Структурно-функциональная организация прокариотической и эукариотической клеток
Цель занятия:
Знать
Основные положения современной клеточной теории.
Особенности строения прокариотической и эукариотической клеток.
Строение и функции компонентов и органелл эукариотической животной клетки.
Уметь использовать полученные знания при изучении строения органов и тканей человека на кафедрах гистологии, патологической анатомии и ряде других.
Ознакомиться с основными отличиями растительной клетки от животной.
Внеаудиторная работа
Задание 1. Уровни организации живой материи
Изучите по табл. 1 классификацию, отражающую уровни иерархической системы организации живой материи.
Таблица 1
| Уровень организации | Элементарная единица уровня |
| Молекулярно-генетический | Ген |
| Клеточный | Клетка |
| Организменный (онтогенетический) | Особь |
| Популяционно-видовой | Популяция |
| Биогеоценотический | Биогеоценоз |
Ответьте на вопросы:
Какие основные универсальные свойства живого характерны для биологической системы на любом уровне ее организации?
Какие полимерные молекулы отвечают за самосохранение и самовоспроизведение живого?
Какие из уровней организации биологических систем относятся к организменным (1) и надорганизменным (2)?
Задание 2. Основные формы жизни. Общий план строения прокариотической клетки
В зависимости от степени структурной организации выделяют следующие формы жизни: доклеточные (вирусы) и клеточные (нанобактерии, цианобактерии, микоплазмы, бактерии, грибы, растения, животные). Исходя из особенностей организации клеточного наследственного материала выделяют про- и эукариотические клетки.
Изучите общий план строения прокариотической клетки (схема 1). Какие из указанных на схеме структур встречаются, как правило, во всех клетках прокариот?
Схема 1
Основные компоненты прокариотической клетки
Таблица 2
Строение и функции оболочки бактериальной клетки
| Компонент | Характеристика |
| Слизистые слои и капсула | Комплекс полисахаридов. Создают дополнительную защиту; способствуют формированию клеточных колоний |
| Клеточная стенка (КС) | Основной компонент муреин. В него могут быть встроены полисахариды, белки (антигенные свойства), липиды. Придает клетке форму, препятствует ее осмотическому набуханию и разрыву. Через поры КС легко проникает вода, ионы, мелкие молекулы. За счет ферментов на поверхности КС расщепляются полимерные молекулы до низкомолекулярных соединений, поступающих затем в клетку |
| Жгутики | Один или несколько у многих бактерий. Состоят из одинаковых субъединиц белка, микротрубочек нет. Обеспечивают передвижение |
| Ворсинки (пили) | На поверхности ряда бактерий; короче и тоньше жгутиков. Служат для прикрепления клеток к субстрату или друг к другу; участвуют в транспорте продуктов обмена веществ; F-пили обеспечивают передачу части ДНК из клетки в клетку |
| Плазмалемма (ПМ) | Сходна с ПМ эукариот, но в ней больше белков. Содержит группу липидов (кардиолипины), которых нет в ПМ эукариот. Кардиолипины участвуют в процессах окислительного фосфорилирования и переноса электронов в процессе синтеза АТФ. ПМ не способна к эндо- и экзоцитозу. |
Задание 3. Оболочка прокариотической клетки
Оболочка клеток прокариот состоит из плазмалеммы (ПМ) и поверхностных структур (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки).
Изучите по табл. 2 строение и функции компонентов оболочки бактериальной клетки. Особенности молекулярной организации надмембранного комплекса бактерий определяют их устойчивость к бактериолизинам (антитела, разрушающие клеточную стенку), лизоциму, фагоцитам и некоторым антибиотикам. Например, инкапсулированные штаммы пневмококков, имеющие толстую и плотную капсулу, интенсивно размножаются в организме человека, вызывая пневмонию, а некапсулированные уничтожаются фагоцитами и безвредны для человека. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка имеет тонкий слой липидов, защищающий такие бактерии от действия лизоцима.
Ответьте на вопросы:
Какие прокариотические организмы с размером клетки ~ 0,1 мкм не имеют клеточной стенки?
Какие вещества (низко- или высокомолекулярные) легко проникают через клеточную стенку и ПМ бактерий?
Есть ли у бактерий лизосомы? Внутри или снаружи бактериальной клетки происходит расщепление белков, полисахаридов и других макромолекул экзогенной природы?
Лизоцим обнаружен у животных в слюне, слезах, слизистой оболочке носа и др. Какое действие оказывает лизоцим на полисахаридную основу муреина оболочки бактерий? Почему грамотрицательные бактерии устойчивы к лизоциму слюны и интенсивно размножаются в ротовой полости человека?
Задание 4. Цитоплазма прокариотической клетки
Изучите по табл. 3 особенности строения и функции компонентов цитоплазмы прокариотической клетки на примере бактериальной.
Таблица 3
Компоненты цитоплазмы прокариотической клетки
| Компонент или структура | Характеристика | Функции |
| Основное вещество (гиалоплазма) | Коллоидная система (золь – гель), не способная к циклозу, т.к. нет цитоскелета | Выполняет роль внутре-нней среды клетки, в которой происходят разнообразные биохимические реакции |
| Органеллы – рибосомы (большая субчастица – 50S, малая – 30S) | Более мелкие, чем у эукариот. Отличаются от рибосом эукариот по числу белков и коэффициенту седиментации (70S- рибосомы) | Синтез белка |
| Система внутри-клеточных мембран | Отсутствует или выражена плохо. Могут образовываться мезосомы – многоскладчатые впячивания ПМ. Содержат ферменты дыхательной цепи. Фотосинтетические мембраны; образуются только у фотосинтетиков | Синтез АТФ Фотосинтез |
| Включения | Липиды, гликоген, полифосфаты, белки | Запасные питательные вещества |
Задание 5. Общий план строения эукариотической клетки
Изучите по схеме 2 общий план строения эукариотической клетки. Назовите органеллы мембранного и немембранного строения; органеллы общего (присущие всем клеткам) и специального (встречаются в особых клетках) назначения.
Схема 2
Компоненты эукариотической клетки
 |
Задание 6. Органеллы эукариотической клетки
Изучите по табл. 4 и 5 особенности строения и функции органелл эукариотической клетки.
Ответьте на вопросы:
У представителей каких царств в клетках имеются лизосомы, пероксисомы, пластиды, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи?
В каких клетках человека (фагоцитах, эритроцитах, кишечного эпителия, мышечных) содержится большое количество лизосом?
За счет каких органелл в клетках животных устраняются избыточные или потерявшие свою активность органеллы?
Таблица 4
Органеллы общего назначения эукариотической клетки
| Органелла | Строение и функции |
| Мембранные | |
| Эндоплазма-тическая сеть (ЭПС) | Состоит из сообщающихся мембранных полостей. К гранулярной ЭПС прикреплены рибосомы, обеспечивающие синтез белков, преимущественно удаляемых из клетки. На мембранах агранулярной ЭПС нет рибосом, здесь происходит синтез углеводов и липидов, перемещение секретов, обезвреживание токсических веществ и некоторых лекарств, образование первичных мембранных пузырьков |
| Комплекс Гольджи (КГ) | Совокупность диктиосом и системы пузырьков. Диктиосома – стопка из 3 – 12 уплощенных мембранных цистерн, пронизанных порами. На территории КГ происходят преобразования предшественников секретов и ферментов, синтез полисахаридов, жиров, гликопротеидов и гликолипидов, образование секреторных пузырьков для восстановления мембран ряда органелл и ПМ. В КГ образуются первичные лизосомы. В растительных клетках КГ участвует в секреции слизи, воска, камеди, растительного клея |
| Органелла | Строение и функции |
| Мембранные | |
| Лизосомы (Л) | Встречаются только в клетках животных и грибов. Представляют собой мембранные пузырьки, содержащие гидролитические ферменты в неактивной форме; разрыв мембраны пузырьков приводит к активации ферментов, повреждению клетки или её перевариванию. Л обеспечивают внутриклеточное пищеварение |
| Пероксисомы | Мембранные пузырьки с ферментами, нейтрализующими многие токсические соединения (этанол, пероксид водорода и др.). Участвуют в обмене холестерина, жиров, пуринов |
| Протеосомы | Структуры животной клетки, в которых происходит деградация ненужных белковых молекул, доставляемыx туда пептидом – убиквитином |
| Митохондрии | Ограничены двумя мембранами. Внутренняя мембрана образует кристы, погруженные в матрикс. В матриксе расположены ДНК и рибосомы. Главная функция – ферментативное извлечение из химических веществ энергии и трансформация ее в энергию молекул АТФ; побочная – синтез стероидных гормонов и некоторых аминокислот. Способны к автономному размножению |
| Пластиды | В клетках растений. В зависимости от окраски: лейко-, хромо- и хлоропласты. Хлоропласты (ХП) ограничены двумя мембранами. Внутренняя мембрана образует граны из тилакоидов, погруженных в строму. В строме находится молекула ДНК и рибосомы. В ХП происходит фотосинтез. Способны к размножению |
| Немембранные | |
| Рибосомы (большая субчастица – 60S, малая – 40S) | Состоят из малой и большой субчастиц, в состав которых входят рРНК, белки и ионы магния. Рибосомы (Р) эукариот более крупные (80S-рибосомы), чем у прокариот. На Р гиалоплазмы синтезируются белки для нужд клетки, на Р гранулярной ЭПС – белки, выводимые из клетки |
| Органелла | Строение и функции |
| Немембранные | |
| Клеточный центр | Образован 2 центриолями и центросферой. Стенку центриоли образуют 9 триплетов микротрубочек. Формирует веретено деления и определяет расхождение хромосом к полюсам клетки |
| Микротрубоч-ки | Образуют жгутики, реснички, митотическое веретено, центриоли. Микротрубочки кортикального слоя ПМ определяют форму клеток, переход гиалоплазмы из золя в гель и перемещение внутриклеточных компонентов |
| Микрофиламе-нты | Тонкие нити или пучки нитей, построенные из субъединиц различных белков. Актиновые микрофиламенты являются частью сократительного аппарата мышц |
Таблица 5
Органеллы специального назначения
| Органелла | Строение и функции |
| Реснички | Выросты эпителиальной клетки, окруженные плазмалеммой. В основании реснички находится базальное тельце, от которого тянутся дуплеты микротрубочек. Колебательные движения ресничек способствуют передвижению различных материалов, попавших на слизистую верхних дыхательных путей, маточных труб, семявыводящих канальцев |
| Жгутики | Напоминают реснички, но длиннее их. Обеспечивают движение (жгутик сперматозоида, органеллы движения у жгутиковых простейших) |
| Микроворсинки | Производные плазмалеммы; увеличивают всасывающую поверхность эпителиальных клеток кишечника |
| Миофибриллы | Сократимые белковые нити в мышечных клетках; обеспечивают их сокращение |
| Синаптические пузырьки | Находятся на разветвленных концах аксонов. Содержат вещества, участвующие в передаче нервного импульса |
Ответьте на вопросы:
Какую функцию выполняют пероксисомы? В клетках каких органов человека присутствуют крупные пероксисомы, окисляющие алкоголь до ацетальдегида?
Представители каких царств имеют в клетках рибосомы? Сколько разновидностей рибосом (в зависимости от константы седиментации) существует в клетках эукариот?
Где в клетке эукариот происходит синтез субчастиц рибосом?
Какие элементы цитоскелета обеспечивают способность ПМ к эндо- и экзоцитозу?
Что такое включения? Какие выделяют типы включений в зависимости от их состава и способа использования клеткой?
Задание 7. Проверка усвоения материала
Проверьте усвоение материала занятия по тестовым заданиям с выбором одного или нескольких правильных ответов (стр. 41).
Аудиторная работа
Задание 8. Основные компоненты прокариотической клетки
Изучите схему субмикроскопического строения бактериальной клетки (рис. 1). На рисунке обозначьте: слизистый слой, клеточную стенку, плазмалемму, мезосомы, фотосинтетические мембраны, цитоплазму, рибосомы на иРНК, хромосомную ДНК, плазмиду, скопления запасных веществ, жгутики.
Ответьте на вопросы:
Какие древнейшие прокариоты, живущие в настоящее время, занимают промежуточное положение между вирусами и бактериями?
В каких структурах клетки происходит синтез АТФ у гетеротрофных а автотрофных прокариот?
Какие системы жизнеобеспечения присущи любой клетке? Чем представлена система самовоспроизведения в прокариотической клетке?
Рис. 1. Обобщенная схема строения клетки бактерий
Задание 9. Строение эукариотической растительной клетки
Рассмотрите схему строения растительной клетки (рис. 2). На рисунке обозначьте: оболочку, плазмалемму, цитоплазму, митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, ЭПС, вакуоли, рибосомы, ядро, ядрышко, ядерную мембрану, кариоплазму.
Перечислите структуры, свойственные только растительным клеткам.
Какие органеллы, характерные для животных клеток, отсутствуют в клетках высших растений?
Приготовьте временный препарат листа элодеи. Зарисуйте 1 – 2 клетки, обозначьте: оболочку, плазмалемму, цитоплазму, ядро, хлоропласты. Обратите внимание на движение хлоропластов под воздействием света. Укажите основные структурные отличия между животными и растительными клетками.
Рис. 2. Схема строения эукариотической растительной клетки
Рис. 3. Схема строения эукариотической животной клетки
Задание 10. Строение животной эукариотической клетки
Рассмотрите схему субмикроскопического строения животной клетки (рис. 3). На рисунке обозначьте: плазмалемму, цитоплазму, эндоплазматическую сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, рибосомы, клеточный центр. Обратите внимание на компартментацию клетки, определяемую большим количеством внутриклеточных мембран. Рассмотрите электронные микро-фотографии органелл эукариотической клетки.
На микропрепаратах под малым и большим увеличениями микроскопа рассмотрите строение клеток слизистой оболочки рта человека или клеток печени крысы. Зарисуйте 1 – 2 клетки, обозначьте: плазмалемму, цитоплазму, ядро, включения гликогена (клетки печени).
Задание 11. Поверхностный комплекс животной клетки
В клеточной оболочке животной клетки различают надмембранный комплекс (гликокаликс), плазмалемму и кортикальный (корковый) слой, который изнутри примыкает к плазмалемме.
Изучите по табл. 6 особенности организации и функции компонентов поверхностного комплекса животной клетки.
Изучите по рис. 4 схему строения плазматической мембраны и обозначьте: фосфолипидный бислой, полярные гидрофильные головки и неполярные гидрофобные хвосты молекул фосфолипидов, периферические и интегральные (погруженные) белки, молекулы гликопротеидов и гликолипидов, слой гликокаликса.
Рис. 4. Схема строения плазматической мембраны
Ответьте на вопросы:
Как поступают в клетку неполярные (холестерин и его производные) вещества (1), полярные высокомолекулярные соединения (2) и ионы (3), вода (4):
а) свободно без участия мембранных пузырьков;
б) через белковые ионные насосы;
в) только путем эндо- и экзоцитоза при помощи мембранных пузырьков;
г) путем осмоса?
Для каких клеток крови человека важное значение имеет транспорт веществ в мембранной упаковке (пино- и фагоцитоз)? Какие элементы цитоскелета клетки, соединяясь с плазмалеммой, обеспечивают изменение ее конфигурации и далее пино- и фагоцитоз?
Липосомы – это искусственно приготовленные из фосфолипидов мембранные пузырьки. Почему их можно использовать для введения внутрь клеток лекарственных препаратов?
Таблица 6
Поверхностный комплекс
животной эукариотической клетки
| Компонент | Особенности и функции |
| Гликокаликс | Представлен периферическими белками ПМ и углеводами (2 – 10 %) в составе гликолипидов и гликопротеидов. Определяет межклеточные узнавания, антигенные, адгезивные и рецепторные свойства клетки |
| Плазмалемма | Бислой фосфолипидов (25 – 60 %) в комплексе с белками (40 – 75%). Периферические белки расположены на поверхности ПМ, связаны с полярными головками липидных молекул. Основная их функция – рецепторная. Полупогруженные в бислой белки связаны с липидами гидрофобными взаимодействиями. Пронизывающие бислой белки определяют рецепторную, ферментативную и транспортную функции |
| Кортикальный слой | Представлен микротрубочками и микрофиламентами. Определяет форму клетки, передачу внешних сигналов глубинным структурам клетки |
Задание 12. Ядро
Изучите по табл. 7 особенности строения и функции компонентов ядра. На электронной микрофотографии ядра найдите оболочку, поры, хроматин, ядрышко. Обратите внимание на связь наружной мембраны ядерной оболочки с каналами эндоплазматической сети.
Ответьте на вопросы:
Сколько ядер имеют большинство клеток человека? Какие клетки человека безъядерные? Имеют два и много ядер?
Зависит ли количество пор в ядерной мембране от функционального состояния клетки? Увеличивается или уменьшается их количество с повышением синтетической активности в клетке? Чем это можно объяснить?
Таблица 7
Функции компонентов ядра
| Компонент | Функции |
| Оболочка | Состоит из двух мембран, пронизана порами. Разъединяет процессы транскрипции и трансляции, обеспечивает передачу внешних воздействий на хромосомы |
| Плотная пластинка | Белковый слой, подстилающий внутреннюю ядерную мембрану, сохраняет форму ядра, способствует упорядоченному расположению хромосом в ядре |
| Перинуклеолярное пространство | Регулирует ядерно-цитоплазматические перемещения веществ и структур |
| Поровый комплекс | Состоит из двух рядов белковых гранул, отверстие поры закрыто тонкой диафрагмой. Через поры осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц в цитоплазму и обратно |
| Кариоплазма | Коллоид в форме геля, выполняет опорную функцию за счет фибриллярных белков, обеспечивает нормальное функционирование генетического материала |
| Ядрышко | Одно или несколько в одном ядре. В ядрышке синтезируется рРНК и образуются субчастицы рибосом |
| Хроматин | Форма существования хромосом в интерфазе. Комплекс ДНК и белков. Обеспечивает хранение и передачу наследственного материала, регулирует все обменные процессы в клетке |
Задание 13. Митохондрии
Рассмотрите на электронной микрофотографии субмикроскопическое строение митохондрии. Найдите наружную и внутреннюю мембраны, кристы, матрикс, рибосомы. Пользуясь материалом табл. 8, ответьте на вопросы:
Какие факты свидетельствуют о том, что митохондрии – потомки древних прокариотических клеток, вступивших на ранних этапах происхождения эукариотической клетки в эндосимбиотические отношения с другими прокариотическими клетками?
Общая масса митохондрий по отношению к массе клеток различных органов крысы составляет: в поджелудочной железе – 7,9%, в печени – 18,4%, в сердце – 35,8%. Почему в клетках этих органов различное содержание митохондрий?
В каких клетках человека – эмбриональных или взрослого организма митохондрии более многочисленны?
Таблица 8
Строение и функции митохондрий
| Элемент органеллы | Особенности и функции |
| Наружная мембрана | Не образует впячиваний, способна растягиваться, содержит 15% белков и 85% липидов. Характеризуется высокой неспецифической проницаемостью, имеет туннельные белки с широкими проками, проницаема для большинства растворимых низкомолекулярных соединений |
| Внутренняя мембрана | Легко меняет форму, образует листовидные (кристы) или трубчатые (тубулы) впячивания. Сходна по составу с ПМ прокариот, содержит 75% белков, 20% липидов, значительное количество кардиолипинов. Непроницаема для ионов. Содержит ферменты кислородного этапа дыхания |
| Элемент органеллы | Особенности и функции |
| Матрикс | Внутренняя среда митохондрии, в которой размещена ДНК, мелкие рибосомы, ферменты репликации, транскрипции, трансляции, цикла Кребса |
Учебно-исследовательская работа студентов (УИРС)
Задание 14. Влияние изо-, гипо- и гипертонического растворов на эритроциты крови человека
Если к одной капле крови добавить изотонический (0,85%) раствор хлористого натрия, к другой – гипертонический (10%), к третьей – гипотонический (0,5%), то можно наблюдать разное влияние растворов на эритроциты. В изотоническом растворе эритроциты не изменяются, в гипертоническом – они сморщиваются, в гипотоническом – набухают и лопаются (происходит гемолиз). Объясните наблюдаемые явления.