Биология клетки

Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид

Биология клетки — раздел биологии, изучающий структурные и функциональные органеллы клеток живых организмов.

Клетка, являясь самостоятельной единицей жизни и, кроме этого, строительным материалом для более сложных структур, становится важным объектом для изучения. Разделом биологии, посвященным изучению клетки, является цитология (от греч. κύτος — клетка и λόγος — учение, наука). В рамках цитологии исследуется биология клетки, то есть назначение различных структур и функций клетки.

Это одно из наиболее молодых научных направлений, хотя сам термин «клетка» насчитывает свыше 300 лет. Впервые его применил применил естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук в 1665 году, обнаруживший при помощи микроскопа на срезе коры пробкового дерева структуру из ячеек – клеток.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

• прокариоты (доядерные) — простейшие клетки, представленные классом бактерий, цианобактерий (сине-зелёные водоросли) и архей, состоят из одной или группы клеток. Характерной чертой прокариотов является отсутствие оформленного ядра, ограниченного мембраной. В эволюционном процессе появились раньше эукариотов. Размеры прокариотических клеток составляют от 0,5 до нескольких мкм;
• эукариоты (ядерные) — более сложно устроенные ядерные клеточные формы живого. Эукариотическая клетка также может выступать как самостоятельный организм, так и быть частью многоклеточного организма, формируя различные ткани. Возникли в ходе эволюции позже прокариотов. Клетки современных растений, животных, грибов и протистов — эукариотические. Средний диаметр животных клеток - 10-20 мкм, а растительных - 30-40 мкм.

Строение клеток живых организмов, несмотря на многообразие их форм подчинено единым структурным принципам: клетка отделяется от окружающей среды плазматической мембраной или плазмалеммой, внутри же она заполнена цитоплазмой, в которой, в зависимости от принадлежности клетки, находятся клеточные органеллы и клеточные включения, а также генетический материал - молекула ДНК. Каждой органелле клетки присуща своя специфическая функция, в совокупности они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от др.-греч. πρό «перед, до» + κάρῠον «орех; ядро») — клеточные организмы не имеющие, в отличие от эукариот, оформленного клеточного ядра и многих других клеточных мембранных органелл (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий), то есть основным содержимым клетки является вязкая зернистая цитоплазма. Кольцевая или линейная двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид), не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). Ученые считают, что первые прокариоты появились приблизительно 3,5 млрд. лет назад в результате спонтанного объединения молекул белков, нуклеиновых кислот и некоторых других веществ. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка

Эукариоты, также эвкариоты (от др.-греч. εὖ «хорошо; полностью» + κάρῠον «орех; ядро») — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот есть система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органелл (эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.

Строение прокариотической клетки

Фимбрии кишечной палочки, которые позволяют ей прикрепляться к субстрату (ОМ)

Бактерия Helicobacter pylori с несколькими жгутиками (ПЭМ)

Клетки двух основных групп прокариот — бактерий и архей — похожи по структуре, характерными их признаками являются отсутствие ядра и мембранных органелл.

Основными компонентами прокариотической клетки являются:

• Клеточная стенка, которая окружает клетку извне, защищает её, придаёт устойчивую форму, предотвращающую от осмотического разрушения. У бактерий клеточная стенка состоит из пептидогликана (муреина), построенного из длинных полисахаридных цепей, соединённых между собой короткими пептидными перемычками. По строению клеточной стенки различают две группы бактерий:
  • Грамположительные бактерии (например роды Staphylococcus, Bacillus, Lactobacillus) — имеют более простую структуру клеточной стенки, состоящую почти исключительно из муреина;
  • Грамотрицательные бактерии (например роды Salmonella, Escherichia, Azotobacter) — клеточная стенка содержит меньше пептидогликана и имеет дополнительную внешнюю мембрану, которая состоит из фосфолипидов.

  Клеточная стенка архей не содержит муреина, а построена в основном из разнообразных белков и полисахаридов.

• Капсула — имеющаяся у некоторых бактерий слизистая оболочка, расположенная снаружи от клеточной стенки. Состоит в основном из разнообразных белков, углеводов и уроновых кислот. Капсулы защищают клетки от высыхания, могут помогать бактериям в колониях удерживаться вместе, а индивидуальным бактериям — прикрепляться к различным субстратам. Кроме этого, капсулы предоставляют клетке дополнительную защиту: например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме и вызывают воспаление лёгких, тогда как некапсулированные быстро уничтожаются иммунной системой и являются абсолютно безвредными.
• Пили или ворсинки — тонкие волоскоподобные выросты, которые присутствуют на поверхности бактериальных клеток. Существуют различные типы пилей, из которых наиболее распространёнными являются:
  • Фимбрии — пили, которые служат для прикрепления. Например, возбудитель гонореи Neisseria gonorrhoeae использует фимбрии для удержания на слизистой оболочке хозяина.
  • Половые пили (F-пили) — задействованы в процессе конъюгации у бактерий.
• Жгутики — органеллы движения некоторых бактерий. Бактериальный жгутик построен значительно проще эукариотического, и он в 10 раз тоньше, не покрыт плазматической мембраной и состоит из одинаковых молекул белков, которые образуют цилиндр. В мембране жгутик закреплён при помощи базального тела.
• Плазматическая и внутренние мембраны. Общий принцип устройства клеточных мембран не отличается от эукариот, однако в химическом составе мембраны есть немало различий, в частности, в мембранах прокариот отсутствуют молекулы холестерина и некоторых липидов, присущих мембранам эукариот. Большинство прокариотических клеток (в отличие от эукариотических) не имеют внутренних мембран, которые разделяют цитоплазму на отдельные компартменты. Только у некоторых фотосинтетических и аэробных бактерий плазмалемма образует вгибание внутрь клетки, что выполняет соответствующие метаболические функции.
• Нуклеоид — не ограниченный мембранами участок цитоплазмы, в котором расположена кольцевая молекула ДНК — «бактериальная хромосома», где хранится весь генетический материал клетки.
• Плазмиды — небольшие дополнительные кольцевые молекулы ДНК, несущие обычно всего несколько генов. Плазмиды, в отличие от бактериальной хромосомы, не являются обязательным компонентом клетки. Обычно они придают бактерии определённые полезные для неё свойства, такие как устойчивость к антибиотикам, способность усваивать из среды определённые энергетические субстраты, способность инициировать половой процесс и т. д.
• Рибосомы прокариот, как и у всех других живых организмов, отвечают за осуществление процесса трансляции (одного из этапов биосинтеза белка). Однако бактериальные рибосомы несколько меньше, чем эукариотические (коэффициенты седиментации 70S и 80S соответственно), и имеют другой состав белков и РНК. Из-за этого бактерии, в отличие от эукариот, чувствительны к таким антибиотикам, как эритромицин и тетрациклин, которые избирательно действуют на 70S-рибосомы.
• Эндоспоры — окружённые плотной оболочкой структуры, содержащие ДНК бактерии и обеспечивающее выживание в неблагоприятных условиях. К образованию эндоспор способны лишь некоторые виды прокариот, например представители родов Clostridium (C. tetani — возбудитель столбняка, C. botulinum — возбудитель ботулизма, C. perfringens — возбудитель газовой гангрены и т. п.) и Bacillus (в частности B. anthracis — возбудитель сибирской язвы). Для образования эндоспоры клетка реплицирует свою ДНК и окружает копию плотной оболочкой, из созданной структуры удаляется избыток воды, и в ней замедляется метаболизм. Споры бактерий могут выдерживать довольно жёсткие условия среды, такие как длительное высушивание, кипячение, коротковолновое облучение и др.

Строение эукариотической клетки

Схематическое изображение животной клетки (подписи составных частей — ссылки на статьи про них)

Поверхностный комплекс животной клетки

Валония пузатая — самый большой одноклеточный организм на Земле

Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной, цитолеммой и т. д. Её толщина — около 10 нанометров. Обеспечивает разграничение клетки и внешней среды, а также пропускание внутрь и наружу некоторых веществ.

На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира — гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу.

Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции.

Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкраплёнными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов.

В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).

Ссылки

• Строение клетки за 40 минут.