Охарактеризуйте особливості основних елементів клітини. Клітинні структури та його функції. Плазматична мембрана клітини

Хімічний склад живих організмів

Хімічний склад живих організмів можна виразити у двох видах: атомний та молекулярний. Атомний (елементний) склад показує співвідношення атомів елементів, що входять до живих організмів. Молекулярний (речовий) склад відбиває співвідношення молекул речовин.

Хімічні елементи входять до складу клітин у вигляді іонів та молекул неорганічних та органічних речовин. Найважливіші неорганічні речовини в клітині - вода та мінеральні солі, найважливіші органічні речовини - вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти.

Вода – переважний компонент всіх живих організмів. Середній вміст води у клітинах більшості живих організмів становить близько 70%.

Мінеральні солі у водному розчині клітини дисоціюють на катіони та аніони. Найбільш важливі катіони - К+, Са2+, Mg2+, Na+, NHJ, аніони - Cl-, SO2-, HPO2-, H2PO-, НСО-, NO-.

Вуглеводи - органічні сполуки, які з однієї чи багатьох молекул простих цукрів. Вміст вуглеводів у тварин клітинах становить 1-5%, а деяких клітинах рослин досягає 70%.

Ліпіди - жири та жироподібні органічні сполуки, практично нерозчинні у воді. Їх вміст у різних клітинах сильно варіює: від 2-3 до 50-90% у клітинах насіння рослин та жирової тканини тварин.

Білки – це біологічні гетерополімери, мономерами яких є амінокислоти. У освіті білків бере участь лише 20 амінокислот. Вони називаються фундаментальними, чи основними. Деякі з амінокислот не синтезуються в організмах тварин та людини і повинні надходити з рослинною їжею (вони називаються незамінними).

Нуклеїнові кислоти. Існує два типи нуклеїнових кислот: ДНК та РНК. Нуклеїнові кислоти – полімери, мономерами яких служать нуклеотиди.

Будова клітини

Становлення клітинної теорії

• Роберт Гук у 1665 році виявив клітини у зрізі пробки та вперше застосував термін «клітина».
• Антоні ван Левенгук відкрив одноклітинні організми.
• Маттіас Шлейден в 1838 і Томас Шван в 1839 сформулювали основні положення клітинної теорії. Однак вони помилково вважали, що клітини виникають із первинної неклітинної речовини.
• Рудольф Вірхов 1858 року довів, що це клітини утворюються з інших клітин шляхом клітинного поділу.

Основні положення клітинної теорії

1. Клітина є структурною одиницею всього живого. Усі живі організми складаються з клітин (виняток становлять віруси).
2. Клітина є функціональною одиницею всього живого. Клітина виявляє весь комплекс життєвих функцій.
3. Клітина є одиницею розвитку всього живого. Нові клітини утворюються лише внаслідок поділу вихідної (материнської) клітини.
4. Клітина є генетичною одиницею всього живого. У хромосомах клітини міститься інформація розвитку всього організму.
5. Клітини всіх організмів подібні за хімічним складом, будовою та функціями.

Типи клітинної організації

Серед живих організмів лише віруси немає клітинного будови. Решта всіх організмів представлені клітинними формами життя. Розрізняють два типи клітинної організації: прокаріотичний та еукаріотичний. До прокаріотів належать бактерії, до еукаріотів - рослини, гриби та тварини.

Прокаріотичні клітини влаштовані порівняно легко. Вони не мають ядра, область розташування ДНК в цитоплазмі називається нуклеоїдом, єдина молекула ДНК кільцева і не пов'язана з білками, клітини менші за еукаріотичні, до складу клітинної стінки входить глікопептид — муреїн, мембранні органели відсутні, їх функції виконують вп'ячування плазм. мікротрубочки відсутні, тому цитоплазма нерухома, а вії та джгутики мають особливу структуру.

Еукаріотичні клітини мають ядро, в якому знаходяться хромосоми - лінійні молекули ДНК, пов'язані з білками, у цитоплазмі розташовані різні мембранні органели.

Рослинні клітини відрізняються наявністю товстої целюлозної клітинної стінки, пластид, великої центральної вакуолі, що зміщує ядро ​​до периферії. Клітинний центр вищих рослин не містить центріолі. Запасним вуглеводом є крохмаль.

Клітини грибів мають клітинну оболонку, що містить хітин, у цитоплазмі є центральна вакуоль, відсутні пластиди. Тільки в деяких грибів у клітинному центрі трапляється центріоль. Основним резервним вуглеводом є глікоген.

Тварини мають, як правило, тонку клітинну стінку, не містять пластид і центральної вакуолі, для клітинного центру характерна центріоль. Запасним вуглеводом є глікоген.

Будова еукаріотичної клітини

Типова еукаріотична клітина складається з трьох компонентів: оболонки, цитоплазми та ядра.

Клітинна оболонка

Зовні клітина оточена оболонкою, основу якої становить плазматична мембрана, або плазмалема, що має типову будову та товщину 7,5 нм.

Клітинна оболонка виконує важливі та дуже різноманітні функції: визначає та підтримує форму клітини; захищає клітину від механічних впливів проникнення біологічних агентів, що ушкоджують; здійснює рецепцію багатьох молекулярних сигналів (наприклад, гормонів); обмежує внутрішній вміст клітини; регулює обмін речовин між клітиною та навколишнім середовищем, забезпечуючи сталість внутрішньоклітинного складу; бере участь у формуванні міжклітинних контактів та різноманітних специфічних випинання цитоплазми (мікроворсинок, вій, джгутиків).

Вуглецевий компонент у мембрані тваринних клітин називається глікокаліксом.

Обмін речовин між клітиною та навколишнім середовищем відбувається постійно. Механізми транспорту речовин у клітину і з неї залежать від розмірів частинок, що транспортуються. Малі молекули та іони транспортуються клітиною безпосередньо через мембрану у формі активного та пасивного транспорту.

Залежно від виду та напрямки розрізняють ендоцитоз та екзоцитоз.

Поглинання та виділення твердих і великих частинок отримало відповідно назви фагоцитоз та зворотний фагоцитоз, рідких або розчинених частинок – піноцитоз та зворотний піноцитоз.

Цитоплазма

Цитоплазма являє собою внутрішній вміст клітини і складається з гіалоплазми і різноманітних внутрішньоклітинних структур, що знаходяться в ньому.

Гіалоплазма (матрикс) – це водний розчин неорганічних та органічних речовин, здатний змінювати свою в'язкість та перебувають у постійному русі. Здатність до руху або течії цитоплазми називають циклозом.

Матрікс – це активне середовище, в якому протікають багато фізичних та хімічних процесів і яке поєднує всі елементи клітини в єдину систему.

Цитоплазматичні структури клітини представлені включеннями та органоїдами. Включення – відносно непостійні, які у клітинах деяких типів у певні моменти життєдіяльності, наприклад, як запас поживних речовин (зерна крохмалю, білків, краплі глікогену) чи продуктів підлягають виділенню з клітини. Органоїди – постійні та обов'язкові компоненти більшості клітин, що мають специфічну структуру та виконують життєво важливу функцію.

До мембранних органоїдів еукаріотичної клітини відносять ендоплазматичну мережу, апарат Гольджі, мітохондрії, лізосоми, пластиди.

Ендоплазматична мережа. Вся внутрішня зона цитоплазми заповнена численними дрібними каналами і порожнинами, стінки яких являють собою мембрани, подібні до своєї структури з плазматичною мембраною. Ці канали розгалужуються, з'єднуються один з одним і утворюють мережу, що отримала назву ендоплазматичної мережі.

Ендоплазматична мережа неоднорідна за своєю будовою. Відомі два її типи — гранулярна та гладка. На мембранах каналів і порожнин гранулярної мережі розташовується безліч дрібних округлих тілець — рибосом, які надають мембранам шорсткого вигляду. Мембрани гладкої ендоплазматичної мережі не несуть рибосом своєї поверхні.

Ендоплазматична мережа виконує багато різноманітних функцій. Основна функція гранулярної ендоплазматичної мережі – участь у синтезі білка, що здійснюється у рибосомах.

На мембранах гладкої ендоплазматичної мережі відбувається синтез ліпідів та вуглеводів. Всі ці продукти синтезу накопичуються на каналах і порожнинах, а потім транспортуються до різних органоїдів клітини, де споживаються або накопичуються в цитоплазмі як клітинні включення. Ендоплазматична мережа пов'язує між собою основні органоїди клітини.

Апарат Гольджі

У багатьох клітинах тварин, наприклад, у нервових, він має форму складної мережі, розташованої навколо ядра. У клітинах рослин та найпростіших апарат Гольджі представлений окремими тільцями серповидної або паличкоподібної форми. Будова цього органоїду подібна до клітин рослинних і тварин організмів, незважаючи на різноманітність його форми.

До складу апарату Гольджі входять: порожнини, обмежені мембранами та розташовані групами (по 5-10); великі та дрібні бульбашки, розташовані на кінцях порожнин. Усі ці елементи становлять єдиний комплекс.

Апарат Гольджі виконує багато важливих функцій. По каналах ендоплазматичної мережі до нього транспортуються продукти синтетичної діяльності клітини – білки, вуглеводи та жири. Всі ці речовини спочатку накопичуються, а потім у вигляді великих і дрібних бульбашок надходять у цитоплазму і використовуються в самій клітині в процесі її життєдіяльності, або виводяться з неї і використовуються в організмі. Наприклад, у клітинах підшлункової залози ссавців синтезуються травні ферменти, які накопичуються у порожнинах органоїду. Потім утворюються бульбашки, наповнені ферментами. Вони виводяться з клітин у протоку підшлункової залози, звідки перетікають у порожнину кишечника. Ще одна важлива функція цього органоїду полягає в тому, що на його мембранах відбувається синтез жирів та вуглеводів (полісахаридів), які використовуються у клітині та які входять до складу мембран. Завдяки діяльності апарату Гольджі відбувається оновлення та зростання плазматичної мембрани.

Мітохондрії

У цитоплазмі більшості клітин тварин і рослин містяться дрібні тільця (0,2-7 мкм) - мітохондрії (грец. "Мітос" - нитка, "хондріон" - зерно, гранула).

Мітохондрії добре видно у світловий мікроскоп, за допомогою якого можна розглянути їх форму, розташування, порахувати кількість. Внутрішню будову мітохондрій вивчено за допомогою електронного мікроскопа. Оболонка мітохондрії складається з двох мембран – зовнішньої та внутрішньої. Зовнішня мембрана гладка, вона не утворює жодних складок та виростів. Внутрішня мембрана, навпаки, утворює численні складки, спрямовані в порожнину мітохондрії. Складки внутрішньої мембрани називають христами (лат. «криста» — гребінь, виріст). Їх може бути від декількох десятків до кількох сотень, причому особливо багато христів у мітохондріях клітин, що активно функціонують, наприклад м'язових.

Мітохондрії називають «силовими станціями» клітин», оскільки їх основна функція — синтез аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Ця кислота синтезується в мітохондріях клітин всіх організмів і є універсальним джерелом енергії, необхідним для здійснення процесів життєдіяльності клітини і цілого організму.

Нові мітохондрії утворюються розподілом вже існуючих у клітині мітохондрій.

Лізосоми

Є невеликими округлими тільцями. Від цитоплазми кожна лізосома відмежована мембраною. Усередині лізосоми знаходяться ферменти, що розщеплюють білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти.

До харчової частки, що надійшла в цитоплазму, підходять лізосоми, зливаються з нею, і утворюється одна травна вакуоль, усередині якої знаходиться харчова частка, оточена ферментами лізосом. Речовини, що утворилися в результаті перетравлення харчової частки, надходять до цитоплазми та використовуються клітиною.

Маючи здатність до активного перетравлення харчових речовин, лізосоми беруть участь у видаленні відмираючих у процесі життєдіяльності частин клітин, цілих клітин та органів. Утворення нових лізосом відбувається у клітині постійно. Ферменти, що містяться в лізосомах, як і всі інші білки синтезуються на рибосомах цитоплазми. Потім ці ферменти надходять каналами ендоплазматичної мережі до апарату Гольджі, в порожнинах якого формуються лізосоми. У такому вигляді лізосоми надходять до цитоплазми.

Пластиди

У цитоплазмі клітин всіх рослин знаходяться пластиди. У клітинах тварин пластиди відсутні. Розрізняють три основні типи пластид: зелені - хлоропласти; червоні, оранжеві та жовті - хромопласти; безбарвні - лейкопласти.

Обов'язковими більшості клітин є також органоїди, які мають мембранного будови. До них відносяться рибосоми, мікрофіламенти, мікротрубочки, клітинний центр.

Рибосоми. Рибосоми виявлено у клітинах усіх організмів. Це мікроскопічні тільця округлої форми діаметром 15-20 нм. Кожна рибосома складається з двох неоднакових за розмірами частинок, малої та великої.

В одній клітині міститься багато тисяч рибосом, вони розташовуються або на мембранах гранулярної ендоплазматичної мережі або вільно лежать в цитоплазмі. До складу рибосом входять білки та РНК. Функція рибосом – це синтез білка. Синтез білка - складний процес, який здійснюється не однією рибосомою, а цілою групою, що включає до кількох десятків об'єднаних рибосом. Таку групу рибосом називають полісомою. Синтезовані білки спочатку накопичуються в каналах та порожнинах ендоплазматичної мережі, а потім транспортуються до органоїдів та ділянок клітини, де вони споживаються. Ендоплазматична мережа та рибосоми, розташовані на її мембранах, є єдиним апаратом біосинтезу та транспортування білків.

Мікротрубочки та мікрофіламенти

Ниткоподібні структури, що складаються з різних скорочувальних білків і зумовлюють рухові функції клітини. Мікротрубочки мають вигляд порожнистих циліндрів, стінки яких складаються з білків – тубулінів. Мікрофіламенти є дуже тонкими, довгими, ниткоподібними структурами, що складаються з актину і міозину.

Мікротрубочки та мікрофіламенти пронизують всю цитоплазму клітини, формуючи її цитоскелет, зумовлюють циклоз, внутрішньоклітинні переміщення органел, розбіжність хромосом при розподілі ядерного матеріалу тощо.

Клітинний центр (центросома). У клітинах тварин поблизу ядра є органоїд, який називають клітинним центром. Основну частину клітинного центру становлять два маленькі тільця - центріолі, розташовані в невеликій ділянці ущільненої цитоплазми. Кожна центріоль має форму циліндра завдовжки до 1 мкм. Центріолі відіграють важливу роль при розподілі клітини; вони беруть участь у освіті веретена поділу.

У процесі еволюцій різні клітини пристосовувалися до проживання у різних умовах та виконання специфічних функцій. Це вимагало наявності у яких особливих органоїдах, які називають спеціалізованими на відміну розглянутих вище органоїдів загального призначення. До них відносять скорочувальні вакуолі найпростіших, міофібрили м'язового волокна, нейрофібрили та синаптичні бульбашки нервових клітин, мікроворсинки епітеліальних клітин, вії та джгутики деяких найпростіших.

Ядро

Ядро – найважливіший компонент еукаріотичних клітин. Більшість клітин мають одне ядро, але зустрічаються і багатоядерні клітини (у ряду найпростіших, у скелетних м'язах хребетних). Деякі високоспеціалізовані клітини втрачають ядра (еритроцити ссавців, наприклад).

Ядро, як правило, має кулясту або овальну форму, рідше може бути сегментованим або веретеноподібним. До складу ядра входять ядерна оболонка та каріоплазма, що містить хроматин (хромосоми) та ядерця.

Ядерна оболонка утворена двома мембранами (зовнішньої та внутрішньої) і містить численні пори, через які між ядром та цитоплазмою відбувається обмін різними речовинами.

Каріоплазма (нуклеоплазма) є желеподібним розчином, в якому знаходяться різноманітні білки, нуклеотиди, іони, а також хромосоми і ядерце.

Ядро - невелике округле тільце, що інтенсивно фарбується і виявляється в ядрах клітин, що не діляться. Функція ядерця – синтез рРНК і з'єднання їх із білками, тобто. збирання субчастинок рибосом.

Хроматин - глибки, що специфічно фарбуються деякими барвниками, гранули і нитчасті структури, утворені молекулами ДНК в комплексі з білками. Різні ділянки молекул ДНК у складі хроматину має різний ступінь спіралізації, тому відрізняються інтенсивністю забарвлення і характером генетичної активності. Хроматин являє собою форму існування генетичного матеріалу в клітинах, що не діляться і забезпечує можливість подвоєння та реалізації укладеної в ньому інформації. У процесі поділу клітин відбувається спіралізація ДНК та хроматинові структури утворюють хромосоми.

Хромосоми - щільні структури, що інтенсивно забарвлюються, які є одиницями морфологічної організації генетичного матеріалу і забезпечують його точне розподіл при розподілі клітини.

Число хромосом у клітинах кожного біологічного виду постійно. Зазвичай у ядрах клітин тіла (соматичних) хромосоми представлені парами, у статевих клітинах де вони парні. Одинарний набір хромосом у статевих клітинах називають гаплоїдним (n), набір хромосом у соматичних клітинах диплоїдним (2n). Хромосоми різних організмів відрізняються розмірами та формою.

Диплоїдний набір хромосом клітин конкретного виду живих організмів, що характеризується числом, величиною та формою хромосом, називають каріотипом. У хромосомному наборі соматичних клітин парні хромосоми називають гомологічними, хромосоми з різних пар - негомологічні. Гомологічні хромосоми однакові за розмірами, формою, складом (одна успадкована від материнського, інша – від батьківського організму). Хромосоми у складі каріотипу ділять також на аутосоми, або нестатеві хромосоми, однакові у особин чоловічого і жіночого, і гетерохромосоми, або статеві хромосоми, що беруть участь у визначенні статі та різняться у самців та самок. Каріотип людини представлений 46 хромосомами (23 пари): 44 аутосоми та 2 статеві хромосоми (у жіночої статі дві однакові X-хромосоми, у чоловічої – X- та Y-хромосоми).

Ядро здійснює зберігання та реалізацію генетичної інформації, управління процесом біосинтезу білка, а через білки – всіма іншими процесами життєдіяльності. Ядро бере участь у реплікації та розподілі спадкової інформації між дочірніми клітинами, а отже, і в регуляції клітинного поділу та процесів розвитку організму.

Клітина є основною елементарною одиницею всього живого, тому їй притаманні всі властивості живих організмів: високоупорядкована будова, отримання енергії ззовні та її використання для виконання роботи та підтримання упорядкованості, обмін речовин, активна реакція на подразнення, зростання, розвиток, розмноження, подвоєння та передача біологічної інформації нащадкам, регенерація (відновлення пошкоджених структур), адаптація до довкілля.

Німецький вчений Т. Шван в середині XIX століття створив клітинну теорію, основні положення якої свідчили про те, що всі тканини та органи складаються з клітин; клітини рослин та тварин принципово подібні між собою, всі вони виникають однаково; діяльність організмів – сума життєдіяльності окремих клітин. Великий вплив на подальший розвиток клітинної теорії і взагалі на вчення про клітину зробив великий німецький вчений Р. Вірхов. Він не тільки звів докупи всі численні розрізнені факти, але й переконливо показав, що клітини є постійною структурою і виникають тільки шляхом розмноження.

Клітинна теорія у сучасній інтерпретації включає у собі такі основні тези: клітина є універсальної елементарної одиницею живого; клітини всіх організмів принципово подібні за своєю будовою, функції та хімічним складом; клітини розмножуються лише шляхом поділу вихідної клітини; Багатоклітинні організми є складними клітинними ансамблями, що утворюють цілісні системи.

Завдяки сучасним методам дослідження було виявлено два основних типи клітин: більш складно організовані, високодиференційовані еукаріотичні клітини (рослини, тварини та деякі найпростіші, водорості, гриби та лишайники) та менш складно організовані прокаріотичні клітини (синьо-зелені водорості, актиноміцети, бактерії, спірохети, мікоплазми, рикетсії).

На відміну від прокаріотичної еукаріотичної клітини має ядро, обмежене подвійною ядерною мембраною, і велика кількість мембранних органел.

УВАГА!

Клітина є основною структурною та функціональною одиницею живих організмів, що здійснює зростання, розвиток, обмін речовин та енергії, що зберігає, переробляє та реалізує генетичну інформацію. З точки зору морфології клітина є складною системою біополімерів, відокремлену від зовнішнього середовища плазматичною мембраною (плазмолемою) і що складається з ядра і цитоплазми, в якій розташовуються органели і включення (гранули).

Які клітини бувають?

Клітини різноманітні за своєю формою, будовою, хімічним складом та характером обміну речовин.

Усі клітини гомологічні, тобто. мають низку загальних структурних ознак, яких залежить виконання основних функцій. Клітинам властива єдність будови, метаболізму (обміну речовин) та хімічного складу.

Разом про те різні клітини мають і специфічні структури. Це з виконанням ними спеціальних функцій.

Будова клітини

Ультрамікроскопічна будова клітини:

1 – цитолема (плазматична мембрана); 2 – піноцитозні бульбашки; 3 – центросома клітинний центр (цитоцентр); 4 – гіалоплазма; 5 – ендоплазматична мережа: а – мембрана зернистої мережі; б - рибосоми; 6 – зв'язок перинуклеарного простору з порожнинами ендоплазматичної мережі; 7 – ядро; 8 – ядерні пори; 9 – незерниста (гладка) ендоплазматична мережа; 10 - ядерце; 11 - внутрішній сітчастий апарат (комплекс Гольджі); 12 – секреторні вакуолі; 13 - мітохондрія; 14 - ліпосоми; 15 - три послідовні стадії фагоцитозу; 16 - зв'язок клітинної оболонки (цитолеми) з мембранами ендоплазматичної мережі.

Хімічний склад клітини

До складу клітини входить понад 100 хімічних елементів, на частку чотирьох з них припадає близько 98% маси, це органогени: кисень (65–75%), вуглець (15–18%), водень (8–10%) та азот (1) ,5-3,0%). Інші елементи поділяються на три групи: макроелементи – їх вміст в організмі перевищує 0,01%); мікроелементи (0,00001-0,01%) та ультрамікроелементи (менше 0,00001).

До макроелементів належать сірка, фосфор, хлор, калій, натрій, магній, кальцій.

До мікроелементів - залізо, цинк, мідь, йод, фтор, алюміній, мідь, марганець, кобальт та ін.

До ультрамікроелементів - селен, ванадій, кремній, нікель, літій, срібло та до. Незважаючи на дуже малий вміст, мікроелементи та ультрамікроелементи відіграють дуже важливу роль. Вони впливають, головним чином, обмін речовин. Без них неможлива нормальна життєдіяльність кожної клітини та організму як цілого.

Клітина складається з неорганічних та органічних речовин. Серед неорганічних є найбільша кількість води. Відносна кількість води у клітині становить від 70 до 80%. Вода - універсальний розчинник, у ній відбувається всі біохімічні реакції у клітині. За участю води здійснюється теплорегуляція. Речовини, що розчиняються у воді (солі, основи, кислоти, білки, вуглеводи, спирти та ін), називаються гідрофільними. Гідрофобні речовини (жири та жироподібні) не розчиняються у воді. Інші неорганічні речовини (солі, кислоти, основи, позитивні та негативні іони) становлять від 1,0 до 1,5%.

Серед органічних речовин переважають білки (10-20%), жири або ліпіди (1-5%), вуглеводи (0,2-2,0%), нуклеїнові кислоти (1-2%). Вміст низькомолекулярних речовин вбирається у 0,5%.

Молекула білка є полімером, який складається з великої кількості одиниць мономерів, що повторюються. Мономери білка амінокислоти (їх 20) з'єднані між собою пептидними зв'язками, утворюючи поліпептидний ланцюг (первинну структуру білка). Вона закручується в спіраль, утворюючи, своєю чергою, вторинну структуру білка. Завдяки певній просторовій орієнтації поліпептидного ланцюга виникає третинна структура білка, що визначає специфічність та біологічну активність молекули білка. Декілька третинних структур, об'єднуючись між собою, утворюють четвертинну структуру.

Білки виконують найважливіші функції. Ферменти - біологічні каталізатори, що збільшують швидкість хімічних реакцій у клітині сотні тисяч мільйони разів, є білками. Білки, входячи до складу всіх клітинних структур, виконують пластичну (будівельну) функцію. Рухи клітин також здійснюють білки. Вони забезпечують транспорт речовин у клітину, з клітини та всередині клітини. Важливою є захисна функція білків (антитіла). Білки є одним із джерел енергії. Вуглеводи поділяються на моносахариди та полісахариди. Останні побудовані з моносахаридів, що є, подібно до амінокислот, мономерами. Серед моносахаридів у клітині найбільш важливі глюкоза, фруктоза (містить шість атомів вуглецю) та пентоза (п'ять атомів вуглецю). Пентози входять до складу нуклеїнових кислот. Моносахариди добре розчиняються у воді. Полісахариди погано розчиняються у воді (у тваринних клітинах глікоген, у рослинних - крохмаль і целюлоза. Вуглеводи є джерелом енергії, складні вуглеводи, з'єднані з білками (глікопротеїди), жирами (гліколіпіди), беруть участь в утворенні клітинних поверхонь та взаємодіях клітин.

До ліпідів відносяться жири та жироподібні речовини. Молекули жирів побудовані з гліцерину та жирних кислот. До жироподібних речовин належать холестерин, деякі гормони, лецитин. Ліпіди, що є основним компонентом клітинних мембран, виконують цим будівельну функцію. Ліпіди – найважливіші джерела енергії. Так, якщо при повному окисненні 1 г білка або вуглеводів звільняється 17,6 кДж енергії, то при повному окисненні 1 г жиру – 38,9 кДж. Ліпіди здійснюють терморегуляцію, захищають органи (жирові капсули).

ДНК та РНК

Нуклеїнові кислоти є полімерними молекулами, утвореними нуклеотидами мономерами. Нуклеотид складається з пуринової або піримідинової основи, цукру (пентози) та залишку фосфорної кислоти. У всіх клітинах існує два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонулеїнова (ДНК) та рибонуклеїнова (РНК), які відрізняються за складом основ та цукрів.

Просторова структура нуклеїнових кислот:

(за Б. Албертсом і співавт., З ізм.). I - РНК; II – ДНК; стрічки - сахарофосфатні кістяки; A, C, G, T, U – азотисті основи, грати між ними – водневі зв'язки.

Молекула ДНК

Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених одна довкола іншої у вигляді подвійної спіралі. Азотисті основи обох ланцюгів з'єднані між собою комплементарно водневими зв'язками. Аденін з'єднується тільки з тиміном, а цитозин – з гуаніном (А – Т, Г – Ц). У ДНК записана генетична інформація, яка визначає специфічність білків, що синтезуються клітиною, тобто послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу. ДНК передає у спадок всі властивості клітини. ДНК міститься в ядрі та мітохондріях.

Молекула РНК

Молекула РНК утворена одним полінуклеотидним ланцюгом. У клітинах існує три типи РНК. Інформаційна, або месенджер РНК тРНК (від англ. Messenger – «посередник»), яка переносить інформацію про нуклеотидну послідовність ДНК у рибосоми (див. нижче). Транспортна РНК (тРНК), яка переносить амінокислоти рибосоми. Рибосомальна РНК (рРНК), яка бере участь у освіті рибосом. РНК міститься в ядрі, рибосомах, цитоплазмі, мітохондріях, хлоропластах.

Склад нуклеїнових кислот:

В основі практично всіх живих організмів лежить найпростіша одиниця – клітина. Фото цієї крихітної біосистеми, а також відповіді на найцікавіші питання ви зможете знайти у цій статті. Яка структура та розміри клітини? Які функції вона виконує в організмі?

Клітина – це...

Вченим невідомий певний час виникнення перших живих клітин на нашій планеті. В Австралії було знайдено їхні залишки віком 3,5 мільярда років. Проте точно встановити їхню біогенність так і не вдалося.

Клітина - це найпростіша одиниця у будові багатьох живих організмів. Винятком є ​​лише віруси та віроїди, які належать до неклітинних форм життя.

Клітина - це структура, яка здатна існувати автономно та самовідтворюватися. Її розміри можуть бути різними – від 0,1 до 100 мкм та більше. Однак варто відзначити, що незапліднені яйця пернатих теж можна вважати клітинами. Таким чином, найбільшою за розміром клітиною Землі вважатимуться страусине яйце. У діаметрі воно може сягати 15 сантиметрів.

Наука, що вивчає особливості життєдіяльності та структуру клітини організму, називається цитологією (або клітинною біологією).

Відкриття та дослідження клітини

Роберт Гук – англійський вчений, який відомий усім нам зі шкільного курсу фізики (саме він відкрив закон про деформацію пружних тіл, який був названий його ім'ям). Крім цього, саме він першим побачив живі клітини, розглядаючи через свій мікроскоп зрізи коркового дерева. Вони нагадали йому бджолині стільники, тож він назвав їхній cell, що в перекладі з англійської означає "осередок".

Клітинна структура рослин було підтверджено пізніше (наприкінці XVII століття) багатьма дослідниками. А ось на організми тварин клітинна теорія була поширена лише на початку ХІХ століття. Приблизно тоді вчені серйозно зацікавилися вмістом (структурою) клітин.

Детально розглянути клітину та її структуру дозволили потужні світлові мікроскопи. Вони й досі залишаються основним інструментом у дослідженні цих систем. А поява минулого століття електронних мікроскопів дала можливість біологам вивчати і ультраструктуру клітин. Серед методів їх дослідження також можна виділити біохімічні, аналітичні та препаративні. Також ви можете дізнатися, як виглядає жива клітка - фото наведено у статті.

Хімічна структура клітини

До складу клітини входить безліч різних речовин:

• органогени;
• макроелементи;
• мікро- та ультрамікроелементи;
• вода.

Близько 98% хімічного складу клітини становлять так звані органогени (вуглець, кисень, водень та азот), ще 2% – макроелементи (магній, залізо, кальцій та інші). Мікро- та ультрамікроелементи (цинк, марганець, уран, йод тощо) - не більше 0,01% усієї клітини.

Прокаріоти та еукаріоти: основні відмінності

Виходячи з особливостей структури клітини, всі живі організми на Землі поділяються на два надцарства:

• прокаріоти – більш примітивні організми, які сформувалися еволюційним шляхом;
• еукаріоти – організми, клітинне ядро ​​яких є повністю оформленим (організм людини також відноситься до еукаріотів).

Основні відмінності клітини еукаріотів від прокаріотів:

• більші розміри (10-100 мкм);
• спосіб поділу (мейоз або мітоз);
• тип рибосом (80S-рибосоми);
• тип джгутиків (у клітинах організмів еукаріотів джгутики складаються з мікротрубочок, які оточені мембраною).

Будова клітини еукаріоту

До структури еукаріотичної клітини входять такі органоїди:

• ядро;
• цитоплазма;
• апарат Гольджі;
• лізосоми;
• центріолі;
• мітохондрії;
• рибосоми;
• везикули.

Ядро – це головний структурний елемент клітини еукаріотів. Саме у ньому зберігається вся генетична інформація про конкретний організм (у молекулах ДНК).

Цитоплазма - особлива речовина, в якій міститься ядро ​​та всі інші органоїди. Завдяки спеціальній мережі мікротрубочок, вона забезпечує переміщення речовин усередині клітини.

Апарат Гольджі – це система плоских цистерн, у яких постійно дозрівають білки.

Лізосоми – маленькі тільця з одиночною мембраною, основна функція яких – розщеплювати окремі органоїди клітини.

Рибосоми – універсальні ультрамікроскопічні органоїди, призначенням яких є синтез білків.

Мітохондрії – це своєрідні "легкі" клітини, а також її головне джерело енергії.

Основні функції клітини

Клітина живого організму покликана виконувати кілька найважливіших функцій, які забезпечують життєдіяльність цього організму.

Найважливішою функцією клітини є обмін речовин. Так, саме вона розщеплює складні речовини, перетворюючи їх на прості, а також синтезує складніші сполуки.

Крім цього, всі клітини здатні реагувати на вплив зовнішніх подразнюючих факторів (температура, світло і таке інше). Більшість із них також мають здатність до регенерації (самовідновлення) за допомогою поділу.

Нервові клітини також можуть реагувати на зовнішні подразники шляхом утворення біоелектричних імпульсів.

Усі вищезгадані функції клітини забезпечують життєдіяльність організму.

Висновок

Отже, клітина – це найменша елементарна жива система, яка є основною одиницею у будові будь-якого організму (тварини, рослини, бактерії). У її будові виділяють ядро ​​та цитоплазму, в якій містяться всі органоїди (клітинні структури). Кожен із них виконує свої певні функції.

Розмір клітини коливається у межах - від 0,1 до 100 мікрометрів. Особливості будови та життєдіяльності клітин вивчає спеціальна наука – цитологія.

Запрошуємо Вас ознайомитись з матеріалами та .

Наявність пластид – головна особливість рослинної клітини.

Плазматична мембрана- тонка плівка, що складається з взаємодіючих молекул ліпідів та білків, відмежовує внутрішній вміст від зовнішнього середовища, забезпечує транспорт у клітину води, мінеральних та органічних речовин шляхом осмосу та активного перенесення, а також видаляє продукти життєдіяльності.

Цитоплазма- внутрішнє напіврідке середовище клітини, в якому розташоване ядро ​​та органоїди, забезпечує зв'язок між ними, бере участь в основних процесах життєдіяльності.

Ендоплазматична мережа- мережу розгалужених каналів у цитоплазмі. Вона бере участь у синтезі білків, ліпідів та вуглеводів, у транспорті речовин. Рибосоми – тільця, розташовані на ЕПС або в цитоплазмі, складаються з РНК та білка, беруть участь у синтезі білка. ЕПС та рибосоми - єдиний апарат синтезу та транспорту білків.

Мітохондрії– органоїди, відмежовані від цитоплазми двома мембранами. Вони окислюються органічні речовини і синтезуються молекули АТФ з участю ферментів. Збільшення поверхні внутрішньої мембрани, де розташовані ферменти з допомогою христ. АТФ - багата на енергію органічна речовина.

Пластиди(хлоропласти, лейкопласти, хромопласти), їх вміст у клітині – головна особливість рослинного організму. Хлоропласти - пластиди, що містять зелений пігмент хлорофіл, який поглинає енергію світла та використовує її на синтез органічних речовин із вуглекислого газу та води. Відмежування хлоропластів від цитоплазми двома мембранами, численні вирости – грани на внутрішній мембрані, в яких розташовані молекули хлорофілу та ферменти.

Комплекс Гольджі- Система порожнин, відмежованих від цитоплазми мембраною. Нагромадження в них білків, жирів та вуглеводів. Здійснення на мембранах синтезу жирів та вуглеводів.

Лізосоми- тільця, відмежовані від цитоплазми однією мембраною. Ферменти, що містяться в них, прискорюють реакцію розщеплення складних молекул до простих: білків до амінокислот, складних вуглеводів до простих, ліпідів до гліцерину і жирних кислот, а також руйнують відмерлі частини клітини, цілі клітини.

Вакуолі- Порожнини в цитоплазмі, заповнені клітинним соком, місце накопичення запасних поживних речовин, шкідливих речовин; вони регулюють вміст води у клітині.

Ядро- головна частина клітини, покрита зовні двох мембранною, пронизаною порами ядерною оболонкою. Речовини надходять у ядро ​​і віддаляються з нього через пори. Хромосоми – носії спадкової інформації про ознаки організму, основні структури ядра, кожна з яких складається з однієї молекули ДНК у поєднанні з білками. Ядро – місце синтезу ДНК, і-РНК, р-РНК.

Зовнішня, або плазматична мембрана- відмежовує вміст клітини від навколишнього середовища (інших клітин, міжклітинної речовини), складається з молекул ліпідів та білка, забезпечує зв'язок між клітинами, транспорт речовин у клітину (піноцитоз, фагоцитоз) та з клітини.

Цитоплазма- внутрішнє напіврідке середовище клітини, що забезпечує зв'язок між розташованими в ній ядром та органоїдами. У цитоплазмі протікають основні процеси життєдіяльності.

Органоїди клітини:

1) ендоплазматична мережа (ЕПС)- система розгалужених канальців, бере участь у синтезі білків, ліпідів і вуглеводів, у транспорті речовин у клітині;

2) рибосоми- тільця, що містять рРНК, розташовані на ЕПС та в цитоплазмі, беруть участь у синтезі білка. ЕПС та рибосоми - єдиний апарат синтезу та транспорту білка;

3) мітохондрії- "силові станції" клітини, відмежовані від цитоплазми двома мембранами. Внутрішня утворює кристи (складки), що збільшують її поверхню. Ферменти на кристалах прискорюють реакції окислення органічних речовин та синтезу молекул АТФ, багатих на енергію;

4) комплекс Гольджі- група порожнин, відмежованих мембраною від цитоплазми, заповнених білками, жирами та вуглеводами, які або використовуються у процесах життєдіяльності, або видаляються з клітини. На мембранах комплексу здійснюється синтез жирів та вуглеводів;

5) лізосоми- тільця, заповнені ферментами, прискорюють реакції розщеплення білків до амінокислот, ліпідів до гліцерину та жирних -. кислот, полісахаридів до моносахаридів. У лізосомах руйнуються відмерлі частини клітини, цілі та клітини.

Клітинні включення- накопичення запасних поживних речовин: білків, жирів та вуглеводів.

Ядро- Найважливіша частина клітини. Воно покрите двомембранною оболонкою з порами, через які одні речовини проникають у ядро, а інші надходять до цитоплазми. Хромосоми – основні структури ядра, носії спадкової інформації про ознаки організму. Вона передається у процесі поділу материнської клітини дочірнім клітинам, і з статевими клітинами - дочірнім організмам. Ядро – місце синтезу ДНК, іРНК, рРНК.

Завдання:

Поясніть, чому органоїди називають спеціалізованими структурами клітини?

Відповідь:органоїди називають спеціалізованими структурами клітини, оскільки вони виконують суворо певні функції, у ядрі зберігається спадкова інформація, у мітохондріях синтезується АТФ, у хлоропластах протікає фотосинтез тощо.

Якщо у Вас є питання щодо цитології, то Ви можете звернутися за допомогою до

Клітини, елементарна одиниця живого. Клітина відмежована від інших клітин або зовнішнього середовища спеціальною мембраною і має ядро ​​або його еквівалент, в якому зосереджена основна частина хімічної інформації, що контролює спадковість. Вивченням будови клітин займається цитологія, функціонуванням – фізіологія. Наука, що вивчає тканини, що складаються з клітин, називається гістологією.

Існують одноклітинні організми, тіло яких повністю складається з однієї клітини. До цієї групи належать бактерії та протисти (найпростіші тварини та одноклітинні водорості). Іноді їх називають безклітинними, але термін одноклітинні вживається частіше. Справжні багатоклітинні тварини (Metazoa) та рослини (Metaphyta) містять безліч клітин.

одноклітинний організм

Абсолютна більшість тканин складається з клітин, проте є деякі винятки. Тіло слизових речовин (міксоміцетів), наприклад, складається з однорідної, не розділеної на клітини субстанції з численними ядрами. Подібним чином організовані деякі тваринні тканини, зокрема серцевий м'яз. Вегетативне тіло (талом) грибів утворене мікроскопічними нитками – гіфами, нерідко сегментованими; кожна така нитка може вважатися еквівалентом клітини, хоч і нетипової форми.

Деякі структури тіла, що не беруть участь у метаболізмі, зокрема раковини, перлини або мінеральна основа кісток, утворені не клітинами, а продуктами їх секреції. Інші, наприклад, деревина, кора, роги, волосся і зовнішній шар шкіри, - не секреторного походження, а утворені з мертвих клітин.

Дрібні організми, такі, як коловратки, складаються лише з кількох сотень клітин. Для порівняння: у людському організмі налічується бл. 1014 клітин, у ньому кожну секунду гинуть і заміщаються новими 3 млн. еритроцитів, і це лише одна десятимільйонна частина загальної кількості клітин тіла.

Зазвичай розміри рослинних та тваринних клітин коливаються в межах від 5 до 20 мкм у поперечнику. Типова бактеріальна клітина значно менша – бл. 2 мкм, а найменша з відомих – 0,2 мкм.

Деякі вільноживучі клітини, наприклад, такі прості, як форамініфери, можуть досягати декількох сантиметрів; вони завжди мають багато ядер. Клітини тонких рослинних волокон досягають у довжину одного метра, а відростки нервових клітин досягають у великих тварин кількох метрів. За такої довжини об'єм цих клітин невеликий, а поверхня дуже велика.

Найбільші клітини - це незапліднені яйця птахів, заповнені жовтком. Найбільше яйце (і, отже, найбільша клітина) належало вимерлому величезному птаху - епіорнісу (Aepyornis). Імовірно, його жовток важив бл. 3,5кг. Найбільше яйце у ​​видів, що нині живуть, належить страусу, його жовток важить ок. Вага: 0,5 кг.

Як правило, клітини великих тварин і рослин лише трохи більше клітин дрібних організмів. Слон більше миші не тому, що його клітини більші, а в основному тому, що самих клітин значно більше. Існують групи тварин, наприклад коловратки та нематоди, у яких кількість клітин в організмі залишається постійною. Таким чином, хоча великі види нематод мають більшу кількість клітин, ніж дрібні, основна відмінність у розмірах обумовлено в цьому випадку все ж таки великими розмірами клітин.

У межах цього типу клітин їх розміри зазвичай залежить від плоидности, тобто. від наборів хромосом, присутніх у ядрі. Тетраплоїдні клітини (з чотирма наборами хромосом) у 2 рази більші за обсягом, ніж диплоїдні клітини (з подвійним набором хромосом). Плоїдність рослини можна збільшити шляхом введення в неї рослинного препарату колхіцину. Оскільки піддані такому впливу рослини мають більші клітини, вони й самі більші. Однак це явище можна спостерігати лише на поліплоїдах недавнього походження. У еволюційно давніх поліплоїдних рослин розміри клітин схильні до «зворотної регуляції» у бік нормальних величин незважаючи на збільшення числа хромосом.

Структура клітини.

У свій час клітина розглядалася як більш-менш гомогенна крапелька органічної речовини, яку називали протоплазмою або живою субстанцією. Цей термін застарів після того, як з'ясувалося, що клітина складається з безлічі чітко відокремлених структур, що отримали назву клітинних органел («маленьких органів»).

Хімічний склад. Зазвичай 70–80 % маси клітини становить вода, у якій розчинені різноманітні солі та низькомолекулярні органічні сполуки. Найбільш характерні компоненти клітини – білки та нуклеїнові кислоти. Деякі білки є структурними компонентами клітини, інші – ферментами, тобто. каталізаторами, що визначають швидкість і напрямок хімічних реакцій, що протікають у клітинах. Нуклеїнові кислоти є носіями спадкової інформації, що реалізується в процесі внутрішньоклітинного синтезу білків.

Часто клітини містять кілька запасних речовин, службовців харчовим резервом. Рослинні клітини переважно запасають крохмаль – полімерну форму вуглеводів. У клітинах печінки та м'язів запасається інший вуглеводний полімер – глікоген. До продуктів, що часто запасаються, відноситься також жир, хоча деякі жири виконують іншу функцію, а саме служать найважливішими структурними компонентами. Білки у клітинах (за винятком клітин насіння) зазвичай не запасаються.

Описати типовий склад клітини неможливо перш за все тому, що існують великі відмінності в кількості запасаються продуктів і води. У клітинах печінки міститься, наприклад, 70% води, 17% білків, 5% жирів, 2% вуглеводів та 0,1% нуклеїнових кислот; 6%, що залишилися, припадають на солі і низькомолекулярні органічні сполуки, зокрема амінокислоти. Рослинні клітини зазвичай містять менше білків, значно більше вуглеводів та трохи більше води; виняток становлять клітини, що у стані спокою. Клітка пшеничного зерна, що лежить в покої, є джерелом поживних речовин для зародка, містить ок. 12% білків (в основному це запасається білок), 2% жирів і 72% вуглеводів. Кількість води досягає нормального рівня (70-80%) лише на початку проростання зерна.

«ТИПОВА» ТВАРИНА КЛІТИНА – схематично зображені основні клітинні структури.

«ТИПОВА» РОСЛИННА КЛІТИНА – схематично зображені основні клітинні структури.

Деякі клітини, переважно рослинні і бактеріальні, мають зовнішню клітинну стінку. У вищих рослин вона складається із целюлози. Стінка оточує власне клітину, захищаючи її від механічних дій. Клітини, особливо бактеріальні, можуть секретувати слизові речовини, утворюючи тим самим навколо себе капсулу, яка, як і клітинна стінка, виконує захисну функцію.

Саме з руйнуванням клітинних стінок пов'язана загибель багатьох бактерій під дією пеніциліну. Справа в тому, що всередині бактеріальної клітини концентрація солей і низькомолекулярних сполук дуже висока, а тому відсутність зміцнюючої стінки викликаний осмотичним тиском приплив води в клітину може призвести до її розриву. Пеніцилін, що перешкоджає під час зростання клітини формуванню її стінки, якраз і призводить до розриву (лізису) клітини.

Клітинні стінки та капсули не беруть участь у метаболізмі, і часто їх вдається відокремити, не вбиваючи клітину. Отже, їх вважатимуться зовнішніми допоміжними частинами клітини. У клітин тварин клітинні стінки та капсули, як правило, відсутні.

Власне клітина складається із трьох основних частин. Під клітинною стінкою, якщо вона є, знаходиться клітинна мембрана. Мембрана оточує гетерогенний матеріал, який називається цитоплазмою. У цитоплазму занурене кругле чи овальне ядро. Нижче ми розглянемо докладніше структуру та функції цих частин клітини.

Клітинна мембрана

Клітинна мембрана дуже важлива частина клітини. Вона утримує разом всі клітинні компоненти та розмежовує внутрішнє та зовнішнє середовище. Крім того, модифіковані складки клітинної мембрани утворюють багато органелів клітини.

Клітинна мембрана є подвійний шар молекул (бімолекулярний шар, або бішар). В основному це молекули фосфоліпідів та інших близьких до них речовин. Ліпідні молекули мають подвійну природу, що виявляється в тому, як вони поводяться по відношенню до води. Голови молекул гідрофільні, тобто. мають спорідненість до води, які вуглеводневі хвости гидрофобны. Тому при змішуванні з водою ліпіди утворюють на її поверхні плівку, аналогічну плівці олії; при цьому всі молекули орієнтовані однаково: голови молекул – у воді, а вуглеводневі хвости – над її поверхнею.

У клітинній мембрані два таких шари, і у кожному їх голови молекул звернені назовні, а хвости – всередину мембрани, друг до друга, не стикаючись в такий спосіб з водою. Товщина такої мембрани прибл. 7 нм. Крім основних ліпідних компонентів, вона містить великі білкові молекули, які здатні «плавати» в ліпідному бішарі і розташовані так, що одна їхня сторона звернена всередину клітини, а інша стикається із зовнішнім середовищем. Деякі білки знаходяться тільки на зовнішній або лише на внутрішній поверхні мембрани або лише частково занурені в ліпідний бішар.

Основна функція клітинної мембрани полягає в регуляції перенесення речовин у клітину та з клітини. Оскільки мембрана фізично певною мірою схожа на масло, речовини, розчинні в маслі або органічних розчинниках, наприклад ефір, легко проходять крізь неї. Те саме стосується і таких газів, як кисень і діоксид вуглецю. У той самий час мембрана практично непроникна більшість водорозчинних речовин, зокрема цукрів і солей. Завдяки цим властивостям вона здатна підтримувати всередині клітини хімічне середовище, яке відрізняється від зовнішнього. Наприклад, у крові концентрація іонів натрію висока, а іонів калію – низька, тоді як у внутрішньоклітинній рідині ці іони присутні у зворотному співвідношенні. Аналогічна ситуація й у багатьох інших хімічних сполук.

Очевидно, що клітина проте не може бути повністю ізольована від навколишнього середовища, оскільки повинна отримувати речовини, необхідні для метаболізму, і позбавлятися його кінцевих продуктів. До того ж ліпідний бішар не є повністю непроникним навіть для водорозчинних речовин, а пронизують його т.зв. «каналоутворюючі» білки створюють пори, або канали, які можуть відкриватися та закриватися (залежно від зміни конформації білка) та у відкритому стані проводять певні іони (Na+, K+, Ca2+) за градієнтом концентрації. Отже, різниця концентрацій усередині клітини та зовні не може підтримуватись виключно за рахунок малої проникності мембрани. Насправді в ній є білки, що виконують функцію молекулярного «насоса»: вони транспортують деякі речовини як усередину клітини, так і з неї, працюючи проти концентрації градієнта. В результаті, коли концентрація, наприклад, амінокислот усередині клітини висока, а зовні низька, амінокислоти можуть надходити із зовнішнього середовища у внутрішню. Таке перенесення називається активним транспортом, і його витрачається енергія, поставляемая метаболізмом. Мембранні насоси високоспецифічні: кожен із них здатний транспортувати або тільки іони певного металу, або амінокислоту, або цукор. Специфічні також мембранні іонні канали.

Така виборча проникність фізіологічно дуже важлива, її відсутність – перше свідчення загибелі клітини. Це легко проілюструвати з прикладу буряків. Якщо живий корінь буряка занурити у холодну воду, він зберігає свій пігмент; якщо буряк кип'ятити, то клітини гинуть, стають легко проникними і втрачають пігмент, який і забарвлює воду в червоний колір.

Великі молекули типу білкових клітин може «заковтувати». Під впливом деяких білків, якщо вони присутні в рідині, що оточує клітину, у клітинній мембрані виникає вп'ячування, яке потім змикається, утворюючи бульбашку – невелику вакуоль, що містить воду та білкові молекули; після цього мембрана навколо вакуолі розривається, і вміст потрапляє усередину клітини. Такий процес називається піноцитозом (буквально «пиття клітини»), або ендоцитозом.

Більші частинки, наприклад частинки їжі, можуть поглинатися аналогічним чином під час т.зв. фагоцитозу. Як правило, вакуоля, що утворюється при фагоцитозі, більша, і їжа перетравлюється ферментами лізосом усередині вакуолі до розриву навколишньої мембрани. Такий тип харчування характерний для найпростіших, наприклад, для амеб, що поїдають бактерій. Проте здатність до фагоцитозу властива і клітин кишечника нижчих тварин, і фагоцитів - одному з видів білих кров'яних клітин (лейкоцитів) хребетних. В останньому випадку зміст цього процесу полягає не в харчуванні самих фагоцитів, а в руйнуванні ними бактерій, вірусів та іншого стороннього матеріалу, шкідливого для організму.

Функції вакуолей можуть бути іншими. Наприклад, найпростіші, що живуть у прісній воді, відчувають постійний осмотичний приплив води, оскільки концентрація солей усередині клітини набагато вища, ніж зовні. Вони здатні виділяти воду у спеціальну екскретуючу (скоротливу) вакуоль, яка періодично виштовхує свій вміст назовні.

У рослинних клітинах часто є одна велика центральна вакуоля, яка займає майже всю клітину; цитоплазма при цьому утворює лише дуже тонкий шар між клітинною стінкою та вакуоллю. Одна з функцій такої вакуолі – накопичення води, що дозволяє клітині швидко збільшуватись у розмірах. Ця здатність особливо необхідна в період, коли рослинні тканини ростуть та утворюють волокнисті структури.

У тканинах у місцях щільного з'єднання клітин їх мембрани містять численні пори, утворені білками, що пронизують мембрану – т.зв. коннексон. Пори прилеглих клітин розташовуються один проти одного, тому низькомолекулярні речовини можуть перегодити з клітини в клітину – ця хімічна система комунікації координує їхню життєдіяльність. Один із прикладів такої координації – спостерігається у багатьох тканинах більш менш синхронний поділ сусідніх клітин.

МОДЕЛЬ КЛІТИННОЇ МЕМБРАНИ, що демонструє положення білкових молекул щодо подвійного шару ліпідних молекул. Білки більшості клітин, розташовані на поверхні ліпідного бісла або занурені в нього, можуть дещо зміщуватися в бічному напрямку. У клітинній мембрані вищих організмів є також холестерин.

Цитоплазма

У цитоплазмі є внутрішні мембрани, подібні до зовнішньої і утворюють органели різного типу. Ці мембрани можна як складки зовнішньої мембрани; іноді внутрішні мембрани становлять єдине ціле із зовнішньою, але часто внутрішня складка відшнуровується, і контакт із зовнішньою мембраною переривається. Однак навіть у разі збереження контакту внутрішня та зовнішня мембрани не завжди хімічно ідентичні. Особливо відрізняється склад мембранних білків у різних клітинних органелах.

Ендоплазматичний ретикулум. Мережа внутрішніх мембран, що складається з канальців і бульбашок, тягнеться від поверхні клітини до ядра. Ця мережа називається ендоплазматичним ретикулумом. Часто наголошувалося, що канальці відкриваються на поверхні клітини, і ендоплазматичний ретикулум, таким чином, відіграє роль мікроциркуляторного апарату, через який зовнішнє середовище може безпосередньо взаємодіяти з усім вмістом клітини. Така взаємодія була виявлена ​​в деяких клітинах, зокрема в м'язових, але поки не зрозуміло, чи вона є універсальною. У всякому разі, транспорт ряду речовин цими канальцями з однієї частини клітини в іншу дійсно відбувається.

Крихітні тільця, які називаються рибосомами, покривають поверхню ендоплазматичного ретикулуму, особливо поблизу ядра. Діаметр рибосом прибл. 15 нм вони складаються наполовину з білків, наполовину з рибонуклеїнових кислот. Їхня основна функція – синтез білків; до їх поверхні прикріплюються матрична (інформаційна) РНК та амінокислоти, пов'язані з транспортними РНК. Ділянки ретикулуму, вкриті рибосомами, називають шорстким ендоплазматичним ретикулумом, а позбавлені їх гладким. Крім рибосом, на ендоплазматичному ретикулумі адсорбовані або іншим чином до нього приєднані різні ферменти, у тому числі системи ферментів, що забезпечують використання кисню для утворення стеролів та знешкодження деяких отрут. У несприятливих умовах ендоплазматичний ретикулум швидко дегенерує, і тому його стан є чутливим індикатором здоров'я клітини.

Апарат Гольджі. Апарат Гольджі (комплекс Гольджі) – це спеціалізована частина ендоплазматичного ретикулуму, що складається із зібраних у стоси плоских мембранних мішечків. Він бере участь у секреції клітиною білків (у ньому відбувається упаковка білків, що секретуються, в гранули) і тому особливо розвинений у клітинах, що виконують секреторну функцію. До важливих функцій апарату Гольджі належить також приєднання вуглеводних груп до білків та використання цих білків для побудови клітинної мембрани та мембрани лізосом. У деяких водоростей в апараті Гольдж здійснюється синтез волокон целюлози.

Лізосоми - це маленькі, оточені одинарною мембраною бульбашки. Вони відгалужуються від апарату Гольджі і, можливо, від ендоплазматичного ретикулуму. Лізосоми містять різноманітні ферменти, які розщеплюють великі молекули, зокрема білкові. Через свою руйнівну дію ці ферменти ніби «замкнені» в лізосомах і вивільняються тільки при необхідності. Так, при внутрішньоклітинному травленні ферменти виділяються з лізосом у травні вакуолі. Лізосоми бувають необхідні для руйнування клітин; наприклад, під час перетворення пуголовка на дорослу жабу вивільнення лізосомних ферментів забезпечує руйнування клітин хвоста. В даному випадку це нормально та корисно для організму, але іноді таке руйнування клітин носить патологічний характер. Наприклад, при вдиханні азбестового пилу вона може проникнути в клітини легень, і тоді відбувається розрив лізосом, руйнування клітин та розвивається легеневе захворювання.

Мітохондрії та хлоропласти. Мітохондрії – відносно великі мішковидні утворення з досить складною структурою. Вони складаються з матриксу, оточеного внутрішньою мембраною, міжмембранного простору та зовнішньої мембрани. Внутрішня мембрана складена складки, звані христами. На кристалах розміщуються скупчення білків. Багато хто з них – ферменти, що каталізують окислення продуктів розпаду вуглеводів; інші каталізують реакції синтезу та окислення жирів. Допоміжні ферменти, що у цих процесах, розчинені в матриксі мітохондрій.

У мітохондріях протікає окислення органічних речовин, пов'язане із синтезом аденозинтрифосфату (АТФ). Розпад АТФ з утворенням аденозиндифосфату (АДФ) супроводжується виділенням енергії, яка витрачається на різні процеси життєдіяльності, наприклад на синтез білків та нуклеїнових кислот, транспорт речовин усередину клітини та з неї, передачу нервових імпульсів або м'язове скорочення. Мітохондрії, таким чином, є енергетичними станціями, що переробляють «паливо» – жири та вуглеводи – у таку форму енергії, яка може бути використана клітиною, а отже, і організмом загалом.

Рослинні клітини теж містять мітохондрії, але основне джерело енергії для їх клітин – світло. Світлова енергія використовується цими клітинами для утворення АТФ та синтезу вуглеводів з діоксиду вуглецю та води.

Хлорофіл – пігмент, що акумулює світлову енергію, – знаходиться в хлоропластах. Хлоропласти, подібно до мітохондрій, мають внутрішню і зовнішню мембрани. З виростів внутрішньої мембрани у розвитку хлоропластів виникають т.зв. тилакоїдні мембрани; останні утворюють сплощені мішечки, зібрані в чарки на кшталт стовпчика монет; ці стоси, звані гранами, містять хлорофіл. Крім хлорофілу, в хлоропластах є й інші компоненти, необхідні фотосинтезу.

Деякі спеціалізовані хлоропласти не здійснюють фотосинтез, а несуть інші функції, наприклад, забезпечують запасання крохмалю або пігментів.

Відносна автономія. У деяких відносинах мітохондрії та хлоропласти поводяться як автономні організми. Наприклад, так само, як і самі клітини, які виникають тільки з клітин, мітохондрії та хлоропласти утворюються тільки з передіснуючих мітохондрій та хлоропластів. Це було продемонстровано у дослідах на рослинних клітинах, у яких утворення хлоропластів пригнічували антибіотиком стрептоміцином, та на клітинах дріжджів, де утворення мітохондрій пригнічували іншими препаратами. Після таких впливів клітини ніколи не відновлювали відсутні органели. Причина в тому, що мітохондрії та хлоропласти містять певну кількість власного генетичного матеріалу (ДНК), який кодує частину їхньої структури. Якщо ця ДНК втрачається, що відбувається при придушенні освіти органел, то структура може бути відтворена. Обидва типи органел мають свою власну білок-синтезуючу систему (рибосоми та транспортні РНК), яка дещо відрізняється від основної білок-синтезуючої системи клітини; відомо, наприклад, що білок-синтезуюча система органелл може бути пригнічена за допомогою антибіотиків, тоді як на основну систему вони не діють.

ДНК органел відповідальна за основну частину позахромосомної або цитоплазматичної спадковості. Позахромосомна спадковість не підпорядковується менделівським законам, оскільки при розподілі клітини ДНК органел передається дочірнім клітинам іншим шляхом, ніж хромосоми. Вивчення мутацій, що відбуваються в ДНК органел та ДНК хромосом, показало, що ДНК органел відповідає лише за малу частину структури органел; більшість їх білків закодовані в генах, розташованих у хромосомах.

Часткова генетична автономія розглянутих органел та особливості їх білок-синтезуючих систем послужили основою для припущення, що мітохондрії та хлоропласти походять від симбіотичних бактерій, які оселилися у клітинах 1–2 млрд. років тому. Сучасним прикладом такого симбіозу можуть служити дрібні фотосинтезуючі води, які живуть усередині клітин деяких коралів і молюсків. Водорості забезпечують своїх господарів киснем, а від них одержують поживні речовини.

Фібрилярні структури. Цитоплазма клітини є в'язкою рідиною, тому можна очікувати, що через поверхневе натягування клітина повинна мати сферичну форму, за винятком тих випадків, коли клітини щільно упаковані. Проте зазвичай цього немає. Багато найпростіших мають щільні покриви чи оболонки, які надають клітині певну, несферичну форму. Тим не менш, навіть без оболонки клітини можуть підтримувати несферичну форму через те, що цитоплазма структурується за допомогою численних, досить жорстких, паралельно розташованих волокон. Останні утворені порожніми мікротрубочками, які складаються з білкових одиниць, організованих у вигляді спіралі.

Деякі найпростіші утворюють псевдоподії – довгі тонкі цитоплазматичні вирости, якими захоплюють їжу. Псевдоподії зберігають свою форму завдяки жорсткості мікротрубочок. Якщо гідростатичний тиск зростає приблизно до 100 атмосфер, мікротрубочки розпадаються і клітина набуває форми краплі. Коли ж тиск повертається до норми, знову йде складання мікротрубочок і клітина утворює псевдоподію. Подібним чином на зміну тиску реагують і багато інших клітин, що піддає участь мікротрубочок у збереженні форми клітини. Складання та розпад мікротрубочок, необхідні для того, щоб клітина могла швидко змінювати форму, відбуваються і за відсутності змін тиску.

З мікротрубочок формуються також фібрилярні структури, які є органами руху клітини. У деяких клітин є бичевидные вирости, звані джгутиками, або ж вії - їх биття забезпечує рух клітини у воді. Якщо клітина нерухома, ці структури женуть воду, частинки їжі та інші частинки до клітини або клітини. Джгутики відносно великі, і зазвичай клітина має тільки один, зрідка кілька джгутиків. Вії набагато дрібніші і покривають всю поверхню клітини. Хоча ці структури властиві головним чином найпростішим, вони можуть бути і високоорганізованих форм. У людському організмі віями вистелені всі дихальні шляхи. Невеликі частинки, що потрапляють в них, зазвичай вловлюються слизом на клітинній поверхні, і вії просувають їх разом зі слизом назовні, захищаючи таким чином легені. Чоловічі статеві клітини більшості тварин та деяких нижчих рослин рухаються за допомогою джгутика.

Існують інші типи клітинного руху. Один із них – амебоїдний рух. Амеба, і навіть деякі клітини багатоклітинних організмів «перетікають» з місця на місце, тобто. рухаються за рахунок струму вмісту клітини. Постійний струм речовини існує і всередині рослинних клітин, проте він не спричиняє пересування клітини в цілому. Найбільш вивчений тип клітинного руху – скорочення м'язових клітин; воно здійснюється шляхом ковзання фібрил (білкових ниток) щодо один одного, що призводить до скорочення клітини.

Ядро

Ядро оточене подвійною мембраною. Дуже вузький (близько 40 нм) простір між двома мембранами називається перинуклеарним. Мембрани ядра переходять у мембрани ендоплазматичного ретикулуму, а перинуклеарний простір відкривається у ретикулярний. Зазвичай ядерна мембрана має дуже вузькі пори. Очевидно, через них здійснюється перенесення великих молекул, таких як інформаційна РНК, яка синтезується на ДНК, а потім надходить у цитоплазму.

Основна частина генетичного матеріалу знаходиться у хромосомах клітинного ядра. Хромосоми складаються з довгих ланцюгів двоспіральної ДНК, до якої прикріплюються основні (тобто володіють лужними властивостями) білки. Іноді в хромосомах є кілька ідентичних ланцюгів ДНК, що лежать поруч один з одним, – такі хромосоми називаються політенними (багатонитчастими). Число хромосом у різних видів неоднакове. Диплоїдні клітини тіла людини містять 46 хромосом, або 23 пари.

У клітині, що не ділиться, хромосоми прикріплені в одній або декількох точках до ядерної мембрани. У звичайному неспіралізованому стані хромосоми настільки тонкі, що не видно світловий мікроскоп. На певних локусах (дільницях) однієї чи кількох хромосом формується присутній у ядрах більшості клітин щільне тільце – т.зв. ядерце. У ядерцях відбувається синтез та накопичення РНК, що використовується для побудови рибосом, а також деяких інших типів РНК.

Розподіл клітини

Хоча всі клітини з'являються шляхом поділу попередньої клітини, не всі продовжують ділитися. Наприклад, нервові клітини мозку, одного разу виникнувши, не діляться. Їхня кількість поступово зменшується; пошкоджені тканини мозку не здатні відновлюватись шляхом регенерації. Якщо ж клітини продовжують ділитися, їм властивий клітинний цикл, що з двох основних стадій: інтерфази і мітозу.

Сама інтерфаза складається з трьох фаз: G1, S та G2. Нижче вказано їх тривалість, типова для рослинних та тваринних клітин.

G1 (4-8 год). Ця фаза починається відразу після народження клітини. Протягом фази G1 клітина, крім хромосом (які змінюються), збільшує свою масу. Якщо клітина надалі не ділиться, залишається в цій фазі.

S (6-9 год). Маса клітини продовжує збільшуватися і відбувається подвоєння (дуплікація) хромосомної ДНК. Проте хромосоми залишаються одинарними за структурою, хоч і подвоєними по масі, оскільки дві копії кожної хромосоми (хроматиди) все ще з'єднані один з одним по всій довжині.

G2. Маса клітини продовжує збільшуватися доти, доки вона приблизно вдвічі не перевищить початкову, а потім настає мітоз.

Мітоз

Після того, як хромосоми подвоїлися, кожна з дочірніх клітин має отримати повний набір хромосом. Просте розподіл клітини неспроможна цього забезпечити – такий результат досягається у вигляді процесу, званого мітозом. Якщо не вдаватися до деталей, то початком цього процесу слід вважати вибудовування хромосом в екваторіальній площині клітини. Потім кожна хромосома поздовжньо розщеплюється на дві хроматиди, які починають розходитися у протилежних напрямках, стаючи самостійними хромосомами. У результаті двох кінцях клітини розташовується по повному набору хромосом. Далі клітина поділяється на дві, і кожна дочірня клітина отримує повний набір хромосом.

Нижче наводиться опис мітозу у типовій тваринній клітині. Його прийнято розділяти на чотири стадії.

I. Профаза. Особлива клітинна структура – ​​центріоль – подвоюється (іноді це подвоєння відбувається в S-періоді інтерфази), і дві центріолі починають розходитися до протилежних полюсів ядра. Ядерна мембрана руйнується; одночасно спеціальні білки поєднуються (агрегують), формуючи мікротрубочки у вигляді ниток. Центріолі, розташовані тепер на протилежних полюсах клітини, організовують вплив на мікротрубочки, які в результаті вибудовуються радіально, утворюючи структуру, що нагадує на вигляд квітка айстри («зірка»). Інші нитки з мікротрубочок протягуються від однієї центріолі до іншої, утворюючи т.зв. веретено поділу. Саме тоді хромосоми перебувають у спіралізованому стані, нагадуючи пружину. Вони добре видно у світловому мікроскопі, особливо після фарбування. У профазі хромосоми розщеплюються, але хроматиди все ще залишаються попарно скріпленими в зоні центроміри - хромосомної органели, подібної за функціями з центріоллю. Центроміри теж організовують вплив на нитки веретена, які тепер тягнуться від центріолі до центроміру і від неї до іншої центріолі.

ІІ. Метафаза. Хромосоми, до цього моменту розташовані безладно, починають рухатися, ніби тягнуті нитками веретена, прикріпленими до їх центромірів, і поступово вишиковуються в одній площині в певному положенні і на рівній відстані від обох полюсів. Центроміри, що лежать в одній площині, разом з хромосомами утворюють т.зв. екваторіальну платівку. Центроміри, що з'єднують пари хроматид, діляться, після чого сестринські хромосоми повністю роз'єднуються.

ІІІ. Анафаза. Хромосоми кожної пари рухаються в протилежних напрямках до полюсів, їх тягнуть нитки веретена. При цьому утворюються нитки між центромірами парних хромосом.

IV. Телофаза. Як тільки хромосоми наближаються до протилежних полюсів, сама клітина починає ділитися вздовж площини, де знаходилася екваторіальна пластинка. У результаті утворюються дві клітини. Нитки веретена руйнуються, хромосоми розкручуються і стають невидимими, довкола них формується ядерна мембрана. Клітини повертаються у фазу G1 інтерфази. Весь процес мітозу займає близько години.

Деталі мітозу дещо варіюють у різних типах клітин. У типовій рослинній клітині утворюється веретено, але відсутні центріолі. У грибів мітоз відбувається усередині ядра, без попереднього розпаду ядерної мембрани.

Розподіл самої клітини, що називається цитокінезом, не має жорсткого зв'язку з мітозом. Іноді один або кілька мітозів проходять без клітинного поділу; в результаті утворюються багатоядерні клітини, що часто зустрічаються у водоростей. Якщо з яйцеклітини морського їжака видалити шляхом мікроманіпуляцій ядро, веретено після цього продовжує формуватися і яйцеклітина продовжує ділитися. Це показує, що наявність хромосом не є необхідною умовою поділу клітини.

Розмноження за допомогою мітозу називають безстатевим розмноженням, вегетативним розмноженням або клонуванням. Його найважливіший аспект – генетичний: за такого розмноження немає розбіжності спадкових чинників у потомства. Дочірні клітини, що утворюються, генетично в точності такі ж, як і материнська. Мітоз - це єдиний спосіб самовідтворення у видів, що не мають статевого розмноження, наприклад, у багатьох одноклітинних. Проте навіть у видів із статевим розмноженням клітини тіла діляться за допомогою мітозу і походять від однієї клітини – заплідненого яйця, а тому всі вони генетично ідентичні. Вищі рослини можуть розмножуватися безстатевим шляхом (за допомогою мітозу) саджанцями та вусами (відомий приклад – полуниця).

МІТОЗ, процес розподілу клітини, підрозділяється на чотири стадії. Між мітотичним поділом клітина знаходиться в стадії інтерфази.

Мейоз

Статеве розмноження організмів здійснюється за допомогою спеціалізованих клітин, т.зв. гамет, – яйцеклітини (яйця) та спермія (сперматозоїда). Гамети, зливаючись, утворюють одну клітину – зиготу. Кожна гамета гаплоїдна, тобто. має по одному набору хромосом. Усередині набору всі хромосоми різні, проте кожній хромосомі яйцеклітини відповідає одна з хромосом спермію. Зигота, таким чином, містить уже пару таких хромосом, що відповідають один одному, які називають гомологічними. Гомологічні хромосоми подібні, оскільки мають одні й самі гени чи його варіанти (алелі), що визначають специфічні ознаки. Наприклад, одна з парних хромосом може мати ген, що кодує групу крові А, а інша - його варіант, що кодує групу крові В. Хромосоми зиготи, що походять з яйцеклітини, є материнськими, а походять зі спермія - батьківськими.

В результаті багаторазових мітотичних поділів з зиготи, що утворилася, виникає або багатоклітинний організм, або численні вільноживучі клітини, як це відбувається у володіють статевим розмноженням найпростіших і в одноклітинних водоростей.

При утворенні гамет диплоїдний набір хромосом, що був у зиготи, повинен зменшитися наполовину (редукуватися). Якби цього не відбувалося, то в кожному поколінні злиття гамет призводило до подвоєння набору хромосом. p align="justify"> Редукція до гаплоїдного числа хромосом відбувається в результаті редукційного поділу - т.зв. мейозу, який є варіантом мітозу.

МЕЙОЗ забезпечує освіту чоловічих та жіночих гамет. Він властивий усім рослинам і тваринам, що розмножуються статевим шляхом.

Розщеплення та рекомбінація. Особливість мейозу полягає в тому, що при клітинному розподілі екваторіальну пластинку утворюють пари гомологічних хромосом, а не подвоєні індивідуальні хромосоми, як при мітозі. Парні хромосоми, кожна з яких залишилася одинарною, розходяться до протилежних полюсів клітини, ділиться клітина, і в результаті дочірні клітини отримують половинний, порівняно з зиготою, набір хромосом.

Наприклад припустимо, що гаплоїдний набір і двох хромосом. У зиготі (і відповідно у всіх клітинах організму, що продукує гамети) присутні материнські хромосоми А і В та батьківські А "і В". Під час мейозу вони можуть розділитися так:

Найбільш важливий у цьому прикладі те що, що з розбіжності хромосом не обов'язково утворюється вихідний материнський і батьківський набір, а можлива рекомбінація генів, як і гаметах АВ " і А " У наведеної схемі.

Тепер припустимо, що пара хромосом АА містить два алелі - a і b - гена, що визначає групи крові А і В. Подібним чином пара хромосом ВВ містить алелі m і n іншого гена, що визначає групи крові M і N. Поділ цих алелів може йти наступним чином:

Очевидно, що гамети, що виходять, можуть містити будь-яку з наступних комбінацій алелей двох генів: am, bn, bm або an.

Якщо є більша кількість хромосом, то пари алелів розщеплюватимуться незалежно за тим же принципом. Це означає, що одні й самі зиготи можуть продукувати гамети з різними комбінаціями алелів генів і давати початок різним генотипам у потомстві.

Мейотичний поділ. Обидва наведені приклади ілюструють принцип мейозу. Насправді мейоз – значно складніший процес, оскільки включає два послідовні поділки. Головне в мейозі те, що хромосоми подвоюються лише один раз, тоді як клітина ділиться двічі, внаслідок чого відбувається редукція числа хромосом і диплоїдний набір перетворюється на гаплоїдний.

Під час профази першого поділу гомологічні хромосоми кон'югують, тобто попарно зближуються. Внаслідок цього дуже точного процесу кожен ген виявляється навпроти свого гомолога на іншій хромосомі. Обидві хромосоми потім подвоюються, але хроматиди залишаються пов'язаними одна з одною загальною центромірою.

У метафазі чотири з'єднані хроматиди вишиковуються, утворюючи екваторіальну пластинку, ніби вони були однією подвоєною хромосомою. На противагу тому, що відбувається за мітозу, центроміри не діляться. У результаті кожна дочірня клітина отримує пару хроматид, все ще пов'язаних з цетромером. Під час другого поділу хромосоми, вже індивідуальні, знову вишиковуються, утворюючи, як і в мітозі, екваторіальну платівку, але їх подвоєння при цьому поділу не відбувається. Потім центроміри діляться і кожна дочірня клітина отримує одну хроматиду.

Розподіл цитоплазми. В результаті двох мейотичних поділів диплоїдної клітини утворюються чотири клітини. При освіті чоловічих статевих клітин виходить чотири спермія приблизно однакових розмірів. При утворенні яйцеклітин розподіл цитоплазми відбувається дуже нерівномірно: одна клітина залишається великою, тоді як інші три настільки малі, що їх майже повністю займає ядро. Ці дрібні клітини, т.зв. полярні тільця, служать лише розміщення надлишку хромосом, що утворилися в результаті мейозу. Основна частина цитоплазми, необхідної для зиготи, залишається в одній клітині – яйцеклітині.

Чергування поколінь

Примітивні клітини: прокаріоти

Все викладене вище відноситься до клітин рослин, тварин, найпростіших і одноклітинних водоростей, у сукупності, що називаються еукаріотами. Еукаріоти еволюціонували з простішої форми - прокаріотів, які в даний час представлені бактеріями, включаючи архебактерій і ціанобактерій (останніх раніше називали синьо-зеленими водоростями). У порівнянні з клітинами еукаріотів прокаріотичні клітини дрібніші і мають менше клітинних органел. Вони мають клітинна мембрана, але відсутня ендоплазматичний ретикулум, а рибосоми вільно плавають у цитоплазмі. Мітохондрії відсутні, але окислювальні ферменти зазвичай прикріплені до клітинної мембрани, яка таким чином стає еквівалентом мітохондрій. Прокаріоти позбавлені також хлоропластів, а хлорофіл, якщо він є, є у вигляді дуже дрібних гранул.

Прокаріоти не мають оточеного мембраною ядра, хоча місце розташування ДНК можна виявити за його оптичною густиною. Еквівалентом хромосоми служить ланцюжок ДНК, зазвичай кільцева, з набагато меншою кількістю прикріплених білків. Ланцюжок ДНК в одній точці прикріплюється до клітинної мембрани. Мітоз у прокаріотів відсутній. Його замінює наступний процес: ДНК подвоюється, після чого клітинна мембрана починає рости між сусідніми точками прикріплення двох копій молекули ДНК, які в результаті поступово розходяться. Зрештою клітина ділиться між точками прикріплення молекул ДНК, утворюючи дві клітини, кожна зі своєю копією ДНК.

Диференціювання клітини

Багатоклітинні рослини та тварини еволюціонували з одноклітинних організмів, клітини яких після поділу залишалися разом, утворюючи колонію. Спочатку всі клітини були ідентичними, але подальша еволюція породила диференціювання. У першу чергу диференціювалися соматичні клітини (тобто клітини тіла) та статеві клітини. Далі диференціювання ускладнювалося – виникало дедалі більше різних клітинних типів. Онтогенез – індивідуальний розвиток багатоклітинного організму – повторює загалом цей еволюційний процес (філогенез).

Фізіологічно клітини частково диференціюються за рахунок посилення тієї чи іншої особливості, загальної для всіх клітин. Наприклад, у м'язових клітинах посилюється скорочувальна функція, що може бути результатом удосконалення механізму, що здійснює амебоїдний або іншого типу рух менш спеціалізованих клітинах. Аналогічний приклад – тонкостінні клітини кореня зі своїми відростками, т.зв. кореневі волоски, які служать для всмоктування солей та води; тією чи іншою мірою ця функція властива будь-яким клітинам. Іноді спеціалізація пов'язана з придбанням нових структур та функцій – прикладом може бути розвиток локомоторного органу (джгутика) у сперматозоїдів.

Диференціювання на клітинному чи тканинному рівні вивчено досить докладно. Ми знаємо, наприклад, іноді вона протікає автономно, тобто. один тип клітини може перетворюватися на інший незалежно від того, до якого типу клітин відносяться сусідні. Проте часто спостерігається т.зв. ембріональна індукція – явище, у якому один тип тканини стимулює клітини іншого типу диференціюватися у заданому напрямі.

У випадку диференціювання незворотна, тобто. високодиференційовані клітини не можуть перетворюватися на клітини іншого типу. Проте це завжди так, особливо в рослинних клітин.

Відмінності у структурі та функціях зрештою визначаються тим, які типи білків синтезуються у клітині. Оскільки синтезом білків управляють гени, а набір генів у всіх клітинах тіла однаковий, диференціювання має залежати від активації чи інактивації тих чи інших генів у різних типах клітин. Регуляція активності генів відбувається лише на рівні транскрипції, тобто. утворення інформаційної РНК з використанням ДНК як матриці. Тільки транскрибовані гени виробляють білки. Синтезовані білки можуть блокувати транскрипцію, але іноді активують її. З іншого боку, оскільки білки є продуктами генів, одні гени можуть контролювати транскрипцію інших генів. У регуляції транскрипції беруть участь також гормони, зокрема стероїдні. Дуже активні гени можуть багаторазово дуплікуватися (подвоюватись) для виробництва більшої кількості інформаційної РНК.

Розвиток злоякісних утворень часто розглядалося як особливий випадок клітинного диференціювання. Однак поява злоякісних клітин є результатом зміни структури ДНК (мутації), а не процесів транскрипції та трансляції у білок нормальної ДНК.

Методи вивчення клітини

Світловий мікроскоп. У вивченні клітинної форми та структури першим інструментом був світловий мікроскоп. Його роздільна здатність обмежена розмірами, порівнянними з довжиною світлової хвилі (0,4-0,7 мкм для видимого світла). Однак багато елементів клітинної структури значно менші за розмірами.

Інша проблема полягає в тому, що більшість клітинних компонентів прозорі і коефіцієнт заломлення у них майже такий же, як у води. Для покращення видимості часто використовують барвники, що мають різну спорідненість до різних клітинних компонентів. Фарбування застосовують також вивчення хімії клітини. Наприклад, деякі барвники зв'язуються переважно з нуклеїновими кислотами і цим виявляють їх локалізацію в клітині. Невелика частина барвників – їх називають прижиттєвими – може бути використана для фарбування живих клітин, але зазвичай клітини мають бути попередньо зафіксовані (за допомогою речовин, що коагулюють білок) і тільки після цього можуть бути пофарбовані.

Перед проведенням дослідження клітини чи шматочки тканини зазвичай заливають у парафін чи пластик і потім ріжуть дуже тонкі зрізи з допомогою микротома. Такий метод широко використовується у клінічних лабораторіях для виявлення пухлинних клітин. Крім звичайної світлової мікроскопії, розроблені й інші оптичні методи вивчення клітини: флуоресцентна мікроскопія, фазово-контрастна мікроскопія, спектроскопія та рентгеноструктурний аналіз.

Електронний мікроскоп. Електронний мікроскоп має роздільну здатність прибл. 1-2 нм. Цього достатньо вивчення великих білкових молекул. Зазвичай необхідне фарбування та контрастування об'єкта солями металів чи металами. Тому, а також тому, що об'єкти досліджуються у вакуумі, за допомогою електронного мікроскопа можна вивчати тільки вбиті клітини.

Авторадіографія. Якщо додати радіоактивний ізотоп, що поглинається клітинами в процесі метаболізму, то його внутрішньоклітинну локалізацію можна потім виявити за допомогою авторадіографії. При використанні цього тонкі зрізи клітин поміщають на плівку. Плівка темніє під тими місцями, де є радіоактивні ізотопи.

Центрифугування. Для біохімічного вивчення клітинних компонентів клітини необхідно зруйнувати – механічно, хімічно чи ультразвуком. Вивільнені компоненти опиняються у рідині у зваженому стані і можуть бути виділені та очищені за допомогою центрифугування (найчастіше – у градієнті щільності). Зазвичай, такі очищені компоненти зберігають високу біохімічну активність.

Клітинні культури. Деякі тканини вдається розділити на окремі клітини так, що клітини залишаються живими і часто здатні до розмноження. Цей факт остаточно підтверджує уявлення про клітину як одиницю живого. Губку, примітивний багатоклітинний організм, можна поділити на клітини шляхом протирання крізь сито. Через деякий час ці клітини знову з'єднуються та утворюють губку. Ембріональні тканини тварин можна змусити дисоціювати за допомогою ферментів або іншими способами, що послаблюють зв'язок між клітинами.

Американський ембріолог Р.Гаррісон (1879-1959) першим показав, що ембріональні і навіть деякі зрілі клітини можуть рости і розмножуватися поза тілом у відповідному середовищі. Ця техніка, яка називається культивуванням клітин, була доведена до досконалості французьким біологом А.Каррелем (1873–1959). Рослинні клітини теж можна вирощувати в культурі, однак у порівнянні з тваринними клітинами вони утворюють великі скупчення і міцніше прикріплюються одна до одної, тому в процесі росту культури утворюються тканини, а не окремі клітини. У клітинній культурі з окремої клітини можна виростити цілу дорослу рослину, наприклад моркву.

Мікрохірургія. За допомогою мікроманіпулятора окремі частини клітини можна видаляти, додавати або якимось видозмінювати. Велику клітину амеби вдається розділити на три основні компоненти – клітинну мембрану, цитоплазму та ядро, а потім ці компоненти можна знову зібрати та отримати живу клітину. Таким шляхом можуть бути отримані штучні клітини, що складаються із компонентів різних видів амеб.

Якщо взяти до уваги, що деякі клітинні компоненти можна синтезувати штучно, то досліди зі складання штучних клітин можуть виявитися першим кроком на шляху до створення в лабораторних умовах нових форм життя. Оскільки кожен організм розвивається з однієї єдиної клітини, метод отримання штучних клітин у принципі дозволяє конструювати організми заданого типу, якщо при цьому використовувати компоненти, які дещо відрізняються від тих, які є у нині існуючих клітин. Насправді, однак, повного синтезу всіх клітинних компонентів не потрібно. Структура більшості, якщо не всіх компонентів клітини визначається нуклеїновими кислотами. Таким чином, проблема створення нових організмів зводиться до синтезу нових типів нуклеїнових кислот та заміни ними природних нуклеїнових кислот у певних клітинах.

Злиття клітин. Інший тип штучних клітин може бути отриманий в результаті злиття клітин одного або різних видів. Щоб домогтися злиття, клітини впливають на вірусні ферменти; при цьому зовнішні поверхні двох клітин склеюються разом, а мембрана між ними руйнується і утворюється клітина, в якій два набори хромосом укладені в одному ядрі. Можна злити клітини різних типів чи різних стадіях поділу. Використовуючи цей метод, вдалося отримати гібридні клітини миші та курча, людини та миші, людини та жаби. Такі клітини є гібридними лише спочатку, а після численних клітинних поділів втрачають більшість хромосом або одного або іншого виду. Кінцевий продукт стає, наприклад, по суті клітиною миші, де людські гени відсутні або є лише незначною кількістю. Особливий інтерес представляє злиття нормальних та злоякісних клітин. У деяких випадках гібриди стають злоякісними, інших немає, тобто. обидві властивості можуть виявлятися як домінантні, і як рецесивні. Цей результат є несподіваним, оскільки злоякісність може викликатися різними чинниками і має складний механізм.