Урок - лекция по теме «Клетка. Строение клетки» Разработала: преподаватель Томского политехнического техникума Ананина О.И.

2 История развития учения о клетке Наука, изучающая строение, функции и эволюцию клеток, называется цитологией (от греч. kytos - клетка, каморка). Мельчайшие структуры всех живых организмов, способные к самовоспроизведению, называются клетками. История изучения клетки неразрывно связана с развитием микроскопической техники и методов исследования. Первый микроскоп был сконструирован Г. Галилеем в гг. Изобретение микроскопа привело к углубленному изучению органического мира. Р. Гук в 1665 г. впервые описал строение коры пробкового дуба и стебля растений и ввел в науку термин «клетка» для обозначения ячеек, мешочков, пузырьков, из которых они состояли. Несколько позже, в 1671­ 1682 гг., М. Мальпиги и Н. Грю описали микроструктуру некоторых органов растений, причем последний ввел в науку термин «ткань» для обозначения совокупности однородных клеток. В период с 1676 по 1719 г. А. Левенгук открыл красные кровяные тельца, некоторых простейших животных, мужские половые клетки.

3 Методы изучения клетки Основной метод изучения клетки - использование микроскопа светового или электронного. Для изучения химического состава органелл клетки используют метод дифференциального центрифугирования. Для определения пространственного расположения и физических свойств молекул, входящих в состав клеточных структур, используют метод рентгеноструктурного анализа. Методы цито- и гистохимии, основанные на избирательном действии реактивов и красителей на определенные химические вещества цитоплазмы, позволяют изучить химический состав и выяснить локализацию отдельных химических веществ в клетке. Кино ­и фотосъемки позволяют изучить процессы жизнедеятельности клеток, например деление.

4 Эукариотическая клетка Эукариотические клетки разнообразных организмов – от простейших (корненожки, жгутиковые, инфузории и др.) до грибов, высших растений и животных – отличаются и сложностью, и разнообразием строения. Типичной клетки в природе не существует, но у тысяч клеток различных типов можно выделить общие черты строения. Каждая клетка состоит из двух важнейших, неразрывно связанных между собой частей - цитоплазмы и ядра. Клетки всех организмов имеют сходный химический состав. Клетки животных, растений, грибов, в том числе и одноклеточных, имеют сходное строение. Все они имеют ядро и цитоплазму. В цитоплазме под световым микроскопом видны клеточные органоиды: вакуоли, хлоропласты, митохондрии и различного рода включения: мелкие капли жира, гранулы крахмала, некоторые пигменты. Средние размеры клеток – несколько десятков микрометров, хотя бывают клетки меньших и больших размеров. Так, у человека имеются небольшие сферические формы лимфоидные клетки диаметром 10 мкм и нервные клетки, тончайшие отростки которых достигают более 1 м.

5 Формы клеток Строение большинства клеточных органоидов во всех клетках также сходно. И в тоже время форма и размер клеток даже в пределах одного организма разнообразны, что зависит от специализации клетки и выполняемой ею функции. Они могут быть в виде многогранников, а также иметь дисковидную, шаровидную, кубическую форму. Например, клетки покровных тканей плоские и плотно прилегают к друг другу, нервные клетки вытянуты в длинные нити и т.д. Различные формы клеток в связи с выполняемыми функциями 1- клетка эпителия кишечника; 2- бактерии(кокки, кишечная палочка, спириллы, со жгутиками на концах тела); 3- диатомовая водоросль; 4- мышечная клетка; 5-нервная клетка; 6-одноклеточная водоросль ацетабулярия; 7-клетка печени; 8- инфузория; 9-эритроциты человека; 10-клетки эпидермиса лука; 11-жгутиконосец.

6 Сходства и отличия растительной и животной клеток В растительной клетке есть все органоиды, свойственные и животной клетке: ядро, эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она отличается от животной клетки существенными особенностями строения: 1) прочной клеточной стенкой значительной толщины; 2) особыми органоидами – пластидами, в которых происходит первичный синтез органических веществ из минеральных за счет энергии света; 3) развитой системой вакуолей, в значительной мере обуславливающих осмотические свойства клеток.

7 Цитоплазма Полость любой клетки заполнена цитоплазмой, в которой находятся различные органоиды, ядро, включения. Отделена цитоплазма от окружающей среды плазматической мембраной. Все пространство между органеллами заполнено коллоидной системой, состоящей из золя и геля, - гиалоплазмой, где протекают химические реакции и физиологические процессы, перемещаются органеллы. Гиалоплазма содержит большое количество воды, в которой растворены органические вещества. Среди последних преобладают белки. Кроме того, в гиалоплазме содержатся минеральные соли. Осмотические свойства клетки определяет состав гиалоплазмы. Главная роль гиалоплазмы - объединение всех клеточных структур и обеспечение их химического взаимодействия.

8 Наружная цитоплазматическая мембрана Каждая клетка животных, растений, грибов отграничена от окружающей среды или других клеток цитоплазматической мембраной. Толщина этой мембраны так мала (около 10 нм), что ее можно увидеть только в электронный микроскоп. Плазматическую мембрану (плазмалемму) образуют молекулы белков и фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов располагаются в два ряда - гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде, а гидрофобными концами внутрь. Молекулы белков и фосфолипидов удерживаются с помощью гидрофильно - гидрофобных взаимодействий. Белки, входящие в мембрану, не образуют сплошного слоя. Интегральные белки пронизывают всю толщу мембраны, образуя поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Полуинтегральные белки пронизывают мембрану наполовину, с одной или другой стороны. Периферические белки располагаются на поверхности мембран. У эукариотических клеток в состав плазматической мембраны входят также полисахариды.

9 Состав цитоплазматической мембраны К некоторым белкам, находящихся на наружной поверхности, прикреплены углеводы. Белки и углеводы на поверхности мембран у разных клеток неодинаковы и являются своеобразными указателями типа клеток. Например, с помощью этих указателей сперматозоиды узнают яйцеклетку. Благодаря мембранным полисахаридам «антеннам» клетки, принадлежащие к одному типу, удерживаются вместе, образуя ткани. Белковые молекулы обеспечивают избирательный транспорт сахаров, аминокислот, нуклеотидов и других веществ в клетку или из клетки. Для переноса воды и различных ионов в клеточной мембране имеются поры, через которые в клетку пассивно поступают вода и некоторые ионы. Кроме того, существует активный перенос веществ в клетку с помощью специальных белков, входящих в состав мембраны. Он осуществляется на основе процессов фагоцитоза и пиноцитоза.

10 Механизм процесса пиноцитоза и фагоцитоза Захват плазматической мембраной твердых частиц и впячивание (втягивание)их внутрь клетки называют фагоцитозом (от греч. «фагос»- пожирать и «цитоз» - клетка). Это явление можно наблюдать, например, при захвате бактерий, проникших в организм животного или человека, лейкоцитами крови. Сходным образом попадают в клетку растворимые в жидкости мелкие частицы или молекулы. Плазматическая мембрана образует впячивание в виде тонкого канальца, в который и попадает жидкость с растворенными в ней веществами. Этот способ называют пиноцитозом (от греч. «пино»- пью и «цитоз» - клетка), он наиболее универсальный, поскольку присущ клеткам растений, животных и грибов. Размеры образующихся пиноцитозных вакуолей от 0,01 до 1,2 мкм (1,2,3). Через некоторое время вакуоль погружается в цитоплазму и отшнуровывается (4). Существует функциональная связь между вакуолями, доставляющими в клетку различные вещества, и лизосомами(6,7,8,9), ферменты которых расщепляют эти вещества.

11 Цитоскелет Цитоплазма является внутренним скелетом - цитозкелетом, определяющим форму клетки, а также способствует перемещению органелл из одной части клетки в другую. Цитоскелет представляет собой белковые волокна, образующие сеть. Элементы цитозкелета тесно связаны с наружной цитоплазматической мембраной и ядерной оболочкой, образуя сложные переплетения в цитоплазме. Такие белковые волокна, как актиновые нити и микротрубочки, участвуют в механизмах клеточных движений, а также обеспечивают внутреннее движение цитоплазмы. Цитоскелет: 1,2,3-элементы цитозкелета, 4-мембрана, 5-ЭПС, 6-митохондрии

12 Функции цитоплазматической мембраны Наружная плазматическая мембрана осуществляет ряд функций, необходимых для жизнедеятельности клетки: - защищает цитоплазму от физических и химических повреждений; - делает возможным контакт и взаимодействие клеток в тканях и органах; - избирательно обеспечивает транспорт в клетку питательных веществ и выведение конечных продуктов обмена.

13 Органоидами называют постоянно присутствующие в клетке структуры, которые выполняют строго определенные функции. Органоиды Мембранные (отграниченные от гиалоплазмы био мембранами) - ядро -ЭПС - комплекс Гольджи - лизосомы - митохондрии Немембранные - рибосомы - цитозкелет - клеточный центр

14 Лизосомы Лизосомы - мелкие округлые тельца, одномембранные. В лизосомах находится большой набор гидролитических ферментов (нуклеазы, липазы, протеиназы), которые способны расщеплять поступающие в клетку питательные вещества. В 1949 г. де Дювон описал лизосомы. Лизосомы Первичные мелкие мембранные пузырьки, формирующиеся в комплексе Гольджи Вторичные 1. Фаголизосомы пищеварительные вакуоли 2. Аутофагосомы - удаляют отслужившие органоиды Остаточные тельца – телолизосомы

15 Эндоплазматическая сеть ЭПС Эндоплазматическая сеть – это органоид, который представляет собой разветвленную сеть каналов и полостей в цитоплазме клетки, расположенную вокруг ядра и образованную мембранами. Особенно много каналов этой сети в клетках с интенсивным обменом веществ. В среднем объем эндоплазматической сети составляет от 30 до 50% всей клетки. Различают два вида мембран эндоплазматической сети: гладкие и шероховатые. ЭПС Гладкая (агранулярная) ­принимает участие в синтезе углеводов и липидов Шероховатая (гранулярная, на мембранах расположены рибосомы) принимает участие в синтезе белков и липидов.

16 Виды эндоплазматической сети Основная функция шероховатой эндоплазматической сети – синтез белка, который осуществляется в рибосомах, покрывающих поверхность уплощенных мембранных мешочков (цистерн) ЭПС, за что она и получила название шероховатой. Строение шероховатой эндоплазматической сети 1-свободные рибосомы; 2- полости; 3-рибосомы прикрепленные к мембранам; 4-ядерная оболочка На мембранах гладкой эндоплазматической сети находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Такие мембраны преобладают в клетках сальных желез, где осуществляется синтез жиров, в клетках печени. Мембраны ЭПС выполняют еще одну функцию – пространственного разделения ферментных систем, что необходимо для их последовательного вступления в биохимические реакции. Эндоплазматическая сеть – общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, и на мембранах этих каналов находятся многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Строение шероховатой эндоплазматической сети Гладкая эндоплазматическая сеть

17 Рибосомы Рибосомы - это частицы, имеющие округлую форму диаметром 15,0-35 нм, состоящие из двух частей (субъединиц) - большой и малой. Каждая из субъединиц построена из рибонуклеопротеидного тяжа, где р-РНК взаимодействует с разными белками, образуя тело рибосомы. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме, в матриксе хлоропластов и митохондрий, на каналах гранулярной ЭПС (рис.А, 1) или объединяться в и-РНК по 5-70 штук. В последнем случае их называют полирибосомами. Функция рибосом - синтез белка. Рис. А рис.Б Рис. Б. Схема строения рибосомы. Рибосома, прикрепленная к мембране эндоплазматической сети, обеспечивает процесс трансляции. В ее активном центре происходит взаимодействие антикодона т-РНК с кодоном информационной (матричной) и-РНК Рибосомы - это частицы, имеющие округлую форму диаметром 15,0-35 нм, состоящие из двух частей (субъединиц) - большой и малой. Каждая из субъединиц построена из рибонуклеопротеидного тяжа, где р-РНК взаимодействует с разными белками, образуя тело рибосомы. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме, в матриксе хлоропластов и митохондрий, на каналах гранулярной ЭПС (рис.А, 1) или объединяться в и-РНК по 5-70 штук. В последнем случае их называют полирибосомами. Функция рибосом - синтез белка. Рис. А рис.Б

18 Аппарат Гольджи Комплекс Гольджи обнаружил в 1898 г. К. Гольджи. В клетках растений и беспозвоночных животных комплекс Гольджи состоит из уплощенных неразветвленных цистерн; эти цистерны плотно прилегают друг к другу, приобретая форму палочкоподобных или серповидных телец. В клетках позвоночных животных комплекс Гольджи имеет разветвленное сетчатое строение и состоит из системы трубочек и уплощенных цистерн. Цистерны комплекс Гольджи возникают из пузырьков ЭПС. Функции: синтез полисахаридов и липидов; образование мембранного материала для плазмалеммы клетки; обезвоживание, накопление, упаковка и транспорт продуктов в виде секрета, готового к выделению, либо используется в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности. Здесь же формируются и лизосомы, участвующие во внутриклеточном пищеварении. Аппарат Гольджи 1- пузырьки, 2 - цистерны

19 Митохондрии Эти органоиды имеются практически во всех типах эукариотических клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Митохондрии имеют различную форму – сферических, овальных и цилиндрических телец, могут быть нитевидной формы. Размеры их составляют от 0,2 до 1 мкм в диаметре и до 7 мкм длины. Количество митохондрий в разных тканях неодинаково и зависит от функциональной активности клетки: их больше там, где интенсивнее синтетические процессы (печень) или велики затраты энергии (мышцы). Стенки митохондрий состоят из двух мембран – наружной и внутренней. Наружная – гладкая, а от внутренней в глубь органоида отходят перегородки, или кристы (от лат.crista - гребень). На мембранах крист располагаются многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Количество гребней, определяющее площадь поверхности мембраны, занятую прикрепленными к ней ферментами, зависит от функции клеток. В митохондриях мышц гребней очень много, они занимают всю внутреннюю полость органоида. Основная функция митохондрий – синтез универсального источника энергии – АТФ.

20 Клеточный центр Схема строения клеточного центра Состоит из двух очень маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом к друг другу. Эти тельца называются центриолями. Стенки центриоли состоит из 9 пучков, включающих по три микротрубочки, диаметр их – 24 нм. Центриоли относятся к самовоспроизводящими органоидами цитоплазмы. Их воспроизведение осуществляется путем самосборки из белковых субъединиц. Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении: от центриолей начинается рост веретена деления(ахроматиновое веретено). Кроме этого, ученые полагают, что ферменты клеточного центра принимают активное участие в процессе перемещения дочерних хромосом к разным полюсам в анафазе митоза.

21 Пластиды Это органоиды, свойственные только клеткам растений. Существуют три вида пластид: зеленые хлоропласты, цветные (но не зеленые) хромопласты и бесцветные лейкопласты. Хлоропласт по форме напоминает диск или шар диаметром 4-6 мкм с двойной мембраной - наружной и внутренней. Внутри хлоропласта имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры - граны, связанные между собой и с внутренней мембраной хлоропласта. В каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке для лучшего, улавливания света. В мембранах гран находится хлорофилл. Внутренняя мембрана образует выросты внутрь хлоропласта - ламеллы. Совокупность ламелл хлоропласта называют стромой. Ламеллы могут в ряде мест образовывать локальные расширения, имеющие вид уплощенных круглых мешочков ­тилакоидов. Тилакоиды располагаются стопками, один над другим, напоминая стопки монет. Эти стопки называют гранами. Пигмент хлорофилл располагается внутри мембран тилакоида. Функция хлоропластов - фотосинтез. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза органических соединений, в первую очередь углеводов. Хлоропласты. 1 – граны, 2 – наружная мембрана, 3 – внутренняя мембрана, 4 – ДНК, 5 – рибосомы, 6 – зерна крахмала.

22 Лейкопласты и хромопласты Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества - крахмала. Особенно много лейкопластов в клетках клубней картофеля. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клубни картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют. Лейкопласты в клетке корня гороха (1) Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растений красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов окрашены благодаря пигментам, содержащимся в хромопластах. Сочетание хромопластов, содержащих разные пигменты, создает большое разнообразие окрасок цветков и плодов растений. У высших растений один вид пластид может переходить в другой. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клубни картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют.

23 Органоиды движения Жгутики и реснички. Это органоиды движения, характерные как для одноклеточных организмов(жгутиковые и инфузории), так и для некоторых клеток многоклеточных организмов (клетки некоторых эпителиев, сперматозоиды). Жгутики и реснички представляют собой цилиндр, стенку которого образуют 9 пар микротрубочек; в центре расположены две осевые микротрубочки. Эта часть полностью или на большем протяжении покрыта участком наружной цитоплазматической мембраны. В основании органоида, в наружном слое цитоплазмы, расположено базальное (основное) тельце, в котором к каждой паре микротрубочек, образующих наружную часть жгутики или реснички, прибавляется еще одна короткая микротрубочка. Таким образом, базальное тельце оказывается образованным из девяти триад трубочек и имеет сходство с компонентом клеточного центра – центриолью. Движение жгутиков и ресничек обусловлено скольжением микротрубочек каждой пары друг относительно друга, при котором затрачивается большое количество энергии в виде АТФ. Строение жгутиков и ресничек: 1-поперечны срез, 2-объемная схема.

24 Клеточные включения Наконец, следует сказать о многочисленных включениях в цитоплазме. Включениями называют непостоянные структуры цитоплазмы, которые в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процесс е жизнедеятельности клетки. Плотные в виде гранул включения содержат запасные питательные вещества (крахмал, белки, сахара, жиры) или продукты жизнедеятельности клетки, которые по той или иной причине не могут быть сразу удалены. Способностью синтезировать и накапливать запасные питательные вещества обладают все пластиды растительных клеток. В растительных клетках накопление запасных питательных веществ происходит и в вакуолях – мембранных мешках с водным растворам солей и органических соединений, которые часто занимают почти весь объем клетки, отодвигая ядро и цитоплазму к плазматической мембране. Клеточные включения 1-капли жира в цитоплазме инфузории-туфельки; 2-крахмальные зерна картофеля; 3-белковые включения в зерновке пшеницы; 4-кристаллы оксалата кальция в клетках черенка листа бегонии

25 Строение и ядра клетки Ядро (лат. nucleus,греч. karyon)обнаружил в клетке английский ботаник Р. Броун в 1831 году. Это наиболее важный органоид эукариотической клетки. Большинство клеток имеют одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки (лейкоциты, поперечно полосатая мышечная ткань, инфузории). Некоторые узкоспециализированные клетки утрачивают ядра (эритроциты млекопитающих, клетки ситовидных трубок у растений). Форма ядра, как правило, шаровидная или веретеновидным. В состав ядра входит ядерная оболочка – кариолемма, кариоплазма (или нуклеоплазма)- ядерный сок, хроматин и ядрышко.

26 Кариолемма Ядерная оболочка (кариолемма) состоит из двух мембран. Внешняя мембрана ядра контактирует с цитоплазмой клетки, на ее поверхности расположены полирибосомы. Мембраны ядра являются производными ЭПС, так как в ряде мест связаны с мембранами ЭПС. Ядерную мембрану пронизывают поры диаметром до 20 нм, через которое осуществляется тесный контакт между нуклеоплазмой и цитоплазмой. Через поры из ядра в цитоплазму поступают молекулы т-РНК, и-РНК, рибосомы, а в ядро – белки, ферменты, нуклеотиды, АТФ, вода, ионы. Функции ядерной оболочки: отделяет ядро от цитоплазмы, регулирует транспорт веществ из ядра в цитоплазму и обратно

27 Ядерный сок. Ядрышко Ядерный сок (кариоплазма) представляет собой коллоидный Раствор белков, углеводов, ферментов, нуклеиновых кислот и минеральных солей. Функция – транспорт веществ, в том числе нуклеиновых кислот, субъединиц рибосом внутри ядра. Ядрышко – шаровидное тело. Состоит из р-РНК и белка. Функции: из р-РНК и белка образуются субъединицы рибосом, которые через поры ядерной оболочки поступают в цитоплазму и объединяются в рибосомы.

28 Хромосомы В период интерфазы хроматин представляет собой нитевидные мелкозернистые структуры, которые состоят из молекул ДНК и белков-гистонов. В период деления хроматиновые нити спирализуются и образуют хромосомы. В этот период все хромосомы состоят из двух хроматид, а после деления ядра становятся однохроматидными. К началу деления у каждой хромосомы достраивается вторая хроматида. Все хромосомы имеют первичную перетяжку, а ядрышковые хромосомы еще и вторичную перетяжку, на которой расположены центромеры. Хроматиновые структуры представляет собой двойную спираль ДНК, покрытую белковой оболочкой. Таким образом, они являются носителями наследственной информации. В хромосомах синтезируются ДНК и РНК. Б, В – тонкое строение хромосом: 1-центромера; 2- спирально закрученная нить ДНК; 3-хроматиды; 4-ядрышко

29 Типы хромосом Перетяжка делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины. Отсюда различают равноплечие хромосомы (метацентрические)- с плечами равной длины; неравноплечие (субметацентрические)- с плечами неравной длины; палочковидные – с одним длинным и другим и другим коротким, едва заметными плечами. А - типы хромосом 1 – палочковидная; 2 – неравноплечая; 3 – равноплечая

30 Функции ядра 1) В ядре содержится основная наследственная информация, которая необходима для развития целого организма с разнообразием его признаков и свойств. 2) В нем происходит воспроизведение (редупликация) молекул ДНК, что дает возможность при мейозе двум дочерним клеткам получить одинаковый в качественном и количественном отношении генетический материал. 3) ядро обеспечивает синтез на молекулах ДНК различных и-РНК, т-РНК, р-РНК.

31 Вывод Органоиды, так как подобно органом целого организма, выполняют специфическую функцию. Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые следует делить на организмы «безъядерные» и «ядерные» - эукариоты. В группу прокариот попали все бактерии и синезеленые (цианеи), а в группу эукариот – грибы, растения и животные. Общность химического состава и строения клетки – основной структурной и функциональной единицы организмов - свидетельствует о единстве происхождения всего живого на Земле.