Клеточная теория. Строение клетки

Всё живое (и то, что недавно было живым) состоит из клеток. Знания о них накапливались постепенно и со временем сформировали клеточную теорию, в которой собрана вся самая важная информация.

1665 год — английский натуралист Роберт Гук первый раз разглядел клетку и дал ей это название.

Есть нюанс: на самом деле он увидел лишь целлюлозные стенки клетки со среза дубовой пробки, состоящей из уже мёртвых клеток. Гук полагал, что внутри все клетки пустые (т.к. увидел такую картину в пробке), а живое вещество – это сами клеточные стенки. Сейчас мы знаем, что всё немного не так, но для того времени это было большое открытие.

1696 год — Антони ван Левенгук, служащий ратуши нидерландского города Делфта, увлекающийся на досуге микроскопированием, впервые увидел живые клетки: простейших, эритроциты, клетки мышечной ткани — с помощью ручного микроскопа, который он усовершенствовал, и описал их.

1838—1839 годы — немецкие учёные Шванн и Шлейден почти параллельно пришли к заключению, что и растения, и животные сложены из клеток, и сформулировали первую версию клеточной теории, которая является фундаментом всей современной цитологии.

Есть нюанс: они написали, что клетки возникают из некоего неклеточного вещества (сейчас мы знаем, что это не так).

1859 год – учёный широкого профиля Вирхов внёс важное положение «клетка от клетки» — то есть объяснил, что клетки появляются только при делении других клеток и никак иначе, и клеточная теория приобрела свои практически современные формулировки.

1. Клетка является универсальной структурной и функциональной единицей живого, имеющего клеточную структуру.
2. Все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности.
3. Клетки образуются только при делении предшествующих им клеток.
4. Клетки способны к самостоятельной жизнедеятельности, но в многоклеточных организмах их работа скоординирована, и организм представляет собой целостную систему.

Клетки могут сильно различаться внешне: яйцеклетка страуса имеет диаметр 10 см, а малярийный плазмодий — 5 мкм, эритроциты выглядят как двояковогнутый диск, а нейроны имеют сложную форму и отростки, которые могут быть до 1 м длиной. Но несмотря на это, все имеют схожие базовые принципы строения.

Несмотря на многообразие живых организмов, их клетки строятся по одинаковому плану:

• клеточная мембрана, защищающая содержимое клетки от окружающей среды;
• цитоплазма с органоидами и включениями, где происходят биохимические реакции;
• генетический аппарат — хранящие и реализующие наследственную информацию молекулы ДНК.

• Два слоя фосфолипидов, состоящие из гидрофильной части (головки, которая обращена наружу) и гидрофобной части из жирных кислот (хвоста, который обращен внутрь слоя). В клетках животных между фосфолипидами находятся молекулы холестерина, который придаёт их мембране прочность, не даёт распадаться.
• На поверхности и внутри мембраны находятся молекулы белков, которые распознают другие клетки и транспортируют вещества внутрь клетки и наружу.
• Мембрана имеет жидкостно-мозаичную структуру: белковые молекулы перемещаются в жидком фосфолипидном бислое. При застывании мембраны (при низких температурах) клетка погибает.
• Транспорт веществ через мембрану может происходить прямо сквозь мембрану между молекулами фосфолипидов (для мелких молекул воды, углекислого газа, кислорода), через специальные транспортные белки (для более крупных молекул глюкозы, аминокислот, ионов) и за счет эндоцитоза, окружения и поглощения частицы мембраной клетки (для очень больших молекул и целых клеток). Поглощение твёрдых веществ называется фагоцитоз, жидких – пиноцитоз, выделение веществ таким же образом наружу – экзоцитоз.

Функция мембраны: разделяет внутренное содержимое клетки и внешнюю среду, организует поступление и выведение веществ.

• Гиалоплазма (цитозоль) – жидкое вещество, которое заполняет пространство между органоидами и постоянно циркулирует по клетке, обеспечивая равномерное распределение веществ.
• Органоиды – жизненно важные постоянные клеточные структуры, могут быть немембранными (цитоскелет, клеточный центр, реснички, жгутики, рибосомы не имеют в составе мембран), одномембранными (ЭПС, комплекс Гольджи, вакуоли, лизосомы состоят из одного слоя мембраны), двумембранными (митохондрии и пластиды окружены двумя слоями мембраны).
• Включения – непостоянные структуры, которые находятся в цитоплазме временно. Запасные включения – это питательные вещества, которые временно выведены из обмена веществ и накапливаются для дальнейшего использования (зёрна крахмала в клетках картофеля и других клубнях, липидные капли в семянках подсолнечника и клетках печени, глыбки белка в зернах пшеницы и яйцеклетках). Отбросные (конечные) включения – это вещества, которые полностью выведены из обмена веществ, чаще накапливаются в клетках растений (в цитоплазме излишки минеральных солей накапливаются в виде кристаллов оксалата кальция).

Немембранные органоиды

• Цитоскелет: внутренний скелет (опорно-двигательный каркас) клетки, который складывается из тонких нитей микрофиламентов (формируются из белка актина и способны сокращаться) и микротрубочек (сформированы из белка тубулина).

Функции цитоскелета: опорная (придаёт клетке жёсткость за счёт микротрубочек), двигательная (обеспечивает движение и изменение формы клетки за счет микрофиламентов), транспортная (микротрубочки транспортируют вещества и даже органоиды).

• Жгутики и реснички: образованы микротрубочками, имеются у способных к движению одноклеточных, ресничных червей, в мерцательном эпителии дыхательных путей.

Функции жгутиков и ресничек: двигательная (обеспечивают движение одноклеточных), защитная (выведение частиц из дыхательных путей).

• Клеточный центр: органоид клеток животных, некоторых водорослей и некоторых грибов, образуется из двух центриолей – полых цилиндров из микротрубочек, расположенных под углом 90°.

Функции клеточного центра: образование веретена деления, необходим для деления клетки.

Подробнее о делении можешь прочесть в главе «Деление клетки: митоз».

• Рибосома: складывается из двух субъединиц, сформированных РНК и белками, появляется в ядрышке.

Функция рибосом: синтез белков из аминокислот (трансляция).

Подробнее о синтезе белка можешь прочесть в главе «Пластический обмен: биосинтез белка».

Одномембранные органоиды

• Эндоплазматическая сеть (ЭПС): структура из замкнутых канальцев, полостей и складок мембраны, пронизывающая всю цитоплазму и разделяющая её. Шероховатая ЭПС располагается складками вокруг ядра, образует внешнюю мембрану ядра и несёт на себе рибосомы. Гладкая ЭПС образует полости и каналы дальше от ядра, не несёт рибосом.

Функции ЭПС: синтез белков (шероховатая ЭПС), синтез жиров и углеводов (гладкая ЭПС), транспорт веществ внутри клетки, образование мембран других органоидов, разделение цитоплазмы на отдельные отсеки.

• Комплекс Гольджи: структура из плоских мембранных мешочков — цистерн, сложенных в стопки по 4–6 штук, и мембранных пузырьков, отходящих от цистерн. Комплекс Гольджи хорошо развит в тканях, синтезирующих гормоны и нейромедиаторы (в железистой и нервной ткани может занимать до 40% объёма клетки).

Функции комплекса Гольджи: накопление и модификация веществ, полученных от ЭПС, синтез сложных веществ (ферменты, гормоны), образование везикул (пузырьков) и транспорт веществ за пределы клетки, образование лизосом.

• Лизосома: мембранный пузырёк (везикула) с гидролитическими (пищеварительными) ферментами, которые расщепляют полимеры: белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, жиры. Когда клетка поглощает частицы путем фагоцитоза, лизосома сливается с фагоцитарным пузырьком и осуществляет переваривание частиц или поглощенных клеток. Образуется комплексом Гольджи.

Функции лизосом: внутриклеточное пищеварение, разрушение старых структур клетки (органоидов или даже самих клеток, могут осуществлять автолиз – запрограммированное саморазрушение клеток).

• Вакуоль: мешочек из мембраны (тонопласт) с клеточным соком. Образуется ЭПС. Всегда есть в клетках растений, может встречаться у некоторых грибов. Изначально в молодой растительной клетке много мелких вакуолей, которые с возрастом сливаются в одну большую, занимающую до 90 % всего объёма. У пресноводных простейших имеется сократительная вакуоль – органоид осморегуляции, который выводит излишки воды, поступающей в клетки извне в результате осмоса.

• Функции вакуоли: запасающая (накапливает органические и минеральные вещества, пигменты, продукты обмена веществ), поддержание тургора клетки (регулирует осмос за счёт накопления веществ и поддерживает постоянный объём клетки).

Подробнее про осмос можешь прочесть в главе «Элементный состав клетки. Неорганические вещества. Вода».

Двумембранные органоиды

Называются также полуавтономными органоидами, поскольку окружены двумя слоями мембраны, имеют собственные молекулы ДНК, собственные рибосомы, способны синтезировать белки и самостоятельно делиться (одна митохондрия делится на две), клетка не может их синтезировать, подобно всем другим органоидам.

• Митохондрии: небольшие тельца палочковидной формы, имеют кристы, складки внутренней мембраны, на которых находится фермент АТФ-синтаза. Внутреннее содержимое митохондрий называется матрикс и содержит рибосомы, ферменты, РНК и кольцевую ДНК. Больше всего митохондрий в клетках мышечных тканей, так как у них высокая потребность в АТФ (энергии).

Функция митохондрий: клеточное дыхание – окисление органических веществ до неорганических (углекислого газа и воды) с образованием молекул АТФ (запасанием энергии).

Подробнее про клеточное дыхание можешь прочесть в главе «Энергетический обмен».

• Пластиды: есть только в растительных клетках, представлены хлоропластами (зелёными пластидами), лейкопластами (бесцветными пластидами) и хромопластами (красными пластидами).

Функция хлоропластов: фотосинтез — образование глюкозы из неорганических веществ с использованием энергии света.

Подробнее про фотосинтез можешь прочесть в главе «Пластический обмен: фотосинтез и хемосинтез».

Функция лейкопластов: запасание веществ (крахмала, белков).

Функция хромопластов: окрашивание цветков и плодов, приманивание насекомых, птиц и животных, защита гамет и семян от ультрафиолета.

Окружено двумя слоями мембраны, внешний из них соединен с ЭПС. Имеет ядерные поры для обмена веществами с цитоплазмой.

Внутреннее содержимое ядра содержит белки, ферменты, РНК, нуклеотиды, аминокислоты и хроматин (ДНК, связанные с белками). Содержит ядрышки – центры сборки рибосом.

Функции ядра: хранить и передавать наследственную информацию (ДНК), образовывать рибосомы, синтезировать РНК (транскрипция), регулировать в клетке синтез белков.

По сложности строения выделяют два типа клеток – прокариотические и эукариотические.

• Прокариоты: только бактерии, не имеют ядра и мембранных органоидов, молекула ДНК замкнута в кольцо и лежит прямо в цитоплазме. Имеют клеточную стенку из муреина.

Подробнее про бактерий можешь прочесть в главе «Царство Бактерии».

• Эукариоты: растения, животные и грибы, имеют ядро и мембранные органоиды, ДНК отделена от цитоплазмы и лежит в ядре.

Растительная клетка: имеет центральную вакуоль, пластиды, клеточную стенку из целлюлозы, запасает крахмал.

Животная клетка: не имеет вакуолей, пластид, клеточной стенки, имеет клеточный центр, запасает гликоген.

Грибная клетка: имеет мелкие вакуоли, не имеет пластид, клеточная стенка из хитина, запасает гликоген.