Строение клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение клетки

клетка жизнь филогенез биологический

Открытие и дальнейшее изучение клетки стало возможным только после изобретения микроскопа. Это связано с тем, что человеческий глаз не способен различать объекты с размерами менее 0,1 мм, размеры же клеток (а тем более, внутриклеточных структур) существенно меньше. Например, диаметр животной клетки обычно не превышает 20 мкм, растительной - 50 мкм, а длина хлоропласта цветкового растения - не более 10 мкм. Поэтому световая микроскопия является основным, специфическим методом изучения клеток.

Первые оптические приборы (простые линзы, очки, лупы) были созданы еще в XII веке. Но сложные оптические трубки, состоящие из двух и более линз, появляются только в конце XVI века. В изобретении светового микроскопа принимали участие Галилео Галилей, отец и сын Янсены и другие ученые. Первые микроскопы использовались для изучения самых разнообразных объектов.

В середине XVII в. выдающийся английский естествоиспытатель Роберт Гук, изучая микроскопическое строение пробки, установил, что она состоит из замкнутых пузырьков, или ячеек, разделенных общими перегородками - стенками. Р. Гук назвал эти ячейки клетками (лат. - cellula). В дальнейшем Р. Гук изучал срезы живых стеблей и обнаружил в них аналогичные ячейки, которые, в отличие от мертвых клеток пробки, были заполнены «питательным соком». В 1671 г. М. Мальпиги (Италия) и Н. Грю (Англия), изучая анатомическое строение растений, пришли к выводу, что все растительные ткани состоят из пузырьков-клеток. Термин «ткань» («кружево») впервые употребил Н. Грю. В работах Р. Гука, М. Мальпиги и Н. Грю клетка рассматривается как элемент, как составная часть ткани, которая не может существовать вне ткани, вне организма.

Однако голландский микроскопист-любитель Антонио ван Левенгук (1680) наблюдал одноклеточные организмы (инфузории, бактерии) и другие формы одиночных клеток (форменные элементы крови, сперматозоиды). Позже Л. Спалланцани открыл деление одноклеточных организмов. В дальнейшем на основании исследований отдельных клеток сформировались представления о клетке как элементарном организме.

Долгое время изучались только клетки растений. Лишь в 1830-е гг. чешский гистолог Ян Пуркинье и другие исследователи показали, что клеточная организация является универсальной.

В конце XIX в. окончательно формируются представления о клеточном уровне организации жизни. Позже было доказано, что клетка - это не элементарный организм, а элементарная биологическая система. Постепенно формируется особая наука о клетке - цитология.

Современная цитология изучает строение и функционирование клеток, обмен веществ в клетках, взаимоотношения клеток с внешней средой, происхождение клеток в филогенезе и онтогенезе, закономерности дифференцировки клеток.

В 1838 году М. Шлейден и Т. Шванн пришли к выводу, что все растительные и животные клетки сходны - у них есть ядра. Обобщив разрозненные факты, Шванн и Шлейден сформулировали основное положение клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению. Рудольф Вирхов спустя 20 лет доказал, что клетка происходит только от клетки.

Клетка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов, обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитология. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии (англ. Cell biology).

Формы клеток очень разнообразны. У одноклеточных каждая клетка - отдельный организм. Ее форма и особенности строения связаны с условиями среды, в которых обитает данное одноклеточное, с его образом жизни.

Тело каждого многоклеточного животного и растения слагается из клеток, различных по внешнему виду, что связано с их функциями. Так, у животных сразу можно отличить нервную клетку от мышечной или эпителиальной клетки (эпителий - покровная ткань). У растений неодинаковы многие клетки листа, стебля и т.д.

Столь же изменчивы и размеры клеток. Самые мелкие из них (некоторые бактерии) не превышают 0,5 мкм Величина клеток многоклеточных организмов колеблется от нескольких микрометров (диаметр лейкоцитов человека 3-4 мкм, диаметр эритроцитов - 8 мкм) до огромных размеров (отростки одной нервной клетки человека имеют длину более 1 м). У большинства клеток растений и животных величина их диаметра колеблется от 10 до 100 мкм.

Несмотря на разнообразие форм и размеров, все живые клетки любого организма сходны по многим признакам внутреннего строения. Клетка - сложная целостная физиологическая система, в которой осуществляются все основные процессы жизнедеятельности: обмен веществ и энергии, раздражимость, рост и самовоспроизведение.

Основные общие компоненты клетки - наружная мембрана, цитоплазма и ядро. Клетка может жить и нормально функционировать лишь при наличии всех этих компонентов, которые тесно взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой.

Существует два основных морфологических типа клеток: эукариотический и прокариотический. В свою очередь, по способу питания различают два основных подтипа эукариотических клеток: животную (гетеротрофную) и растительную (автотрофную).

Эукариотическая клетка состоит из трех основных структурных компонентов: ядра, плазмалеммы и цитоплазмы. Она отличается от остальных типов клеток, в первую очередь, наличием ядра. В растительных клетках настоящие лизосомы не обнаружены. В то же время в животных клетках отсутствуют настоящие вакуоли. Митохондрии имеются практически во всех эукариотических клетках. Пластиды имеются только в растительных клетках.

Прокариотическая клетка не имеет оформленного ядра - его функции выполняет нуклеоид, в состав которого входит кольцевая хромосома. В прокариотической клетке отсутствуют центриоли, а также одномембранные и двумембранные органоиды - их функции выполняют мезосомы (впячивания плазмалеммы). Рибосомы, органоиды движения и оболочки прокариотических клеток имеют специфическое строение.

Основные положения клеточной теории

В 1838-1839 гг. Теодор Шванн и немецкий ботаник Маттиас Шлейден сформулировали основные положения клеточной теории:

1. Клетка есть единица структуры. Все живое состоит из клеток и их производных. Клетки всех организмов гомологичны.

2. Клетка есть единица функции. Функции целостного организма распределены по его клеткам. Совокупная деятельность организма есть сумма жизнедеятельности отдельных клеток.

3. Клетка есть единица роста и развития. В основе роста и развития всех организмов лежит образование клеток.

Клеточная теория Шванна-Шлейдена принадлежит к величайшим научным открытиям XIX в. В то же время, Шванн и Шлейден рассматривали клетку лишь как необходимый элемент тканей многоклеточных организмов. Вопрос о происхождении клеток остался нерешенным (Шванн и Шлейден считали, что новые клетки образуются путем самозарождения из живого вещества). Только немецкий врач Рудольф Вирхов (1858-1859 гг.) доказал, что каждая клетка происходит от клетки.

Химия клетки

1 группа (до 98%) (макроэлементы): углевод, водород, кислород, азот.

2 группа (1,5-2%): калий, натрий, кальций, магний, сера, фосфор, хлор, железо.

3 группа (>0,01%) (микроэлементы): цинк, медь, фтор, йод, кобальт, молибден.

4 группа (>0,00001%) (ультра микроэлементы): уран, радий, золото.

В состав клеток входят две группы химических веществ. К первой группе относятся вещества, которые встречаются как в биологических системах, так и в неживой природе: вода и неорганические соли (а также некоторые низкомолекулярные органические вещества). Ко второй группе относятся органические вещества, которые образуются только в клетках и не могут существовать длительное время вне биологических систем.

Те вещества, которые образуются только в клетках (биогенным путем), образно называются биологические молекулы. Однако каких-то особых «живых молекул» не существует. Присущие клетке свойства и признаки жизни определяются, с одной стороны, высокой упорядоченностью химической структуры, а с другой стороны, такой строго определенной направленностью химических реакций, которая не встречается вне биологических систем.

Содержание воды в клетках достигает 80% от их общей массы и даже более. Однако в зависимости от таксономической и тканевой принадлежности клеток содержание воды может изменяться в широких пределах. Например, в клетках человека среднее содержание воды составляет 40%, в т.ч., в клетках тканей зубов - 3…10%, в клетках жировой ткани - 30…40%, в клетках печени - 75%, в клетках головного мозга 80…85%. В растительных клетках содержание воды достигает 95% за счет клеточного сока.

Биологические функции воды в клетках:

1. Вода служит универсальным растворителем, а также средой для транспорта веществ.

Вода - хороший растворитель для тех веществ, молекулы которых полярны, или для веществ с ионной кристаллической решеткой. При этом образуются гидратированные молекулы или ионы. Если молекулы воды связаны с растворенными ионами или малыми молекулами, то такая вода называется осмотически связанной. Если молекулы воды связаны с крупными молекулами или частицами, то такая вода называется коллоидно-связанной. Если же молекулы воды связаны только между собой, то такая вода называется свободной. В живых нормально функционирующих клетках свободной воды нет.

2. Вода служит средой для протекания химических реакций и сама участвует в химических реакциях.

3. Вследствие высокой теплоемкости и теплопроводности вода обеспечивает относительное постоянство температуры внутри клетки.

4. Вода служит донором протонов и электронов в обменных процессах.

5. Вода (как и другие жидкости) практически несжимаема и поэтому выполняет функцию гидростатического скелета клетки.

6. Вода служит средой для передвижения отдельных клеток.

К органическим веществам клетки относятся углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, белки и малые молекулы (низкомолекулярные органические вещества).

Клеточная мембрана

Наружная мембрана представляет собой тонкую (около 7,5 нм² толщиной) трехслойную оболочку клетки, видимую лишь в электронном микроскопе. Два крайних слоя мембраны состоят из белков, а средний образован жироподобными веществами. В мембране есть очень мелкие поры, благодаря чему она легко пропускает одни вещества и задерживает другие. Мембрана принимает участие в фагоцитозе (захватывание клеткой твердых частиц) и в пиноцитозе (захватывание клеткой капелек жидкости с растворенными в ней веществами). Таким образом, мембрана сохраняет целостность клетки и регулирует поступление веществ из окружающей среды в клетку и из клетки в окружающую ее среду.

На своей внутренней поверхности мембрана образует впячивания и разветвления, глубоко проникающие внутрь клетки. Через них наружная мембрана связана с оболочкой ядра, С другой стороны, мембраны соседних клеток, образуя взаимно прилегающие впячивания и складки, очень тесно и надежно соединяют клетки в многоклеточные ткани.

Цитоплазма.

Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему. Она состоит из прозрачного полужидкого раствора и структурных образований. Общими для всех клеток структурными образованиями цитоплазмы являются: митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи и рибосомы. В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки, как единой целостной живой системы. В состав цитоплазмы также входят: цитоплазматический матрикс, цитоскелет, органоиды и включения (иногда включения и содержимое вакуолей к живому веществу цитоплазмы не относят).

Строение и функции клеточных структур.

Эндоплазматическая сеть представляет собой многократно разветвленные впячивания наружной мембраны клетки. Мембраны эндоплазматической сети обычно расположены попарно, а между ними образуются канальцы, которые могут расширяться в более значительные полости, заполненные продуктами биосинтеза. Вокруг ядра мембраны, слагающие эндоплазматическую сеть, непосредственно переходят в наружную мембрану ядра. Таким образом, эндоплазматическая сеть связывает воедино все части клетки. В световом микроскопе эндоплазматическая сеть не видна. В клетке различают шероховатую и гладкую эндоплазматическую сеть. Шероховатая эндоплазматическая сеть густо окружена рибосомами, где происходит синтез белков. Гладкая эндоплазматическая сеть лишена рибосом и в ней осуществляются синтез жиров и углеводов. Основная функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах. По канальцам эндоплазматической сети осуществляется внутриклеточный обмен веществами, синтезируемыми в различных частях клетки, а также обмен между клетками. Вместе с тем эндоплазматическая сеть как более плотное структурное образование выполняет функцию остова клетки, придавая ее форме определенную устойчивость.

Рибосомы - микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.

Митохондрии - энергетические центры клетки. Это очень мелкие, но хорошо видимые в световом микроскопе тельца (длина 0,2-7,0 мкм). Они находятся в цитоплазме и значительно варьируют по форме и числу в разных клетках. Жидкое содержимое митохондрий заключено в две трехслойные оболочки, каждая из которых имеет такое же строение, как и наружная мембрана клетки. Внутренняя оболочка митохондрии образует многочисленные впячивания и неполные перегородки внутри тела митохондрии. Эти впячивания называются кристами. Благодаря им при малом объеме достигается резкое увеличение поверхностей, на которых осуществляются биохимические реакции и среди них прежде всего реакции накопления и освобождения энергии при помощи ферментативного превращения аденозиндифосфорной кислоты в аденозинтрифосфорную кислоту и наоборот. Количество митохондрий в клетках различных живых существ и тканей неодинаково. Например в сперматозоидах может быть всего одна метохондрия. Зато в клетках тканей, где велики энергетические затраты, бывает до нескольких тысяч. Количество митохондрий в клетке зависит от ее возраста: в молодых клетках их гораздо больше, чем в стареющих. Митохондрии содержат свою ДНК и могут самостоятельно размножаться. Так, например перед делением клетки число митохондрий возрастает в ней таким образом, чтобы их хватило на две клетки. Митохондрии содержатся во всех эукариотических клетках, а вот в прокариотических клетках их нет (возможно предки митохондрий напоминали бактерий, со временем они поселились в клетках других организмов, а через большое время стали важнейшими органоидами, без которых существование эукариотических клеток невозможно).

Аппарат Гольджи (Комплекс Гольджи).

Во многих клетках животных, например в нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клетках растений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клетках растительных животных организмов, несмотря на разнообразие его формы. В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченны мембранами и расположенные группами (по 5-10); крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс. Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. По каналам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтетической деятельности клетки - белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму и либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо выводятся из нее и используются в организме. Еще одна важная функция этого органоида заключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов (полисахаридов), которые используются в клетке и которые входят в состав мембран. Благодаря деятельности аппарата Гольджи происходят обновление и рост плазматической мембраны. Помимо того, в комплекс Гольджи входят довольно крупные вакуоли. В них накапливаются некоторые продукты синтеза, в первую очередь ферменты и гормоны. В определенные периоды жизнедеятельности клетки эти зарезервированные вещества могут быть выведены из данной клетки через эндоплазматическую сеть и вовлечены в обменные процессы организма в целом.

Лизосомы - шаровидные тельца диаметром от 0,2 до 1 мкм. Это ультрамикроскопические пузырьки в цитоплазме, наполненные жидкими пищеварительными ферментами Они покрыты элементарной мембраной и содержат около 30 гидролитических ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Образование лизосом происходит в комплексе Гольджи. Если в цитоплазму клетки попадают пищевые вещества или микроорганизмы, ферменты лизосом принимают участие в их переваривании. При повреждении мембран лизосом содержащиеся в них ферменты могут разрушать структуры самой клетки и временные органы эмбрионов и личинок. Продукты лизиса через мембрану лизосом поступают в цитоплазму и включаются в дальнейший обмен веществ.

Значение лизосом в клетке:

- являются дополнительным «сырьем» для химических и энергетических процессов

- переваривают некоторые органоиды при голодании клетки, что обеспечивает минимум питательных веществ

- играют большую роль в процессах развития у животных

Клеточный центр - образование, до сих пор описанное только в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух центриолей, каждая из которых представляет собой цилиндрик размером до 1 мкм. Центриоли играют важную роль в митотическом делении клеток. Кроме описанных постоянных структурных образований, в цитоплазме различных клеток периодически появляются те или иные включения. Это капельки жира, крахмальные зерна, кристаллики белков особой формы (алейроновые зерна) и др. В большом количестве такие включения встречаются в клетках запасающих тканей. Однако и в клетках других тканей такие включения могут существовать как временный резерв питательных веществ.

Размещено на Allbest.ru