Строение клетки

Клеточная мембрана. Клетка (рис. 1.1) как живая система нуждается в поддержании определенных внутренних условий: концентрации различных веществ, температуры внутри клетки и др. Одни из этих параметров поддерживаются на неизменном уровне, так как их изменение приведет к гибели клетки, другие играют меньшее значение для сохранения ее жизнедеятельности.

Структура животной клетки

Рис. 1.1. Структура животной клетки

Клеточная мембрана должна обеспечивать отграничение содержимого клетки от окружающей среды для поддержания необходимой концентрации веществ внутри клетки, в то же время она должна быть проницаемой для постоянного обмена веществ между клеткой и средой (рис. 1.2). Мембраны также ограничивают внутренние структуры клетки – органоиды (органеллы) – от цитоплазмы. Однако это не просто разделительные барьеры. Клеточные мембраны сами по себе являются важнейшим органом клетки, обеспечивающим не только ее структуру, по и многие функции. Помимо разделения клеток между собой и отграничения от внешней среды мембраны объединяют клетки в ткани, регулируют обмен между клеткой и внешней средой, сами являются местом протекания многих биохимических реакций, служат передатчиками информации между клетками.

Строение мембраны

Рис. 1.2. Строение мембраны

По современным данным, плазматические мембраны – это липопротеиновые структуры (липопротеины – соединения белковых и жировых молекул). Липиды (жиры) спонтанно образуют двойной слой, а мембранные белки "плавают" в нем, словно острова в океане. В мембранах присутствуют несколько тысяч различных белков: структурные, переносчики, ферменты и др. Кроме того, между белковыми молекулами имеются поры, сквозь которые могут проходить некоторые вещества. К поверхности мембраны подсоединены специальные гликозильные группы, которые участвуют в процессе распознавания клеток при образовании тканей.

Разные типы мембран отличаются по своей толщине (обычно она составляет от 5 до 10 нм). По консистенции мембраны напоминают оливковое масло. Важнейшее свойство клеточной мембраны – полупроницаемость, т.е. способность пропускать только определенные вещества. Прохождение различных веществ через плазматическую мембрану необходимо для доставки питательных веществ и кислорода в клетку, вывода токсичных отходов, создания разницы концентрации отдельных микроэлементов для поддержания нервной и мышечной активности. Механизмы транспорта веществ через мембрану.

  • • диффузия – газы, жирорастворимые молекулы проникают прямо через плазматическую мембрану, в том числе облегченная диффузия, когда растворимое в воде вещество проходит через мембрану по особому каналу;
  • • осмос – диффузия воды через полунепроницаемые мембраны в сторону более низкой концентрации ионов;
  • • активный транспорт – перенос молекул из области с меньшей концентрацией в область с большей с помощью специальных транспортных белков;
  • • эндоцитоз – перенос молекул с помощью пузырьков (вакуолей), образуемых втягиванием мембраны; различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкостей) (рис. 1.3);

Эндоцитоз

Рис. 1.3. Эндоцитоз

• экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу; посредством него из клеток могут выводиться твердые частицы и жидкий секрет (рис. 1.4).

Экзоцитоз

Рис. 1.4. Экзоцитоз

Диффузия и осмос не требуют дополнительной энергии; активный транспорт, эндоцитоз и экзоцитоз нуждаются в обеспечении энергией, которую клетка получает при растеплении усвоенных ею питательных веществ.

Регуляция прохождения различных веществ через плазматическую мембрану является одной из ее важнейших функций. В зависимости от внешних условий структура мембраны может изменяться: она может становиться более жидкой, активной и проницаемой. Регулятором проницаемости мембран является жироподобное вещество холестерол.

Внешняя структура клетки поддерживается более плотной структурой – клеточной оболочкой. Клеточная оболочка может иметь самое различное строение (быть эластичной, иметь жесткий каркас, щетинки, усики и др.) и выполнять достаточно сложные функции.

Ядро имеется во всех клетках человеческого организма, за исключением эритроцитов. Как правило, клетка содержит только одно ядро, однако есть и исключения – например, клетки поперечнополосатых мышц содержат множество ядер. Ядро имеет шаровидную форму, его размеры колеблются от 10 до 20 мкм (рис. 1.5).

Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран – наружной и внутренней, аналогичных клеточной мембране, и узкой щели между ними, содержащей полужидкую среду; через поры ядерной оболочки осуществляется интенсивный обмен веществ между ядром и цитоплазмой. На внешней мембране оболочки расположено множество рибосом – органоидов, синтезирующих белок.

Ядро клетки

Рис. 1.5. Ядро клетки

Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хромосомы (продолговатые структуры, содержащие ДНК, в которых "записана" информация о строении белков, специфичных для данной клетки, – наследственная, или генетическая, информация) и ядрышки (округлые структуры внутри ядра, в которых происходит формирование рибосом).

Совокупность хромосом, содержащихся в ядре, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках четное – диплоидное (у человека это 44 аутосомы и 2 половые хромосомы, определяющие половую принадлежность), половые клетки, участвующие в оплодотворении, несут половинный набор (у человека 22 аутосомы и 1 половая хромосома) (рис. 1.6).

Важнейшей функцией ядра является передача генетической информации дочерним клеткам: при делении клетки ядро делится надвое, а находящаяся в нем ДНК копируется (репликация ДНК) – это позволяет каждой дочерней клетке иметь полную информацию, полученную от исходной (материнской) клетки (см. Размножение клеток).

Цитоплазма (цитозоль) – студенистое вещество, содержащее около 90% воды, в котором расположены все органоиды, содержатся истинные и коллоидные растворы питательных веществ и нерастворимые отходы метаболических процессов, протекают биохимические процессы: гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеиновых кислот и других веществ. Органоиды в цитоплазме движутся, цитоплазма сама также совершает периодическое активное движение – цикл оз.

Клеточные структуры (органоиды, или органеллы) представляют собой "внутренние органы" клетки (табл. 1.1). Они обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки, выработку клеткой определенных веществ (секрета, гормонов, ферментов), от их жизнедеятельности зависит общая активность тканей организма, способность выполнять специфические для данной ткани функции. Структуры клетки, как и сама клетка, проходят свои жизненные циклы: рождаются (создаются путем воспроизводства), активно функционируют, стареют и разрушаются. Большинство клеток организма способно восстанавливаться на субклеточном уровне за счет воспроизводства и обновления входящих в ее структуру органоидов.

Хромосомный набор человека

Рис. 1.6. Хромосомный набор человека

Таблица 1.1

Клеточные органоиды, их строение и функции

Органоиды

Строение

Функции

Цитоплазма

Заключена в наружную мембрану, включает различные органоиды. Представлена коллоидным раствором солей и органических веществ, пронизана цитоскелетом (системой белковых нитей)

Объединяет все клеточные структуры в единую систему, обеспечивает среду для протекания биохимических реакций, обмен веществами и энергией в клетке

Наружная клеточная мембрана

Два слоя мономолекулярного белка, между которыми расположен бимолекулярный слой липидов, в липидном слое имеются отверстия – поры

Ограничивает клетку, разделяет ее с окружающей средой, обладает избирательной проницаемостью, активно регулирует обмен веществ и энергии с внешней средой, отвечает за соединение клеток в ткани, обеспечивает пиноцитоз и фагоцитоз; регулирует водный баланс клетки и выводит из нее "шлаки" – продукты жизнедеятельности

Эндоплазматическая сеть (ЭС)

Система трубочек, канальцев, цистерн, пузырьков, образованных ультрамикроскопическими мембранами, объединенная в единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки и наружной клеточной мембраной. Гранулярная ЭС несет рибосомы, гладкая не имеет рибосом

Транспорт веществ внутри клетки и между соседними клетками; разделение клетки на секторы, в которых могут проходить различные процессы. Гранулярная ЭС участвует в синтезе белка. В каналах ЭС происходит синтез белка, жиров, транспорт АТФ

Рибосомы

Маленькие сферические органоиды, состоящие из РНК и белка

Осуществляют синтез белка

Аппарат Гольджи

Микроскопические одномембранные органеллы, состоящие из стопочки плоских цистерн, по краям которых ответвляются трубочки, отделяющие мелкие пузырьки

В пузырьках накапливаются продукты обменных процессов клетки. Упакованные в пузырьки, они поступают в цитоплазму и либо используются, либо выводятся наружу как шлаки

Лизосомы

Одномембранные органоиды, число которых зависит от жизнедеятельности клетки. В лизосомах содержатся ферменты, образованные в рибосомах

Переваривание питательных веществ. Защитная функция. Автолиз (саморастворение органелл и самой клетки в условиях пищевого или кислородного голодания)

Размножение клеток

Все клетки образуются посредством деления. Цикл жизни клетки включает две стадии: интерфазу и митоз. Во время интерфазы масса клетки увеличивается (клетка "растет"). Одни клетки (к примеру, клетки нервной ткани) остаются в этой стадии, не переходя в следующую, в других (клетках большинства тканей, способных к росту и регенерации) при увеличении массы во время интерфазы удваивается хромосомная ДНК, и клетка вступает в стадию митоза (рис. 1.7).

Митоз подразделяют на профазу (разрушается ядерная мембрана, хромосомы разъединяются и соединяются со специальными микротрубочками, которые будут направлять их движение к полюсам делящейся клетки – центриолям); метафазу (хромосомы выстраиваются по экватору делящейся клетки и окончательно расцепляются); анафазу (хромосомы перемещаются к полюсам клетки); телофазу (клетка делится надвое в экваториальной плоскости, нити веретена разрушаются, вокруг хромосом формируются ядерные мембраны). Митоз получил название бесполого деления, или клонирования: каждая дочерняя клетка получает идентичный набор хромосом и может опять продолжить рост и развитие – перейти в стадию иитерфазы. Обычно такой процесс занимает около часа.

Другой тип размножения – половой – получил название мейоза. Такая разновидность деления клеток позволяет в результате двух последовательных делений, по своему механизму близких к процессам митоза, образовать гаметы – половые клетки с половинным набором хромосом (по одной хромосоме из каждой пары). При слиянии двух родительских гамет в зиготу (оплодотворении) наследственная информация, полученная от двух родителей, объединяется и ложится в основу развития будущего организма. Случайный характер процессов расхождения хромосом при делении клетки и соединения хромосом мужских и женских гамет приводит к возникновению новых комбинаций генов и обеспечивает вариативность различных признаков биологического вида. В дальнейшем зигота делится путем митоза и развивается в самостоятельный организм, несущий признаки обоих родителей в проявленном или непроявленном виде.

Деление клетки (митоз)

Рис. 1.7. Деление клетки (митоз)

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >