Школьники начинают изучать цитологию (науку о характеристиках и функционировании животных и растительных клеток) в 6 классе для составления общей схемы строения всего живого. Но повторение — мать учения. Учебная программа составлена так, чтобы пройти особенности строения животной клетки на биологии в 9 классе. Это поможет в дальнейшем изучении анатомии человека и понимании процессов, происходящих в тканях и органах.
Общие положения цитологии
Клеточная теория была разработана с целью систематизирования знаний о клетках и приведения их к «общему знаменателю». Благодаря этому стало возможно изучение метаболизма любого органа или ткани. Клеточная теория гласит:
- Клетка — самая маленькая единица всего живого.
- Разные внешне организмы сходны в клеточном строении, что свидетельствует о едином происхождении природы.
- Размножаются они только благодаря делению предыдущей (материнской) клеточной структуры на две дочерних.
- Все живое образовано в результате последовательного клеточного объединения сначала в ткани, затем органы. Совокупности органов формируют целую систему, которая называется организмом.
В соответствии с теорией такую «клеточную микросистему» можно рассматривать в качестве строительных кирпичиков, из которых постепенно формируется все, что способно к жизнедеятельности. Интересный факт: этих основополагающих «стройматериалов» в организме насчитывается приблизительно 1013. Состав животных клеток:
- цитоплазматическая (биологическая) мембрана;
- цитоплазма;
- органоиды.
Органоиды — «внутренности» клетки, имитирующие деятельность органов у человека. Они разнообразны по строению, химическому составу и выполняемым функциям. Биологам для облегчения восприятия удалось свести к минимуму классификацию органоидов:
- С общим назначением: ядро, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум (сеть), пероксисомы, митохондрии, цитоскелет и клеточный центр. Они находятся в структуре всех клеток, поскольку являются жизненно важными. Органеллы со специальным назначением (жгутики, миофибриллы, микроворсинки, нейрофибриллы, мерцающие реснички, тонофибриллы) есть лишь у некоторых типов тканей организма.
- Мембранные: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, пероксисомы, лизосомы, митохондрии, ядро.
- Немембранные: рибосомы, клеточный центр и цитоскелет (микротрубочки, микрофиламенты и микрофибриллы).
Целлюлярная система формирует совокупности органоидов, называемые функциональными аппаратами. Всего их 4: транспортно-синтетический, энергомобилизирующий, «пищеварительная система» и внутренний каркас — цитоскелет.
Цитоплазма и плазмолемма
Основными компонентами «живых ячеек» являются цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) и цитоплазма (гиалоплазма). Это база любых клеток, в том числе растительных.
Цитоплазма — все содержимое клетки: и жидкая часть, и ее компоненты (органеллы, цитоскелет и включения). Сама гелеобразная жидкость называется гиалоплазмой.
Гиалоплазма примерно на 80—90% состоит из воды, на 10—15% — из белков и в малых количествах органических соединений (белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и остатков нуклеиновых кислот). Она нужна клеткам для осуществления реакций обмена веществ.
У животных это единственная оболочка, в отличие от растений, грибов и бактерий: они имеют дополнительный слой — клеточную стенку. Мембрана служит одновременно и барьером, и «обменником» с внешней средой. Она выполняет следующие функции:
- транспорт питательных веществ внутрь клетки и выведение продуктов метаболизма;
- связь с другими молекулами (гормонами, воспалительными веществами);
- скрепление клеток одного вида и образование тканей организма;
- движение благодаря связи мембраны с компонентами цитоскелета.
Под микроскопом цитолемма выглядит как прочная оболочка, состоящая из 3 слоев: два ряда фосфолипидов, между которыми заметно просветление. Фосфолипиды выглядят как шарики с отходящими от них двумя ниточками. На рисунке обычно эти ряды изображают обращенными друг к другу хвостиками, головки же находятся по разные стороны клетки: нижний ряд фосфолипидов «смотрит» внутрь, верхний — наружу. Такое строение отвечает за текучесть мембраны и ее способность адаптироваться к раздражителям и поглощать вещества (участок липидного слоя выпячивается, охватывает нужную молекулу и вклинивается обратно).
Поскольку в клетку поступают питательные вещества не только жирового происхождения, природа наделила плазмолемму встроенными в неё транспортными белками. Они могут пронизывать мембрану насквозь (интегральные), образуя каналы, или наполовину (полуинтегральные). Такие белки участвуют в активном транспорте, когда некоторые вещества не могут попасть в клетку по градиенту концентрации. Эти переносчики транспортируют их внутрь с затратой энергии. На внешней стороне находятся поверхностные белки, они служат рецепторами для передачи сигналов из внешней среды.
Синтетический конвейер
Синтез белков осуществляют рибосомы, эндоплазматическая сеть (ЭПС) и комплекс Гольджи. Они действуют слаженно, передавая по цепочке друг другу продукты образования белков и доставляя их в ядро и другие клеточные органеллы. Ядро через содержание разных генов регулирует их работу и способствует синтезу нужных клетке в конкретный момент белков.
Первое звено — рибосомы. Это мелкие органеллы-строители, образующие из аминокислот цепочку полипептидов. Состоит рибосома из малой (в виде телефонной трубки) и большой (как ковш) субъединиц. Они могут быть одиночными или склеенными между собой (полисомы).
В малую часть попадает иРНК, образованная ядром. При движении между субъединицами тРНК нанизывает свои комплементарные основания на входящие в рибосому аминокислоты. В среднем за 1 секунду обрабатываются 20 аминокислот, а полноценный белок образуется примерно через 30—60 секунд. После окончания синтеза рибосома освобождается от иРНК и готова принять новую.
Если белки нужны для обмена веществ в клетке или для встраивания в мембрану, то они синтезируются на полисомах, соединенных с ЭПС, где потом и хранятся или доводятся до совершенства.
Эндоплазматическая сеть
ЭПС нужна для синтеза углеводов, жиров и белков и для доработки белков до нужного состояния. Это комплекс цистерн и трубочек, проходя по которым, вещества под действием разных реакций модифицируются. Выделяют гранулярную ЭПС (содержит рибосомы и полисомы), гладкую (без них) и переходную.
Гранулярная ЭПС — это «завод» по производству мембранных белков и белков, которые нужны вне клетки. Также здесь происходит преобразование (гликозилирование) или присоединение углеводных частей к пептидным цепочкам. Эта часть синтетического клеточного комплекса образована плоскими цистернами, где накапливаются продукты синтеза, и микротрубочками, по которым они движутся в цитоплазму и за пределы клетки на нужды организма.
Белок синтезируется на поверхностных полисомах. К ним из ядра подплывает иРНК, проходя через субъединицы рибосом, и образует основной пептид (сигнальный). Этот пептид, попадая внутрь цистерн, под действием фермента пептидазы постепенно продвигается по всей ЭПС, по ходу движения сворачиваясь сначала во вторичную, затем в третичную и конечную (четвертичную) структуру. Там же, в просвете ЭПС, к нему присоединяются сульфидные, гидроксильные группы и фосфатный остаток.
Так как грЭПС занимается синтезом «на экспорт», она хорошо развита в органах, выделяющих ферменты (например, в поджелудочной железе), клетках соединительной ткани (образуют коллаген и другие строительные протеины) и печени (орган, где синтезируются практически все белки организма).
Гладкая часть — 3D-система, образованная каналами, трубочками и пузырьками. Она служит для образования жиров, синтеза холестерина и гликогена (запасной углевод на случай клеточного голодания), восстановления ядерной мембраны при митозе (телофаза) и накопления в клетке кальция. Сберегающая кальций функция осуществляется благодаря специальным каналам и белкам. Она имеет большое значение в мышечной ткани, поскольку мышцы сокращаются только при наличии кальция в цитоплазме их клеток.
ГлЭПС хорошо развита в органах, образующих холестерин и стероидные гормоны. Сюда относятся кора надпочечников, печень, яички и яичники (желтое тело).
Переходная зона — часть комплекса, расположенная между гладкой и грЭПС перед аппаратом Гольджи, куда она переносит в пузырьках синтезированные вещества.
Комплекс Гольджи и переваривающие органоиды
КГ по строению почти идентичен ЭПС: цистерны, транспортные и секреторные пузырьки. В цистернах находятся разные ферменты для белковых реакций. Пузырьки формируются отщеплением мембраны от цистерн. КГ имеет 2 полюса: цис-форма обращена к ЭПС, транс-форма — к клеточной мембране.
В этом комплексе также образуются углеводы и гликопротеины, происходит гликозилирование белков. КГ служит для накопления конечных продуктов синтеза и их транспорта в цитоплазму и за пределы клетки.
В клетке отдельно существует своя система пищеварения — эндосомы и лизосомы. Эндосомы — пузырьки, медленно заполняющиеся кислой средой и ферментами. Они являются промежуточным переносчиком к лизосомам попавшего в клетку вещества и одновременно частично переваривают его.
Лизосомы отличаются лишь тем, что формируются из эндосом, имеют более кислую среду и обширный спектр литических ферментов. В них осуществляется окончательное переваривание расщепившихся молекул.
Пероксисомы — видоизмененные лизосомы, содержимое которых направлено на расщепление образующейся в реакциях метаболизма перекиси водорода до кислорода и воды.
Энергетические и генетические центры клетки
Митохондрии — органеллы-батарейки. Мембрана у них двухслойная, на каждом слое разные ферменты и каналы. Внутренняя мембрана также формирует содержимое митохондрии: она складывается и образует кристы, на которых проходят реакции окисления веществ для получения из них энергии. Пространство между кристами заполнено матриксом, богатым ферментами, гранулами и рибосомами. В них также обнаруживается генетический материал — митохондриальная ДНК.
Ядро — главный органоид. Если нет ядра, значит, нет клетки. Оно хранит, реализует и воспроизводит генетическую информацию. Отличается от ядерного вещества прокариотов тем, что имеет оболочку, за счет которой внутреннее содержимое отграничено от цитоплазмы.
В ядерной оболочке имеются поры, через которые в ядро и из него движутся РНК и части рибосом. Оболочка, как и у митохондрий, двухслойная, ее наружная часть сливается с грЭПС и усыпана рибосомами, внутренняя — гладкая. Содержимое ядра — хроматин. Это комплекс белков и ДНК, формирующий хромосомы. Часть из них, готовая к транскрипции, — эухроматин, а остальные, скрученные спиралью и недоступные для списывания генетической информации, — гетерохроматин.
Гены, содержащиеся в ядре, отвечают за все процессы, происходящие в организме (рост, развитие, питание, метаболизм, старение и т. д. ). При его разрушении жизнь клеток становится невозможной.
Какую бы ткань ни образовывали клетки, общее строение у них одинаково. Где-то больше, где-то меньше развиты те или иные органоиды или могут появляться специфичные этому органу ферменты. Но в целом строение клеток практически не отличается. Это помогает систематизировать процессы, протекающие во всех системах человеческого организма.
