Строение и функции клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение и функции клетки

Ввдение

Из курса ботаники и зоологии известно, что растения и животные состоят из клеток -- сложно устроенных структур микроскопических размеров. Клетка -- это наименьшая структурная и функциональная единица живого. Изучение строения, функций клеток, их взаимодействия между собой -- основа к пониманию такого сложного организма, как человек. Клетка активно реагирует на раздражения, выполняет функции роста и размножения; способна к самовоспроизведению и передаче генетической информации потомкам; к регенерации и приспособлению к окружающей среде.

В организме взрослого человека различают около 200 типов клеток, которые отличаются формой, строением, химическим составом и характером обмена веществ. Несмотря на большое разнообразие, каждая клетка любого органа представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: цитоплазмы, ядра и цитолеммы.

Цитоплазма состоит из полупрозрачной гиалоплазмы (от лат. hya-linos -- прозрачный) -- основного вещества цитоплазмы и находящихся в ней органелл и включений.

Гиалоплазма представляет собой сложную коллоидную систему, которая заполняет пространство между клеточными органеллами. В гиалоплазме содержатся вода (90%), белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, полисахариды, нуклеотиды, соли, ферменты и другие соединения. Гиалоплазма объединяет различные структуры клетки и обеспечивает их взаимодействие.

Органеллы -- это структуры клетки, выполняющие определенные жизненно важные функции. Различают органеллы общего значения и специальные, мембранные и немембранные. Органеллы общего значения присутствуют во всех клетках, а органеллы специального значения встречаются в специализированных клетках.

Мембранные органеллы - это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы, отделенные от гиалоплазмы мембранами. К мембранным органеллам относят эндоплазматическую сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, пероксисомы.

Эндоплазматическая сеть образована группами вакуолей или трубочек, совокупность которых напоминает сеть.

Рис. 2. Схема строения клетки:

1 -- цитолемма (плазматическая мембрана), 2 -- пиноцитозные пузырьки, 3 -- центросома (клеточный центр), 4 -- гиалоплазма, 5 -- эндоплазматическая сеть (а -- мембраны эндоплазматической сети, б--рибосомы), 6 -- ядро, 7 -- связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети, 8 -- ядерные поры, 9 -- ядрышко, 10-- внутриклеточный сетчатый аппарат (комплекс Гольджи), // -- секторные вакуоли, 12 -- митохондрии, 13 -- лизосомы, 14 -- три последовательные стадии фагоцитоза, 15 -- связь клеточной оболочки с мембранами эндоплазматической сети

Она неоднородна по строению. Известны два типа эндоплазматической сети -- зернистая и незернистая. У зернистой сети на мембранах трубочек располагается множество мелких округлых телец -- рибосом. Мембраны незернистой эндоплазматической сети не имеют рибосом на своей поверхности. Основная функция зернистой эндоплазматической сети -- участие в синтезе белка. На мембранах незернистой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и полисахаридов.

Комплекс Гольджи (внутренний сетчатый аппарат) обычно расположен около клеточного ядра. Состоит он из уплощенных цистерн, окруженных мембраной. Рядом с группами цистерн находится множество мелких пузырьков. Комплекс Гольджи участвует в накоплении продуктов, синтезированных в эндоплазматической сети, и выведении образовавшихся веществ за пределы клетки. Кроме того, комплекс Гольджи обеспечивает формирование лизосом и пероксисом.

Лизосомы представляют собой мембранные мешочки, наполненные активными химическими веществами (ферментами), расщепляющими белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Пероксисомы -- это небольшие, овальной формы тельца, содержащие ферменты, разрушающие пероксид водорода (Н₂О₂), который токсичен для клетки.

Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы и пероксисомы образуют единую, ограниченную мембранами вакуолярную систему клетки, участвующую в синтезе и транспорте различных важных для жизнедеятельности клетки веществ.

Митохондрии (от греч. mitos -- нить, chondrion -- зерно, гранула) называют «энергетическими станциями клетки». Это палочковидные, нитевидные или шаровидные органеллы диаметром около 0,5 мкм, длиной от 1 до 10 мкм. Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп. В отличие от других органелл они ограничены не одной, а двумя мембранами. Наружная мембрана имеет ровные контуры и отделяет митохондрию от гиалоплазмы. Внутренняя мембрана ограничивает содержимое митохондрии и образует многочисленные складки, выпячивания -- гребни (кристы). Основная функция митохондрий -- образование АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) -- важного для функций клеток энергетического материала. Окисление органических веществ и образование небольших количеств АТФ происходит в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, гликолиз). На этом этапе подготавливается «топливо» для митохондрий. Синтез основной массы АТФ осуществляется с потреблением кислорода и происходит на мембранах митохондрий.

К немембранным органеллам относят опорный аппарат клетки, клеточный центр, микрофи-ламенты, микротрубочки, рибосомы.

Опорный аппарат, или цитоскелет, обеспечивает клетке способность сохранять определенную форму, а также осуществлять направленные движения. Цитоскелет представлен белковыми нитями (актиновыми филаментами), которые пронизывают всю цитоплазму клетки, заполняя пространство между ядром и цитолеммой. Активные филаменты, располагаясь в мышечных волокнах и клетках, обеспечивают их сокращение.

Микрофиламенты лежат непосредственно под цитолеммой и участвуют в движениях клетки.

Микротрубочки представляют собой полые цилиндры, состоящие из белка тубулина. Они являются основными структурами ресничек и жгутиков, обеспечивают их подвижность.

Клеточный центр (цитоцентр) состоит из центриолей и окружающего их плотного вещества -- центросферы. Располагается клеточный центр возле ядра клетки. Центриоли -- это полые цилиндры, стенки которых состоят из 9 триплетов -- тройных микротрубочек. Обычно в неделящейся клетке присутствуют две центриоли: материнская и дочерняя, которые располагаются под углом друг к другу. При подготовке клетки к делению происходит удвоение центриолей, так что в клетке перед делением образуются четыре центриоли. Центросфера -- это особая зона вокруг центриолей, состоящая из микротрубочек, радиально отходящих от центросферы. Центриоли и центросфера участвуют в формировании в делящихся клетках веретена деления и располагаются на его полюсах.

Рибосомы представляют собой гранулы 15--35 нм в диаметре. В их состав входят белки и молекулы РНК (примерно в равных весовых отношениях). Располагаются рибосомы в цитоплазме свободно или фиксированы на мембранах зернистой эндоплазматической сети. Рибосомы участвуют в сборке молекул белка, в объединении аминокислот в цепи в строгом соответствии с генетической информацией, заключенной в ДНК.

Включения цитоплазмы являются необязательными компонентами клетки. Они возникают и исчезают в зависимости от ее функционального состояния. Основное место локализации включений -- цитоплазма. В ней они накапливаются в виде капель, гранул, кристаллов. Различают включения трофические (питательные), секреторные и пигментные.

К трофическим включениям относят гранулы гликогена в клетках печени, белковые гранулы в яйцеклетках, капли жира в жировых клетках и т. д. Секреторные включения образуются в клетках железистого эпителия в виде секреторных гранул. Примером пигментных включений служит гемоглобин в эритроцитах крови и меланин -- в клетках радужки глаза.

1. Цитолемма. Строение и функции биологических мембран

Все биологические мембраны, включая плазматическую мембрану (цитолемму) и внутренние клеточные мембраны, состоят из липидных и белковых молекул, образующих несколько слоев.

Основной структурой любой биологической мембраны является непрерывный двойной слой липидных молекул -- липидный бислой (рис. 3). Он обеспечивает непроницаемость мембраны для большинства водорастворимых молекул. Липиды составляют около 50% массы плазматической мембраны. Их молекулы имеют гидрофильную (любящую воду) головку и гидрофобные (боящиеся воды) концы. Липидные молекулы располагаются в мембранах таким образом, что гидрофобные концы находятся между двумя слоями, образованными гидрофильными головками.

Рис. 3 Схема строения цитолемы:

1 - липиды, 2 - гидрофобная зона липидных молекул, 3 - белковые молекулы, 4 - полисахариды гликокаликса

клетка цитолемма строение

Молекулы белков не образуют в мембранах сплошного слоя, они располагаются в слоях липидов, погружаясь в них на разную глубину. В плазматической мембране количество белков составляет половину ее массы.

Углеводы на поверхности мембраны представлены полисахаридными цепочками, которые прикреплены к мембранным белкам и липидам. Масса углеводов в плазматической мембране колеблется от 2 до10% от ее массы. Углеводы располагаются на внешней поверхности клеточной мембраны, которая не контактирует с цитоплазмой. Углеводы на клеточной поверхности образуют надмембранный слой -- гликокаликс, принимающий участие в процессах межклеточного узнавания.

Функция плазматической мембраны. Одна из основных жизненно важных функций плазматической мембраны -- транспортная функция. Она обеспечивает поступление в клетку питательных и энергетических веществ, выведение продуктов обмена и биологически активных веществ (секретов), регулирует прохождение в клетку и из клетки различных ионов.

Существуют несколько механизмов для поступления веществ в клетку и выхода их из клетки: диффузия, активный транспорт, экзо- или эндоцитоз.

Диффузия -- это движение молекул или ионов из области с высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией. За счет диффузии осуществляется транспорт через мембраны молекул кислорода и углекислого газа. Ионы и молекулы глюкозы, аминокислот, жирных кислот диффундируют через мембраны медленно.

Направление диффузии ионов определяется двумя факторами: один из этих факторов -- их концентрация, другой -- электрический заряд. Ионы обычно перемещаются в область с противоположным зарядом, отталкиваясь из области с одноименным зарядом, диффундируют из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Активный транспорт -- это перенос молекул или ионов через мембраны с потреблением энергии против градиента концентрации. Энергия (расщепление АТФ) необходима потому, что вещества должны двигаться вопреки их естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении. Примером активного транспорта ионов является натрий-калиевый насос (Na⁺, K⁺-насос). С внутренней стороны мембраны к ней поступают ионы Na ⁺ , АТФ, а с наружной -- ионы К⁺. На каждые два полученных клеткой иона К⁺ из клетки выводится три иона Na⁺. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательно заряженным по отношению к внешней среде, а между двумя поверхностями мембраны возникает разность потенциалов.

Перенос через мембрану крупных молекул нуклеотидов, аминокислот и т. д. осуществляют мембранные транспортные белки: белки-переносчики и каналообразующие белки. Белки-переносчики, связываясь с молекулой вещества, переносят его через мембрану. Этот процесс может быть как пассивным, так и активным. Каналообразующие белки формируют заполненные тканевой жидкостью поры, которые пронизывают липидный бислой. Эти каналы имеют ворота, открывающиеся на короткое время в ответ на специфические процессы, происходящие на мембране.

Эндоцитоз и экзоцитоз -- это два процесса, посредством которых осуществляется перенос макромолекул и крупных частиц через мембрану в клетку (эндоцитоз) либо из клетки (экзоцитоз). При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Оказавшись в пузырьках, частицы или жидкость переносятся внутрь клетки.

Экзоцитоз -- процесс, обратный эндоцитозу. Это процесс, при котором содержимое транспортных или секретируемых пузырьков выделяется во внеклеточное пространство. При этом пузырьки проходят через мембрану и раскрываются на ее поверхности. Клеточная мембрана обладает также большим количеством чувствительных образований -- рецепторов, способных воспринимать воздействия различных химических и физических раздражителей. Межклеточные соединения (соединения мембран) обеспечивают передачу химических и электрических сигналов, участвуют во взаимоотношениях клеток друг с другом. Существуют простые, плотные, щелевидные и синаптические межклеточные соединения. В простых соединениях цитолеммы двух клеток соприкасаются. В местах плотных межклеточных соединений цитолеммы двух клеток максимально сближены, местами сливаются, образуя как бы одну мембрану. При щелевидных соединениях между двумя цитолеммами имеется очень узкая щель (2-- 3 нм). Синаптические соединения (синапсы) характерны для контактов нервных клеток друг с другом. В них сигнал (нервный импульс) способен передаваться только в одном направлении. С помощью контактов клетки соединяются с соседними клетками или внеклеточными структурами. Плотные контакты делают невозможным прохождение через них даже небольших молекул. Щелевидные контакты и синапсы в наибольшей степени обеспечивают передачу химических и электрических сигналов, поэтому их называют коммуникантными контактами клеток.

2. Ядро клетки

Ядро -- обязательный компонент животных клеток, оно содержит генетическую информацию и регулирует белковый синтез. Ядро имеет чаще всего шаровидную или яйцевидную форму. Возможны и другие формы ядра: бобовидная, палочковидная, сегментированная. Ядро не-делящейся клетки состоит из ядерной оболочки, нуклеоплазмы, хроматина и ядрышка.

Ядерная оболочка (нуклеолемма) отделяет содержимое ядра от цитоплазмы и регулирует транспорт веществ между ядром и цитоплазмой. Она состоит из наружной и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством (рис. 4). Наружная ядерная мембрана непосредственно соприкасается с цитоплазмой клетки, с эндоплазматической сетью. На поверхности мембраны, обращенной к цитоплазме, находятся многочисленные рибосомы. Ядерная оболочка имеет закрытые диафрагмой ядерные поры, через которые осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой. Из ядра выходят молекулы РНК, а поступают в ядро белки и нуклеотиды.

Рис. 4. Строение ядра интерфазной клетки

1-- ядерная оболочка (а -- наружная, б -- внутренняя мембраны), 2 -- перинуклеарное пространство, 3 -- ядерная пора, 4 -- конденсированный хроматин, 5 -- диффузный хроматин, 6 -- ядрышко

Нуклеоплазма содержит белки, нуклеотиды, различные РНК и ферменты. В ней расположен хроматин и одно или несколько ядрышек. Хроматин -- это участки плотного вещества в ядре, содержащие ДНК. Благодаря способности хорошо окрашиваться различными красителями этот компонент ядра и получил название «хроматин» (от греч. chroma -- цвет, краска). Хроматин в период между делением ядра представляет разрыхленную субстанцию. В этот период он находится в активном состоянии, обеспечивая синтез РНК. Во время деления клетки происходит уплотнение хроматина, образуются нитевидные структуры -- хромосомы. В это время хромосомы являются распределителями и переносчиками генетического материала во вновь образующиеся дочерние клетки. В хромосомах ДНК представляет собой линейные молекулы, содержащие множество генов (геномов). Ген--это ряд последовательно расположенных в ДНК нуклеотидов.

Для каждого вида животных характерно определенное число хромосом. У человека в клетках 46 хромосом, т. е. 23 пары хромосом (диплоидный--двойной набор). Каждая пара различается по форме и величине. Хромосомы 23-й пары называют половыми. В клетках женского организма содержится симметричная пара половых хромосом, так называемые Х-хромосомы. В клетках мужского организма пара половых хромосом несимметрична, одна хромосома -- Х-хромосома -- такая же, как и в клетках женского организма, вторая отличается от нее по форме и называется Y-хромосомой.

Таким образом, у женщин 23-я пара хромосом -- это ХХ-хромосомы, а у мужчин XY-хромосомы. Каждая половая клетка содержит 23 хромосомы (гаплоидный, одинарный набор). Во всех яйцеклетках 23-я хромосома только Х-хромосома, а в сперматозоидах -- либо Х-, либоY -хромосома.

Ядрышко -- самая плотная структура клеточного ядра. Это не самостоятельная структура ядра, а производное хромосом, место образования рибосомных РНК, участвует в синтезе белков. Состоит ядрышко из фибриллярных структур (тонких волоконец), расположенных в центре ядрышка, и гранулярного компонента по его периферии.

3. Химический состав клетки

Все клетки животных и растений сходны не только по строению, но и по химическому составу. Они содержат как неорганические, так и органические вещества.

Неорганические вещества клетки. В состав клетки входят более 80 химических элементов периодической системы Менделеева. При этом на долю шести из них -- углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы приходится около 99% общей массы клетки. Химические элементы находятся в клетке либо в виде ионов, либо в виде соединений.

Первое место среди веществ, клетки занимает вода, имеющая химическую формулу Н₂О. Вода составляет около 70% массы клетки. Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водной среде. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.

Благодаря этим свойствам в клетке поддерживается тепловое равновесие. Она -- основное средство передвижения веществ в клетке и организме. Велико значение воды как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе выводятся из клетки отработанные продукты. Вода определяет физические свойства клетки -- ее объем, упругость. При потере большого количества воды организмы гибнут.

К неорганическим веществам клетки, кроме воды, относят соли. Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К⁺ , Na⁺ , Ca²⁺, Mg²⁺, а также анионы Н₂РО~, С1^-, НСО₃-. Концентрация катионов и анионов во внутриклеточной и внеклеточной средах различна. Так, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень низкая -- ионов натрия. Напротив, в окружающей клетку среде -- в тканевой жидкости меньше ионов калия и больше ионов натрия. Пока клетка жива, эти различия в концентрациях ионов калия и натрия между клеточной и внеклеточной средами сохраняют постоянство. После гибели клетки содержание ионов в клетке и окружающей ее среде быстро выравнивается.

Органические вещества клетки (табл. 1). Можно сказать, что почти все молекулы клетки относятся к соединениям углерода. Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электронов, атом углерода может образовывать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами, создавая большие и сложные молекулы. Угле-родсодержащие вещества характерны только для живых клеток и организмов.

Большинство органических соединений, входящих в состав клетки, характеризуются большим размером молекул. Поэтому их называют макромолекулами (от греч. macros -- большой). Такие молекулы состоят из повторяющихся сходных по структуре и связанных между собой соединений -- мономеров (от греч. то-nos -- один). Образованную мономерами макромолекулу называют полимером (от греч. poly -- много).

Белки. Белки составляют основную массу цитоплазмы и ядра клетки. В состав всех белков входят атомы водорода, кислорода и азота. Во многие белки входят атомы серы, фосфора. Каждая молекула белка состоит из тысяч атомов, например молекула белка гемоглобина

(C₃₈₃₂H₄₆₁₆0₈₇₂N₇₈₀S₈Fe₄) .

Таблица 1. Основные сложные органические химические вещества, присутствующие в клетках человека. Их состав и функции

Существует огромное количество различных белков. Все они построены из аминокислот. Каждая аминокислота содержит карбоксильную группу (СООН), имеющую кислотные свойства, и аминогруппу (NH₂), имеющую основные свойства. Участки молекул, лежащие вне амино- и карбоксильной групп, которыми отличаются аминокислоты, называют радикалами (R).

К числу важнейших аминокислот относят аланин, глутаминовую и аспарагиновую кислоты, пролин, лейцин, цистеин. Соединения аминокислот друг с другом называют пептидами. Пептид из двух аминокислот называют дипептидом, из трех аминокислот -- трипептидом, из многих аминокислот -- полипептидом. Таким образом, белки являются полимерами, мономерами которых служат аминокислоты. В состав большинства белков входит 300--500 аминокислот, но есть и более крупные белки, состоящие из 1500 и более аминокислот.

Белки отличаются составом, числом и порядком чередования аминокислотных звеньев в полипептидной цепи. Установлено, что именно последовательность чередования аминокислот имеет первостепенное значение в существующем разнообразии белков. Многие молекулы белков имеют большую длину и молекулярную массу. Так, молекулярная масса инсулина --5700, гемоглобина -- 65 000, а воды -- всего 18.

Полипептидные цепи белков не всегда вытянуты в длину. Они могут скручиваться, изгибаться или свертываться самым различным образом.

Разнообразие физических и химических свойств белков обеспечивает им выполнение множества функций: строительную, ферментативную, двигательную, транспортную, защитную, энергетическую.

Углеводы -- это сложные органические вещества, в состав которых входят атомы углерода, кислорода и водорода. Общая формула углеводов С_n(Н₂О)_n, где n-- не меньше трех. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы называют моносахаридами. Сложные углеводы представляют собой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. Из двух мономеров образуется дисахарид, из трех -- трисахарид, из многих -- полисахарид. Все моносахариды -- бесцветные вещества, хорошо растворимые в воде. Самые распространенные моносахариды в животной клетке -- глюкоза, рибоза, дезоксирибоза.

Глюкоза -- первичный источник энергии для клетки. Подвергаясь расщеплению, она превращается в оксид углерода и воду (СО₂+Н₂О).

В ходе этой реакции освобождается энергия (при расщеплении 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и аденозинтрифосфорной кислоты.

Липиды образованы теми же химическими элементами, что и углеводы,-- углеродом, водородом и кислородом. Они представляют собой органические вещества, нерастворимые в воде. Самые распространенные липиды -- жиры. Жир -- основной источник энергии. При его расщеплении выделяется в 2 раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Липиды гидрофобны, они входят в состав клеточных мембран.

Нуклеиновые кислоты -- ДНК и РНК. Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т. е. ядро, где они и были впервые обнаружены. Нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами, т. е. представляют собой последовательно соединенные друг с другом нуклеотиды. Нуклеотид -- это химическое соединение, состоящее из одной молекулы фосфорной кислоты, одной молекулы моносахарида и одной молекулы органического основания. Органические основания при взаимодействии с кислотами могут образовывать соли.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собой две цепи, спирально закрученные одна вокруг другой. Каждая цепь -- полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, в состав которых входят азотистые основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин), углевод (дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

При образовании двойной спирали комплементарные азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи. В полинуклеотидных цепях ДНК каждые три следующие друг за другом нуклеотида составляют триплет (совокупность из трех компонентов). Наивысшее число возможных триплетов 64, т. е. 43.

ДНК имеет уникальное свойство -- способность к удвоению, которым не обладает ни одна из других известных молекул. В определенные моменты ДНК может существовать в виде одноцепочной молекулы. При достаточном наборе нуклеотидов и в присутствии специальных ферментов происходит воссоздание (образование) недостающей половины на основе принципа комплемен-тарности (дополнения к имеющейся).

Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) также полимер, мономерами которой являются нуклеотиды, в состав которой входят азотистые основания (аденин, урацил, гуанин, цитозин), углевод (рибоза) и фосфорная кислота. РНК представляет собой одноцепочную молекулу. В РНК, так же как и в ДНК, комбинации из трех нуклеотидов образуют триплеты, или информационные единицы. Каждый триплет управляет включением в белок совершенно определенной аминокислоты. Наивысшее число возможных триплетов, так же как и в ДНК,-- 64.

По выполняемым функциям выделяют несколько видов РНК: транспортная РНК (тРНК) в основном содержится в цитоплазме клетки; рибосомная РНК (рРНК) составляет существенную часть структуры рибосом; информационная РНК (иРНК), или матричная (мРНК), содержится в ядре и цитоплазме клетки и переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.

Ферменты. Реакции органических соединений в клетках и тканях протекают с очень низкой скоростью. В то же время живая клетка имеет особые вещества для ускорения реакций, которые называют ферментами. Ферменты, расщепляющие углеводы, называют сахаразами, отщепляющие водород -- дегидрогеназами, расщепляющие жиры -- липазами.

4. Функции клетки

Клетка, являясь структурной и функциональной единицей живых организмов, обладает всеми признаками живой материи. Это обмен веществ, способность реагировать на внешние воздействия (раздражимость), возбудимость, рост, размножение (способность к воспроизведению и передаче генетической информации), регенерация (восстановление), приспособление (адаптация).

Обмен веществ. Живая клетка постоянно поглощает вещества из окружающей среды и выделяет в окружающую среду продукты жизнедеятельности. Обмен веществ (метаболизм) -- это совокупность анаболических и катаболических реакций, протекающих в клетке.

Анаболические реакции (ассимиляция) -- это синтез крупных молекул из более мелких и простых. Для этих процессов необходима затрата энергии. Из веществ, поступающих в клетку (глюкозы, аминокислот, органических кислот и нуклеотидов), синтезируются белки, углеводы, ли-пиды и нуклеиновые кислоты. Из них формируется тело клетки, ее мембраны, органоиды.

Таким образом, вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза. Биосинтез -- это процесс образования биологических структур -- белков, жиров и углеводов из более простых веществ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определенным клеткам организма. Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение. Реакции синтеза особенно интенсивно идут в молодых, растущих клетках.

Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. В результате образуются вещества более простого строения (вода, углекислый газ, мочевина и т. д.). Большая часть реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. Процессы расщепления крупных молекул органических соединений называют катаболизмом (диссимиляцией). Важно отметить, что не во всякой катаболической реакции высвобождается энергия. Некоторые из них, связанные с освобождением клетки от токсических веществ, идут с затратой энергии.

Поступающие в клетку органические вещества служат строительным материалом для клеточных компонентов. Значительную часть образующейся энергии клетка использует на поддержание жизненных процессов: биосинтез, клеточное деление, активный транспорт и т. д. Наиболее пригодна для использования в клетке химическая энергия, так как она может быстро распространяться из одной части клетки в другую, а также из клетки в клетку и расходоваться экономно.

Источником энергообеспечения любой клеточной функции является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Она содержится во всех живых клетках. При расщеплении молекулы АТФ образуется АДФ (аденозиндифосфорная кислота). Эта реакция сопровождается освобождением энергии (порядка 40 кДж/моль). Запас АТФ в клетке невелик. Поэтому наряду с распадом в клетке происходит непрерывный ее синтез. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом. АТФ образуется при окислении органических соединений -- углеводов, жиров и белков.

Большинство клеток для окисления использует в первую очередь углеводы. Жиры составляют «первый резерв», когда запас углеводов исчерпан. Белки используются лишь после того, как будет израсходован весь запас углеводов и жиров, например при длительном голодании.

Раздражимость -- это способность клетки активно отвечать на внешние и внутренние воздействия определенной формой деятельности: изменением обмена веществ, движением, образованием нервных импульсов и т. д. Факторы, вызывающие изменения функций клетки, называют раздражителями. Одна из форм клеточных реакций в ответ на действие раздражителей -- возбуждение. Это сложная биологическая реакция, обязательным признаком которой является уменьшение электрического заряда на внутренней и внешней поверхностях цитолеммы. Внутренняя поверхность плазматической мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней. Разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки, находящейся в покое, называют мембранным потенциалом или потенциалом покоя. В зависимости от типа клеток величина мембранного потенциала варьирует от 50 до 90 мВ. При наличии потенциала покоя (мембранного) электрический ток через мембрану не проходит. Действующий раздражитель нарушает равновесие мембранного потенциала, вызывает его уменьшение (деполяризацию). Слабые раздражители вызывают небольшую деполяризацию, а сильные приводят к перезарядке мембраны -- изменению знака заряда. При этом возникает потенциал действия, или нервный импульс. При возбуждении в клетках меняются скорости анаболических и катаболических реакций. Железистые клетки образуют и выделяют секреты, мышечные -- сокращаются, нервные клетки образуют нервные импульсы.

5. Рост и размножение клеток

Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки на две дочерние клетки. Существуют два основных типа деления клеток -- митоз и мейоз.

Митоз (от греч. mitos -- нить) -- это такое деление клетки, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам родительской клетки. Вслед за ядерным делением цитоплазма делится на две равные части. Образуются две равноценные дочерние клетки. Митотическое деление приводит к увеличению числа клеток, обеспечивающих процессы роста организмов. У высших животных и человека таким способом восполняются потери клеток в результате их износа или гибели.

Рис. 5. Деление клетки. Стадии митоза:

А -- интерфаза: / -- ядрышко, 2 -- хромосомы, 3 -- оболочка ядра, 4 -- центриоль; Б -- профаза: 5 -- центральное веретено деления, 6 -- хромосомы; В -- метафаза: 7 -- хроматиды; Г -- анафаза; Д -- телофаза: 8 -- формирование ядра, 9 -- борозда деления клетки; Е -- поздняя телофаза

Время жизни клетки от деления до деления называют клеточным циклом. Весь клеточный цикл состоит из собственно митоза (деления клетки) и периода между двумя делениями, который называют интерфазой. Интерфаза занимает обычно около 90% времени всего клеточного цикла.

В интерфазе клетка готовится к удвоению хромосом (синтезируются РНК, различные клеточные белки). Затем синтезируется ДНК, происходит ее удвоение (репликация). В результате каждая хромосома оказывается удвоенной, состоящей из двух идентичных сестринских хроматид. После полного удвоения хромосом синтезируются белки микротрубочек веретена деления.

В периоде митоза происходят события, которые традиционно подразделяют на четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу (рис. 5).

Профаза. В этот переходный период от интерфазы к митозу центросома разделяется на две центриоли, уходящие к полюсам делящейся клетки. Хроматин уплотняется (конденсируется), образуются отчетливо видимые хромосомы. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Начинается быстрый распад ядерний оболочки. Микротрубочки проникают в область ядра.

Метафаза занимает значительную часть периода митоза. Хромосомы с эту фазу деления клетки выстраиваются в экваториальной плоскости веретена.

Анафаза. Хромосомы начинают медленно расходиться к соответствующим полюсам клетки. Все хроматиды движутся с одинаковой скоростью около 1 мкм в минуту. Анафаза обычно длится всего лишь несколько минут.

Телофаза (от греч. telos -- конец). Дочерние хроматиды подходят к полюсам клетки. Вокруг каждой группы дочерних хроматид образуется новая ядерная оболочка. Конденсированный хроматин начинает разрыхляться, в новых ядрах появляются ядрышки. В экваториальной области клетки, между двумя дочерними ядрами образуется борозда деления, которая, постепенно углубляясь, полностью разделяет две дочерние клетки.

Мейоз является разновидностью митоза. Это деление созревающих половых клеток. При мейозе в два раза уменьшается число хромосом. Поэтому мейоз называют также редукционным делением (от лат. reductio -- уменьшение). В человеческой половой клетке в результате мейоза вместо двойного (диплоидного) числа хромосом (46) остается одинарный (гаплоидный) набор хромосом (23). Значение мейоза состоит в том, что он обеспечивает сохранение в ряде поколений постоянного числа хромосом.

Клетки человеческого организма, число которых огромно, делятся с разной скоростью. Нервные клетки не делятся совсем, клетки печени делятся один раз в течение двух лет, а некоторые эпителиальные клетки кишечника делятся чаще, чем два раза в сутки.

Клеточное деление у многоклеточных организмов зависит от сложных регуляторных механизмов нервной системы и эндокринного аппарата.

Размещено на Allbest.ru