Строение клетки

Цитология — наука о клетке. Клетка — наименьшая структурная и функциональная единица живого: ни одна структура меньше клетки не может жить самостоятельно (вирусы тоже размножаются только внутри клеток). В клетке идут обмен веществ, синтез белка, образование энергии и хранение наследственной информации, поэтому цитология — основа генетики, физиологии и биотехнологии. На экзамене много вопросов о клеточной теории, строении и функциях органоидов, прохождении веществ через мембрану и сравнении клеток разных царств.

§1. Клеточная теория и методы изучения

• Р. Гук (1665), рассматривая срез пробки в усовершенствованный им микроскоп, ввёл термин «клетка» (cell).
• А. Левенгук (XVII век) впервые увидел одноклеточные организмы, бактерии и эритроциты.
• Р. Броун (1831) описал ядро в растительной клетке.
• М. Шлейден (растения, 1838) и Т. Шванн (животные, 1839) создали клеточную теорию: все организмы состоят из клеток.
• Р. Вирхов (1858): «Всякая клетка происходит от клетки».

Методы изучения: световой микроскоп (видны ядро, хлоропласты, вакуоли), электронный микроскоп (внутреннее строение органоидов — кристы, рибосомы, мембраны), центрифугирование (разделение органоидов), метод меченых атомов.

§2. Плазматическая мембрана и транспорт веществ

Плазматическая мембрана — тонкая оболочка, отделяющая клетку от внешней среды. Строение (жидкостно-мозаичная модель): двойной слой фосфолипидов, в который погружены и на поверхности которого лежат белки; у животной клетки снаружи есть углеводный слой — гликокаликс.
Функции: граница и защита, избирательная проницаемость, восприятие сигналов (рецепторы), связь с соседними клетками.

Способы прохождения веществ:

• пассивный транспорт (без затрат энергии): диффузия — из области большей концентрации в область меньшей (O₂, CO₂); осмос — переход воды через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный; облегчённая диффузия через белки-каналы;
• активный транспорт — против разности концентраций, с затратой АТФ (например, натрий-калиевый насос);
• эндоцитоз: фагоцитоз — захват твёрдых частиц, пиноцитоз — поглощение капель жидкости; экзоцитоз — выведение веществ наружу в пузырьках.

Если растительную клетку поместить в концентрированный раствор соли, вода выходит из вакуоли и цитоплазма отходит от стенки — плазмолиз; при возвращении в чистую воду клетка поглощает воду и восстанавливается — деплазмолиз. Давление содержимого на клеточную стенку изнутри — тургор — обеспечивает упругость растений.

§3. Ядро и одномембранные органоиды

• Ядро окружено двумембранной оболочкой с порами (обмен веществ между ядром и цитоплазмой). Внутри — ядерный сок, хроматин (ДНК + белок; при делении превращается в хромосомы) и одно или несколько ядрышек (синтез р-РНК и сборка субъединиц рибосом). Ядро хранит наследственную информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.
• ЭПС (эндоплазматическая сеть) — система мембранных каналов и полостей: гранулярная ЭПС (с рибосомами на поверхности) — синтез и транспорт белков; гладкая ЭПС — синтез липидов и углеводов, обезвреживание вредных веществ.
• Комплекс Гольджи — стопка плоских цистерн: накапливает, изменяет, «упаковывает» поступающие из ЭПС вещества и выводит их из клетки; образует лизосомы; у растений синтезирует вещества клеточной стенки.
• Лизосомы — пузырьки с гидролитическими ферментами: внутриклеточное пищеварение, расщепление старых органоидов.
• Вакуоли — у растительной клетки одна крупная центральная вакуоль с клеточным соком (соли, сахара, пигменты); обеспечивает тургор. У животных мелкие пищеварительные и сократительные вакуоли.

§4. Двумембранные и немембранные органоиды

Митохондрии — двумембранные: наружная мембрана гладкая, внутренняя образует складки — кристы; внутреннее содержимое — матрикс. Здесь органические вещества окисляются при участии кислорода и синтезируется АТФ — «энергетическая станция клетки». В активных клетках (мышцы, печень) митохондрий много.

Пластиды (только у растений) — двумембранные:

• хлоропласты — зелёные, с хлорофиллом; внутри тилакоиды образуют граны; органоид фотосинтеза;
• хромопласты — с жёлтыми, оранжевыми, красными пигментами (каротиноиды): лепестки, зрелые плоды, осенние листья;
• лейкопласты — бесцветные, накапливают запасные вещества, в основном крахмал (клубень картофеля).

Пластиды могут превращаться друг в друга: лейкопласт на свету — в хлоропласт (позеленение картофеля), хлоропласт — в хромопласт (покраснение томата).

В митохондриях и пластидах есть собственная кольцевая ДНК и рибосомы 70S — это полуавтономные органоиды.

Немембранные органоиды:

• рибосомы — из большой и малой субъединиц; синтез белка; в цитоплазме эукариот 80S, у прокариот, в митохондриях и пластидах 70S;
• клеточный центр — две центриоли; в животной клетке образует веретено деления (у высших растений обычно отсутствует);
• цитоскелет — микротрубочки и микрофиламенты: поддерживает форму клетки, перемещает органоиды;
• реснички и жгутики — органоиды движения.

§5. Сравнение разных клеток

Общее для всех клеток: плазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, наследственный материал — ДНК.

§6. Симбиогенез и целостность клетки

Наличие у митохондрий и хлоропластов собственной ДНК, рибосом 70S, двух мембран и способности делиться объясняет теория симбиогенеза: древние свободноживущие аэробные бактерии и фотосинтезирующие цианобактерии проникли в крупную клетку, стали жить с ней в симбиозе и постепенно превратились в органоиды.

Клетка — целостная система: органоиды работают взаимосвязанно. Например, белок синтезируется на рибосоме по информации ДНК ядра, по гранулярной ЭПС идёт в комплекс Гольджи, там упаковывается и выводится из клетки; энергию для этого дают митохондрии.

Пример

Какие органоиды имеют собственную ДНК и о чём это говорит?

1. В митохондриях и хлоропластах есть кольцевая ДНК и рибосомы 70S.
2. Эти признаки делают их похожими на прокариот.
3. Теория симбиогенеза: древние свободноживущие бактерии проникли в эукариотическую клетку и стали органоидами.
4. Ответ: митохондрии и пластиды — полуавтономные органоиды.

Пример

Определите организмы, у которых клеточная стенка из муреина (а), целлюлозы (б) и хитина (в): носток, шампиньон, хлопчатник.

1. Муреин — у бактерий и цианобактерий: носток → а.
2. Целлюлоза — у растений: хлопчатник → б.
3. Хитин — у грибов: шампиньон → в.
4. Ответ: носток — а, хлопчатник — б, шампиньон — в.

Пример

Клетки кожицы лука поместили в 10%-й раствор поваренной соли. Что видно в микроскоп и почему?

1. Концентрация внешнего раствора выше, чем клеточного сока.
2. По законам осмоса вода выходит из клетки в более концентрированный внешний раствор.
3. Вакуоль уменьшается, цитоплазма отходит от клеточной стенки.
4. Ответ: наблюдается плазмолиз; если вернуть клетку в чистую воду, произойдёт деплазмолиз.

Проверьте себя

1. Кому принадлежит мысль «всякая клетка от клетки»?

2. В каком органоиде есть кристы?

3. В каких пластидах накапливается крахмал в клубне картофеля?

4. В каком органоиде образуются лизосомы?

5. Какие рибосомы у прокариот?

6. Чем фагоцитоз отличается от пиноцитоза?

7. Как называется транспорт против разности концентраций с затратой АТФ?

8. Какие пластиды образуются при покраснении томата?

Типичные ошибки

• Считать рибосому мембранным органоидом — она немембранная.
• Думать, что стенка грибов из целлюлозы, — она из хитина.
• Писать, что центриоли характерны для клеток высших растений, — они характерны для животных клеток.
• Путать функции гранулярной и гладкой ЭПС.
• Называть автором клеточной теории Гука — теорию создали Шлейден и Шванн.
• Писать, что при осмосе вода идёт из концентрированного раствора в разбавленный, — наоборот.