2 клеточная теория

1.

Структурно-функциональная
организация клеток

2.

Клетка – живая элементарная открытая
система, являющаяся основной
структурно-функциональной единицей
всех живых организмов, способная к
самообновлению, саморегуляции и
самовоспроизведению.

3.

4.

Антони Ван Левенгук

5.

Клеточная теория М. Шлейдена и Т.Шванна 1838 г.
Основные положения клеточной теории
• Клетка является минимальной структурной и функциональной единицей живого («вне
клетки жизни нет»). Вирусы не имеют клеточного строения, однако все свойства живого
(такие как метаболизм, самовоспроизведение) они проявляют только внутри живой клетки
хозяина, которого инфицировали.
• Все живые организмы состоят из клеток и образованного ими внеклеточного вещества.
Многоклеточный организм — это система клеток и выделенного ими межклеточного
вещества, образовавшийся в результате деления 1 исходной клетки (оплодотворенной
яйцеклетки — зиготы).

6.

Клетки не возникают заново из неклеточного вещества, а образуются путем
деления ранее существующих клеток (так называемое дополнение Вирхова,
сделанное Рудольфом Вирховым в 1858 г.). Предполагается, что миллиарды лет
назад клетки возникли абиогенным путем в процессе происхождения жизни из
неживого вещества, однако считается, что в настоящее время это невозможно,
так как отсутствуют подходящие условия. Еще великий французский ученый Луи
Пастер (1822–1895 гг.) в своих опытах с кипячением питательных сред в
специальных колбах с изогнутыми носиками, куда не попадали микроорганизмы
и их споры, доказал невозможность самозарождения жизни из неживой материи.

7.

Современная клеточная теория включает следующие положения:
•Клетка – основная единица строения и развития всех живых
организмов, наименьшая единица живого;
•Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны
(гомологичны) по своему строению, химическому составу,
основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
•Клетки размножаются делением, и каждая новая клетка
образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
•Клетки многоклеточных организмов специализированы по
выполняемым ими функциям и образуют ткани;
•Ткани образуют органы, которые тесно взаимосвязаны и
подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

8.

Типы клеточной организации.
Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы:
•прокариоты (про – до, карион – ядро), или предъядерные.
•эукариоты (эу – настоящие, карион – ядро), или ядерные.
Клетки прокариот (эубактерии и цианобактерии) имеют более простое строение:
1. нет организованного ядра, т.е. ядерное вещество не отделено от цитоплазмы
собственной мембраной. Ядерное вещество представлено единственной
хромосомой, состоящей из 1 молекулы ДНК, замкнутой в кольцо;
2. из органоидов присутствуют только многочисленные, но мелкие рибосомы;
3. функцию митохондрий у прокариот выполняют ферменты, лежащие
непосредственно на плазматической мембране и образующие дыхательную
цепь;
4. нет клеточного центра, следовательно, нет митоза (делятся амитозом);
5. не характерен циклоз (постоянное круговое движение цитоплазмы с
органоидами), в то время как отсутствие циклоза для эукариот означает гибель
клетки;
6. отсутствуют внутренние мембраны, делящие клетку на отсеки, в которых
протекают противоположные процессы.
При всей простоте строения прокариоты – типичные клетки, способные вести
независимое существование.

9.

10.

Организация эукариотической животной клетки.
•имеется оформленное ядро, в котором располагается молекула
ДНК;
•имеется развитая система мембран и соответственно органоиды
мембранного строения: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы,
митохондрии;
•имеется клеточный центр, поэтому размножаются митозом;
•могут передвигаться при помощи ложноножек (амеба);
•имеется циклоз;
•присуще явление компартментации – с помощью биологических
мембран обеспечивается пространственное разделению веществ и
процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен
органеллой или ее частью (пространство, отграниченное
внутренней мембраной митохондрии)

11.

12.

13.

Клетки прокариот не имеют ядерной оболочки (греч. «про» — до, «карион» —
ядро), отличаются мелкими размерами (обычно 1 — 5 мкм) и простотой строения.
поверхностный аппарат
Все клетки, в том числе и клетки прокариот, окружены цитоплазматической мембраной.
Она изолирует содержимое клетки от окружающей среды, осуществляет транспорт
веществ из клетки и в клетку, воспринимает сигналы из окружающей среды. Таким
образом, мембрана обеспечивает поддержание постоянства внутриклеточной среды.
Поверх мембраны у прокариот (за исключением некоторых паразитических групп)
находится клеточная стенка. Она выполняет функцию механической защиты клетки от
внешних повреждений и давления воды изнутри клетки (в результате осмоса). У
настоящих бактерий в основе клеточной стенки лежит муреин.
Муреин — пептидогликан, который представляет собой длинные полисахаридные цепи,
сшитые короткими пептидными мостиками. В результате формируется непрерывная
молекулярная сетка, окружающая всю бактериальную клетку.

14.

По строению поверхностного аппарата бактерии делятся на две большие группы
— грамположительные (грам+) и грамотрицательные (грам–). Эти названия
даны из-за разной способности таких клеток окрашиваться по Граму
(определенный метод окрашивания).
1.У грамположительных бактерий муреиновый слой достаточно толстый. Также в
их клеточной стенке содержатся особые соединения — тейхоевые кислоты.
2.У грамотрицательных бактерий тонкий муреиновый слой сверху покрыт второй
мембраной. Между мембранами имеется периплазматическое пространство.
У некоторых видов бактерий поверх клеточной стенки имеется дополнительный
внешний слой, называемый капсулой. В отличие от стенки, он неплотный,
прозрачный. Он состоит из непрочно связанных между собой полисахаридов и
защищает клетку от механических повреждений, а в случае болезнетворных
бактерий — от защитных систем организма-хозяина.

15.

Внутреннее строение
На электронной микрофотографии внутри бактериальной клетки в электронный микроскоп можно
увидеть области разной плотности.
Более прозрачная для электронов (светлая) часть содержит ДНК и называется нуклеоидом (греч.
«нуклеус» — ядро, «ойдес» — подобный). Она не отделена от остальной части клетки, называемой
цитоплазмой, и имеет примерно такой же состав. ДНК у прокариот представлена, как правило, одной
кольцевой молекулой, в определенной точке прикрепленной к цитоплазматической мембране.
По всему внутреннему пространству клетки бактерий разбросаны рибосомы, количество которых
может достигать 10 000 на клетку. Из-за этого цитоплазма выглядит на электронной микрофотографии
более темной, гранулярной.
В клетках бактерий, зафиксированных и подготовленных для электронной микроскопии, можно
увидеть немногочисленные впячивания цитоплазматической мембраны. Впервые такие впячивания
обнаружили в конце 50-х годов ХХ века и назвали мезосомами. Долгое время считалось, что мезосома
является у прокариот местом синтеза АТФ. Согласно современным научным данным, скорее всего,
мезосомы — это артефакты — дефекты, возникающие при химической фиксации бактериальных
клеток, а процессы окисления веществ (клеточного дыхания) происходят на разных участках
мембраны.
Иногда в клетках некоторых бактерий наблюдаются гранулы каких-либо веществ. Они могут содержать
запасные питательные вещества (полисахариды, капли жира, полифосфаты) или отходы обмена
веществ, которые клетки не могут вывести наружу (сера, окислы железа и др.). Такие гранулы
называются включениями.
Снаружи от оболочки бактериальной клетки могут располагаться длинные нитевидные структуры двух
типов. Первые из них — жгутики — представляют собой белковые спирали, способные вращаться
относительно мембраны бактериальной клетки и обеспечивать движение бактерий за счет
«ввинчивания» бактерии в среду. Жгутики есть не у всех бактерий. Вторая группа нитей — пили — не
способна к движению, но обеспечивает прикрепление бактерий к другим клеткам.

16.

17.

Эукариотическая клетка отличается от прокариотической большими размерами и более
сложным строением. Линейные размеры эукариотической клетки обычно составляют
десятки мкм (у животных около 10–40 мкм, у растений 100–200 мкм).
Основные структуры эукариотической клетки: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма
и ядро.
Клетки эукариот содержат множество внутренних структур, выполняющих определенные
функции. Эти структуры называются органеллами (органоидами).

18.

19.

Цитоплазма
Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической
мембраной и ядром. Цитоплазма объединяет все клеточные структуры и способствует их
взаимодействию друг с другом.
Цитоплазма заполнена взвесью частиц и органелл.
Цитозоль (гиалоплазма) — свободная часть цитоплазмы, в которой взвешены органеллы.
По химическому составу цитозоль представляет из себя густой раствор белков, углеводов
(глюкозы) и ионов, заполняющий все внутреннее пространство клетки. Концентрации
ионов натрия и калия внутри клетки и во внеклеточном пространстве различна, что играет
важную роль в осморегуляции и передаче сигнала.
У прокариот большинство реакций метаболизма протекает в цитозоле, т. к. нет
мембранных органоидов.
У эукариот часть химических реакций протекает в цитозоле, а часть — внутри органоидов.
В животных клетках различают два слоя цитоплазмы:
эктоплазма — наружный слой цитоплазмы (мало органоидов, высокая вязкость);
эндоплазма — внутренний слой цитоплазмы (содержит основные органоиды).
В цитоплазме осуществляются все процессы клеточного метаболизма, кроме синтеза
нуклеиновых кислот, происходящего в ядре. Под контролем ядра цитоплазма способна к
росту и воспроизведению, при частичном удалении она полностью регенерирует.
Цитоплазма, как правило, не способна к длительному автономному существованию.
Циклоз — одно из основных свойств цитоплазмы живой клетки — способность к
движению, которое обеспечивает транспорт веществ и связь органоидов.

20.

Ядро
Это крупная органелла около 6–7 мкм диаметром. Оно окружено ядерной оболочкой,
которая образована двумя параллельно расположенными мембранами. Ядерная
оболочка пронизана ядерными порами, где мембраны смыкаются, и полость ядра
сообщается с цитоплазмой. В порах находятся сложные белковые комплексы. Они
переносят через оболочку из ядра в цитоплазму крупные молекулы и молекулярные
комплексы, такие как мРНК и рибосомы, а из цитоплазмы в ядро — ядерные белки,
которые синтезируются в цитоплазме. Внутри ядра находится одно или
несколько ядрышек — плотных образований, где происходит синтез рибосомных РНК и
сборка субъединиц рибосом. Остальное пространство ядра заполнено
полужидкой кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК, соединенные со
специфическими белками, — хроматин. В процессе клеточного деления нити хроматина
укорачиваются и утолщаются, превращаясь в хромосомы Перед делением хромосомы
имеют Х-образную форму. Центральная часть, в которой соединяются две половины
хромосомы, носит название центромеры, или первичной перетяжки. Кроме того, в
хромосоме выделяются более плотные концевые участки, называемые теломерами.
Различные хромосомы отличаются размерами и положением центромер. Для каждого
вида живых организмов характерен определенный набор хромосом, который отличается
от наборов других видов.

21.

22.

Плазматическая мембрана
Снаружи эукариотическая клетка, как и прокариотическая, окружена цитоплазматической мембраной.
Она выполняет те же функции, что и у прокариот: изолирующую, транспортную и рецепторную.
Рецепторная функция у эукариотических клеток развита гораздо сильнее, чем у прокариот, поэтому в
цитоплазматической мембране у них гораздо больше белков-рецепторов. У многоклеточных
организмов цитоплазматическая мембрана выполняет также функцию межклеточного узнавания и
взаимодействия. У растений и грибов снаружи от цитоплазматической мембраны лежит клеточная
стенка. У растений она построена на основе целлюлозы, а у грибов — на основе хитина. У животных
клеточной стенки нет, но к мембране снаружи прикрепляется довольно толстый слой специфических
полисахаридов и белков, называемый гликокаликс. В отличие от клеточной стенки, он эластичен, что
позволяет клеткам менять свою форму. В отличие от клеточной стенки, гликокаликс прочно связан с
мембраной и не отделяется от нее.

23.

Все органеллы эукариотической клетки можно условно разделить на три группы:
•Одномембранные, стенка которых образована одной мембраной. К ним относятся
эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, секреторные пузырьки,
пероксисомы.
•Двумембранные, стенка которых образована двумя мембранами. Это митохондрии и
пластиды (хлоропласты, хромопласты и лейкопласты).
•Немембранные. Это цитоскелет, клеточный центр, рибосомы.

24.

Внутри эукариотической клетки мы видим сложные мембранные системы, образующие
клеточные органеллы. Прежде всего, это эндоплазматическая сеть,
или эндоплазматический ретикулум. Он представляет собой систему мембран,
образующих соединенные между собой цистерны, полость которых не сообщается с
окружающей цитоплазмой. Различают два вида эндоплазматического
ретикулума: гладкий и шероховатый. На шероховатом расположены многочисленные
гранулы, представляющие собой рибосомы. Они находятся снаружи полости, с
цитоплазматической стороны, и синтезируют белки, которые по специальному каналу
сразу направляются в полость ретикулума или встраиваются в его мембрану.
На гладком ретикулуме расположены ферменты, синтезирующие мембранные липиды.
Таким образом, эндоплазматический ретикулум образует все компоненты, нужные для
образования мембран (то есть роста их площади). От эндоплазматического ретикулума
отделяются мембранные пузырьки, внутри которых белки, синтезированные на
шероховатом ретикулуме, переносятся в следующую органеллу — аппарат, или комплекс,
Гольджи.

25.

Аппарат Гольджи
Аппарат, или комплекс, Гольджи — система уплощенных мембранных цистерн, основная
функция которых — сортировка и модификация (прежде всего гликозилирование) белков,
направляемых на экспорт из клетки или встроенных в мембрану.
Каждая группа белков, синтезированных на шероховатом ретикулуме, собирается в
определенном участке на периферии аппарата Гольджи. В этих участках от него
отделяются мембранные пузырьки, часть из которых дает начало клеточным органеллам,
таким как лизосомы. Другая направляется к цитоплазматической мембране, сливается с
ней и выделяет свое содержимое наружу. Таким образом осуществляется секреция из
клетки таких белков, как пищеварительные ферменты, гормоны, белки межклеточного
матрикса и гликокаликса.

26.

Лизосомы
Лизосомы представляют собой мембранные пузырьки, внутри которых находятся
гидролитические ферменты, расщепляющие белки, жиры, полисахариды. В лизосомах
кислая среда (рН 4,5–5,0), что отличает их от других органелл клетки. Эта среда создается
действием специального фермента — Н+- АТФазы, перекачивающей протоны из
цитоплазмы в лизосомы. Лизосомы выполняют функцию клеточного пищеварения,
расщепляя отработавшие компоненты клетки или вещества, поглощенные в результате
фагоцитоза и пиноцитоза.

27.

Пероксисомы
Пероксисомы среди одномембранных органелл стоят особняком, т. к. способны делиться
самостоятельно, хотя не содержат ДНК. В них находятся ферменты, катализирующие
некоторые окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют перекиси. Они
также играют важную роль в обезвреживании многих токсичных веществ. Белки, которые
находятся в пероксисомах, поступают туда из ЭПС и кодируются в геноме ядра. На
электронных микрофотографиях пероксисом часто можно видеть в них кристаллы
ферментов.

28.

Митохондрии
Снаружи митохондрии покрыты внешней мембраной, сходной с другими мембранами
клетки. Расположенная под ней внутренняя мембрана отличается по липидному и
белковому составу, напоминая мембрану бактерий. В ней высоко содержание белков,
именно в ней находятся ферменты, осуществляющие окисление веществ кислородом, и
синтез за счет этого АТФ. Для увеличения площади внутренняя мембрана митохондрий
образует многочисленные складки — кристы. Между двумя мембранами находится
изолированное от цитоплазмы межмембранное пространство. Внутри митохондрии
находится пространство, называемое матрикс, в котором осуществляется расщепление
различных веществ: жирных кислот, аминокислот и продуктов распада углеводов. В
митохондриях имеются собственные рибосомы и ДНК. Они ответственны за образование
части белков митохондрий.

29.

Пластиды
Пластиды имеют наружную и внутреннюю мембраны и могут иметь внутренние мембранные
мешочки (тилакоиды и ламеллы), которые представляют собой отпочковавшиеся внутрь впячивания
внутренней мембраны.
Все типы пластид образуются из пропластид, а также могут превращаться друг в друга.

30.

Немембранные органоиды животных клеток
Цитоскелет
К элементам цитоскелета относят белковые структуры, расположенные в цитоплазме клетки:
микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты.
Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из
микротрубочек строится веретено деления клетки.
Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки.
Роль промежуточных филаментов, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки
цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.
Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра
клеток животных.
Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована
микротрубочками.
Включения – это необязательные компоненты клетки, появляющиеся и исчезающие в зависимости от
интенсивности и характера обмена веществ в клетке и от условий существования организма.
Включения имеют вид зерен, глыбок, капель, вакуолей, гранул различной величины и формы.

31.

Рибосомы
Немембранные органоиды клетки, участвующие в процессе синтеза белка.
Рибосомы имеют округлую форму и состоят из двух субъединиц – большой и малой, каждая из
которых представляет собой смесь нуклеиновых кислот и белков.
В эукариотических клетках располагаются в цитоплазме, на шероховатой ЭПС, в митохондриях и
пластидах.
Несколько собранных вместе рибосом образуют полисому.

32.

Вирусы обладают рядом особенностей, отличающих их от клеточных организмов:
•не имеют клеточного строения, лишены каких-либо клеточных структур;
•содержат только один тип нуклеиновой кислоты — либо ДНК, либо РНК;
•лишены собственного метаболизма, так как не имеют белок-синтезирующего
аппарата и механизмов получения энергии;
•отсутствует рост;
•не способны ни к делению, ни к половому размножению.
Вирусы проявляют признаки жизни только в клетке. Это внутриклеточные паразиты.
Причем в отличие от других паразитов, они являются ультрапаразитами, так как
паразитируют на генетическом уровне.

33.

Вирусы могут существовать в двух формах:
•в форме нуклеиновой кислоты, когда находятся в клетке-хозяине;
•в свободной форме, когда находятся вне клетки-хозяина. Эту форму
существования называют вирионом(рис. 320).
Вирионы вирусов состоят из различных компонентов:
•сердцевина— генетический материал (молекула ДНК или РНК);
•капсид25— белковая оболочка нуклеиновой кислоты;
•суперкапсид— дополнительная липопротеидная оболочка (характерен только для
сложноорганизованных вирусов).

34.

Векторные вирусы (бактериофаги) являются паразитами бактерий (рис. 321). Они
способны проникать в бактериальную клетку и разрушать ее. Бактериофаг состоит из
головки, хвостика и хвостовых отростков, с помощью которых он осаждается на оболочке
бактерий. В головке содержится ДНК. Фаг частично растворяет клеточную стенку и
мембрану бактерии и за счет сократительной реакции хвостика впрыскивает свою ДНК в
ее клетку.
Бактериофаги имеют большое практическое значение и являются важным объектом
научных исследований в области молекулярной биологии