Органоиды клетки

Введение

Клетки являются основной формой организации живого вещества, которые лежат в основе строения и развития мира животных и растений. Все клетки характеризуются наличием обмена веществ, раздражимостью, ростом и размножением. Размер клеток довольно мал — от двух до двухсот микрон (один микрон составляет порядка 0,001 мм).
Клетки имеют разнообразную форму (они могут быть шарообразные, призматические, кубические, звездчатые и пр.) , которая обусловлена выполняемыми ими функциями и взаимосвязями с остальными клетками.
Понятие «клетка» впервые введено в 1665 г. английским естествоиспытателем Робертом Гуком, который издал книгу «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел посредством увеличительных стекол». В своих экспериментах Гук проводил наблюдения под микроскопом лишь клеточных стенок. Голландцем Антони ван Левенгуком неоднократно были проведены наблюдения в капле воды при 200-кратном увеличении одноклеточных организмов, в том числе и бактерий. В тридцатые годы прошлого века чешским ученым Ян Пуркине было установлено, что клетки имеют внутри полужидкое студенистое вещество называемое «протоплазмой». В 1931 году Робертом Броуном впервые было описано ядро клетки. Немецкий ботаник Маттиас Шлейден в 1837 г. пришел к выводу, что ядро представляет собой обязательный компонент во всех растительных клетках.
С тех пор проведено множество различных исследований клеточного строения и органеллы клетки изучены достаточно хорошо.
Таким образом, целью данной работы является изучение строения клетки и клеточных органелл.

1. Виды животных клеток

Клетка является химической системой, которая способна поддерживать свою структуру и размножаться. Клетки являются основными единицами жизни. Все живые существа являются клетками или состоят из клеток.

Рис.1. Различные типы клеток

Внутренним содержимым клеток является цитоплазма. Цитоплазма изолирована от окружающей среды с помощью мембраны. Существует две принципиально разные формы клеток:
Прокариотические клетки - относительно простые клетки - отличаются отсутствием ядерной мембраны и многих органелл - бактерии и их родственники все прокариоты (Рис.2.).

Рис.2. Прокариотическая клетка

Эукариотические клетки - более сложные клетки - у них есть ядро и многие органеллы - это все клетки растений, животных, грибов и простейших (Рис.3). Все живые организмы, за исключением вирусов, бактерий и сине-зеленых водорослей - эукариоты (растения, грибы, животные).

Рис.3. Эукариотическая клетка

Большинство клеток очень малы:
Прокариотическая клетка: 1-10 мкм
Эукариотическая: 10 - 100 мкм (1 мкм = 0,001 мм)
Масштаб клеток представлен на рис.4.

Рис.4. Масштабы клетки
Масштаб органелл, макромолекул и атомов представлен на рисунке 5.

Рис.5. Масштаб органелл, макромолекул и атомов

Почему же клетки столь малы? С увеличением размера клетки увеличивается ее объем, причем гораздо быстрее, чем площадь поверхности.
Клетки получают через поверхностную плазматическую мембрану питательные вещества, обмениваются информацией и избавляются от отходов. По мере увеличения размера клеток, способность клеток к обмену с окружающей средой становится ограниченной площадью мембраны, что доступна для замены (Рис.6) [3].

Рис.6. Увеличение размера клетки

Роберт Гук в 1665 году с использованием раннего микроскопа рассматривал пробку и увидел много повторяющихся коробчатых структур и назвал их "Клетки". То, что он увидел, было ячейками, содержащими внутреннюю среду клетки. С то поры первых наблюдений Гука информация которую мы знаем о клетках значительно увеличилась.
Рассмотрим основные постулаты клеточной теории:
Клетки являются основной единицей жизни - жизнь не бывает меньше, чем клетка.
Все организмы построены из клеток.
Все клетки возникают из предшествующих клеток. Клетки содержат информацию, необходимую для их собственного воспроизводства. Нет новых клеток, происходящих спонтанно на земле.
Клетки являются функциональными единицами жизни. Все биохимические процессы осуществляются в клетках.
Группы клеток могут быть организованы и функционируют как многоклеточные микроорганизмы
Клетки многоклеточных организмов могут специализироваться на определенной функции для выполнения подпроцессов многоклеточных организмов [1].

2. Структура клетки прокариота

Клетки прокариоты являются небольшими, состоящими из с плазматической мембраны в окружении жесткой клеточной стенки. Многие клеточные стенки выполнены из углеводов, соединенных с полипептидами. Клеточные стенки могут быть покрыты капсулой из полисахаридов, могут вовсе не иметь мембраны или иметь ее в небольших количествах. Клетки являются закрытыми пространствами, в которых в цитоплазме нет ядра, а ДНК не находятся в нуклеотиде они являются круговыми и голыми (не имеет белка связанного с ними) (Рис. 7).

Рис. 7. Строение клетки бактерии

Бактерии часто имеют жгутики с ядром из белка флагеллина, которые они могут использовать для перемещения в вращающимся движением, как роторные двигатели жгутики прокариот получают питание от потока протонов через ячейку мембраны. Вращающиеся структуры редки в природе (Рис. 8) [2].

Рис.8. Строение бактерии

Мембранные ячейки позволяют клеточным функциям, разделяться и быть изолированными от других функций.
Прокариоты не имеют мембранных ячеек в своей цитоплазме. Некоторые прокариоты являются фотосинтезирующими. Биохимические структуры для улавливания энергии света содержатся в сильно свернутой, плазматической мембране.

3. Структура клетки эукариота

Клетки эукариоты намного больше прокариотов, с типичной плазматической мембраной - некоторые с клеточными стенками.
Клеточную оболочку во всех эукариотических клетках составляют две структуры: ƒ
1. Надмембранная полисахаридная структура (гликокаликс у животных клеток и целлюлоза у растительных); ƒ
2. Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма), в составе которой находится двойной слой липидов и белковые молекулы.
Гликокаликс животных клеток имеет толщину порядка 10-20 нм. Углеводы форимруют комплексы вместе с белками мембран (гликопротеидами), а так же с липидами (липопротеидами). Выступающие разветвляющиеся части гликокаликса формируют: ƒ индивидуальные особенности клеток; ƒее связь с окружающим миром; ƒ иммунологическую индивидуальность клеток (когда они выступают в роли антигенов); ƒ объединение клеток при формировании тканей.
3.1. Плазматические мембраны

Каждая животная клетка заключена в плазматическую мембрану, которая имеет структуру из двойного липидного слоя со многими типами больших молекул, встроенных в него. Поскольку она сделана из липидных молекул, плазматическая мембрана по своей природе имеет высокое электрическое сопротивление и обладает низкой характеристической проницаемостью к ионам. Тем не менее, некоторые из молекул, внедренных в оболочку, способны либо к активной транспортировке ионов с одной стороны мембраны на другую, либо обеспечивают каналы, через которые ионы могут двигаться. [7]
По электрической терминологии, в плазматическая мембрана функционирует как сочетание резистора и конденсатора. Сопротивление возникает из-за того, что мембрана препятствует движению зарядов через нее. Емкость возникает из-за того, что двойной липидный слой настолько тонок, что накопление заряженных частиц, с одной стороны приводит к электрической силе, которая тянет противоположно заряженные частицы к другой стороне

. Емкость мембраны относительно устойчива к воздействию молекул, внедренных в нее, поэтому она имеет значение более или менее инвариантное оценкам, составляющее около 2 мкФ / см2 (общая емкость мембраны пропорциональна ее площади). Проводимость чистого двойного липидного слоя настолько низка, с другой стороны, что в биологических условиях она всегда доминируют над проводимостью альтернативных путей, предусмотренных встроенными молекулами. Таким образом, емкость мембраны является более или менее фиксированной, но сопротивление сильно варьирует [4].
Толщина плазматической мембраны, по оценкам составляет, около 7-8 нм. Потому что мембрана настолько тонкая, она не имеет очень большого трансмембранного напряжения создающего внутри сильное электрическое поле. Типичные потенциалы мембраны в клетках животных являются порядка 100 мВ (то есть, составляют одну десятую вольта), но расчеты показывают, что это порождает электрическое поле, близкое к максимальному, которое мембрана может выдержать. Было подсчитано, что напряжение больше, чем 200 мВ может привести к пробою диэлектрика, то есть образованию электрической дуги через мембрану.

Рис.9. Клеточная мембрана

Клеточная мембрана, называемая также плазматической мембраной или плазмалеммой, является полупроницаемым двойным липидным слоем общим для всех живых клеток. Он содержит множество биологических молекул, в первую очередь белков и липидов, которые участвуют в огромном количестве клеточных процессов.

3.2. Клеточные органеллы

Многие прокариотические клетки имеют структуры окруженные мембранами:
Ядро,
Эндоплазматическая сеть,
Комплекс Гольджи,
Митохондрии,
Хлоропласты,
Лизосомы,
Вакуоли,
Везикулы
Цитоплазма
Цитоскелет из канальцев и волокон
Клеточная стенка содержатся в клетках растений (целлюлоза), грибов (хитин), и некоторыех простейших.
На рисунке 10 представлено строение животной и растительной клетки соответственно [5].

Рис.10. Строение животной и растительной клетки

Рассмотрим более подробно клеточные органеллы.

3.2.1. Ядро клетки

Ядро (Nucleus) - крупнейшая и самая главная структура клетки, управляющая клеточной активностью. Оно содержит ядрышко - затемненный регион (Nucleolus), в котором находятся хромосомы, состоящие из ДНК, закрученных вокруг белков (Рис.11).

Рис.11. Строение ядра

Рис.12. Хромосомы в ядре клетки

Ядро окружено ядерной оболочкой (Nuclear envelope) - двойной мембраной (Рис.13).
Ядерная мембрана имеет ядерные поры (Nuclear pore), которые контролируют вход и выход продуктов жизнедеятельности (Рис.13).

Рис.13. Ядерная оболочка и поры

Хромосомы - "цветные тела", состоящие из ДНК и белка - рассматриваются как хромосомы, когда готовятся к делению (Рис.9). В других случаях ДНК и белки нитевидные. Наиболее распространенными белками являются гистоны (histone). ДНК наматывается вокруг гистонов регулярной спиалью, которая производит структуры, называемые нуклеосомами (Nucleosome).

3.2.2. Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (Endoplasmatic Reticulum) - представлена в виде ленты, состоящей из мембран и располагается в цитоплазме в виде уплощенных листов, мешочков, труб. Она создает много мембранных замкнутых пространств и распространяется по всей цитоплазме - имеет связь с внешней мембраной, ядром и плазматической мембраной
Функции эндоплазматической сети:
Циркуляция и транспорт питательных веществ
Хранение белков и минералов
Синтез липидов, углеводов, и белков
Сеть имеет большую площадь поверхности для действия ферментов (Рис.14).


Рис.14. Эндоплазматическая сеть

Существует два типа эндоплазматической сети (Рис.14) - шероховатая и гладкая. Шероховатая эндоплазматическая сеть усеяна рибосомами, являющимися местом синтеза многих белков. Все рибосомы на шероховатой эндоплазматической сети активно участвуют в синтезе белка. Гладкая эндоплазматическая сеть - место для синтеза стероидов и других липидов. Она осуществляет функцию хранения Ca ++ в мышцах, детоксикации наркотиков, токсинов, спирта (особенно в печени). Ее весьма запутанная поверхность обеспечивает большую площадь для ферментативной активности.

3.2.3. Рибосомы

Рибосомы - структуры, синтезирующие белки. Рибосомы являются немембранными самыми мелкими клеточными органеллами, при этом они едва одни из самых сложных. В клетке E. сoli находится порядка 103 - 5х103 рибосом. Рибосомы являются мелкими сферическими органоидами с размерами от 15 до 35 нм, которые состоят из двух неравных по размеру субъединиц, содержащих примерно одинаковое количество белка и РНК. Субъединицы рибосом синтезированы в ядрышке клеток и через поры ядерной мембраны проникают в цитоплазму, в которой размещаются или на мембранах эндоплазматичекой сети, или свободно. Во время синтеза белков они могут группироваться на информационной РНК в полисомы числом от 5 до 70, где отдельные рибосомы связываются друг с другом нитевидными молекулами и-РНК. Рибосомы присутствуют в клетках всех видов и непосредственно принимают участиет в сборке молекул белка.
Известно четыре типа рибосом: прокариотические (70S), эукариотические (80S), рибосомы митохондрий (55S – у животных, 75S – у грибов); рибосомы хлоропластов (70S у высших растений).
Состоят из двух субъединиц - большой (Large subunit) и маленькой (Small subunit) - каждая сделана из белка и рибосомальной РНК (рРНК) (Рис.15).

Рис.15. Рибосомы

Субъединицы взаимодействуют при синтезе белка.
Синтез белка происходит на рибосомах, когда они свободно плавают в цитоплазме и на рибосомах прикреплены к эндоплазматической сети. рРНК синтезируется в ядрышке.

3.2.4. Комплекс Гольджи

Комплекс Гольджи имеет название от имени открывшего его в 1898 г. итальянского ученого К. Гольджи, он находится во всех эукариотических клетках. В комплекс Гольджи идут синтезированные на мембране эндоплазматической сети белки и липиды. Данные соединения, вместе с синтезируемыми в комплексе полисахаридами объединяются в гранулы и далее или применяются внутри самой клетки, или выводятся за ее пределы. Комплекс Гольджи является важнейшей мембранной органеллой, управляющей процессами внутриклеточного транспорта. Основные функции комплекса Гольджи - это изменение, накопление, сортировка и формирование направления разных веществ в соответствующие внутриклеточные структуры, а также за пределы клеток. Комплекс Гольджи включает в себя набор окруженных мембраной уплощенных цистерн, которые напоминают тарелки. Каждая стопка Гольджи (у растений называемые дактиосомами ) обычно включает от четырех до шести цистерн, которые имеют, обычно, диаметр около 1 мкм. Число стопок Гольджи в клетках сильно зависит от их типа: некоторые клетки включают одну большую стопку, а другие - сотни очень маленьких. Со стопками Гольджи всегда связано множество мелких (диаметром около 60 нм) ограниченных мембраной пузырьков. Эти пузырьки (пузырьки Гольджи) занимаются переносом белков и липидов в аппарат Гольджи, а так же транспортировкой их из него и между остальными цистернами.
Комплекс Гольджи представляет собой объединение мембран, связанных с эндоплазматической сетью. Он состоит из флаттеновых мешочков, накапливающих и упаковывающих белки, синтезированные в эндоплазматической сети (Рис.16).

Рис.16