1. Рассмотрите рисунок 24 на с. 54-55 учебника. Запомните названия, местоположение и особенности функционирования органоидов.
2. Заполните кластер «Основные компоненты эукариотической клетки».
3. На основании каких основных признаков клетку считают эукариотической?
В клетках эукариот имеется хорошо оформленное ядро. Эукариотические клетки крупные, сложно устроенные по сравнению с клетками прокариот.
4. Изобразите схематично строение клеточной мембраны и подпишите её элементы.
5. Подпишите на рисунке животную и растительную клетки и обозначьте их основные органоиды.
6. Заполните кластер «Основные функции наружной клеточной мембраны».
Функции мембраны:
Барьерная
Транспортная
Взаимодействие клетки с окружающей средой и другими клетками.
7. Составьте синквейн к термину «мембрана».
Мембрана.
Избирательно-проницаемая, двухслойная.
Транспортирует, ограждает, сигнализирует.
Эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов.
Оболочка.
8. Почему явления фагоцитоза и пиноцитоза очень распространены у животных клеток и практически отсутствуют в растительных клетках и клетках грибов?
В клетках растений и грибов есть клеточная стенка, которая у животных отсутствует. Это позволяет цитоплазматической мембране всасывать воду с минеральными солями (пиноцитоз) ввиду большей эластичности. За счет этого свойства осуществляется и процесс фагоцитоза – захвата твердых частиц.
9. Заполните кластер «Органоиды эукариотической клетки».
Органоиды: мембранные и немембранные.
Мембранные: одномембранные и двумембранные.
10. Установите соответствие между группами и отдельными органоидами.
Органоиды
1. Митохондрии
2. ЭПС
3. Клеточный центр
4. Вакуоль
5. Аппарат Гольджи
6. Лизосомы
7. Рибосомы
8. Пластиды
Группы
A. Одномембранные
Б. Двумембранные
B. Немембранные
11. Заполните таблицу.
Строение и функции органоидов клетки
12. Заполните таблицу.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТИТЕЛЬНОЙ И ЖИВОТНОЙ КЛЕТОК
13. Выберите название любого органоида и составьте с этим термином три типа предложений: повествовательное, вопросительное, восклицательное.
Вакуоль представляет собой крупный мембранный пузырек, заполненный клеточным соком.
Вакуоль – обязательная принадлежность растительной клетки!
Какие функции, кроме накопления запасных веществ, выполняет вакуоль?
14. Дайте определения понятий.
Включения
- это необязательные компоненты клетки, появляющиеся и исчезающие в зависимости от интенсивности и характера обмена веществ в клетке и от условий существования организма.
Органоиды
- постоянные специализированные структуры в клетках живых организмов.
15. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
За образование лизосом, накопление, модификацию и вывод веществ из клетки отвечает:
2) комплекс Гольджи;
Тест 2.
Гидрофобную основу клеточной мембраны составляют:
3) фосфолипиды;
Тест 3.
Одномембранные органоиды клетки:
2) лизосомы;
16. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
17. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – экзоцитоз.
Соответствие, термин соответствует, но стал ясен и уточнен механизм. Это клеточный процесс, при котором мембранные пузырьки сливаются с внешней клеточной мембраной. При экзоцитозе содержимое секреторных пузырьков выделяется наружу, а их мембрана сливается с клеточной мембраной.
18. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.7.
Клетка состоит из трех главных компонентов: ядра, цитоплазмы и клеточной мембраны.
В цитоплазме имеются органоиды, включения и гиалоплазма (основное вещество). Органоиды бывают одномембранные (ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и др.), двумембранные (митохондрии, пластиды) и немембранные (рибосомы, клеточный центр). Растительная клетка отличается от животной тем, что в ней имеются дополнительные структуры: вакуоль, пластиды, клеточная стенка, и отсутствуют центриоли в клеточном центре. Все органоиды и компоненты клетки составляют слаженный комплекс, работающий как единое целое.
Строение и функции органоидов клетки.
Части и органоиды клетки
Особенности строения
Выполняемые функции
Плазматическая (клеточная) мембрана.
Образована двойным слоем молекул липидов (бислой) и молекулами белков. В мембране преобладают фосфолипиды . Белки погружены на разную глубину в липидный слой или располагаются на внешней или внутренней поверхности мембраны. К некоторым белкам, находящихся на наружной поверхности, прикреплены углеводы, являющимися своеобразными указателями типа клеток. Белки мембраны: ферменты; рецепторы; белки, образующие каналы (транспорт ионов в клетку и из нее).
Снаружи от мембраны у растительных клеток имеется клеточная стенка . Животные клетки снаружи от мембраны бывают покрыты гликокаликсом – тонким слоем белков и полисахаридов.
1 . Барьерная функция (защищает цитоплазму от физических и химических повреждений).
2 . Обмен веществ между цитоплазмой и внешней средой.
3. Транспорт веществ : из внешней среды в клетку поступают вода, ионы, неорганические и органические молекулы. Во внешнюю среду выводятся продукты обмена и вещества, синтезированные в клетке. Пассивный транспорт (осмос, диффузия), активный транспорт (фагоцитоз, пиноцитоз, натрий-калиевый насос). Клетки растений не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза,т.к. поверх мембраны покрыты плотным слоем клетчатки. 4 Рецепторная функция – белки-рецепторы мембраны передают внутрь клетки сигналы извне.
5 . Обеспечивает связь клеток между собой.
Цитоплазма
Основное вещество – гиалоплазма (густой бесцветный коллоидный раствор): 70-90% вода, а также белки, липиды и нерганические вещества.
В цитоплазме (у эукариот) имеется сложная опорная система – цитоскелет. Цитоскелет состоит из трех элементов:
- микротрубочки (белок тубулин)
- промежуточные филаменты
- микрофиламенты ( белок актин)
Она способна к движению – круговому, струйчатому, ресничному.
1 .В гиалоплазме протекают процессы обмена веществ в клетке.
2 .Через нее происходит взаимодействие ядра и органоидов.
3 . Цитоскелет:
- механическая функция (поддерживает форму клетки);
- транспортная (перенос различных веществ, перемещение органоидов); - участие в процессах фагоцитоза и пиноцитоза (микрофиламенты способны менять форму мембраны).
Ядро
1 .В ядре хранится наследственная информация о всех признаках и свойствах клетки и организма в целом.
2 . Ядро регулирует все процессы обмена веществ и энергии.
Ядерная оболочка (кариолемма), состоящая из двух мембран с порами: внутренняя – гладкая, наружная переходит в каналы ЭПС.
1 . Отделяет ядро от цитоплазмы.
2 . Регулирует транспорт веществ из ядра в цитоплазму (и-РНК, т-РНК, рибосомы) и из цитоплазмы в ядро (органические вещества, АТФ)
Ядерный сок, или кариоплазма (полужидкое вещество)
1 .Транспорт веществ
2 . Среда, в которой находятся ядрышки и хроматин.
Хроматин – это ДНК, связанная с белками. Перед делением клетки ДНК скручивается, образуя хромосомы. Каждая хромосома образована одной молекулой ДНК в комплексе с основным белком – гистоном.
В ДНК заключена наследственная информация клетки.
Ядрышки- плотные округлые тельца, состоящие из белка и РНК. Ядрышки образуются на определенных участках хромосом.
Формирование половинок (субъединиц) рибосом из рРНК и белка.
Рибосомы
(немембранные органоиды)
Состоят из двух субъединиц – большой и малой. Каждая субъединица – комплекс рРНК с белками.
Синтез белка.
Клеточный центр (немембранный органоид)
Состоит из двух центриолей – цилиндров, расположенными перпендикулярно друг другу. Стенки центриолей образованы девятью триплетами микротрубочек. Основной белок, образующий центриоли – тубулин.
1 . Участвует в формировании цитоскелета.
2 . Играет важную роль при делении клетки (участвует в образовании нитей веретена деления).
Эндоплазматическая сеть ЭПС
(одномембранный органоид)
А) ЭПС шероховатая (гранулярная)
Б) ЭПС гладкая
Образована системой соединенных полостей, канальцев, трубочек.
На мембранах расположены рибосомы.
Мембраны гладкие (лишены рибосом)
Транспортная система клетки. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС переносятся внутрь трубочек и по ним транспортируются в аппарат Гольджи.
Синтез белков.
Синтез углеводов и липидов.
В клетках печени ЭПС участвует в обезвреживании ядовитых веществ, а в мышечных клетках накапливаются ионы кальция, необходимого для мышечного сокращения.
Комплекс (аппарат) Гольджи
(одномембранный органоид)
Открыт в 1898 году в нейронах итальянским гистологом Камилло Гольджи. Расположен рядом с ЭПС. Состоит из 3-ех основных компонента:
- стопки уплощенных, слегка изогнутых, дискообразных полостей- «цистерны»
Система трубочек, отходящих от полостей;
- пузырьки на концах трубочек.
1 .Накапливаются вещества, которые используются в клетке или выводятся во внешнюю среду.
2 . Формирование лизосом.
3 . Сборка мембран клетки.
Лизосомы (одномембранные органоиды)
Небольшой мембранный пузырек, содержащий пищеварительные ферменты (50 видов).
1 .Расщепление (переваривание) полимерных органических соединений, попавших в животную клетку при фагоцитозе и пиноцитозе до мономеров, усваиваемых клеткой.
2 . Участие в удалении отмирающих органов (хвоста у головастиков), клеток и органоидов. При голодании лизосомы растворяют некоторые органоиды, но не убивая при этом клетку.
Митохондрии (двумембранные органоиды)
Шаробразная, овальная или палочковидная форма. Покрыты наружной и внутренней мембранами. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные выступы, складки – кристы . На внутренней мембране находятся дыхательные ферменты и ферменты синтеза АТФ. Матрикс содержит раствор различных ферментов . Имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую их самовоспроизводство: ДНК, РНК, рибосомы, белки, липиды, углеводы. Могут сами синтезировать белки.
Синтез АТФ.
Происходит преобразование энергии пищевых веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Пластиды
(двумембранные органоиды).
Характерны только для растительных клето к.
А) Лейкопласты
лейкопласты → хлоропласты (на свету)
хлоропласты → хромопласты.
Б) Хромопласты
Форма округлая, бесцветные.
Шаровидная форма, содержат красные, желтые, оранжевые пигменты.
Служат местом накопления запасных питательных веществ (крахмальных зерен).
Создают большое разнообразие окрасок цветков (привлечение насекомых-опылителей) и плодов растений (распространение животными семян).
В) Хлоропласты (окраска зеленая)
Форма двояковыпуклых линз. Наружная мембрана гладкая, внутренняя – складчатая . Из ее складок формируются выросты – тилакоиды ( плоские мешочки). Стопки тилакоидов – граны. В мембранах гран – хлорофилл (зеленый пигмент). В каждом хлоропласте около 50 гран. В промежутках между гранами в матриксе (строме) –ДНК, РНК, рибосомы. Таким образом, имеют собственную генетическую систему, обеспечивающие их самовоспроизводство. Синтез белков рибосомами.
Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. АТФ используется для синтеза органических соединений.
Фотосинтез - процесс образования органических веществ (глюкозы) из неорганических: углекислого газа и воды при наличии световой энергии и пигмента хлорофилла с выделением кислорода.
Органоиды движения
Реснички – многочисленные цитоплазматические выросты на поверхности мембраны.
Удаление частичек пыли (мерцательный эпителий верхних дыхательных путей);
Передвижение (инфузория – туфелька)
Жгутики - единичные цитоплазматические выросты на поверхности мембраны.
Передвижение (сперматозоиды, зооспоры, одноклеточные организмы)
Ложноножки – амебовидные выступы цитоплазмы.
Образуются у животных в разных местах цитоплазмы для захвата пищи, для передвижения.
Миофибриллы – тонкие нити до 1 см. длиной и больше (актин и миозин)
Служат для сокращения мышечных волокон, вдоль которых они расположены.
Вакуоли.
Характерны только для растительных клеток.
Полости, заполненные клеточным соком – водой с растворенными в ней сахарами и другими органическими и неорганическими веществами. В клеточном соке могут содержаться пигменты, придающие синюю, фиолетовую, малиновую окраску лепесткам и другим частям растений, а также осенним листьям.
1. Поддержание тургорного давления клеток.
2. Накопление запасных веществ.
3. Окраска органов растений (привлечение насекомых-опылителей, распространение плодов и семян).
Органеллами (органоидами) клетки называют постоянные части клетки, имеющие определённое строение и выполняющие специфические функции. Различают мембранные и немембранные органеллы. К мембранным органеллам относят цитоплазматическую сеть (эндоплазматический ретикулум), пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), митохондрии, лизосомы, пероксисомы. Немембранные органеллы представлены рибосомами (полирибосомами), клеточным центром и элементами цитоскелета: микротрубочками и фибриллярными структурами.
Рис. 8. Схема ультрамикроскопического строения клетки:
1 – гранулярная эндоплазматическая сеть, на мембранах которой расположены прикреплённые рибосомы; 2 – агранулярная эндоплазматическая сеть; 3 – комплекс Гольджи; 4 – митохондрия; 5 – формирующаяся фагосома; 6 – первичная лизосома (гранула накопления); 7 – фаголизосома; 8 – эндоцитозные пузырьки; 9 – вторичная лизосома; 10 – остаточное тельце; 11 – пероксисома; 12 – микротрубочки; 13 - микрофиламенты; 14 – центриоли; 15 – свободные рибосомы; 16 – транспортные пузырьки; 17 – экзоцитозный пузырёк; 18 – жировые включения (липидная капля); 19 - включения гликогена; 20 – кариолемма (ядерная оболочка); 21 – ядерные поры; 22 – ядрышко; 23 – гетерохроматин; 24 – эухроматин; 25 – базальное тельце реснички; 26 - ресничка; 27 – специальный межклеточный контакт (десмосома); 28 – щелевой межклеточный контакт
2.5.2.1. Мембранные органоиды (органеллы)
Эндоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум, цитоплазматическая сеть) - совокупность сообщающихся между собой канальцев, вакуолей и «цистерн», стенка которых образована элементарными биологическими мембранами. Открыта К.Р. Портером в 1945 году. Открытие и описание эндоплазматической сети (ЭПС) обязано внедрению в практику цитологических исследований электронного микроскопа. Мембраны, образующие ЭПС, отличаются от плазмолеммы клетки меньшей толщиной (5-7 нм) и большей концентрацией белков, в первую очередь обладающих ферментативной активностью. Различают две разновидности ЭПС (рис. 8): шероховатую (гранулярную) и гладкую (агранулярную). Шероховатая ЭПС представлена уплощенными цистернами, на поверхности которых расположены рибосомы и полисомы. Мембраны гранулярной ЭПС содержат белки, способствующие связыванию рибосом и уплощению цистерн. Особенно хорошо развита шероховатая ЭПС в клетках, специализирующихся на белковом синтезе. Гладкую ЭПС формируют переплетающиеся канальцы, трубочки и небольшие пузырьки. Каналы и цистерны ЭПС этих двух разновидностей не разграничены: мембраны одного типа переходят в мембраны другого типа, формируя в области перехода так называемую переходную (транзиторную) ЭПС.
Основными функциями гранулярной ЭПС являются:
1) синтез на прикреплённых рибосомах белков (секретируемых белков, белков клеточных мембран и специфических белков содержимого мембранных органоидов); 2) гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование и гликозилирование белков; 3) транспорт веществ в пределах цитоплазмы; 4) накопление как синтезируемых, так и транспортируемых веществ; 5) регуляция биохимических реакций, связанная с упорядоченностью локализации в структурах ЭПС веществ, вступающих в реакции, а также их катализаторов - ферментов.
Гладкая ЭПС отличается отсутствием на мембранах белков (рибофоринов), связывающих субъединицы рибосом. Предполагается, что гладкая ЭПС образуется в результате формирования выростов шероховатой ЭПС, мембрана которых утрачивает рибосомы.
Функциями гладкой ЭПС являются: 1) синтез липидов, включая мембранные липиды; 2) синтез углеводов (гликогена и др.); 3) синтез холестерина; 4) обезвреживание токсических веществ эндогенного и экзогенного происхождения; 5) накопление ионов Са 2+ ; 6) восстановление кариолеммы в телофазе митоза; 7) транспорт веществ; 8) накопление веществ.
Как правило, гладкая ЭПС развита в клетках слабее, чем шероховатая ЭПС, однако в клетках, вырабатывающих стероиды, триглицериды и холестерин, а также в клетках печени, осуществляющих детоксикацию различных веществ, она развита значительно лучше.
Рис. 9. Комплекс Гольджи:
1 – стопка уплощённых цистерн; 2 – пузырьки; 3 – секреторные пузырьки (вакуоли)
Переходная (транзиторная) ЭПС - это участок перехода гранулярной ЭПС в агранулярную ЭПС, который располагается у формирующейся поверхности комплекса Гольджи. Трубочки и канальцы переходной ЭПС распадаются на фрагменты, из которых образуются пузырьки, транспортирующие материал из ЭПС в комплекс Гольджи.
Пластинчатый комплекс (комплекс Гольджи, аппарат Гольджи) - органоид клетки, участвующий в окончательном формировании продуктов её жизнедеятельности (секретов, коллагена, гликогена, липидов и других продуктов), а также в синтезе гликопротеидов. Органоид назван по имени описавшего его в 1898 году итальянского гистолога К. Гольджи. Образован тремя составляющими (рис. 9): 1) стопкой уплощённых цистерн (мешочков); 2) пузырьками; 3) секреторными пузырьками (вакуолями). Зона скопления этих элементов получила название диктиосомы. Таких зон в клетке может быть несколько (иногда несколько десятков и даже сотен). Комплекс Гольджи располагается около ядра клетки, часто вблизи центриолей, реже рассеян по всей цитоплазме. В секреторных клетках он располагается в апикальной части клетки, через которую осуществляется выделение секрета путём экзоцитоза. От 3-х до 30-ти цистерн в виде изогнутых дисков диаметром 0,5-5 мкм образуют стопку. Смежные цистерны разделены пространствами в 15-30 нм. Отдельные группы цистерн в пределах диктиосомы отличаются особым составом ферментов, определяющих характер биохимических реакций, в частности процессинга белка и др.
Второй составляющий элемент диктиосомы - пузырьки представляют собой сферические образования диаметром 40-80 нм, умеренно плотное содержимое которых окружено мембраной. Пузырьки формируются путём отщепления от цистерн.
Третий элемент диктиосомы - секреторные пузырьки (вакуоли) представляют собой относительно крупные (0,1-1,0 мкм) сферические мембранные образования, содержащие секрет умеренной плотности, претерпевающий конденсацию и уплотнение (вакуоли конденсации).
Комплекс Гольджи отчётливо поляризован по вертикали. В нём выделяют две поверхности (два полюса):
1) цис-поверхность, или незрелую поверхность, которая имеет выпуклую форму, обращена к эндоплазматической сети (ядру) и связана с отделяющимися от неё мелкими транспортными пузырьками;
2) транс-поверхность, или поверхность, обращённую к плазмолемме вогнутой формы (рис. 8), со стороны которой от цистерн комплекса Гольджи отделяются вакуоли (секреторные гранулы).
Основными функциями комплекса Гольджи являются: 1) синтез гликопротеинов и полисахаридов; 2) модификация первичного секрета, его конденсация и упаковка в мембранные пузырьки (формирование секреторных гранул); 3) процессинг молекул (фосфорилирование, сульфатирование, ацилирование и т.п.); 4) накопление секретируемых клеткой веществ; 5) образование лизосом; 6) сортировка синтезированных клеткой белков у транс-поверхности перед их окончательным транспортом (производится посредством рецепторных белков, распознающих сигнальные участки макромолекул и направляющих их в различные пузырьки); 7) транспорт веществ: из транспортных пузырьков вещества проникают в стопку цистерн комплекса Гольджи с цис-поверхности, а выходят из неё в виде вакуолей с транс-поверхности. Механизм транспорта объясняют две модели: а) модель перемещения пузырьков, отпочковывающихся от предшествующей цистерны и сливающихся с последующей цистерной последовательно в направлении от цис-поверхности к транс-поверхности; б) модель перемещения цистерн, основанная на представлении о непрерывном новообразовании цистерн за счёт слияния пузырьков на цис-поверхности и последующем распаде на вакуоли цистерн, смещающихся к транс-поверхности.
Указанные выше основные функции позволяют констатировать, что пластинчатый комплекс - важнейший органоид клетки эукариот, обеспечивающий организацию и интеграцию внутриклеточного метаболизма. В этом органоиде протекают заключительные этапы формирования, созревания, сортировки и упаковки всех секретируемых клеткой продуктов, ферментов лизосом, а также белков и гликопротеинов поверхностного аппарата клетки и др. веществ.
Органоиды внутриклеточного переваривания. Лизосомы - это мелкие ограниченные элементарной мембраной пузырьки, содержащие гидролитические ферменты. Мембрана лизосом толщиной около 6 нм осуществляет пассивную компартментализацию, временно отделяя гидролитические ферменты (более 30 разновидностей) от гиалоплазмы. В неповреждённом состоянии мембрана устойчива к действию гидролитических ферментов и препятствует их утечке в гиалоплазму. В стабилизации мембраны важная роль принадлежит кортикостероидным гормонам. Повреждение мембран лизосом ведёт к самоперевариванию клетки гидролитическими ферментами.
Мембрана лизосом содержит АТФ-зависимый протонный насос, обеспечивающий закисление среды внутри лизосом. Последняя способствует активизации ферментов лизосом - кислых гидролаз. Наряду с этим мембрана лизосом содержит рецепторы, обусловливающие связывание лизосом с транспортными пузырьками и фагосомами. Мембрана обеспечивает также диффузию веществ из лизосом в гиалоплазму. Связывание части молекул гидролаз с мембраной лизосом ведёт к их инактивации.
Выделяют несколько разновидностей лизосом: первичные лизосомы (гидролазные пузырьки), вторичные лизосомы (фаголизосомы, или пищеварительные вакуоли), эндосомы, фагосомы, аутофаголизосомы, остаточные тельца (рис. 8).
Эндосомами называют мембранные пузырьки, переносящие макромолекулы от поверхности клетки в лизосомы путём эндоцитоза. В процессе переноса содержимое эндосом может не изменяться или претерпевать частичное расщепление. В последнем случае в эндосомы проникают гидролазы или эндосомы непосредственно сливаются с гидролазными пузырьками, вследствие чего среда постепенно закисляется. Эндосомы разделяют на две группы: ранние (периферические) и поздние (перинуклеарные) эндосомы.
Ранние (периферические) эндосомы формируются на ранних этапах эндоцитоза после отделения пузырьков с захваченным содержимым от плазмолеммы. Они располагаются в периферических слоях цитоплазмы и характеризуются нейтральной или слабощелочной средой. В них происходит отщепление лигандов от рецепторов, сортировка лигандов и, возможно, возвращение рецепторов в специальных пузырьках в плазмолемму. Наряду с этим в ранних эндосомах может происходить расщепление ком-
Рис. 10 (А). Схема образования лизосом и их участия во внутриклеточном пищеварении. (Б) Электронная микрофотография среза вторичных лизосом (обозначены стрелками):
1 – образование из гранулярной эндоплазматической сети мелких пузырьков с ферментами; 2 – перенос ферментов в аппарат Гольджи; 3 – образование первичных лизосом; 4 – выделение и использование (5) гидролаз при внеклеточном ращеплении; 6 - фагосомы; 7 – слияние первичных лизосом с фагосомами; 8, 9 – образование вторичных лизосом (фаголизосом); 10 – экскреция остаточных телец; 11 – слияние первичных лизосом с разрушающимися структурами клетки; 12 – аутофаголизосома
плексов «рецептор-гормон», «антиген-антитело», ограниченное расщепление антигенов, инактивация отдельных молекул. В условиях закисления (рН=6,0) среды в ранних эндосомах может происходить частичное расщепление макромолекул. Постепенно, перемещаясь вглубь цитоплазмы, ранние эндосомы превращаются в поздние (перинуклеарные) эндосомы, располагающиеся в глубоких слоях цитоплазмы, окружающих ядро. Они достигают 0,6-0,8 мкм в диаметре и отличаются от ранних эндосом более кислым (рН=5,5) содержимым и более высоким уровнем ферментативного переваривания содержимого.
Фагосомы (гетерофагосомы) - мембранные пузырьки, которые содержат захваченный клеткой извне материал, подлежащий внутриклеточному перевариванию.
Первичные лизосомы (гидролазные пузырьки) - пузырьки диаметром 0,2-0,5 мкм, содержащие неактивные ферменты (рис.10). Их перемещение в цитоплазме контролируется микротрубочками. Гидролазные пузырьки осуществляют транспорт гидролитических ферментов из пластинчатого комплекса к органоидам эндоцитозного пути (фагосомам, эндосомам и т.п.).
Вторичные лизосомы (фаголизосомы, пищеварительные вакуоли) - пузырьки, в которых активно осуществляется внутриклеточное переваривание посредством гидролаз при рН≤5. Их диаметр достигает 0,5-2 мкм. Вторичные лизосомы (фаголизосомы и аутофаголизосомы) формируются путём слияния фагосомы с эндосомой или первичной лизосомой (фаголизосомы) либо путём слияния аутофагосомы (мембранного пузырька, содержащего собственные компоненты клетки) с первичной лизосомой (рис. 10) или поздней эндосомой (аутофаголизосомы). Аутофагия обеспечивает переваривание участков цитоплазмы, митохондрий, рибосом, фрагментов мембран и т.п. Убыль последних в клетке компенсируется их новообразованием, что ведёт к обновлению («омоложению») клеточных структур. Так, в нервных клетках человека, функционирующих многие десятилетия, большинство органоидов обновляется в течение 1 месяца.
Разновидность лизосом, содержащих непереваренные вещества (структуры), названа остаточными тельцами. Последние могут длительно находиться в цитоплазме или выделять своё содержимое путём экзоцитоза за пределы клетки (рис. 10). Распространённым видом остаточных телец в организме животных являются липофусциновые гранулы , представляющие собой мембранные пузырьки (0,3-3 мкм), содержащие труднорастворимый коричневый пигмент липофусцин.
Пероксисомы представляют собой мембранные пузырьки диаметром до 1,5 мкм, матрикс которых содержит около 15 ферментов (рис. 8). Среди последних наиболее важны каталаза, на которую приходится до 40% общего белка органоида, а также пероксидаза, оксидаза аминокислот и др. Пероксисомы образуются в эндоплазматическом ретикулуме и обновляются каждые 5-6 дней. Наряду с митохондриями, пероксисомы являются важным центром утилизации кислорода в клетке. В частности, под воздействием каталазы распадается перекись водорода (Н 2 О 2), образующаяся в ходе окисления аминокислот, углеводов и др. веществ клетки. Таким образом, пероксисомы защищают клетку от повреждающего эффекта перекиси водорода.
Органоиды энергетического обмена. Митохондрии описаны впервые Р. Келликером в 1850 году в мышцах насекомых под названием саркосом. Позднее они изучались и описывались Р. Альтманом в 1894 году как «биопласты», а в 1897 году К. Бенда назвал их митохондриями. Митохондрии представляют собой мембранные органоиды, обеспечивающие клетку (организм) энергией. Источником запасаемой в виде фосфатных связей АТФ энергии являются процессы окисления. Наряду с этим митохондрии участвуют в биосинтезе стероидов и нуклеиновых кислот, а также в окислении жирных кислот.
М Рис. 11.
Схема
строения
митохондрии:
1 – наружная
мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 –
кристы; 4 – матрикс
итохондрии
имеют эллиптическую, сферическую,
палочковидную, нитевидную и др. формы,
которые могут изменяться в течение
определенного времени. Их размеры
составляют 0,2-2 мкм в ширину и 2-10 мкм в
длину. Количество митохондрий в различных
клетках варьирует в широких пределах,
достигая в наиболее активных 500-1000. В
клетках печени (гепатоцитах) их число
составляет около 800, а занимаемый ими
объем равен примерно 20% объема цитоплазмы.
В цитоплазме митохондрии могут
располагаться диффузно, однакообычно
они сосредоточены в участках максимального
потребления энергии,
например, вблизи ионных насосов,
сократимых элементов (миофибрилл),
органелл движения (аксонема спермия).
Митохондрии состоят из
наружной и внутренней мембран,
разделенных
межмембранным пространством,
и
содержат митохондриальный матрикс, в
который обращены складки внутренней
мембраны - кристы
(рис.
11, 12).
Н
Рис. 12.
Электронная
фотография митохондрии (поперечный
разрез)
Межмембранное пространство митохондрий шириной 10-20 нм содержит небольшое количество ферментов. Его ограничивает изнутри внутренняя мембрана митохондрий, содержащая транспортные белки, ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназу, а также комплекс АТФ-синтетазы. Внутренняя мембрана характеризуется низкой проницаемостью для мелких ионов. Она формирует складки толщиной 20 нм, которые располагаются чаще всего перпендикулярно продольной оси митохондрий, а в некоторых случаях (мышечные и др. клетки) - продольно. С повышением активности митохондрий количество складок (их общая площадь) возрастает. На кристах находятся оксисомы - грибовидные образования, состоящие из округлой головки диаметром 9 нм и ножки толщиной 3 нм. В области головки происходит синтез АТФ. Процессы окисления и синтеза АТФ в митохондриях разобщены, из-за чего не вся энергия накапливается в АТФ, рассеиваясь частично в виде тепла. Такое разобщение наиболее выражено, например, в бурой жировой ткани, используемой для весеннего «разогрева» находившихся в состоянии «зимней спячки» животных.
Внутренняя камера митохондрии (область между внутренней мембраной и кристами) заполнена матриксом (рис. 11, 12), содержащим ферменты цикла Кребса, ферменты белкового синтеза, ферменты окисления жирных кислот, митохондриальную ДНК, рибосомы и митохондриальные гранулы.
Митохондриальная ДНК представляет собственный генетический аппарат митохондрий. Она имеет вид кольцевой двухцепочечной молекулы, в которой содержится около 37 генов. Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК низким содержанием некодирующих последовательностей и отсутствием связей с гистонами. Митохондриальная ДНК кодирует иРНК, тРНК и рРНК, однако обеспечивает синтез только 5-6% митохондриальных белков (ферментов системы транспорта ионов и некоторых ферментов синтеза АТФ). Синтез всех других белков, а также удвоение митохондрий контролируются ядерной ДНК. Большая часть рибосомальных белков митохондрий синтезируется в цитоплазме, а затем транспортируется в митохондрии. Наследование митохондриальной ДНК у многих видов эукариот, включая человека, происходит только по материнской линии: митохондриальная ДНК отца исчезает при гаметогенезе и оплодотворении.
Митохондрии имеют относительно короткий жизненный цикл (около 10 суток). Разрушение их происходит путём аутофагии, а новообразование - путём деления (перешнуровки) предшествующих митохондрий. Последнему предшествует репликация митохондриальной ДНК, которая происходит независимо от репликации ядерной ДНК в любые фазы клеточного цикла.
У прокариот митохондрии отсутствуют, и их функции выполняет клеточная мембрана. Согласно одной из гипотез, митохондрии произошли из аэробных бактерий в результате симбиогенеза. Существует предположение об участии митохондрий в передаче наследственной информации.
Наука, изучающая строение и функции клеток, называется цитология .
Клетка - элементарная структурная и функциональная единица живого.
Клетки, несмотря на свои малые размеры, устроены очень сложно. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы .
Цитоплазма является внутренней средой клетки, где проходят различные процессы и расположены компоненты клетки - органеллы (органоиды).
Клеточное ядро
Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки.
От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран. В оболочке ядра имеются многочисленные поры для того, чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот.
Внутреннее содержимое ядра получило название кариоплазмы
или ядерного сока
. В ядерном соке расположены хроматин
и ядрышко
.
Хроматин
представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно накручиваются спиралью на особые белки, как нитки на катушку. Такие плотные образования хорошо видны в микроскоп и называются хромосомами
.
Ядро содержит генетическую информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.
Ядрышко
представляет собой плотное округлое тело внутри ядра. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления - разрушаются.
Функция ядрышек - синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды - рибосомы
.
Рибосомы
участвуют в биосинтезе белка. В цитоплазме рибосомы чаще всего расположены на шероховатой эндоплазматической сети
. Реже они свободно взвешены в цитоплазме клетки.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) участвует в синтезе белков клетки и транспортировке веществ внутри клетки.
Значительная часть синтезируемых клеткой веществ (белков, жиров, углеводов) не расходуется сразу, а по каналам ЭПС поступает для хранения в особые полости, уложенные своеобразными стопками, “цистернами”, и отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости получили название аппарат (комплекс) Гольджи
. Чаще всего цистерны аппарата Гольджи расположены вблизи от ядра клетки.
Аппарат Гольджи
принимает участие в преобразовании белков клетки и синтезирует лизосомы
- пищеварительные органеллы клетки.
Лизосомы
представляют собой пищеварительные ферменты, “упаковываются” в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме.
В комплексе Гольджи также накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выводятся из клетки наружу.
Митохондрии - энергетические органоиды клеток. Они преобразуют питательные вещества в энергию (АТФ), участвуют в дыхании клетки.
Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы - кристы.
Плазматическая мембрана
Чтобы клетка представляла собой единую систему, необходимо, чтобы все ее части (цитоплазма, ядро, органоиды) удерживались вместе. Для этого в процессе эволюции развилась плазматическая мембрана , которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки - цитоплазму и ядро - от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.
Строение мембраны одинаково у всех клеток. Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Некоторые белки находятся на поверхности липидного слоя, другие - пронизывают оба слоя липидов насквозь.
Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие маленький диаметр. Однако более крупные частицы (молекулы пищевых веществ - белки, углеводы, липиды) через мембранные каналы пройти не могут и попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза:
- В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называется фагоцитозом (клетки растений поверх наружной клеточной мембраны покрыты плотным слоем клетчатки (клеточной оболочкой) и не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза).
- Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что в этом случае впячивание наружной мембраны захватывает не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами. Это один из основных механизмов проникновения веществ в клетку.
Тип урока : комбинированный.
Методы : словесный, наглядный, практический, проблемно-поисковый.
Цели урока
Образовательная: углубить знания учащихся о строении клеток эукариот, научить применять их на практических занятиях.
Развивающие: совершенствовать умения учащихся работать с дидактическим материалом; развивать мышление учащихся, предлагая задания для сравнения клеток прокариот и эукариот, клеток растений и клетки животных с выявлением схожих и отличительных признаков.
Оборудование : плакат «Строение цитоплазматической мембраны»; карточки-задания; раздаточный материал (строение прокариотической клетки, типичная растительная клетка, строение животной клетки).
Межпредметные связи : ботаника, зоология, анатомия и физиология человека.
План урока
I. Организационный момент
Проверка готовности к уроку.
Проверка списочного состава учащихся.
Сообщение темы и целей урока.
II. Изучение нового материала
Разделение организмов на про- и эукариоты
По форме клетки необычайно разнообразны: одни имеют округлую форму, другие похожи на звездочки со многими лучами, третьи вытянутые и т.д. Различны клетки и по размеру – от мельчайших, с трудом различимых в световом микроскопе, до прекрасно видимых невооруженным глазом (например, икринки рыб и лягушек).
Любое неоплодотворенное яйцо, в том числе гигантские окаменевшие яйца ископаемых динозавров, которые хранятся в палеонтологических музеях, тоже были когда-то живыми клетками. Однако, если говорить о главных элементах внутреннего строения, все клетки схожи между собой.
Прокариоты (от лат. pro – перед, раньше, вместо и греч. karyon – ядро) – это организмы, клетки которых не имеют ограниченного мембраной ядра, т.е. все бактерии, включая архебактерии и цианобактерии. Общее число видов прокариот около 6000. Вся генетическая информация прокариотической клетки (генофор) содержится в одной-единственной кольцевой молекуле ДНК. Митохондрии и хлоропласты отсутствуют, а функции дыхания или фотосинтеза, обеспечивающие клетку энергией, выполняет плазматическая мембрана (рис. 1). Размножаются прокариоты без выраженного полового процесса путем деления надвое. Прокариоты способны осуществлять целый ряд специфических физиологических процессов: фиксируют молекулярный азот, осуществляют молочнокислое брожение, разлагают древесину, окисляют серу и железо.
После вступительной беседы учащиеся рассматривают строение прокариотической клетки, сравнивая основные особенности строения с типами эукариотической клетки (рис. 1).
Эукариоты – это высшие организмы, имеющие четко оформленное ядро, которое оболочкой отделяется от цитоплазмы (кариомембраной). К эукариотам относятся все высшие животные и растения, а также одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы и простейшие. Ядерная ДНК у эукариот заключена в хромосомах. Эукариоты обладают клеточными органоидами, ограниченными мембранами.
Отличия эукариот от прокариот
– Эукариоты имеют настоящее ядро: генетический аппарат эукариотической клетки защищен оболочкой, схожей с оболочкой самой клетки.
– Включенные в цитоплазму органоиды окружены мембраной.
Строение клеток растений и животных
Клетка любого организма представляет собой сис-тему. Она состоит из трех взаимосвязанных между собой частей: оболочки, ядра и цитоплазмы.
При изучении ботаники, зоологии и анатомии человека вы уже знакомились со строением различных типов клеток. Кратко повторим этот материал.
Задание 1. Определите по рисунку 2, каким организмам и типам тканей соответствуют клетки под цифрами 1–12. Чем обусловлена их форма?
Строение и функции органоидов растительных и животных клеток
Используя рисунки 3 и 4 и пользуясь Биологическим энциклопедическим словарем и учебником, учащиеся заполняют таблицу, сравнивая животную и растительную клетки.
Таблица. Строение и функции органоидов растительных и животных клеток
Органоиды клетки |
Строение органоидов |
Функция |
Присутствие органоидов в клетках |
|
растений |
животных |
|||
Хлоропласт |
Представляет собой разновидность пластид |
Окрашивает растения в зеленый цвет, в нем происходит фотосинтез |
||
Лейкопласт |
Оболочка состоит из двух элементарных мембран; внутренняя, врастая в строму, образует немногочисленные тилакоиды |
Синтезирует и накапливает крахмал, масла, белки |
||
Хромопласт |
Пластиды с желтой, оранжевой и красной окраской, окраска обусловлена пигментами – каротиноидами |
Красная, желтая окраска осенних листьев, сочных плодов и др. |
||
Занимает до 90% объема зрелой клетки, заполнена клеточным соком |
Поддержание тургора, накопление запасных веществ и продуктов обмена, регуляция осмотического давления и др. |
|||
Микротрубочки |
Состоят из белка тубулина, расположены около плазматической мембраны |
Участвуют в отложении целлюлозы на клеточных стенках, перемещении в цитоплазме различных органоидов. При делении клетки микротрубочки составляют основу структуры веретена деления |
||
Плазматическая мембрана (ЦПМ) |
Состоит из липидного бислоя, пронизанного белками, погруженными на различную глубину |
Барьер, транспорт веществ, сообщение клеток между собой |
||
Гладкий ЭПР |
Система плоских и ветвящихся трубочек |
Осуществляет синтез и выделение липидов |
||
Шероховатый ЭПР |
Название получил из-за множества рибосом, находящихся на его поверхности |
Синтез белков, их накопление и преобразование для выделения из клетки наружу |
||
Окружено двойной ядерной мембраной, имеющей поры. Наружная ядерная мембрана образует непрерывную структуру с мембраной ЭПР. Содержит одно или несколько ядрышек |
Носитель наследственной информации, центр регуляции активности клетки |
|||
Клеточная стенка |
Состоит из длинных молекул целлюлозы, собранных в пучки, называемые микрофибриллами |
Внешний каркас, защитная оболочка |
||
Плазмодесмы |
Мельчайшие цитоплазматические каналы, которые пронизывают клеточные стенки |
Объединяют протопласты соседних клеток |
||
Митохондрии |
Синтез АТФ (аккумуляция энергии) |
|||
Аппарат Гольджи |
Состоит из стопки плоских мешочков – цистерн, или диктиосом |
Синтез полисахаридов, формирование ЦПМ и лизосом |
||
Лизосомы |
Внутриклеточное пищеварение |
|||
Рибосомы |
Состоят из двух неравных субъединиц – |
Место биосинтеза белка |
||
Цитоплазма |
Состоит из воды с большим количеством растворенных в ней веществ, содержащих глюкозу, белки и ионы |
В ней расположены другие органоиды клетки и осуществляются все процессы клеточного метаболизма |
||
Микрофиламенты |
Волокна из белка актина, обычно располагаются пучками вблизи поверхности клеток |
Участвуют в подвижности и изменении формы клеток |
||
Центриоли |
Могут входить в состав митотического аппарата клетки. В диплоидной клетке содержится две пары центриолей |
Участвуют в процессе деления клетки у животных; в зооспорах водорослей, мхов и у простейших образуют базальные тельца ресничек |
||
Микроворсинки |
Выступы плазматической мембраны |
Увеличивают наружную поверхность клетки, микроворсинки в совокупности образуют кайму клетки |
||
Выводы
1. Клеточная стенка, пластиды и центральная вакуоль присущи только растительным клеткам.
2. Лизосомы, центриоли, микроворсинки присутствуют в основном только в клетках животных организмов.
3. Все остальные органоиды характерны как для растительных, так и для животных клеток.
Строение оболочки клеток
Клеточная оболочка располагается снаружи клетки, отграничивая последнюю от внешней или внутренней среды организма. Ее основу составляет плазмалемма (клеточная мембрана) и углеводно-белковая составляющая.
Функции клеточной оболочки:
– поддерживает форму клетки и придает механическую прочность клетке и организму в целом;
– защищает клетку от механических повреждений и попадания в нее вредных соединений;
– осуществляет узнавание молекулярных сигналов;
– регулирует обмен веществ между клеткой и средой;
– осуществляет межклеточное взаимодействие в многоклеточном организме.
Функция клеточной стенки:
– представляет собой внешний каркас – защитную оболочку;
– обеспечивает транспорт веществ (через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ).
Наружный слой 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 называется гликокаликсом , выполняет функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами, опорной роли не выполняет.
Под гликокаликсом животной и клеточной стенкой растительной клетки расположена плазматическая мембрана, граничащая непосредственно с цитоплазмой. В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они расположены упорядоченно за счет различных химических взаимодействий друг с другом. Молекулы липидов в плазматической мембране расположены в два ряда и образуют сплошной липидный бислой. Молекулы белков не образуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в него на разную глубину. Молекулы белков и липидов подвижны.
Функции плазматической мембраны:
– образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды;
– обеспечивает транспорт веществ;
– обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточных организмов.
Поступление веществ в клетку
Поверхность клетки не сплошная. В цитоплазматической мембране есть многочисленные мельчайшие отверстия – поры, через которые с помощью или без помощи специальных белков, внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы. Кроме того, некоторые ионы и мелкие молекулы могут попадать в клетку непосредственно через мембрану. Поступление важнейших ионов и молекул в клетку не пассивная диффузия, а активный транспорт, требующий затрат энергии. Транспорт веществ носит избирательный характер. Избирательная проницаемость клеточной мембраны носит название полупроницаемости .
Путем фагоцитоза внутрь клетки поступают: крупные молекулы органических веществ, например белков, полисахаридов, частицы пищи, бактерии. Фагоцитоз осуществляется с участием плазматической мембраны. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в «мембранной капсуле» погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль, и в ней перевариваются поступившие в клетку органические вещества.
Путем фагоцитоза питаются амебы, инфузории, лейкоциты животных и человека. Лейкоциты поглощают бактерии, а также разнообразные твердые частицы, случайно попавшие в организм, защищая его таким образом от болезнетворных бактерий. Клеточная стенка растений, бактерий и синезеленых водорослей препятствует фагоцитозу, и потому этот путь поступления веществ в клетку у них не реализуется.
Через плазматическую мембрану в клетку проникают и капли жидкости, содержащие в растворенном и взвешенном состоянии разнообразные вещества.Это явление было названо пиноцитозом . Процесс поглощения жидкости сходен с фагоцитозом. Капля жидкости погружается в цитоплазму в «мембранной упаковке». Органические вещества, попавшие в клетку вместе с водой, начинают перевариваться под влиянием ферментов, содержащихся в цитоплазме. Пиноцитоз широко распространен в природе и осуществляется клетками всех животных.
III. Закрепление изученного материала
На какие две большие группы разделяются все организмы по строению ядра?
Какие органоиды свойственны только растительным клеткам?
Какие органоиды свойственны только животным клеткам?
Чем различается строение оболочки клеток растений и животных?
Каковы два способа поступления веществ в клетку?
Каково значение фагоцитоза для животных?
