Клеточный уровень организации живого.

Цитология – наука о клетке.

 

История изучения клетки.

1590 г. – Янсен – первый микроскоп.

1665 г. – Р. Гук – микроскоп, «клетка» (клетки – пустоты, клеточные стенки – живое вещество).

1650-1700 г. – А. Ван Левенгук – микроскоп ×200, одноклеточные организмы, бактерии.

1831-1833 г – Р. Браун – ядро\1836 – г. Валентине - ядрышко

1838 – 1839 г. – М. Шлейден и Т. Шванн – клеточная теория, постулировавшая, что основной единицей структуры и функций живых организмов является клетка.

1840 г – Я. Пуркинье – протоплазма – живое содержимое клетки = цитоплазма + ядро; 1844 – Г. Моль – «протоплазма»

1855 г. – Р. Вирхов – клетка из клетки путем деления

1866 г. – Э. Геккель – хранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро

1875 – Э. Страсбургер – «органоиды»

1875 – О. Гертвиг - оплодотворение

1876 – Э. Ван Бенеден – клеточный центр в делящихся клетках

1880 г. – пластиды (хлоропласты)

1890 г – Р. Альтман - митохондрии

1898 г – аппарат Гольджи

1930 г – электронный микроскоп – ультраструктура клетки.

 

Методы цитологии

основной метод – микроскопия (световая и электронная)

для изучения хим.состава органоидов используют метод дифференциального центрифугирования

для определения пространственного расположения и физических свойств молекул, входящих в состав клеточных структур, используют метод рентгеноструктурного анализа

методы цитохимии и гистохимии, основанные на избирательном действии реактивов и красителей, позволяют изучить хим. состав и выяснить локализацию определенных хим. веществ в клетке.

методы кино- и фотосъемки позволяют изучить процессы жизнедеятельности (например, деление)

 

Единицы измерения:

1 мкм = 0.001 мм (в 1 мм 1000 мкм)

1 нм = 0.001 мкм = 0.000 001 мм (в 1 мм 1000 000 нм, в 1 мкм 1000 нм)

 

 

Основные положения клеточной теории (на современном этапе развития науки)

1. Клетка – элементарная единица живого, основа строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития.

2. Новые клетки возникают только путем деления исходной материнской клетки.

3. Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу, жизнедеятельности.

4. В многоклеточном организме клетки специализированы по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы.

5. Клеточное строение организмов – свидетельство единства происхождения живого.

 

Поверхностный аппарат клетки. Плазматическая мембрана.

Оболочки клеток осуществляют непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах). Оболочка также отграничивает клетку. Оболочка имеет сложное строение. Она состоит из нескольких слоев, выполняющих разные функции. У растений, бактерий и грибов на поверхности тела располагается плотная оболочка, называемая клеточной стенкой. У большинства растений она состоит из целлюлозы, у бактерий – муреин, у грибов – хитин. Клеточная стенка играет очень важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток; через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы органических веществ (функции: опора, защита, обеспечение тургора, передвижение веществ, могут быть дополнительные специализированные функции).

Наружный слой поверхности животных клеток в отличие от растительных клеток очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит из различных полисахаридов и белков. Называется этот слой гликокаликс. Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клетки животных не выполняет опорных функций. Образование гликокаликса, как и образование клеточной стенки растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток.

Под гликокаликсом и клеточной стенкой располагается плазматическая мембрана, обязательная для клеток животных и растений, она граничит непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.

Общепризнанной в настоящее время является жидкостно-мозаичная модель строения мембраны (1972г. Сингер и Николсон). В состав мембраны входят белки и фосфолипиды. Молекулы фосфолипидов располагаются в два ряда (бислой) – гидрофильными головками к внутренней и к внешней водной среде, а гидрофобными концами – внутрь. Молекулы белков и фосфолипидов удерживаются с помощью гидрофильно-гидрофобных взаимодействий. Белки, входящие в состав мембраны, не образуют сплошного слоя, они располагаются в слое липидов, погружаясь в него на разную глубину или находясь на поверхности. Интегральные белки пронизывают всю толщу мембраны, образуя поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Полуинтегральные белки пронизывают мембрану наполовину, с одной или другой стороны. Периферические белки располагаются на поверхности мембраны. Две стороны мембраны могут отличаться одна от другой и по составу, и по свойствам.

Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры: поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями, они способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны. Мембраны быстро восстанавливаются при повреждении, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях. Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеидов, липидов и, следовательно, по характеру имеющихся в них рецепторов. В связи с этим каждый тип клеток характеризуется индивидуальностью.

Функции плазматической мембраны:

- барьерная - отграничение содержимого клетки от внешней среды, защита от повреждений;

- барьерная - разделение внутренней среды на отсеки (компартментализация)

- рецепторная - рецепция (связывание) и проведение сигналов в клетку (гликопротеиды выполняют роль рецепторов гормонов)

- связующая - образование межклеточных контактов (щелевые, замок, десмосомы, синапсы)

- каталитическая (обеспечение примембранных химических процессов – белки мембраны)

- преобразование энергии

- транспортная – обмен веществ клетки с окружающей средой.

Подробнее остановимся на выполнении транспортной функции. Важнейшим свойством плазматической мембраны является избирательная проницаемость. Через мембрану постоянно проходят из окружающей среды одни вещества и выходят другие, при этом одни вещества проходят свободно, вторые – со значительными затратами энергии, третьи не проходят вообще. Например, через мембрану хорошо проходят липиды, а также мелкие незаряженные молекулы.

Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану.

Различают транспорт пассивный, который происходит по градиенту концентрации (из области с высокой концентрацией веществ область с низкой) и не требует затрат энергии, и транспорт активный, который происходит против градиента концентрации и сопряжен с потреблением энергии.

К пассивному транспорту можно отнести:

1. Диффузия – проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (О₂, СО₂, спирты). Диффузный транспорт осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры (ионы) либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ). Осмос – диффузия молекул воды через плазматическую мембрану. Вода через мембрану проходит свободно, т.к. молекулы воды мелкие и незаряженные (хоть и поляризованные), и постоянно. Если в окружающей среде концентрация солей выше, чем в клетке, то вода выходит из нее; если в окружающей среде резко понижается концентрация солей, то вода, наоборот, проникает в клетку (осмотический шок). Когда концентрации равны, то количество молекул воды, входящих и выходящих из клетки, примерно одинаково. Вспомним внутривенное введение лекарств, физ. раствор и проч.

2. Облегченная диффузия – специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации (глюкоза, аминокислоты, нуклеотиды); или по специализированным каналам пропускаются вещества особого вида (Na-каналы, К-каналы, Са-каналы, Cl-каналы)

К активному транспорту относят:

1. первично-активный транспорт, когда энергия затрачивается на перенос данного вещества против градиента концентрации (Na+K+-насос);

2. вторично-активный транспорт, когда энергия на перенос данного вещества используется за счет механизма переноса другого вещества (глюкоза за счет Na).

3. связанный с изменением архитектуры мембраны (макромолекулы и их комплексы). Здесь выделяют экзоцитоз – выделение клеткой продуктов или отходов жизнедеятельности, упакованных в вакуоли или пузырьки (ферменты, слизи, компоненты клеточных стенок, непереваренные остатки и т.п.); и эндоцитоз – поглощение клеткой веществ. Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз (поглощение крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкостей - плазматическая мембрана образует впячивание в виде тонкого канальца, в который поступает жидкость с растворенными в ней веществами, затем от канальца отпочковываются пузырьки).

Биологические мембраны как основные структурные элементы клетки отграничивают большинство ее органоидов. Они служат не просо физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органоидов осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.