Структури що є загальними для тваринних і рослинних клітин

Склад і функція клітини

Методичні рекомендації щодо опрацювання тем, які не викладаються на аудиторних заняттях з біохімії

Дніпропетровськ

Методичні рекомендації „Склад і функція клітини” щодо опрацювання тем, що не викладаються на лекціях з біохімії для студентів факультету механізації сільського господарства повного та скороченого термінів, денної та заочної форм навчання зі спеціальності 6.091700 – “Технологія зберігання і переробки зерна” являють собою фрагменти з книги „Біологія” авторів Грін Н., Стаут У., Тейлор Д. в перекладі і з доповненнями Ярчука І.І.

Методичні рекомендації для підготовки фахівців аграрних вищих закладів III-IV рівнів акредитації.

Схвалено науково-методичною радою факультету механізації ДДАЕУ (протокол № __ від __________ 2015 р.).

Клітина

Клітини - це структурні та функціональні одиниці живих організмів. Подібне уявлення, відоме як клітинна теорія, склалося поступово в XIX ст. в результаті мікроскопічних досліджень. Наука, що займається мікроскопічним вивченням клітини, називалася в той час цитологією. Пізніше, в кінці XIX ст., а потім вже в XX ст., вивчення клітин набуло значною мірою експериментальний характер, і тепер існує ціла велика галузь науки, іменована біологією клітини, яка використовує найрізноманітніші методи для того, щоб осягнути життєдіяльність організмів на клітинному рівні. Подібно біохімікам, клітинні біологи часто досліджують фундаментальні процеси, а тому біологія клітини, так само як і біохімія, є в біології об’єднуючим предметом.

Можна цілком переконливо обґрунтувати клітинну основу життя. Клітина, по суті, являє собою хімічну систему, що самовідтворюється. Для того щоб підтримувати в собі необхідну концентрацію хімічних речовин, ця система повинна бути фізично відокремлена від свого оточення, і разом з тим вона повинна мати здатність до обміну з цим оточенням, тобто здатністю поглинати ті речовини, які потрібні їй як «сировинні», і виводити назовні накопичені «відходи». Таким шляхом, тобто, виконуючи роботу, ця система може зберігати стабільність (гомеостаз). Роль бар'єру між даною хімічної системою та її оточенням грає плазматична мембрана; вона допомагає регулювати обмін між внутрішнім й зовнішнім середовищем і, таким чином, служить кордоном клітини.

У кожній клітині є цитоплазма і генетичний матеріал у формі ДНК. ДНК регулює життєдіяльність клітини і відтворює сама себе, завдяки чому утворюються нові клітини. Переконання, що нові клітини утворюються тільки від інших, раніше існуючих клітин також належить до числа відкриттів XIX ст.; це дуже важливе твердження клітинної теорії.

Термін «протоплазма» був запропонований в XIX ст. для позначення живого вмісту клітин; в ту пору в протоплазмі було важко щось розгледіти і її представляли як якусь рідину, в якій і відбуваються всі життєві процеси. Тепер - головним чином завдяки успіхам електронної мікроскопії ми знаємо, що в протоплазмі існує «розподіл праці» і що кожна з її відокремлених дрібніших структур виконує свою особливу функцію. Такі чітко окреслені структури були названі органелами, що в перекладі означає «маленькі органи». Першим серед органел було відкрито ядро, яке в 1831 г описав Роберт Браун. Ядро є у всіх еукаріотичних клітинах . Це найбільша і найважливіша органела, оскільки в ядрі міститься ДНК і, отже, саме воно регулює клітинну активність. Найдрібніші органели - рибосоми - присутні у всіх клітинах як прокаріотичних, так і еукаріотичних. Деякі органели зустрічаються тільки в спеціалізованих клітинах. Такі, наприклад, хлоропласти, які можна виявити тільки в клітинах, що мають здатність до фотосинтезу.

Структури що є загальними для тваринних і рослинних клітин

Клітинні мембрани.Клітинні мембрани відіграють важливу роль через певні причини. Вони відокремлюють клітинний вміст від зовнішнього середовища, регулюють обмін між клітиною і середовищем і ділять клітини на відсіки, або компартменти, призначені для тих чи інших спеціалізованих метаболічних шляхів. Деякі хімічні реакції, зокрема світлові реакції фотосинтезу в хлоропластах або окисне фосфорилювання при диханні в мітохондріях, протікають на самих мембранах. Саме тут на мембранах розташовуються і рецепторні ділянки для розпізнавання зовнішніх стимулів (гормонів або інших хімічних речовин), що надходять з оточуючого середовища або з іншої частини самого організму. Знайомство з усіма властивостями клітинних мембран необхідно для розуміння того, як функціонує клітина.

З кінця минулого століття відомо, що клітинні мембрани поводяться не так, як напівпроникні мембрани, здатні пропускати лише воду та інші малі молекули, наприклад молекули газів. Клітинні мембрани мають вибіркову проникність: через них повільно дифундують глюкоза, амінокислоти, жирні кислоти, гліцерин і іони, причому самі мембрани певною мірою активно регулюють цей процес - одні речовини пропускають, а інші ні.

Ранні роботи по проникності мембран показали, що органічні розчинники, наприклад спирт, ефір або хлороформ, проникають крізь мембрани навіть швидше, ніж вода. Це свідчило про те, що в мембранах є якась неполярная частина; іншими словами, що мембрани містять ліпіди. Пізніше дане припущення вдалося підтвердити хімічним аналізом. З'ясувалося, що мембрани складаються майже цілком з білків і ліпідів. Про білки мова піде нижче. Ліпіди в мембранах представлені фосфоліпідами, гліколіпідами і стеролами.

У фосфоліпідів (сполук, що містять фосфатну групу) молекули складаються з полярної (голови і двох неполярних хвостів). Гліколіпіди являють собою продукт з'єднання ліпідів з вуглеводом. Подібно фосфоліпідам, вони складаються з полярної голови і неполярних хвостів. Стеролами називають спирти, що відносяться до класу стероїдів. Найбільш поширений серед них холестерол. Його молекули повністю неполярні, і в цьому його відмінність від фосфоліпідів і гліколіпідів.

Якщо по поверхні води розподіляється тонкий шар якихось полярних ліпідів наприклад фосфоліпідів, то їх молекули орієнтуються таким чином, щоб утворити один мономолекулярний шар, або моношар. Неполярні гідрофобні хвости молекул стирчать при цьому з води, а полярні гідрофільні голови лежать на її поверхні.

Якщо кількість ліпідів більше кількості, необхідної для того, щоб покрити поверхню води, або якщо суміш ліпідів з водою струснути, то утворюються частинки, що називаються міцелами: у них гідрофобні хвости сховані всередину і тим самим захищені від контакту з водою.

Міцели можуть утворювати подвійний шар ліпідних молекул так званий ліпідний бішар. Подібні ліпідні бішари мають багато властивостей, характернх для мембран, що знаходяться в живих клітинах. Давсон і Даніеллі (Davson, Danielli) в 1935 р. висловили припущення, що клітинна мембрана являє собою такий же ліпідний бішар, укладений між двома шарами білка. З появою електронного мікроскопа вперше відкрилася можливість познайомитися з будовою мембран, і тоді з’ясувалося, що плазматична мембрана як тварин, так і рослинних клітин виглядає саме як тришарова (триламінарная) структура.

У 1959 р. Робертсон (Robertson), об'єднавши уявлення що були на той час, висунув гіпотезу про будову «елементарної мембрани», в якій він постулював структуру, загальну для всіх біологічних мембран:

а) всі мембрани мають товщину близько 7,5 нм;

б) в електронному мікроскопі всі вони представляються тришаровими;

в) тришаровий вигляд мембрани є результат саме того розташування білків і полярних ліпідів, яке передбачала модель Давсона і Даніеллі), - центральний ліпідний бішар укладений між двома шарами білка.

Ця гіпотеза будови елементарної мембрани зазнала відтоді зміни у зв'язку з отриманням нових даних, що надходили з різних джерел. Особливо плідним у справі вивчення мембранної структури виявився метод заморожування-сколювання, при цьому мембрани розщеплюються і внутрішні їх поверхні стають доступними для огляду. Перевага цього методу полягає в тому, що мембрани завдяки миттєвому заморожуванню зберігаються мов би в живому вигляді, тоді як хімічна фіксація здатна так чи інакше змінити природне розташування їх компонентів. Метод заморожування-сколювання виявляє наявність в мембрані частинок (головним чином білків), занурених у ліпідний бішар, а іноді і пронизують його наскрізь. В цілому можна сказати, що, чим активніше в метаболічному плані дана мембрана, тим більше в ній виявляється таких білкових частинок. Неоднаково і розташування таких частинок на внутрішній ї зовнішній поверхні мембрани.

У 1972 р. Сінгер і Ніколсон (Singer, Nicolson) запропонували рідинно-мозаічну модель мембрани згідно з якою білкові молекули, плаваючі в рідкому ліпідному бішарі, утворюють в ньому мов би своєрідну мозаїку.

У цієї моделі ліпідний бішар як і раніше розглядається як елементарна мембрана, але тут він представлений як динамічна структура; білки плавають в цьому ліпідному «морі» подібно островам - іноді вільно, а іноді ніби на прив'язі, їх утримують мікрофіламенти, які проникають в цитоплазму. Ліпіди також можуть переміщатися, змінюючи своє положення.

Білки.Деякі мембранні білки лише частково занурені в мембрану, тоді як інші пронизують всю її товщу. Зазвичай у білків є гідрофобні ділянки, які взаємодіють з ліпідами, і гідрофільні ділянки, що перебувають на поверхні мембрани в контакті з водним вмістом клітини. У клітинних мембранах зустрічаються тисячі різних білків. Серед них є суто структурні білки і білки, що виконують поряд зі структурними також які-небудь інші, додаткові функції. Деякі, наприклад, діють як переносники, транспортуючи через мембрану ті або інші речовини. Такі переносники можуть входити як складова частина в якій-небудь активний насосний механізм. Передбачається, що в білкових молекулах або між сусідніми білковими молекулами є гідрофільні канали, або пори. Ці пори пронизують мембрану, так що по них крізь мембрану можуть проходити полярні молекули, які без таких пор пройти б не могли - ліпідний компонент мембрани не пропустив би їх в клітку.

У мембранах містяться ферментні білки, специфічні рецептори, переносники електронів, перетворювачі енергії, що беруть участь у фотосинтезі і диханні, і т. п. Крім того, в мембранах є глікопротеїни. У них на вільних поверхнях знаходяться глікозильні групи - розгалужені олігосахаридні ланцюги, що нагадують антени. Ці «антени», що складаються з декількох моносахаридних залишків, мають найрізноманітнішу (хоча і строго певну) конформацію, що пояснюється різноманітністю зв'язків між моносахаридними залишками та існуванням α- і β-ізомерів. Функція «антен» пов'язана з розпізнаванням зовнішніх сигналів, яке важливе для клітин з багатьох причин. Ділянки, що здатні до розпізнавання двох сусідніх клітин можуть, наприклад, зв'язуватися одна з одною, забезпечуючи зчеплення клітин. Завдяки цьому клітини правильно орієнтуються і утворюють тканини в процесі диференціювання. З розпізнаванням пов'язана і діяльність різних регуляторних систем, а також імунна відповідь, в якій глікопротеїни грають роль антигенів. Розпізнавальні ділянки є і у деяких молекул, що знаходяться в розчині, завдяки чому вони вибірково поглинаються клітинами з комплементарними розпізнавальними ділянками. Про приєднання вуглеводних залишків до білків (глікозилювання білків), яке і надає білкам цю здатність до розпізнавання і яке здійснюється в апараті Гольджі. Цукри, таким чином, можуть функціонувати як інформаційні молекули, тобто в цьому сенсі їх можна порівняти з білками і нуклеїновими кислотами.

Ліпіди.Склад мембранних ліпідів варіює, і це впливає на такі їх властивості, як рідкий стан і проникність; зазвичай мембранні ліпіди за своєю консистенцією нагадують оливкову олію. У ненасичених ліпідів у вуглеводневих хвостах молекул є так звані «злами». Ці «злами» перешкоджають дуже щільній упаковці молекул і роблять структуру мембрани більш пухкою, більш «рідкою». Із збільшенням довжини вуглеводневих хвостів ліпідних молекул мембрана також стає рідшою; у відомих межах рідкий її стан регулює ліпід холестерол. Від рідкого стану залежить активність мембран і, зокрема, легкість злиття окремих мембран одна з одною, а також активність пов'язаних з мембраною ферментів і транспорт білків.

Гліколіпіди, подібно глікопротеїнам, вносять свій внесок у формування ділянок здатних до розпізнавання.

Ядро

Ядра є у всіх еукаріотичних клітинах, за винятком зрілих члеників ситовидних трубок флоеми і зрілих еритроцитів ссавців. У деяких протистів є два ядра - мікронуклеус і макронуклеус. Однак, як правило, клітини містять тільки одне ядро. При розгляді клітин під мікроскопом відразу помітні ядра, тому що з усіх клітинних органел вони найбільші. З цієї ж причини саме вони були описані першими серед клітинних структур в ранніх дослідженнях зі світловим мікроскопом. Ядра мають звичайно кулясту або яйцеподібну форму; діаметр першого дорівнює приблизно 10 мкм, а довжина другого - 20 мкм.

Ядро необхідно для життя клітини, оскільки саме воно регулює всю її активність. Пов'язано це з тим, що ядро несе в собі генетичну (спадкову) інформацію, укладену в ДНК. ДНК має здатність до реплікації, причому її реплікація передує поділу ядра, так що дочірні ядра теж отримують ДНК. Поділ ядра в свою чергу передує клітинному поділу, завдяки чому і у всіх дочірніх клітин є ядра. Ядро оточене ядерною оболонкою і містить хроматин, ядерце (або декілька ядерець) і нуклеоплазму.

У світловому мікроскопі мембрана, що оточує ядро, бачиться одинарною, тому в свій час її назвали ядерної мембраною. Пізніше, однак, з’ясувалось, що це - ядерна оболонка, що складається з двох мембран. Зовнішня переходить безпосередньо в ендоплазматичний ретикулум (ЕР). ЕР може бути всіяна рибосомами, в яких йде синтез білка. Ядерна оболонка пронизана ядерними порами. Вони особливо помітні на препаратах, отриманих методом заморожування-травлення. Через ядерні пори відбувається обмін різними речовинами між ядром і цитоплазмою, наприклад вихід у цитоплазму матричної РНК (мРНК) і рибосомних субчастинок або надходження в ядро рибосомних білків, нуклеотидів і молекул, що регулюють активність ДНК. Пори мають певну структуру, що представляє собою результат злиття зовнішньої і внутрішньої мембран ядерної оболонки. Ця структура регулює проходження молекул через пору.

Вміст ядра являє собою гелєподібний матрикс, названий нуклеоплазмою (каріоплазмою) або ядерним соком, в якому розташовуються хроматин і одне або кілька ядерець. Нуклеоплазма містить різні хімічні речовини, такі, як іони, білки (в тому числі ферменти) і нуклеотиди у вигляді істинного, або у вигляді колоїдного розчину.

Хроматин складається з багатьох витків ДНК, приєднаних до гістонів - білкам основний природи. Гістони і ДНК об'єднані в структури, які нагадують намистини в намисті; їх називають нуклеосомами.

Слово «хроматин» в перекладі означає «пофарбований матеріал», і названий був так хроматин тому, що він легко забарвлюється при підготовці до дослідження за допомогою світлового мікроскопа. Під час поділу ядра хроматин забарвлюється інтенсивніше, а значить, стає і більш помітним, що пояснюється його конденсацією - утворенням більш туго скручених (спіралізованих) ниток, які називаються хромосомами. У інтерфазі (період між двома поділами ядра) хроматин переходить у більш диспергований стан. Частина його, однак, залишається щільно спіралізованою і як і раніше інтенсивно фарбується. Цю частину називають гетерохроматином. Гетерохроматин має вигляд характерних темних плям, що розташовуються звичайно ближче до оболонки ядра. Решта, більш пухко спіралізований хроматин, що локалізується ближче до центру ядра, називається еухроматином. Окремі нитки еухроматину занадто тонкі, щоб їх можна було розгледіти в світловому мікроскопі. Допускається, що в них зосереджена та ДНК, яка в інтерфазі генетично активна. Якщо це так, то в клітинах, в яких експресуються багато різних генів (наприклад, в клітинах печінки), повинно виявлятися більше еухроматину і менше гетерохроматину, ніж в клітинах, де експресується мало генів (наприклад, а клітинах, які секретують слиз).

Ядерце - знаходиться усередині ядра і являє собою добре помітну округлу структуру, в якій відбувається синтез рРНК. У ядрі може бути одне або кілька ядерець. Ядерце інтенсивно забарвлюється, тому що воно містить велику кількість ДНК і РНК. У полісом є особлива область - щільна, з фібрилярною консистенцією, - в якій розташовуються поруч ділянки декількох різних хромосом. Такі ділянки ДНК називають ядерцевими організаторами; в них міститься велика кількість копій генів що кодують рибосомну РНК. У профазі (ранній стадії клітинного поділу) матеріал ядерця диспергується, і воно стає невидимим, а під час телофази (закінчення клітинного поділу) під впливом організаторів знову виникають, ядерця.

Центральну область ядерця оточує менш щільна периферична область, яка містить гранули, де починається згортання рибосомної РНК і де йде збірка рибосом. Завершується ця збірка в цитоплазмі. Між гранулами видно пухко упаковані фібрили хроматину.

Цитоплазма

Живий вміст еукаріотичних клітин складається з ядра і цитоплазми, які разом утворюють «протоплазму». Цитоплазма складається з водянистої основної речовини в якій знаходяться різні органели. Крім того, в ній присутні різні включення - нерозчинні відходи метаболічних процесів і запасні речовини.

Цитозоль, або основна речовина. Цитозолем називають розчинну частину цитоплазми. Це - «основна речовина» цитоплазми, що заповнює простір між клітинними органелами. Цитозоль містить систему мікрофіламентів, а все інше при вивченні в електронному мікроскопі являє собою прозорим і безструктурним. На частку води в цитозолі припадає приблизно 90 %. У цій воді в розчинному вигляді містяться всі основні біомолекули. Істинний розчин утворює іони і молекули, а саме солі, цукри, амінокислоти, жирні кислоти, нуклеотиди, вітаміни і розчинені гази. Великі молекули - білки і в меншій мірі РНК утворюють колоїдні розчини. Колоїдний розчин може бути золем (нев'язким) або гелем (в'язким); зовнішні шари цитоплазми за своєю консистенцією часто бувають ближчими до гелю.

Цитозоль - це не тільки місце зберігання біомолекул. Тут протікають і деякі метаболічні процеси, серед них такий важливий процес, як гліколіз. Синтез жирних кислот, нуклеотидів та деяких амінокислот також відбувається в цитозолі.

Найчастіше ми спостерігаємо цитоплазму в статичному стані - в клітинах, вбитих і підготовлених для мікроскопії. Якщо ж нам вдається спостерігати живу цитоплазму, то зазвичай кидається в очі її активність: помітно рух органел, а іноді і явище, яке називають струмом цитоплазми або циклозом. Цією назвою позначають активний рух, в який втягується вся цитоплазма.

Поиск по сайту: