Строение и функции клетки

Клетки тканей растений и животных имеют различную форму и размеры в зависимости от выполняемых ими функций. Диаметр большинства клеток колеблется от 10 до 100 мкм. Самые мелкие клетки имеют размеры около 4 мкм. Однако встречаются и очень крупные клетки, видимые невооруженным глазом (клетки мякоти арбуза, яйцеклетки). По форме клетки могут быть округлые, многоугольные, палочковидные, звездчатые, отростчатые, цилиндрические, кубические и др.

Клетка представляет собой элементарную живую систему, состоящую из трех основных структурных компонентов — оболочки, цитоплазмы и ядра. Цитоплазма и ядро образуют протоплазму.

Строение животной клетки
Строение животной клетки:
1 — Пероксисома, 2 — Клеточная мембрана, 3 — Ядро, 4 — Ядрышко, 5 — Митохондрии, 6 — Эндоплазматическая сеть, 7 — Аппарат Гольджи, 8 — Хромасома, 9 — Ядерная оболочка, 10 — Центриоли, 11 — Лизосома, 12 — Цитоплазма

Оболочка клетки, как правило, представлена комплексом биологических мембран.

Биологическая (элементарная) мембрана отграничивает содержимое клетки от внешней среды, образует стенки большинства органоидов и оболочку ядра, разделяет содержимое цитоплазмы на отдельные отсеки. У всех клеток она построена одинаково и имеет толщину 7 — 10 нм. Биологическая мембрана при рассмотрении в электронном микроскопе выглядит трехслойной — два темных слоя, разделенные светлым. Наружный и внутренний слои мембраны (темные) образованы молекулами белков, а средний (светлый) — двумя слоями молекул липидов. Липидные молекулы расположены строго упорядоченно: водорастворимые (гидрофильные) концы молекул обращены к белковым слоям, а водонерастворимые (гидрофобные) — друг к другу. Белковые молекулы по отношению к липидному слою могут располагаться по-разному: большинство их находится на обеих поверхностях липидного слоя, часть молекул пронизывает один, а часть — оба слоя липидных молекул.

Биологическая мембрана обладает избирательной проницаемостью, т. е. одни вещества проходят через нее легче, чем другие. Избирательная проницаемость мембраны связана с тем, что на ее поверхности имеются особые разветвленные структуры — гликокаликс (преимущественно гликопротеиды), представляющие собой рецепторы, которые воспринимают («узнают») определенные химические вещества, окружающие клетку. Кроме того, большинство погруженных белков мембран является ферментами, образующими поры и участвующими в транспорте веществ через мембрану.

Цитоплазматическая мембрана — плазмалемма (одна или несколько элементарных мембран, плотно прилегающих друг к другу, покрывающих клетку) участвует в обменных процессах клетки с окружающей средой. Она образует выросты, впячивания, складки, микроворсинки, которые многократно увеличивают поверхность клетки. Наружная поверхность мембран некоторых клеток животных может быть покрыта муцином (гликопротеин), слизью или хитином. Наружная поверхность мембран растительных клеток покрыта целлюлозой, гемицеллюлозой и пектиновыми веществами, которые придают тканям растений механическую прочность.

Поступление в клетку некоторых веществ (ионов, мелких молекул) может происходить по законам диффузии (вещество диффундирует туда, где концентрация его меньше) без затраты энергии. При облегченной диффузии белок-переносчик соединяется с молекулой вещества и проводит его через мембрану. При активном транспорте идет перемещение веществ против градиента концентрации с затратой энергии АТФ.

Через цитоплазматическую мембрану могут поступать в клетку не только мелкие молекулы или ионы, но и крупные молекулы и даже частицы. При этом мембрана окружает частицу, края ее смыкаются и частица оказывается в мембранном пузырьке в цитоплазме. Такой способ поглощения твердых частиц называется фагоцитозом, а капель жидкости — пиноцитозом.

Таким образом, цитоплазматическая мембрана выполняет следующие основные функции:

* отграничивает и защищает клетку от воздействий окружающей среды;
* регулирует обмен веществ и энергии между клеткой и внешней средой;
* обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточного организма;
* выполняет рецепторную функцию.

Цитоплазма составляет основную массу клетки. Она на 85% состоит из воды и на 10% — из белков. Остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений. В цитоплазме различают гиалоплазму, органоиды и включения. В цитоплазме клеток расположен цитоскелет, образованный развитой сетью белковых нитей, способных сокращаться. Цитоскелет заполняет все пространство между ядерной оболочкой и плазмалеммой. Он определяет форму клетки и участвует в различных движениях самой клетки (например, при делении) и во внутриклеточном перемещении органоидов и отдельных соединений.

Гиалоплазма (или цитоплазматический матрикс) представлена однородным мелкозернистым веществом, обеспечивающим вязкость, эластичность, сократимость и движение цитоплазмы. Она представляет собой коллоидный раствор, который в зависимости от физиологического состояния и воздействия внешней среды может находиться в состоянии золя (жидкости) или геля (более упругого плотного вещества). Гиалоплазма является внутренней средой клетки, где протекают реакции внутриклеточного обмена.

Органоиды — это специализированные участки цитоплазмы клетки, имеющие определенную структуру и выполняющие определенные функции в клетке. Их подразделяют на органоиды общего назначения, которые имеются в большинстве клеток (митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, рибосомы, клеточный центр, лизосомы, пластиды и вакуоли), и органоиды специального назначения, которые имеются только в специализированных клетках (миофибриллы — в мышечных клетках, жгутики, реснички, пульсирующие вакуоли — в клетках простейших). Большинство органоидов имеет мембранное строение. Мембраны отсутствую в структуре рибосом и клеточного центра.

Митохондрии видны в световой микроскоп в виде гранул, палочек, нитей величиной от 0,5 до 7 мкм. Они имеются во всех клетках, однако число их колеблется в широких пределах (от нескольких единиц до нескольких тысяч). При исследовании в электронном микроскопе выяснена их внутренняя структура. Стенка митохондрий состоит из двух мембран — наружной, гладкой, и внутренней, образующей выросты — кристы, которые вдаются во внутреннее гомогенное содержимое митохондрии (матрикс). В матриксе имеется автономная система биосинтеза белков: митохондриальная ДНК и рибосомы. Основными функциями митохондрий являются окисление органических соединений до диоксида углерода и воды и накопление химической энергии в макроэргических фосфатных связях АТФ, т. е. в митохондриях протекает кислородный этап энергетического обмена и биосинтез специфических белков.

Эндоплазматическая сеть представлена системой каналов и полостей, образованных элементарными мембранами и пронизывающих всю гиалоплазму клетки. Имеются два типа эндоплазматической сети — гладкая (агранулярная) и шероховатая (гранулярная). На мембранах гладкой эндоплазматической сети локализованы ферментные системы жирового и углеводного обмена. Здесь происходит синтез жиров и углеводов. На мембранах гранулярной эндоплазматической сети находятся рибосомы, в которых происходит синтез белков.

Мембраны эндоплазматической сети делят клетку на отсеки, изолирующие ферментные системы, что необходимо для их последовательного вступления в биохимические реакции. Непосредственным продолжением эндоплазматической сети является наружная ядерная мембрана. По каналам эндоплазматической сети происходит транспорт веществ, как синтезированных в клетке, так и поступивших извне.

Рибосомы представляют собой мелкие сферические органоиды размером от 15 до 35 нм, состоящие из двух неравных субъединиц и содержащие примерно равное количество белка и РНК. Субъединицы рибосом синтезируются в ядрышках и через поры ядерной мембраны поступают в цитоплазму, где располагаются либо на мембранах эндоплазматической сети, либо свободно. При синтезе белков они могут объединяться на информационной РНК в группы (полисомы) числом от 5 до 70. Рибосомы непосредственно участвуют в сборке белковых молекул. Они содержатся в клетках всех типов.

Комплекс (аппарат) Гольджи выявляется в световом микроскопе в животных клетках в виде сложной сети, расположенной вокруг ядра (сетчатый комплекс). В клетках простейших и растений он представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы (диктиосомы). Электронно-микроскопические исследования показали, что комплекс Гольджи состоит из элементарных мембран и напоминает стопку рулонов, наложенных друг на друга. Они образуют узкие каналы, расширяющиеся на концах в цистерны, от которых отпочковываются пузырьки. Каналы и цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Основные его функции: концентрация,обезвоживание и уплотнение синтезированных в клетке белков, жиров, полисахаридов и веществ, поступивших извне, и подготовка их к выведению из клетки либо к использованию в самой клетке; образование лизосом и сборка сложных комплексов органических веществ, например белков и полисахаридов (гликопротеидов).

Лизосомы — шаровидные тельца диаметром от 0,2 до 1 мкм. 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, например хвост и жабры в процессе развития головастиков лягушек. Продукты лизиса через мембрану лизосом поступают в цитоплазму и включаются в дальнейший обмен веществ.

Клеточный центр (центросома) — органоид, расположенный вблизи ядра, состоящий из двух мелких гранул — центриолей, окруженных лучистой сферой. С помощью электронного микроскопа установлено, что каждая центриоль представляет собой цилиндрическое тельце длиной 0,3 — 0,5 мкм и диаметром 0,15 мкм. Она состоит из 27 микротрубочек, сгруппированных по три. Функция центросомы состоит в образовании полюсов деления и растягивании дочерних хромосом с помощью веретена деления в анафазе мейоза и митоза.

Вакуоли представляют собой участки гиалоплазмы растительных клеток и простейших, ограниченные элементарной мембраной. Они образуются из расширений эндоплазматической сети и пузырьков комплекса Гольджи. Вакуоли растений содержат клеточный сок и поддерживают тургорное давление. Вакуоли простейших можно разделить на две группы:

* пищеварительные, в которые поступают гидролитические ферменты лизосом и в которых происходит внутриклеточное пищеварение;
* сократительные, собирающие и выводящие за пределы клетки продукты диссимиляции и излишки воды и тем самым поддерживающие осмотическое давление клетки.

Пластиды — органоиды, содержащиеся только в растительных клетках. Они подразделяются на три группы — хлоропласты (зеленые), хромопласты (чаще желтые или оранжевые) и лейкопласты (бесцветные). Пластиды имеют сходное строение и при определенных условиях могут переходить из одного вида в другой. Так, при хранении картофеля и моркови на свету лейкопласты и хромопласты превращаются в хлоропласты (овощи зеленеют).

Хлоропласты по форме напоминают двояковыпуклую линзу и содержат зеленый пигмент хлорофилл. Их размеры 5-10 мкм. Хлоропласты имеются в листьях, молодых побегах, незрелых плодах. Стенка хлоропласта образована двумя мембранами, под которыми находится бесструктурное содержимое — строма. Огрома пронизана системой параллельно расположенных элементарных мембран, являющихся продолжением внутренней мембраны. Их называют тилакоидами. В некоторых местах парные мембраны тилакоидов диаметром около 0,3 мкм плотно прилегают друг к другу, образуя стопки, содержащие хлорофилл, — граны. В мембранах гран встроены пигменты, улавливающие солнечный свет, и ферменты, синтезирующие АТФ. В строме хлоропластов локализованы ферменты фиксации CO2 и синтеза органических соединений с использованием энергии АТФ. Таким образом, в гранах протекает световая фаза фотосинтеза, а в строме — темновая. В строме хлоропластов имеется автономная система синтеза белков (ДНК и рибосомы). Основные функции хлоропластов — фотосинтез и синтез специфических белков.

Хромопласты — пластиды, содержащие растительные пигменты (кроме зеленого), придающие окраску цветкам, плодам, стеблям и другим частям растений, благодаря накоплению в них каротиноидов.

Лейкопласты — бесцветные пластиды, содержащиеся чаще в неокрашенных частях растений — стеблях, корнях, луковицах и т. п. В них могут синтезироваться и накапливаться белки, жиры и полисахариды (крахмал).

Включения — это непостоянные компоненты цитоплазмы, содержание которых меняется в зависимости от функционального состояния клетки. Различают трофические, секреторные и экскреторные включения. Трофические включения представляют собой запасы питательных веществ. В растительных клетках это крахмальные и белковые зерна, в животных — гликоген в клетках печени и мышцах, капли жира в клетках подкожной жировой клетчатки. Секреторные включения являются продуктами жизнедеятельности клеток желез внешней и внутренней секреции. К ним относятся ферменты, гормоны, слизь и другие вещества, подлежащие выведению из клетки. Экскреторные включения представляют собой продукты обмена веществ в растительных и животных клетках (кристаллы щавелевой кислоты, щавелевокислого кальция и др.).

Ядро является обязательным компонентом всех клеток. Исключение составляют некоторые высокоспециализированные, утратившие способность делиться и недолго живущие клетки, например эритроциты млекопитающих. Некоторые клетки имеют два и более ядер (клетки печени и мышц у человека и млекопитающих, инфузории, грибы и др.). Форма и размеры ядра зависят от формы и величины клетки и выполняемой ею функции. В округлых и многоугольных клетках оно обычно шаровидное, в вытянутых — палочковидное или овальное, в лейкоцитах — лопастное.

По химическому составу ядро отличается от остальных компонентов клетки высоким содержанием ДНК (15 — 30%) и РНК (12%). Девяносто девять процентов ДНК клетки сосредоточено в ядре, где она вместе с белками образует комплексы — дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП).

Ядро выполняет две главные функции:

* хранение и воспроизведение наследственной информации,
* регуляцию процессов обмена веществ, протекающих в клетке.

В процессе деления клеток структуры ядра претерпевают значительные изменения. В интерфазном ядре различают: ядерную оболочку, ядерный сок, хроматин и ядрышки.

Ядерная оболочка (кариолемма) представлена двумя биологическими мембранами, между которыми находится перинуклеарное пространство. Наружная ядерная мембрана непосредственно соединена с мембранами каналов эндоплазматической сети. Следовательно, перинуклеарное пространство и эндоплазматическая сеть образуют единую систему сообщающихся каналов. На наружной ядерной мембране располагаются рибосомы, внутренняя мембрана гладкая. Ядерная оболочка пронизана многочисленными порами, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Основная функция ядерной оболочки — регуляция обмена веществ. Кроме того, она выполняет защитную функцию.

Ядерный сок (кариоплазма) — это однородная масса, заполняющая пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). В его состав входят белки (ферменты), нуклеотиды, аминокислоты и различные виды РНК (и-РНК, т-РНК, р-РНК). Ядерный сок осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.

Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), выявляемый под световым микроскопом в виде тонких нитей и гранул. Так выглядят деспирализованные хромосомы в интерфазе. В процессе митоза хроматин путем спирализации образует хорошо видимые (особенно в метафазе) интенсивно окрашивающиеся структуры — хромосомы.

Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей ДНП — хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки — центромеры, к которой прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки различают следующие типы хромосом: равноплечие, в которых центромера расположена посередине, а плечи примерно равной длины; неравноплечие, когда центромера смещена от середины хромосомы, а плечи неравной длины; палочковидные, когда центромера смещена к одному концу хромосомы и одно плечо очень короткое. В некоторых хромосомах могут быть вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником.

Каждый вид растений и животных имеет определенное, постоянное число хромосом. Так, в ядре соматических клеток у лошадиной аскариды содержится 2 хромосомы, у мухи дрозофилы — 8, у кукурузы — 20, у таракана — 48, у человека — 46. Число хромосом не зависит от уровня организации вида и не всегда указывает на филогенетическое родство. Следует отметить, что во всех соматических клетках число хромосом всегда парное (диплоидное — 2n), т. е. каждая хромосома в наборе имеет парную, гомологичную. Гомологичные хромосомы одинаковы по величине, форме, расположению центромер. Диплоидный набор хромосом соматических клеток организмов определенного вида называется кариотипом. Для каждого кариотипа характерно постоянство числа, величины и формы хромосом. При образовании половых клеток из каждой пары гомологичных хромосом в клетку попадает только одна, поэтому хромосомный набор гамет называется гаплоидным.

Основная функция хромосом состоит в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации в клетке.

Ядрышки обычно имеют шаровидную форму, не окружены мембраной и, следовательно, находятся в непосредственном контакте с ядерным соком. Они содержат белки и РНК в равном соотношении. Ядрышки — непостоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Их образование связано со вторичными перетяжками (ядрышковыми организаторами) некоторых хромосом (спутничных). В области их вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК, а в ядрышках происходит формирование субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке.

Таким образом, клетки подавляющего большинства живых организмов имеют оформленное, сложно устроенное ядро, цитоплазму с обязательными органоидами и оболочку. Такие клетки называются эукариотическими, Они характерны для грибов, растений и животных.

Помимо эукариотических встречаются и более древние и примитивно устроенные клетки — прокариотические. К прокариотам относятся бактерии и цианеи.

Строение и функции вируса

Помимо клеточных форм живого имеются и неклеточные формы, которые представлены вирусами и бактериофагами (вирусами, паразитирующими на бактериях). Их размеры колеблются от 20 до 3000 нм. Вирус представляет собой молекулу ДНК или РНК (геном), покрытую белковой оболочкой (капсидом). В типичном случае он состоит из головки, в которой находится нуклеиновая кислота, и хвоста. Свои основные свойства живого (обмен веществ и размножение) вирусные частицы осуществляют только внутри других клеток. Некоторые вирусы могут образовывать кристаллы наподобие неживого вещества, но, проникнув в клетки, они проявляют все признаки живого. Проникновение вируса в клетку может происходить либо путем фагоцитоза (собственно вирусы), либо путем «впрыскивания» ДНК (или РНК) через полый стержень (хвост), пробивающий оболочку бактериальной клетки (бактериофаги). Белковая оболочка бактериофагов при этом остается вне цитоплазмы клетки-хозяина. Вирусная нуклеиновая кислота начинает реплицироваться в цитоплазме клетки и использует ее рибосомы для синтеза своих специфических белков. Затем молекулы вирусной нуклеиновой кислоты соединяются с вновь синтезированными белками, образуя новые вирусные частицы, которые через некоторое время разрушают клетку и выходят в окружающую среду. Таким образом, вирусы представляют собой автономные генетические структуры, способные развиваться только внутри клеток и являющиеся паразитами на молекулярном уровне.

Вирус
Вирус

Вирусы представляют собой, вероятно, обособившиеся генетические элементы клеток, которые приспособились к внутриклеточному паразитированию. Они были открыты в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским. В настоящее время описано около 3000 вирусов, поражающих клетки бактерий, растений, животных и человека. Они являются возбудителями ряда опасных заболеваний: гриппа, гепатита, кори, энцефалита, бешенства и др. Бактериофаги иногда используются для лечения инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями (например, дизентерии). Бактериофаги играют отрицательную роль в микробиологической промышленности, подавляя развитие полезных микроорганизмов (например, при производстве антибиотиков). Вирусы служат удобным объектом при расшифровке генетического кода и широко используются в работах по генной инженерии.