Клетка - это единая живая система, состоящая из двух неразрывно связанных частей - цитоплазмы и ядра (цв. табл. XII).

Цитоплазма - это внутренняя полужидкая среда, в которой расположено ядро и все органоиды клетки. Она имеет мелкозернистую структуру, пронизанную многочисленными тонкими нитями. В ней содержатся вода, растворенные соли и органические вещества. Основная функция цитоплазмы - объединять в одно целое и обеспечивать взаимодействие ядра и всех органоидов клетки.

Наружная мембрана окружает клетку тонкой пленкой, состоящей из двух слоев белка, между которыми расположен жировой слой. Она пронизана многочисленными мелкими порами, через которые осуществляется обмен ионами и молекулами между клеткой и средой. Толщина мембраны 7,5-10 нм, диаметр пор 0,8-1 нм. У растений поверх нее образуется оболочка из клетчатки. Основные функции наружной мембраны - ограничивать внутреннюю среду клетки, защищать ее от повреждений, регулировать поступление ионов и молекул, выводить продукты обмена и синтезируемые вещества (секреты), соединять клетки и ткани (за счет выростов и складок). Наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку крупных частиц путем фагоцитоза (см. разделы в «Зоологии» - «Простейшие», в «Анатомии» - «Кровь»). Аналогичным образом происходит поглощение клеткой капель жидкости - пиноцитоз (от греч. «пино» - пью).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это состоящая из мембран сложная система каналов и полостей, пронизывающих всю цитоплазму. ЭПС бывает двух типов - гранулированная (шероховатая) и гладкая. На мембранах гранулированной сети располагается множество мельчайших телец - рибосом; в гладкой сети их нет. Основная функция ЭПС - участие в синтезе, накоплении и транспортировке основных органических веществ, вырабатываемых клеткой. Белок синтезируется в гранулированной, а углеводы и жиры - в гладкой ЭПС.

Рибосомы - мелкие тельца, диаметром 15-20 нм, состоящие из двух частиц. В каждой клетке их сотни тысяч. Большинство рибосом располагаются на мембранах гранулированной ЭПС, а часть - в цитоплазме. В их состав входят белки и р-РНК. Основная функция рибосом - синтез белка.

Митохондрии - это мелкие тельца, размером 0,2-0,7 мкм. Их количество в клетке достигает нескольких тысяч. Они часто меняют форму, размеры и местоположение в цитоплазме, перемещаясь в наиболее активную их часть. Внешний покров митохондрии состоит из двух трехслойных мембран. Наружная мембрана гладкая, внутренняя - образует многочисленные выросты, на которых располагаются дыхательные ферменты. Внутренняя полость митохондрий заполнена жидкостью, в которой размещаются рибосомы, ДНК и РНК. Новые митохондрии образуются при делении старых. Основная функция митохондрий - синтез АТФ. В них синтезируется небольшое количество белков, ДНК и РНК.

Пластиды свойственны только клеткам растений. Различают три вида пластид - хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Они способны к взаимному переходу друг в друга. Размножаются пластиды путем деления.

Хлоропласты (60) имеют зеленый цвет, овальную форму. Размер их 4-6 мкм. С поверхности каждый хлоропласт ограничен двумя трехслойными мембранами - наружной и внутренней. Внутри он заполнен жидкостью, в которой располагаются несколько десятков особых, связанных между собой цилиндрических структур - гран, а также рибосомы, ДНК и РНК. Каждая грана состоит из нескольких десятков наложенных друг на друга плоских мешочков из мембран. На поперечном разрезе она имеет округлую форму, диаметр ее 1 мкм. В гранах сосредоточен весь хлорофилл, в них происходит процесс фотосинтеза. Образующиеся при этом углеводы вначале скапливаются в хлоропласте, затем поступают в цитоплазму, а из нее - в другие части растения.

Хромопласты определяют красную, оранжевую и желтую окраску цветов, плодов и осенних листьев. Они имеют форму многогранных кристаллов, расположенных в цитоплазме клетки.

Лейкопласты бесцветны. Они содержатся в неокрашенных частях растений (стеблях, клубнях, корнях), имеют округлую или палочковидную форму (размером 5-6 мкм). В них откладываются запасные вещества.

Клеточный центр обнаружен в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух маленьких цилиндров - центриолей (диаметром около 1 мкм), расположенных перпендикулярно друг другу. Стенки их состоят из коротких трубочек, полость заполнена полужидким веществом. Основная их роль - образование веретена деления и равномерное распределение хромосом по дочерним клеткам.

Комплекс Гольджи получил название по имени итальянского ученого, впервые открывшего его в нервных клетках. Он имеет разнообразную форму и состоит из ограниченных мембранами полостей, отходящих от них трубочек и расположенных на их концах пузырьков. Основная функция - накопление и выведение органических веществ, синтезируемых в эндоплазматической сети, образование лизосом.

Лизосомы - округлые тельца диаметром около 1 мкм. С поверхности лизосома ограничена трехслойной мембраной, внутри ее находится комплекс ферментов, способных расщеплять углеводы, жиры и белки. В клетке имеется несколько десятков лизосом. Новые лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Их основная функция - переваривание пищи, попавшей в клетку путем фагоцитоза, и удаление отмерших органоидов.

Органоиды движения - жгутики и реснички - представляют собой выросты клетки и имеют однотипное строение у животных и растений (общность их происхождения). Движение многоклеточных животных обеспечивается сокращениями мышц. Основной структурной единицей мышечной клетки являются миофибриллы - тонкие нити длиной более 1 см, диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна.

Клеточные включения - углеводы, жиры и белки - относятся к непостоянным компонентам клетки. Они периодически синтезируются, накапливаются в цитоплазме в качестве запасных веществ и используются в процессе жизнедеятельности организма.

Углеводы концентрируются в зернах крахмала (у растений) и гликогена (у животных). Их много в клетках печени, клубнях картофеля и других органах. Жиры накапливаются в виде капель в семенах растений, подкожной клетчатке, соединительной ткани и т. д. Белки откладываются в виде зерен в яйцеклетках животных, семенах растений и других органах.

Ядро - один из важнейших органоидов клетки. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух трехслойных мембран, между которыми располагается узкая полоска из полужидкого вещества. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки и углеводы. Ядрышко - округлое тельце размером от 1 до 10 мкм и более; в нем синтезируется РНК. Хромосомы видны только в делящихся клетках. В интерфазном (неделящемся) ядре они присутствуют в виде тонких длинных нитей хроматина (соединения ДНК с белком). В них заключена наследственная информация. Число и форма хромосом у каждого вида животных и растений строго определенные. Соматические клетки, из которых состоят все органы и ткани, содержат диплоидный (двойной) набор хромосом (2 n); половые клетки (гаметы) - гаплоидный (одинарный) набор хромосом (n). Диплоидный набор хромосом в ядре соматической клетки создается из парных (одинаковых), гомологичных хромосом . Хромосомы разных пар (негомологичные) отличаются друг от друга по форме, месту расположения центромеры и вторичных перетяжек.

Прокариоты - это организмы с мелкими, примитивно устроенными клетками, без четко выраженного ядра. К ним относятся сине-зеленые водоросли, бактерии, фаги и вирусы. Вирусы представляют собой молекулы ДНК или РНК, покрытые белковой оболочкой. Они так малы, что их можно разглядеть только в электронный микроскоп. У них отсутствуют цитоплазма, митохондрии и рибосомы, поэтому они не способны синтезировать белок и энергию, необходимые для их жизнедеятельности. Попав в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию, они нормально развиваются.

Эукариоты - организмы с более крупными типичными клетками, содержащие все основные органоиды: ядро, эндоплазматическую сеть, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы и другие. К эукариотам относятся все остальные растительные и животные организмы. Их клетки имеют сходный тип строения, что убедительно доказывает единство их происхождения.

Внешне люди сильно отличаются друг от друга. Большие и маленькие, высокие и низкие, светлокожие и темнокожие... Присмотритесь к себе и своим друзьям и вы убедитесь, что каждый человек индивидуален. И все же в главном мы похожи: наши тела построены и функционируют по общим законам.

Наше тело, как и тело всех многоклеточных организмов, состоит из клеток. Клеток в организме человека многие миллиарды - это его главный структурный и функциональный элемент.

Кости, мышцы, кожа - все они построены из клеток. Клетки активно реагируют на раздражение, участвуют в обмене веществ, растут, размножаются, обладают способностью к регенерации и передаче наследственной информации.

Клетки нашего организма очень разнообразны. Они могут быть плоскими, круглыми, веретенообразными, иметь отростки. Форма зависит от положения клеток в организме и выполняемых функций. Размеры клеток тоже различны: от нескольких микрометров (малый лейкоцит) до 200 микрометров (яйцеклетка). При этом, несмотря на такое многообразие, большинство клеток имеют единый план строения: состоят из ядра и цитоплазмы, которые снаружи покрыты клеточной мембраной {оболочкой).

Ядро есть в каждой клетке, кроме эритроцитов. Оно несет наследственную информацию и регулирует образование белков. Наследственная информация обо всех признаках организма хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

ДНК является основным компонентом хромосом. У человека в каждой неполовой (соматической) клетке их 46, а в половой клетке 23 хромосомы. Хромосомы хорошо видны только в период деления клетки. При делении клетки наследственная информация в равных количествах передается дочерним клеткам.

Снаружи ядро окружает ядерная оболочка, а внутри него находится одно или несколько ядрышек, в которых образуются рибосомы - органоиды, обеспечивающие сборку белков клетки.

Ядро погружено в цитоплазму, состоящую из гиалоплазмы (от греч. «гиалинос» - прозрачный) и находящихся в ней органоидов и включений. Гиалоплазма образует внутреннюю среду клетки, она объединяет все части клетки между собой, обеспечивает их взаимодействие.

Органоиды клетки - это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции. Познакомимся с некоторыми из них.

Эндоплазматическая сеть напоминает сложный лабиринт, образованный множеством мельчайших канальцев, пузырьков, мешочков (цистерн). В некоторых участках на ее мембранах расположены рибосомы, такую сеть называют гранулярной (зернистой). Эндоплазматическая сеть участвует в транспорте веществ в клетке. В гранулярной эндоплазматической сети образуются белки, а в гладкой (без рибосом)- животный крахмал (гликоген) и жиры.

Комплекс Гольджи представляет собой систему плоских мешочков (цистерн) и многочисленных пузырьков. Он принимает участие в накоплении и транспортировке веществ, которые образовались в других органоидах. Здесь также синтезируются сложные углеводы.

Митохондрии - органоиды, основной функцией которых является окисление органических соединений, сопровождающееся высвобождением энергии. Эта энергия идет на синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая служит как бы универсальным клеточным аккумулятором. Энергию, заключенную в ЛТФ, клетки затем используют на различные процессы своей жизнедеятельности: выработку тепла, передачу нервных импульсов, мышечные сокращения и многое другое.

Лизосомы, небольшие шарообразные структуры, содержат вещества, которые разрушают ненужные, утратившие свое значение или поврежденные части клетки, а также участвуют во внутриклеточном пищеварении.

Снаружи клетка покрыта тонкой (около 0,002 мкм) клеточной мембраной, которая отграничивает содержимое клетки от окружающей среды. Основная функция мембраны - защитная, но она воспринимает также и воздействия внешней для клетки среды. Мембрана не сплошная, она полупроницаема, через нее свободно проходят некоторые вещества, г. е. она выполняет и транспортную функцию. Через мембрану осуществляется и связь с соседними клетками.

Вы видите, что функции органоидов сложны и многообразны. Они играют для клетки ту же роль, что и органы для целостного организма.

Продолжительность жизни клеток нашего организма различна. Так, некоторые клетки кожи живут 7 дней, эритроциты - до 4 месяцев, а вот костные клетки - от 10 до 30 лет.

Проверьте свои знания

1. Назовите основные органоиды клетки. Какова их роль?
2. Какой формы бывают клетки? От чего это зависит?
3. Какую роль играют в клетке молекулы ДНК?
4. Сколько хромосом в половых и в соматических клетках человека?
5. Каковы функции ядра?
6. Расскажите о строении и роли эндоплазматической сети.
7. Какие функции выполняет комплекс Гольджи?
8. Почему митохондрии называют «аккумулятором» клетки?
9. Какие органоиды принимают участие в разрушении и растворении частей клетки, утративших свое значение?

Подумайте

Почему клетку считают структурным и функциональным элемен том тела?

Клетка - структурная и функциональная единица тела человека, органоиды - постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции.

Органоиды - это специализированные участки цитоплазмы клетки, имеющие определенную структуру и выполняющие определенные функции в клетке. Их подразделяют на органоиды общего назначения, которые имеются в большинстве клеток (митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, рибосомы, клеточный центр, лизосомы, пластиды и вакуоли), и органоиды специального назначения, которые имеются только в специализированных клетках (миофибриллы - в мышечных клетках, жгутики, реснички, пульсирующие вакуоли - в клетках простейших). Большинство органоидов имеет мембранное строение. Мембраны отсутствую в структуре рибосом и клеточного центра. Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоёв молекул,

обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме

расположены мельчайшие структуры – органоиды. К органоидам клетки

относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы,

комплекс Гольджи, клеточный центр.

Цитоплазма содержит ряд мельчайших структур клетки – органоидов,

которые выполняют различные функции. Органоиды обеспечивают

жизнедеятельность клетки.

Эндоплазматическая сеть.

Название этого органоида отражает место расположения его в

центральной части цитоплазмы (греч. «эндон» - внутри). ЭПС представляет

собой очень разветвлённую систему канальцев, трубочек, пузырьков, цистерн

разной величины и формы, отграниченных мембранами от цитоплазмы клетки.

ЭПС бывает двух видов: гранулярная, состоящая из канальцев и цистерн,

поверхность которых усеяна зёрнышками (гранулами) и агранулярная, т.е.

гладкая (без гран). Граны в эндоплазматической сети ни что иное, как

рибосомы. Интересно, что в клетках зародышей животных наблюдается в

основном гранулярная ЭПС, а у взрослых форм – агранулярная. Зная, что

рибосомы в цитоплазме служат местом синтеза белка, можно предположить, что

гранулярная ЭПС преобладает в клетках, активно синтезирующих белок.

Считают, что агранулярная сеть в большей степени предоставлена в тех

клетках, где идёт активный синтез липидов (жиров и жироподобных веществ).

Оба вида эндоплазматической сети не только участвуют в синтезе

органических веществ, но и накапливают и транспортируют их к местам

назначения, регулируют обмен веществ между клеткой и окружающей её средой.

Рибосомы.

Рибосомы – не мембранные клеточные органоиды, состоящие из

рибонуклеиновой кислоты и белка. Их внутреннее строение во многом ещё

остаётся загадкой. В электронном микроскопе они имеют вид округлых или

грибовидных гранул.

Каждая рибосомы разделена желобком на большую и маленькую части

(субъединицы). Часто несколько рибосом объединяются нитью специальной

рибонуклеиновой кислоты (РНК), называемой информационной (и-РНК). Рибосомы

осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот.

Комплекс Гольджи.

Продукты биосинтеза поступают в просветы полостей и канальцев ЭПС,

где они концентрируются в специальный аппарат – комплекс Гольджи,

расположенный вблизи ядра. Комплекс Гольджи участвует в транспорте

продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в

формировании лизосом и т.д.

Комплекс Гольджи был открыт итальянским цитологом Камилио Гольджи

и в 1898 году был назван «комплексом (аппаратом) Гольджи».

Белки, выработанные в рибосомах, поступают в комплекс Гольджи, а когда они

требуются другому органоиду, то часть комплекса Гольджи отделяется, и белок

доставляется в требуемое место.

Лизосомы.

Лизосомы (от греч. «лизео» – растворяю и «сома» - тело) - это

органоиды клетки овальной формы, окружённые однослойной мембраной. В них

находится набор ферментов, которые разрушают белки, углеводы, липиды. В

случае повреждения лизосомной мембраны ферменты начинают расщеплять и

разрушать внутреннее содержимое клетки, и она погибает.

Клеточный центр.

Клеточный центр можно наблюдать в клетках, способных делиться. Он

состоит из двух палочковидных телец – центриолей. Находясь около ядра и

комплекса Гольджи, клеточный центр участвует в процессе деления клетки, в

образовании веретена деления.

Энергетические органоиды.

Митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - гранула) называют

энергетическими станциями клетки. Такое название обуславливается тем, что

именно в митохондриях происходит извлечение энергии, заключённой в

питательных веществах. Форма митохондрий изменчива, но чаще всего они имеют

вид нитей или гранул. Размеры и число их также непостоянны и зависят от

функциональной активности клетки.

На электронных микрофотографиях видно, что митохондрии состоят из

двух мембран: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует выросты,

называемые кристами, которые сплошь устланы ферментами. Наличие крист

увеличивает общую поверхность митохондрий, что важно для активной

деятельности ферментов.

В митохондриях обнаружены свои специфические ДНК и рибосомы. В связи

с этим они самостоятельно размножаются при делении клетки.

Хлоропласты – по форме напоминают диск или шар с двойной оболочкой –

наружной и внутренней. Внутри хлоропласта также имеются ДНК, рибосомы и

особые мембранные структуры – граны, связанные между собой и внутренней

мембраной хлоропласта. В мембранах гран и находится хлорофилл. Благодаря

хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в

химическую энергию АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия АТФ используется в

хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.

Клеточные включения - это непостоянные структуры клетки. К ним относятся капли и зерна белков, углеводов и жиров, а так же кристаллические включения (органические кристаллы, которые могут образовывать в клетках белки, вирусы, соли щавелевой кислоты и т.д. и неорганические кристаллы, образованные солями кальция). В отличие от органоидов эти включения не имеют мембран или элементов циоскелета и периодически синтезируются и расходуются. Капли жира используются как запасное вещество в связи с его высокой энергоемкостью. Зерна углеводов (полисахаридов; в виде крахмала у растений и в виде гликогена у животных и грибов - как источник энергии для образования АТФ; зерна белка - как источник строительного материала, соли кальция - для обеспечения процесса возбуждения, обмена веществ и тд)

Видеоурок 1: Деление клетки. Митоз

Видеоурок 2: Мейоз. Фазы мейоза

Лекция: Клетка - генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции

Клетка - генетическая единица живого

Базовой единицей жизни признана отдельная клетка. Именно на клеточном уровне происходят процессы, отличающие живую материю от неживой. В каждой из клеток хранится и интенсивно используется наследственная информация о химической структуре белков, которые должны синтезироваться в ней и поэтому она называется генетической единицей живого. Даже безъядерные эритроциты на начальных этапах своего существования обладают митохондриями и ядром. Только в зрелом состоянии они не имеют структур для синтеза белка.

На сегодняшний день науке неизвестны клетки, в которых бы не содержалась ДНК или РНК в качестве носителя геномной информации. При отсутствии генетического материала клетка не способна к синтезу белков, а следовательно – жизни.

ДНК имеется не только в ядрах, ее молекулы содержатся в хлоропластах и митохондриях, эти органоиды могут размножаться внутри клетки.

ДНК в клетке находится в виде хромосом – сложных белково-нуклеиновых комплексов. Хромосомы эукариот локализованы в ядре. Каждая из них представляет собой сложную структуру из:

Единственной длинной молекулы ДНК, 2 метра которой упакованы в компактную структуру размером (у человека) до 8 мкм;

Специальных белков-гистонов, чья роль сводится к упаковке хроматина (вещества хромосомы) в знакомую палочковидную форму;

Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции

Такая плотная упаковка генетического материала производится клеткой перед делением. Именно в этот момент можно рассмотреть в микроскоп плотно упакованные сформированные хромосомы. Когда ДНК свернута в компактные хромосомы, называемые гетерохроматином – синтез матричной РНК невозможен. В период набора клеткой массы и ее интерфазного развития хромосомы находятся в менее упакованном состоянии, которое названо интерхроматином и в нем синтезируется мРНК, происходит репликация ДНК.

Основными элементами структуры хромосом являются:

Центромера. Это часть хромосомы с особой последовательностью нуклеотидов. Она соединяет между собой две хроматиды, участвует в конъюгации. Именно к ней прикрепляются белковые нити трубочек веретена деления клетки.

Теломеры . Это концевые участки хромосом, которые не способны к соединению с другими хромосомами, они играют защитную роль. Состоят из повторяющихся участков специализированной ДНК, образующей комплексы с белками.

Точки инициации репликации ДНК.

Хромосомы прокариот очень сильно отличаются от эукариотических, представляя собой расположенные в цитоплазме, ДНК-содержащие структуры. Геометрически они представляют собой кольцевую молекулу.

Хромосомный набор клетки имеет свое название – кариотип. Каждый из видов живых организмов имеет свои, характерные только для него состав, количество и форму хромосом.

Соматические клетки содержат диплоидный (двойной) хромосомный набор, от каждого из родителей получено по половине.

Хромосомы, отвечающие за кодирование одних и тех же функционально белков – называются гомологичными. Плоидность клеток может быть различной – как правило, у животных гаметы гаплоидны. У растений полиплоидия в настоящее время довольно частое явление, использующееся при создании новых сортов в результате гибридизации. Нарушение количества плоидности у теплокровных и человека вызывает серьезные врожденные заболевания, такие как синдром Дауна (наличие трех копий 21-й хромосомы). Чаще всего хромосомные нарушения приводят к нежизнеспособности организма.

У человека полный хромосомный набор состоит из 23 пар. Наибольшее известное число хромосом – 1600, найдено у простейших планктонных организмов – радиолярий. Самый маленький хромосомный набор у австралийских черных муравьев-бульдогов – всего 1.

Жизненный цикл клетки. Фазы митоза и мейоза

Интерфаза , иначе говоря, отрезок времени между двумя делениями, определяется наукой как жизненный цикл клетки.

В течение интерфазы в клетке совершаются жизненные химические процессы, она растет, развивается, накапливает запасные вещества. Подготовка к размножению предусматривает удвоение содержимого – органоидов, вакуолей с питательным содержимым, объема цитоплазмы. Именно благодаря делению, как способу быстрого увеличения количества клеток возможны продолжительная жизнь, размножение, увеличение размеров организма, его выживание при ранениях и регенерация тканей. В клеточном цикле выделяются следующие этапы:

Интерфаза. Время между делениями. Сначала клетка растет, затем увеличивается число органоидов, объем запасного вещества, синтезируются белки. В последней части интерфазы хромосомы готовы к последующему делению – они состоят из пары сестринских хроматид.

Митоз. Так называется один из способов деления ядра, характерный для телесных (соматических) клеток, в его ходе из одной получаются 2 клетки, с идентичным набором генетического материала.

Для гаметогенеза характерен мейоз. Прокариотические клетки сохранили древний способ размножения - прямое деление.

Митоз состоит из 5 основных фаз:

Профаза. Ее началом считается момент, когда хромосомы становятся столь плотно упакованными, что видны в микроскоп. Также, в этом время разрушаются ядрышки, образуется веретено деления. Активизируются микротрубочки, продолжительность их существования уменьшается до 15 секунд, но скорость образования вырастает тоже значительно. Центриоли расходятся к противоположным сторонам клетки, формируя огромное количество постоянно синтезирующихся и распадающихся белковых микротрубочек, которые протягиваются от них к центромерам хромосом. Так формируется веретено деления. Такие мембранные структуры как ЭПС и аппарат Гольджи распадаются на отдельные пузырьки и трубочки, беспорядочно расположенные в цитоплазме. Рибосомы отделяются от мембран ЭПС.

Метафаза . Образуется метафазная пластинка, состоящая из хромосом, уравновешенных в середине клетки усилиями противоположных центриольных микротрубочек, тянущих их каждая в свою сторону. При этом продолжается синтез и распад микротрубочек, своеобразная их «переборка». Эта фаза самая длительная.

• Анафаза . Усилия микротрубочек отрывают соединения хромосом в области центромеры, и с силой растягивают их к полюсам клетки. При этом хромосомы из-за сопротивления цитоплазмы иногда принимают V-образную форму. В области метафазной пластинки появляется кольцо из белковых волокон.
• Телофаза. Ее началом считается момент, когда хромосомы достигают полюсов деления. Начинается процесс восстановления внутренних мембранных структур клетки – ЭПС, аппарата Гольджи, ядра. Хромосомы распаковываются. Собираются ядрышки, начинается синтез рибосом. Веретено деления распадается.
• Цитокинез . Последняя фаза, в которой появившееся в центральной области клетки белковое кольцо начинает сжиматься, расталкивая цитоплазму к полюсам. Происходит разделение клетки на две и образование на месте белкового кольца клеточной мембраны.

Регуляторами процесса митоза являются специфические белковые комплексы. Результатом митотического деления становится пара клеток, обладающих идентичной генетической информацией. В гетеротрофных клетках митоз протекает быстрее, чем в растительных. У гетеротрофов этот процесс может занимать от 30 минут, у растений – 2-3 часа.

Для генерации организмом клеток, имеющих половинное от нормального количество хромосом используется другой механизм деления – мейоз .

Он связан с необходимостью производства половых клеток, у многоклеточных позволяет избежать постоянного увеличения в два раза количества хромосом в последующем поколении и дает возможность получения новых комбинаций аллельных генов. Он отличается количеством фаз, являясь более длительным. Происходящее при этом уменьшение количества хромосом приводит к образованию 4 гаплоидных клеток. Мейоз представляет собой два деления, следующих друг за другом без перерыва.

Определены следующие фазы мейоза:

Профаза I . Гомологичные хромосомы приближаются друг к другу и продольно объединяются. Такое объединение названо конъюгацией. Затем происходит кроссинговер – двойные хромосомы перекрещиваются своими плечами и обмениваются участками.

Метафаза I. Хромосомы разъединяются и занимают места на экваторе клеточного веретена деления, принимая V-образную форму из-за натяжения микротрубочек.

Анафаза I. Гомологичные хромосомы растягиваются микротрубочками к полюсам клетки. Но в отличие от митотического деления, они расходятся целыми, а не отдельными хроматидами.

Результатом первого деления мейоза становится образование двух клеток, имеющих половинное количество целых хромосом. Между делениями мейоза интерфаза практически отсутствует, удвоения хромосом не случается, они и так двуххроматидные.

Сразу следующее за первым повторное мейотическое деление полностью аналогично митозу – в нем хромосомы разделяются на отдельные хроматиды, распределяемые поровну между новыми клетками.

оогонии проходят стадию митотического размножения на эмбриональном этапе развития, так что женский организм уже рождается с неизменным их количеством;

сперматогонии способны к размножению в любой момент репродуктивного периода мужского организма. Генерируется их намного большее количество, чем женских гамет.

Гаметогенез животных организмов происходит в половых железах – гонадах.

Процесс превращения сперматогониев в сперматозоиды происходит в несколько этапов:

Митотическое деление превращает сперматогонии в сперматоциты 1-го порядка.

В результате однократного мейоза они превращаются в сперматоциты 2-го порядка.

Второе мейотическое деление позволяет получить 4 гаплоидные сперматиды.

Наступает период формирования. В клетке происходит уплотнение ядра, уменьшение количества цитоплазмы, формирование жгутика. Также, запасаются белки и увеличивается количество митохондрий.

Формирование яйцеклеток во взрослом женском организме происходит следующим образом:

Из овоцита 1-го порядка, которых в организме находится определенное количество, в результате мейоза с уменьшением количества хромосом вдвое образуются ооциты 2-го порядка.

В результате второго мейотического деления образуются: зрелая яйцеклетка и три мелких редукционных тельца.

Это неравновесное распределение питательных веществ между 4-мя клетками призвано обеспечить большой ресурс питательных веществ для нового живого организма.

Яйцеклетки у папоротников и мхов образуются в архегониях. У более высокоорганизованных растений – в специальных семяпочках, расположенных в завязи.

Клеточная мембрана. Клетка (рис. 1.1) как живая система нуждается в поддержании определенных внутренних условий: концентрации различных веществ, температуры внутри клетки и др. Одни из этих параметров поддерживаются на неизменном уровне, так как их изменение приведет к гибели клетки, другие играют меньшее значение для сохранения ее жизнедеятельности.

Рис. 1.1.

Клеточная мембрана должна обеспечивать отграничение содержимого клетки от окружающей среды для поддержания необходимой концентрации веществ внутри клетки, в то же время она должна быть проницаемой для постоянного обмена веществ между клеткой и средой (рис. 1.2). Мембраны также ограничивают внутренние структуры клетки – органоиды (органеллы) – от цитоплазмы. Однако это не просто разделительные барьеры. Клеточные мембраны сами по себе являются важнейшим органом клетки, обеспечивающим не только ее структуру, по и многие функции. Помимо разделения клеток между собой и отграничения от внешней среды мембраны объединяют клетки в ткани, регулируют обмен между клеткой и внешней средой, сами являются местом протекания многих биохимических реакций, служат передатчиками информации между клетками.

Рис. 1.2.

По современным данным, плазматические мембраны – это липопротеиновые структуры (липопротеины – соединения белковых и жировых молекул). Липиды (жиры) спонтанно образуют двойной слой, а мембранные белки "плавают" в нем, словно острова в океане. В мембранах присутствуют несколько тысяч различных белков: структурные, переносчики, ферменты и др. Кроме того, между белковыми молекулами имеются поры, сквозь которые могут проходить некоторые вещества. К поверхности мембраны подсоединены специальные гликозильные группы, которые участвуют в процессе распознавания клеток при образовании тканей.

Разные типы мембран отличаются по своей толщине (обычно она составляет от 5 до 10 нм). По консистенции мембраны напоминают оливковое масло. Важнейшее свойство клеточной мембраны – полупроницаемость, т.е. способность пропускать только определенные вещества. Прохождение различных веществ через плазматическую мембрану необходимо для доставки питательных веществ и кислорода в клетку, вывода токсичных отходов, создания разницы концентрации отдельных микроэлементов для поддержания нервной и мышечной активности. Механизмы транспорта веществ через мембрану.

• диффузия – газы, жирорастворимые молекулы проникают прямо через плазматическую мембрану, в том числе облегченная диффузия, когда растворимое в воде вещество проходит через мембрану по особому каналу;
• осмос – диффузия воды через полунепроницаемые мембраны в сторону более низкой концентрации ионов;
• активный транспорт – перенос молекул из области с меньшей концентрацией в область с большей с помощью специальных транспортных белков;
• эндоцитоз – перенос молекул с помощью пузырьков (вакуолей), образуемых втягиванием мембраны; различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкостей) (рис. 1.3);

Рис. 1.3.

Экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу; посредством него из клеток могут выводиться твердые частицы и жидкий секрет (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

Диффузия и осмос не требуют дополнительной энергии; активный транспорт, эндоцитоз и экзоцитоз нуждаются в обеспечении энергией, которую клетка получает при растеплении усвоенных ею питательных веществ.

Регуляция прохождения различных веществ через плазматическую мембрану является одной из ее важнейших функций. В зависимости от внешних условий структура мембраны может изменяться: она может становиться более жидкой, активной и проницаемой. Регулятором проницаемости мембран является жироподобное вещество холестерол.

Внешняя структура клетки поддерживается более плотной структурой – клеточной оболочкой. Клеточная оболочка может иметь самое различное строение (быть эластичной, иметь жесткий каркас, щетинки, усики и др.) и выполнять достаточно сложные функции.

Ядро имеется во всех клетках человеческого организма, за исключением эритроцитов. Как правило, клетка содержит только одно ядро, однако есть и исключения – например, клетки поперечнополосатых мышц содержат множество ядер. Ядро имеет шаровидную форму, его размеры колеблются от 10 до 20 мкм (рис. 1.5).

Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран – наружной и внутренней, аналогичных клеточной мембране, и узкой щели между ними, содержащей полужидкую среду; через поры ядерной оболочки осуществляется интенсивный обмен веществ между ядром и цитоплазмой. На внешней мембране оболочки расположено множество рибосом – органоидов, синтезирующих белок.

Рис. 1.5.

Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хромосомы (продолговатые структуры, содержащие ДНК, в которых "записана" информация о строении белков, специфичных для данной клетки, – наследственная, или генетическая, информация) и ядрышки (округлые структуры внутри ядра, в которых происходит формирование рибосом).

Совокупность хромосом, содержащихся в ядре, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках четное – диплоидное (у человека это 44 аутосомы и 2 половые хромосомы, определяющие половую принадлежность), половые клетки, участвующие в оплодотворении, несут половинный набор (у человека 22 аутосомы и 1 половая хромосома) (рис. 1.6).

Важнейшей функцией ядра является передача генетической информации дочерним клеткам: при делении клетки ядро делится надвое, а находящаяся в нем ДНК копируется (репликация ДНК) – это позволяет каждой дочерней клетке иметь полную информацию, полученную от исходной (материнской) клетки (см. Размножение клеток).

Цитоплазма (цитозоль) – студенистое вещество, содержащее около 90% воды, в котором расположены все органоиды, содержатся истинные и коллоидные растворы питательных веществ и нерастворимые отходы метаболических процессов, протекают биохимические процессы: гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеиновых кислот и других веществ. Органоиды в цитоплазме движутся, цитоплазма сама также совершает периодическое активное движение – цикл оз.

Клеточные структуры (органоиды , или органеллы) представляют собой "внутренние органы" клетки (табл. 1.1). Они обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки, выработку клеткой определенных веществ (секрета, гормонов, ферментов), от их жизнедеятельности зависит общая активность тканей организма, способность выполнять специфические для данной ткани функции. Структуры клетки, как и сама клетка, проходят свои жизненные циклы: рождаются (создаются путем воспроизводства), активно функционируют, стареют и разрушаются. Большинство клеток организма способно восстанавливаться на субклеточном уровне за счет воспроизводства и обновления входящих в ее структуру органоидов.

Рис. 1.6.

Таблица 1.1

Клеточные органоиды, их строение и функции

Размножение клеток

Все клетки образуются посредством деления. Цикл жизни клетки включает две стадии: интерфазу и митоз. Во время интерфазы масса клетки увеличивается (клетка "растет"). Одни клетки (к примеру, клетки нервной ткани) остаются в этой стадии, не переходя в следующую, в других (клетках большинства тканей, способных к росту и регенерации) при увеличении массы во время интерфазы удваивается хромосомная ДНК, и клетка вступает в стадию митоза (рис. 1.7).

Митоз подразделяют на профазу (разрушается ядерная мембрана, хромосомы разъединяются и соединяются со специальными микротрубочками, которые будут направлять их движение к полюсам делящейся клетки – центриолям); метафазу (хромосомы выстраиваются по экватору делящейся клетки и окончательно расцепляются); анафазу (хромосомы перемещаются к полюсам клетки); телофазу (клетка делится надвое в экваториальной плоскости, нити веретена разрушаются, вокруг хромосом формируются ядерные мембраны). Митоз получил название бесполого деления, или клонирования: каждая дочерняя клетка получает идентичный набор хромосом и может опять продолжить рост и развитие – перейти в стадию иитерфазы. Обычно такой процесс занимает около часа.

Другой тип размножения – половой – получил название мейоза. Такая разновидность деления клеток позволяет в результате двух последовательных делений, по своему механизму близких к процессам митоза, образовать гаметы – половые клетки с половинным набором хромосом (по одной хромосоме из каждой пары). При слиянии двух родительских гамет в зиготу (оплодотворении) наследственная информация, полученная от двух родителей, объединяется и ложится в основу развития будущего организма. Случайный характер процессов расхождения хромосом при делении клетки и соединения хромосом мужских и женских гамет приводит к возникновению новых комбинаций генов и обеспечивает вариативность различных признаков биологического вида. В дальнейшем зигота делится путем митоза и развивается в самостоятельный организм, несущий признаки обоих родителей в проявленном или непроявленном виде.