План урока:

Мембрана клетки

Ядро и наследственная информация

Митохондрии и энергия

Шероховатая эндоплазматическая сеть и синтез белка

Гладкая эндоплазматическая сеть

Комплекс Гольджи

Эндосомы, лизосомы и внутриклеточное переваривание

Цитоплазма и цитоскелет

Включения в цитоплазме

Впервые клетку увидел Роберт Гук ещё в XVII веке. Считалось, что эта частица, наполненная жидкостью, нужна лишь для заполнения ткани веществом.

Лишь в середине XIX века Рудольф Вирхов ввёл принцип «клетка происходит только из клетки». Стало ясно, что жизнь не самозарождается, а развивается и продолжается согласно строгим биологическим законам. И ведущую роль в этом играет деление клетки. В конце XIX века были открыты органеллы – компоненты клетки, которые выполняют определённые функции подобно органам в целом организме.

Клетка – это основа строения и функции любой ткани. Знания о том, как она устроена и работает, позволяют понять, как живёт и болеет организм.Тело человека состоит из нескольких триллионов клеток, которые подразделяют на несколько десятков типов. Но почти все они имеют общие черты строения.

Мембрана клетки

Синонимы: плазмолемма, цитолемма, плазматическая мембрана.

Роль липидов в клеточной мембране

Основа строения мембраны клетки – это липидный бислой (его также называют билипидный слой). Приставка «би» означает «два», «двойной», «липид» означает «жир». То есть это структура, состоящая из двойной слоя липидов (жиров).

В основном бислой образуют фосфолипиды – молекулы жиров, в которые встроена молекула фосфорной кислоты. Фосфолипид состоит из фосфорной головки и липидного хвостика. Липидный хвостик избегает контакта с водой, фосфорная головка «стремится» к молекулам воды.

В водной среде фосфолипидные молекулы ориентируются так, что образуется двойной слой с головками снаружи и хвостиками внутри.

При температуре тела 34 - 40°C молекулы внутри мембраны постоянно перемещаются. Такая текучесть создаётся благодаря липидам, в том числе холестерину (холестеролу).

Роль белков в клеточной мембране

Более половины массы мембраны приходится на белковые молекулы – протеины. Одни белки проходят липидный бислой насквозь, другие белки находятся лишь на поверхности бислоя. Белки, которые пронзают липидный бислой, создают в нём каналы. Благодаря им клетка не просто так, а очень избирательно обменивается молекулами с окружающей средой. Поэтому в клетку проходят только нужные молекулы.

Белки выполняют разные функции в клетке.

• Белки-ферменты участвуют в биохимических реакциях – превращения одних веществ в другие. Большинство биохимических реакций организма без ферментов остановятся.
• Белковые рецепторы находятся снаружи мембраны. Рецепторы – это молекулы для связи с определёнными внешними молекулами, например, гормонами. Гормоны связываются с рецепторами и управляют жизнью клетки. Например, гормон инсулин связывается с рецептором клетки и только после этого в клетку может войти глюкоза. Другими словами, инсулин – это ключ, инсулиновый рецептор – замок, который открывает двери для глюкозы. Хотя это правило работает не во всех тканях.
• Белки-переносчики транспортируют молекулы в клетки.

Роль углеводных молекул

Углеводные молекулы встроены в состав некоторых жиров (гликолипидов) и белков (гликопротеинов). Они придают поверхности клетки отрицательный заряд. Благодаря этому, например, эритроциты отталкиваются друг от друга и не склеиваются.

Углеводы образуют особый слой на поверхности клетки – гликокаликс. Благодаря ему клетки распознают друг друга. В гликокаликсе есть ферменты для переваривания различных молекул. Например, гликокаликс клеток тонкой кишки содержит ферменты для переваривания пищи.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Крупные молекулы не могут пройти через мембрану, поэтому клетка поглощает их другим способом – эндоцитозом. Плазмолемма охватывает молекулу, закрывает её в мембранный пузырёк и продвигает пузырёк дальше в клетку. Эндоцитоз – это оружие некоторых клеток иммунной системы (нейтрофилов и макрофагов). Они захватывают и уничтожают целые микроорганизмы. В таком случае эндоцитоз называют фагоцитозом.

Эндоцитоз

Если клетке нужно избавиться от непереваренных или вредных веществ, она использует экзоцитоз. Лишние молекулы упаковываются в пузырёк, он перемещается к клеточной мембране, встраивается в неё и выбрасывает содержимое наружу.

Экзоцитоз

Таким образом мембрана клетки не только защищает клетку, но и выполняет другие функции:

• распознаёт различные молекулы, которые меняют жизнедеятельность клетки, например, гормоны;
• распознаёт соседние клетки;
• определяет, какие вещества будут поступать в клетку.

Ядро и наследственная информация

Основная функция ядра клетки – хранение и передача наследственной (генетической) информации обо всех белках организма. Один из видов белков – ферменты, отвечают за биохимические реакции. Поэтому можно сказать, что в ядре запрограмированы все процессы организма.

Наследственная информация содержится в 46 хромосомах. Одна хромосома образована молекулой ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) примерно 5 см длиной. Такая огромная ДНК умещается внутри ядра благодаря плотной упаковке. Она как бы намотана на специальные белки, которые называются гистоновыми белками. Комплекс белков и ДНК также называется хроматином. Другими словами, хроматин – это генетический материал, который виден в световой микроскоп.

В ядре выделяют ядерную оболочку (кариолемму), хроматин, ядрышко, ядерный сок (кариоплазму).

Наследственная информация дополнительно защищена мощной оболочкой. Оболочка ядра клетки состоит из двух слоёв – внутренней мембраны и внешней мембраны. В ядерной оболочке есть поры, через которые ядро обменивается с цитоплазмой различными молекулами. Чем активнее работает клетка, тем интенсивнее идёт обмен. А значит ядерных пор всё больше, они даже могут занимать треть площади оболочки.

Если рассматривать клетки в световой микроскоп, то у активных клеток ясно видно светлое пятно в ядре. Это ядрышко – участки хромосом, в которых синтезируется рибосомальная РНК (рибонуклеиновая кислота, рРНК).рРНК– это основная молекула рибосом. Рибосомы – это органеллы, которые синтезируют белок.

Митохондрии и энергия

В строении митохондрии есть общие с клеткой черты, например, свои ДНК и рибосомы. Дело в том, что когда-то митохондрия была самостоятельным организмом, бактерией, поселившейся в клетке. Со временем она стала незаменимой энергетической станцией для клетки.

Стенка митохондрии состоит из внешней и внутренней мембран. Внутренняя мембрана образует складки – кристы. На внутренней мембране митохондрий происходит сложный процесс запасания энергии в виде фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Молекулы АТФ – это маленькие батарейки. Если для какого-то действия нужна энергия, происходит разрыв связей между остатками фосфорной кислоты и выделяется энергия.

Шероховатая эндоплазматическая сеть и синтез белка

Шероховатую эндоплазматическую сеть (шЭПС) также называют гранулярной ЭПС. Это место синтеза белка, любого, какой понадобится клетке. На наружной поверхности шЭПС находится много рибосом, которые синтезируют белковые молекулы.

Строение шероховатой эндоплазматической сети

В ДНК закодирована информация о строении всех белков организма. Участок, несущий информацию о строении белка, называется «ген». Белки – это молекулы, состоящие из нескольких аминокислот. Для того, чтобы создать любой белок, клетка должна «прочитать» ген и собрать цепочку из нужных аминокислот.

Для чтения и сборки существуют молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) – информационная РНК (иРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомальная РНК (рРНК). иРНК – это копия гена, тРНК – это переносчик аминокислот, рРНК – это основа рибосомы.

Сначала на основе гена строится молекула информационной РНК – иРНК. Затем иРНК через ядерные поры выходит из ядра. На неё садятся рибосомы – органеллы, состоящие из рРНК. Пока иРНК проходит сквозь рибосому, к ней подходят тРНК с нужными аминокислотами. В рибосоме происходит сборка молекулы белка

Гладкая эндоплазматическая сеть (глЭПС)

Гладкая (агранулярная) эндоплазматическая сеть состоит из канальцев, трубочек и пузырьков. В глЭПС происходят важные для клетки события:

• Синтезируются липиды, в том числе холестерин. Холестерин не только влияет на текучесть мембраны клетки. На его основе синтезируются стероидные гормоны: гормоны надпочечников (кортизол), половые гормоны (эстрогены, тестостерон).
• Образуется гликоген – запас глюкозы, который обеспечивает потребность организма в энергии.
• Обезвреживаются ядовитые вещества.
• Накапливается кальций, необходимый для работы некоторых клеток. Например, глЭПС очень развита в мышечных клетках, где кальций нужен для работы мышц.

Комплекс Гольджи

Комплекс Гольджи состоит из стопки цистерн (плоских мешочков) и пузырьков. Одна из интересных функций комплекса Гольджи - редактирование уже синтезированных молекул. Например, рибосома собрала только цепочку белковой молекулы, а в комплексе Гольджи к белковой молекуле присоединяется молекула углевода, так создаются молекулы для гликокаликса. Некоторые белки устроены очень сложно: в белковую молекулу может быть встроена молекула жира или углевода.

Если клетка синтезирует гормоны, то их надо сначала упаковать в оболочку, а потом уже выделить в кровоток для других клеток. Упаковкой тоже занимается комплекс Гольджи. Также в нём синтезируются углеводные молекулы.

Молекулы, которые будет редактировать комплекс Гольджи поступают в него в виде пузырьков. Молекулы, которые комплекс Гольджи отдаёт клетке тоже отделяются от него в форме пузырьков (вакуолей).

Эндосомы, лизосомы и внутриклеточное переваривание

Эндосома – это мембранный пузырёк, который переносит молекулы с поверхности клетки в лизосомы и по пути частично их разрушает (переваривает). Лизосомы переваривают молекулы в клетке дальше. За переваривание отвечают ферменты, которых в лизосоме очень много.

С помощью эндосом и лизосом клетки иммунной системы (нейтрофилы, макрофаги) поглощают и уничтожают микроорганизмы. Есть и такой интересный пример. В костях одновременно происходит разрушение и создание костной ткани, то есть кости постоянно перестраиваются. Образуют костную ткань клетки остеобласты, а разрушают её клетки остеокласты. Для того, чтобы разрушить костную ткань, остеокласты выбрасывают наружу содержимое своих лизосом, которое «растворяет» вещество костной ткани.

Клетка иммунной системы нейтрофил захватывает бактерию и уничтожает её с помощью ферментов, которые содержатся в лизосомах

Остеокласт разрушает костную ткань, выбрасывая ферменты лизосом за пределы клетки. Для этого процесса нужна энергия молекул АТФ, о которой говорили выше.

Цитоплазма и цитоскелет

Цитоплазма – это жидкая среда, которая заполняет собой клетку. В ней находятся органеллы, необходимые химические вещества, протекают биохимические реакции.

Цитоскелет клетки состоит из двух основных структур – белковых микротрубочек и белковых нитей. Само название «цитоскелет» подсказывает, что это опорный каркас клетки, но на самом деле этим его значение не исчерпывается.

Микротрубочка

Микротрубочки перемещают вещества по отросткам нервных клеток (нейронов)

Из микротрубочек состоит клеточный центр, который участвует в делении клетки

На некоторых клетках есть выросты цитоплазмы с каркасом из микротрубочек. Это реснички и жгутики. В человеческом организме жгутик есть только у сперматозоида. Реснички выстилают дыхательные пути. Когда реснички движутся, они выталкивают слизь с налипшими микробами и частицами пыли. Таким образом дыхательная система освобождается от возбудителей инфекционных заболеваний и вредных веществ.

Реснички на клетках, выстилающих полость носа с прилипшими частицами. Изображение получено с помощью электронного микроскопа

Микрофиламенты – это тонкие белковые нити. Они участвуют в эндоцитозе и экзоцитозе, перемещении органелл и самой клетки. Также они образуют соединения между клетками.

Есть клетки, у которых выросты цитоплазмы укреплены микрофиламентами. Такие выросты увеличивают площадь поверхности клетки и называются микроворсинками. Например, это важно для клеток тонкой кишки, где переваривается и всасывается огромное количество питательных веществ.

Промежуточные филаменты – это прочные канаты, сплетённые из белковых молекул. Из них построен трёхмерный каркас для клетки. Также они образуют соединения между клетками, так из клеток получается своеобразное полотно – ткань.

Если клетка повреждается, то сеть промежуточных филаментов окружает ядро и связывает повреждённые органеллы. После этого повреждённые структуры будут уничтожены. По мере восстановления клетки сеть промежуточных филаментов расправляется и снова занимает всю цитоплазму.

Основные функции цитоскелета:

• Создаёт каркас для клетки, ведь клетка похожа на полость с жидкостью или гелем;
• помогает клетке двигаться, что особенно важно для иммунной системы;
• перемещает вещества внутри клетки;
• транспортирует вещества в клетку и через неё, например, способом эндоцитоза и экзоцитоза;
• образует соединения между клетками, благодаря этому клетки составляют целые пласты – основу структуры тканей.

Включения в цитоплазме

Включения цитоплазмы – это вещества, которые появляются в клетке время от времени. Некоторые примеры включений:

• жиры в виде капель, которые расходуются для синтеза холестерола, половых гормонов, гормонов надпочечников на другие нужды;
• гликоген – запас глюкозы для питания клеток;
• пигмент меланин, который синтезируется в особых клетках меланоцитах; он защищает кожу от ультрафиолетовых лучей.

Меланоцит с гранулами меланина. Меланин определяет цвет кожи, волос, глаз