Строение клетки

Клеточная мембрана

Клеточная мембрана – это оболочка клетки, выполняющая следующие функции:

1.разделение содержимого клетки и внешней среды;

2.регуляция обмена веществ между клеткой и средой;

3.место протекания некоторых биохимических реакций (в том числе фотосинтеза, окислительного фосфорилирования);

4.объединение клеток в ткани.

Оболочки делятся на плазматические (клеточные мембраны) и наружние. Важнейшее свойство плазматической мембраны – полупроницаемость, то есть способность пропускать только определённые вещества. Через неё медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы, причём сами мембраны могут активно регулировать процесс диффузии.

Наружная цитоплазматическая мембрана Электронно-микроскопические исследования позволили установить, что любая клетка растительных и животных организмов, бактерий и простейших имеет очень тонкий внешний покров, называемый цитоплазматической мембраной, или плазмалеммой. Толщина ее около 7, 5 нм.

Среди многочисленных моделей мембран наиболее универсальной оказалась так называемая жидкостно - мозаичная модель, согласно которой мембрана состоит из двух слоев молекул липидов, в которые погружены глобулярные белки. Эти белки часто выступают из липидного слоя одной или обеих сторон мембраны. Двойной слой липидных молекул обращен друг к другу гидрофобными участками, а внешняя и внутренняя поверхности билипидного слоя образованы гидрофильными участками молекул.

Наружная часть мембраны называется гликокаликсом. В его состав входят белки мембран, углеводные части гликолипидов и гликопротеидов. Гликокаликс играет важную в рецепторной функции, обеспечивает "индивидуализацию" клетки - в его составе сосредоточены рецепторы тканевой несовместимости.

Наружная клеточная мембрана выполняет много важных биологических функций. Одна из них заключается в том, что мембрана регулирует постоянный обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Молекулы проходят через мембраны благодаря трем различным процессам: простой диффузии, облегченной диффузии и активному транспорту. Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не пропускают большинство растворенных в ней веществ. Такие мембраны называют полупроницаемыми или избирательно проницаемыми. Диффузию воды через полупроницаемые мембраны называют осмосом. Неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах, проникают через мембрану путем простой диффузии (в том числе и кислород). Это пример пассивного транспорта, направление которого определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Большинство веществ, которые необходимы клетке, полярны и переносится через мембрану с помощью погруженных в нее транспортных белков-переносчиков.

Р азличают две формы транспорта с помощью белков: облегченную диффузию и активный транспорт. Облегченная диффузия обусловлена градиентом концентрации (разностью концентраций), и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Ни простая, ни облегченная диффузия не способны идти против градиента концентрации. Это две разновидности пассивного транспорта веществ.

П еренос растворенных веществ против градиента концентраций требует затрат энергии и называется активным транспортом. Одна из наиболее изученных систем активного транспорта – натрий - калиевый насос. Большинство клеток животных поддерживает разные градиенты концентрации, ионов натрия и калия: - внутри клетки сохраняется низкая концентрация

и высокая ионов . Это необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, а также для активного транспорта других веществ, например, аминокислот и сахаров. Высокие концентрации ионов калия требуются также для белкового синтеза, фотосинтеза и других важных процессов.

Различные материалы могут транспортироваться через мембрану средством других активных процессов - эндоцитоза (транспорт в клетку) и экзоцитоза (транспорт из клетки). При эндоцитозе вещества попадают в клетку, в результате впячивания плазматической мембраны, затем образующийся при этом пузырьки с содержимым отщепляются от плазматической мембраны и переносятся в цитоплазму. Аналогично происходит и выделение веществ из клетки (экзоцитоз), только мембрана образует выпячивания.

Захват плотных частиц, таких, как бактерии, называют фагоцитозом. Многие одноклеточные организмы питаются таким способом (амеба). Поглощение растворенных веществ называют пиноцитозам. Пиноцитоз встречается как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Хотя фагоцитоз и пиноцитоз на первый взгляд отличаются от мембранных транспортных систем с участием молекул-переносчиков, они имеют ту же основу. Все эти механизмы зависят от способности мембраны "узнавать" определенные молекулы.

Поверхностные структуры клеток.

На поверхности клеток одноклеточных и многоклеточных организмов образуются разнообразные структуры, обеспечивающие соединение клеток друг с другом. Некоторые из этих структур формируются на поверхности эпителиальных клеток (эпителий кишечника, извитые канальцы почек и др.), это выросты цитоплазмы - микроворсинки. На свободной поверхности эпителиальной клетки насчитываются сотни и тысячи микроворсинок, увеличивающих во много раз клеточную поверхность и количество проходящих через мембрану веществ. Кроме того, микроворсинки содержат ряд ферментов, вероятно, "участвующих в переваривании веществ, подлежащих всасыванию.

В тканях и органах многоклеточных организмов клетки прочно соединены друг с другом. Клетки многих тканей соединены между собой за счет тончайших прослоек "цементирующего" вещества, содержащего белки, углеводы. Цитоплазматическая мембрана некоторых клеток имеет складчатую поверхность, которая обусловливает вхождение выступов одной клетки в углубления другой.

Исследования оболочек растительных клеток показало наличие в них мостиков, соединяющих соседние клетки. Эти мостики называют плазмодесмами. Установлено, что наличие плазмодесм обеспечивает свободную циркуляцию жидкости, необходимой для поддержания осмотического дав­ления (тургора), а также проникновение из клетки в клетку растворов крупных молекул.

Основное вещество цитоплазмы, называемое также гиалоплазмой, или матриксом, представляет собой полужидкую среду клетки, в которой располагаются ядро и все органоиды. Под электронным микроскопом вся гиалоплазма, располагающаяся между органоидами, имеет мелкозернистую структуру. В ее состав входят различные химические соединения, в том числе и ферменты, то свидетельствует о ее роли в биохимической деятельности клетки.

Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в том, что эта полужидкая среда объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их химическое взаимодействие друг с другом. Через гиалоплазму происходит диффузия различных веществ, растворенных в воде, которые поступают в клетку и выводятся из нее. Сюда же поступают твердые и жидкие частицы путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Эндоплазматическая сеть.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) была обнаружена в цитоплазме. Портер и Кальман предло­жили этой системе, расположенной внутри, т.е. в эндоплазме, название "эндоплазматическая сеть".

Э лектронно-микроскопические исследования показали, что ЭПС состоит из сложной системы канальцев, вакуолей и цистерн, ограниченных мембранами. Мембраны эндоплазматической сети имеют типичную трехслойную структуру. Каналы, вакуоли и цистерны, образуют ветвящуюся сеть, которая пронизывает всю цитоплазму клетки. Эндоплазматическая сеть неодинаково развита в разных клетках, что связано с функциями клеток. Наиболее развита ЭПС в клетках с высоким уровнем белкового обмена.

Различают две разновидности эндоплазматической сети: шероховатая, (гранулярная) и гладкая (агранулярная). Шероховатая ЭПС отличается тем что на наружной поверхности ее мембран располагаются мелкие гранулы, которые представляют собой рибосомы. Гладкая ЭПС не содержит рибосом. Эндоплазматическая сеть является органоидом, присущим почти всем клеткам животных и растений. Полностью эта система отсутствует только в зрелых эритроцитах, не имеющих ядра.

Наличие во всех клетках эндоплазматической сети показывает, что она выполняет важные функции. Гранулярная форма принимает участие в синтезе белка. Функции гладкой эндоплазматической сети связывают с липидным и углеводным синтезом клетки. Кроме того, она принимает участие в обезвреживании некоторых веществ, отрицательно влияющих на жизнедеятельность клетки. Обеим разновидностям ЭПС характерно первоначальное накопление синтезируемых продуктов и последующий транспорт их к различным участкам клетки, особенно к аппарату Гольджи.

Вакуоли

Вакуоли имеются главным образом в растительных клетках и клетках многих простейших. Обычно это округлые полости ограниченные тонкой оболочкой и наполненные жидкостью. Во время дифференцировки многих растительных клеток вакуоли сильно увеличиваю в размерах, часто сливаясь друг с другом , и образуют одну очень крупную вакуоль. Тонкая оболочка вакуолей представляет собой белково-липидную мембрану, которая позволяет не смешиваться содержимому цитоплазмы с вакуолярным соком и определяет осмотическое давление в клетке.

Сок вакуолей содержит различные минеральные и органические вещества (углеводы, белки, алкалоиды, дубильные вещества и др.). Здесь же могут накапливаться пигменты. Некоторые труднорастворимые соли образуют в вакуолях кристаллы солей щавелевой кислоты, карбоната кальция и др. Электронно-микроскопические исследования позволили установить связь между эндоплазматической сетью и вакуолями.

В пределах одной клетки вакуоли могут различаться по химическому составу вакуолярного сока, это свидетельствует об определенной специализации вакуолей. Вакуоли также являются запасниками некоторых веществ, они играют огромную роль и в поддержании осмотического давления.

Рибосомы.

Это сферические рибонуклеопротеидные частицы, не ограниченные мембраной, в состав которых входят белки и мо­лекулы РНК примерно в равных весовых соотношениях. Они могут располагаться свободно в цитоплазме или прикрепляться к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой. Конфигурация субъединиц весьма сложна. Малая субъединица изогнута в вида телефонной трубки, а большая напоминает ковш. В месте их контакта образуется узкая щель. Помимо цитоплазмы, рибосомы обнаружены также в клеточном ядре, митохондриях, пластидах.

В состав цитоплазматических рибосом и эукариотных клеток входят высокомолекулярная рибосомальная РНК и белок в соотношении почти 1:1. В каждой рибосоме находится по две (по одной на субъединицу), реже - три молекулы РНК. В целом в рибосомах находится 80-90% всей клеточной РНК. елки большой и малой субъединиц отличаются по аминокислотному составу и молекулярной массе.

Рибосомы - обязательный органоид любой клетки. Экспериментально было выяснено, что на рибосомах происходит синтез белков. Специальными биохимическими исследованиями было установлено, что наиболее активная роль в синтезе клеточных белков принадлежит рибосомам, связанным с мембранами эндоплазматической сети. Эти два органоида, тесно вязанные друг с другом, представляют единый аппарат синтеза (рибосомы) и транспорта (эндоплазматическая сеть) основной массы белка, вырабатываемой в клетке.

Основным местом формирования рибосом в клетке является ядрышко, образующиеся в нем рибосомы поступают затем в клеточную цитоплазму.

Аппарат Гольджи

А ппарат (комплекс) Гольджи обнаружен итальянским исследователем Камилло Гольджи в 1898 году в нервных клетках. Электронно-микроскопические исследования помогли установить ультраструктуру комплекса Гольджи. Она включает три основных, компонента:

1. Система плоских цистерн, ограниченных гладкими мембранами. Цистерны расположены пачками по 5-8 и плотно прилегают друг к другу.

2. Система трубочек, которые отходят от цистерн. Трубочки образуют довольно сложную сеть, окружающую и соединяющую цистерны.

3. Крупные и мелкие пузырьки, замыкающие концевые отделы трубочек. Мембраны всех трех компонентов имеют такое же трехслойное строение, как и наружная клеточная мембрана и мембраны эндоплазматической сети.

В состав мембран входит тот же белково-липидный комплекс, что и в мембранах других клеточных организмов. В элементах комплекса Гольджи обнаружены ферменты, в том числе и связанные с синтезом полисахаридов и липидов.

Структуры аппарата Гольджи накапливают готовые, или почти готовые продукты жизнедеятельности клетки. Этот органоид обладает способностью обособлять и накапливать ядовитые для клетки вещества, поступающие извне. Полипептиды, образующиеся на рибосомах, поступают в каналы эндоплазматической сети, а оттуда - в аппарат Гольджи, где происходит их "созревание". Комплекс Гольджи участвует также в синтезе структурных компонентов клетки типа коллагена - компонента соединительной ткани, играет определенную роль в синтезе желтка яйцеклеток, синтезе полисахаридов и липидов.