Клетка как элементарная живая система

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 Na⁺/ К⁺-насос в клетках животных, активно выкачивающий ионы Na⁺ наружу, поглощая при этом ионы К\ Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К⁺ и меньшая Na⁺, чем в окружающей среде. На этот процесс затрачивается энергия АТФ. В растительных клетках примером активного транспорта может служить водородная помпа.

4.  Эндо- и экзоцитоз — поглощение веществ путем окружения их выростами плазматической мембраны, формирующими в дальнейшем пузырьки, отшнуровывающиеся от плазмалеммы. При этом различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкого материала). Экзоцитоз — выделение веществ из клетки — осуществляется в обратном порядке.

 

3.2. Цитоплазма  и ее органеллы

 

Внутреннее содержание клетки представлено цитоплазмой и  расположенными в ней органоидами (или органеллами).

Цитоплазма — это живая часть клетки, помимо ее ядра. Снаружи она окружена клеточной мембраной, а внутри — ядерной. Пространство между ядром и внутренней поверхностью плазматической мембраны заполнено нитями клеточного матрикса, который определяет форму клетки и принимает участие в функциях, связанных с движением (деление клетки и ее перемещения, внутриклеточный транспорт везикул и органелл).

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 изменении внешней, а постоянное движение – осуществлять связь между органоидами.

 

3.2.1. Строение и функции основных органелл клетки

 

Органеллы — это рабочие субстанции клетки, выполняющие те или иные функции: производят энергию или приводят клетку в движение, служат для разделения клетки на области (или для выделения внутри нее областей) с разными условиями и содержат разные наборы молекул. К органеллам относятся ядро, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, митохондрии, жгутики, комплексы Гольджи, хлоропласты.

Ядро содержит полимерные молекулы дезоКсирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой закодирована вся информация о данном виде, и является хранителем генетической информации. В ряде одноклеточных организмов, называемых прокариотическими, ядро может отсутствовать. Роль хранителя генетической информации в них играет нуклеотид, не имеющий оболочки и состоящий из одной ДНК размером 1—5 мкм. Клетки, имеющие четко выраженные ядра, отделенные мембраной от остальной цитоплазмы, называются эукариотическими, их размер — 10—50 мкм. Размеры органелл составляют от 20 нм до 5 мкм (рибосомы —20 нм, ядра, митохондрии, хлоропласты - 1—5 мкм).

Ядро — основная часть клетки. От остальной части цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, состоящей из двух слоев плазматической мембраны. Наружная мембрана переходит непосредственно в эндоплазматический ретикулум.

В ядре различают  ядрышко, кариоплазму и хроматин. Под электронным микроскопом ядро беспорядочно зернисто, а в одной его части зернистость резко возрастает, образуя ядрышко (иногда их несколько) — скопление рибосомальных белков и частей рибосом (рРНК), в основе которого лежит участок хромосомы, определяющий ее структуру и несущий ген. В растительных и животных клетках ДНК присутствует в виде структур размером около 1 мкм — хромосом (от греч. chroma — цвет, краска), число которых постоянно для каждого вида.

Ядрышко – сферическая структура, ее функция – синтез РНК, из которой состоят рибосомы.

Хромосомы представляют собой молекулы ДНК, связанные с белками. Хромосомы — это самостоятельные ядерные структуры, состоящие из двух продольных нитевидных половинок — сестринских хроматид (по внешнему виду их разделяют на равноплечие, неравноплечие и палочковидные). Клеточное ядро окрашено ядерными красителями почти равномерно, в микроскоп видна только его зернистость. Основные красители связываются нуклеиновыми кислотами.

Кариоплазма — жидкая фаза ядра, в которой находятся растворенные продукты жизнедеятельности.

 Иногда вместо термина  «хромосома» используют термин  «хроматин». Оба термина являются синонимами. Выделяют две формы хроматина. Эухроматин представляет собой активно работающую и потому не спирализованную ДНК, невидимую в световой микроскоп. Гетерохроматин – не экспресирующая конденсированная ДНК, видимая в световой микроскоп в виде глыбок, расположенных главным образом по периферии ядра.

Ядру, содержащему хромосомы (с ДНК), принадлежит ведущая роль в явлениях наследственности.

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.

Эндоплазматический  ретикулум (ЭР) — это система внутриклеточных мембран, формирующих цистерны и каналы, разделяющие цитоплазму клетки на изолированные пространства компартменты. Это нужно для того, чтобы разделить множество параллельно идущих реакций. Мембраны ЭР служат местом протекания биосинтетических процессов. Выделяют шероховатый (ШЭР) и гладкий ЭР. Мембраны ШЭР содержат на своей поверхности рибосомы, на которых синтезируются белки, и представляют собой совокупность уплощенных мешочков. Строение гладкого ЭР ближе к трубчатому и одна из основных функций – синтез липидов. Помимо этого каналы ЭР служат внутриклеточной системой переноса и распределения веществ. В зависимости от функционального состояния клетки мембраны ЭР подвергаются процессам сборки и разборки. Кроме того, эндоплазматическая сеть служит местом образования цистерн для аппарата Гольджи.

Аппарат Голъджи (пластинчатый комплекс) представляет собой стопку из 5—30 уплощенных канальцев (цистерн), которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков, выполняющих транспортные функции, молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки и упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки.

Часто при описании трехмерной структуры аппарата Гольджи говорят, что он напоминает стопку блинов (рис. 4).

Рис.4. Аппарат Гольджи

 

У него выделяют наружную, обращенную к плазмалемме, и внутреннюю, соединенную с ЭР, поверхности. Функция данного органоида — транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ. Кроме того, пластинчатый комплекс содержит собственные системы синтеза сложных углеводов из простых сахаров. Аппарат Гольджи представляет собой динамическую структуру, участвующую в потоке клеточных мембран. Он является промежуточным звеном между мембранами ЭР и плазмалеммой (наружная часть комплекса расходуется в процессе отшнуровывания пузырьков, а внутренняя постепенно формируется эндоплазматическим ретикулумом).

Стопки АГ обладают прецизионной внутренней структурой из трех отделов, специализирующихся на разных типах модификации белков. Белок, проходя через них, химически модифицируется в соответствии со своим предназначением, белки сортируются и отправляются по нужному адресу.

АГ наиболее ярко выражен в железистых тканях, поэтому посчитали, что он связан с железами внутренней секреции. В пузырьках накапливаются вещества, которые синтезируются и транспортируются по сети. В АГ эти вещества подвергаются химическим превращениям, потом упаковываются в мембранные пузырьки и выбрасываются из клеток в виде секретов.

В структуре  АГ образуются лизосомы. В железистых клетках неподалеку от диктосом, на которые может распадаться структура АГ, особенно много митохондрий.

Лизосомы — мембранные пузырьки, содержащие литические ферменты гидролазы — протеазы, липазы, фосфотазы. Ферменты лизосом могут переваривать как поступившие в клетку путем эндоцитоза продукты, так и отдельные составные части клетки (а иногда ее целиком – автолиз). Лизосомы отшнуровывающиеся от аппарата Гольджи, куда поступают ферменты, синтезированные в ЭР, называются первичными лизосомами. Они могут сливаться с пузырьками эндоцитоза или мембранами, окружающими ненужную структуру, образуя вторичные лизосомы, в которых происходит процесс переваривания и лизис содержащихся в них продуктов.

Митохондрии (отгреч. mitos — нить + chondrion — зернышко, крупинка) — в большинстве случаев палочковидной формы органоиды, размером несколько мкм. Митохондрии наблюдали в световой микроскоп как самые крупные клеточные органеллы. Их содержимое — матрикс, окружено двумя мембранами. Внутренняя образует многочисленные гребневидные складки, называемые кристами (рис. 5).

 

Рис.5. Строение митохондрии

 

Митохондрии содержат мультиферментные системы, рибосомы и небольшое количество ДНК, чаще всего в виде кольцевых молекул. Они входят в состав любой клетки, по строению похожи на клетки прокариот, имеют округлую форму, а при соединении нескольких рядом могут выглядеть как нити длиной менее 1 мкм. Внутри митохондрий находятся окислительные ферменты, РНК, небольшое количество ДНК, чаще всего в виде кольцевых молекул, и рибосомы, отличающиеся от цитоплазматических.

Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, так как в них образуются молекулы АТФ, аккумулирующие энергию в виде химических связей. Митохондрии способны размножаться путем деления или отшнуровывания мелких фрагментов. Количество их в клетке зависит от функционального состояния и энергетических потребностей.

Жгутики — белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1—20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Т.е. это органоиды движения

Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Рибосомы – это мелкие органеллы, представленные глобулярными частицами диаметром порядка 20 нм, состоящими из двух субъединиц неравного размера – большой и маленькой. Состав рибосом состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК), синтезируемой в ядрышке. Рибосомы могут свободно находиться в цитоплазме, либо   прикрепляться к ЭР. На них происходит синтез белковых молекул.

В клетках растений имеются  пластиды (хлоропласты, хромопласты и лейкопласты), которые тоже имеют двухмембранное строение, как и митохондрии.

Пластиды – органеллы, окруженные оболочкой, состоящей из двух мембран. Образуются из пропластид – мелких телец, находящихся в меристематических клетках корней и побегов. В пластидах различают более или менее развитую мембранную систему и внутреннее содержимое, представленное гомогенным веществом – строму. По типу содержащихся в них пигментов пластиды делятся на хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

Хлоропласты (от греч. chloros — зеленый + plastos — вылепленный, образованный) — особые органеллы в растительных клетках, в которых протекает процесс фотосинтеза (рис.6).

 

 

Рис.6. Строение хлоропласта

 

Пигмент, окрашивающий их в зеленый цвет и поглощающий  энергию солнечного света, назван хлорофиллом (от греч. ...phyllon — лист). При его участии хлоропласты синтезируют из воды и двуокиси углерода глюкозу — основное органическое вещество, которым питается все живое. Без процесса фотосинтеза вряд ли была бы возможна жизнь. С помощью электронного микроскопа установлено, что хлоропласт окружен двойной мембранной оболочкой, как и митохондрии. В ней заключено основное вещество — строма (от греч. stroma — подстилка), заполненная множеством пластинчатых структур — ламелл, которые расположены парами, на концах слипаются и окружают каждую цистерну, в хлоропластах сильно утолщены. В строме видны и крупные белые гранулы — крахмальные зерна; значит, здесь продукт фотосинтеза — глюкоза — сразу же переводится в нерастворимый крахмал. Выяснение связи структуры хлоропластов с их функциями важно для осуществления реакции фотосинтеза «в пробирке» и возможности управлять этим процессом, что явится одним из шагов на пути избавления человечества от забот о пропитании.

Как и митохондрии, хлоропласты содержат рибосомы и собственную ДНК и обладают способностью делиться. Помимо основной функции этих пластид (осуществление фотосинтеза) они участвуют в синтезе аминокислот и жирных кислот и служат хранилищем временных запасов крахмала.

Хромопласты – пластиды, содержащие пигменты каратиноиды, придающие им красную, желтую и оранжевую окраску. Могут развиваться из хлоропластов, которые при этом теряют хлорофилл и внутренние мембрановые структуры и накапливают каратиноиды. Эти явления происходят при созревании плодов. В цветах яркая окраска хромопластов может служить для привлечения насекомых.

Лейкопласты – непигментные, и, следовательно, бесцветные пластиды. Некоторые из них синтезируют  и накапливают крахмал (аминопласты), другие способны к образованию и запасанию липидов и белков (элайопласты и протеинопласты). На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты.

 

 

 

 

Заключение

 

Клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма. Каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма, причем этот носитель жизни «подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом».

Клетке присущи  все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления (самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в целом самоорганизация. Клетка обладает как бы полнотой свойств жизни, что позволяет ей как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде.

В природе существуют простейшие одноклеточные организмы, как животного, так и растительного свойства (амеба, инфузория, эвглена, хлорелла и др., некоторые водоросли и грибы) и многоклеточные (большинство животных и растений). Клетки всех живых организмов имеют похожий химический состав и сходное строение. Многоклеточные организмы содержат до несколько тысяч клеток и являются организованными совокупностями клеток, различных по форме, структуре и функциям, т.е. дифференцированными и дискретными системами. Однако организация клеток в организме построена по единому структурному признаку.

Итак, клетка является наименьшей, то есть элементарной живой системой, так как ей присущи все свойства живого организма, свойства жизни как явления.

 

 

Список литературы

1. Анисимов А.П. Концепции современного естествознания. Биология.-Владивосток: ТИДОТ ДВГУ, 2000 г.