Клетка
Клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Клетки могут существовать и как самостоятельные одноклеточные организмы (бактерии, простейшие), и как строительный материал тканей многоклеточных организмов.
Новые клетки образуются путем деления клеток, существовавших ранее. Представление о клетке появилось в XVII в., а затем была сформулирована клеточная теория. Ученые выяснили, что клетки всех организмов сходны по химическому составу и состоят из сходных структур.
Разнообразие клеток
Клетки очень разнообразны по форме: они бывают шаровые, звездчатые, прямоугольные, веретенообразные. Отдельной клеткой является и мельчайшая бактерия, и яйцо страуса, достигающее 15 см в диаметре. Нервные клетки имеют отростки длиной до 1 м, а клетки, образующие сосуды растений, могут достигать длины в несколько метров.
Различна и продолжительность жизни клеток: одни живут лишь несколько суток, а другие столько же, сколько существует составляемый ими организм. По наиболее важным особенностям строения клетки все существующие на Земле организмы делятся на 2 группы: эукариоты и прокариоты. В клетках эукариот есть ядро, а в клетках прокариот (к ним относятся бактерии) обособленного ядра нет. Считается, что прокариоты первыми появились на Земле, а от них произошли эукариоты.
Строение клетки
Внутреннее строение и набор химических компонентов в клетках весьма разнообразны и зависят от принадлежности к той или иной группе организмов, условий существования, специализации. Но можно выделить и сходные элементы этих сложных систем.
Снаружи клетка покрыта полупроницаемой оболочкой (мембраной), которая регулирует поступление в клетку одних веществ и выход из нее других. Клетки растений имеют еще и целлюлозную клеточную стенку. Внутри оболочки содержится цитоплазма, представляющая собой сложный раствор белков и клеточные структуры — органеллы.
Ядро — это «центр управления», в нем содержится генетический материал данной клетки — молекулы ДНК, несущие информацию о том, какие вещества должна вырабатывать эта клетка, и руководящие развитием и деятельностью клетки.
Митохондрии — это органеллы овальной формы, окруженные двойной мембраной, внутренняя часть которой образует перегородки. Это «энергетические станции» клетки, в них синтезируется вещество АТФ, являющееся универсальным источником энергии для всех клеточных процессов. В клетке может быть от нескольких единиц до десятков тысяч митохондрий.
Внутри клетки находится система мембран — цитоплазматическая сеть, особенно развитая в клетках, синтезирующих большое количество белков (например, в различных железах).
Белки синтезируются в мелких органеллах — рибосомах, расположенных в цитоплазме свободно или прикрепленных к мембранам цитоплазматической сети. Аппарат Гольджи — это органеллы, похожие на стопки плоских цистерн, ограниченных мембранами. Сюда поступают белки, синтезированные рибосомами, они «упаковываются» в гранулы и затем или используются самой клеткой, или выводятся из нее.
Лизосомы — это органеллы, содержащие ферменты, расщепляющие белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.
Вакуоли — полости в цитоплазме, окруженные мембраной и заполненные жидкостью. Особенно велики вакуоли в клетках растений, там они могут занимать большую часть объема клетки.
Центриоли — органеллы, участвующие в процессе деления клетки. Две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу, образуют клеточный центр. При делении две пары центриолей расходятся к разным полюсам клетки.
Пластиды — органеллы растительных клеток. Хромопласты содержат пигменты, придающие окраску цветкам, плодам и другим частям растений. Хлоропласты содержат зеленый пигмент — хлорофилл, осуществляющий процесс фотосинтеза.
Функции клетки
В многоклеточном организме клетки приобретают различия, специализируясь на выполнении какой-либо определенной функции. Например, организм позвоночных животных состоит из клеток примерно 200 различных специализаций. Существуют нервные клетки, клетки крови, мышечные и другие клетки, различные по форме и свойствам.
Клетка (биология)
Содержание
Строение клеток
Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.
Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Прокариотическая клетка
Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.
Эукариотическая клетка
Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех) — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочечных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, Аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.
Строение эукариотической клетки
Поверхностный комплекс животной клетки
Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира — гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет из себя «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в нее молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).
Структура цитоплазмы
Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.
Эндоплазматический ретикулум
В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах Аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.
Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра — кариотека — образован за счет расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счет окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
Цитоскелет
К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.
Центриоли
Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.
Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.
Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путем синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.
Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.
Митохондрии
Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счет энзиматических систем митохондрий.
Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.
Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответсвующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.
Сопоставление про- и эукариотической клеток
Наиболее важным отличием эукариот от прокариот долгое время считалось наличие оформленного ядра и мембранных органоидов. Однако к 1970—1980-м гг. стало ясно, что это лишь следствие более глубинных различий в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990-х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий.
Анаплазия
Разрушение клеточной структуры (например, при злокачественных опухолях) носит название анаплазии.
История открытия клеток
Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный нам благодаря закону Гука). В 1663 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «келья, ячейка, клетка»). В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632—1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы. Таким образом, уже к началу XVIII века учёные знали, что под большим увеличением растения имеют ячеистое строение, и видели некоторые организмы, которые позже получили название одноклеточных. Однако клеточная теория строения организмов сформировалась лишь к середине XIX века, после того как появились более мощные микроскопы и были разработаны методы фиксации и окраски клеток. Одним из её основоположников был Рудольф Вирхов, однако в его идеях присутствовал ряд ошибок: так, он предполагал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая «сама по себе». Лишь позднее удалось доказать целостность клеточной системы.
Что такое клетка организма? Какое строение клетки? Какие виды клеток существуют?
У человека организм состоит приблизительно из 30 трлн клеток. Если клеток больше одной, то такой организм называется многоклеточным.
Клетки считаются самыми маленькими частицами нашего тела.
Существует целая наука, изучающая клетки – цитология.
История открытия клетки
Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук в 1665 году. Сделать открытие ему помог улучшенный микроскоп, который Гук усовершенствовал сам. Учёный отрезал тонкий кусочек пробкового дерева и рассмотрел его под микроскопом. Результат удивил – при увеличении Гук увидел ячейки, похожие на пчелиные соты. Эти «соты» он и назвал клетками.
Позже в 1674 году голландский ученый Антони ван Левенгук проводил эксперименты. Он рассматривал под микроскопом образцы слюны, крови, кожи и дождевой воды. Левенгук был поражен, когда обнаружил маленьких подвижных «зверьков» в капле воды. Со временем стало понятно, что этими одноклеточными организмами были бактерии, амёбы и инфузории.
Структура клетки
Клетки имеют большое разнообразие по размерам и форме. Самые большие клетки достигают размеров до 15 см, а самые маленькие невозможно увидеть без большого увеличения микроскопа.
По форме клетки могут вытягиваться, выглядеть как шарик, прямоугольник, звезда и так далее.
Строение клетки
Клетки всех организмов делят на животные и растительные. Они немного различаются своим внутренним строением. У человека, животных, птиц, грибов тела состоят из животных клеток. Растения же являются обладателями растительных.
Как у человека в теле находятся органы, так у каждой клетки внутри находятся органеллы или органоиды. Они обеспечивают все потребности клетки: защищают, поставляют питательные вещества, удаляют ненужные, помогают ей расти и размножаться.
Растительные клетки
Растительная клетка снаружи покрыта клеточной стенкой, которая помогает держать форму.
За стенкой клетка покрыта специальной плёнкой – цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Через нее питательные вещества поступают в клетку, а ненужные – выводятся.
Самый главный клеточный органоид – ядро. Этот центр управления хранит в себе генетическую информацию клетки и регулирует все её функции.
Вакуоль – органоид, занимающий 70-90% от общего объема клетки. Этот пузырек заполнен клеточным соком, который определяет вкус плодов. Сладкий арбуз или кислый лимон – это работа вакуолей.
Митохондрии – маленькие энергетические станции, выделяют энергию на нужды клетки.
Пластиды – органоиды, которые делят на три группы:
хлоропласты – маленькие контейнеры зеленого цвета, заполненные специальным пигментом хлорофиллом. Главная их роль заключается в фотосинтезе. Фотосинтез – это процесс образования кислорода и сахара из углекислого газа и воды;
хромопласты определяют цвет плодов, цветков, листьев. Содержат красные, жёлтые, оранжевые пигменты;
лейкопласты – хранилище питательных веществ. Эти бесцветные органоиды можно найти в больших количествах в луковице.
Аппарат Гольджи – фабрика по производству пузырьков лизосом, которые помогают клетке удалять ненужные вещества. Был назван так в честь итальянского ученого Камилло Гольджи, который впервые обнаружил его в 1898 году.
Эндоплазматическая сеть разделяет цитоплазму на небольшие отсеки и помогает в передвижении различных веществ.
Животные клетки
Животная клетка по своему строению сложнее, чем растительная. Отличаются они органоидами. Например, в животной клетке отсутствуют вакуоли и пластиды. Оболочки тоже нет, снаружи клетка покрыта сразу цитоплазматической мембраной.
Внутри клетка заполнена цитоплазмой. Ядро, митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть также находятся в животной клетке и выполняют свои функции.
В отличии от растительной клетки, в животной есть клеточный центр. По форме он похож на скопление небольших трубочек. Этот органоид участвует в делении клетки.
Таким образом растительные и животные клетки имеют сходства и различия, но в целом каждая клетка напоминает небольшой городок со своими «центрами».
Какие клетки не имеют ядер
Учёные делят все живые организмы на две группы: эукариоты и прокариоты. Эукариоты – это живые организмы, в клетках которых есть ядро.
Клетки прокариот не имеют ядер. К ним относится огромная группа организмов – бактерии. Их тела всегда состоят из одной клетки, и они сильно упрощены. На месте ядра у них находится мезосома – спираль, свернутая в кольцо. Она выполняет все функции ядра. Органоиды у бактерий отсутствуют.
Анатомия на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
Организм человека изучают три науки – анатомия, физиология и гигиена. Анатомия изучает строение организма. Физиология изучает функции органов и всего организма в целом. Гигиена изучает условия, необходимые для сохранения и укрепления здоровья. Среди трех этих наук самой трудной для понимания, что в школах, что в высших учебных заведениях, традиционно считается анатомия. Бытует мнение, что анатомию можно одолеть только зубрежкой. Зубрить, зубрить и еще раз зубрить! Иначе никак! На самом же деле это не так. Если рассматривать человеческий организм как единую систему, а не набор отдельных органов, то сразу становится ясно, насколько логично он устроен. Нужно не зубрить, а думать – понимать назначение каждого органа, видеть взаимосвязь между органами и системами и т. п. При таком подходе зубрить ничего не придется.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Анатомия на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Глава 1. Клетки. Ткани. Органы
Знакомство с организмом человека мы начнем с клетки. Клетки — это своеобразные «кирпичики» из которых состоят живые и растительные организмы. Есть организмы, которые состоят всего из одной клетки, например — бактерии. Клетки могут быть разными — животными или растительными, нервными или мышечными и т. д., но несмотря на имеющиеся различия, строение всех клеток схоже.
Все клетки имеют оболочку — клеточную мембрану, цитоплазму (полужидкую клеточную среду) и ядро.
Клеточная мембрана не просто ограничивает клетку от внешней среды, обеспечивая ее целостность, но и регулирует обмен между клеткой и окружающей средой, пропуская через имеющиеся в ней поры в клетку и из клетки определенные вещества. Обратите внимание — определенные! Проницаемость клеточной мембраны избирательна. Одни вещества проходят через нее, а другие — нет. Таким образом, можно сказать, что кроме структурной (механической) функции — отделения клетки от внешней среды, мембрана также выполняет транспортную и барьерную функции. Вообще-то функций у клеточных мембран больше, но в рамках нашего курса достаточно знать три эти.
Схема строения животной клетки
! Вспомните из курса ботаники, что растительные клетки отличаются от животных наличием дополнительной клеточной оболочки (стенки).
В полужидкой цитоплазме находятся обязательные клеточные компоненты, которые называются «органеллами», а также непостоянные компоненты, называющиеся «включениями». Давайте познакомимся с ними поближе.
Главный обязательный компонент любой клетки — это клеточное ядро, в котором хранится информация о клетке, необходимая для образования новых клеток путем деления. Клеточное ядро может иметь различную форму — от сферической до веретенообразной. Ядро обеспечивает наследственность, иначе говоря отвечает за то, чтобы дочерние клетки были похожими на родительские. Информация хранится в хромосомах, образованных из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и различных белков. Хромосомы имеют вид длинных тонких нитей, которые распределяются по всему объему ядра. В ядрах соматических (или неполовых) клеток тела у всех организмов, принадлежащих к одному биологическому виду, содержится одинаковое количество хромосом, которое называется «набором хромосом». Схожие хромосомы группируются попарно. В соматических клетках человека 46 хромосом или 23 пары. А вот в ядрах половых клеток хромосом содержится вдвое меньше, чем в соматических клетках — по одной из пары. Соединяясь вместе, две половые клетки (мужская и женская), образуют одну клетку с полным набором хромосом. Из этой клетки развивается новый организм. Поскольку половина хромосом получена ребенком от отца, а половина от матери, ребенок одновременно похож и на отца, и на мать. О делении клеток мы еще поговорим позже.
Строение клеточного ядра
Кроме хромосом в клеточном ядре содержатся так называемые «ядрышки» — образования не имеющие собственной оболочки. Их может быть от 1 до 7. Ядрышки состоят из молекул белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК). В ядрышках синтезируются органеллы, которые называются «рибосомами».
Рибосомы — сферические образования, не имеющие своей мембраны. Рибосомы выполняют очень важную функцию синтеза белков из аминокислот, причем делают это не абы как, а согласно информации, записанной в матрице — молекуле РНК.
Итак, клеточное ядро хранит информацию, необходимую для воспроизведения новых клеток и, вместе с рибосомами, обеспечивает этот процесс «строительным материалом» — белками.
Какие еще органеллы находятся в цитоплазме?
Митохондрии — это своеобразные энергетические станции клетки. Обычно в клетке содержится около 2-х тысяч митохондрий, общий объем которых составляет до четверти общего объема клетки. Митохондрии имеют сферическую или эллипсоидную форму. Мембран у митохондрии две — гладкая внешняя и складчатая внутренняя, которая образует множество поперечных перегородок, называемых «кристами».
Органические вещества, проникающие в клетку извне, подвергаются в митохондриях окислению. При этом образуются молекулы вещества, называемого «аденозинтрифосфатом» (сокращенно — АТФ). Молекулы АТФ представляют собой подобие накапливающих энергию аккумуляторов. Когда организму нужна энергия, они распадаются и выделяют ее.
Аппарат Гольджи, названный в честь итальянского ученого Камилло Гольджи, открывшего его в 1898 году, представляет собой «сортировочный центр» — систему мембранных структур, цистерн и пузырьков, в которых накапливаются вещества, синтезированные внутри клетки. Вещества сортируются, некоторые из них изменяются, нужные остаются, а ненужные выводятся за пределы клетки.
Кроме этого, в аппарате Гольджи синтезируются лизосомы, имеющие мембрану органеллы, похожие на пузырьки, в которых содержится много ферментов. Ферменты разлагают молекулы сложных органических веществ на более простые, иначе говоря — лизосомы занимаются «перевариванием» сложных веществ.
Две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу и образующие так называемый «клеточный центр» представляют собой цилиндрическое образование, состоящее из девяти пучков микроскопических трубочек. Центриоли участвуют в делении клетки.
В клетке есть своя транспортная система — это эндоплазматическая сеть или эндоплазматический ретикулум, которая представляет собой сложное сплетение каналов и полостей. Объем этой сети в среднем составляет от 30 до 50 % клеточного объема. На наружной поверхности эндоплазматической сети располагаются рибосомы, которые, как мы уже знаем, синтезируют белок.
Самыми простыми по строению органеллами являются вакуоли — ограниченные мембраной пузырьки, заполненные газом или жидкостью. В животных клетках вакуоли занимают не более 5 % от общего объема клетки, а в растительных клетках могут занимать до 90 %. Если в растительных клетках чаще всего бывает одна крупная расположенная в центре вакуоль, то в животных клетках мы можем видеть несколько мелких вакуолей, которые располагаются на периферии. Вакуоли выполняют различные функции — подобно лизосомам разлагают сложные молекулы на простые, участвуют в выведении веществ за пределы клетки, накапливают нужные вещества и т. д.
Мы закончили знакомство с клеткой, точнее — с животной клеткой. Давайте закрепим полученные знания. Возьмите лист бумаги и ручку или карандаш и попробуйте без помощи учебника нарисовать клетку со всем ее содержимым. Не старайтесь добиться полного сходства с приведенными в книге рисунками. Дело не в сходстве, а в том, чтобы вы ничего не забыли бы нарисовать. Когда закончите рисунок, перечислите функции каждого нарисованного элемента.
Химический состав клетки
Клетки состоят из неорганических и органических веществ.
Неорганические вещества представлены водой, кислородом, углекислым газом и минеральными солями. В выражении «вода — основа жизни» нет никакого преувеличения. Все реакции между веществами в клетках проходят в водной среде, при участии воды осуществляется теплорегуляция. В организме человека примерно 60 % воды, иначе говоря, ее содержание больше, чем содержание всех других веществ вместе взятых. Большинство клеток живых организмов содержат 70–80 % воды, в костных клетках ее около 20 %, а в зубной эмали, самой твердой ткани организма — 10 %.
Содержание химических элементов в клетке
Кислород, являющийся одним из сильнейших природных окислителей, участвует во многих химических процессах, происходящих в клетках. Углекислый газ является одним из конечных продуктов клеточной жизнедеятельности. Количество минеральных солей, содержащихся в клетке, весьма мало, но без них нельзя обойтись, потому что они нужны для нормальной жизнедеятельности.
Органические вещества клетки представлены молекулами нуклеиновых кислот, белков, жиров (липидов) и углеводов.
Органические вещества клетки
Нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая, как мы уже знаем, хранят наследственную (генетическую) информацию.
Белки, сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, участвуют во всех процессах жизнедеятельности клетки. С учетом функций, клеточные белки можно разделить на три группы:
1. ферменты, участвующие в химических реакциях в качестве ускорителей;
2. специфические белки, вырабатываемые не для собственно клеточных нужд, а для нужд всего организма, так сказать «на экспорт» — гормоны, пищеварительные ферменты, медиаторы (вещества, с помощью которых нервный импульс передается от одной клетки к другой) и др.;
3. структурные белки, используемые для восстановления и обновления клеточных элементов.
По содержанию в клетке белки стоят на втором месте после воды. Они составляют примерно 50 % от сухого остатка клеточных веществ.
Среди жиров главное значение имеют фосфолипиды (липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты) из молекул которых состоят все клеточные мембраны — и самой клетки, и ее элементов. Фосфолипиды, как и все жиры — хороший теплоизолятор, они предохраняют клетку от потери тепла. Кроме того, жиры служат источником энергии и воды (при разложении 1 г жира образуется 1,1 мл воды). Капельки жира могут находиться в цитоплазме в виде включений — это клеточный энергетический запас «на черный день».
Другим источником энергии являются углеводы, в первую очередь — глюкоза и ее полимер [1] гликоген. Кроме этого, углеводы, наряду с жирами и белками, являются «строительным материалом», они водят в состав различных клеточных элементов.
Клетки живых организмов постоянно делятся, воспроизводя новые клетки вместо отмирающих старых. За жизнь человека в его организме осуществляется порядка 1014 делений клеток. 10 в 14-ой степени! 1 00 000 000 000 000! Сто тысяч миллиардов делений! Впечатляющая цифра, не правда ли?
С делением клетки мы ознакомимся на примере митоза или непрямого деления, наиболее распространенном способе воспроизводства клеток.
Рассмотрите картинку. В интерфазе ничего не происходит. Это промежуточная между делениями фаза. Клетка увеличивает свою массу и удваивает хромосомы, готовясь к предстоящему делению. Когда масса увеличится вдвое и хромосомы удвоятся, настает время делиться.
Первая фаза митоза, называемая «профазой», является самой продолжительной фазой. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились, но пока они соединены попарно перемычками, называемыми «центромерами».
Ядерная мембрана и ядрышки исчезают. Хромосомы вырываются на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Центриоли отходят к полюсам.
Вторая фаза митоза называется «метафазой». Разошедшиеся по полюсам центриоли образуют так называемое «веретено деления». Веретено это состоит из микротрубочек, которые прикрепляются к хромосомам и предназначено оно для дележа хромосом между двумя клетками.
Образование веретена деления (оно видно на среднем рисунке) и разделение хромосом.
Если центриоли расположены у полюсов, то хромосомы выстраиваются возле условного «экватора», отчего вся система имеет веретенообразную форму, давшую ей название.
Во время третьей фазы, которая называется «анафазой», центромеры, скреплявшие пары хромосом разрушаются и хромосомы расходятся к полюсам клетки.
В заключительной, четвертой фазе, называемой «телофазой» — хромосомы раскручиваются в нити, вновь образуются ядра, микротрубочки веретена «собираются» в центриоли, делится цитоплазма, а в экваториальной зоне клетки образуется перетяжка, разделяющая две сестринские клетки.
Вот и все. Вместо одной материнской клетки появились две дочерние. Процесс деления завершен. Наступает интерфаза.
Ознакомимся вкратце с двумя другими видами деления клеток.
«Амитозом», т. е. «не митозом», называется прямое деление клетки, происходящее простым разделением ядра надвое без образования веретен деления. Поскольку веретена не образуются, наследственный материал распределяется между ядрами случайным образом. Ядро делится, а клетка — нет. Она становится двуядерной. Амитоз характерен для стареющих клеток с пониженной активностью.
Процесс деления клеток, в результате которого не происходит удвоения числа хромосом в материнской клетке (т. е. дочерние клетки получают по половинному набору хромосом), называют «мейозом». Мейоз проходит в два этапа. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но при делении хромосомные пары не разделяются надвое, дочерние клетки получают от материнской парные хромосомы, скрепленные центромерами.
Практически сразу же по окончании первого деления, начинается второе, перед которым удвоения числа хромосом не происходит. В результате мейоза из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. Таким путем образуются половые клетки — сперматозоиды и яйцеклетки.
Межклеточное вещество, также называемое «внеклеточным матриксом», это окружающие клетки продукты их жизнедеятельности. Межклеточное вещество может быть жидким, как в крови, желеобразным или твердым. Твердое межклеточное вещество в основном состоит из коллагена — белка, имеющего нитевидную структуру. Кроме коллагена, в межклеточном веществе находятся другие белки и гиалуроновая кислота.
Обратите внимание! Межклеточное вещество имеет неклеточную природу. Оно состоит из молекул, а не из клеток.
Белые промежутки между клетками — это межклеточное вещество
Группы клеток (вместе с межклеточным веществом), имеющих схожее строение и выполняющих схожие функции, называют «тканями». Из сочетания тканей состоят органы.
В организмах животных выделяют следующие виды тканей:
1. Эпителиальная или покровная ткань (эпителий), которая покрывает организм снаружи (верхний слой кожи), выстилает поверхность внутренних органов и полости организма, а также входит в состав желез внутренней и внешней секреции. Соответственно, эпителий подразделяется на два вида — покровный и железистый. Покровный эпителий отделяет организм от внешней среды и органы друг от друга (барьерная функция), а также способствует обмену веществ между организмом и внешней средой (обменная функция). Клетки покровной эпителиальной ткани плотно соединены друг с другом, межклеточного вещества между ними практически нет. Они могут лежать в один или в несколько слоев.
Виды эпителиальной ткани
Железистый эпителий образует различные железы. Выделяемые клетками железистого эпителия секреты участвуют в жизнедеятельности организма.
Кроме перечисленных функций, эпителиальная ткань может участвовать во всасывании веществ (эпителий кишечника) и в газообмене (эпителий легких). Дыхательные пути выстланы особым видом эпителиальной ткани, называемой «мерцательным эпителием», клетки которого имеют обращенные наружу подвижные реснички. Эти реснички удаляют из дыхательных путей мелкие твердые частицы, попадающие туда с воздухом.
2. Соединительная ткань, играющая вспомогательную роль во всех без исключения, органах, где она выполняет опорную, защитную и трофическую (питательную) функции. Соединительная ткань образует опорный каркас и наружные покровы всех органов. Соединительная ткань отличается большим разнообразием клеток, к ней относятся кровь и кроветворная ткань, лимфатическая ткань, жировая ткань, костная ткань, хрящевая ткань, волокнистая соединительная ткань. Клетки соединительной ткани расположены рыхло, в ней много межклеточного вещества.
Виды соединительной ткани
3. Мышечная ткань может различаться по строению, но все ее виды обладают одной особенностью — способностью к выраженным сокращениям. Мышечная ткань состоит из вытянутых в длину клеток, которые сокращаются под воздействием раздражения, передаваемого нервной системой.
Обратите внимание! Способностью изменять форму также обладают клетки других тканей, но только у клеток мышечной ткани эта способность является основной функцией и наиболее выражена.
Работа сердца, дыхание, передвижение пищи по желудочно-кишечному тракту, речь, перемещения организма в пространстве осуществляются благодаря мышечным клеткам.
Различают гладкую и поперечно-полосатую мышечные ткани.
Гладкая мышечная ткань
Гладкая мышечная ткань состоит из одноядерных клеток веретенообразной формы длиной от 15 до 500 мкм. В световом микроскопе цитоплазма этих клеток выглядит однородно, без поперечной исчерченности, присущей поперечно-полосатой мышечной ткани. Гладкая мышечная ткань медленно сокращается и расслабляется и ее деятельность является непроизвольной, то есть не управляется по нашей воле. Гладкая мышечная ткань входит в состав стенок пищеварительного тракта, кровеносных и лимфатических сосудов, мочевыводящих и дыхательных путей.
Поперечно-полосатая мышечная ткань делится на скелетную и сердечную.
Клетки поперечно-полосатой скелетной мышечной ткани имеют большую длину, которая выражается в сантиметрах. Эти клетки многоядерные (число ядер может быть более 100), в световом микроскопе их цитоплазма выглядит как череда темных и светлых полосок, что обусловлено чередованием участков с различными оптическими свойствами. Поперечно-полосатые мышечные клетки имеют высокую скорость сокращения и расслабления, а также обладают произвольностью — их деятельность управляется по нашей воле.
Поперечно-полосатая скелетная мышечная ткань
Поперечно-полосатая сердечная мышечная ткань
Клетки поперечно-полосатой сердечной мышечной ткани, называемые «кардиомиоцитами», имеют прямоугольную форму и относительно небольшие размеры — до 120 мкм в длину и 20 мкм в ширину. Кардиомиоциты обычно имеют одно ядро. Особенность их в том, что они связаны друг с другом при помощи особых вставочных дисков. Благодаря этой связи, электрический импульс, вызывающий сокращение, имеет возможность быстро распространяться по большому участку мышечной ткани.
4. Нервная ткань обеспечивает взаимодействие тканей, органов и систем организма и осуществляет их регуляцию. Нервные клетки, называемые «нейронами», способны воспринимать раздражение и передавать регулирующие (возбуждающие или тормозящие) импульсы. Нервная ткань входит в состав головного и спинного мозга, а также в состав нервов. Нейроны имеют звездчатую форму и состоят из тела с отростками.
Среди отростков различают дендриты, которые воспринимают сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или от внешних раздражителей, и аксоны, передающие нервные сигналы от тела нейрона к другим нервным клеткам или непосредственно к органам. Если дендритов у нейрона может быть много, то аксон всегда только один. Место контакта аксона с другими клетками называют «синапсом». Механизм передачи нервного импульса может быть химическим, электрическим или смешанным. При химическом механизме клетка, являющаяся источником импульса, выпускает в межклеточное пространство особое вещество, называемое «нейромедиатором», которое возбуждает или затормаживает клетку, получающую импульс. При электрическом механизме из клетки в клетку переходят ионы. При смешанном механизме нейромедиатор усиливает «ионную» передачу импульса.
Органы. Системы органов
Ткани образуют органы — части организма, выполняющие определенные функции. Сердце, печень, почки, ухо, рука — все это органы. У каждого органа есть своя индивидуальная форма и определенное положение в организме. Органы состоят из нескольких тканей. Соединительная, нервная и эпителиальная ткани присутствуют в любом органе. Соединительная ткань образует «каркас» органа, нервная ткань обеспечивает управление органом, а эпителиальная ткань образует кровеносные сосуды, питающие орган. А вот мышечной ткани в органе может не быть совсем.
Одна из тканей органа играет главную, доминирующую роль. Так, например, в любой железе доминирует эпителиальная ткань, а в любой мышце — мышечная.
Есть жизненно важные органы, такие, например, как сердце, без которых жизнедеятельность организма невозможна и есть органы, без которых организм способен существовать, например — селезенка.
Органы объединяются в системы органов. Система — это ряд органов, имеющих схожее строение, единое происхождение и выполняющих одинаковые функции. В организме человека различают следующие системы органов:
— иммунную, включающую в себя помимо иммунной системы органы кроветворения;
— сенсорную (органы чувств).
Нервная и эндокринная системы относятся к регуляторным системам, потому что они координируют работу всего организма, а все прочие системы относятся к исполнительным.
Нервная система состоит из рецепторов, нервов, головного и спинного мозга. Она объединяет все другие системы, регулирует и согласовывает их деятельность, а также обеспечивает психическую деятельность человека.
Эндокринная система состоит из желез внутренней секреции, к которым относятся щитовидная железа, околощитовидные железы, вилочковая железа (тимус), гипофиз, гипоталамус, эпифиз, поджелудочная железа, надпочечники, параганглии и половые железы — семенники у мужчин и яичники у женщин. Каждая железа вырабатывает и выделяет в кровь особые химические вещества, участвующие в регуляции определенных функций организма.
Обратите внимание! Эндокринные железы не имеют выводных протоков в отличие от экзокринных желез — молочных, сальных, слюнных и др. Вещества, вырабатываемые эндокринными железами, поступают непосредственно в кровеносную систему.
