала в интерфазных клетках. Состав:

 

1. ДНК (30–45%);

 

2. гистоновые белки (30–50%);

 

3. негистоновые белки (4–33%), следовательно, хроматин является дезоксирибонуклеопротеидным комплексом (ДНП).
Эухроматин – генетически активные, гетерохроматин – генетически неактивные участки хроматина. Во время деления клетки (митоз, мейоз) хроматин преобразуется в хромосомы.

 

Функции ядра:

 

1. хранение наследственной информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления;

 

2. регуляция жизнедеятельности клетки путем регуляции синтеза различных белков;

 

3. место образования субъединиц рибосом.

 

Хромосомы

 

Хромосомы – это цитологические палочковидные структуры, представляющие собой конденсированный хроматин и появляющиеся в клетке во время митоза или мейоза. Метафазная хромосома (хромосомы изучаются в метафазу митоза) состоит из двух хроматид.
Хромосомы и хроматин – различные формы пространственной организации дезоксирибонуклеопротеидного комплекса, соответствующие разным фазам жизненного цикла клетки. Химический состав хромосом такой же, как и хроматина.
Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК. 
Уровни пространственной укладки ДНК:

 

   1. нуклеосомный (накручивание ДНК на белковые глобулы);

 

   2. нуклеомерный;

 

   3. хромомерный;

 

   4. хромонемный;

 

   5. хромосомный.
Центромера – первичная перетяжка, которая делит хромосому на плечи. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку и спутник – участок короткого плеча, отделяемый вторичной перетяжкой. Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными.
Теломеры – концы хромосом называются. В зависимости от положения центромеры выделяют:

 

   а. метацентрические (равноплечие);

 

   б. субметацентрические (умеренно неравноплечие);

 

   в. акроцентрические (резко неравноплечие).
Соматические клетки содержат диплоидный (двойной – 2n) набор хромосом, половые клетки – гаплоидный (одинарный – n).
Гомологичные хромосомы – х-мы из одной пары диплоидного набора. Имеют одинаковое строение, размеры, набор генов. Хромосомный набор человека (2n = 46, n = 23) содержит 22 пары аутосом и 1 пару половых хромосом. Аутосомы распределены по группам и пронумерованы.
Кариотип – совокупность сведений о числе, размерах и строении метафазных хромосом.
Аутосомы – хромосомы, одинаковые для мужского и женского кариотипов.
Половые хромосомы – хромосомы, по которым мужской кариотип отличается от женского. Не относятся ни к одной из групп и не имеют номера. Половые хромосомы женщины – ХХ, мужчины – ХY. Х-хромосома – средняя субметацентрическая, Y-хромосома – мелкая акроцентрическая.
Функции хромосом:

 

1. хранение наследственной информации;

 

2. передача генетического материала от материнской клетки к дочерним.

 

Признак	Прокариотические клетки	Эукариотические клетки
Структурно оформленное  ядро	Отсутствует	Имеется
Генетический материал	Кольцевые не связанные с  белками ДНК	Линейные связанные с белками ядерные ДНК и кольцевые не связанные с  белками ДНК митохондрий и пластид
Мембранные органоиды	Отсутствуют	Имеются
Рибосомы	70-S типа	80-S типа (в митохондриях и пластидах – 70-S типа)
Жгутики	Не ограничены мембраной	Ограничены мембраной, внутри микротрубочки: 1 пара в центре и 9 пар по  периферии
Основной компонент  клеточной стенки	Муреин	У растений – целлюлоза, у грибов – хитин