Введение

Клетка — это самая маленькая живая единица, основная структурная и функциональная единица всего живого, будь то растение, или животное, или гриб. Некоторые организмы, такие как: амеба, бактерия, некоторые водоросли и грибы состоят из одной клетки — весь организм заключен в эту одну клетку. Человеческий организм сильно отличается от этих простейших и состоит из примерно 3 000 000 000 000 клеток.

В зависимости от наличия настоящего сформированного ядра, все клеточные организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты.

Клетки могут быть различной формы в зависимости от исполняемой функции. Клетки объединяются в ткани, органы, целые структуры (мозг, печень, кости, кожу, листья, фрукты и т.д.).

Вещества поступают в клетки различными путями: диффузно (низкомолекулярные ионы) осмосом (вода); активным транспортом (через специальные белковые каналы) с затратой энергии; посредством эндоцитоза (крупные частицы).

В организме клетки связаны друг с другом для выполнения различных функций и задач: одни синтезируют ферменты, другие накапливают сахар или жир, составляют скелет или отвечают за связь (например, нервные клетки), на каких-то клетках лежит ответственность за защиту организма (белые кровяные тельца или стрекательные клетки медузы и растений).

Чтобы быть полноценной частичкой целого организма, большинство клеток обладают одинаковой наследственной информацией, сходными ресурсами и сходным внутриклеточным аппаратом.

Клетка высших организмов (растений или животных) состоит из следующих частей:

— Клеточная мембрана, которая охватывает всю клетку. (Для прочности у растительных клеток есть еще дополнительная стенка из целлюлозы, придающая устойчивость.)

— Цитоплазма — внутренняя среда клетки (за пределами ядра).

— Большое количество органелл. Это функциональные компоненты, напоминающие необходимые для пищеварения, накопления и выделения органы.

— Ядро — командный центр клетки. Ядро содержит всю жизненно важную информацию, которая необходима клетке или целому организму, чтобы нормально функционировать, развиваться и воспроизводиться. Эта информация хранится в форме набора генов в хромосомах, которые находятся внутри ядра.

1. Клетка как элементарная форма организации живой материи

В 1665 году английский физик Р.Гук, изучая срез пробки дерева, описал ячейки, которые назвал «cellula» (лат.) – ячейка, клетка. Изучение клетки шло параллельно с развитием микроскопической техники. Голландец А.ван Левенгук обнаружил в воде одноклеточные организмы. В 1825 году чешский ученый Я.Пуркине описал полужидкое, студенистое содержимое клетки и назвал его «протоплазма» (греч. protos – первый, plasma – образование). В 1831г. английский ботаник Р.Броун обнаружил в клетке ядро. В 1838-1839 гг. немецкие исследователи Т.Шванн (зоолог) и М.Шлейден (ботаник) объединили полученные данные и сформулировали клеточную теорию. Ее основные положения: 1) клетка – основная структурная единица животных и растений; 2) процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку тканей растений и животных. В 1858 году была опубликована работа немецкого патологоанатома Р.Вирхова «Целлюлярная патология», в которой было два важных положения: 1) каждая клетка происходит от клетки в результате деления, 2) основой всех болезней организма являются изменения структуры и функций клеток.

Все процессы в организме проходят на клеточном уровне. О клетке в первые написал Шванн в 1838г. Основные положения клеточной теории: 1) все живые тела состоят из клеток 2) клетки живых и растительных гомогенны по своему строению. 20 лет спустя сформирован третий постулат — клетка есть последовательный морфологичный элемент всех живых тел.

Основные положения современной клеточной теории:

Клетка – элементарная структурно-функциональная и генетическая единица всего живого, открытая саморегулирующаяся система, через которую постоянно идут потоки веществ, энергии и информации.

Клетки всех организмов имеют сходное строение, химический состав  процессы жизнедеятельности.

Клетки многоклеточного организма выполняют разные функции, образуют ткани.

Новые клетки образуются при делении материнской клетки.

Строение, химический состав, размножение и развитие, взаимодействие клеток в многоклеточном организме изучает цитология (лат. сytos – клетка, logos– наука).

Сегодня у клетки теория из 4 постулатов: 1)какие бы сложные формы не принимала жизнь, ее элементарной структурой, функциональной и генетической единицей является клетка. 2) клетки разных организмов гомологичные по строению, несмотря на индивидуальные различия они одинаково передают и хранят информацию и используют ее в обмене веществ и энергии. 3) размножение клеток происходит делением исходной клетки 4) многоклеточные организмы — это сложные ансамбли клеток, объединенные в целостные интегрирующие системы тканей и органов. Свойства многоклеточного организма нельзя свести к свойствам его отдельных клеток.

Клетки всех живых организмов по структурно-функциональными особенностями можно разделить на две большие группы: эукариотические и прокариотические. Структурными компонентами эукариотических клеток является плазматическая мембрана, цитоплазма, клеточные органеллы, ядро. Прокариотические клетки не имеют ядра и некоторых органелл (митохондрий, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи).

2. Понятие строения и структуры клетки

Клетка – элементарная единица живой системы. Различные структуры живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции, получили название органоидов, подобно органам целого организма. Специфические функции в клетке распределены между органоидами, внутриклеточными структурами, имеющими определенную форму, такими, как клеточное ядро, митохондрии и др.

Важной составляющей любой клетки является оболочка. Вспомним: оболочка растительной клетки состоит из плотной клеточной стенки, застеленному плазматической мембраной. В клетки животного (см. Рис.) Внутреннее содержание отделен от окружающей среды только плазматической мембраной. Толщина мембраны составляет 0,000007 мм, и этот тончайший барьер не только отделяет клетку от окружающей среды, но и обеспечивает связь с ним. Каким образом?

 

Плазматическая мембрана не является препятствием для малых молекул неорганических веществ. Так, через всю мембрану в клетку диффундируют молекулы кислорода и воды, а из нее — молекулы углекислого газа.

С большими органическими молекулами дело сложнее: чтобы их захватить, плазматическая мембрана образует впадины и вырасти. Когда их края смыкаются, возникает окружен мембраной пузырек, который вместе со своим «грузом» оказывается внутри клетки. Этот процесс называется эндоцитоз. В пузырьках, образованных в результате эндоцитоза, большие органические молекулы расщепляются на молекулы такого размера, что способны преодолеть мембрану.

С помощью мембранных пузырьков вещества могут выделяться из клетки. Вокруг их молекул образуется пузырек, который движется к плазматической мембраны. Когда с ней сливается мембрана пузырька, его «груз» оказывается за пределами клетки. Этот процесс называется экзоцитоз.

Внутреннее содержимое животной клетки — это цитоплазма с многочисленными органеллами и ядро. Почти все они есть и в растительной клетке. Однако в животной клетке нет не только пластид, но и вакуолей с клеточным соком.

Клеточные структуры:

Цитоплазма. Обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. Цитозоль – это вязкий водный раствор различных солей и органических веществ, пронизанный системой белковых нитей – цитоскелетам. Большинство химических и физиологических процессов клетки проходят в цитоплазме. Строение: Цитозоль, цитоскелет. Функции: включает различные органоиды, внутренняя среда клетки

Плазматическая мембрана. Каждая клетка животных, растений, грибов ограничена от окружающей среды или других клеток плазматической мембраной. Толщина этой мембраны так мала (около 10 нм.), что ее можно увидеть только в электронный микроскоп.

Липиды в мембране образуют двойной слой, а белки пронизывают всю ее толщину, погружены на разную глубину в липидный слой или располагаются на внешней и внутренней поверхности мембраны. Строение мембран всех других органоидов сходно с плазматической мембраной. Строение: двойной слой липидов, белки, углеводы. Функции: ограничение внутренней среды, сохранение формы клетки, защита от повреждений, регулятор поступления и удаления веществ.

Лизосомы. Лизосомы – это мембранные органоиды. Имеют овальную форму и диаметр 0,5 мкм. В них находится набор ферментов, которые разрушают органические вещества. Мембрана лизосом очень прочная и препятствует проникновению собственных ферментов в цитоплазму клетки, но если лизосома повреждается от каких-либо внешних воздействий, то разрушается вся клетка или часть ее.

Лизосомы встречаются во всех клетках растений, животных и грибов.

Осуществляя переваривание различных органических частиц, лизосомы обеспечивают дополнительным «сырьем» химические и энергетические процессы в клетке. При голодании клетки лизосомы переваривают некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное переваривание обеспечивает клетке на какое-то время необходимый минимум питательных веществ. Иногда лизосомы переваривают целые клетки и группы клеток, что играет существенную роль в процессах развития у животных. Примером может служить утрата хвоста при превращении головастика в лягушку. Строение: пузырьки овальной формы, снаружи мембрана, внутри ферменты. Функции: расщепление органических веществ, разрушение отмерших органоидов, уничтожение отработавших клеток.

Комплекс Гольджи. Поступающие в просветы полостей и канальцев эндоплазматической сети продукты биосинтеза концентрируются и транспортируются в аппарате Гольджи. Этот органоид имеет размеры 5–10 мкм.

Строение: окруженные мембранами полости (пузырьки). Функции: накопление, упаковка, выведение органических веществ, образование лизосом

Эндоплазматическая сеть. Эндоплазматическая сеть является системой синтеза и транспорта органических веществ в цитоплазме клетки, представляющая собой ажурную конструкцию из соединенных полостей.

К мембранам эндоплазматической сети прикреплено большое число рибосом – мельчайших органоидов клетки, имеющих вид сферы с диаметром 20 нм. и состоящих из РНК и белка. На рибосомах и происходит синтез белка. Затем вновь синтезированные белки поступают в систему полостей и канальцев, по которым перемещаются внутри клетки. Полости, канальцы, трубочки из мембран, на поверхности мембран рибосомы.

Функции: синтез органических веществ с помощью рибосом, транспорт веществ.

 

Обычно 70–80 % массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки – белки и нуклеиновые кислоты.

Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие – ферментами, т.е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков. Часто клетки содержат некоторое количество запасных веществ, служащих пищевым резервом. Растительные клетки в основном запасают крахмал – полимерную форму углеводов. В клетках печени и мышц запасается другой углеводный полимер – гликоген. К часто запасаемым продуктам относится также жир, хотя некоторые жиры выполняют иную функцию, а именно служат важнейшими структурными компонентами. Белки в клетках (за исключением клеток семян) обычно не запасаются.

Описать типичный состав клетки не представляется возможным прежде всего потому, что существуют большие различия в количестве запасаемых продуктов и воды. В клетках печени содержится, например, 70% воды, 17% белков, 5% жиров, 2% углеводов и 0,1% нуклеиновых кислот; оставшиеся 6% приходятся на соли и низкомолекулярные органические соединения, в частности аминокислоты. Растительные клетки обычно содержат меньше белков, значительно больше углеводов и несколько больше воды; исключение составляют клетки, находящиеся в состоянии покоя. Покоящаяся клетка пшеничного зерна, являющегося источником питательных веществ для зародыша, содержит около 12% белков (в основном это запасаемый белок), 2% жиров и 72% углеводов. Количество воды достигает нормального уровня (70–80%) только в начале прорастания зерна.

2. Основные функции клетки

Рибосомы. Рибосомы прикреплены к мембранам эндоплазматической сети или свободно находятся в цитоплазме, они располагаются группами, на них синтезируются белки. Состав белка, рибосомальная РНК . Функции: обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот).

Митохондрии. Митохондрии – это энергетические органоиды. Форма митохондрий различна, они могут быть остальными, палочковидными, нитевидными со средним диаметром 1 мкм. и длиной 7 мкм. Число митохондрий зависит от функциональной активности клетки и может достигать десятки тысяч в летательных мышцах насекомых. Митохондрии снаружи ограничены внешней мембраной, под ней – внутренняя мембрана, образующая многочисленные выросты – кристы.

Внутри митохондрий находятся РНК, ДНК и рибосомы. В ее мембраны встроены специфические ферменты, с помощью которых в митохондрии происходит преобразование энергии пищевых веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Мембрана, матрикс, выросты – кристы. Функции: синтез молекулы АТФ, синтез собственных белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, образование собственных рибосом.

Пластиды. Только в растительной клетке: лекопласты, хлоропласты, хромопласты. Функции: накопление запасных органических веществ, привлечение насекомых-опылителей, синтез АТФ и углеводов. Хлоропласты по форме напоминают диск или шар диаметром 4–6 мкм. С двойной мембраной – наружней и внутренней. Внутри хлоропласта имеются ДНК рибосомы и особые мембранные структуры – граны, связанные между собой и с внутренней мембраной хлоропласта. В каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке для лучшего улавливания света. В мембранах гран находится хлорофилл, благодаря ему происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза органических соединений, в первую очередь углеводов.

Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растения красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов.

Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества – крахмала. Особенно много лейкопластов в клетках клубней картофеля. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клетки картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют.

Клеточный центр. Состоит из двух цилиндров, центриолей, расположенных перпендикулярно друг другу. Функции: опора для нитей веретена деления.

Клеточные включения. Клеточные включения то появляются в цитоплазме, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки.

Клеточные включения

Плотные, в виде гранул включения содержат запасные питательные вещества (крахмал, белки, сахара, жиры) или продукты жизнедеятельности клетки, которые пока не могут быть удалены. Способностью синтезировать и накапливать запасные питательные вещества обладают все пластиды растительных клеток. В растительных клетках накопление запасных питательных веществ происходит в вакуолях.

Зерна, гранулы, капли. Функции: непостоянные образования, запасающие органические вещества и энергию

Ядро. Ядерная оболочка из двух мембран, ядерный сок, ядрышко. Функции: хранение наследственной информации в клетке и ее воспроизводство, синтез РНК – информационной, транспортной, рибосомальной. В ядерной мембране находятся споры, через них осуществляется активный обмен веществами между ядром и цитоплазмой. В ядре хранится наследственная информация не только о всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах, которые должны протекать к ней (например, синтез белка), но и о признаках организма в целом. Информация записана в молекулах ДНК, которые являются основной частью хромосом. В ядре присутствует ядрышко. Ядро, благодаря наличию в нем хромосом, содержащих наследственную информацию, выполняет функции центра, управляющего всей жизнедеятельностью и развитием клетки.

Основная функция клеточной мембраны заключается в регуляции переноса веществ в клетку и из клетки. Поскольку мембрана физически в какой-то мере похожа на масло, вещества, растворимые в масле или в органических растворителях, например эфир, легко проходят сквозь нее. То же относится и к таким газам, как кислород и диоксид углерода. В то же время мембрана практически непроницаема для большинства водорастворимых веществ, в частности для сахаров и солей. Благодаря этим свойствам она способна поддерживать внутри клетки химическую среду, отличающуюся от наружной.

Например, в крови концентрация ионов натрия высокая, а ионов калия – низкая, тогда как во внутриклеточной жидкости эти ионы присутствуют в обратном соотношении. Аналогичная ситуация характерна и для многих других химических соединений. Очевидно, что клетка тем не менее не может быть полностью изолирована от окружающей среды, так как должна получать вещества, необходимые для метаболизма, и избавляться от его конечных продуктов.

К тому же липидный бислой не является полностью непроницаемым даже для водорастворимых веществ, а пронизывающие его т.н. «каналообразующие» белки создают поры, или каналы, которые могут открываться и закрываться (в зависимости от изменения конформации белка) и в открытом состоянии проводят определенные иона (Na+, K+, Ca2+) по градиенту концентрации.

Следовательно, разница концентраций внутри клетки и снаружи не может поддерживаться исключительно за счет малой проницаемости мембраны. На самом деле в ней имеются белки, выполняющие функцию молекулярного «насоса»: они транспортируют некоторые вещества как внутрь клетки, так и из нее, работая против градиента концентрации. В результате, когда концентрация, например, аминокислот внутри клетки высокая, а снаружи низкая, аминокислоты могут тем не менее поступать из внешней среды во внутреннюю. Такой перенос называется активным транспортом, и на него затрачивается энергия, поставляемая метаболизмом. Мембранные насосы высокоспецифичны: каждый из них способен транспортировать либо только ионы определенного металла, либо аминокислоту, либо сахар.

Специфичны также и мембранные ионные каналы. Такая избирательная проницаемость физиологически очень важна, и ее отсутствие – первое свидетельство гибели клетки. Это легко проиллюстрировать на примере свеклы. Если живой корень свеклы погрузить в холодную воду, то он сохраняет свой пигмент; если же свеклу кипятить, то клетки погибают, становятся легко проницаемыми и теряют пигмент, который и окрашивает воду в красный цвет. Крупные молекулы типа белковых клетка может «заглатывать».

Под влиянием некоторых белков, если они присутствуют в жидкости, окружающей клетку, в клеточной мембране возникает впячивание, которое затем смыкается, образуя пузырек – небольшую вакуоль, содержащую воду и белковые молекулы; после этого мембрана вокруг вакуоли разрывается, и содержимое попадает внутрь клетки. Такой процесс называется пиноцитозом (буквально «питье клетки»), или эндоцитозом. Более крупные частички, например частички пищи, могут поглощаться аналогичным образом в ходе т.н. фагоцитоза. Как правило, вакуоль, образующаяся при фагоцитозе, крупнее, и пища переваривается ферментами лизосом внутри вакуоли до разрыва окружающей ее мембраны. Такой тип питания характерен для простейших, например для амеб, поедающих бактерий.

Однако способность к фагоцитозу свойственна и клеткам кишечника низших животных, и фагоцитам – одному из видов белых кровяных клеток (лейкоцитов) позвоночных. В последнем случае смысл этого процесса заключается не в питании самих фагоцитов, а в разрушении ими бактерий, вирусов и другого инородного материала, вредного для организма. Функции вакуолей могут быть и другими.

Например, простейшие, живущие в пресной воде, испытывают постоянный осмотический приток воды, так как концентрация солей внутри клетки гораздо выше, чем снаружи. Они способны выделять воду в специальную экскретирующую (сократительную) вакуоль, которая периодически выталкивает свое содержимое наружу. В растительных клетках часто имеется одна большая центральная вакуоль, занимающая почти всю клетку; цитоплазма при этом образует лишь очень тонкий слой между клеточной стенкой и вакуолью.

Одна из функций такой вакуоли – накопление воды, позволяющее клетке быстро увеличиваться в размерах. Эта способность особенно необходима в период, когда растительные ткани растут и образуют волокнистые структуры. В тканях в местах плотного соединения клеток их мембраны содержат многочисленные поры, образованные пронизывающими мембрану белками – т.н. коннексонами. Поры прилежащих клеток располагаются друг против друга, так что низкомолекулярные вещества могут перегодить из клетки в клетку – эта химическая система коммуникации координирует их жизнедеятельность. Один из примеров такой координации – наблюдаемое во многих тканях более или менее синхронное деление соседних клеток.

Заключение

В ходе работы мы выяснили, что клетка — структурно-функциональная элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов и вироидов, о которых нередко говорят, как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению (животные, растения и грибы), либо является одноклеточным организмом (многие простейшие и бактерии).

Цитоплазма на 80-90% состоит из воды, остальные — это молекулы и ионы различных органических и неорганических соединений. Цитоплазма похожа на густой кисель, где постоянно происходят химические реакции: одни вещества расщепляются, другие образуются. Цитоплазма постоянно движется, поэтому все время перемещаются и некоторые органеллы, в ней расположены.

Большинство химических реакций «распределенная» между органеллами клетки. В рибосомах происходит синтез белков. В результате химических превращений в аппарате Гольджи молекулы определенных веществ упаковываются в специальные пузырьки: именно с их помощью эти вещества выводятся из клетки. Аппарат Гольджи «производит» также и лизосомы. Эти органеллы необходимые клетке для расщепления органических молекул.

Как и у растений, у животных дыхания происходит при участии митохондрий. Именно в них проходят химические реакции, обеспечивающие клетку энергией. Один из реагентов в них — кислород, а продуктами этих реакций являются вода и углекислый газ, который выделяется из клетки.

Как и в растительной клетке, за осуществление программы жизнедеятельности животной клетки отвечает ядро. В нем хранятся длинные (до 1 мм) молекулы вещества, в которой закодирована «программа жизни» организма. Чтобы занимать меньше места, эти длинные молекулы сворачиваются несколько раз и образуют хромосомы. Когда клетка делится, хромосомы должны быть распределены между дочерними клетками так, чтобы каждая из них получила от материнской клетки целостную «программу жизни». Поэтому перед делением клетки число хромосом удваивается. За то, чтобы каждая дочерняя клетка получила при разделе полный набор хромосом, отвечает клеточный центр. Это единственная органеллы животной клетки, которая отсутствует в растительной клетке.

Список использованной литературы

1. Александровская О. Цитология, гистология и эмбриология [Текст] : [По спец. «Ветеринария»] / О. В. Александровская, Т. Н. Радостина, Н. А. Козлов, 2007. — 447,[1] с.
2. Бекиш Освальд-Ян Леонович Пособие по биологии для абитуриентов медицинских институтов [Текст] / О.-Я. Л. Бекиш, Н. С. Гурина, 1991. — 382 с.
3. Грин, Найджел. Биология [Текст] : В 3 т. Т.1, 1996. — 368 с.
4. Грин, Найджел. Биология [Текст] : В 3 т. Т.2, 1996. — 328 с.
5. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия / 2-е изд. — М.: Мир, 2004. — 469 с.
6. Реймерс Николай Федорович Основные биологические понятия и термины : Кн. для учителя / Николай Реймерс,, 2008. — 318,[1] с.
7. Уильямс, Вирджиния Р. Физическая химия для биологов [Текст] / Вирджиния Р. Уильямс, Хьюолен Б. Уильямс ; пер. с англ. : В. В. Борисов ; ред. : Я. М. Варшавский, 2006. — 600 с.