Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/1/5

← Предыдущая глава	Глава 1.5	Следующая глава →
Строение и функции эукариотической клетки

Клетки эукариот имеют более крупные размеры и сложное строение

Хотя размеры клеток прокариот и эукариот широко варьируют и сильно (почти полностью) перекрываются, тем не менее, характерные размеры прокариотических и эукариотических клеток все же заметно различаются. Клетка типичной бактерии или археи имеет диаметр 1-2 мкм. Большинство клеток животных имеют диаметр около 10-20 мкм, клетки растений и грибов в среднем еще крупнее. обратите внимание, что десятикратные различия в диаметре означают тысячекратные различия в объеме и массе: внутри клетки человека могут поместиться не десять бактерий, а тысяча.

Разберем подробнее основные признаки клеток эукариот и их отличия от прокариот.

Основные органеллы эукариотической клетки имеют однотипное строение и функции у представителей разных царств

1.) Клеточная мембрана

Клеточная мембрана (плазмалемма) состоит из двух слоёв молекул фосфолипидов. Фосфолипиды состоят из гидрофильной «головки» и из двух гидрофобных «хвостов». Кроме липидов, в состав мембраны входят белки, помогающие мембране выполнять самые разные функции. Толщина мембраны 6-7 нм. На внешней стороне мембраны у животных находится слой олигосахаридов – гликокаликс.

Основные свойства мембраны - полупроницаемость, текучесть, гибкость, способность к самозамыканию и неспособность сильно растягиваться.

Функции мембраны:

1. Отграничение от внешней среды.Мембрана не позволяет клетке «растекаться», а её жидкому внутреннему содержимому - смешиваться с окружающей водной средой.

2. Транспортная функция. Вещества могут проходить через мембрану двумя способами - активным и пассивным. В случае пассивного транспорта вещества проходят мембрану с помощью диффузии. При активном транспорте затрачивается энергия, и обеспечивают его специальные белки-насосы.

3. Восприятие сигналов из внешней среды. На поверхности мембраны находятся белки-рецепторы, принимающие сигналы из внешней среды.

4. Образование межклеточных контактов.

Подробнее строение, свойства и функции мембраны разобраны в разделе #Строение и функции плазматической мембраны

2.) Цитоскелет

Цитоскелет находится в цитоплазме клетки. Он состоит из актиновых микрофиламентов, промежуточных филаментов (есть не во всех клетках) и микротрубочек.

Актиновые филаменты. Диаметр актиновых филаментов 6-8 нм. Состоят из белка актина. Могут собираться и разбираться. ВЗаимодействуя с моторными белками миозинами, обеспечивают цитокинез (у животных), амебоидное движение, мышечное сокращение.

Промежуточные филаменты. Диаметр промежуточных филаментов 9-11 нм. Состоят из кератинов и других фибриллярных белков. Обеспечивают механическую прочность эпителиев, аксонов нервных клеток и других структур. Образуют внутреннюю выстилку ядерной мембраны (ламину), к которой крепятся хромосомы.

Микротрубочки Диаметр микротрубочек 23-25 нм. Микротрубочки состоят из белка тубулина. Они могут собираться и разбираться. Наряду с другими органеллами входят в состав цитоскелета. Создают веретено деления при митозе и мейозе.

Функции:

1. Поддержание и изменение формы клетки; цитокинез

2. Образование веретена деления, "растаскивание" хромосом при делении

3. Ресничное движение. Ресничное движение создается в результате работы ресничек. Реснички состоят из микротрубочек, которые соединены с центриолями.

4. Амебоидное движение

5. Мышечное сокращение

6. Внутриклеточный транспорт везикул и макромолекул

Подробнее строение и функции цитоскелета рассматриваются в разделе #Цитоскелет и клеточная подвижность.

3.) Реснички и жгутики

Реснички и жгутики эукариот - подвижные выросты клетки, одетые наружной мембраной. Внутри них имеется сложная система микротрубочек, у подвижных ресничек и жгутиков их обычно 20 (9 пар по периферии и одна пара в центре). В основании ресничек и жгутиков лежит базальное тельце, сходное по строению с центриолью. Подвижные реснички обычно совершают удары в одной плоскости, жгутики - сложное вращательное движение.

Функции:

Ресничное и жгутиковое движение используют одноклеточные эукариоты (жгутиокносцы, инфузории, гаметы многих животных) и мелкие многоклеточные (плоские черви, личинки губок, книдарий и других беспозвоночных)

Подвижные реснички и жгутики могут обеспечивать ток жидкости у поверхности тела или во внутренних полостях (например, у человека - ток спинномозговой жидкости. ток слизи в воздухоносных путях, выносящий из них пыль и микробов)

Неподвижные видоизмененные реснички часто служат воспринимающим аппаратом клеток-рецепторов. Так, у человека видоизмененные реснички обеспечивают восприятие света и запахов.

7.) Центриоли

Помогают в формировании веретена деления, как и микротрубочки. Обычно расположены в паре, около ядра.

Функции:

1. Центр организации микротрубочек

8.) Микроворсинки

Микроворсинки находятся в кишечнике. Их основная функция - всасывание питательных веществ.

9.) Ядро

Окружено двумя мембранами со множеством ядерных пор. Ядерные поры обеспечивают транспорт веществ. Самая крупная из органелл клетки.

Функции:

1. Хранение генетической информации.

2.Управление делением.

3.Синтез ДНК и РНК

10.)Ядрышко

Ядрышко - это особая область ядра, содержит участки хромосом (ядрышковый организатор). Ядрышко состоит из белка и рибосомальной РНК и не окружено мембраной. В ядрышке самая высокая концентрация белка во всей клетке.

Функция:

1.Синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом

11.)Рибосомы

Мелкие немембранные клеточные органеллы. Клетка содержит около десятка тысяч рибосом. Они состоят из белков и рибонуклеиновых кислот.

Функция:

1.Синтез белков

12.) Лизосомы

Лизосомы окружены одной мембраной. Они содержат до 40 различных ферментов, которые могут переваривать разные вещества, поступающие в клетку путем эндоцитоза. Производятся в аппарате Гольджи.

Функции:

1.Внутриклеточное пищеварение. Содержат большое количество пищеварительных ферментов, способных расщеплять все группы органических веществ.

2.Аутофагия. При остром голодании лизосомы способны переваривать органеллы клетки. Лизосомы «съедают» органеллы клетки и в случае их повреждения.

4.Переваривание межклеточного вещества.

13.) Митохондрии

Окружены двумя мембранами. Их количество в некоторых клетках может достигать нескольких сотен. Существует теория, согласно которой митохондрии (и хлоропласты) – бывшие бактерии, вступившие в симбиоз с клеткой.

Функции:

1. Синтез АТФ

2. Клеточное дыхание

14.) Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи — одномембранный органиод. Он состоит из мембранных структур - цистерн. Функции:

1. Сортировка белков, синтезированных в сидячих рибосомах.

2.Образование лизосом

3.Секреция

15.) Эндоплазматическая сеть (ЭПС) ЭПС — одномембранный органоид.

Функции:

1.Синтез белков, липидов и углеводов

2.Обезвреживание ядовитых веществ, попавших в организм

3.Транспортная функция

Клетки эукариот крупнее клеток прокариот на три порядка

Типичные клетки эукариот имеют линейные размеры не 1-5, а 10-50 мкм. Это означает, что по объему такая клетка в 1 000 раз больше, чем типичная бактериальная.

В последние десятилетия найдено несколько десятков видов очень мелких эукариот, входящих в состав морского планктона. В основном это представители празинофитовых водорослей и некоторых других групп водорослей. Празинофитовая водросль Ostreococcus — самый мелкий из известных свободноживущих эукариот — имеет средний диаметр клеток 0,8 мкм.

Следствия этого очень важные. При увеличении размеров объём растет пропорционально кубу линейных размеров, а площадь поверхности тела — пропорционально квадрату. Если, например, взять куб с ребром 1 см, а затем увеличить ребро вдвое, то объём куба возрастет в 8 раз (у первого куба объём 1 см³, а у второго — 8 см³. Площадь поверхности первого куба равна 1х1х6 = 6 см², а второго куба — 2х2х6=24 см²; таким образом, площадь поверхности выросла только в 4 раза. Относительная площадь поверхности (отношение площади поверхности к объему) у первого куба — 6/1 (см²/ см³), а у второго — только 24/8 = 3/1 (см²/ см³).

Вопрос: Какова относительная площадь поверхности у куба с ребром n см?

Так как бактерии поглощают питательные вещества всей поверхностью клетки, маленькие размеры обеспечивают им быстрые темпы роста и размножения. Этим обусловлена их важная роль в круговоротах веществ.

Скорость перемещения молекул при диффузии пропорциональна корню квадратному из расстояния. Это означает, что молекула, пройдя расстояние в 1 мкм за 1 секунду, пройдет расстояние в 2 мкм за 10 с, а расстояние в 10 мкм — за 100 с. Однако реально малые молекулы диффундируют в цитоплазме достаточно быстро — расстояние в 10 мкм они проходят в среднем за 0,1 с. Однако и эта сравнительно высокая скорость может лимитировать скорость обмена веществ. Как же можно повысить эту скорость?

Для клеток эукариот характерна компартментализация

Чтобы химические реакции шли быстрее, нужно увеличить концентрацию реагирующих веществ. Это можно сделать, если сконцентрировать определенные вещества — ферменты и их субстраты — внутри замкнутого пространства. В разных таких «отсеках» можно создать условия (например, рН), оптимальные для протекания конкретных реакций.

Видимо, в связи с этим в клетках эукариот и возникли компартменты #— «отсеки», отделенные мембранами от цитоплазмы и друг от друга. Говорят, что для клеток эукариот характерна компартментализация (компартментация).

Есть и другие способы повышения скорости химических реакций в клетке. Расчеты показывают, что для столкновения двух молекул (например, конкретных молекул фермента и субстрата) внутри сферы диаметром 10 мкм потребуется в среднем около 30 минут. Если же фермент закреплен на мембране, перегораживающей сферу пополам, а субстрат сначала при диффузии натыкается на мембрану, а затем диффундирует в её плоскости (внутри неё), то время до соударения уменьшается до 2 минут. Если же уменьшить площадь мембраны, то время становится ещё меньше — около 20 секунд. Видимо, этот факт играет важную роль в синтезе липидов, за который отвечают ферменты, закрепленные на мембранах эндоплазматической сети. Эти же закономерности могут играть важную роль в ускорении передачи сигналов, например, от мембранных рецепторов, в которой участвуют связанные с мембраной G-белки.

Клетки животных, растений и грибов различаются деталями строения

Клетки животных, высших растений (а тем более водорослей) и грибов достаточно разнообразны. Когда в учебниках перечисляют их различия, обычно имеют в виду цветковые растения, позвоночных животных и каких-нибудь высших грибов (например, базидиомицетов). Так же поступим и мы.

Растительные и грибные клетки обладают плотной клеточной стенкой (целлюлозной и хитиновой соответственно) — животные клетки не имеют плотной клеточной стенки.
В качестве энергетического резерва животные и грибы используют гликоген, растения — крахмал.
Клетки растений содержат органеллы пластиды, которых нет у животных и грибов.