Почему так важно начать подготовку к ЕГЭ по биологии именно с цитологии? Ответ на этот вопрос простой: клетка — основа всего живого. От микроскопических бактерий до гигантских синих китов — все организмы состоят из клеток, либо же являются клетками. Понимание того, как устроена единица живого, как она функционирует, как взаимодействует с окружающей средой, является краеугольным камнем для изучение любой темы по биологии. Исходя из всего вышесказанного, сформулируем определение:
Клетка — это элементарная единица строения и функционирования любого организма, обладающая всеми свойствами живого.
Читай нашу статью, чтобы знать о клетке все, что пригодится тебе на экзамене 😉
В статье мы разобрали:
- Особенности строения и функционирования ядра, цитоплазматической мембраны;
- Строение и функции каждого органоида;
- Особенности состава, жизнедеятельности клеток различных различных царств живой природы;
- Все отличия прокариот от эукариот.
Как устроена живая клетка?
Клетка включает в себя три главных компонента:
- ядро;
- мембрана;
- цитоплазма.
Строение и функции ядра
Ядро — главная часть клетки, предназначенная для хранения и передачи наследственной информации, а также отвечающая за контроль над процессами жизнедеятельности клетки.
Распространенная ошибка при подготовке к ЕГЭ — считать ядро органоидом. Это неверно!
Ядро имеет, как правило, сферическую или эллипсоидную форму. Ядерная оболочка состоит из двух мембран, содержит большое количество пор, через которые кариоплазма (жидкость внутри ядра) сообщается с цитоплазмой. В кариоплазме лежит хроматин — комплекс молекул ДНК, РНК и гистоновых белков. Он может существовать в двух формах: эухроматин (более рыхлый, на ДНК активно идет транскрипция), гетерохроматин (более плотный, ДНК не подвергается транскрипции).
Перед делением клетки происходит его спирализация он уплотняется и превращается в специальные компактные структуры — хромосомы. По окончании деления хромосомы деспирализуются — превращаются обратно в хроматин.
Также в ядре могут присутствовать ядрышки — плотные структуры, в которых происходит синтез рРНК и сборка рибосом.
Мембрана
Цитоплазматическая мембрана представляет собой гибкий, тонкий барьер, ограничивающий внутриклеточное пространство и отделяющий его от внешней среды.
Мембрана включает следующие компоненты:
- Билипидный слой — двойной слой из фосфолипидов. Молекула фосфолипида имеет две части: гидрофильную головку и гидрофобные хвостики. При построении мембраны головки поворачиваются к воде (смотрят наружу), а хвосты, наоборот, отворачиваются от воды (смотрят вовнутрь билипидного слоя). Между фосфолипидами, в толще билипидного слоя, можно найти молекулы холестерина, который регулирует текучесть мембраны.
- Белки. Если бы мембрана целиком состояла из жира, она была бы непроницаема для большинства веществ, ведь преимущественно вещества наших клеток гидрофильны. Наличие белков в мембране обеспечивает ее избирательную проницаемость. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, их называют интегральными. А есть такие, которые лежат на поверхности — периферические белки. Мембранные белки имеют две основные функции: транспортную (перенос веществ через мембрану) и рецепторную (восприятие сигналов из внешней среды).
- Гликокаликс — структура, состоящая из олигосахаридов, гликопротеинов и гликолипидов, располагающаяся на поверхности билипидного слоя. Гликокаликс можно обнаружить только на клетках животных. Он обеспечивает клетке возможность воспринимать сигналы, защищает её и позволяет взаимодействовать с другими клетками.
Цитоплазма
Цитоплазма — содержимое клетки, находящееся между мембраной и ядром.
Цитоплазма = гиалоплазма (коллоидный раствор) + органоиды (структуры, выполняющие определенные функции).
Какие бывают органоиды?
Митохондрия
Митохондрию называют энергетическим центром клетки, так как именно в этом органоиде протекает третий (кислородный) этап энергетического обмена в результате которого синтезируется огромное количество энергетически ценных молекул — АТФ
Митохондрия ограничена двумя мембранами: внешней и внутренней. Внутренняя мембрана значительно превосходит по площади наружную и образует многочисленные кристы — складки, увеличивающие её поверхность. На кристах размещены АТФ-синтетазы, ферменты, ответственные за синтез АТФ — основного источника клеточной энергии.
Внутреннее пространство митохондрии заполнено матриксом.
В матриксе располагаются собственные рибосомы и кольцевые молекулы ДНК, позволяющие органоиду синтезировать некоторые белки независимо от ядра. Благодаря этой способности к автономному синтезу, митохондрии относят к полуавтономным органоидам.
Пластиды
Пластиды — группа двумембранных органоидов, встречающихся только в растительных клетках. Подобно митохондриям, они обладают собственной ДНК в форме кольца и рибосомами, что делает их полуавтономными.
ПЛАСТИДЫ
| название | хлоропласты | хромопласты | лейкопласты |
| цвет | зеленый пигмент — хлорофилл | зеленый пигмент — хлорофилл от желтого до красного пигменты — каротиноиды | белый |
| локализация | зеленые листья, стебли | осенние листья, лепестки, плоды, корнеплоды. | корни, клубни, луковицы, семена |
| функция | фотосинтез (синтез глюкозы) | привлечение опылителей и распространение плодов | запасающая (крахмал) |
Особое внимание на ЕГЭ уделяется хлоропластам, поэтому рассмотрим их подробнее.
Внутри хлоропласта располагаются «монетки» — тилакоиды, сложенные в «стопочки» — граны. В мембранах тилакоидов находится специальный зеленый пигмент — хлорофилл, благодаря которому запускается световая фаза фотосинтеза.
Пространство между тилакоидами и внутренней мембраной заполнено жидкостью — строма, в которой протекает темновая фаза фотосинтеза.
Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — это система мембранных цистерн, канальцев и мешочков.
Существует два вида ЭПС: гладкая и шероховатая. Особенность шероховатой ЭПС заключается в том, что ее поверхность усеяна рибосомами, за счет чего и создается шероховатость на поверхности органоида.
Важно также отметить, что шероховатая ЭПС является непосредственным продолжением наружной мембраны ядерной оболочки.
Функции ЭПС:
- шероховатая: синтез, модификация белков, доставка их к аппарату Гольджи;
- гладкая: синтез углеводов и липидов и доставка их к аппарату Гольджи, синтез пероксисом.
Аппарат Гольджи
Одномембранный органоид, представляющий собой стопку дискообразных мембранных цистерн. Отвечает за образование лизосом, а также накопление, созревание и выделение веществ, синтезированных в ЭПС.
Аппарат Гольджи особенно активен в клетках, выделяющих секреты. В нём накапливаются различные вещества, которые затем упаковываются в мембранные пузырьки, называемые везикулами. Эти везикулы отделяются от аппарата Гольджи, перемещаются к клеточной мембране, сливаются с ней, и заключенные в них вещества высвобождаются из клетки.
У комплекса Гольджи есть два полюса: цис- и транс-. Цис-полюс обращен к ЭПС, а транс- — к цитоплазматической мембране. Цис-полюс — это входные ворота, транс-полюс — выход из аппарата Гольджи.
Лизосома
Лизосома — это мембранный пузырёк с гидролитическими ферментами, предназначенный для внутриклеточного пищеварения.
Откуда берутся эти пузырьки с ферментами?
Мы уже говорили о том, что белки, синтезированные в ЭПС, поступают в аппарат Гольджи, где дозревают, а затем выносятся из комплекса в мембранной упаковке (в виде пузырьков). Упаковываться могут различные белки, в том числе и ферменты. Пузырёк, отпочковавшийся от аппарата Гольджи и содержащий лизирующие ферменты, — это и есть лизосома.
Лизосомы способны утилизировать не только вещества, полученные извне, но и собственные поврежденные органеллы. Кроме того, процесс запрограммированной клеточной гибели (апоптоз) не обходится без участия лизосом.
Пероксисома
Пероксисома — это мембранный пузырек, содержащий каталазу, формируемый путем отпочковывания от ЭПС.
Пероксидаза — фермент, расщепляющий перекись водорода.
В процессе жизнедеятельности клетки синтезируется ряд побочных веществ, в том числе и перекись водорода.
Перекись водорода — сильный окислитель, если её не утилизировать, она может повредить клетку.
Таким образом, роль пероксисом заключается в защите клетки от агрессивного действия перекиси водорода.
Вакуоль
Вакуоль — это органоид растительной клетки, ограниченный одинарной мембраной и представляющий собой большой пузырь с клеточным соком внутри.
Вакуоль выполняет ряд важных функций: обеспечивает тургор, аккумулирует воду, резервирует питательные вещества и пигменты.
Возраст клетки можно установить по размеру вакуоли. В юных клетках присутствуют небольшие вакуоли, а в ходе старения вакуоль растет, зачастую смещая ядро к краю клетки.
Рибосома
Рибосомы — органоиды, присутствующие во всех клетках живых организмов. Поскольку белки являются основным строительным материалом для всех форм жизни, рибосомы, как органеллы, обеспечивающие синтез белков, необходимы всем: животным, грибам, бактериям.
Рибосома не имеет мембран. Она состоит из двух субъединиц: малой и большой. Каждая субъединица содержит белки и рибосомальную РНК (рРНК). Синтез рибосом происходит в ядрышке.
Существует два типа рибосом:
- крупные (80S), располагающиеся в цитоплазме и на ЭПС;
- мелкие (70S), содержащиеся в митохондриях, пластидах и прокариотических клетках.
Клеточный центр
Клеточный центр — немембранный органоид, состоящий из двух центриолей. Центриоль, в свою очередь, складывается из девяти триплетов микротрубочек.
Функция клеточного центра:
- формирование веретена деления во время митоза/мейоза;
- формирование ресничек, жгутиков.
Цитоскелет
Цитоскелет — это каркас клетки, представляющий собой сложную белковую сеть.
Основные компоненты цитоскелета:
- микротрубочки — длинные полые цилиндры из белка тубулина, формирующие каркас клетки, участвующие в разделении хромосом при делении;
- микрофиламенты (актиновые нити) — тонкие нити из белка актина, участвующие в движении, поддержании форм клетки, делении цитоплазмы;
- промежуточные филаменты — нитевидные структуры из различных белков, поддерживающие форму и обеспечивающие клеточную адгезию.
Клеточная стенка
Клетки растений, грибов и бактерий обладают дополнительной защитной структурой — клеточной стенкой. Она располагается снаружи от цитоплазматической мембраны и состоит из полисахаридов.
Животные клетки не имеют клеточной стенки. Их внешней границей является только цитоплазматическая мембрана, что обеспечивает большую пластичность поверхности.
Именно эта особенность позволяет им осуществлять фагоцитоз — захват и поглощение твёрдых частиц из окружающей среды.
Типы клеток
Весь органический мир делится на два надцарства: эукариоты (собственно ядреные) и прокариоты (доядерные). Надцарство эукариот включает три царства: животные, растения, грибы. А среди прокариот мы рассмотрим только одно — царство бактерий.
Почему живые организмы были классифицированы именно на такие группы? Всё просто — исходя из особенностей строения клеток, из которых они состоят.
Давайте рассмотрим эти особенности:
Эукариоты vs прокариоты
Рассмотрим принципиальные отличия эукариотических и прокариотических клеток, которые часто затрагиваются в ЕГЭ:
| Признаки и свойства | Эукариоты | Прокариооты |
| Организация генетического материала | Генетическая информация лежит в ядре | Генетическая информация располагается в цитоплазме. У прокариот вместо ядра имеется нуклеоид — зона, в которой находится геномная ДНК и ассоциированные с ней белки. |
| ДНК | Геномные ДНК линейные | Геномная ДНК кольцевая |
| Особенности органоидов | Есть мембранные органоиды | Нет мембранных органоидов, вместо них мезосомы |
| Рибосомы | 80S (могут располагаться свободно в цитоплазме или присоединяться к мембранам) | Не связанные с мембранами рибосомы 70S |
| Особенности обмена веществ | Преимущественно аэробный тип дыхания | Анаэробный или аэробный тип дыхания |
| Особенности организации цитоплазмы | Хорошо развита система внутриклеточных мембран, благодаря чему клетка подразделяется на компартменты, что обеспечивает возможность одновременного протекания различных метаболических процессов. Имеется цитоскелет для поддержания формы. Цитоплазма подвижна, возможны такие виды транспорта как экзо и эндоцитоз. | Отсутствует принцип компартментации, отсутствует развитая система микротрубочек и микрофиламентов. |
| Размножение | Деление митозом/ мейозом. В жизненном цикле чередуются гаплоидная и диплоидная фазы | Простое деление на две клетки. Всегда гаплоидны. |
| Организмы | Животные, растения, грибы | Бактерии, археи, цианобактерии |
| Организация | Как правило многоклеточные, но могут быть и одноклеточные (простейшие животные, одноклеточные водоросли и грибы) | В основном одноклеточные, колониальные формы |
| Происхождение | В результате симбиоза нескольких прокариотический клеток 1 млрд лет назад | Вероятнее всего о протобионтов около 3–3,5 млрд лет назад |
ЭУКАРИОТЫ
ПРОКАРИОТЫ
Часто задаваемые вопросы
Какие основные части клетки выделяют?
Выделяют три основные части клетки: ядро, плазматическую мембрану, цитоплазму.
Чем отличается животная клетка от растительной?
Животная и растительная клетка имеют ряд принципиальных отличий, запишем их в виде таблицы:
| Животная клетка | Растительная клетка |
|---|---|
| Нет клеточной стенки | Клеточная стенка из целлюлозы |
| Нет пластид | Имеются пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хлоропласты) |
| Есть клеточный центр | У высших растений клеточный центр отсутствует |
| Как правило, вакуоли отсутствуют, встречаются лишь у простейших животных. Вакуоли простейших отличаются от растительных по функции: сократительные вакуоли обеспечивают удаление лишней жидкости, пищеварительные отвечают за внутриклеточное переваривание веществ. Кроме того, растительные вакуоли намного крупнее. | Имеется крупная вакуоль, заполненная клеточным соком, отвечающая за поддержание тургорного давление, запасание питательных веществ и пигментов. |
| Способны как экзоцитозу, так и к эндоцитозу | Способны только к экзоцитозу |
| Гетеротрофный способ питания | Автотрофный способ питания |
| Запасают углеводы в виде гликогена | Запасают углеводы в виде крахмала |
| Делятся путем образования перетяжки | Делятся путем образования перегородки, т.к. есть клеточная стенка |
Какие функции выполняет ядро клетки?
Ядро клетки — важнейшая структура, выполняющая ключевые функции, обеспечивающие жизнедеятельность.
Основные функции ядра:
- Хранение, защита генетической информации;
- Репликация и репарация ДНК, транскрипция;
- Синтез рибосом;
- Регуляция экспрессии генов, организация хромосом;
- Контроль клеточного цикла и всех метаболических процессов клетки.
Что такое митохондрии и зачем они нужны?
Митохондрия — двумембранный органоид эукариотической клетки, обеспечивающий клетку энергией.
Какую роль играет клеточная мембрана?
Клеточная мембрана выполняет защитную функцию обеспечивает избирательный транспорт веществ, а также восприятие сигналов извне, за счет наличия в ней рецепторных белков.
