Справочник по теме "Основы цитологии"
ГЛАВА I . Химический состав клетки
1.1 Химические элементы в составе клетки
Химические элементы, входящие в состав клетки, подразделяются на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Всего в состав клетки входят около 60 химических элементов. Они в свою очередь образуют вещества клетки. Различают неорганические и органические вещества. В состав неорганических веществ не входит углерод, кроме СО, СО2, Н2СО3, и карбонатов. В клетке неорганические вещества представлены водой (до 98%), солями минеральных кислот, а также соответствующими анионами и катионами (1%).
Макроэлементы (кислород, углерод, водород) входят в состав всех органических веществ клетки и воды, они составляют до 62%, фосфор входит в состав ДНК, АТФ, ферментов, костной ткани и эмали зубов, содержание его в организме 1%; катион кальция входит в состав оболочки клетки у растений, в состав костей и зубов у животных, также он участвует в свертываемости крови, его бывает до 2,5%.
Микроэлементы (сера, катионы калия и натрия и другие). Сера входит в состав белков, витаминов и ферментов, ее содержится 0,01-1%; катионы калия и натрия участвуют в проведении нервного импульса, поддерживают осмотическое давление в клетке, стимулируют синтез гормонов, их содержание по 0,25%; катион магния (0,1%) входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК и энергетический обмен; катион железа входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активизирует деятельность ферментов (0,07%). Анион хлора (0,2%) является компонентом желудочного сока, а анион йода (0,1%) - обязательным компонентом гормона тироксина (щитовидная железа).
Ульрамикроэлементы (менее 0,01%) участвуют в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализируют внутриклеточные окислительные процессы. Катионы меди и марганца повышают урожайность растений, активизируют процессы фотосинтеза и кроветворения; анионы бора влияют на ростовые процессы растений; анионы фтора входят в состав эмали зубов.
Неорганических веществ (в основном воды) в организме содержится 20-98%. Вода является источником кислорода и водорода при фотосинтезе, универсальным растворителем, терморегулятором клетки и организма в целом, стабилизатором структур клетки благодаря полярности молекул, транспортером веществ, осморегулятором; обеспечивает ряд физических свойств клетки: упругость, тургор, объем.
1.2 Основные органические вещества и их функции
Соединения, в состав которых входит углерод, называют органическими веществами. В живых клетках органические вещества представлены белками (10-20%), липидами (1-5%), углеводами (0,2-2,0%). нуклеиновыми и другими органическими кислотами(0.1-0.5%).
Липиды - это сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительный остаток фосфорной кислоты Различают простые липиды (нейтральный жир и воск), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, липопротенды) и стеронды. Липиды обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью. Они выполняют следующие функции:
1) структурная (совместно с белками входят в состав мембран, обеспечивают их полупроницаемость);
2) регуляторная (некоторые гормоны имеют липидную природу);
3) защитная (сохранение тепла, защитный каркас для внутренних органов; подкожный жир обеспечивает эластичность);
4) источник воды для животных организмов;
5) компонент витаминов (D, Е), растительных пигментов;
6) форма депонирования энергии (1 г жира дает39 кЛж или 9,5 ккал энергии).
Углеводы - это моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза), хорошо растворимые в воде и сладкие на вкус, дисахариды (сахароза, мальтоза, солодовый сахар), хорошо растворимые в воле и сладкие на вкус, и полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген), плохо растворимые или нерастворимые в воде. Их функции:
1) энергетическая - 1 г глюкозы дает 17,1 кДж(4,2 ккал) энергии;
2) компоненты ДНК, РНК и АТФ;
3) запасное питательное вещество (гликоген и крахмал);
4) строительная (целлюлоза - оболочка растительной клетки).
Белки - это биополимеры, в роли мономеров выступают 20 аминокислот. Растения синтезируют все аминокислоты, животные - только часть. Те аминокислоты, которые не синтезируются животной клеткой, называются незаменимыми, они должны поступать с пищей.
В воде белки плохо растворяются. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию.
Белки выполняют следующие функции:
1) каталитическая (ферменты: амилаза, пепсин, трипсин и др.);
2) транспортная - перенос веществ (гемоглобин, вещества-переносчики);
3)защитная-связывание молекул чужеродных веществ (антитела, иммуноглобулины, интерферон);
4) регуляторная (гормоны белковой природы: инсулин, глюкагон и др.);
5) сократительная (белки мышц: актин и миозин):
6) структурная (белки шерсти, шелка);
7) энергетическая (при окислении 1 г белка з 17,1 кДж или 4,2 ккал);
8) рецепторная, или сигнальная (родопсин).
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - это биополимеры, мономерами являются нуклеотиды. Состав нуклеотида: рибоза или дезоксирибоза, азотистое основание - аденин, гуанин, цитозин, тимин, ура-цил, остаток Н3PO4. Могут быть представлены двойной спиралью (ДНК) либо Одной цепью (РНК). Образуют хромосомы (ДНК). Строит тело рибосомы (РНК). Молекула ДНК способна к денатурации. Их функции состоят в хранении и передаче наследственной информации, генетического кода, также они участвуют в биосинтезе белка.
АТФ (аденинотрифосфат) - это особый нуклеотид. Молекула состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. АТФ принадлежит важнейшая роль в энергетике клетки, ее молекулы обеспечивают энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу, активный транспорт, поддержание температуры и т. п.
ГЛАВА II . Структурная организация клетки
2.1 Основные части клетки и их функции
Клеточная стенка состоит из целлюлозы, окружает растительные клетки, имеет множество пор. Она придает клетке прочность, поддерживает определенную форму, защищает ее, является скелетом растения.
Наружная клеточная мембрана - это двумембранная клеточная структура. Состоит из билипидного слоя и мозаично вкрапленных белков, снаружи располагаются углеводы. Она обладает полупроницаемостью. На наружной поверхности животной клетки имеется слой гликокаликса.
Функции клеточной мембраны:
1) разделительная (ограничивает внутреннее содержимое от наружной среды);
2) избирательная проницаемость (вещества, способные растворяться в липидах, проходят через мембрану, растворяясь в ней; перемещение ионов, мономеров мелких молекул происходит с помощью специальных белков-переносчиков; различают пассивную и активную диффузию);
3) секреторная (образование и выделение клеткой веществ во внешнюю среду).
Цитоплазма - это гиалоплазма, органеллы (ЭПС, митохондрии, рибосомы и др.) и цитоплазматические включения. Она выполняет все функции, характерные для этих образований.
Гиалоплазма - это жидкая среда цитоплазмы, в которой расположены органеллы и включения. Она представляет собой коллоидный раствор. Выполняет следующие функции:
1) связующая (обеспечивает взаимосвязь всех частей клетки);
2) истинная внутренняя среда, компоненты которой участвуют во всех процессах метаболизма;
3) транспортная (благодаря вязкости и способности к перемещению обеспечивает перемещение веществ).
Ядро – это важный структурный компонент эукариотической клетки, который содержит молекулы ДНК – генетическую информацию. Имеет округлую или овальную форму. Ядро хранит, передает и реализует наследственную информацию, а также обеспечивает синтез белка.
Вакуоли - это крупные пузырьки с преимущественно водным содержимым (могут входить минеральные соли, сахар, пигменты, органические кислоты и ферменты). Они образуются из пузыревидных расширений ЭПС или пузырьков Гольджи. Различают сократительные (пульсирующие) вакуоли, они служат для осмотической регуляции прежде всего у пресноводных простейших и центральную вакуоль растительной клетки, которая возникает из небольших вакуолей и пузыревидных расширений ЭПС (все они сливаются). Центральная вакуоль занимает большую часть объема клетки. Содержимое вакуоли - клеточный сок. Их функции:
1) хранение различных веществ, в том числе и конечных продуктов обмена (глюкоза, фруктоза, яблочная и лимонная кислота, некоторые пигменты);
2) поддержание осмотического давления в клетке;
3) выполнение функций лизосом (иногда).
2.2 Мембранные и немембранные органоиды(органеллы)
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это ультрамикроскопическая система мембран, образующих трубочки, канальцы, цистерны и пузырьки. Строение мембран универсальное, вся сеть объединена в единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки и наружной клеточной мембраной. Гранулярная ЭПС несет рибосомы, а гладкая лишена их. ЭПС разделяет внутриклеточные среды и обеспечивает транспорт веществ. Гладкая ЭПС синтезирует липиды и углеводы, запасает ионы кальция в мышцах, обезвреживает ядовитые вещества в печени. Гранулярная ЭПС участвует в процессе биосинтеза белка и синтезе липидов и углеводов.
Аппарат Гольджи - это система плоских полых емкостей (цистерн), по краям которых ответвляются трубочки, отделяющие мелкие пузырьки и представляющие собой неактивные лизосомы. В растительных клетках аппарат содержит полисахариды, которые используются для строения целлюлозной оболочки. Это наиболее подвижная и изменяющаяся органелла. Ее функции:
1) накопление, упаковка и выделение продуктов внутриклеточного синтеза, продуктов метаболизма, токсинов;
2) обновление мембран;
3) производство лизосом;
4) в растительной клетке - строительство клеточной стенки, синтез липидов и углеводов.
Лизосомы - это округлые или овальные образования с одиночной мембраной. Содержат более 30 ферментов. Число лизосом зависит от жизнедеятельности клетки и ее физиологического состояния. Их функции:
1) внутриклеточное пищеварение (осуществляют гидролитическое расщепление белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов);
2) самопереваривание отмирающих клеток (лизис);
3) уничтожение поврежденных органоидов клетки.
Митохондрии - состоят из двойной мембранной оболочки, внутренняя образует выросты - кристы. Внутренняя полость заполнена матриксом. Органоид содержит кольцевую молекулу ДНК, рибосомы, ферменты, белки, липиды, витамины и РНК. В клетке имеется до 1 500 митохондрий. Живут они несколько дней, размножаются поперечным делением. Их функции:
1) снабжение клетки энергией, которую она накапливает в форме АТФ (расщепление углеводов, окисление жирных кислот, аминокислот с освобождением энергии и запасание ее в виде энергии связей в молекулах АТФ);
2) синтез некоторых аминокислот (глутаминовой) и активное накопление ионов.
Пластиды - это хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Хлоропласты - микроскопические органеллы, которые встречаются в клетках, образующих листья, поверхности стебля, молодые плоды. Реже они могут находится в эпидермисе и венчике цветка. Имеют двойную мембрану. Внутренняя образует выросты в виде стопок (гранов). Они содержат пигменты и различные ферменты. Имеется молекула ДНК. Внутренняя полость - матрикс. Пигменты хлоропластов - это хлорофилл А и хлорофилл Б, а также каротиноиды (каротины, оранжево-красные, и ксантофиллы, желтые, реже красные).
Функции хлоропластов:
1) фотосинтез (преобразование энергии света в химическую энергию органических веществ);
2) синтез некоторых аминокислот и жирных кислот;
3) сохранение временных запасов крахмала.
Лейкопласты - бесцветные пластиды округлой формы. Встречаются в подземных частях растений, семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Они содержат ДНК, зерна крахмала, единичные тилакоиды. Служат местом отложения запасных питательных веществ (главным образом, зерен крахмала). Хромопласты - ярко окрашенные пластиды (желтые, оранжевые, красные), часто округлой формы. Внутренних выростов очень мало или совсем отсутствуют. Придают яркую окраску осенним листьям, зрелым плодам и лепесткам цветков. Служат для привлечения насекомых-опылителей и растительноядных животных.
Рибосомы - это ультрамикроскопические органеллы округлой или грибовидной формы. Состоят из двух асимметричных субъединиц (большая и малая). Содержат специфическую рРНК и белок. В клетке их более 10 000. Встречаются как в свободном состоянии, так и на мембранах ЭПС. Входят в состав митохондрий и хлоропластов. Необходимы для синтеза первичной структуры белковых молекул из аминокислот.
Клеточный центр - это ультрамикроскопическая органелла. Состоит из двух центриолей. Каждая имеет цилиндрическую форму. Центриоли расположены перпендикулярно друг другу. Клеточный центр участвует в делении клетки животных и низших растений. Центриоли служат центрами образования веретена деления. После окончания деления центриоли остаются в дочерних клетках, удваиваются и образуют клеточный центр.
Органеллы движения - это:
1) реснички, многочисленные цитоплазматические выросты на поверхности мембраны; способствуют удалению частичек пыли (реснитчатый эпителий), обеспечивают передвижение одноклеточных организмов;
2) жгутики, единичные цитоплазматические выросты на поверхности клетки; способствуют передвижению (сперматозоиды, зооспоры, одноклеточные организмы);
3) ложные ножки (псевдоподобии), амебовидные выступы цитоплазмы; образуются у отдельных клеток (лейкоциты) многоклеточных организмов либо у отдельных одноклеточных организмов (амеба); служат для захвата пищи и передвижения;
4) миофибриллы, тонкие нити длиной 1 см и более; служат для сокращения мышечных волокон, вдоль которых они расположены.
ГЛАВА III . Обмен веществ и превращение энергии в клетке
В клетках с участием ферментов непрерывно идут процессы как синтеза веществ, так и расщепления. Вся совокупность этих процессов носит название метаболизма.
Метаболизм (обмен веществ и энергии) - процесс, охватывающий усвоение пищевых веществ и построение из них тела организма (анаболизм) и распад в нем (катаболизм). На уровне клетки это превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов.
Катаболизм (диссимиляция, или энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления, переход веществ, богатых энергией, в простые, менее энергетически богатые вещества.
Анаболизм (ассимиляция, или пластический обмен) - совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ, сопровождающаяся поглощением энергии.
Пластический обмен:
В результате пластического обмена из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки. Наиболее интенсивно пластический обмен происходит в процессе роста организма. К наиболее важным процессам анаболизма, имеющим огромное значение для жизни на Земле, относят фотосинтез и биосинтез белков.
Энергетический обмен:
Энергия для жизнедеятельности клетки заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. Например, из пептидных связей освобождается около 12 кДж/моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2 800 кДж/моль (то есть на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:
С6Н12О6 + 6О2 = 6CO2 + 6 H2O + 2 800 кДж
Энергетический обмен протекает в несколько этапов.
ГЛАВА IV. Стадии жизненного цикла клетки
Интерфаза - период между делениями клеток.
Различают:
1) пресинтетический период (интенсивный синтез белка и рост клетки);
2) синтетический период (редупликация ДНК, синтез белков хромосом, утолщение хромосом);
3) постсинтетический период (интенсивная подготовка к митозу).
Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Характерен для всех видов тканей и для всех ядерных организмов. Обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Лежит в основе бесполого размножения организма.
Мейоз - характерен для жизненного цикла только половых клеток и спорообразования у растений. Из исходной материнской клетки образуется 4 гаметы - клетки с набором хромосом, 2 раза меньшим чем у исходной.
Амитоз - прямое деление ядра, без образования хромосом и веретена деления, возможно разделение цитоплазмы. Встречается в различных тканях специализированных, обреченных на гибель клеток. Хромосомный набор распределяется приблизительно.