Строение и состав клетки

Содержание 

1. Клетка как  генетическая система

2. Строение  состав и типы

3. Понятия кариотип, диплоидный, гаплоидный набор хромосом,

аутосомы и  половые хромосомы

1. Клетка как  генетическая система

Клетка элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию; основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. К. существуют и как самостоятельные организмы, и в составе многоклеточных организмов (тканевые клетки). Термин «клетка» предложен английским микроскопистом Р. Гуком (1665). Клетка  — предмет изучения особого раздела биологии — цитологии. Систематическое изучение клетки началось лишь в 19 в. Одним из крупнейших научных обобщений того времени была Клеточная теория, утверждавшая единство строения всей живой природы. Изучение жизни на клеточном уровне лежит в основе современных биологических исследований.

В строении и функциях каждой клетки обнаруживаются признаки, общие для всех клетки, что отражает единство их происхождения из первичных органических комплексов. Частные особенности различных клеток — результат их специализации в процессе эволюции. Так, все клетки сходно регулируют обмен веществ, удваивают и используют свой наследственный материал, получают и утилизируют энергию. В то же время разные одноклеточные организмы (амёбы, инфузории и т.д.) сильно различаются размерами, формой, поведением. Не менее резко различаются клетки многоклеточных организмов. Так, у человека имеются лимфоидные клетки — небольшие (диаметром около 10 мкм) округлые клетки, участвующие в иммунологических реакциях, и нервные клетки, часть которых имеет отростки длиной более метра; эти К. осуществляют основные регуляторные функции в организме.

Методы исследования. Первым цитологическим методом была микроскопия живых клетки Современные варианты прижизненной (витальной) световой микроскопии — фазово-контрастная, люминесцентная, интерференционная и др. — позволяют изучать форму клетки и общее строение некоторых её структур, движение клетки и их деление. Детали строения клетки обнаруживаются лишь после специального контрастирования, что достигается окраской убитой клетки. Новый этап изучения структуры клетки — электронная микроскопия, дающая значительно большее разрешение структур клетки по сравнению со световой микроскопией. Химический состав клетки изучается цито- и гистохимическими методами, позволяющими выяснить локализацию и концентрацию веществ в клеточных структурах, интенсивность синтеза веществ и их перемещение в клетки. Цитофизиологические методы позволяют изучать функции клетки, например возбуждение, секрецию.

Общие свойства клеток. В  каждой клетке различают две основные части — Ядро и цитоплазму, в которых, в свою очередь, можно выделить структуры, различающиеся по форме, размерам, внутреннему строению, химическим свойствам и функциям. Одни из них — так называемые органоиды — жизненно необходимы клетке и обнаруживаются во всех клетках. Другие — продукты активности клетки, представляющие временные образования. В специализированных структурах осуществляется разделение различных биохимических функций, что способствует осуществлению в одной и той же клетке разнородных процессов, включающих синтез и распад многих веществ.

В ядерных органоидах — хромосомах, в их основном компоненте — ДНК, хранится генетическая информация о строении белков, свойственных организму определённого вида. Другое важнейшее свойство ДНК — способность к самовоспроизведению, что обеспечивает как стабильность наследственной информации, так и её непрерывность — передачу следующим поколениям. На ограниченных участках ДНК, охватывающих несколько генов, как на матрицах, синтезируются рибонуклеиновые кислоты — непосредственные участники синтеза белка. Перенос (Транскрипция) кода ДНК происходит при синтезе информационных РНК (и-РНК). Синтез белка представляется как считывание информации с матрицы РНК. В этом процессе, называемом трансляцией, принимают участие транспортные РНК (т-РНК) и специальные органоиды — Рибосомы, образующиеся в ядрышке. Размеры ядрышка определяются главным образом потребностью клетки в рибосомах; поэтому особенно велико оно в клетке, интенсивно синтезирующих белок. Синтез белка — конечный итог реализации функций хромосом — осуществляется главным образом в цитоплазме. Белки — ферменты, детали структур и регуляторы разных процессов, включая и транскрипцию — определяют в конечном счёте все стороны жизни клетки, позволяя клетке сохранять свою индивидуальность, несмотря на постоянно меняющееся окружение. Если в бактериальной клетке синтезируется около 1000 разных белков, то почти в каждой из клеток человека — свыше 10000. Таким образом, разнообразие внутриклеточных процессов в ходе эволюции организмов существенно возрастает. Оболочка ядра, отделяющая его содержимое от цитоплазмы, состоит из двух мембран, пронизанных порами — специализированных участков для транспорта некоторых соединений из ядра в цитоплазму и обратно. Другие вещества проходят через мембраны путём диффузии или активного транспорта, требующего затрат энергии. Многие процессы происходят в цитоплазме клетки при участии мембран эндоплазматической сети — основной синтезирующей системы клетки, а также Гольджи комплекса и митохондрий. Отличия мембран разных органоидов определяются свойствами образующих их белков и липидов. Клеткам некоторым мембранам эндоплазматической сети прикреплены рибосомы; здесь происходит интенсивный синтез белка. Такая гранулярная эндоплазматическая сеть особенно развита в клетке, секретирующих или интенсивно обновляющих белок, например у человека в клетке печени, поджелудочной железы, нервных клеткок. В состав других биологических мембран, лишённых рибосом (гладкоконтурная сеть), входят ферменты, участвующие в синтезе углеводно-белковых и липидных комплексов. В каналах эндоплазматической сети могут временно накапливаться продукты деятельности; в некоторых клетках по каналам происходит направленный транспорт веществ. Перед выведением из К. вещества концентрируются в пластинчатом комплексе (комплексе Гольджи).

Клетки растений. Поверх плазматической мембраны растительные клетки покрыты, как правило, твёрдой внешней оболочкой (она может отсутствовать лишь у половых клеток), состоящей у большинства растений главным образом из полисахаридов: целлюлозы, пектиновых веществ и гемицеллюлоз, а у грибов и некоторых водорослей — из хитина. Оболочки снабжены порами, через которые с помощью выростов цитоплазмы соседние клеток связаны друг с другом. Состав и строение оболочки меняются по мере роста и развития клеток. Часто у клетки, прекративших рост, оболочка пропитывается лигнином, кремнезёмом или др. веществом, которое делает её более прочной. Оболочки ее определяют механические свойства растения. Клетки некоторых растительных тканей отличаются особенно толстыми и прочными стенками, сохраняющими свои скелетные функции после гибели клетки. Дифференцированные растительные клетки имеют несколько вакуолей или одну центральную вакуоль, занимающую обычно большую часть объёма клетки. Содержимое вакуолей — раствор различных солей, углеводов, органических кислот, алкалоидов, аминокислот, белков, а также запас воды. В вакуолях могут откладываться питательные вещества. В цитоплазме растительной К. имеются специальные органоиды — Пластиды; лейкопласты (в них часто откладывается крахмал), хлоропласты (содержат преимущественно хлорофилл и осуществляют Фотосинтез) и хромопласты (содержат пигменты из группы каротиноидов). Пластиды, как и митохондрии, способны к самовоспроизведению. Комплекс Гольджи в растительной К. представлен рассеянными по цитоплазме диктиосомами.

2. Строение  состав и типы

Основной единицей живого является клетка. Она имеет все свойства живого, то есть, способна размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Более мелкие единицы материи этих свойств не проявляют. Р. Вирхов писал: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне нее»

Среди живых организмов встречаются два типа организации  клеток: прокариотическая клетка (у  прокариот — бактерий и синезеленых  водорослей) и зукариотическая клетка (у эукариот, то есть всех остальных одно- и многоклеточных организмов— растений, грибов и животных).

Прокариотическая клетка покрыта цитоплазматической мембраной, играющей роль активного барьера  между цитоплазмой клетки и внешней  средой. Снаружи от мембраны расположена  клеточная стенка. У прокариотическх клеток нет морфологически выраженного ядра, но имеется зона, заполненная ДНК, несущей наследственную информацию. В основном веществе цитоплазмы прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы.

Бактерии размножаются путем простого деления. Находящаяся в ядерной области ДНК прикреплена к мезосоме— структуре, образуемой цитоплазматической мембраной. Деление бактериальной клетки начинается с деления мезосомы; затем две половинки мезосомы расходятся, увлекая за собой ДНК, последняя также делится на две части, из которых впоследствии образуются ядерные области двух дочерних клеток.

Клетка эукариот организована сложнее, чем прокариотическая. Она  покрыта цитоплазматической мембраной, которая играет важную роль в регулировании  состава клеточного содержимого, так как через нее проникают все питательные вещества и продукты секреции. Каждая клетка содержит небольшое шаровидное или овальное тельце, называемое ядром. Схема строения эукариотической клетки Ядро служит важным регулирующим центром клетки, оно содержит наследственные факторы (гены), определяющие ври знаки данного организма, и управляет многими внутриклеточными процессами

Оболочка, окружающая ядро и отделяющая его от цитоплазмы, ядерная мембрана — регулирует движение веществ из ядра и в ядро. В полужидком основном веществе ядра-кариоплазме размещается строго определенное число вытянутых нитевидных образований, называемых хромосомами. На окрашенном срезе неделящейся клетки хромосомы обычно имеют вид неправильной сети из темных тяжей и зернышек, в совокупности называемых хроматином.

В ядре находится сферическое  тельце, называемое ядрышком. Ядрышки  исчезают, когда клетка готовится  к делению, а затем появляются вновь; они, по-видимому, участвуют в  синтезе рибонуклеиновых кислот.

Материал, находящийся внутри плазматической мембраны, но вне ядра, называется цитоплазмой.

При исследовании тонкого среза  клетки в электронном микроскопе видно, что цитоплазма представляет собой чрезвычайно сложный лабиринт из мембран, образующих так называемую эндоплазматическую сеть, заполняющую большую часть цитоплазмы. Существуют два типа эндоплазматической сети: гранулярная, к мембранам которой прикреплено множество рибосом - мелких рибонуклеопротеидных частиц, служащих местом синтеза белка, и агранулярная, состоящая из одних только мембран. В одной и той же клетке может встречаться сеть того и другого типа. Остальная часть цитоплазмы заполнена другими специализированными структурами, несущими специфические функции: это митохондрии, аппарат Гольджи, центриоли и пластиды.

Все живые клетки содержат митохондрии  — тельца величиной О,2—5 мкм, форма  которых варьирует от сферической  до палочковидной и нитевидной. В  одной клетке может быть от нескольких митохондрий до тысячи и более. Обычно они сосредоточены в той части  клетки, где обмен веществ наиболее интенсивен.

Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной; внешний слой мембраны образует гладкую наружную поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки  в виде параллельных, направленных к центру митохондрии выступов, которые могут встречаться, а иногда и сливаться со складками, отходящими от противоположной стороны Внутренние складки, называемые кристами, содержат ферменты, участвующие в системе переноса электронов, которая играет важнейшую роль в превращении энергии питательных веществ в биологически полезную энергию, необходимую для осуществления клеточных функций. Полужидкое внутреннее содержимое митохоидрии — матрикс — содержит ферменты. Митохондрии, главная функция которых состоит в вырабатывании энергии, образно называют электростанциями клетки.

В клетках большинства растений имеются пластиды— формирования, в которых происходит синтез или  накопление органических веществ.

В клетках животных и некоторых  низших растений около ядра расположены  два небольших тельца — центриоли, Которые играют важную роль в клеточном делении: в начале деления они отходят друг от друга, направляясь к противоположным полюсам клетки, и между ними образуется так называёмое веретено деления.

Комплекс Гольджи —  компонент цитоплазмы, встречающийся почти во всех клетках, кроме зрелых спермиев и красных кровяных телец,—представляет собой неупорядоченную сеть канальцев, выстланных мембранами. Обычно он расположеноколо ядра и окружает центриоли. Функция комплекса еще невполне выяснена, но, по мнению некоторых цитологов, комплекс Гольджи служит местом временного хранения веществ, вырабатываемых на гранулярной эндоплазматической сети, а канальцы комплекса соединены с плазматической мембраной. Лизосомы— группа внутриклеточных органелл, встречающихся в животных клетках, — сходны по величине с митохонд-риями, но несколько менее плотные; они представляют собойограниченные мембраной тельца, которые содержат разнообразные ферменты, способные гидролизовать макромолекулярные компоненты клетки. В случае проникновения в клетку чужеродной ДНК (вируса) лизосомы выделяют в цитоплазму ферменты, расщепляющие ДНК,—нуклеазы, и тем самым выполняют защитную функцию.

Кроме перечисленных  элементов, цитоплазма может содержать  вакуоли— полости, заполненные жидкостью и отделенные от остальной цитоплазмы вакуолярной мембраной. Вакуоли весьма обычны в клетках растений и низших животных, но редко встречаются в клетках высших животных  процессами.

Ядро является важнейшей  составной частью клетки. В период между делениями ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой и чаще всего имеет шаровидную или эллиптическую форму. Полость ядра заполнена ядерным соком (кариоплазмой),0  вязкости которого отличают вязкость цитоплазмы и часто бывает значительно ниже. Ядро не обладает способностью восстанавливать ядерную оболочку, поэтому при ее повреждении содержимое ядра смешивается с цитоплазмой.

Ядрышки - округлые тельца (одно или несколько), заключенные  в ядре, характеризуются высоким  коэффициентом преломления. Более крупные и плотные ядрышки характерны для клеток, отличающихся высокой активностью, а именно для интенсивно делящихся эмбриональных клеток и для клеток, осуществляющих синтез белка. В процессе клеточного деления ядрышко исчезает, а затем вновь появляется. В ядрышках синтезируется в РНК, из которой формируются частицы рибосом.

Кроме ядрышек, в ядре находятся хромосомы. Они имеют  продолговатую форму с расположенной  в том или ином участке перетяжкой — центромерой.  Центромера делит  хромосому на две части, называемые плечами хромосомы. Хромосому с расположенной посередине центромерой называют метацентрической, при этом плечи хромосомы одинаковой величины; если центромера смещена в сторону от центра, то хромосому называют субметацентрической; при смещении центромеры на значительное расстояние от центра — акроцентрической  Расположение центромеры служат основой для классификации и идеитификации хромосом.

Хромосомы можно идентифицировать по их длине. длина хромосомы варьирует  от 1 до 30 мкм; большая часть хромосом в состоянии максимального сокращения в митозе имеет длину менее 10 мкм. Абсолютная и относительная длина двух плеч хромосомы служит главным, а иногда и единственным критерием для распознавания отдельных хромосом.

Иногда хромосомы можно  идентифицировать по ряду дополнительных признаков. Очень часто таким признаком оказывается находящееся на одном из концов хромосомы небольшое округлое тельце—так называемый спутник (или сателлит), соединяющийся с основной хромосомой тонкой хроматиновой нитью или вторичной перетяжкой.

В клетках большинства  организмов хромосомы видны только во время клеточного деления. По окончании  митоза хромосомы начинают вытягиваться до тех пор, пока не становятся такими тонкими, что их бывает невозможно различить  с помощью светового микроскопа.

Более чем половину всей массы хромосомы составляет особый белок гистон, обладающий щелочными  свойствами вследствие высокой концентрации в нем аминокислот аргинина и  лизина. Кроме того, хромосома содержит некоторое количество белка, имеющего кислотные свойства. ДНК и РНК содержатся в хромосомах в небольших, но измеримых количествах.

Гистон и ДНИ объединены в структуру, называемую хроматиновой нитью, которая представляет собой  двойную спираль ДНИ, окружающую гистоновый стержень; она построена  из повторяющихся единиц (нуклеосом), в каждую из которых входят примерно 200 пар оснований ДНК и по две молекулы каждого из четырех гистонов (н2А, Н2В, НЗ и Н4) (рис. 4). Полагают, что эти восемь гистоновых молекул образуют сферическую единицу. Каким именно образом двойная спираль ДНК располагается вокруг гистонов, пока неясно.

Хроматиновая нить обычно образует спираль диаметром около 25 мкм, что находится на грани  разрешающей способности самых  мощных световых микроскопов. По способности  окрашиваться ядерными красителями хроматиновые нити подразделяют на две группы: эухроматин и гетерохроматин. Последний окрашивается более интенсивно.

Перед началом клеточного деления большая часть хроматина  уплотняется, образуя хромосомы. Число  хромосом в клеточных ядрах всех особей какого-либо вида постоянно и представляет собой один из его признаков.

Все клетки любого организма  происходят от зиготы — клетки, образующейся в результате слияния двух гамет (половых клеток, имеющих одинарный, или гаплоидный, набор хромосом—п). Зигота содержит диплоидный набор хромосом (2п). Одинарный набор хромосом называют геномом.

Набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному  виду животных или растений, называют кариотипом. Он включает все особенности  хромосомного комплекса: число хромосом, их форму, наличие видимых под световым микроскопом деталей строения отдельных хромосом

Среди всех хромосом кариотипа  различают пары аутосом, одинаковые для мужских и женских особей, и одну пару половых хромосом, различающихся  у мужских в женских особей. Половые хромосомы женских особей млекопитающих обозначают буквами ХХ и мужских особей — ХУ, поэтому женский пол называют гомогаметным, мужской — гетерогаметным. У птиц и бабочек, наоборот женский пол гетерогаметный, мужской гомогаметный.

3. Понятия кариотип, диплоидный, гаплоидный набор хромосом, аутосомы и половые хромосомы

Кариотип (от Карио... и греч. typos — образец, форма, тип) хромосомный набор, совокупность признаков хромосом (их число, размеры, форма и детали микроскопического строения) в клетках тела организма того или иного вида. Понятие кариотип введено сов. генетиком Г. А. Левитским (1924). Кариотип — одна из важнейших генетических характеристик вида, т.к. каждый вид имеет свой кариотип, отличающийся от кариотипа близких видов (на этом основана новая отрасль систематики — так называемая Кариосистематика). Постоянство кариотипа в клетках одного организма обеспечивается Митозом, а в пределах вида — Мейозом. Кариотип организма может изменяться, если половые клетки (гаметы) претерпевают изменения под влиянием мутаций. Иногда кариотип отдельных клеток отличается от видового кариотипа в результате хромосомных или геномных так называемых соматических мутаций. Кариотип диплоидных клеток состоит из 2 гаплоидных наборов хромосом (Геномов), полученных от одного и др. родителя; каждая хромосома такого набора имеет гомолога из др. набора. Кариотип самцов и самок могут различаться по форме (иногда и числу) половых хромосом, в таком случае они описываются порознь. Хромосомы в кариотипе исследуют на стадии метафазы митоза. Описание кариотипа обязательно сопровождается микрофотографией или зарисовкой (рис. 1). Для систематизации кариотипа пары гомологичных хромосом располагают, например, по убывающей длине, начиная с длинной пары (рис. 2); пары половых хромосом располагают в конце ряда.

 Пары хромосом, не различающихся  по длине, идентифицируют по  положению центромеры (первичной  перетяжки), которая делит хромосому  на 2 плеча, ядрышкового организатора (вторичной перетяжки), по форме  спутника и др. признакам. Исследованы кариотипы несколько тыс. диких и культурных видов растений, животных и человека.

Рис. 1. Кариотипы различных  видов животных и растений: 1 —  скерды (Crepis capillaris); 2 — кузнечика (Tettigonia cantans); 3 — плодовой мушки (Drosophila melanogaster); 4 — бабочки (Dasychira pudibunda); 5 — петуха (Gallus domesticus).

 Рис. 2. Систематизированный  кариотип самца летучей мыши (Scotophilus kuhlii), содержащий 17 пар аутосом (соматических  хромосом) и пару половых хромосом  ХУ, самка имеет те же аутосомы и половые хромосомы XX (показаны в правом верхнем углу, в рамке).

Гаплоидный и диплоидный набор хромосом. Понятие плоидности определяется как количество хромосомных  наборов в клетках (преимущественно) в ядрах. У живых организмов хромосомы  могут быть непарными и парными. В клетках человека образуется диплоидный набор хромосом, то естиь двойной. Такой набор структурно-функциональных элементов характерен для всех соматических клеток. Стоит отметить, что у каждого человека диплоидный набор хромосом состоит из 44-х аутосом и 2-х половых хромосом. Гаплоидный набор хромосом является одинарным набором непарных структурно-функциональных элементов половых клеток. Данный набор содержит двадцать две аутосомы и только одну половую хромосому. Гаплоидный набор и диплоидный набор хромосом могут присутствовать в одно и то же время. Это происходит преимущественно при половом процессе. В этот момент гаплоидная и диплоидная фазы чередуются. С помощью деления полный набор образует одинарный. После этого два одинарных соединяются и образуют полный набор структурно-функциональных элементов и т.д.

Диплоидный набор хромосом является совокупностью хромосом, которая  присуща всем соматическим клеткам. В ней все хромосомы, которые  характерны для данного биологического вида, представлены в парах. У каждого человека диплоидный набор хромосом способен содержать сорок четыре аутосомы и две половых структурно-функциональные элемента. Диплоидный набор хромосом характерен для зиготы и всех соматических клеток, кроме анзуплоидных, гаплоидных и полиплоидных клеток.

Бывает и такое, что  происходит нарушение набора структурно-функциональных единиц. Сбои могут повлиять на образование  хромосомных заболеваний (например, Синдром Дауна - образование триосомии, т.е. нарушения в двадцать первой паре и появление лишней хромосомы (третьей)). Изучение хромосом очень важно, так как данные элементы оказывают очень серьезное воздействие на человеческий организм.

Аутосомами у живых  организмов с хромосомным определением пола называют парные хромосомы, одинаковые у мужских и женских организмов. Иными словами, кроме половых хромосом, все остальные хромосомы у раздельнополых организмов будут являться аутосомами.

Аутосомы обозначают порядковыми номерами. Так, у человека в диплоидном наборе имеется 46 хромосом, из них — 44 аутосомы (22 пары, обозначаемые номерами с 1-го по 22-й) и одна пара половых хромосом (XX у женщин и XY у мужчин).

ПОЛОВЫЕ ХРОМОСОМЫ- хромосомы, определяющие различие кариотипов особей разных полов у раздельнополых организмов. Пол, имеющий 2 одинаковые половые хромосомы, обозначаемые обычно как X-хромосомы, наз. гомогаметным. Гетерогаметный пол у разных видов животных и растений имеет либо одну Х-хромосому (тип ХО), либо пару различающихся половые хромосомы — X и Y (тип XY). Как в типе XY (человек, др. млекопитающие, дрозофила), так и в типе ХО (клопы, кузнечики) в большинстве случаев гетерогаметен муж. пол. В этом случае у самок в результате мейоза образуются гаметы, содержащие все по одной Х-хромосоме, у самцов одни гаметы формируются с Х-, другие — с Y-хромосомой или без половые хромосомы. Оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом, несущим Х-хромосому, приводит к образованию ХХ-зиготы, из крой развивается жен. особь; оплодотворение сперматозоидом, не содержащим Х-хромосомы, приводит к появлению муж. особи. У птиц, бабочек, некоторых пресмыкающихся и земноводных гомогаметен муж. пол, а гетерогаметен женский. половые хромосомы содержат гены, определяющие не только половые, но и др. признаки организма, которые наз. сцепленными с полом. Y-хромосома (по сравнению с X-хромосомой) часто обеднена генами, содержит много структурного гетерохроматина и, как правило, меньше по размеру. Большинство генов Х-хромосомы не представлены в Y-хромосоме, но доза их обычно компенсируется у гомогаметного пола. Нерасхождение половые хромосом у одного из родителей в момент образования половых клеток приводит к нарушениям развития организма.