Клетка и основные процессы в ней

— перетяжкой, к которой во время  деления клетки (митоза) прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосому на два плеча.

Число хромосом не является видоспецифическим признаком, однако характеристика хромосомного набора в целом видоспецифична. Совокупность количественных (число и размеры) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки называют кариотипом. Число хромосом в кариотипе большинства видов живых организмов четное. Передача генетической информации хромосомами осуществляется только в деспирализованном (раскрученном) состоянии. В этом ≪разрыхленном≫ состоянии они обычно не видимы в световой микроскоп. В делящихся клетках все хромосомы сильно спирализуются, приобретают компактные размеры и форму и становятся заметными в световой микроскоп. После завершения деления клетки хромосомы деспирализуются и в образовавшихся ядрах снова становятся видимыми только тонкая сеть и мелкие гранулы хроматина.

Ядрышко — плотное округлое тельце внутри ядра. Ядрышко не окружено мембраной. В состав ядрышка входят сложные белки — рибонуклеопротеиды. Формируется ядрышко на определенных участках хромосом (ядрышковых организаторах), где находятся гены, кодирующие рибосомную РНК. Кроме накопления рРНК в ядрышке происходит формирование прерибосомных гранул — предшественников субъединиц рибосом, которые затем через поры в ядерной оболочке перемещаются в цитоплазму, где и заканчивается их объединение в рибосомы. Таким образом, ядрышки играют важнейшую роль в процессах, предшествующих биосинтезу белков клетки.

Ядерный сок (кариоплазма, кариолимфа) представляет собой бесструктурную массу, заполняющую промежутки между структурами ядра. В состав ядерного сока входят различные белки, в том числе большинство ферментов ядра. Основная функция ядерного сока — осуществление взаимосвязи ядерных структур (хроматина и ядрышка). Кроме органоидов, свойственных всем клеткам, есть специальные структуры органеллы, выполняющие функцию движения. К ним относятся реснички и жгутики, представляющие собой миниатюрные выросты клеток в виде волосков, выполняющие функцию движения. Они широко распространены как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Среди простейших с помощью жгутиков перемещаются жгутиконосцы, а с помощью ресничек — инфузории. У многоклеточных животных и растений с помощью жгутиков передвигаются сперматозоиды и зооспоры. Целый ряд одноклеточных организмов (корненожек, слизевиков), а также некоторые клетки многоклеточных животных (лейкоцитов) движутся с помощью псевдоподий (ложноножек) — временных цитоплазматических выростов. Такой способ передвижения называется амебоидным. Псевдоподии возникают и втягиваются в различных местах клетки, поэтому ее форма при амебоидном движении постоянно меняется.

Особенности строения растительной клетки

Наряду с общими чертами строения растительных и животных клеток выделяют особенности, характерные исключительно для клеток растительных организмов. Растительная клетка, как и животная, окружена цитоплазматической мембраной, но у большинства растительных клеток имеется еще и прочная клеточная стенка значительной толщины.

В растительной клетке помимо органоидов, встречающихся и в животных клетках, есть органоиды, характерные исключительно для растительных клеток. Это особые органоиды — пластиды, в которых происходит первичный синтез органических веществ из минеральных. Каждая пластида ограничена двумя элементарными мембранами. Для многих характерна сложная система внутренних мембран, погруженных в матрикс. Пластиды разнообразны по форме, размерам, строению, функции. Различают три вида пластид: лейкопласты — бесцветные пластиды, в которых происходит синтез и накопление запасных продуктов питания — в первую очередь крахмала, реже белков и жиров; хлоропласты — зеленые пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл и являющиеся органоидами фотосинтеза; хромопласты, содержащие различные пигменты группы каротиноидов, придающие лепесткам и плодам яркую оранжевую и красную окраску. Все три группы пластид связаны общим происхождением от пропластид в клетках образовательных тканей. Возможны взаимные превращения пластид друг в друга. Пример превращения хлоропластов в хромопласты: при старении листьев и стеблей, созревании плодов хлоропласты вследствие разрушения хлорофилла утрачивают зеленую окраску и превращаются в хромопласты. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, реже в хромопласты. Обычно в клетке встречается только один из указанных трех пластидов. Совокупность всех пластид клетки называется пластидомой.

Помимо наличия клеточной стенки и пластид структура растительной клетки отличается особой системой вакуолей. Вакуоли — это полости в цитоплазме, ограниченные мембраной и заполненные жидкостью. Они встречаются не только в растительных клетках: в цитоплазме простейших находятся пищеварительные и сократительные вакуоли, в клетках многоклеточных животных имеются пищеварительные и аутофагирующие (участвующие в переваривании частей самой клетки) вакуоли. У растений вакуоли являются производными эндоплазматической сети, окружены полупроницаемой мембраной — тонопластом и образуют развитую систему, называемую вакуумом. В молодой клетке эта система представлена канальцами и пузырьками, которые по мере роста клетки увеличиваются и сливаются в одну большую вакуоль, занимающую 70 —95 % объема зрелой клетки. Вакуоли растительной клетки заполнены клеточным соком — водянистой жидкостью, содержащей в растворенном виде белки, углеводы, различные соли. Осмотическое давление, создаваемое веществами, растворенными в клеточном соке вакуолей, приводит к тому, что в клетку поступает вода, которая обусловливает тургор — напряженное состояние клеточной оболочки. Благодаря тургору ткани обладают упругостью, сохраняется вертикальное положение стеблей, обеспечивается прочность растений к различным нагрузкам.

Основные процессы, протекающие в клетке

Обмен веществ и превращение энергии

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма – гомеостаз – в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса – это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).

Пластический обмен – это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе энергитического обмена. Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул. Часть энергии, высвобождаемой при этом, идет на синтез богатых энергетическими связями молекул АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты). Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во внешнюю среду выделяются отработанные вещества.

Ферменты (энзимы) – это специфические белки, биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и т.д.), протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает функциональная группа или отдельная аминокислота.

Скорость ферментативных реакций  зависит от многих факторов: температуры, давления, кислотности среды, наличия  ингибиторов и т.д.

Этапы энергетического обмена:

Подготовительный – происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов полисахариды расщепляются на моносахариды (глюкоза, фруктоза и др.), жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.

Бескислородный (анаэробное дыхание  или гликолиз) — многоступенчатое расщепление глюкозы без участия  кислорода. Его называют брожением. В мышцах в результате анаэробного  дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С₃Н₆О₃). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

Суммарное уравнение этого этапа:

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ -> 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

У дрожжевых грибков молекула глюкозы  без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид  углерода (спиртовое брожение). У  других микроорганизмов гликолиз может  завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. При распаде  одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ, в связях которой  сохраняется 40% энергии, остальная энергия  рассеивается в виде тепла.

Кислородное дыхание – этап аэробного дыхания или кислородного, расщепления, который проходит на складках внутренней мембраны митохондрий – кристах. На этом этапе вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов распада - воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основное условие нормального течения кислородного расщепления – целостность митохондриальных мембран. Кислородное дыхание — основной этап в обеспечении клетки кислородом. Он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.

Суммарное уравнение кислородного расщепления:

2С₃Н₆0₃ + 60₂ + 36H₃PО₄ + 36АДФ -> 6CO₂ + 38Н₂О + 36АТФ

По способу получения энергии  все организмы делятся на две  группу – автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (автотрофы) — это организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии солнца (фототрофы) или энергии, освобождающейся при химических реакциях (хемотрофы). К автотрофным организмам относятся наземные зеленые растения, водоросли, фототрофные бактерии, источником энергии для которых является свет, а также некоторые бактерии, использующие окисление неорганических веществ. Автотрофы — единственные созидатели первичных веществ — основной массы органического вещества в биосфере и главные накопители энергии. Созданные ими вещества — основа для большинства химических превращений, источник всей жизни на Земле, что определяет существование всех других организмов.

Гетеротрофные организмы (гетеротрофы) — организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, а потому использующие в виде пищи уже готовые органические вещества, созданные автотрофами. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные наземные растения и водоросли. Гетеротрофные организмы вместе с автотрофами составляют единую биологическую систему, связанную пищевыми отношениями.

Энергетический обмен в аэробных клетках растений, грибов и животных протекает одинаково. Это свидетельствует  об их родстве. Количество митохондрий  в клетках тканей различно, оно  зависит от функциональной активности клеток. Например, много митохондрий в клетках мышц.

Деление клетки

 
Хотя все клетки появляются путем  деления предшествующей клетки, не все они продолжают делиться. Например, нервные клетки мозга, однажды возникнув, уже не делятся. Их количество постепенно уменьшается; поврежденные ткани мозга  не способны восстанавливаться путем  регенерации. Если же клетки продолжают делиться, то им свойствен клеточный  цикл, состоящий из двух основных стадий: интерфазы и митоза. Сама интерфаза  состоит из трех фаз: G1, S и G2.

G1 (4-8 ч). Это фаза начинается сразу  после рождения клетки. На протяжении  фазы G1 клетка, за исключением хромосом (которые не изменяются), увеличивает  свою массу. Если клетка в  дальнейшем не делится, то остается  в этой фазе.

S (6-9 ч). Масса клетки продолжает  увеличиваться, и происходит удвоение (дупликация) хромосомной ДНК. Тем  не менее хромосомы остаются одинарными по структуре, хотя и удвоенными по массе, так как две копии каждой хромосомы (хроматиды) все еще соединены друг с другом по всей длине.

G2. Масса клетки продолжает увеличиваться  до тех пор, пока она приблизительно  вдвое не превысит начальную, а затем наступает митоз.

Митоз

 
После того как хромосомы удвоились, каждая из дочерних клеток должна получить полный набор хромосом. Простое деление  клетки не может этого обеспечить - такой результат достигается  посредством процесса, называемого  митозом. Если не вдаваться в детали, то началом этого процесса следует  считать выстраивание хромосом в  экваториальной плоскости клетки. Затем  каждая хромосома продольно расщепляется на две хроматиды, которые начинают расходиться в противоположных направлениях, становясь самостоятельными хромосомами. В итоге на двух концах клетки располагается по полному набору хромосом. Далее клетка делится на две, и каждая дочерняя клетка получает полный набор хромосом. Митоз принято разделять на четыре стадии.

I. Профаза. Особая клеточная  структура – центриоль – удваивается (иногда это удвоение происходит в S-периоде интерфазы), и две центриоли начинают расходиться к противоположным полюсам ядра. Ядерная мембрана разрушается; одновременно специальные белки объединяются (агрегируют), формируя микротрубочки в виде нитей. Центриоли, расположенные теперь на противоположных полюсах клетки, оказывают организующее воздействие на микротрубочки, которые в результате выстраиваются радиально, образуя структуру, напоминающую по внешнему виду цветок астры ("звезда"). Другие нити из микротрубочек протягиваются от одной центриоли к другой, образуя т.н. веретено деления. В это время хромосомы находятся в спирализованном состоянии, напоминая пружину. Они хорошо видны в световом микроскопе, особенно после окрашивания. В профазе хромосомы расщепляются, но хроматиды все еще остаются скрепленными попарно в зоне центромеры – хромосомной органеллы, сходной по функциям с центриолью. Центромеры тоже оказывают организующее воздействие на нити веретена, которые теперь тянутся от центриоли к центромере и от нее к другой центриоли.