2.4. Строение про– и эукариотной клеток. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности

Основные термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе: аппарат

Голъджи, вакуоль, клеточная мембрана, клеточная теория, лейкопласты, митохондрии, органоиды клетки, пластиды, прокариоты, рибосомы, хлоропласты, хромопласты, хромосомы, эукариоты, ядро.

Любая клетка представляет собой систему. Это означает, что все ее компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимодействуют друг с другом. Это также означает, что нарушение деятельности одного из элементов данной системы ведет к изменениям и нарушениям работы всей системы. Совокупность клеток образует ткани, различные ткани образуют органы, а органы, взаимодействуя и выполняя общую функцию, образуют системы органов. Эту цепочку можно продолжить дальше, и вы можете сделать это самостоятельно. Главное, что нужно понять, – любая система обладает определенной структурой, уровнем сложности и основана на взаимодействии элементов, которые ее составляют. Ниже даются справочные таблицы, в которых сравнивается строение и функции прокариотических и эукариотических клеток, а также разбирается их строение и функции. Внимательно проанализируйте эти таблицы, ибо в экзаменационных работах достаточно часто задаются вопросы, требующие знания этого материала.

2.4.1. Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток. Сравнительные данные

Сравнительная характеристика эукариотических и прокариотических клеток.

Строение эукариотичеких клеток.

Функции эукариотических клеток . Клетки одноклеточных организмов осуществляют все функции, характерные для живых организмов – обмен веществ, рост, развитие, размножение; способны к адаптации.

Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению, в зависимости от выполняемых ими функций. Эпителиальные, мышечные, нервные, соединительные ткани формируются из специализированных клеток.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А

А1. К прокариотическим организмам относится 1) бацилла 2) гидра 3) амеба 4) вольвокс

А2. Клеточная мембрана выполняет функцию

1) синтеза белка

2) передачи наследственной информации

3) фотосинтеза

4) фагоцитоза и пиноцитоза

А3. Укажите пункт, в котором строение названной клетки совпадает с ее функцией

1) нейрон – сокращение

2) лейкоцит – проведение импульса

3) эритроцит – транспорт газов

4) остеоцит – фагоцитоз

А4. Клеточная энергия вырабатывается в

1) рибосомах 3) ядре

2) митохондриях 4) аппарате Гольджи

А5. Исключите из предложенного списка лишнее понятие

1) лямблия 3) инфузория

2) плазмодий 4) хламидомонада

А6. Исключите из предложенного списка лишнее понятие

1) рибосомы 3) хлоропласты

2) митохондрии 4) крахмальные зерна

А7. Хромосомы клетки выполняют функцию

1) биосинтеза белка

2) хранения наследственной информации

3) формирования лизосом

4) регуляции обмена веществ

В1. Выберите из предложенного списка функции хлоропластов

1) образование лизосом 4) синтез АТФ

2) синтез глюкозы 5) выделение кислорода

3) синтез РНК 6) клеточное дыхание

В2. Выберите особенности строения митохондрий

1) окружены двойной мембраной

2) содержат хлорофилл

3) есть кристы

4) наружная мембрана складчатая

5) окружены одинарной мембраной

6) внутренняя мембрана богата ферментами ВЗ. Соотнесите органоид с его функцией

В4. Заполните таблицу, отметив знаками «+ » или «- » наличие указанных структур в про– и эукариотических клетках

С1. Докажите, что клетка является целостной биологической, открытой системой.

2.5. Метаболизм: энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Термины, проверяемые в экзаменационной работе: автотрофные организмы,

анаболизм, анаэробный гликолиз, ассимиляция, аэробный гликолиз, биологическое окисление, брожение, диссимиляция, биосинтез, гетеротрофные организмы, дыхание, катаболизм, кислородный этап, метаболизм, пластический обмен, подготовительный этап, световая фаза фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, фотолиз воды, фотосинтез, энергетический обмен.

2.5.1. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме. Биологи разделяют его на пластический (анаболизм ) и энергетический обмены (катаболизм ), которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используются следующие термины:

Анаболизм (ассимиляция ) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.

Катаболизм (диссимиляция ) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.

Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию. Зеленые растения – автотрофы , – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессехемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода.Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Среди растений могут встречаться те, которые питаются смешанным способом (миксотрофно ) – росянка, венерина мухоловка или даже гетеротроф– но – раффлезия. Из представителей одноклеточных животных миксотрофами считаются эвглены зеленые.

Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме . Ферменты – это всегда специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами. В молекуле фермента есть активный центр, пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует. Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.

Ферментами катализируются все биохимические реакции. Без их участия скорость этих реакций уменьшилась бы в сотни тысяч раз. В качестве примеров можно привести такие реакции, как участие РНК – полимеразы в синтезе – и-РНК на ДНК, действие уреазы на мочевину, роль АТФ – синтетазы в синтезе АТФ и другие. Обратите внимание на то, что названия многих ферментов оканчиваются на «аза».

Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.

2.5.2. Энергетический обмен в клетке (диссимиляция)

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений уаэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается

многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков

до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов,

нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап –бескислородный (гликолиз ). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода ) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называетсяспиртовым брожением .

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

Третий этап –кислородный , состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Окислительное фосфорилирование или клеточное дыханиепроисходит, на

внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

С6Н12O6 + 6O2 → 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Часть А

А1. Способ питания хищных животных называется

1) автотрофным 3) гетеротрофным

2) миксотрофным 4) хемотрофным

А2. Совокупность реакций обмена веществ называется:

1) анаболизм 3) диссимиляция

2) ассимиляция 4) метаболизм

А3. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит образование:

1) 2 молекул АТФ и глюкозы

2) 36 молекул АТФ и молочной кислоты

3) аминокислот, глюкозы, жирных кислот

4) уксусной кислоты и спирта

А4. Вещества, катализирующие биохимические реакции в организме, – это:

1) белки 3) липиды

2) нуклеиновые кислоты 4) углеводы

А5. Процесс синтеза АТФ в ходе окислительного фосфорилирования происходит в:

1) цитоплазме 3) митохондриях

2) рибосомах 4) аппарате Гольджи

А6. Энергия АТФ, запасенная в процессе энергетического обмена, частично используется для реакций:

1) подготовительного этапа

2) гликолиза

3) кислородного этапа

4) синтеза органических соединений А7. Продуктами гликолиза являются:

1) глюкоза и АТФ

2) углекислый газ и вода

3) пировиноградная кислота и АТФ

4) белки, жиры, углеводы

В1. Выберите события, происходящие на подготовительном этапе энергетического обмена у человека

1) белки распадаются до аминокислот

2) глюкоза расщепляется до углекислого газа и воды

3) синтезируются 2 молекулы АТФ

4) гликоген расщепляется до глюкозы

5) образуется молочная кислота

6) липиды расщепляются до глицерина и жирных кислот

В2. Соотнесите процессы, происходящие при энергетическом обмене с этапами, на которых они происходят

ВЗ. Определите последовательность превращений куска сырого картофеля в процессе энергетического обмена в организме свиньи:

А) образование пирувата Б) образование глюкозы

В) всасывание глюкозы в кровь Г) образование углекислого газа и воды

Д) окислительное фосфорилирование и образование Н2О Е) цикл Кребса и образование СО2

С1. Объясните причины утомляемости спортсменов-марафонцев на дистанциях, и как она преодолевается?

2.5.3. Фотосинтез и хемосинтез

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы, как уже говорилось, используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза. Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно. Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной. Исследования продолжались, и в настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.

Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл . Молекула хлорофилла способна возбуждаться под действием солнечного света и отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни. Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ –никотинамиддифосфат ). При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ. Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называютсветовой

и темновой фазами.

1. Какие безъядерные организмы вам известны?

Безъядерной является клетка любой бактерии.

2. Что такое споры? Какова их роль?

Спора - это особый тип клетки с очень плотными оболочками. Споры могут длительное время находиться в состоянии покоя. В таком виде они способны пережидать холод, жару, высыхание, избыток влаги. Когда же наступают благоприятные условия, они прорастают, делятся, и из них образуются новые особи.

Так размножаются некоторые животные, грибы и многие растения: многоклеточные водоросли, мхи, папоротники и др.

Вопросы

1. Какие признаки примитивности прокариот по сравнению с эукариотами вы можете назвать?

Прокариотические клетки обычно очень малы: их размеры не превышают 10 мкм. У них нет ядерной оболочки, единственная хромосома часто имеет кольцевидную форму и находится непосредственно в цитоплазме клетки.

Внутри прокариотической клетки отсутствуют органоиды, окружённые мембранами, т. е. в ней нет эндоплазматической сети (её роль выполняют многочисленные выступы клеточной мембраны), нет митохондрий, нет пластид. Рибосомы у прокариот мелкие.

Прокариоты чаще размножаются бесполым путём, а именно делением клетки надвое. Половой процесс, т. е. процесс обмена генетическим материалом, у них встречается значительно реже.

2. Для чего бактериям споры?

Бактерия переживает неблагоприятные условия в состоянии споры, которая может десятилетиями быть в неактивном состоянии, переноситься водой и ветром. Она не боится высыхания, холода, жары. При попадании в благоприятную среду из споры быстро образуется бактерия.

Выполните лабораторную работу.

Рассматривание клеток бактерий, грибов, растений и животных под микроскопом

Цель работы: выявить сходства и различия в строении клеток бактерий, грибов, растений и животных.

Ход работы

1. Рассмотрите под микроскопом приготовленные (готовые) микропрепараты растительных и животных клеток.

2. Зарисуйте по одной растительной и животной клетке. Подпишите их основные части, видимые в микроскоп.

3. Сравните строение растительной и животной клеток.

В растительной и животной клетке существуют общие органоиды, такие как ядро, эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Однако растительная клетка имеет существенные отличия от животной клетки.

Растительная клетка как и животная, окружена цитоплазматической мембраной, но кроме неё ограничена толстой клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, которой нет у животных клеток.

Накапливающие клеточный сок вакуоли есть в растительных, но отсутствуют в животных клетках.

Преобладание синтетических процессов над процессами освобождения энергии - это одна из наиболее характерных особенностей обмена веществ растений. Первичный синтез углеводов из неорганических веществ осуществляется в пластидах. Так, в животных клетках, в отличие от растительных, отсутствуют следующие пластиды: хлоропласты (отвечают за реакцию фотосинтеза), лейкопласты (отвечают за накопление крахмала) и хромопласты (придают окраску плодам и цветам растений)

4. Сделайте вывод.

Таким образом, основные отличия растительной от животной клетки:

1) В растительной клетке присутствует прочная и толстая клеточная стенка из целлюлозы.

2) В растительной клетке есть вакуоли.

3) Растительная клетка содержит особые органоиды - пластиды (а именно, хлоропласты, лейкопласты и хромопласты), а животная клетка их не содержит.

Задания

Проанализировав содержание параграфа и результаты лабораторной работы, определите критерии (признаки) для сравнения клеток прокариот и эукариот; грибов, растений, животных. Результаты сравнения занесите в соответствующие таблицы.

Надцарство прокариот

Особенности прокариотических клеток

Особенности растительных клеток.

Включения

В цитоплазме клеток присутствуют включения - непостоянные компоненты, выполняющие функцию запаса питательных веществ (капли жира, глыбки гликогена), различных секретов, подготовленных к выведению из клетки. К включениям относят некоторые пигменты (гемоглобин, липофуцин) и другие.
Включения синтезируются в клетке и используются в процессе обмена.

Существуют серьезные различия между животными и растительными клетками. Эти различия связаны с образом жизни и питания этих групп живых существ.

На Земле существует две группы организмов. Первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения. Вторая группа, самая многочисленная, имеет клеточное строение. Среди этих организмов выделяют два типа организации клеток: прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные).

К прокариотическим (или доядерным) организмам относят бактерии и синезеленые водоросли. Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, находится в цитоплазме и не отграничен от нее оболочкой. Этот аналог ядра называют нуклеоидом.

Прокариотические клетки защищены клеточной стенкой (оболочкой), наружная часть которой образована гликопептидом - муреином. Внутренняя часть клеточной стенки представлена плазматической мембраной, выпячивания которой в цитоплазму образуют мезосомы, участвующие в построении клеточных перегородок, репродукции, и являются местом прикрепления ДНК. В цитоплазме органелл мало, но присутствуют многочисленные мелкие рибосомы.

Микротрубочки отсутствуют, движения цитоплазмы не происходит.

Многие бактерии имеют жгутики более простого строения, чем у эукариот.

Дыхание у бактерий осуществляется в мезосомах, у сине-зеленых водорослей в цитоплазматических мембранах. Хлоропластов и других клеточных органелл, окруженных мембраной, нет

Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эука-риотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хлоропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки.

По строению различные эукариотические клетки сходны. Но наряду со сходством между клетками организмов различных царств живой природы имеются заметные отличия. Они касаются как структурных, так и биохимических особенностей.

Для растительной клетки характерно наличие различных пластид, крупной центральной вакуоли, которая иногда отодвигает ядро к периферии, а также расположенной снаружи плазматической мембраны клеточной стенки, состоящей из целлюлозы. В клетках высших растений в клеточном центре отсутствует центриоль, встречающаяся только у водорослей. Резервным питательным углеводом в клетках растений является крахмал.

В клетках представителей царства грибов клеточная стенка обычно состоит из хитина - вещества, из которого построен наружный скелет членистоногих животных. Имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Запасным углеводом в клетках грибов является гликоген.

В клетках животных отсутствует плотная клеточная стенка, нет пластид. Нет в животной клетке и центральной вакуоли. Центриоль характерна для клеточного центра животных клеток. Резервным углеводом в клетках животных также является гликоген.

Замечание 1

Все известные одноклеточные и многоклеточные организмы делят на две группы – прокариоты и эукариоты.

Для животных клеток, клеток большинства видов растений и грибов характерны интерфазное ядро и типичные для всех клеток органоиды. Эти организмы называют ядерными, или эукариотами.

Другая, меньшая по численности группа организмов, и, наверное, по происхождению более древняя, называется прокариоты (доядерные) . Это бактерии и сине-зелёные водоросли (цианобактерии), у которых нет настоящего ядра и многих органоидов цитоплазмы.

Клетки прокариот

Клетки прокариотов имеют относительно простое строение. В прокариотической клетке нет настоящего ядра, ядрышка и хромосом. Вместо клеточного ядра есть его эквивалент – нуклеоид (подобное ядру образование), лишённый оболочки и состоящий из одной единственной кольцевой молекулы ДНК, связанной с очень небольшим количеством белка. Это скопление нуклеиновых кислот и белков, лежащих в цитоплазме, и не отделённых от неё мембраной.

Замечание 2

Именно этот признак является решающим при делении клеток на прокариотические (доядерные) и эукариотические (ядерные).

Прокариотические клетки не имеют внутренних мембран, кроме вмятин плазмолеммы. Это означает, что у них отсутствуют такие органеллы как митохондрии, эндоплазматическая сеть, хлоропласты, лизосомы и комплекс Гольджи, которые окружены мембраной и присутствуют в эукариотических клетках. Нет также вакуоль. Из органелл там есть лишь более мелкие, чем у клеток эукариот, рибосомы.

Клетки прокариот покрыты плотной клеточной стенкой и часто слизистой капсулой.

В состав клеточной стенки входит муреин . Его молекула состоит из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов.

Плазматическая мембрана может прогибаться внутрь цитоплазмы, образуя мезосомы . На мембранах мезосом расположены окислительно – восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих прокариот – ещё и соответствующие пигменты (бактериохлорофилл у бактерий, хлорофилл a и фикобилины у цианобактерий). Благодаря этому такие мембраны способны выполнять функции митохондрий, хлоропластов и других органелл. Бесполое размножение прокариот осуществляется простым делением клетки пополам.

Клетки эукариот

Все эукариотические клетки разделены на компартменты - реакционные пространства – многочисленными мембранами. В этих отсеках независимо друг от друга одновременно происходят различные химические реакции.

В клетке главные функции распределены между ядром и различными органеллами - митохондриями, рибосомами, комплексом Гольджи и пр. Ядро, пластиды и митохондрии отграничены от цитоплазмы двумембранной оболочкой. Ядро клетки содержит генетический материал. Хлоропласты растений в основном выполняют функцию улавливания солнечной энергии и превращают её на химическую энергию углеводов в процессе фотосинтеза, а митохондрии вырабатывают энергию расщепляя углеводы, жиры, белки и другие органические соединения.

К мембранным системам цитоплазмы клеток эукариот относятся эндоплазматическая сетка и комплекс Гольджи, необходимые для осуществления жизненных процессов клетки. Лизосомы, пероксисомы и вакуоли так же выполняют специфические функции.

Только хромосомы, рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты немембранного происхождения.

Делятся эукариотические клетки путём митоза.

Многообразие клеток

Согласно клеточной теории клетка является наименьшей структурно-функциональной единицей организмов, которой присущи все свойства живого. По количеству клеток организмы делят на одноклеточные и многоклеточные. Клетки одноклеточных организмов существуют как самостоятельные организмы и осуществляют все функции живого. Одноклеточными являются все прокариоты и целый ряд эукариот (многие виды водорослей, грибов и простейшие животные), которые поражают чрезвычайным разнообразием форм и размеров. Однако большинство организмов все же является многоклеточными. Их клетки специализируются на выполнении определенных функций и образуют ткани и органы, что не может не отражаться на морфологических особенностях. Например, организм человека образован примерно из 1014 клеток, представленных примерно 200 видами, имеющими самые разнообразные формы и размеры.

Форма клеток может быть округлой, цилиндрической, кубической, призматической, диско-видной, веретеновидной, звездчатой и др. (рис. 2.1). Так, яйцеклетки имеют округлую форму, клетки эпителия - цилиндрическую, кубическую и призматическую, форму двояковогнутого диска имеют эритроциты крови, веретеновидными являются клетки мышечной ткани, а звездчатую - клетки нервной ткани. Ряд клеток вообще не имеет постоянной формы. К ним относятся, прежде всего, лейкоциты крови.

Размеры клеток также существенно варьируют: большинство клеток многоклеточного организма имеют размеры от 10 до 100 мкм, а наименьшие - 2-4 мкм. Нижний предел обусловлен тем, что клетка должна иметь минимальный набор веществ и структур для обеспечения жизнедеятельности, а слишком большие размеры клетки будут препятствовать обмену веществ и энергии с окружающей средой, а также будут затруднять процессы поддержания гомеостаза. Тем не менее некоторые клетки можно рассмотреть невооруженным взглядом. Прежде всего к ним относятся клетки плодов арбуза и яблони, а также яйцеклетки рыб и птиц. Даже если один из линейных размеров клетки превышает средние показатели, все остальные соответствуют норме. Например, отросток нейрона может в длину превышать 1 м, но его диаметр все равно будет соответствовать среднему значению. Между размерами клеток и размерами тела не существует прямой зависимости. Так, клетки мышц слона и мыши имеют одинаковые размеры.

Прокариотические и эукариотические клетки

Как уже упоминалось выше, клетки имеют много сходных функциональных свойств и морфо­логических особенностей. Каждая из них состоит из цитоплазмы, погруженной в нее наслед­ственной информации, и отделена от внешней среды плазматической мембраной, или плазмалеммой, не препятствующей процессу обмена веществ и энергии. Снаружи от мембраны у клетки может быть еще клеточная стенка, состоящая из различных веществ, которая служит для защиты клетки и является своего рода ее внешним скелетом.

Цитоплазма представляет собой все содержимое клетки, заполняющее пространство между плазматической мембраной и структурой, содержащей наследственную информацию. Она состоит

из основного вещества - гиалоплазмы - и погруженных в нее органоидов и включений. Органоиды - это постоянные компонен­ты клетки, выполняющие определенные функции, а включения - возникающие и исчезающие в процессе жизни клетки компонен­ты, выполняющие в основном запасающую или выделительную функции. Часто включения делят на твердые и жидкие. Твердые включения представлены в основном гранулами и могут иметь раз­личную природу, тогда как в качестве жидких включений рассма­тривают вакуоли и капли жира (рис. 2.2).

В настоящее время различают два основных типа организации клеток: прокариотические и эукариотические .

Прокариотическая клетка не имеет ядра, ее наследственная ин­формация не отделена от цитоплазмы мембранами.

Область цитоплазмы, в которой хранится наследственная информация в прокариотической клетке, называют нуклеоидом. В цитоплазме прокариотических клеток встречается, главным об­разом, один вид органоидов - рибосомы, а окруженные мембранами органоиды отсутствуют во­все. Прокариотами являются бактерии.

Эукариотическая клетка - клетка, в которой хотя бы на одной из стадий развития имеется ядро - специальная структура, в которой находится ДНК.

Цитоплазма эукариотических клеток отличается значительным разнообразием органоидов. К эукариотическим организмам относят растения, животные и грибы.

Размеры прокариотических клеток, как правило, на порядок меньше, чем размеры эука­риотических. Большинство прокариот является одноклеточными организмами, а эукариоты - многоклеточными.

Сравнительная характеристика строения клеток растений, животных, бактерий и грибов

Кроме характерных для прокариот и эукариот особенностей, клетки растений, животных, грибов и бактерий обладают еще целым рядом особенностей. Так, клетки растений содержат спе­цифические органоиды - хлоропласты, которые обусловливают их способность к фотосинтезу, тогда как у остальных организмов эти органоиды не встречаются. Безусловно, это не означает, что другие организмы не способны к фотосинтезу, поскольку, например, у бактерий он протекает на впячиваниях плазмалеммы и отдельных мембранных пузырьках в цитоплазме.

Растительные клетки, как правило, содержат крупные вакуоли, наполненные клеточным со­ком. В клетках животных, грибов и бактерий они также встречаются, но имеют совершенно иное происхождение и выполняют другие функции. Основным запасным веществом, встречающимся в виде твердых включений, у растений является крахмал, у животных и грибов - гликоген, а у бактерий - волютин.

Еще одним отличительным признаком этих групп организмов является организация поверх­ностного аппарата: у клеток животных организмов клеточная стенка отсутствует, их плазматическая мембрана покрыта лишь тонким гликокаликсом, тогда как у всех остальных она есть. Это целиком объяснимо, поскольку способ питания животных связан с захватом пищевых частиц в процессе фагоцитоза, а наличие клеточной стенки лишило бы их данной возможности. Химиче­ская природа вещества, входящего в состав клеточной стенки, неодинакова у различных групп живых организмов: если у растений это целлюлоза, то у грибов - хитин, а у бактерий - муреин (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Сравнительная характеристика строения клеток растений, животных, грибов и бактерий

Отличия в строении клеток представителей разных царств живой природы приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Строение клеток бактерий (А), животных (Б), грибов (В) и растений (Г)

2.3. Химическая организация клетки. Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, АТФ), входящих в состав клетки. Обоснование родства организмов на основе анализа химического состава их клеток.

Химический состав клетки.

В составе живых организмов обнаружено большинство химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, открытых к настоящему времени. С одной стороны, в них не содержится ни одного элемента, которого не было бы в неживой природе, а с другой сторо­ны, их концентрации в телах неживой природы и живых организмах существенно различаются (табл. 2.2).

Эти химические элементы образуют неорганические и органические вещества. Несмотря на то что в живых организмах преобладают неорганические вещества (рис. 2.4), именно органические вещества определяют уникальность их химического состава и феномена жизни в целом, посколь­ку они синтезируются преимущественно организмами в процессе жизнедеятельности и играют в реакциях важнейшую роль.

Изучением химического состава организмов и химических реакций, протекающих в них, за­нимается наука биохимия.

Следует отметить, что содержание химических веществ в различных клетках и тканях может существенно различаться. Например, если в животных клетках среди органических соединений преобладают белки, то в клетках растений - углеводы.

Таблица 2.2

Макро- и микроэлементы

В живых организмах встречается около 80 химических элементов, однако только для 27 из этих элементов установлены их функции в клетке и организме. Остальные элементы присутству­ют в незначительных количествах, и, по-видимому, попадают в организм с пищей, водой и воз­духом. Содержание химических элементов в организме существенно различается (см. табл. 2.2). В зависимости от концентрации их делят на макроэлементы и микроэлементы.

Концентрация каждого из макроэлементов в организме превышает 0,01 %, а их суммарное содержание - 99 %. К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, серу, калий, кальций, натрий, хлор, магний и железо. Первые четыре из перечисленных элементов (кислород, углерод, водород и азот) называют также органогенными, поскольку они входят в со­став основных органических соединений. Фосфор и сера также являются компонентами ряда органических веществ, например белков и нуклеиновых кислот. Фосфор необходим для формиро­вания костей и зубов.

Без оставшихся макроэлементов невозможно нормальное функционирование организма. Так, калий, натрий и хлор участвуют в процессах возбуждения клеток. Калий также необходим для работы многих ферментов и удержания воды в клетке. Кальций входит в состав клеточных стенок растений, костей, зубов и раковин моллюсков и требуется для сокращения мышечных клеток, а также для внутриклеточного движения. Магний является компонентом хлорофилла - пигмен­та, обеспечивающего протекание фотосинтеза. Он также принимает участие в биосинтезе белка. Железо, помимо того, что оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород в крови, не­обходимо для протекания процессов дыхания и фотосинтеза, а также для функционирования многих ферментов.

Микроэлементы содержатся в организме в концентрациях менее 0,01 %, а их суммарная концентрация в клетке не достигает и 0,1%. К микроэлементам относятся цинк, медь, марганец, кобальт, йод, фтор и др. Цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы - ин­сулина, медь требуется для процессов фотосинтеза и дыхания. Кобальт является компонентом витамина В 12 , отсутствие которого приводит к анемии. Йод необходим для синтеза гормонов щи­товидной железы, обеспечивающих нормальное протекание обмена веществ, а фтор связан с фор­мированием эмали зубов.

Как недостаток, так и избыток или нарушение обмена макро- и микроэлементов приводят к развитию различных заболеваний. В частности, недостаток кальция и фосфора вызывает рахит, нехватка азота - тяжелую белковую недостаточность, дефицит железа - анемию, а отсутствие йода - нарушение образования гормонов щитовидной железы и снижение интенсивности обмена веществ. Уменьшение поступления фтора с водой и пищей в значительной степени обусловливает нарушение обновления эмали зубов и, как следствие, предрасположенность к кариесу. Свинец токсичен почти для всех организмов. Его избыток вызывает необратимые повреж­дения головного мозга и центральной нерв­ной системы, что проявляется потерей зрения и слуха, бессонницей, почечной недостаточ­ностью, судорогами, а также может привести к параличу и такому заболеванию, как рак. Острое отравление свинцом сопровождается внезапными галлюцинациями и заканчивает­ся комой и смертью.

Недостаток макро- и микроэлементов можно компенсировать путем увеличения их содержа­ния в пище и питьевой воде, а также за счет приема лекарственных препаратов. Так, йод содер­жится в морепродуктах и йодированной соли, кальций - в яичной скорлупе и т. п.