Цитология

Шли годы, развивалась техника, появился электронный микроскоп, дающий увеличение в десятки тысяч раз. Учёные сумели разгадать немало тайн, заключённых в клетке. Было подробно описано деление, открыты клеточные органеллы, поняты биохимические процессы в клетке, наконец, была расшифрована структура ДНК. Казалось бы, ничего нового о клетке уже не узнать. И всё же есть ещё много непонятного, неразгаданного, и наверняка будущие поколения исследователей положат новые кирпичики в здание науки о клетке.

Клеточная теория сохранила своё значение и в настоящее время. Она была неоднократно проверена и дополнена многочисленным материалом о строении, функциях, химическом составе, размножении и развитии клеток разнообразных организмов.

Современная клеточная  теория включает следующие положения:

1. Клетка - основная единица  строения и развития всех живых  организмов, наименьшая единица  живого.

2. Клетки всех одноклеточных  и многоклеточных организмов  сходны(гомологичны) по своему  строению, химическому составу, основным  проявлениям жизнедеятельности и обмена веществ.

3. Размножение клеток происходит  путём их деления, и каждая  новая клетка образуется в  результате деления исходной (материнской)  клетки.

4. В сложных многоклеточных  организмах клетки специализированы  по выполняемой ими функции  и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Общее строение клетки

Клетка - основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, элементарная живая система.

Клетки всех организмов имеют единый план строения, в котором чётко проявляется общность всех процессов жизнедеятельности. Сами клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части любой клетки - цитоплазма и ядро.

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.

Ядро.

Ядро - самый заметный и  самый большой органоид клетки, который  первым привлёк внимание исследователей. Клеточное ядро было открыто в 1831г. шотландским учёным Робертом Брауном. Ядро можно сравнить с кибернетической системой, где имеет место хранение, переработка и передача в цитоплазму огромной информации, заключённой в очень малом объёме. Ядро играет главную роль в наследственности. Ядро выполняет также функцию восстановления клеточного тела(регенерация), является регулятором всех жизненных отправлений клетки. Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Важнейшей составной частью ядра является хроматин - вещество, хорошо окрашивающееся ядерными красками.

Ядро отделено от цитоплазмы двойной мембраной, которая непосредственно связана с эндоплазматической сетью и комплексом Гольджи. На ядерной мембране присутствуют поры, которые (как и через наружную цитоплазматическую мембрану) одни вещества проходят легче, чем другие, т.е. поры обеспечивают избирательную проницаемость мембраны.

Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий  пространство между структурами  ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. В ядрышке  образуются рибосомы. Поэтому между  активностью клетки и размером ядрышек существует прямая связь: чем активнее протекают процессы биосинтеза белка. Тем крупнее ядрышки, и наоборот, в клетках, где синтез белка ограничен, ядрышки или очень невелики, или совсем отсутствуют.

В ядре расположены нитевидные образования - хромосомы. В ядре клетки тела человека(кроме половых) содержится по 46 хромосом. Хромосомы являются носителями наследственных задатков организма, передающихся от родителей потомству.

Большинство клеток содержит одно ядро, но существуют и многоядерные клетки (в печени, в мышцах и др.). Удаление ядра делает клетку нежизнеспособной.

Мембрана.

Если рассматривать в  микроскоп клетку какого-нибудь растения, например, корешка лука, то видно, что  она окружена сравнительно толстой  оболочкой. Оболочка совсем другой природы хорошо видна у гигантского аксона кальмара. Но не оболочка выбирает какие вещества пускать, а какие не пускать в аксон. Оболочка клетки служит как бы дополнительным «земляным валом», который окружает и защищает главную крепостную стену - клеточною мембрану с её автоматическими воротами, насосами, специальными «наблюдателями», ловушками и другими удивительными приспособлениями.

«Мембрана - крепостная стена  клетки», но только в том смысле, что она ограждает и защищает внутреннее содержимое клетки. Растительную клетку можно отделить от наружно оболочки. Можно разрушить оболочку у бактерий. Тогда может показаться, что они вообще ничем не отделены от окружающего раствора - это просто кусочки студня с внутренними включениями.

Новые физические методы, прежде всего электронная микроскопия, не только позволили с несомненностью установить наличие мембраны. Но и рассмотреть некоторые её детали.

Внутреннее содержимое клетки и её мембрана состоят в основном из одних и тех же атомов. Эти  атомы - углерод, кислород, водород, азот - расположены в начале таблицы Менделеева. На электронной фотографии тонкого среза клетки мембраны видны в виде двух тёмных линий. С этих снимков может быть точно измерена толщина мембраны.

Итак, клеточная мембрана - очень мелкое молекулярное сито. Однако мембрана - весьма своеобразное сито. Её поры скорее напоминают длинные узкие проходы в крепостной стене средневекового города. Высота и ширина этих проходов в 10 раз меньше длины. Кроме того, в этом сите отверстия встречаются осень редко - поры у некоторых клеток занимают только одну миллионную часть площади мембраны. Это соответствует всего одному отверстию на площади обычного волосяного сита для просеивания муки, т.е. с обычной точки зрения мембрана вовсе не сито.

Цитоплазма.

Цитоплазма - полужидкая слизистая  бесцветная масса, содержащая 75-80% воды, 10-12% белков и аминокислот, 4-6% углеводов, 2-3% жиров и липидов, 1% неорганических и других веществ. Цитоплазматическое содержимое клетки способно двигаться, что способствует оптимальному размещению органоидов, лучшему протеканию биохимических реакций, выделению продуктов обмена и т.д.. Слой цитоплазмы формирует различные образования: реснички, жгутики, поверхностные выросты.

В состав цитоплазмы входят вещества белковой природы. Во многих клетках, например у амёб, в клетках различных эпителиев, гиалоплазма(основное вещество цитоплазмы) содержит тончайшие нити, которые могут переплетаться и образовывать структуры, напоминающие войлок. Эти нитевидные (фибриллярные) связаны с выполнением механической функции: они образуют нечто подобное внутреннему скелету клетки. Фибриллы цитоплазмы не принадлежат к числу постоянных структур: они могут появляться и исчезать при различных состояниях клетки.

Цитоплазма пронизана  сложной сетчатой системой, связанной с наружной плазматической мембраной и состоящей из сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощённых мешочков. Такая сетчатая система названа вакуолярной системой.

Органоиды клетки

Цитоплазма содержит ряд  мельчайших структур клетки - органоидов, которые выполняют различные функции. Органоиды обеспечивают жизнедеятельность клетки.

Эндоплазматическая сеть. Название этого органоида отражает его место расположения в центральной части цитоплазмы. ЭПС представляет собой очень развёрнутую систему канальцев, трубочек, пузырьков, цистерн разной величины и формы, отграниченных мембранами от цитоплазмы клетки.

ЭПС бывает двух видов: гранулярная, т.е. состоящая из канальцев и цистерн, поверхность которых усеяна зёрнышками(гранулами) и агранулярная, т.е. гладкая(без гран). Граны в эндоплазматической сети есть ни что иное, как рибосомы. 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. Считается, что агранулярная сеть в большей степени предоставлена в тех клетках, где идёт активный синтез липидов(жиров и жироподобных веществ).

Оба вида ЭПС  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 рибосома разделена желобком на большую и  малую части(субъединицы). Часто  несколько рибосом объединяются нить специальной рибонуклеиновой  кислоты(РНК), называемой информационной(иРНК). 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 1898г. 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 - 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 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.

Пластиды - особые органоиды растительных клеток, в которых осуществляется синтез различных веществ, и в первую очередь фотосинтез. В цитоплазме клеток высших растений имеется три основных типа пластид: зелёные пластиды - хлоропласты; окрашенные в красный, оранжевый и другие цвета - хромопласты; бесцветные пластиды - лейкопласты. Все эти типы пластид могут переходить один в другой.

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 солнечного света в химическую энергию АТФ(аденозитрифосфат). Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.

Хромопласты обычно окрашены в жёлтый, оранжевый, красный  или бурый цвета. Сочетания хромопластов, содержащих разные пигменты, создаёт  большое разнообразие окрасок цветков  и плодов растений.

Лейкопласты - бесцветны, местом их локализации служат неокрашенные части растений.

Органоиды движения. Многие клетки одноклеточных и многоклеточных организмов обладают способностью к движению. Под этим понимается движение клетки в пространстве и внутриклеточное движение её органоидов. В жидкой среде движение клеток осуществляется движением жгутиков и ресничек, так перемещаются многие одноклеточные. Некоторые другие простейшие организмы, а также специализированные клетки многоклеточных передвигаются с помощью выростов, образующихся на поверхности клеток. Клетка находится в постоянном движении. Клеточное движение обеспечивается цитоскелетом, состоящем из микротрубочек, микронитей и клеточного центра. Микротрубочки - это длинные полые цилиндры, стенки которых состоят из белков. Микронити - очень тонкие структуры, состоящие из тысяч молекул белка, соединенных друг с другом.

Клеточные включения

К клеточным  включениям относятся белки, жиры и  углеводы.

Белки. Белки являются основными веществами клетки, Белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Часто в состав белка входит фосфор. Белки служат главным строительным материалом. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Многие белки выполняют роль ферментов(ускорителей течения химических реакций). Будучи продуктами жизнедеятельности живых организмов, белки обеспечивают возможность их существования, развития, созревания и воспроизведения себе подобных. В одной клетке насчитывается до тысячи разных белков. При распаде белков в организме освобождается примерно такое же количество энергии, как и при расщеплении углеводов.

Все эти вещества накапливаются в цитоплазме клетки в виде капель и зёрен различной  величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Роль белков в организме человека чрезвычайно  разнообразна. Белки отличаются видовой, тканевой и индивидуальной специфичностью. Каждый белок при введении в организм теплокровного животного, в том  числе и человека, вызывает образование антител, то есть обладает антигенными свойствами.