Основы клеточной теории Общий план строения прокариотической клетки Общий план строения эукариотической клетки

Основы клеточной теории

Впервые клетку обнаружил и описал Р. Гук (1665). В XIX в. в трудах Т. Шванна, М. Шлейдена были заложены основы клеточной теории строения организмов. Современную клеточную теорию можно выразить в следующих положениях: все организмы состоят из клеток; клетка является элементарной структурной, генетической и функциональной единицей живого. Развитие всех организмов начинается с одной клетки, поэтому она является элементарной единицей развития всех организмов. В многоклеточных организмах клетки специализируются на выполнении определенных функций.

В зависимости от структурной организации выделяют следующие формы жизни: доклеточные (вирусы) и клеточные. Среди клеточных форм исходя из особенностей организации клеточного наследственного материала выделяют про- и эукариотические клетки.

Вирусы – это организмы, имеющие очень малые размеры (от 20 до 3000 нм). Их жизнедеятельность может осуществляться только внутри клетки организма хозяина. Тело вируса образовано нуклеиновой кислотой (ДНК или РНК), которая содержится в белковой оболочке – капсиде, иногдакапсид покрыт мембраной.

Общий план строения прокариотической клетки

Основные компоненты прокариотической клетки: оболочка, цитоплазма. Оболочка состоит из плазмалеммы и поверхностных структур (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки).

Плазмалемма имеет толщину 7,5 нм и с наружной части образована слоем белковых молекул, под которым находятся два слоя молекул фосфолипидов, а далее располагается новый слой молекул белка. В плазмалемме имеютсяканалы, выстланные белковыми молекулами, через эти каналы осуществляется транспорт различных веществ, как в клетку, так и из нее.

Основной компонент клеточной стенки – муреин. В него могут быть встроены полисахариды, белки (антигенные свойства), липиды. Придает клетке форму, препятствует ее осмотическому набуханию и разрыву. Через поры легко проникают вода, ионы, мелкие молекулы.

Цитоплазма прокариотической клеткивыполняет функцию внутренней среды клетки, в ней находятся рибосомы, мезосомы, включения и молекула ДНК.

Рибосомы – органоиды бобовидной формы, состоят из белка и РНК более мелкие (70S-рибосомы), чем у эукариот. Функция – синтез белка.

Мезосомы – система внутриклеточных мембран образующие складчатые впячивания, содержат ферменты дыхательной цепи (синтез АТФ).

Включения: липиды, гликоген, полифосфаты, белки, запасные питательные вещества

Молекула ДНК. Одна гаплоидная кольцевая двухцепочечная суперконденсированная молекула ДНК. Обеспечивает хранение, передачу генетической информации и регуляцию жизнедеятельности клетки.

Общий план строения эукариотической клетки

Типичная клетка эукариот состоит из трех составных частей – оболочки, цитоплазмы и ядра. Основу клеточной оболочки составляетплазмалемма (клеточная мембрана) иуглеводно-белковая поверхностная структура.

1.  Плазмалеммаэукариот отличается от прокариотической меньшим содержанием белков.

2.  Углеводно-белковая поверхностная структура.Животные клетки имеют небольшую белковую прослойку(гликокаликс). У растений поверхностная структура клетки – клеточная стенка состоит из целлюлозы (клетчатки).

Функции клеточной оболочки: поддерживает форму клетки и придает механическую прочность, защищает клетку, осуществляет узнавание молекулярных сигналов, регулирует обмен веществ между клеткой и средой, осуществляет межклеточное взаимодействие.

Цитоплазма состоит изгиалоплазмы (основное вещество цитоплазмы),органоидов и включений. В гиалоплазме содержатся 3 типа органоидов: двумембранные (митохондрии, пластиды); одномембранные (эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, вакуоли, лизосомы); немембранные (клеточный центр, микротрубочки, микрофиламенты, рибосомы, включения).

1.         Гиалоплазма представляет собой коллоидный раствор органических и неорганических соединений. Гиалоплазма способна к перемещению внутри клетки –циклозу. Основные функции гиалоплазмы: среда для нахождения органоидов и включений, среда для протекания биохимических и физиологических процессов, объединяет все структуры клетки в единое целое.

2.         Митохондрии («энергетические станции клеток»). Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеютскладки – кристы. Между внешней и внутренними мембранами находитсяматрикс. В матриксе митохондрий содержатся молекулы ДНК, мелкие рибосомы и различные вещества.

3.         Пластидыхарактерны для растительных клеток. Различают три вида пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

I.Хлоропласты – зеленые пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Хлоропласт имеет двухмембранную оболочку. Тело хлоропласта состоит из бесцветногобелково-липидного стромы, пронизанной системой плоских мешочков (тилакоидов) образованных внутренней мембраной.Тилакоиды образуютграны. В строме содержатся рибосомы, крахмальные зерна, молекулы ДНК.

II.  Хромопластыпридают разным органам растения окраску.

III.     Лейкопластызапасают питательные вещества. Из лейкопластов возможно образование хромопластов и хлоропластов.

4.     Эндоплазматическая сетьпредставляет собой разветвленную систему трубочек, каналов и полостей. Различаютнегранулярную (гладкую) и гранулярную (шероховатую) ЭПС. На негранулярной ЭПС находятся ферменты жирового и углеводного обмена (происходит синтез жиров и углеводов). Награнулярной ЭПС располагаются рибосомы, осуществляющие биосинтез белка. Функции ЭПС: механическая и формообразующая функции; транспортная; концентрация и выделение.

5.     Аппарат Гольджисостоит из плоских мембранных мешочков и пузырьков. В животных клетках аппарат Гольджи выполняет секреторную функцию. В растительных он является центром синтеза полисахаридов.

6.     Вакуоли заполнены клеточным соком растений. Функции вакуолей: запасание питательных веществ и воды, поддержаниетургорного давления в клетке.

7.     Лизосомы – мелкие органоиды сферической формы, образованы мембраной, внутри которой содержатся ферменты, гидролизующие белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры.

8.     Клеточный центр.Функцией клеточного центра является управление процессом деления клеток.

9.     Микротрубочки и микрофиламентыв совокупности формируют клеточный скелет животных клеток.

10.  Рибосомы эукариот более крупные (80S).

11.  Включения– запасные вещества, ивыделения – только в растительных клетках.

Ядро – важнейшая часть эукариотической клетки. Оно состоит из ядерной оболочки, кариоплазмы, ядрышек, хроматина.

1.         Ядерная оболочкапо строению аналогична клеточной мембране, содержит поры. Ядерная оболочка защищает генетический аппарат от воздействия веществ цитоплазмы. Осуществляет контроль за транспортом веществ.

2.         Кариоплазмапредставляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, углеводы, соли, другие органические и неорганические вещества. В кариоплазме содержатся все нуклеиновые кислоты: практически весь запас ДНК, информационные, транспортные и рибосомальные РНК.

3.         Ядрышко –сферическое образование, содержит различные белки, нуклеопротеиды, липопротеиды, фосфопротеиды. Функция ядрышек – синтез зародышей рибосом.

4.         Хроматин (хромосомы). В стационарном состоянии (время между делениями) ДНК равномерно распределены в кариоплазме в виде хроматина. При делении хроматин преобразуется в хромосомы.

Функции ядра: в ядре сосредоточена информация о наследственных признаках организма (информативная функция); хромосомы передают признаки организма от родителей к потомкам (функция наследования); ядро согласует и регулирует процессы в клетке (функция регуляции).

1.  Нуклеиновые кислоты

2.  Хромосомы

Митоз

4. Мейоз

Мутации

1.  Нуклеиновые кислоты – органические вещества, продукт реакции поликонденсации нуклеотидов. Нуклеотиды состоят из остатка фосфорной кислоты, пентозы, азотистого основания. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), которые различаются рядом признаков и свойств (табл. 1).

Важность выполняемых функций ДНК и РНК обусловлены особенностью строения молекул. Выяснить структуру ДНК удалось в 1953 году английским ученым Д. Уотсону и Ф. Крику. Они показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль вправо, обе цепи свиты вместе, образуя двойную спираль. Прочность молекуле ДНК придает взаимодействие с белками, образующими комплекс нуклеиновой кислоты и белка – нуклеопротеид.

Таблица 1

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Молекула РНК состоит из одной цепи и имеет небольшие размеры. Существует четыре основных вида РНК: информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК), малая ядерная РНК (мяРНК).

2.  Хромосомы

В клеточных организмах ДНК содержится в специальных нуклеопротеидных комплексах – хромосомах. В состоянииделения ядерные кислоты образуют особые органоиды –хромосомы, ядерное вещество становитсяхроматиновым(способным к окрашиванию).

Бактериальная хромосома содержит молекулу ДНК, свѐрнутую в кольцо. Эти кольца сверхспирализированы: двойная спираль, прежде чем еѐ концы были соединены, была частично раскручена. Такой эффект позволяет молекуле разместиться более компактно. Хромосомы эукариот представляют собой линейную молекулу ДНК. Эукариотическая ДНК обматывает белковые частицы – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определѐнные интервалы.

Хромосомы имеют определенную форму: палочкообразную, разноплечную и равноплечную. Тело хромосомы состоит из центромеры (центральной перетяжки) и двух плеч. У палочкообразных хромосом одно плечо очень большое, а второе – маленькое.

Число хромосом и их форма для каждого вида строго одинаково и является систематическим признаком. Известно, что в многоклеточных организмах различают два типа клеток по количеству хромосом –соматические (клетки тела) иполовые клетки (гаметы). Число хромосом в соматических клетках в два раза больше, чем в половых клетках, такой набор хромосом называютдиплоидным (двойным) «2n», а количество хромосом в гаметах – гаплоидным (одинарным) «n». В соматических клетках содержится 2nхромосом, а в гаметах – n хромосом. Например, в соматических клетках тела человека содержится 46 хромосом, т.е. 23 пары. Половые клетки человека (яйцеклетки и сперматозоиды) содержат 23 хромосомы.

Парные (гомологичные) хромосомы имеют одинаковую форму и выполняют одинаковые функции: они несут информацию об одинаковых типах признаков. Такие хромосомы называют также аллельными. Хромосомы, принадлежащие к разным парам гомологичных хромосом, называютсянеаллельными.

Хромосомы состоят из генов.Ген – участок молекулы ДНК, в котором содержится информация о структуре одной.

Хромосомы выполняют в клетке следующие функции:

1) хромосомы содержат наследственную информацию о признаках, присущих данному организму; 2) через хромосомы осуществляется передача наследственной информации потомству.

Митоз

Все клетки появляются путѐм деления родительских клеток. В зависимости от механизма распределения хромосом по дочерним клеткам различают несколько типов деления клеток: митоз, мейоз, амитоз, эндомитоз. Большинству клеток свойственен клеточный цикл, состоящий из двух основных стадий: интерфазы и митоза. Интерфаза – период между делениями (митозами), состоит из трех этапов (пресинтетического, синтетического и постсинтетического). В течение 4-8 часов после деления клетка увеличивает свою массу. Некоторые клетки (нервные клетки мозга) навсегда остаются в этой стадии – никогда не делятся. У других же в течение 6-9 часов удваивается хромосомная ДНК (синтез ДНК – основной процесс синтетического периода). Когда масса клетки увеличивается в два раза, начинается митоз.

Митоз – (от греч. mitos – нить), способ деления ядер клеток, обеспечивающий равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Митоз (непрямое деление) – основной способ деления соматических клеток эукариот. В типичной животной клетке митоз включает 4 этапа: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

В профазу центриоли удваиваются и расходятся к полюсам клетки. Ядерная мембрана разрушается. Микротрубочки выстраиваются от одной центриоли к другой, образуя веретено деления. Концевые части хромосом разъединяются, но всѐ ещѐ остаются попарно сцепленными в области первичной перетяжки (центромеры).

В метафазе хромосомы, за счет нитей веретена деления, выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. Центромеры, удерживающие дочерние хромосомы, делятся, после чего хромосомы полностью разъединяются.

В стадии анафазы хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Когда хромосомы достигают полюсов, начинается телофаза. Клетка делится надвое в экваториальной плоскости, нити веретена разрушаются, вокруг хромосом формируются ядерные мембраны. Каждая дочерняя клетка получает диплоидный набор хромосом, полностью идентичный по составу генов материнскому.

а счет митоза в многоклеточных организмах осуществляется рост и развитие. У одноклеточных организмов осуществляется деление надвое.

4. Мейоз (от греч. meiosis – уменьшение), способ деления клетки, в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом в дочерних клетках, образуются половые клетки. В ходе мейоза одна диплоидная клетка после двух последовательных делений дает начало 4 гаплоидным половым клеткам. При слиянии мужских и женских половых клеток диплоидный набор хромосом восстанавливается.

Мужские половые клетки имеют примерно одинаковые размеры, то при образовании яйцеклеток распределение цитоплазмы происходит очень неравномерно: одна клетка остаѐтся крупной, а три остальных малы и служат для удаления избыточного генетического материала из яйцеклетки.

Биологическая сущность мейоза заключается в уменьшении числа хромосом в два раза и образовании гаплоидных гамет (то есть гамет, имеющих по одному набору хромосом). Механизм мейоза обеспечивает новые комбинации родительских генов – поддерживает генетическое разнообразие внутри вида.

Мутации

Изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки. Изменчивость организмов связана как с изменчивостью генотипа, так и с влиянием окружающей среды.

Источником изменчивости может быть нарушение механизмов митоза и мейоза. Обмен генами между гомологичными хромосомами в профазе I мейоза, случайная ориентация и последующее независимое расхождение хромосом, слияние мужской и женской гамет в зиготу являются причиной практически неограниченного различий между особями в популяции.

Новые комбинации генов не могут породить крупных изменений в генотипе, которые приведут к образованию нового вида. Причиной таких изменений могут быть мутации – внезапно возникшие стойкие изменения наследственного материала организма количественного или качественного характера.

Мутационная изменчивость характерна для прокариот и эукариот, размножающихся любым способом. Причинами мутаций могут быть нарушение механизмов деления клеток или действие мутагенов – факторов, вызывающих развитие мутаций. Их классифицируют на экзогенные (внешние причины) и эндогенные (внутренние причины). К эндогенным мутагенам относят активные радикалы, образующиеся в клетках в процессе обмена веществ. Экзогенные мутагены классифицируют на:

1)  физические (ионизирующие излучения, ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры);

2)  химические (пестициды, нитраты, нитриты, алкоголь, бензапирен, диоксины, ряд антибиотиков, некоторые пищевые добавки, тяжелые металлы);

3)  биологические (токсины некоторых бактерий, вирус оспы, вирус кори, вирус герпеса).

Мутации, возникающие в половых клетках, передаются последующим поколениям, в то время как мутации, возникающие в соматических клетках, наследуются только дочерними клетками. В зависимости от масштабов изменений в генетическом материале клетки выделяют мутации: генные, хромосомные, геномные.

Геномныемутации возникают, как правило, в ходе мейоза и приводят к приобретению или утрате отдельных хромосом или наборов хромосом (полиплоидии). Еѐ причиной является нерасхождение хромосом при мейозе. Зиготы с увеличенным набором хромосом могут развиваться во взрослые организмы. Обычно это сопровождается значительными аномалиями в строении и функционировании организма. Типичными примерами приобретения лишней хромосомы является: синдром Дауна (лишняя 21-ая хромосома), синдром Патау (лишняя 13-ая хромосома), синдром Эдвардса (лишняя 18-ая хромосома). Другой тип геномной мутации – полиплоидия особенно распространена у растений, размножающихся вегетативным путѐм. Более половины цветковых растений (и большинство культурных растений) – полиплоиды, которые, как правило, более массивные и продуктивные чем дикие диплоиды.

В результате хромосомных мутаций изменяется взаимное расположение генных участков. Примером хромосомной мутации у человека является синдром кошачьего крика.

Мутировать могут не только хромосомы, но и отдельные гены. При этом изменяется последовательность нуклеотидов в определѐнном участке хромосомы, что влечѐт за собой изменение последовательности аминокислот в белковой цепи. Отдельные нуклеотиды могут просто добавляться, удваиваться, заменяться на другие, удаляться из цепи, перемещаться по отношению к другим нуклеотидам. Примером генных мутаций у человека служат: фенилкетонурия, полидактилия (более 5 пальцев на руке), серповидноклеточная анемия (эритроциты серповидной формы), альбинизм, гемофилия (не свертываемость крови).

Мутации создает материал для эволюции. Некоторые мутации приводят к усилению благоприятных признаков, повышению генетического разнообразия организма, что способствует изменчивости популяции и может привести к образованию новых видов.

Загрязнение окружающей среды приводит к увеличению количества мутагенов, что влияет на увеличение генетического груза (доли неблагоприятных мутаций). Что ставит под угрозу сохранение человеческого генотипа, вида как эволюционной единицы.