"Клетка"
"Клетка"
Введение
Цитология - наука о
клетке. Наука о клетке называется цитологией (греч. «цитос»-клетка,
«логос»-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений,
а также одноклеточных организмов, к числу которых относятся бактерии, простейшие
и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав
клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и
растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям
окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет самые
тесные связи с другими биологическими науками, например с ботаникой, зоологией,
физиологией, учением об эволюции органического мира, а также с молекулярной
биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых
биологических наук, ее возраст около 100 лет. Возраст же термина “клетка”
насчитывает свыше 300 лет. Впервые название «клетка» в середине XVII в.
применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук
увидел, что пробка состоит из ячеек - клеток.
Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о
клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся
знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу строения
всех живых организмов, что клетки животных и растений сходны по своему
строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства
происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Т. Шван
внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни,
наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.
Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические
процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по
химическому составу, у них однотипно протекают основные процессы обмена
веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще раз подтвердили
единство всего органического мира.
Современная клеточная - теория включает следующие положения:
клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая
единица живого;
клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны ( гомологичны ) по
своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и
обмену веществ;
размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка
образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими
функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между
собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
Исследования клетки имеют большое значение для разгадки заболеваний. Именно в
клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к
возникновению заболеваний. Чтобы понять роль клеток в развитии заболеваний,
приведем несколько примеров. Одно из серьезных заболеваний человека - сахарный
диабет. Причина этого заболевания - недостаточная деятельность группы клеток
поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин, который участвует в регуляции
сахарного обмена организма. Злокачественные изменения, приводящие к развитию
раковых опухолей, возникают также на уровне клеток. Возбудители кокцидиоза -
опасного заболевания кроликов, кур, гусей и уток - паразитические простейшие -
кокцидии проникают в клетки кишечного эпителия и печени, растут и размножаются
в них, полностью нарушают обмен веществ, а затем разрушают эти клетки. У
больных кокцидиозом животных сильно нарушается деятельность пищеварительной
системы и при отсутствии лечения животные погибают. Вот почему изучение
строения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности
клеток необходимо не только в биологии, но также в медицине и ветеринарии.
Изучение клеток разнообразных одноклеточных и многоклеточных организмов с
помощью светооптического и электронного микроскопов показало, что по своему
строению они разделяются на две группы. Одну группу составляют бактерии и
сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболее простое строение клеток.
Их называют доеденными (прокариотами), так как у них нет оформленного ядра
(греч. «картон»-ядро) и нет многих структур, которые называют органоидами. Другую
группу составляют все остальные организмы: от одноклеточных зеленых водорослей
и простейших до высших цветковых растений, млекопитающих, в том числе и
человека. Они имеют сложно устроенные клетки, которые называют ядерными
(эукариотическими). Эти клетки имеют ядро и органоиды, выполняющие специфические
функции.
Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы, изучением которых занимается
вирусология.
Строение и функции оболочки клетки
Клетка любого
организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех
неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка
клетка осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и
взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).
Оболочка клеток. Оболочка клеток имеет
сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним
плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их
наружного слоя. У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов
на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У
большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет
исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную
оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку
проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.
Наружный слой поверхности клеток животных в отличие от клеточных стенок
растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит
из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слой животных клеток
получил название гликокаликс.
Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток
животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея
незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клетки животных не
выполняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкам растений.
Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит
благодаря жизнедеятельности самих клеток.
Плазматическая мембрана. Под гликокаликсом и клеточной
стенкой растений расположена плазматическая мембрана (лат. “мембрана»-кожица,
пленка), граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической
мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью
электронного микроскопа.
В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядочено
расположены и соединены друг с другом химическими взаимодействиями. По
современным представлениям молекулы липидов в плазматической мембране
расположены в два ряда и образуют сплошной слой. Молекулы белков не образуют
сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в него на разную
глубину.
Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспечивает динамичность плазматической
мембраны.
Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых завидят
жизнедеятельность клеток. Одна из таких функций заключается в том, что она
образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды.
Но между клетками и внешней средой постоянно происходит обмен веществ. Из
внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных
ионов, неорганические и органические молекулы. Они проникают в клетку через
очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся
продукты, образованные в клетке. Транспорт веществ- одна из главных функций
плазматической мембраны. Через плазматическую мембрану из клети выводятся
продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке. К числу их
относятся разнообразные белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в
клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду в форме мелких
капель.
Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани (
эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической
мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может
образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую
прочность.
Соединение клеток растений обеспечивается путем образования тонких каналов,
которые заполнены цитоплазмой и ограничены плазматической мембраной. По таким
каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной клетки в другую
поступают питательные вещества, ионы, углеводы и другие соединения.
На поверхности многих клеток животных, например различных эпителиев, находятся
очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытые плазматической мембраной, -
микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинок находится на поверхности
клеток кишечника, где происходит интенсивное переваривание и всасывание
переваренной пищи.
Фагоцитоз. Крупные молекулы
органических веществ, например белков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии
поступают в клетку путем фагоцита (греч. “фагео” - пожирать). В фагоците
непосредственное участие принимает плазматическая мембрана. В том месте, где
поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана
прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в “мембранной
упаковке” погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль и в ней
перевариваются поступившие в клетку органические вещества.
Цитоплазма. Отграниченная от внешней
среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю
полужидкую среду клеток. В цитоплазму эукариотических клеток располагаются ядро
и различные органоиды. Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В ней
сосредоточены и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности,
вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. 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.
Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зона
цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки
которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с
плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и
образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети.
Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа -
гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети
располагается множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают
мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут
рибосом на своей поверхности.
Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. Основная функция
гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется
в рибосомах.
На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и
углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются н каналах и полостях, а затем
транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или
накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений. Эндоплазматическая
сеть связывает между собой основные органоиды клетки.
Рибосомы. Рибосомы обнаружены в
клетках всех организмов. Это 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. Синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной
рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных
рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные белки сначала
накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем
транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляютя.
Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют
собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.
Митохондрии. В цитоплазме
большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) -
митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - зерно, гранула).
Митохондрии
хорошо видны в световой микроскоп, с помощью которого можно рассмотреть их
форму, расположение, сосчитать количество. Внутреннее строение митохондрий
изучено с помощью электронного микроскопа. Оболочка митохондрии состоит из двух
мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует
никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные
складки, которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны
называют кристами (лат. «криста» - гребень, вырост) Число крист неодинаково в
митохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких
сотен, причем особенно много крист в митохондриях активно функционирующих
клеток, например мышечных.
Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток» так как их основная функция -
синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота синтезируется в
митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универсальный источник
энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и
целого организма.
Новые митохондрии образуются делением уже существующих в клетке митохондрий.
Пластиды. В цитоплазме клеток всех
растений находятся пластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают
три основных типа пластид: зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые -
хромопласты; бесцветные - лейкопласты.
Хлоропласт. Эти органоиды
содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений, а также у
разнообразных водорослей. Размеры хлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они
имеют овальную форму. У высших растений в одной клетке обычно бывает несколько
десятков хлоропластов. Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них
пигмента хлорофилла. Xлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором
происходит фотосинтез, т. е. образование органических веществ (углеводов) из
неорганических (СО2 и Н2О) при использовании энергии солнечного света.
По строению хлоропласты сходны с митохондриями. От цитоплазмы хлоропласт
отграничен двумя мембранами - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая,
без складок и выростов, а внутренняя образует много складчатых выростов,
направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласта сосредоточено
большое количество мембран, образующих особые структуры - граны. Они сложены
наподобие стопки монет.
В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здесь
происходит фотосинтез. В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутренними
мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК. и рибосомы. Следовательно, в
хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтез белка,
необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаются
делением.
Хромопласты находятся в
цитоплазме клеток разных частей растений: в цветках, плодах, стеблях, листьях.
Присутствием хромопластов объясняется желтая, оранжевая и красная окраска
венчиков цветков, плодов, осенних листьев.
Лейкопласты. находятся в цитоплазме
клеток неокрашенных частей растений, например в стеблях, корнях, клубнях. Форма
лейкопластов разнообразна.
Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны клетка взаимному переходу. Так
при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хлоропласты
превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты,
например, при позеленении клубней картофеля.
Аппарат 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 и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы.
В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные 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. Например, в клетках поджелудочной железы млекопитающих синтезируются
пищеварительные ферменты, которые накапливаются в полостях органоида. Затем
образуются пузырьки, наполненные ферментами. Они выводятся из клеток в проток
поджелудочной железы, откуда перетекают в полость кишечника. 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.
Лизосомы. Представляют собой небольшие
округлые тельца. От Цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри
лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, сливаются с
ней, и образуется одна пищеварительная вакуоль , внутри которой находится
пищевая частица, окруженная ферментами лизосом. Вещества, образовавшиеся в
результате переваривания пищевой частицы, поступают в цитоплазму и используются
клеткой.
Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы
участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток,
целых клеток и органов. Образование новых лизосом происходит в клетке
постоянно. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие другие белки
синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты поступают по каналам
эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются
лизосомы. В таком виде лизосомы поступают в цитоплазму.
Клеточный центр. В клетках животных вблизи
ядра находится органоид, который называют клеточным центром. Основную часть
клеточного центра составляют два маленьких тельца - центриоли, расположенные в
небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра
длиной до 1 мкм. Центриоли играют важную роль при делении клетки; они участвуют
в образовании веретена деления.
Клеточные включения. К клеточным включениям
относятся углеводы, жиры и белки. Все эти вещества накапливаются в цитоплазме
клетки в виде капель и зерен различной величины и формы. Они периодически
синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.
Ядро. Каждая клетка
одноклеточных и многоклеточных животных, а также растений содержит ядро. Форма
и размеры ядра зависят от формы и размера клеток. В большинстве клеток имеется
одно ядро, и такие клетки называют одноядерными. Существуют также клетки с
двумя, тремя, с несколькими десятками и даже сотнями ядер. Это - многоядерные
клетки.
Ядерный сок - полужидкое
вещество, которое находится под ядерной оболочкой и представляет внутреннюю
среду ядра.
Химический состав клетки.
Неорганические вещества
Атомный и
молекулярный состав клетки.
В
микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в
разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке,-
одно из основных условий ее жизни, развития и функционирования.
Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны
по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.
Содержание химических элементов в
клетке
Элементы
Количество (в %) Элементы Количество (в %)
Кислород 65-75 Кальций 0,04-2,00
Углерод 15-16 Магний 0,02-0,03
Водород 8-10 Натрий 0,02-0,03
Азот 1,5-3,0 Железо 0,01-0,015
Фосфор 0,2-1,0 Цинк 0,0003
Калий 0,15-0,4 Медь 0,0002
Сера 0,15-0,2 Йод 0,0001
Хлор 0,05-0,1 Фтор 0,0001
В таблице приведены данные об атомном составе клеток. Из 109 элементов
периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их
большинство. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислорода,
углерода, азота и водорода. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого
клетки. Следующую группу составляют восемь элементов, содержание которых в
клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера, фосфор, хлор,
калий, магний, натрий, кальций, железо. В сумме они составляют 1.9%. Все
остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах
(меньше 0,01%)
Таким образом, в клетке нет каких-нибудь особенных элементов, характерных
только для живой природы. Это указывает на связь и единство живой и неживой
природы. На атомном уровне различий между химическим составом органического и
не органического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне
организации - молекулярном.
|