Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Новокузнецкое училище (техникум) олимпийского резерва»

Строение и функции клеток

Пособие по самостоятельному изучению темы

Новокузнецк,

2015.

Организация самостоятельной работы студентов выступает одним из ключевых вопросов в современном образовательном процессе. Это связано не только с долей увеличения самостоятельной работы при освоении учебных дисциплин, но, прежде всего, с современным пониманием образования как выстраивания жизненной стратегии личности, включением в «образованием длиною в жизнь».

Пособие является частью полного курса общей биологии, разработанного на основе федерального компонента государственного стандарта общего образования, утвержденного приказом Минобразования России "Об утверждении федерального компонента государственных стандартов начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования" от 5 марта 2004 г. N 1089 и примерной программы предмета (М., 2008).

Оно предназначено для обучающихся училищ (техникумов) Олимпийского резерва, находящихся длительное время на сборах и соревнованиях. В этом пособии рассмотрены вопросы строения и функций клеток, имеются задания для проверки знаний.

Пособие может быть использовано при подготовке к ЕГЭ по биологии, а также к вступительным экзаменам в высшие учебные заведения.

Цель этого пособия – помочь обучающимся освоить тему и узнать объективный уровень своих знаний.

После изучения темы Вы должны:

Знать:

• строение и функции прокариотической клетки;

• структурно-функциональную организацию клеток эукариот: строение биологической мембраны, структурные и функциональные особенности мембран различных клеточных структур;

• органеллы цитоплазмы, клеточное ядро – центр управления жизнедеятельностью клетки;

• структуры клеточного ядра;

• неклеточные формы жизни: вирусы и бактериофаги;

• основные положения клеточной теории строения организмов.

Уметь:

• сравнивать растительную и животную клетки;

• эукариотическую и прокариотическую клетки;

• выявлять черты сходства и отличия.

Основные понятия:

прокариоты, эукариотическая клетка, особенности растительной и животной клетки, ядро и цитоплазма – главные составные части клетки, органоиды цитоплазмы, включения, хромосомы, их строение.

НАУКА ЦИТОЛОГИЯ

Цитология — наука о клетке (греч. "цитос" — клетка, "логос" — наука). Цитология изучает строение и функции клеток многоклеточных организмов, а также одноклеточные организмы.

Краткая история цитологии.

Изучение клеток было начато во 2-ой половине 17века благодаря использованию микроскопа. В 1665 г. Р. Гук опубликовал труд "Микрография", где изложил результаты свой исследований. Рассматривая тонкий срез пробки под микроскопом, он обнаружил существование множества мелких пор ячеек и назвал их "клетками". Так возник этот термин.

Важнейшим событием в развитии науки о клетке была изданная в 1672 г. книга М. Мальпиги "Анатомия растений", где автор приводил подробное описание микроскопических структур растений. Он в своих исследованиях также убедился, что растения состоят из клеток и называл их "мешочками" и "пузырьками".

Простейшие организмы, наблюдаемые под микроскопом с большой точностью описал другой выдающийся ученый 17в. Антон ван Левенгук. Он назвал этих простейших "микроскопическими животными", однако не отмечал их одноклеточного строения.

Впоследствии усовершенствование оптического микроскопа позволило установить наличие в клетке оболочек, ядра, ядрышек. С течением времени накапливались знания о клетке и ее структурных компонентах. В 1839 г. зоолог Т. Шванн обобщил все имеющиеся в этой области сведения и сформулировал клеточную теорию. Основное положение этой теории - клетка является элементарной единицей строения всех растительных и животных организмов. Однако, наряду с несомненными достоинствами эта теория содержала и ошибочные положения. Шванн считал, что главная роль в клетке принадлежит оболочке и клетки образуются из бесструктурного вещества. Последующие исследования показали ошибочность этого положения.

В дальнейшем клеточная теория была распространена и на одноклеточные организмы, сформулированы представления о ядре и цитоплазме как о главных компонентах клетки, исследовано деление клеток.

Р. Вирхов в 1858 г. обосновал принцип преемственности клеток путем деления ("каждая клетка из клетки").

Формы жизни.

Многочисленные данные, полученные при изучении живых объектов, показали, что в живой природе существует две формы жизни: клеточная и неклеточная. Неклеточную форму составляют вирусы. Клеточную форму жизни, т.е. организмы, состоящие из клеток или одной клетки, можно разделить на две группы: прокариоты и эукариоты. Прокариоты — это бактерии. Прокариотическая клетка (т.е. доядерная) не имеет оформленного ядра, окруженного ядерной оболочкой, и высокоспециализированных внутриклеточных органоидов. Эукариоты — это растения, животные и грибы. Эукариотическая клетка имеет ядро и органоиды.

Прокариоты.

К прокариотам относятся все бактерии, в том числе так называемые сине-зеленые водоросли. Прокариотическим клеткам присущи все важнейшие жизненные функции, но у них нет окруженных мембраной органоидов, имеющихся в эукариотических клетках, а именно, митохондрий, ЭПС, хлоропластов, лизосом и аппарата Гольджи. Самое важное отличие прокариотических клеток от эукариотических состоит в том, что у них нет окруженного мембраной ядра. Прокариотическая ДНК представлена одной свернутой кольцевой молекулой, занимающей "нуклеарную область". Эта ДНК связана лишь с небольшим количеством белка, в отличие от ДНК эукариот.

Рибосомы в прокариотических клетках присутствуют,] здесь они мельче, чем в цитоплазме эукариотических клеток. У прокариотических клеток имеются клеточные стенки и клеточные мембраны, но из внутренних мембран присутствует только мезосома, прикрепленная к клеточной мембране. У фотосинтезирующих бактерий имеются мембраны, которые содержат молекулы, необходимые для фотосинтеза; в отличие от эукариотических клеток эти мембраны не заключены в хлоропласты.

Обобщенная схема строения клетки палочковидной бактерии.

Справа перечисленные структуры, встречающиеся в каждой клетке, слева — встречающиеся не во всех клетках. Жгутик бывает один или несколько, (обычно он длиннее клетки. Капсула может быть слизистой, если капсула рыхлая, то она называется слизистым слоем. Трубчатые или мешковидные фотосинтетические мембраны, содержащие пигменты, представляют собой впячивания плазматической мембраны. Число пилей, или фимбрий, может достигать от одной до нескольких сотен. Мезосома представляет собой многоскладчатое впячивание плазматической мембраны. Клеточная стенка жесткая и содержит муреин. Рибосомы, располагающиеся по всей цитоплазме, по размеру меньше, чем у эукариот. Из запасных питательных веществ в бактериальных клетках можно обнаружить липиды, гликоген, полифосфаты. Цитоплазма не содержит никаких органелл; содержит ферменты и т.п.

Большинство эукариот являются аэробами, т. е. используют в энергетическом обмене кислород воздуха. Напротив, многие прокариоты являются анаэробами, и кислород для них вреден. Некоторые бактерии, называемые азотфиксирующими, способны усваивать азот воздуха, чего эукариоты делать не могут.

Те виды прокариот, которые получают энергию благодаря фотосинтезу, содержат особую разновидность хлорофилла, который может располагаться на мезосомах.

Образование спор.

В неблагоприятных условиях (холод, жара, засуха и т. д.) многие бактерии способны образовывать споры. При спорообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется особая плотная оболочка, а остальное содержимое клетки отмирает. Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из нее снова прорастает активная бактерия. Недавно немецкие исследователи сообщили, что им удалось «оживить» споры бактерий, которые образовались 180 млн. лет назад при высыхании древних морей!

Размножение прокариот.

Чаще всего прокариоты размножаются бесполым путем: ДНК удваивается, и далее клетка делится в поперечной плоскости пополам. В благоприятных условиях бактерии способны делиться каждые 20 минут; при этом потомство от одной клетки через трое суток теоретически имело бы массу 7500 тонн! К счастью, таких условий в принципе быть не может.

Половое размножение у прокариот наблюдается гораздо реже, чем бесполое, однако оно очень важно, так как при обмене генетической информацией бактерии передают друг другу устойчивость к неблагоприятным воздействиям (например, к лекарствам). При половом процессе бактерии могут обмениваться как участками бактериальной хромосомы, так и особыми маленькими кольцевыми двуцепочечными молекулами ДНК - плазмидами. Обмен может происходить через цитоплазматический мостик между двумя бактериями или с помощью вирусов, усваивающих участки ДНК одной бактерии и переносящих их в другие бактериальные клетки, которые они заражают.

Эукариотическая клетка.

Клетки, образующие ткани животных и растений сильно различаются по форме, размерам, внутреннему строению и функциям. Но все же можно выделить единую схему строения клетки. В каждой клетке можно заметить три главные части:

1) клеточная мембрана, окружающая клетку и отделяющая ее от внешней среды (у клеток растений мембрана окружена еще клеточной стенкой);

2) цитоплазма, содержащая воду, соли, органические соединения и органоиды;

3) клеточное ядро, в котором находится генетический материал клетки.

Мембрана.

1972 г. Сингер и Николсон - жидкостно-мозаичная модель мембраны: белковые молекулы плавают в жидком липидном бислое, образуя в нем мозаику.

1 - мембранные белки:

1а - периферические(расположены на поверхности мембраны, отграничивают её структуру)

1б - погруженные (ферменты)

1в - пронизывающие (поры)

2 - липидный бислой - фосфолипиды, холестерол (барьер между водными средами)

2а - гидрофильные головы

2б - гидрофобные хвосты

3 - поверхностные углеводы – гликокаликс

За – гликопротеиды

3б - гликолипиды

Функции мембраны:

1. Отграничение содержимого клетки от внешней среды, защита от повреждений,

2. Разделение внутриклеточной среды на отсеки.

3. Транспортная — обладает избирательной проницаемостью, т.е. одни вещества проходят сквозь нее легко, другие труднее, третьи вообще не проходят.

Благодаря избирательной проницаемости мембрана обеспечивает гомеостаз в клетке, т.е. постоянство внутренней среды.

Транспортная функция может осуществляться мембраной: а) пассивно (энергия практически не затрачивается) или б) активно (затрачивается значительное количество энергии на транспорт веществ через мембрану).

Примеры пассивного транспорта: диффузия, облегченная диффузия, осмос; активного транспорта: фагоцитоз, пиноцитоз, натрий-калиевые насосы.

Диффузия. Этим способом проходят вещества, способные растворяться в липидах (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и др.).

Облегченная диффузия. В этом случае белок переносчик, находящийся в мембране, на одной стороне мембраны соединяется с молекулой или ионом и, пройдя вместе с ними через мембрану, отдает их на другой стороне. Так транспортируется глюкоза.

Осмос - это прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану, в частности через клеточную мембрану. Вода переходит через мембрану из более разбавленного раствора в более концентрированный.

Фагоцитоз - поглощение клеткой твердых органических веществ. Такая твердая частица, оказавшись около клетки окружается выростами мембраны, или под ней образуется впячивание мембраны. Так или иначе частица окружается мембраной. В результате фагоцитоза частица оказывается заключенной в мембранный пузырек внутри клетки. Такой пузырек называют фагосомой.

Пиноцитоз - поглощение клеткой апель жидкости. Происходит аналогично фагоцитозу. Фагоцитоз и пиноцитоз еще называют эндоцитозом, в отличие от экзоцитоза - обратного процесса, когда вещества выводятся из клетки.

Цитоплазма — все содержимое клетки, за исключением ядра. Ее подразделяют на три части: органеллы (или органоиды), включения и гиалоплазму. Органеллы — обязательные компоненты клеток, а включения — необязательные компоненты (отложения запасных веществ или продуктов метаболизма) — погружены в гиалоплазму — жидкую фазу цитоплазмы клетки. Органеллы бывают двух типов: мембранные и немембранные. Среди мембранных можно выделить одномембранные (плазматическая мембрана, эндоплазматический ретикулюм, аппарат Гольджи, лизосомы и другие вакуоли) и двумембранные органеллы (митохондрии, пластиды, клеточное ядро). К немембранным органеллам относятся рибосомы, микротрубочки, клеточный центр.

Гиалоплазма (от греч. hyaline — прозрачный), или цитозоль, — это внутренняя среда клетки. Это не просто разбавленный водный раствор, а гель. Гиалоплазма может менять свою вязкость в зависимости от условий и переходить в более жидкое состояние (золь), обеспечивая движение клетки или ее внутриклеточных компонентов. Важнейшая функция гиалоплазмы — объединение всех клеточных структур и обеспечение химического взаимодействия между ними. Через нее осуществляется постоянный поток ионов и часть внутриклеточного транспортирования органических веществ. В ней локализованы ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, углеводов и происходит их модификация. Здесь синтезируются и откладываются запасные вещества, происходит гликолиз и синтез части АТФ.

Немембранные органоиды клетки

Немембранные органоиды клетки: рибосомы, цитоскелет, клеточный центр, базальные тельца, жгутики и реснички. Их особенности строения и функции.

У эукариот рибосомы состоят из двух субчастиц. В цитоплазме могут располагаться свободно или быть прикрепленными к ЭПС. Могут образовывать комплексы - полисомы (полирибосомы) — много рибосом на иРНК. Функция: биосинтез белка.

Цитоскелет

Функции: внутриклеточное движение, поддержание формы клетки.

Клеточный центр

Клеточный центр состоит из двух центриолей

структура «9+0»

участвует в организации веретена деления: при делении клетки центриоли расходятся к полюсам, к ним прикрепляются нити веретена

деления, которые равномерно распределяют хромосомы по дочерним клеткам.

Базальные тельца - по структуре идентичны центриолям лежат в основании жгутиков и ресничек, укрепляют их в цитоплазме.

Жгутики и реснички

Движение обусловлено взаимным скольжением микротрубочек каждой пары.

Микроворсинки - выросты мембраны, содержащие пучки актина и миозина.

Одномембранные органоиды.

Одномембранные органоиды клетки: ЭПС, аппарат Гольджи лизосомы, вакуоли. Их строение и функции.

Эндоплазматический ретикулум (ЭР)

Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

Система уплощенных мембранных мешочков - цистерн -

в виде трубочек и пластинок. Образует единое целое

с наружной мембраной ядерной оболочки

шероховатый гладкий

Аппарат Гольджи

Стопка уплощенных мембранных мешочков, пузырьков.

Функция: накопление, модификация, упаковка, секреция и транспорт органических веществ, обновление биомембран, образование лизосом. АГ развит в клетках, вырабатывающих белковый секрет, в яйцеклетках, нейронах.

Лизосома.

Простой сферический мембранный мешочек, заполненный гидролитическими ферментами для расщепления белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот, внутри рН = 5 (кислая). Участие во внутриклеточном переваривании, расщепление и удаление отмерших органоидов (автофагия), разрушение структуры самой клетки после её отмирания (автолиз). Особенно много в лейкоцитах.

Вакуоли.

Мембранные мешки, заполненные клеточным соком и ограничены одинарной мембраной - тонопластом. В растительных клетках - одна большая вакуоль, в животных — много мелких (пищеварительные, сократительные).

Функции: хранение продуктов обмена веществ, осмотические свойства клеток, функция лизосом.

ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли образуют единую вакуолярную систему клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга при перестройке и изменении функций мембран.

Двумембранные органоиды клетки.

Двумембранные органоиды клетки: митохондрии, хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

Двумембранные, имеют кольцевую ДНК, собственную РНК, собственные рибосомы.

Митохондрия Хлоропласты

Внутренняя мембрана образует кристы. Основное вещество – матрикс. При анаэробном дыхании на кристах происходит окислительное фосфорилирование- синтез АТФ из АДФ и Ф, используется энергия органических веществ. Энергетическая станция клетки.

Внутренняя мембрана образует тилакоиды, граны, ламеллы. Основное вещество – строма. При фотосинтезе в гранах происходит фотофосфорилирование - синтез АТФ из АДФ и Ф,используется энергия света. Фотосинтез.