Тема №2 клетка

Цитология – наука, изучающая строение клетки.

Клетка – это структурная и функциональная единица живого организма (по теории Шванна Т. – зоолога и ботаника Шлейдена М.). Клетка представляет самовоспроизводящуюся химическую систему. Эта система отделена от своего окружения, и вместе с тем она обладает способностью к обмену с этим окружением. Роль барьера играет плазматическая мембрана.

Положения теории

Все организмы состоят из клеток, функцитнирование организма в целом завасит от функционирования отдельных его клеток. Каждая клетка образуется из клетки путем деления. Рост и развитие организма связаны с делением клеток и их дальнейшей дифференцировкой с образованием тканей и органов.

Характеристика клетки

1. Живая клетка — это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.

2. В клетке протекает большое количество последовательных реакций, регуляция скорости которых осуществляется самой клеткой.

3. Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.

4. Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.

5. Клетка способна почти точно самовоспроизводиться. Все клетки состоят из трех основных частей:

— Плазматической мембраны, ограничивающей ее от окружающей среды.

— Цитоплазмы, представляющей собой коллоидную систему, содержащую, наряду с неорганическими ионами, продукты пластического и энергетического обмена, органеллы, а также запасные вещества и различные включения.

— Ядра, в котором находится генетический материал клетки.

Клетка содержит:

митохондрии,

рибосомы,

цитоплазму,

гранулы питательных в-в (гликоген),

аппарат Гольджи,

плазматическую мембрану,

центриоль,

ядро (нуклеоплазма или ядерный сок, ядрышко, хроматин ядерная мембрана),

лизосомы, вакуоли,

секреторные гранулы.

Все биологические мембраны представляют собой двойной слой липидов, гидрофобные хвосты которых обращены внутрь, а гидрофильные головки — наружу. В него погружены на различную глубину белки, некоторые из которых пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки (они называются трансмембранными). Мембранные белки могут выполнять различные функции:

♦ транспорт определенных молекул;

♦ катализ реакций, ассоциированных с мембранами;

♦ поддержание структуры мембран;

♦ получение и преобразование сигналов из окружающей среды.

Плазматические мембраны многих клеток имеют снаружи слой гликокаликса, состоящий из полисахаридов, прикрепленных к молекулам белка, и выполняющий сигнальную и рецепторную функции. Он играет важную роль в объединении клеток в ткани.

Наиболее важным свойством мембран является их избирательная проницаемость. Различные вещества обладают различной растворимостью в липидах, биологические мембраны более проницаемы для незаряженных молекул. Однако скорости прохождения ряда веществ через мембрану не зависят от растворимости их в липидах.

Существует ряд механизмов, обеспечивающих проникновение веществ в клетку:

1. Диффузия. Вещество при этом перемещается через мембрану по диффузионному градиенту.

2. Пассивный транспорт или облегченная диффузия. В этом случае молекула-переносчик соединяется с переносимой молекулой или ионом на одной стороне мембраны и «перетягивает» его на другую. Пассивный транспорт может осуществляться и через формируемые молекулами белков особые каналы, пропускающие вещества только определенного типа. Перенос веществ здесь также осуществляется по градиенту концентрации.

3. Активный транспорт. Этот механизм сопряжен с затратами энергии и служит для переноса молекул против их градиента концентрации. Он осуществляется белками-переносчиками, образующими так называемые насосы, наиболее изученным из которых является Nа⁺/ К⁺-насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Nа ⁺ наружу, поглощая при этом ионы К⁺. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К⁺, чем в окружающей среде. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

4. Эндо - и экзоцитоз — поглощение веществ путем окружения их выростами плазматической мембраны. При этом различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пино-питоз (поглощение жидкого материала). Экзоцитоз — выделение веществ из клетки — осуществляется в обратном порядке.

Цитоплазма создает условия для осуществления физиологических реакций клетки и протекания биохимических процессов. Такое свойство цитоплазмы как буферность позволяет клетке осуществлять свою жизнедеятельность и поддерживать внутреннее постоянство среды при изменениях внешней, а постоянное движение — осуществлять связь между органоидами.

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — система мембран, формирующих цистерны и каналы, разделяющие цитоплазму клетки на изолированные пространства. Это необходимо, главным образом, для того, чтобы разделить множество параллельно идущих реакций.

Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) представляет собой стопку из 5—30 уплощенных канальцев (цистерн) и связанных с ними пузырьков. У него выделяют наружную, обращенную к плазмалемме, и внутреннюю, соединенную с ЭР, поверхности. Функция данного органоида — транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ.

Рибосомы — мелкие органеллы, представленные глобулярными частицами, состоящими из двух субъединиц неравного размера — большой и малой. В состав рибосом входят белки и рибосомальная РНК (рРНК), синтезируемая в ядрышке. Рибосомы могут либо свободно находиться в цитоплазме, либо прикрепляться к ЭР. На них происходит синтез белковых молекул.

Митохондрии — в большинстве случаев палочковидной формы органоиды. Их содержимое — матрикс, окружено двумя мембранами. Внутренняя образует многочисленные гребневидные складки, называемые кристами. Митохондрии содержат мультиферментные системы, рибосомы и небольшое количество ДНК, чаще всего в виде кольцевых молекул. Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, так как в них образуются молекулы АТФ, аккумулирующие энергию в виде химических связей.

Лизосомы – мембранные пузырьки, содержащие литические ферменты гидролазы – протеазы, липазы, фосфотазы. Ферменты лизосом переваривают как поступившие так и отдельные составные части клетки.

Лизосомы, отшнуровывающиеся от аппарата Гольджи, куда поступают ферменты, синтезированные в ЭР, называются первичными лизосомами.

Пероксисомы или микротельца — содержат фермент каталазу, катализирующий разложение пероксида водорода на воду и кислород.

Микротрубочки — трубчатые структуры цитоплазмы, состоящие из субъединиц глобулярного белка тубулина. В клетке может происходить их сборка и разборка (например, при образовании веретена деления). Микротрубочки выполняют ряд функций, главными из которых являются: образование внутреннего каркаса, поддержание формы, образование нитей веретена деления. Кроме того, они могут служить направляющими при перемещении различных органелл, входить в состав ресничек и жгутиков.

Микрофиламенты — еще более тонкие, чем микротрубочки, нитевидные структуры, также состоящие из субъединиц белка (в основном актина) и подвергающиеся постоянной сборке-разборке. Микрофиламенты участвуют в создании тока цитоплазмы, процессах движения клеток, а также эндо- и экзоцитозе.

Центриоли (у животных клеток) — мелкие полые цилиндры, состоящие из 9 триплетов микротрубочек. В клетке два таких цилиндра, располагающихся перпендикулярно друг к другу, лежат недалеко от ядра. При делении ядра эти структуры удваиваются и играют роль центров организации сборки нитей веретена.

Ядро

Кариоплазма — внутреннее содержимое ядра — представлена гелеобразным матриксом, в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек.

Хроматин представляет собой молекулы ДНК, связанные с белками. Он может находиться и виде тонких, неразличимых при световой микроскопии нитей (эухроматин) и в виде глыбок, лежащих главным образом по периферии ядра. В этом случае говорят о гетерохроматине. Различная степень конденсации (или спирализации) хроматина обусловлена разной генетической активностью расположенных в нем участков ДНК.

Ядрышко — сферическая структура, ее функция — синтез рРНК, из которой состоят рибосомы. Транспорт рРНК в цитоплазму происходит через ядерные поры — отверстия в ядерной оболочке, посредством которых осуществляется контакт кариоплазмы с содержимым клетки.

Главными функциями ядра являются:

1. Хранение генетической информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления.

2. Контроль жизнедеятельности клетки путем определения, какие белки и в каких количествах должны синтезироваться.

Жизненный цикл клетки

Процесс деления ядра клетки и ее тела, при котором дочерние клетки получают генетический материал, идентичный тому, который содержался в материнской, называется митозом. Иногда под термином «митоз» подразумевают только деление ядра (кариокинез), отдельно говоря о делении цитоплазмы и процессе образования двух клеток — цитокинезе.

Промежуток между делениями клетки носит название интерфазы, которая вместе с митозом составляет клеточный цикл

Продолжительность клеточного цикла зависит от типа клетки, ее функционального состояния и условий среды.

Интерфаза состоит из трех периодов, обозначаемых: G1, S, G2.

Период G1 начинается непосредственно после митоза. В это время увеличивается объем цитоплазмы и количество органелл, происходит рост клетки после деления, а также синтезируются вещества, которые ингибируют или стимулируют наступление периода S.

Период S характеризуется удвоением генетического материала (репликация ДНК), синтезом белковых молекул, с которыми связывается ДНК, и превращением каждой хромосомы в две хроматиды.

В периоде G2 усиливаются процессы биосинтеза, происходит деление митохондрий, накапливаются энергетические запасы клетки, удваиваются центриоли и формируются компоненты нитей веретена.

Затем наступает первая фаза митоза — профаза. Хромосомы сильно спирализуются. Центриоли расходятся к полюсам клетки. К концу профазы распадается ядерная оболочка, исчезают ядрышки и формируется веретено деления.

После этого начинается метафаза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, прикрепляются своими ценромерами к нитям веретена деления таким образом, что все они располагаются в экваториальной плоскости.

В анафазе каждая центромера делится и нити веретена растягивают отделившиеся друг от друга хроматиды, которые называются теперь дочерними хромосомами, к противоположным полюсам.

Телофаза — дочерние хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, нити веретена деления разрушаются, вокруг хромосом образуется ядерная оболочка, ядрышки восстанавливаются. Два образовавшихся ядра генетически идентичны.

После этого следует цитокинез – деление цитоплазмы.