Клеточная мембрана (плазмалемма)

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Клетка – структурная единица организма, выполняющая определенные функции. Основные черты организации клеток свойственны как простейшим, так и многоклеточным животным (рис.1.) и растениям. Наука, изучающая строение и работу клеток – цитология.

Рис.1. Схема строения животной клетки.

Основные компоненты клетки:

Клеточная мембрана (плазмалемма).

Рис.2. Строение плазмалеммы (http://img.bhs4.com/52/8/5284e6c8b10e09baf56c9676c2e57fd3d62b8704_large.jpg)

Синим цветом – белки (поверхностные или трансмембранные), красные шарики – гидрофильные головки липидов, желтые ниточки, отходящие от каждого шарика – гидрофобные хвосты.

Строение: (рис.2) – многослойная комбинация из жироподобных молекул (билипидный слой – два слоя липидов) и белковых молекул (периферические, включенные в мембрану, транспортные протеины): липопротеиновая мембрана (подвижное море жиров с островками белков).

Мембраны всех органоидов клетки отличаются по составу липидов и протеинов – это обуславливает различные свойства мембран в одной клетке и между клетками. Мембрана, отграничивающая вакуоль в растительной клетке называется тонопласт.

Функции

1) защита;

2)регуляция поступления веществ в цитоплазму.

Избирательная проницаемость (главное свойство мембраны) веществ в клетку и из клетки. Хорошо пропускает воду, газообразные и жирорастворимые (благодаря липидному слою) вещества. Поры в липидном слое проводят вещества, нерастворимые в жирах. Поры обладают зарядом – ионы не могут проникать свободно, что позволяет регулировать их поток.

Если вещество попадает в клетку по законам диффузии (когда его концентрация снаружи больше, чем внутри), то оно вовлекается в обмен веществ, превращаясь и накапливаясь в связанном состоянии (водоросли накапливают йод в концентрациях, в миллион раз выше концентрации в морской воде).

Мембрана осуществляет и активный транспорт. Белки мембраны (транспортные ферменты) перемещают вещества с затратой энергии с одной стороны мембраны на другую, образуя промежуточное соединение. Детали процесса неизвестны, но факт несомненен.

Мембрана, изменяя проницаемость для ионов Na⁺ (натрия) и К⁺ (калия), приводит к возникновению и перемещению биотоков. Снаружи мембрана содержит ионы К⁺ (заряд положительный). Отщепляясь от участка, подвергшегося воздействию, ионы К⁺ приводят к появлению там отрицательного заряда. Это раздражает соседние участки, деполяризуя их. Волна электроотрицательности распространяется по мембране. Затем ионы К⁺ возвращаются, придавая мембране исходный заряд.

2) Цитоплазма (формирует единую и неделимую систему с ядром) – внутренняя среда клетки (кроме ядра и вакуоли). Цитоплазма = гиалоплазма + органеллы + включения.

NB!!! Протоплазма – не синоним, т.к. это все живые части клетки вместе с ядром!

Состав. Органические компоненты: белки в состоянии коллоидного раствора + углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Неорганические компоненты: вода – главный растворитель и среда для реакций обмена веществ; ионы солей (Са^2+, К⁺, Na⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ и др.).

Структура. Гиалоплазма – основное вещество, активная цитоплазма (в состав входят белки-ферменты, необходимые для химических процессов), в которую погружены органеллы и включения (отходы обменных процессов и запасные питательные вещества). Цитоплазма постоянно находится в движении (циклоз).

Функции. Поддержание формы и структуры клетки.

В цитоплазме находятся органеллы – структурные составляющие клетки, выполняющие в ней определенные функции.

3) Ядро (формирует единую и неделимую систему с цитоплазмой) (рис.3).

Рис.3. Строение ядра (желтым цветом) (http://www.molecularstation.com/molecular-biology-images/data/504/638px-Endomembrane_system_diagram.JPG)

Строение: Отграничено двойной мембраной. Наружная мембрана связана с эндоплазматической сетью цитоплазмы. Мембрана пронизана мельчайшими порами (обмен веществ с цитоплазмой). Внутри ядра жидкий зернистый ядерный сок – нуклеоплазма, в которой находятся белковые вещества и основной структурный компонент: хроматин (хромосомы). Хроматин состоит из связанных с ДНК белков. Плюс в кариолимфе находится одно или несколько ядрышек (нуклеолы) – состоят из связанных с РНК белков. В ядрышках происходит синтез материала рибосом и их сборка.

Клетка без ядра живет короткое время. Клетки ситовидных трубок у растений не имеют ядра, но при этом живые: живут недолго. Остальные безъядерные клетки – мертвые.

Ядра в молодых клетках занимают до ¾ объема клетки.

Функция: передача, прием, расшифровка и хранение генетической информации. Сведения о составе всех белков, способных синтезироваться в данной клетке в течение ее жизни (кроме белков митохондрий и хлоропластов – самостоятельные структуры). Ядро содержит полный набор генов данного организма.

4) Митохондрии – имеют форму палочек, нитей, иногда гранул. Число в клетке – 100-3000 (редко - меньше): чем активнее жизнедеятельность клетки, тем больше митохондрий. В пространстве распределяются неравномерно: сосредоточены там, где происходит активная работа.

Рис.4. Схема строения митохондрии.( http://www.hackyway.com/wp-content/uploads/2013/03/atp-1024x768.png)

Строение: двухслойная липопротеиновая мембрана (рис. 4), внутренняя полость. Внутренняя мембрана образует перегородки, не доходящие до противоположной стенки – кристы (увеличивают рабочую поверхность). Внутреннее пространство – матрикс. Ферменты находятся на кристах и в матриксе.

Функции: внутриклеточное дыхание клетки (окислительные процессы), запасание освобождающейся при дыхании энергии в форме АТФ.

5) Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум – сложная система двойных мембран внутри клетки (образуют цистерны, плоские мешки, ветвящиеся трубки). Связана с наружной оболочкой ядра и наружной мембраной (местами в нее переходит).

Рис. 5. Строение эндоплазматического ретикулума. (http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%203/03-32_ER_L.jpg)

Строение: Стенки построены из мембран (рис.5), включающих в свой состав ферменты. Ферменты расположены упорядоченно, соседние осуществляют последовательно протекающие реакции (как на конвейере), группа ферментов – всю цепь реакций, необходимых для создания вещества. На внешней стороне располагаются многочисленные гранулы («тельца Паллада»), содержащие РНК (рибонуклеиновую кислоту), поэтому называются рибосомами.

А) гранулярный (шероховатый) ЭП ретикулум – на наружной поверхности расположены рибосомы (осуществляют синтез белковых молекул).

Б)агранулярный (гладкий) ЭП ретикулум – преобладает количественно, не несет рибосом

Функции: Синтез веществ. Взаимодействие между ядром и цитоплазмой. Транспорт веществ – связывает между собой все части клетки. В растительных клетках ретикулум проходит через плазмодесмы, соединяясь с ретикулумом соседних клеток. Мембраны ЭПР делят цитоплазму на отсеки (в каждом отсеке свои условия). По мембранам распространяются сигналы (биотоки), меняющие проницаемость мембран и активность ферментов.

6) Аппарат (или комплекс) Гольджи – часть цитоплазматических мембран без рибосом (связаны с ЭПС) (рис.6).

Рис.6. Строение аппарата Гольджи. (http://media-2.web.britannica.com/eb-media/52/116252-004-9615DB80.jpg)

Строение. Состоит из диктиосом – систем мембран, сложенных стопкой. Имеют вид узких щелей, плоских мешочков, цистерн, пузырьков. Форма зависит от степени наполнения веществами. Вакуоли в растительных клетках – отделившиеся от аппарата Гольджи, а затем увеличившиеся пузырьки.

Функции: Концентрация (в том числе запасание) синтезируемых в клетке веществ, их выделение наружу или внутрь клетки – особенно развит аппарат Гольджи в выделительных (секреторных) клетках. Ряд процессов по синтезу веществ, образующих клеточную оболочку.

7) Рибосомы– мелкие шаровидные органеллы (рис.7). Часть прикреплена к мембранам шероховатого эндоплазматического ретикулума, часть – свободно размещается в гиалоплазме. В клетке может быть до 5 млн рибосом.

Рис.7. Внешний вид рибосомы. (http://www.terradaily.com/images/simulated-ribosome-processing-amino-acid-bg.jpg)

Функция: синтез белка (много в клетках, образующих белок: растущие клетки, клетки, секретирующие белок, митохондрии, хлоропласты).

Каждая рибосома производит за свою жизнь много молекул разных белков. Она может работать на основе любой и-РНК, и характер созданного ею белка зависит только от состава той и-РНК, в контакте с которой рибосома работала на этот раз.

Лизосомы

Строение: похожи на митохондрии, но без внутренней структуры. Покрыты липопротеиновой мембраной. Внутри – ферменты, переваривающие белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды. Продукты деятельности аппарата Гольджи, в которых он накопил переваривающие ферменты.

Функция: резервуары ферментов, расщепление крупных органических молекул, разрушение отмерших клеток – в ней лизосомы разрушаются и ферменты переваривают всю клетку (лизис).

9) Центросома – немембранная органелла животных клеток (рис.8).

Рис. 8. Строение центросом.

Строение: Девять ультрамикроскопических палочковидных образований (микротрубочек из белка), заключенных в особо дифференцированную уплотненную цитоплазму.

Функция: 1) обеспечивают сократительную (двигательную) активность цитоплазмы и ее образований. 2) сократительные структуры жгутиков – органоидов движения. 3) деление клетки – образуют нити веретена деления. 4) в клетках без плотной оболочки – опорная функция.

Специальные структуры и включения:

ü гликоген – резервное вещество, потребляемое в процессе обмена веществ как основной материал для окислительных процессов

ü жир– мелкие капли

ü сократимые волоконца – в мышечных клетках

Специальные структуры растительных клеток:

Рис. 9. Схема строения растительной клетки.

Пластиды

Каждая из пластид имеет свое строение и функции, возможны переходы пластид из одного типа в другой (позеленение клубней картофеля – переход лейкопластов в хлоропласты, пожелтение моркови – переход лейкопластов в хромопласты). Все пластиды образуются из пропластид.

а) лейкопласты – бесцветные, находятся в неокрашенных частях растений (плоды, семена, корни, эпидермис листьев). Лейкопласты запасают крахмал (встречаются чаще всего), белки (реже), жиры (наименее распространенные).

б) хлоропласты – зеленые. В них происходит фотосинтез. Имеют форму двояковыпуклой линзы, находятся в паренхиме зеленых частей растений. Число в клетке – от 25 до 50.

Рис.10. Строение хлоропласта.( http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%203/03-37_Chloroplasts_L.jpg)

Строение: Наружная оболочка – двухслойная мембрана. Под ней в основном веществе (строме) расположены ламеллы: плоские мешочки, лежащие друг на друге стопками (похожи на монеты). Стопки называются гранами. Все граны связаны между собой ламеллами. В состав мембран входит хлорофилл – световая фаза фотосинтеза. В строме содержатся ферменты, обеспечивающие темновые реакции фотосинтеза.

Сахара, жиры и белки образуются в строме (есть необходимые ферменты). Сахара могут переходить в другие структуры клетки, могут откладываться в виде крахмала, жиры откладываются в виде капель или в форме более простых веществ выходят из хлоропласта.

Хлоропласты перемещаются по клетке. При слабом свете поворачиваются к источнику света большей поверхностью и перемещаются под стенку клетки, обращенную к свету. При слишком сильном свете поворачиваются к нему ребром и выстраиваются вдоль стенок клетки, параллельным лучам солнца. При нормальном освещении занимают промежуточное положение. Результат – наиболее благоприятные условия для фотосинтеза. Перемещения хлоропластов – типичный пример фототаксиса.

Автономны: есть свои рибосомы (синтез своих белков), ферменты для образования липидов, автономная система добывания энергии.

в) хромопласты – окрашенные в другие цвета. Простая мембранная структура: нет гран, строма содержит желтые или оранжевые пигменты. Содержатся в клетках лепестков, плодов, корнеплодов.

Гипотеза о происхождении хлоропласт и митохондрий от низших организмов, поселившихся в клетке и вступивших с ней в симбиоз, став неотъемлемой частью – теория эндосимбиоза.

2) Клеточная стенка– оболочка растительной клетки (рис.11) неодинаковой толщины и строения у разных клеток.

Рис.11. Внешний вид клеточной стенки. (http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%203/03-24_EukaryCellWall_L.jpg)

Состав и строение: Полисахариды: пектин, гемицеллюлоза и целлюлоза – образуют первичную оболочку (эластична, не препятствует росту клетки, создавая прочность и защиту). Целлюлоза – вторичная оболочка под первичной: нити целлюлозы (микрофибриллы) погружены в пектиновое вещество (как железные прутья погружены в цемент при создании железобетонных конструкций). В зависимости от типа клеток лежат продольно или поперечно (клетка растет в том направлении, где вторичная оболочка ее не ограничивает).

Функции: опора (образуют механические ткани), иногда – запасание (образующие клеточную стенку вещества могут расходоваться на питание).

3) Вакуоль – одномембранная органелла, наполненная жидкостью (рис.12). Часто занимает почти весь объем клетки. В молодых клетках – несколько мелких вакуолей (сливаются в одну по мере роста). Содержимое вакуоли – клеточный сок (раствор сахаров, аминокислот, других органических кислот, пигментов, витаминов, дубильных веществ, алкалоидов, гликозидов, неорганических солей, иногда – белков – продуктов жизнедеятельности клетки).

Функции: 1) запасание (тогда запасенные вещества поступают обратно в цитоплазму и используются) 2) выделение (в вакуоль выводятся ненужные продукты обмена – кристаллы щавелевокислого кальция).

Рис. 12. Внешний вид вакуоли. (http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%203/03-34_Vacuole_L.jpg)

4) Плазмодесмы– поры (поровые поля, если первичная оболочка), через которые проходят тяжи цитоплазмы и осуществляется связь между соседними клетками (рис.13).

Рис.13. Плазмодесмы. (http://classconnection.s3.amazonaws.com/431/flashcards/1134431/png/plasmodesma1328292965937.png)

Функция: Обмен веществами между соседними клетками. Распространение возбуждения. Объединение клеток и тканей в единый организм – координация работы всех частей.

Использованная литература:

1) Жизнь животных: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией профессоров Н.А.Гладкова, А.В.Михеева. 1970. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/59/Клетка

2) Жизнь растений: в 6-ти томах. — М.: Просвещение. Под редакцией А. Л. Тахтаджяна, главный редактор чл.-кор. АН СССР, проф. А.А. Федоров. 1974. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_biology/1816/РАСТИТЕЛЬНАЯ