Строение и функции клетки. Полуавтономные органоиды
Сравнительная характеристика эукариотических и прокариотических клеток
Структура
Эукариотические клетки
Прокариотические клетки
Клеточная стенка
Есть у растений, грибов; отсутствует у животных. Состоит из целлюлозы (растения) или хитина (грибы).
Есть. Состоит из полимерных белковоуглеводных молекул.
Клеточная мембрана
Есть.
Есть.
Ядро
Есть и окружено мембраной
Нет оформленного ядра. Есть Нуклеарная область; ядерной мембраны нет
Цитоплазма
Есть (постоянно в движении)
Есть (неподвижна)
Хромосомы
Линейные, состоят из ДНК и белка. Транскрипция происходит в ядре, трансляция в цитоплазме).
Кольцевые, состоят из ДНК, белка практически не содержат. Транскрипция и трансляция происходят в цитоплазме.
Эндоплазматическая сеть
Есть
Нет
Рибосомы
Есть
Есть, но они меньше по размеру
Комплекс Гольджи
Есть
Нет
Лизосомы
Есть
Нет
Митохондрии
Есть
Нет
Вакуоли
Есть у большинства клеток
Нет
Реснички и жгутики
Есть у всех организмов, кроме высших растений
Есть у некоторых бактерий
Хлоропласты
Есть у растительных клеток
Нет. Фотосинтез протекает в бактериохлорофиллах (у цианобактерий)
Микротрубочки, микрофиламенты
Есть
Нет
Строение эукариотических клеток
Органоид
Функция органоида
Строение и состав
Плазматическая мембрана
Избирательно регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой (полупроницаема). Обеспечивает контакт с соседними клетками. Фагоцитоз. Пиноцитоз.
Двойной слой фосфолипидов с пронизывающими его молекулами белков. На внешней поверхности расположены гликопротеины и гликолипиды (клеточные рецепторы).
Ядро
Регулирует клеточную активность. Содержит ДНК, хранящую информацию о специфической последовательности аминокислот в белке. Мембрана ядра через ЭПС связана с наружной мембраной.
Двойная ядерная мембрана, окружающая кариоплазму (ядерный сок), в которой находятся хромосомы. Мембрана пронизана порами, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой.
Цитоплазма
Внутренняя среда клетки, содержащая органоиды и осуществляющая связь между ними.
Полужидкая среда клетки.
Хромосомы
Хранение и распределение генетической информации
Две хроматиды, соединённые в области центромеры. Состоят из ДНК и белка
Ядрышко
Сборка рибосомных субъединиц, синтез РНК
Округлое тельце диаметром около 1 мкм (находится в ядре)
Митохондрии
Осуществление аэробного дыхания. Ответственны за синтез АТФ в ходе окислительного фосфорилирования.
Органоид эллипсовидной формы, окружённый двумя мембранами-гладкой наружной и складчатой внутренней. Складки этой мембраны называются «кристы». В кристах митохондрий находится много ферментов, участвующих в реакциях окислительного фосфорилирования. Содержит собственную ДНК, способна к делению
Рибосомы
Сборка белковых молекул
Немембранные компоненты клетки. Состоят из двух субъединиц (большой и малой)
Эндоплазматическая сеть (ретикулум) или ЭПС
Транспорт веществ, связь органоидов клетки. На гранулярной ЭПС находятся рибосомы (идёт синтез белков). Гладкая ЭПС содержит ферменты синтеза липидов
Одномембранная система каналов, трубочек, цистерн, полостей
Аппарат Гольджи
Преобразование, накопление, сортировка и упаковка белков и липидов. Образование секреторных пузырьков, транспортирующих продукты внутри клетки. Синтез полисахаридов и формирование первичных лизосом.
Образован плоскими цистернами, состоящими из плазматических мембран. От краёв цистерн отшнуровываются пузырьки, в которых накапливаются необходимые клетке вещества
Лизосомы
Внутриклеточное переваривание макромолекул. Уничтожение старых клеток
Одномембранные структуры, внешне напоминающие пузырьки и содержащие концентрированные ферменты. В большом количестве содержаться в лейкоцитах
Клеточная стенка
Опорная и защитная оболочка растительных и грибных клеток
Целлюлоза (растения) или хитин (грибы)
Пластиды:
Хлоропласты (зелёные)
Хромопласты (жёлтые до красного)
Лейкопласты (бесцветные)
Фотосинтез (хлоропласты)
Запасание питат. Веществ (лейкопласты)
Существуют только в растительных клетках. Двухмембранные органоиды, содержаие хлорофилл (хлоропласты), ксантофилл, каротиноиды (хромопласты). Содержат собственную ДНК
Вакуоли
Запасание жидкости, питательных веществ у растений, пищеварение и выделение у животных
Полости, мембраны, белки, жиры, углеводы, вода, соли
Микротрубочки и микрофиламенты
Образование цитоскелета клетки, центриолей, базальных телец, жгутиков, ресничек; обеспечивающих внутриклеточное движение, например митохондрий
Белковые образования, цилиндрической формы
Реснички, жгутики
Перемещение клеток, формирование потоков жидкости у поверхности клеток
Состоят из системы микротрубочек, покрытых мембраной
Клеточный центр
Участвует в организации цитоскелета клетки, в равномерном распределении генетического материала при клеточном делении. Образует митотическое веретено
Представляет собой область клетки, в которой находятся центриоли-система микротрубочек
Текущая страница: 5 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]
§ 16. Строение клетки. Эндоплазматическая сеть. Комплекс Гольджи. Лизосомы. Клеточные включения
1. Почему комплекс Гольджи хорошо развит в клетках желез внутренней секреции?
2. В каких клетках большинство органоидов отсутствует?
3. Что такое клеточные включения?
Эндоплазматическая сеть (ЭПС). Эндоплазматическая сеть, или эндоплазматический ретикулум, представляет собой систему трубочек и полостей, пронизывающих цитоплазму клетки. ЭПС образована мембраной, которая имеет такое же строение, как и плазматическая мембрана. Трубочки и полости ЭПС могут занимать до 50 % объема клетки и нигде не обрываются и не открываются в цитоплазму (рис. 31). Различают гладкую и шероховатую (гранулярную) ЭПС. На шероховатой ЭПС расположено множество рибосом. Именно здесь синтезируется большинство белков. На поверхности гладкой ЭПС идет синтез углеводов и липидов. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, переносятся внутрь трубочек ретикулума и по ним транспортируются к местам накопления или использования в биохимических реакциях. Шероховатая сеть лучше развита в тех клетках, которые синтезируют белки для нужд всего организма (например, белковые гормоны), а гладкая – в тех клетках, которые синтезируют, к примеру, сахара и липиды. В гладкой ЭПС, кроме того, накапливаются ионы кальция – важные регуляторы всех функций клеток и целого организма.
Комплекс (аппарат) Гольджи. Система внутриклеточных цистерн, в которых накапливаются вещества, синтезированные клеткой, носит название комплекса (аппарата) Гольджи. Здесь же эти вещества претерпевают дальнейшие биохимические превращения, упаковываются в мембранные пузырьки и переносятся в те места цитоплазмы, где они необходимы, или же транспортируются к клеточной мембране и выходят за пределы клетки (рис. 32). Комплекс Гольджи построен из мембран и расположен рядом с ЭПС, но не сообщается с ее каналами. Поэтому все вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, переносятся в комплекс Гольджи внутри мембранных пузырьков, отпочковывающихся от ЭПС и сливающихся затем с комплексом Гольджи. Еще одна важная функция комплекса Гольджи – это сборка мембран клетки. Вещества, из которых состоят мембраны (белки, липиды), поступают в комплекс Гольджи из ЭПС, в полостях комплекса Гольджи собираются участки мембран, из которых изготовляются особые мембранные пузырьки. Они передвигаются по цитоплазме в те места клетки, где требуется достроить мембрану.
Рис. 31. Строение эндоплазматической сети: А – расположение в клетке; Б – схема участка ЭПС; В – микрофотография участка шероховатой ЭПС; Г – микрофотография участка гладкой ЭПС
Лизосомы. Когда в клетку попадают пищевые частицы, их необходимо переварить, т. е. разрушить до таких веществ, которые клетка может использовать. Для того чтобы переваривание стало возможным, фагоцитарный пузырек, в котором находится пищевая частица, должен слиться с лизосомой. Лизосома – это маленький мембранный пузырек диаметром 0,4–1 мкм, содержащий около 50 разных видов пищеварительных ферментов, способных расщеплять белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. Все эти ферменты находятся в лизосомах в неактивном состоянии, иначе бы они разрушили мембрану лизосомы, вышли бы в цитоплазму и переварили бы содержимое самой клетки. Формируются лизосомы в комплексе Гольджи (рис. 33), где накапливаются пищеварительные ферменты.
Рис. 32. Схема расположения и строения аппарата Гольджи
Рис. 33. Схема переваривания пищевой частицы при участии лизосомы
Клеточные включения. Скопления веществ, которые клетка или использует для своих нужд, или выделяет во внешнюю среду, называют клеточными включениями. Среди клеточных включений встречаются капли жира, зерна крахмала или гликогена, гранулы белка. Чаще всего они расположены непосредственно в цитоплазме, без отделяющих от нее мембран. Клеточные включения не способны к «самостоятельной» деятельности и используются органоидами клетки.
Эндоплазматическая сеть: гладкая, шероховатая. Комплекс Гольджи. Лизосомы. Клеточные включения.
1. В каких клеточных органоидах перевариваются пищевые вещества?
2. Какую функцию в клетке выполняет эндоплазматическая сеть?
3. Какие функции выполняет комплекс Гольджи?
4. Какие клеточные включения вы знаете? Какова их роль в клетке?
Лизосомы и их ферменты используются клеткой также в тех случаях, когда необходимо заменить поврежденные участки клетки. При этом поврежденный участок окружается со всех сторон двойной мембраной, а затем с этой мембраной сливается лизосома. Таким образом, ферменты проникают внутрь изолированного участка и разрушают его, чтобы на его месте мог быть построен новый. Этот процесс получил название аутофагии.
У хищных растений, сходных с нашей росянкой, в аппарате Гольджи синтезируется и накапливается клейкая слизь для ловли насекомых.
В одной клетке можно одновременно наблюдать около ста лизосом различного размера и формы. Набор ферментов в различных лизосомах одной и той же клетки также сильно различается.
§ 17. Строение клетки. Митохондрии. Пластиды. Органоиды движения
1. Какие виды пластид содержат красные и оранжевые пигменты?
2. В каких органоидах клетки содержится ДНК?
3. Приведите примеры подвижных клеток.
Только митохондрии и пластиды, в отличие от других органоидов клетки, имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую их самовоспроизводство. ДНК митохондрии имеет форму замкнутого кольца, как у прокариот. В митохондриях также имеется собственная РНК и особые рибосомы. Если клетке предстоит деление или она интенсивно расходует энергию, митохондрии начинают делиться и их число возрастает. Если же потребность в энергии снижена, то число митохондрий в клетках заметно уменьшается.
Пластиды. Органоиды, характерные только для растительных клеток, – это пластиды. (Исключение составляют некоторые жгутиковые простейшие, такие как эвглена зеленая и вольвокс.) Так же как митохондрии, они имеют двумембранную структуру и собственный генетический аппарат. Пластиды подразделяют на хлоропласты, содержащие хлорофилл; хромопласты, содержащие красные, оранжевые и фиолетовые пигменты, и лейкопласты, бесцветные, выполняющие в основном запасающие функции. Под воздействием яркого света лейкопласты начинают вырабатывать зеленый пигмент хлорофилл и становятся хлоропластами. Поэтому, кстати, зеленеют на свету клубни картофеля.
Рис. 34. Строение митохондрии: А – расположение в клетке; Б – схема строения; В – электронная фотография участка митохондрии
В клетках листьев растений осенью хлорофилл разрушается, и окраску листьев начинают определять другие пигменты – каротиноиды и антоцианы. Поэтому листья осенью окрашиваются в желтый, красный или оранжевый цвет.
В клетке листа обычно содержится несколько десятков хлоропластов (20–100 штук). Они имеют форму двояковыпуклых линз, их размер примерно 5×10 мкм. Под наружной гладкой мембраной находится внутренняя, складчатая. Из ее складок формируются плоские мешочки, называемые тилакоидами (рис. 35), а между тилакоидами располагается внутренняя среда хлоропласта – строма. Часто тилакоиды собираются в стопки, которые называются граны.
Хлоропласты – органоиды фотосинтеза. Реакции фотосинтеза, связанные с получением энергии за счет света (световая фаза), протекают на мембранах тилакоидов, а реакции использования запасенной энергии для синтеза органических веществ (темновая фаза) – в строме пластид. По-видимому, пластиды, так же как и митохондрии, имели свободноживущих предков, причем считается, что этими предками пластид были древние цианобактерии.
Рис. 35. Строение хлоропласта
Органоиды движения. Многие клетки способны к движению, причем механизмы двигательных реакций могут быть различными. Выделяют амебоидное (амебы, лейкоциты), ресничное (инфузория-туфелька, клетки мерцательного эпителия дыхательных путей), жгутиковое (сперматозоиды, эвглена зеленая) и мышечное виды движения.
Жгутик всех эукариотических клеток имеет длину около 100 мкм. На поперечном срезе можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре – 2 микротрубочки.
Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ. Это приводит к тому, что пары микротрубочек начинают двигаться друг относительно друга, жгутик изгибается и клетка начинает движение. Таков же механизм движения ресничек, длина которых составляет всего 10–15 мкм. Обычно у одной клетки бывает только один жгутик, а ресничек может быть очень много, и все их движения скоординированы, чем и обеспечивается движение клетки. Например, на поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек, с помощью которых она может передвигаться со скоростью 3 мм/с. На каждой клетке ресничного эпителия, выстилающего верхние дыхательные пути, насчитывается до 250 ресничек.
Митохондрии. Пластиды. Тилакоиды. Граны. Строма. Органоиды движения.
1. Сколько митохондрий может содержаться в различных клетках?
2. Почему ДНК митохондрий наследуется только по линии матери?
3. Какую функцию выполняют лейкопласты?
4. Какое строение имеет хлоропласт?
5. В каких частях хлоропластов протекают реакции световой фазы фотосинтеза?
Приведите примеры различных видов движения клеток. Сравните механизм движения у разных видов клеток.
У одной из самых древних групп растений – водорослей в каждой клетке обычно находится всего по одному большому органоиду – хроматофору. У хламидомонады хроматофор чашевидный, у спирогиры – спиральный.
Клетки, имеющие жгутики, могут двигаться либо жгутиком вперед, либо жгутиком назад. Например, у эвглены зеленой жгутик расположен на переднем конце клетки.
§ 18. Сходства и различия в строении прокариотических и эукариотических клеток
1. Вспомните примеры многоядерных клеток.
2. Какую форму могут иметь бактерии?
Прокариоты. Древнейшие на Земле организмы не имеют клеточного ядра и называются прокариотами, т. е. доядерными. Они объединяются в отдельное царство – Дробянки, к которому относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Каковы же отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?
Рис. 36. Схема строения прокариотической клетки: 1 – слой клейкой слизи; 2 – клеточная стенка; 3 – плазматическая мембрана; 4 – мезосомы; 5 – хромосома (кольцевая молекула ДНК); 6 – капли питательных веществ; 7 – складчатая фотосинтезирующая мембрана; 8 – рибосомы; 9 – жгутики
Клетки прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот – их размеры редко превышают 10 мкм, а бывают клетки размером даже 0,3×0,2 мкм. Правда, есть и исключения – описана огромная бактериальная клетка размером 100×10 мкм.
Строение и обмен веществ прокариот. Прокариоты, как следует из их названия, не имеют оформленного ядра. Единственная кольцевая молекула ДНК, находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не окружена мембраной и располагается непосредственно в цитоплазме (рис. 36).
Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной. Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки – мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами – пектином и муреином.
Рис. 37. Схема образования спор у бактерий
В цитоплазме прокариотических клеток нет мембранных органоидов: митохондрий, пластидов, ЭПС, комплекса Гольджи, лизосом. Их функции выполняют складки и впячивания наружной мембраны – мезосомы. В цитоплазме прокариот беспорядочно располагаются мелкие рибосомы. Цитоскелета в прокариотических клетках тоже нет, но иногда встречаются жгутики.
Большинство эукариот являются аэробами, т. е. используют в энергетическом обмене кислород воздуха. Напротив, многие прокариоты являются анаэробами, и кислород для них вреден. Некоторые бактерии, называемые азотфиксирующими, способны усваивать азот воздуха, чего эукариоты делать не могут.
Те виды прокариот, которые получают энергию благодаря фотосинтезу, содержат особую разновидность хлорофилла, который может располагаться на мезосомах.
Образование спор. В неблагоприятных условиях (холод, жара, засуха и т. д.) многие бактерии способны образовывать споры. При спорообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется особая плотная оболочка, а остальное содержимое клетки отмирает (рис. 37). Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из нее снова прорастает активная бактерия. Недавно немецкие исследователи сообщили, что им удалось «оживить» споры бактерий, которые образовались 180 млн лет назад при высыхании древних морей!
Размножение прокариот. Чаще всего прокариоты размножаются бесполым путем: ДНК удваивается, и далее клетка делится в поперечной плоскости пополам. В благоприятных условиях бактерии способны делиться каждые 20 минут; при этом потомство от одной клетки через трое суток теоретически имело бы массу 7500 тонн! К счастью, таких условий в принципе быть не может.
Половое размножение у прокариот наблюдается гораздо реже, чем бесполое, однако оно очень важно, так как при обмене генетической информацией бактерии передают друг другу устойчивость к неблагоприятным воздействиям (например, к лекарствам). При половом процессе бактерии могут обмениваться как участками бактериальной хромосомы, так и особыми маленькими кольцевыми двуцепочечными молекулами ДНК – плазмидами. Обмен может происходить через цитоплазматический мостик между двумя бактериями или с помощью вирусов, усваивающих участки ДНК одной бактерии и переносящих их в другие бактериальные клетки, которые они заражают.
Основные различия между прокариотической и эукариотической клетками приведены в таблице 3.
Таблица 3. Сравнение клеток прокариот и эукариот
Мезосома. Аэробы. Анаэробы. Споры. Плазмиды.
1. Какую форму имеет ДНК у бактерий?
2. Могут ли бактерии размножаться половым путем?
3. Когда у бактерий образуются споры и какова их функция?
4. Что такое мезосомы и какие функции они выполняют?
Рассмотрите таблицу 3. Выделите основные отличия прокариотических и эукариотических клеток.
По-видимому, прокариоты были первыми живыми существами на Земле, и возникли они миллиарды лет тому назад. Однако, несмотря на свои кажущиеся простоту и примитивность, прокариоты прекрасно приспосабливаются к изменениям в окружающей среде, заселив все оболочки Земли. Жизнеспособные споры бактерий были обнаружены во льдах Антарктиды на глубине 30 м, в атмосфере на высоте 41 км. Бактерии обитают в воде, охлаждающей ядерные реакторы, а один из «рекордсменов» выдерживает дозу облучения 6,5 млн рентген, что в 10 000 раз больше дозы, смертельной для человека.
Некоторые бактерии могут активно двигаться, вращаясь вокруг своей оси с огромной скоростью. При этом они преодолевают за секунду расстояние в 100 мкм, тогда как длина их не превышает 2 мкм. Если бы человек мог так двигаться, он развивал бы скорость до 350 км/ч!
§ 19. Сходство и различия в строении клеток растений, животных и грибов
1. Какие царства живых существ вы знаете?
2. Какое питание называется автотрофным?
3. Какое питание называется гетеротрофным?
Сходство в строении клеток эукариот. Сейчас нельзя с полной уверенностью сказать, когда и как возникла на Земле жизнь. Мы также точно не знаем, как питались первые живые существа на Земле: автотрофно или гетеротрофно. Но в настоящее время на нашей планете мирно сосуществуют представители нескольких царств живых существ. Несмотря на большое различие в строении и образе жизни, очевидно, что между ними сходств больше, чем различий, и все они, вероятно, имеют общих предков, живших в далекой архейской эре. О наличии общих «дедушек» и «бабушек» свидетельствует целый ряд общих признаков у клеток эукариот: простейших, растений, грибов и животных. К этим признакам можно отнести:
– общий план строения клетки: наличие клеточной мембраны, цитоплазмы, ядра, органоидов;
– принципиальное сходство процессов обмена веществ и энергии в клетке;
– кодирование наследственной информации при помощи нуклеиновых кислот;
– единство химического состава клеток;
– сходные процессы деления клеток.
Различия в строении клеток растений и животных. В процессе эволюции, в связи с неодинаковыми условиями существования клеток представителей различных царств живых существ, возникло множество отличий. Сравним строение и жизнедеятельность клеток растений и животных (табл. 4).
Таблица 4. Сравнение клеток растений и животных
Главное отличие между клетками этих двух царств заключается в способе их питания. Клетки растений, содержащие хлоропласты, являются автотрофами, т. е. сами синтезируют необходимые для жизнедеятельности органические вещества за счет энергии света в процессе фотосинтеза. Для обеспечения фотосинтеза в клетках растений содержатся пластиды, несущие хлорофилл и другие пигменты. Клетки животных – гетеротрофы, т. е. источником углерода для синтеза собственных органических веществ для них являются органические вещества, поступающие с пищей. Эти же пищевые вещества, например углеводы, служат для животных источником энергии. Есть и исключения, такие как зеленые жгутиконосцы, которые на свету способны к фотосинтезу, а в темноте питаются готовыми органическими веществами.
Так как растительная клетка имеет клеточную стенку, защищающую ее содержимое и обеспечивающую постоянную ее форму, то при делении между дочерними клетками образуется перегородка, а животная клетка, не имеющая такой стенки, делится с образованием перетяжки.
Таким образом, выделение грибов в самостоятельное царство, насчитывающее более 100 тыс. видов, абсолютно оправдано. Свое происхождение грибы ведут или от древнейших нитчатых водорослей, утерявших хлорофилл, т. е. от растений, или от каких-то неведомых нам древнейших гетеротрофов, т. е. животных.
1. Чем растительная клетка отличается от животной?
2. Каковы различия в делении растительных и животных клеток?
3. Почему грибы выделены в самостоятельное царство?
4. Что общего и какие различия в строении и жизнедеятельности можно выделить, сравнивая грибы с растениями и животными?
5. На основании каких признаков можно предположить, что все эукариоты имели общих предков?
Ядро
Ядро – самая заметная и обычно самая крупная органелла клетки. Оно впервые было подробно исследовано Робертом Броуном в 1831 году. Ядро обеспечивает важнейшие метаболические и генетические функции клетки. По форме оно достаточно изменчиво: может быть шаровидным, овальным, лопастным, линзовидным.
Ядро играет значительную роль в жизни клетки. Клетка, из которой удалили ядро, не выделяет более оболочку, перестаёт расти и синтезировать вещества. В ней усиливаются продукты распада и разрушения, вследствие этого она быстро погибает. Образование нового ядра из цитоплазмы не происходит. Новые ядра образуются только делением или дроблением старого.
Внутреннее содержимое ядра составляет кариолимфа (ядерный сок), заполняющая пространство между структурами ядра. В нём находится одно или несколько ядрышек, а также значительное количество молекул ДНК, соединённых со специфическими белками – гистонами.
Пластиды
Пластиды – самые крупные (после ядра) цитоплазматические органоиды, присущие только клеткам растительных организмов. Они не найдены только у грибов. Пластиды играют важную роль в обмене веществ. Они отделены от цитоплазмы двойной мембранной оболочкой, а некоторые их типы имеют хорошо развитую и упорядоченную систему внутренних мембран. Все пластиды едины по происхождению.
Цитоплазма - обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на гиалоплазму (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы). Химический состав цитоплазмы: основу составляет вода (60–90% всей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма имеет щелочную реакцию. Характерная особенность цитоплазмы эукариотической клетки - постоянное движение (циклоз ). Оно обнаруживается, прежде всего, по перемещению органоидов клетки, например хлоропластов. Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в постоянном движении, она может выполнять свои функции.
Гиалоплазма (цитозоль ) представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. Именно в ней протекают все процессы обмена веществ, она обеспечивает взаимосвязь ядра и всех органоидов. В зависимости от преобладания в гиалоплазме жидкой части или крупных молекул, различают две формы гиалоплазмы: золь - более жидкая гиалоплазма и гель - более густая гиалоплазма. Между ними возможны взаимопереходы: гель превращается в золь и наоборот.
Функции цитоплазмы:
1. объединение всех компонентов клетки в единую систему,
2. среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов,
3. среда для существования и функционирования органоидов.
Органоид - обязательные цитоплазматические структуры в клетках организмов, выполняющие определенные функции.
К органоидам относят митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическую сеть, центросомы, лизосомы, рибосомы, пластиды растительных клеток и др.
-Митохондрия - органоид цитоплазмы животных и растительных клеток в виде нитевидных или гранулярных образований. Митохондрия состоит из белка, липидов, РНК и ДНК. Основная функция митохондрии состоит в выработке энергии. У прокариот митохондрии отсутствуют, их функции выполняет клеточная мембрана.
-Аппарат Гольджи - органоид клетки, состоящий из цитоплазматических мембран, лишенных рибосом. Аппарат Гольджи участвует с синтезе гликопротеинов, формирует лизосомы и некоторые продукты жизнедеятельности клетки: различные секреты, коллаген, гликоген, липиды и др.
-Лизосома - мембранный пузырек, содержащий расщепляющие ферменты. Лизосомы обеспечивают: внутриклеточное пищеварение;- разрушение ненужных клеточных структур;- выделение ферментов из клетки наружу.
-Рибосома - внутриклеточная частица, состоящая из РНК и белков. Рибосома осуществляет биосинтез белка. Рибосома свободно лежат в цитоплазме или прикреплены к внутриклеточным биологическим мембранам.
-Центриоль - клеточный органоид или часть комплексного образования центросомы. Центриоль состоит из одной или нескольких пар цилиндрических структур, входящих в клеточный центр всех животных и некоторых растительных клеток.
-Эндоплазматическая сеть - органоид эукариот; совокупность сообщающихся канальцев, вакуолей и "цистерн", ограниченных цитоплазматическими мембранами с расположенными на них рибосомами. Эндоплазматическая сеть служит регуляторной системой клетки, через которую осуществляются процессы обмена веществ. Различают гладкую и гранулярную эндоплазматические сети
Митохондрии
Митохондрии – органеллы, характерные для большинства клеток растений. Имеют изменчивую форму палочек, зёрнышек, нитей. Открыты в 1894 году Р. Альтманом с помощью светового микроскопа, а внутреннее строение было изучено позднее с помощью электронного.
Митохондрии имеют двухмембранное строение. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя образует различной формы выросты – трубочки в растительных клетках. Пространство внутри митохондрии заполнено полужидким содержимым (матриксом), куда входят ферменты, белки, липиды, соли кальция и магния, витамины, а также РНК, ДНК и рибосомы. Ферментативный комплекс митохондрий ускоряет работу сложного и взаимосвязанного механизма биохимических реакций, в результате которых образуется АТФ. В этих органеллах осуществляется обеспечение клеток энергией – преобразование энергии химических связей питательных веществ в макроэргиеские связи АТФ в процессе клеточного дыхания. Именно в митохондриях происходит ферментативное расщепление углеводов, жирных кислот, аминокислот с освобождением энергии и последующим превращением её в энергию АТФ. Накопленная энергия расходуется на ростовые процессы, на новые синтезы и т. д. Митохондрии размножаются делением и живут около 10 дней, после чего подвергаются разрушению.
Рибосомы
Рибосомы – немембранные клеточные органоиды. Каждая рибосома состоит из двух не одинаковых по размеру частичек и может делиться на два фрагмента, которые продолжают сохранять способность синтезировать белок после объединения в целую рибосому.
Рибосомы синтезируются в ядре, затем покидают его, переходя в цитоплазму, где прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети или располагаются свободно. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут функционировать по одиночке или объединяться в комплексы – полирибосомы.
Строение клетки
Клетки, образующие ткани растений и животных, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.
Биологические превращения, происходящие в клетке, неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение гой или иной функции. Такие структуры получили название органоидов .
Клетки всех типов содержат три основных, неразрывно связанных между собой компонента:
1. структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
2. цитоплазма с целым комплексом специализированных структур - органоидов (эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии и пластиды, комплекс Гольджи и лизосомы, клеточный центр), присутствующих в клетке постоянно, и временных образований, называемых включениями;
3. ядро - отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко.
Строение клетки
Поверхностный аппарат клетки (цитоплазматическая мембрана) растений и животных имеет некоторые особенности.
У одноклеточных организмов и лейкоцитов наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку ионов, воды, мелких молекул других веществ. Процесс проникновения в клетку твердых частиц называется фагоцитозом , а попадание капель жидких веществ - пиноцитозом .
Наружная плазматическая мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой.
В клетках эукариот есть органоиды, покрытые двойной мембраной, - митохондрии и пластиды. Они содержат собственные ДНК и синтезирующий белок аппарат, размножаются делением, то есть имеют определенную автономию в клетке. Кроме АТФ, в митохондриях происходит синтез небольшого количества белка. Пластиды свойственны клеткам растений и размножаются путем деления.
| Виды клеток | Строение и функции наружного и внутреннего слоев клеточной оболочки | ||
| наружный слой (хим. состав, функции) | внутренний слой - плазматическая мембрана | ||
| химический состав | функции | ||
| Клетки растений | Состоят из клетчатки. Этотслой служит каркасом клетки и выполняет защитную функцию | Два слоя белка, между ними - слой липидов | Ограничивает внутреннюю среду клетки от внешней и поддерживает эти различия |
| Клетки животных | Наружный слой (гликокаликс) очень тонкий и эластичный. Состоит из полисахаридов и белков. Выполняет защитную функцию. | Тоже | Специальные ферменты плазматической мембраны регулируют проникновение многих иононов и молекул в клетку и выход их во внешнюю среду |
| Строение клеточной оболочки |
К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей.
Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» - прокариоты и «ядерные» - эукариоты .
У прокариот-бактерий и сине-зеленых водорослей, а также вирусов имеется всего одна хромосома, представленная молекулой ДНК (реже РНК), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.
| Главные рганоиды | Строение | Функции |
| Цитоплазма | Внутренняя полужидкая среда мелкозернистой структуры. Содержит ядро и органоиды | 1. Обеспечивает взаимодействие ядра и органоидов 2. Регулирует скорость биохимических процессов 3. Выполняет транспортную функцию |
| ЭПС - эндоплазматическая сеть | Система мембран в цитоплазме» образующая каналы и более крупные полости, ЭПС бывает 2-х типов: гранулированная (шероховатая), на которой расположено множество рибосом, и гладкая | 1. Осуществляет реакции, связанные с синтезом белков, углеводов, жиров 2. Способствует переносу и циркуляции питательных веществ в клетке 3. Белок синтезируется на гранулированной ЭПС, углеводы и жиры - на гладкой ЭПС |
| Рибосомы | Мелкие тельца диаметром 15-20 мм | Осуществляют синтез белковых молекул, их сборку из аминокислот |
| Митохондрии | Имеют сферическую, нитевидную, овальную и другие формы. Внутри митохондрий находятся складки (дл. от 0,2 до 0,7 мкм). Внешний покров митохондрий состоит из 2-х мембран: наружная - гладкая, и внутренняя - образует выросты-кресты, на которых расположены дыхательные ферменты | 1. Обеспечивают клетку энергией. Энергия освобождается при распаде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) 2. Синтез АТФ осуществляется ферментами на мембранах митохондрий |
| Пластиды - свойственны только клеткам раститений, бывают трех типов: | Двумембранные органеллы клетки | |
| хлоропласты | Имеют зеленый цвет, овальную форму, ограничены от цитоплазмы двумя трехслойными мембранами. Внутри хлоропласта располагаются грани, где сосредоточен весь хлорофилл | Используют световую энергию солнца и создают органические вещества из неорганических |
| хромопласты | Желтые, оранжевые, красные или бурые, образуются в результате накопления каротина | Придают различным частям растений красную и желтую окраску |
| лейкопласты | Бесцветные пластиды (содержатся в корнях, клубнях, луковицах) | В них откладываются запасные питательные вещества |
| Комплекс Гольджи | Может иметь разную форму и состоит из отграниченных мембранами полостей и отходящих от них трубочек с пузырьками на конце | 1. Накапливает и выводит органические вещества, синтезируемые в эндоплазматической сети 2. Образует лизосомы |
| Лизосомы | Округлые тельца диаметром около 1 мкм. На поверхности имеют мембрану (кожицу), внутри которой находится комплекс ферментов | Выполняют пищеварительную функцию - переваривают пищевые частицы и удаляют отмершие органоиды |
| Органоиды движения клеток | 1. Жгутики и реснички, представляющие из себя выросты клетки и имеющие однотипное строение у животных и растений 2. Миофибриллы - тонкие нити длиной более 1 см диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна 3. Псевдоподии | 1. Выполняют функцию движения 2. За счет их происходит сокращение мышц 3. Передвижение за счет сокращения особого сократительного белка |
| Клеточные включения | Это непостоянные компоненты клетки - углеводы, жиры и белки | Запасные питательные вещества, используемые в процессе жизнедеятельности клетки |
| Клеточный центр | Состоит из двух маленьких телец - центриолей и центросферы - уплотненного участка цитоплазмы | Играет важную роль при делении клеток |
| Строение органоидов цитоплазмы клетки и их функции |
Эукариоты обладают большим богатством органоидов, имеют ядра, содержащие хромосомы в виде нуклеопротеидов (комплекс ДНК с белком гистоном). К эукариотам относятся большинство современных растений и животных как одноклеточных, так и многоклеточных.
Выделяют два уровня клеточной организации:
· прокариотический - их организмы очень просто устроены - это одноклеточные или колониальные формы, составляющие царство дробянок, синезеленых водорослей и вирусов
· эукариотический - одноклеточные колониальные и многоклеточные формы, от простейших - корненожки, жгутиковые, инфузории - до высших растений и животных, составляющие царство растений, царство грибов, царство животных
Особенности клеточного строения прокариотов н эукариотов
| Главные органоиды | Строение | Функции |
| Ядро растительной и животной клетки | Округлой или овальной формы | |
| Ядерная оболочка состоит из 2-х мембран с порами | 1. Отграничивает ядро от цитоплазмы 2. Осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой | |
| Ядерный сок (кариоплазма) - полужидкое вещество | Среда, в которой находятся ядрышки и хромосомы | |
| Ядрышки сферической или неправильной формы | В них синтезируется РНК, которая входит в состав рибосомы | |
| Хромосомы - плотные удлиненные или нитевидные образования, видимые только при делении клетки | Содержат ДНК, в которой заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение | |
| Строение и функции ядра клетки |
Все органоиды клетки, несмотря на особенности их строения и функций, находятся во взаимосвязи и «работают» на клетку, как на единую систему, в которой связующим звеном является цитоплазма.
Особые биологические объекты, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой, представляют собой вирусы, открытые в 1892 г. Д. И. Ивановским, они составляют в настоящее время объект особой науки - вирусологии.
Вирусы размножаются только в клетках растений, животных и человека, вызывая различные заболевания. Вирусы имеют очень прослое строение и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Вне клеток хозяина вирусная частица не проявляет никаких жизненных функций: не питается, не дышит, не растет, не размножается.
Таблица 1. Содержание химических элементов в клетке
Клетки человека состоят из органических и неорганических веществ.
Неорганические вещества:
Вода – составляет 80 % массы клетки, растворяет вещества, участвует в химических реакциях;
Минеральные соли в виде ионов – участвуют в распределении воды между клетками и межклеточным веществом. Они необходимы для синтеза жизненно важных органических веществ.
Органические вещества:
Белки – основные вещества клетки, самые сложные из встречающихся в природе веществ. Белки входят в состав мембран, ядра, органоидов, выполняют в клетке структурную функцию. Ферменты – белки, ускорители реакции;
Жиры – выполняют энергетическую функцию, они входят в состав мембран;
Углеводы – также при расщеплении образуют большое количество энергии, хорошо растворимы в воде и поэтому при их расщеплении энергия образуется очень быстро.
Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, они определяют, хранят и передают наследственную информацию о составе белков клетки от родителей к потомству.
Клетки человеческого организма обладают рядом жизненно важных свойств и выполняют определенные функции:
В клетках идет обмен веществ
, сопровождающийся синтезом и распадом органических соединений; обмен веществ сопровождается превращением энергии;
Когда в клетке образуются вещества, она растет, рост клеток связан с увеличением их числа, это связано с размножением путем деления;
Живые клетки обладают возбудимостью;
Одна из характерных особенностей клетки – движение.
Клетке человеческого организма
присущи следующие жизненные свойства: обмен веществ, рост, размножение и возбудимость. На основе этих функций осуществляется функционирование целого организма.
Биополиме́ры - класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты,полисахариды, лигнин. Биополимеры состоят из одинаковых (или схожих) звеньев - мономеров. Мономеры белков - аминокислоты, нуклеиновых кислот -нуклеотиды, в полисахаридах - моносахариды.
Выделяют два типа биополимеров - регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).
Белки
Это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В основном они состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Молекула белка может иметь 4 уровня структурной организации (первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры).
Функции белков:
1) защитная (интерферон усиленно синтезируется в организме при вирусной инфекции);
2) структурная (коллаген входит в состав тканей, участвует в образовании рубца);
3) двигательная (миозин участвует в сокращении мышц);
4) запасная (альбумины яйца);
5) транспортная (гемоглобин эритроцитов переносит питательные вещества и продукты обмена);
6) рецепторная (белки-рецепторы обеспечивают узнавание клеткой веществ и других клеток);
7) регуляторная (регуляторные белки определяют активность генов);
8) белки-гормоны участвуют в гуморальной регуляции (инсулин регулирует уровень сахара в крови);
9) белки-ферменты катализируют все химические реакции в организме;
10) энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется 17 кДж энергии).
Углеводы
Это моно- и полимеры, в состав которых входит углерод, водород и кислород в соотношении 1:2:1.
Функции углеводов:
1) энергетическая (при распаде 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии);
2) структурная (целлюлоза, входящая в состав клеточной стенки у растений);
3) запасающая (запас питательных веществ в виде крахмала у растений и гликогена у животных).
Подобно белкам, нуклеиновые кислоты - биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.
Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза - в ДНК, рибоза - в РНК) и остаток фосфорной кислоты.
В ДНК входят четыре вида нуклеотидов, отличающихся по азотистому основанию в их составе, - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В молекуле РНК также имеется 4 вида нуклеотидов с одним из азотистых оснований - аденином, гуанином, цитозином и урацилом (У). Таким образом, ДНК и РНК различаются как по содержанию сахара в нуклеотидах, так и по одному из азотистых оснований (табл. 1).
Таблица 1
Компоненты нуклеотидов ДНК и РНК
Молекулы ДНК и РНК существенно различаются по своему строению и выполняемым функциям.
Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов - от нескольких тысяч до сотен миллионов (поистине гигантские молекулы ДНК удается «увидеть» с помощью электронного микроскопа). В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей (рис. 1), соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.
При исследовании различных ДНК (у разных видов организмов) было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин - только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности (т. е. дополнения), а противоположные полинуклеотидные цепи называются комплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК - способность к самовоспроизведению илиудвоению (рис. 2). При этом сначала комплементарные цепи молекул ДНК расходятся (под воздействием специального фермента происходит разрушение связей между комплементарными нуклеотидами двух цепей). Затем на каждой цепи начинается синтез новой («недостающей») комплементарной ей цепи за счет свободных нуклеотидов, всегда имеющихся в большом количестве в клетке. В результате вместо одной («материнской») молекулы ДНК образуются две («дочерние») новые, идентичные по структуре и составу друг другу, а также исходной молекуле ДНК. Этот процесс всегда предшествует клеточному делению и обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним и всем последующим поколениям.
Молекулы РНК, как правило, одноцепочечные (в отличие от ДНК) и содержат значительно меньшее число нуклеотидов. Выделяют три вида РНК (табл. 2), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям, - информационную (иРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК).
Таблица 2
Три вида РНК
Информационная РНК (и-РНК) располагается в ядре и цитоплазме клетки, имеет самую длинную полинуклеотидную цепь среди РНК и выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки.
Транспортная РНК (т-РНК) также содержится в ядре и цитоплазме клет-ки, ее цепь имеет наиболее сложную структуру, а также является самой короткой (75 нуклеотидов). Т-РНК доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции - биосинтеза белка.
Рибосомальная РНК (р-РНК) содержится в ядрышке и рибосомах клетки, имеет цепь средней длины. Все виды РНК образуются в процессе транскрипции соответствующих генов ДНК.
Обмен веществ - поступление в клетку веществ, их усвоение и выведение продуктов жизнедеятельности. Вещества из внешней среды поступают через цитоплазматическую мембрану н по каналам эндоплазматическои сети или непосредственно по гиалоплазме транспортируются к клеточным органоидам и ядру. Их дальнейшие превращения происходят под воздействием многочисленных ферментов, которые синтезируются в клетке на рибосомах эндоплазматическои сети. Энергия, необходимая для процессов обмена, вырабатывается, накапливается и распределяется митохондриями. Продукты жизнедеятельности клетки по каналам эндоплазматическои сети поступают к цитоплазматической мембране, через которую и выводятся, либо образуют в цитоплазме клеточные включения. Белковые секреты обычно транспортируются к пластинчатому комплексу, в котором накапливаются и обособляются в виде секреторных гранул. Разнообразные ферменты, способные расщеплять (гидролизировать) макромолекулярные комплексы клетки, содержатся в лизосомах. При разрыве лизосомноп мембраны (например, в результате повреждения клетки) ферменты высвобождаются и происходит переваривание ими клеточного содержимого. Этим можно объяснить лизис мертвых или умирающих клеток.
Обмен веществ , или метаболизм, - это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности: самосохранения и самовоспроизведения. Под самовоспроизведением понимают превращение вещества, поступающего извне, в вещества и структуры самого организма, в результате чего происходит непрерывное обновление тканей, рост и размножение.
В обмене веществ выделяют:
- внешний обмен - включает внеклеточное превращение веществ на путях их поступления в организм и выведения продуктов метаболизма из него [показать] .
- промежуточный обмен - включает превращение веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот,метаболизм углеводов и т.д.)
Энергетический обмен в клетках растений и животных, его значение. Роль митохондрий в нем.
1. Энергетический обмен - совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена - снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.
2. Этапы энергетического обмена: подготовительный, бескислородный, кислородный.
1) Подготовительный - расщепление в лизосо-мах полисахаридов до моносахаридов, жиров до глицерина и жирных кислот, белков до аминокислот, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Рассеивание в виде тепла небольшого количества освобождаемой при этом энергии;
2) бескислородный - окисление веществ без участия кислорода до более простых, синтез за счет освобождаемой энергии двух молекул АТФ. Осуществление процесса на внешних мембранах митохондрий при участии ферментов;
3) кислородный - окисление кислородом воздуха простых органических веществ до углекислого газа и воды, образование при этом 36 молекул АТФ. Окисление веществ при участии ферментов, расположенных на кристах митохондрий. Сходство энергетического обмена в клетках растений, животных, человека и грибов - доказательство их родства.
3. Митохондрии - «силовые станции» клетки, их отграничение от цитоплазмы двумя мембранами - внешней и внутренней. Увеличение поверхности внутренней мембраны за счет образования складок - крист, на которых расположены ферменты. Они ускоряют реакции окисления и синтеза молекул АТФ. Огромное значение митохондрий - причина большого количества их в клетках организмов почти всех царств.
Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.
Введение[править | править вики-текст]
Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция и процессинг РНК, второй этап включаеттрансляцию. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, и редко происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов, переводится в последовательность остатков аминокислот.
1. Транскрипция (переписывание информации с ДНК на иРНК). В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой.
2. Процессинг (только у эукариот) – созревание иРНК: удаление из нее участков, не кодирующих белок, а так же присоединение управляющих участков.
3. Экспорт иРНК из ядра в цитоплазму (только у эукариот). Происходит через ядерные поры; всего экспортируется примерно 5% от общего количества иРНК в ядре.
4. Синтез аминоацил-тРНК. В цитоплазме имеется 61 фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Он комплементарно узнает аминокислоту и тРНК, которая должна ее переносить, и соединяет их между собой, при этом затрачивается 1 АТФ.
5. Трансляция (синтез белка). Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок.
6. Созревание белка. Вырезание из белка ненужных фрагментов, присоединение небелковых компонентов (например, гема), соединение нескольких полипептидов в четвертичную структуру
Углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды) являются важнейшими соединениями для реакций энергетического обмена. В результате распада углеводов клетка получает большую часть энергии и промежуточные соединения для синтеза других органических соединений (белков, жиров, нуклеиновых кислот).
Основную массу сахаров клетка и организм получает извне – из пищи, но может синтезировать глюкозу и гликоген из неуглеводных соединений. Субстратами для разного вида углеводного синтеза выступают молекулы молочной кислоты (лактат) и пировиноградной кислоты (пируват), аминокислоты и глицерин. Эти реакции идут в цитоплазме при участии целого комплекса ферментов – глюкозо-фосфотаз. Для всех реакций синтеза требуется энергия – синтез 1 молекулы глюкозы требует 6 молекул АТФ!
Углеводы в тканях являются подвижными соединениями. Наличие многочисленных ферментных систем позволяет непрерывно происходить в тканях процессам синтеза, распада и взаимопревращений углеводов.
Фотосинтез - процесс преобразования лучистой энергии Солнца в химическую с использованием последней в синтезе углеводов из углекислого газа. Это единственный путь улавливания солнечной энергии и использования ее для жизни на нашей планете.
Фотоси́нтез (от др.-греч. φῶς - свет и σύνθεσις - соединение, складывание, связывание, синтез) - процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Ядро - важнейшая структура в клетках эукариот. Оно осуществляет хранение, реализацию и передачу наследственной информации. Носителем этой информации является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), большая часть которой сосредоточена в ядре. ДНК в ядре связана с белками, это соединение называется хроматином. Благодаря такому соединению ДНК принимает более компактную форму (в растянутом виде ее длина у человека может достигать 5 см).
В ДНК закодировано строение всех белков организма. Белки, в свою очередь, играют ведущую роль в обменных процессах. Участок ДНК, хранящий информацию о строении одного белка, имеет название ген. Когда в процессе обмена веществ возникает необходимость в каком-либо белке, соответствующий ген активируется и в клетке начинается синтез этого белка. Нарушения в строении ДНК (мутации) могут приводить к тяжелым, а иногда и летальным, последствиям.
Для синтеза белка, который происходит в цитоплазме на рибосомах, необходимы молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты). Они образуются в ядре в ходе процесса, представляющего собой транскрипцию (копирование) участков ДНК. Существуют три вида РНК- информационная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомальная (рРНК). иРНК и тРНК непосредственно участвуют в синтезе белка: иРНК являются «копиями» генов, тРНК осуществляют перенос мономеров белков (аминокислот) к рибосомам. рРНК вместе с белками входят в состав рибосом. Место сборки рибосом (ядрышко) находится в ядре. В одной клетке может функционировать от одного до семи ядрышек.
Передача наследственной информации происходит во время деления клетки. Перед этим ДНК удваивается, и в каждую дочернюю клетку переходит одинаковое количество идентичной по составу ДНК. Перед делением клетки ДНК спирализуется (плотно скручивается и укорачивается), образуя хромосомы.
Для каждого биологического вида характерен совершенно определенный набор хромосом.
Ядро отделено от цитоплазмы оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная мембрана в некоторых участках переходит в каналы эндоплазматической сети. В ядерной оболочке имеется множество пор, по которым из ядра в цитоплазму выходят молекулы РНК, а в ядро из цитоплазмы проникают ферменты, молекулы АТФ, неорганических ионов и т.д.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), представляет собой систему трубочек и полостей, пронизывающих всю цитоплазму клетки. Различают гладкую (агранулярную) и шероховатую (гранулярную) ЭПС. На шероховатой ЭПС расположено множество рибосом. Здесь синтезируется большинство белков. На поверхности гладкой ЭПС идет синтез углеводов и липидов. Внутри ее полостей накапливаются ионы кальция - важные регуляторы всех функций клеток и целого организма. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, переносятся внутрь трубочек ретикулума и по ним транспортируются к местам хранения или использования в биохимических реакциях.
Аппарат (комплекс) Гольджи - это система цистерн, в которых накапливаются вещества, синтезированные клеткой. Здесь же эти вещества претерпевают дальнейшие биохимические превращения, упаковываются в мембранные пузырьки и переносятся в те места цитоплазмы, где они необходимы, или же транспортируются к клеточной мембране и путем экзоцитоза выводятся за пределы клетки.
Лизосомы - это маленькие мембранные пузырьки, содержащие до 50 разных видов пищеварительных ферментов, способных расщеплять белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. Формируются лизосомы в комплексе Гольджи, где модифицируются и накапливаются пищеварительные ферменты. Лизосомы и их ферменты используются клеткой также в тех случаях, когда необходимо заменить поврежденные участки клетки. При этом поврежденный участок окружается со всех сторон мембраной, а затем с этой мембраной сливается лизосома. Таким образом, ферменты проникают внутрь изолированного участка и разрушают его, чтобы на его месте мог быть построен новый. Этот процесс получил название аутофагии.
Митохондрии - это органоиды клетки, участвующие в процессе клеточного дыхания и запасающие для клетки энергию (см. далее). Количество митохондрий в клетке варьирует от единиц (сперматозоиды, некоторые водоросли и простейшие) до тысяч. Особенно много митохондрий в тех клетках, которые нуждаются в больших количествах энергии (клетки печени, мышечные клетки).
Митохондрии (и пластиды растений) в отличие от других органоидов клетки имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую их самовоспроизводство. В митохондриях имеется собственная ДНК, РНК и особые рибосомы. Если клетке предстоит деление или она интенсивно расходует энергию, митохондрии начинают делиться и их число возрастает. Если же потребность в энергии снижена, то число митохондрий в клетках заметно уменьшается.
Рибосомы - очень мелкие органоиды, необходимые для синтеза белка. В клетке их насчитывается несколько миллионов. Рибосомы состоят из белка и рРНК, формируются в ядре в области ядрышка и через ядерные поры выходят в цитоплазму. Рибосомы могут находиться в цитоплазме во взвешенном состоянии, но чаще они располагаются группами на поверхности эндоплазматической сети.
У всех эукариот в цитоплазме имеется сложная опорная система - цитоскелет. Он состоит в основном из микротрубочек и микрофиламентов.
Микротрубочки пронизывают всю цитоплазму и представляют собой полые трубки диаметром 20 - 30 нм. Их стенки образованы спирально закрученными нитями, построенными из белка тубулина. Микротрубочки прочны и образуют опорную основу цитоскелета. Кроме механической, микротрубочки выполняют транспортную функцию, участвуя в переносе по цитоплазме различных веществ. Микрофиламенты - белковые нити диаметром около 4 нм. Их основа - белок актин. Микрофиламенты располагаются вблизи от плазматической мембраны и способны менять ее форму, что очень важно для процессов фагоцитоза и пиноцитоза.
