Строение и компоненты клетки

Соматические и половые клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растений в принципе сходны по своему строению. Они состоят из клеточной мембраны и протоплазмы (Рис.6). Важнейшие неразрывно связанные, части протоплазмы клетки представлены ядром и цитоплазмой, содержащей различные органоиды (органеллы).

Рис.6 Схема строения растительной клетки

Ядро является центром, управляющим жизнедеятельностью всей клетки и координирующим ее. Оно имеет сложное строение, изменяющееся на разных жизненных циклах клетки. В неделящейся клетке (интерфазе) ядро занимает 10-20% всего ее объема.

Ядро окружено ядерной оболочкой (мембраной), пронизанной порами, через которые осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра находится хроматин, одно или несколько ядрышек и ядерный сок (кариолимфа или нуклеоплазма) (Рис.7).

Рис. 7 Схема строения ядра

В ядерном соке в световом микроскопе можно различить сетчатую структуру с глыбами хроматина. По данным электронной микроскопии, эта сеть не что иное, как хромосомы, которые становятся хорошо различимыми только во время деления клетки.

Ядрышки – тельца, связанные с хромосомами, содержат большое количество рибонуклеиновых (РНК) кислот. Функция их еще недостаточно изучена. Предполагают, что в них происходит синтез рибосомной РНК.

Цитоплазма наряду с ядром является главным компонентом клетки, с ней связан обмен веществ. Состоит из прозрачной жидкости – гиалоплазмы, которая на 85% состоит из воды, на 10% из белков.

Цитоплазма содержит целый ряд органелл, ответственных за энергетический и химический обмен в клетке.

Энергия в клетке вырабатывается в митохондриях. Это сферические или палочковидные образования разнообразной величины (от 0,2 до 7 мкм) и сложной структуры (Рис.8). Форма и число их меняется в зависимости от функционального состояния в клетке. Они принимают участие в окислительном обмене клетки.

Рис.8 Схема строения митохондрии

В митохондриях сосредоточено около четверти белков и жиров клетки, они содержат десятки ферментов. Вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся соединением богатым энергией. В митохондриях происходят все реакции цикла Кребса.

Исследования цитоплазмы с помощью электронного микроскопа привело к открытию системы мембран и канальцев, служащих продолжением клеточной мембраны, связанных с внешней мембраной ядерной оболочки. Эта система получила название эндоплазматической сети, или ретикулума (Рис.9). Состоит из белков и фосфолипидов. Участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ из окружающей среды в цитоплазму и между отдельными внутриклеточными структурами.

Рис. 9 Схема строенияэндоплазматической сети

Здесь же открыты субмикроскопические частицы – рибосомы, которые состоят из белков и РНК (80-90% от всей клеточной РНК) (Рис.10). В рибосомах осуществляется синтез клеточных белков под контролем ядра.

Рис. 10 Строениерибосомы

Рибосома состоит из двух субчастиц - большой (справа) и малой (слева). Обе они состоят из длинных цепочек РНК (зеленые) и белков (красные). С одной молекулой РНК могут связываться несколько рибосом, образуя полирибосому (полисому). Образуются в ядрышке, после чего поступают в цитоплазму, присутствуют в клетках всех живых организмов. В процессе синтеза новых белков две субчастицы рибосомы соединяются, охватывая при этом цепочку матричной РНК. Перемещая ее на три нуклеотида за шаг, рибосома осуществляет синтез белка.

Важнейшими органоидами клетки являются пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты и др.) (Рис.11). Они характерны для цитоплазмы растительных клеток и могут саморазмножаться. Содержат хлорофилл, участвующий в процессах фотосинтеза.

Рис. 11 Строение хлоропласта:

1 – тилакоид стромы; 2 – внешняя мембрана;

3 – тилакоид граны; 4 – внутренняя мембрана.

В зависимости от типа пластид органы растений имеют разную окраску: зеленый цвет придают хлоропласты, красный и желтый цвет зависит от наличия хромопластов, неокрашенные части растений содержат лейкопласты (Рис.12).

Рис. 12 Пластиды

Бесцветные пластиды синтезируют крахмал, хромопласты – пигменты, эвопласты – жиры и пластидные кислоты (Рис.13).

Рис. 13 Пластиды

В цитоплазме клетки находятся специфические органоиды - аппарат Гольджи, который обеспечивает выделительную и секреторную функции клетки, так как он может исчезать и вновь появляться (Рис.14) .

Рис.14 Схема строенияаппарата Гольджи

Лизосомы - это клеточные органеллы, выполняющие роль «уборщиков мусора». Они представляют собой мембранные пузырьки, в которых находятся гидролитические ферменты. Набор гидролаз в лизосомах такой, что они могут деполимеризовать любые полимеры, имеющиеся в организме - белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды.

Лизосомы выполняют двойную функцию, переваривая также и пищу, которая поступает в клетку. Когда клетке необходимо переварить питательные вещества, мембрана лизосомы сливается с мембраной пищеварительной вакуоли. Затем лизосома может вводить ферменты в пищеварительную вакуоль, чтобы разрушить поступившие питательные вещества. В результате, переваренная пища проникает через мембрану вакуоли и входит в клетку и используется в качестве энергии для роста клетки (Рис.15).

Рис. 15 Лизосомы

Центросома (клеточный центр) состоит из двух компонентов: небольших телец – центриолей и центросферы – особым образом дифференцированного участка цитоплазмы. С центросомой связано формирование ахромативного веретена, возникающего в период деления клеток (Рис.16).

Рис. 16 Клеточный центр

Митоз

В основе бесполого размножения организмов лежит универсальный процесс – деление клетки. В результате из одной клетки возникают две.

Деление клетки состоит из двух основных этапов: деление ядра – митоз (кариокинез) и деление цитоплазмы - цитокинез.

В жизненном цикле клетка проходит шесть последовательных стадий:

1 2 3 4 5 6

ИНТЕРФАЗА→ПРОФАЗА→МЕТАФАЗА→АНАФАЗА→ТЕЛОФАЗА→ЦИТОКИНЕЗ

МИТОЗ

Все эти стадии составляют один митотический цикл, разделяемый на интерфазу и митоз (Рис.17).

Рис. 17 Схема митоза в растительной клетке

Между двумя последовательными делениями клетки ядро находится в стадии интерфазы (Рис.18). Хотя интерфазу называют стадией покоящегося ядра, на самом деле метаболические процессы в ядре в этот период совершаются с наибольшей активностью: клетка готовится к делению.

Рис. 18 Интерфаза митоза

В ядре в это время хорошо видны хромосомы. Термин «хромосома» буквально означает «окрашивающееся тело». Они поглощают и удерживают красители в большей степени, чем другие компоненты клетки.

В профазе хромосомы спирализуются и становятся видимыми как двойные нити, которые называются «сестринскими хроматидами». Они удерживаются с помощью общего участка, называемого «центромерой». В профазе оболочка ядра сохраняется, и хромосомы располагаются по всему объему ядра (Рис.19).

Рис. 19 Профаза митоза

Признаком окончания профазы является исчезновение ядрышек и оболочек ядра, в результате чего хромосомы оказываются в общей массе цитоплазмы и нуклеоплазмы, которые теперь образуют миксоплазму.

Метафазой называется стадия расположения хромосом в экваториальной плоскости, перпендикулярно оси веретена. Хромосомы, расположенные в этой плоскости, образуют экваториальную или метафазную пластинку (Рис.20).

Рис. 20 Метафаза митоза

Каждая хромосома располагается таким образом, что ее центромера находится точно в экваториальной плоскости. При рассмотрении экваториальной пластинки с полюсов деления клетки хорошо видны ее хромосомы, так что можно сосчитать их число и изучить форму. Нити веретена приобретают более плотную консистенцию, чем остальная масса цитоплазмы и прикрепляются к хромосомам таким образом, что к каждой центромере подходят нити от двух полюсов.

Анафаза – фаза митоза, в которой делятся центромеры и сестринские хроматиды (которые теперь уже можно назвать хромосомами) и расходятся по полюсам (Рис.21).

Рис. 21 Анафаза митоза

При этом отталкиваются друг от друга в первую очередь центромерные участки, а затем расходятся к полюсам центромерами вперед и сами хромосомы.

Расхождение хромосом начинается одновременно и завершается очень быстро. После чего их количество у каждого полюса оказывается одинаковым и точно соответствует общему числу хромосом исходной клетки. Благодаря такому способу деления ядра обеспечивается постоянное число хромосом в клеточных поколениях.

В телофазе дочерние хромосомы удлиняются (дисперализуются) и утрачивают видимую индивидуальность. Образуется оболочка дочерних ядер. Затем восстанавливается ядрышко (или ядрышки), в том числе, в котором они присутствовали в родительских ядрах (Рис.22).

Рис. 22 Телофаза митоза

Ядро реконструируется в обратном порядке по сравнению с теми изменениями, которое оно претерпевало в профазе.

Деление тела клетки – цитокинез начинается вслед за делением ядра. В животной клетке это происходит путем перешнуровки цитоплазмы по экватору материнской клетки от периферии к центру. В растительной клетке формирование клеточной перегородки идет при участии веретена от центра к периферии (Рис.23).

Рис. 23 Цитокинез

Продолжительность всего митотического цикла зависит от вида организма, типа ткани, физиологического состояния организма, внешних факторов (температура, свет и др.) и колеблется в пределах от 30 минут до 3 часов. Скорость прохождения отдельных фаз митоза также изменчива.