Основната структурна единица на живия организъм е клетката, която е диференцирана част от цитоплазмата, заобиколена от клетъчна мембрана. Поради факта, че клетката изпълнява много важни функции, като възпроизводство, хранене, движение, мембраната трябва да бъде пластична и плътна.

История на откриването и изследването на клетъчната мембрана

През 1925 г. Грендел и Гордър провеждат успешен експеримент за идентифициране на „сенките“ на червените кръвни клетки или празни мембрани. Въпреки няколко сериозни грешки, учените откриха липидния двоен слой. Тяхната работа е продължена от Даниели, Доусън през 1935 г. и Робъртсън през 1960 г. В резултат на дългогодишна работа и натрупване на аргументи през 1972 г. Сингър и Никълсън създават флуидно-мозаечен модел на структурата на мембраната. По-нататъшни експерименти и проучвания потвърдиха работата на учените.

Значение

Какво е клетъчна мембрана? Тази дума започва да се използва преди повече от сто години; в превод от латински означава „филм“, „кожа“. Така се обозначава клетъчната граница, която е естествена бариера между вътрешното съдържание и външната среда. Структурата на клетъчната мембрана предполага полупропускливост, поради което влагата и хранителни веществаи продуктите от разлагането могат свободно да преминават през него. Тази обвивка може да се нарече основният структурен компонент на клетъчната организация.

Нека разгледаме основните функции на клетъчната мембрана

1. Разделя вътрешното съдържание на клетката и компонентите на външната среда.

2. Спомага за поддържането на постоянен химичен състав на клетката.

3. Регулира правилния метаболизъм.

4. Осигурява комуникация между клетките.

5. Разпознава сигнали.

6. Защитна функция.

"плазмена обвивка"

Външната клетъчна мембрана, наричана още плазмена мембрана, е ултрамикроскопичен филм, чиято дебелина варира от пет до седем наномилиметра. Състои се главно от протеинови съединения, фосфолиди и вода. Фолиото е еластично, лесно абсорбира вода и бързо възстановява целостта си след повреда.

Има универсална структура. Тази мембрана заема гранична позиция, участва в процеса на селективна пропускливост, отстраняване на продуктите на гниене и ги синтезира. Отношенията със съседите и надеждна защитавътрешното съдържание от увреждане го прави важен компонент в такъв въпрос като структурата на клетката. Клетъчната мембрана на животинските организми понякога е покрита най-тънкия слой- гликокаликс, който включва протеини и полизахариди. Растителните клетки извън мембраната са защитени от клетъчна стена, която служи като опора и поддържа формата. Основен компонент в състава му са фибри (целулоза) - полизахарид, който е неразтворим във вода.

По този начин външната клетъчна мембрана има функцията на възстановяване, защита и взаимодействие с други клетки.

Структура на клетъчната мембрана

Дебелината на тази подвижна обвивка варира от шест до десет наномилиметра. Клетъчната мембрана на клетката има специален състав, чиято основа е липиден двуслой. Хидрофобните опашки, инертни към водата, са разположени отвътре, докато хидрофилните глави, взаимодействащи с водата, са обърнати навън. Всеки липид е фосфолипид, който е резултат от взаимодействието на вещества като глицерол и сфингозин. Липидната рамка е тясно заобиколена от протеини, които са подредени в непрекъснат слой. Част от тях са потопени в липидния слой, останалите преминават през него. В резултат на това се образуват зони, пропускливи за вода. Функциите, изпълнявани от тези протеини, са различни. Някои от тях са ензими, останалите са транспортни протеини, които пренасят различни вещества от външната среда в цитоплазмата и обратно.

Клетъчната мембрана е проникната и тясно свързана с интегрални протеини, а връзката с периферните е по-слаба. Тези протеини изпълняват важна функция, която е да поддържат структурата на мембраната, да приемат и преобразуват сигнали от среда, транспорт на вещества, катализа на реакциите, протичащи върху мембраните.

Съединение

Основата на клетъчната мембрана е бимолекулен слой. Благодарение на своята непрекъснатост, клетката има бариерни и механични свойства. На различни етапи от живота този двуслой може да бъде нарушен. В резултат на това се образуват структурни дефекти на хидрофилни пори. В този случай абсолютно всички функции на такъв компонент като клетъчната мембрана могат да се променят. Ядрото може да страда от външни влияния.

Свойства

Клетъчната мембрана на клетката има интересни функции. Поради своята течливост тази мембрана не е твърда структура и по-голямата част от протеините и липидите, които я изграждат, се движат свободно по равнината на мембраната.

Като цяло клетъчната мембрана е асиметрична, така че съставът на протеиновия и липидния слой се различава. Плазмените мембрани в животинските клетки със собствени навънимат гликопротеинов слой, който изпълнява рецепторни и сигнални функции, а също така играе основна роля в процеса на комбиниране на клетки в тъкан. Клетъчната мембрана е полярна, тоест зарядът отвън е положителен, а зарядът отвътре е отрицателен. В допълнение към всичко по-горе, клетъчната мембрана има селективно прозрение.

Това означава, че освен вода, в клетката се допускат само определена група молекули и йони от разтворени вещества. Концентрацията на вещество като натрий в повечето клетки е много по-ниска, отколкото в външна среда. Калиевите йони имат различно съотношение: тяхното количество в клетката е много по-високо, отколкото в околната среда. В тази връзка натриевите йони са склонни да проникнат през клетъчната мембрана, а калиевите йони са склонни да се освобождават навън. При тези обстоятелства мембраната активира специална система, която играе „изпомпваща“ роля, изравнявайки концентрацията на веществата: натриевите йони се изпомпват към повърхността на клетката, а калиевите йони се изпомпват вътре. Тази функцияучаства в най-важните функции на клетъчната мембрана.

Тази тенденция на натриевите и калиевите йони да се движат навътре от повърхността играе голяма роля в транспортирането на захар и аминокиселини в клетката. В процеса на активно отстраняване на натриевите йони от клетката, мембраната създава условия за нови постъпления на глюкоза и аминокиселини вътре. Напротив, в процеса на прехвърляне на калиеви йони в клетката, броят на „преносителите“ на разпадните продукти от вътрешността на клетката към външната среда се попълва.

Как става клетъчното хранене през клетъчната мембрана?

Много клетки поемат вещества чрез процеси като фагоцитоза и пиноцитоза. При първия вариант гъвкава външна мембрана създава малка вдлъбнатина, в която се озовава уловената частица. След това диаметърът на вдлъбнатината става по-голям, докато затворената частица навлезе в клетъчната цитоплазма. Чрез фагоцитозата се хранят някои протозои, като амебите, както и кръвни клетки - левкоцити и фагоцити. По същия начин клетките абсорбират течност, която съдържа необходимото полезни вещества. Това явление се нарича пиноцитоза.

Външна мембранатясно свързан с ендоплазмения ретикулум на клетката.

Много видове основни тъканни компоненти имат издатини, гънки и микровили на повърхността на мембраната. Растителните клетки от външната страна на тази черупка са покрити с друга, дебела и ясно видима под микроскоп. Влакното, от което са направени, помага за формирането на опора за растителни тъкани, като например дърво. Животинските клетки също имат редица външни структури, които се намират върху клетъчната мембрана. Те имат изключително защитен характер, пример за това е хитинът, съдържащ се в покривните клетки на насекомите.

В допълнение към клетъчната мембрана има вътреклетъчна мембрана. Неговата функция е да разделя клетката на няколко специализирани затворени отделения – отделения или органели, където трябва да се поддържа определена среда.

По този начин е невъзможно да се надценява ролята на такъв компонент на основната единица на живия организъм като клетъчната мембрана. Структурата и функциите предполагат значително разширение обща площклетъчна повърхност, подобряване на метаболитните процеси. Тази молекулярна структура се състои от протеини и липиди. Отделяйки клетката от външната среда, мембраната осигурява нейната цялост. С негова помощ междуклетъчните връзки се поддържат на доста силно ниво, образувайки тъкани. В тази връзка можем да заключим, че клетъчната мембрана играе една от най-важните роли в клетката. Устройството и изпълняваните от него функции са коренно различни при различни клетки, в зависимост от предназначението им. Чрез тези характеристики се постига разнообразие от физиологични дейности на клетъчните мембрани и тяхната роля в съществуването на клетките и тъканите.

Биологични мембрани.
Терминът "мембрана" (лат. membrana - кожа, филм) започва да се използва преди повече от 100 години за обозначаване на клетъчна граница, която служи, от една страна, като бариера между съдържанието на клетката и външната среда, и от друга, като полупропусклива преграда, през която може да преминава вода и някои вещества. Функциите на мембраната обаче не се ограничават до това,тъй като биологичните мембрани формират основата на структурната организация на клетката.
Структура на мембраната. Според този модел основната мембрана е двуслоен липиден слой, в който хидрофобните опашки на молекулите са обърнати навътре, а хидрофилните глави са обърнати навън. Липидите са представени от фосфолипиди - производни на глицерол или сфингозин. Протеините са свързани с липидния слой. Интегралните (трансмембранни) протеини проникват през мембраната и са здраво свързани с нея; периферните не проникват и са по-слабо свързани с мембраната. Функции на мембранните протеини: поддържане на структурата на мембраната, приемане и преобразуване на сигнали от околната среда. среда, транспорт на определени вещества, катализа на реакциите, протичащи върху мембраните. Дебелината на мембраната варира от 6 до 10 nm.

Свойства на мембраната:
1. Течливост. Мембраната не е твърда структура; повечето от нейните съставни протеини и липиди могат да се движат в равнината на мембраната.
2. Асиметрия. Съставът на външния и вътрешния слой както на протеините, така и на липидите е различен. В допълнение, плазмените мембрани на животинските клетки имат слой от гликопротеини отвън (гликокаликс, който изпълнява сигнални и рецепторни функции и също е важен за обединяването на клетките в тъканите)
3. Полярност. Външната страна на мембраната носи положителен заряд, а вътрешният е отрицателен.
4. Селективна пропускливост. Мембраните на живите клетки, в допълнение към водата, пропускат само определени молекули и йони на разтворени вещества (Използването на термина "полупропускливост" по отношение на клетъчните мембрани не е напълно правилно, тъй като това понятие предполага, че. мембраната пропуска само молекулите на разтворителя, като същевременно задържа всички молекули и йони на разтворените вещества.)

Външната клетъчна мембрана (плазмалема) е ултрамикроскопичен филм с дебелина 7,5 nm, състоящ се от протеини, фосфолипиди и вода. Еластичен филм, който се намокря добре от вода и бързо възстановява целостта си след повреда. Има универсална структура, характерна за всички биологични мембрани. Граничното положение на тази мембрана, нейното участие в процесите на селективна пропускливост, пиноцитоза, фагоцитоза, екскреция на екскреторни продукти и синтез, във взаимодействие със съседните клетки и защита на клетката от увреждане прави нейната роля изключително важна. Животинските клетки извън мембраната понякога са покрити с тънък слой, състоящ се от полизахариди и протеини - гликокаликс. В растителните клетки извън клетъчната мембрана има здрава клетъчна стена, която създава външна опора и поддържа формата на клетката. Състои се от фибри (целулоза), водонеразтворим полизахарид.

Клетъчни мембрани

Структурната организация на клетката се основава на мембранния принцип на структурата, тоест клетката е изградена главно от мембрани. Всички биологични мембрани имат общо структурни особеностии имоти.

Понастоящем течно-мозаечният модел на структурата на мембраната е общоприет.

Мембраната се основава на липиден бислой, образуван главно фосфолипиди. Липидите представляват средно ≈40% от химичния състав на мембраната. В двоен слой опашките на молекулите в мембраната са обърнати една към друга, а полярните глави са обърнати навън, така че повърхността на мембраната е хидрофилна. Липидите определят основните свойства на мембраните.

В допълнение към липидите, мембраната съдържа протеини (средно ≈60%). Те определят повечето от специфичните функции на мембраната. Протеиновите молекули не образуват непрекъснат слой (фиг. 280). В зависимост от местоположението в мембраната има:

© периферни протеини- протеини, разположени на външната или вътрешна повърхностлипиден двоен слой;

© полуинтегрални протеини- протеини, потопени в липидния бислой на различна дълбочина;

© интегрална, или трансмембранни протеини -протеини, които проникват през мембраната, контактувайки както с външната, така и с вътрешната среда на клетката.

Мембранните протеини могат да изпълняват различни функции:

© транспорт на определени молекули;

© катализа на реакциите, протичащи върху мембраните;

© поддържане на структурата на мембраната;

© приемане и преобразуване на сигнали от околната среда.

Мембраната може да съдържа от 2 до 10% въглехидрати. Въглехидратният компонент на мембраните обикновено е представен от олигозахаридни или полизахаридни вериги, свързани с протеинови молекули (гликопротеини) или липиди (гликолипиди). Въглехидратите се намират основно върху външна повърхностмембрани. Функциите на въглехидратите в клетъчната мембрана не са напълно изяснени, но можем да кажем, че те осигуряват рецепторните функции на мембраната.

В животинските клетки гликопротеините образуват надмембранен комплекс - гликокаликс, с дебелина от няколко десетки нанометра. В него се извършва извънклетъчно храносмилане, намират се много клетъчни рецептори и очевидно с негова помощ се осъществява клетъчната адхезия.

Молекулите на протеините и липидите са подвижни и могат да се движат , предимно в равнината на мембраната. Мембраните са асиметрични , това означава, че липидният и протеиновият състав на външната и вътрешната повърхност на мембраната е различен.

Дебелината на плазмената мембрана е средно 7,5 nm.

Една от основните функции на мембраната е транспортната, осигуряваща обмена на вещества между клетката и външната среда. Мембраните имат свойството на селективна пропускливост, тоест те са добре пропускливи за някои вещества или молекули и слабо пропускливи (или напълно непроницаеми) за други. Пропускливостта на мембраните за различни вещества зависи от свойствата на техните молекули (полярност, размер и т.н.) и от характеристиките на мембраните (вътрешната част на липидния слой е хидрофобна).

Съществуват различни механизми за транспортиране на веществата през мембраната (фиг. 281). В зависимост от необходимостта от използване на енергия за транспортиране на вещества има:

© пасивен транспорт- транспорт на вещества без разход на енергия;

© активен транспорт- транспорт, който изисква консумация на енергия.

Пасивният транспорт се основава на разликата в концентрациите и зарядите. При пасивния транспорт веществата винаги се движат от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация, тоест по градиент на концентрация. Ако молекулата е заредена, тогава нейният транспорт също се влияе от електрическия градиент. Затова хората често говорят за електрохимичен градиент, комбинирайки двата градиента заедно. Скоростта на транспортиране зависи от големината на наклона.

Има три основни механизма на пасивен транспорт:

© Проста дифузия- транспорт на вещества директно през липидния бислой. През него лесно преминават газове, неполярни или малки незаредени полярни молекули. Колкото по-малка е молекулата и по-мастноразтворима е, толкова по-бързо прониква през мембраната. Интересното е, че водата, въпреки че е сравнително неразтворима в мазнини, прониква много бързо през липидния двоен слой. Това се обяснява с факта, че неговата молекула е малка и електрически неутрална. Дифузията на водата през мембраните се нарича чрез осмоза.

© Улеснена дифузия- транспорт на вещества с помощта на спец

транспортни протеини, всеки от които е отговорен за транспорта на специфични молекули или групи от свързани молекули. Те взаимодействат с молекулата на транспортираното вещество и по някакъв начин го придвижват през мембраната. По този начин захарите, аминокиселините, нуклеотидите и много други полярни молекули се транспортират в клетката.

Необходимостта от активен транспорт възниква, когато е необходимо да се осигури транспортирането на молекули през мембраната срещу електрохимичен градиент. Този транспорт се осъществява от протеини-носители, чиято дейност изисква енергия. Източникът на енергия са молекулите на АТФ.

Една от най-изследваните активни транспортни системи е натриево-калиевата помпа. Концентрацията на К вътре в клетката е много по-висока, отколкото извън нея, а на Na – обратното. Следователно K дифундира пасивно извън клетката през водните пори на мембраната, а Na в клетката. В същото време за нормалното функциониране на клетката е важно да се поддържа определено съотношение на K и Na йони в цитоплазмата и във външната среда. Това е възможно, тъй като мембраната, благодарение на наличието на (Na + K) помпа, активно изпомпва Na извън клетката и K в клетката. Работата на (Na + K) помпата изразходва почти една трета от общата енергия, необходима за живота на клетката.

Помпата е специален трансмембранен мембранен протеин, способен на конформационни промени, поради което може да прикрепя както K, така и Na йони. Работният цикъл на (Na + K) помпа се състои от няколко фази (фиг. 282):

© Na йони и ATP молекула влизат в протеина на помпата от вътрешната страна на мембраната, а K йони от външната страна;

© Na йони се комбинират с протеинова молекула и протеинът придобива АТФазна активност, т.е. придобива способността да предизвиква хидролиза на АТФ, придружена от освобождаване на енергия, която задвижва помпата;

© фосфатът, освободен по време на хидролизата на АТФ, се прикрепя към протеина, т.е. възниква фосфорилиране на протеина;

© фосфорилирането предизвиква конформационни промени в протеина, той става неспособен да задържа Na йони - те се освобождават и напускат клетката;

© новата конформация на протеина е такава, че става възможно да се прикрепят K йони към него;

© добавянето на K йони предизвиква дефосфорилиране на протеина, в резултат на което той отново променя своята конформация;

© промяната в конформацията на протеина води до освобождаване на K йони вътре в клетката;

© сега протеинът отново е готов да прикрепи Na йони към себе си.

В един цикъл на работа помпата изпомпва 3 Na йони от клетката и изпомпва 2 K йони Тази разлика в броя на прехвърлените йони се дължи на факта, че пропускливостта на мембраната за K йони е по-висока отколкото за Na. йони. Съответно K пасивно дифундира извън клетката по-бързо от Na в клетката.

© пиноцитозата е процес на улавяне и абсорбиране на капчици течност с разтворени в нея вещества.

Екзоцитоза- процес на елиминиране различни веществаот клетката. По време на екзоцитозата мембраната на везикула (или вакуола), при контакт с външната цитоплазмена мембрана, се слива с нея. Съдържанието на везикулата се отстранява извън дупката и нейната мембрана е включена във външната цитоплазмена мембрана.

По-голямата част от организмите, живеещи на Земята, се състоят от клетки, които до голяма степен са сходни по своя химичен състав, структура и жизнени функции. Метаболизмът и преобразуването на енергия се извършват във всяка клетка. Клетъчното делене е в основата на процесите на растеж и размножаване на организмите. По този начин клетката е единица на структурата, развитието и възпроизводството на организмите.

Клетката може да съществува само като цялостна система, неделима на части. Целостта на клетката се осигурява от биологични мембрани. Клетката е елемент от система от по-висок ранг - организъм. Частите и органелите на клетката, състоящи се от сложни молекули, са цялостни системипо-нисък ранг.

клетка - отворена система, свързани с околната среда, метаболизма и енергията. Това е функционална система, в която всяка молекула изпълнява специфични функции. Клетката има стабилност, способност да се саморегулира и самовъзпроизвежда.

Клетката е самоуправляваща се система. Контролиращата генетична система на клетката е представена от сложни макромолекули - нуклеинови киселини(ДНК и РНК).

През 1838-1839г Германските биолози М. Шлейден и Т. Шван обобщиха знанията за клетката и формулираха основната позиция на клетъчната теория, чиято същност е, че всички организми, както растителни, така и животински, се състоят от клетки.

През 1859 г. Р. Вирхов описва процеса на клетъчно делене и формулира една от най-важните разпоредби на клетъчната теория: „Всяка клетка идва от друга клетка“. Новите клетки се образуват в резултат на делене на майчината клетка, а не от неклетъчно вещество, както се смяташе досега.

Откриването на яйца на бозайници от руския учен К. Баер през 1826 г. доведе до заключението, че клетката е в основата на развитието на многоклетъчните организми.

Съвременната клетъчна теория включва следните разпоредби:

1) клетка - единицата на структурата и развитието на всички организми;

2) клетките на организмите от различни царства на живата природа са сходни по структура, химичен състав, метаболизъм и основни прояви на жизнената активност;

3) нови клетки се образуват в резултат на делене на майчината клетка;

4) в многоклетъчен организъм клетките образуват тъкани;

5) органите са изградени от тъкани.

С въвеждането в биологията на съвременните биологични, физически и химични методиИзследванията направиха възможно изследването на структурата и функционирането на различни клетъчни компоненти. Един от методите за изследване на клетките е микроскопия. Модерният светлинен микроскоп увеличава обектите 3000 пъти и ви позволява да видите най-големите клетъчни органели, да наблюдавате движението на цитоплазмата и клетъчното делене.

Изобретен през 40-те години. ХХ век Електронният микроскоп дава увеличение от десетки и стотици хиляди пъти. Електронният микроскоп използва поток от електрони вместо светлина, а вместо лещи - електромагнитни полета. Следователно електронният микроскоп създава ясни изображения при много по-големи увеличения. С помощта на такъв микроскоп беше възможно да се изследва структурата на клетъчните органели.

Чрез метода се изучава структурата и състава на клетъчните органели центрофугиране. Нарязани тъкани с разрушени клетъчни мембрани се поставят в епруветки и се въртят в центрофуга с висока скорост. Методът се основава на факта, че различните клетъчни органоиди имат различна маса и плътност. По-плътните органели се отлагат в епруветка при ниски скорости на центрофугиране, по-малко плътните - при високи скорости. Тези слоеве се изучават отделно.

Широко използван метод на клетъчна и тъканна култура, което се състои в това, че от една или няколко клетки върху специална хранителна среда може да се получи група от един и същ вид животински или растителни клетки и дори да се отгледа цяло растение. С помощта на този метод можете да получите отговор на въпроса как различни тъкани и органи на тялото се образуват от една клетка.

Основните принципи на клетъчната теория са формулирани за първи път от М. Шлейден и Т. Шван. Клетката е единица на структурата, жизнената дейност, размножаването и развитието на всички живи организми. За изследване на клетките се използват методи на микроскопия, центрофугиране, клетъчни и тъканни култури и др.

Клетките на гъбите, растенията и животните имат много общо не само в химичния състав, но и в структурата. При изследване на клетка под микроскоп в нея се виждат различни структури - органоиди. Всяка органела изпълнява специфични функции. В клетката има три основни части: плазмената мембрана, ядрото и цитоплазмата (Фигура 1).

Плазмена мембранаотделя клетката и нейното съдържание от околната среда. На фигура 2 виждате: мембраната е образувана от два слоя липиди, а протеиновите молекули проникват в дебелината на мембраната.

Основна функция на плазмената мембрана транспорт. Той осигурява притока на хранителни вещества в клетката и отстраняването на метаболитните продукти от нея.

Важно свойство на мембраната е селективна пропускливост, или полупропускливост, позволява на клетката да взаимодейства с околната среда: само определени вещества влизат и се отстраняват от нея. Малки молекули вода и някои други вещества проникват в клетката чрез дифузия, отчасти през порите на мембраната.

Захари, органични киселини и соли са разтворени в цитоплазмата, клетъчния сок на вакуолите на растителната клетка. Освен това тяхната концентрация в клетката е много по-висока, отколкото в околната среда. Колкото по-висока е концентрацията на тези вещества в клетката, толкова повече вода тя абсорбира. Известно е, че водата непрекъснато се консумира от клетката, поради което концентрацията на клетъчния сок се увеличава и водата отново навлиза в клетката.

Влизането на по-големи молекули (глюкоза, аминокиселини) в клетката се осигурява от мембранни транспортни протеини, които, комбинирайки се с молекулите на транспортираните вещества, ги транспортират през мембраната. Този процес включва ензими, които разграждат АТФ.

Фигура 1. Обобщена диаграма на структурата на еукариотна клетка.
(за да увеличите изображението, щракнете върху снимката)

Фигура 2. Структура на плазмената мембрана.
1 - пробиващи протеини, 2 - потопени протеини, 3 - външни протеини

Фигура 3. Диаграма на пиноцитоза и фагоцитоза.

Още по-големи молекули протеини и полизахариди навлизат в клетката чрез фагоцитоза (от гръцки. фагос- поглъщане и китос- съд, клетка), и капки течност - чрез пиноцитоза (от гръцки. пино- Пия и китос) (Фигура 3).

Животинските клетки, за разлика от растителните клетки, са заобиколени от мека и гъвкава „обвивка“, образувана главно от полизахаридни молекули, които, свързвайки някои мембранни протеини и липиди, обграждат клетката отвън. Съставът на полизахаридите е специфичен за различните тъкани, поради което клетките се „разпознават“ и се свързват помежду си.

Растителните клетки нямат такова „обвивка“. Над тях има плазмена мембрана с пори. клетъчна мембрана, състоящ се предимно от целулоза. През порите нишките на цитоплазмата се простират от клетка към клетка, свързвайки клетките една с друга. Така се осъществява комуникацията между клетките и се постига целостта на тялото.

Клетъчната мембрана при растенията играе ролята на здрав скелет и предпазва клетката от увреждане.

Повечето бактерии и всички гъбички имат клетъчна мембрана, само химичният й състав е различен. При гъбите се състои от вещество, подобно на хитин.

Подобна структура имат клетките на гъбите, растенията и животните. Клетката има три основни части: ядро, цитоплазма и плазмена мембрана. Плазмената мембрана се състои от липиди и протеини. Той осигурява навлизането на веществата в клетката и освобождаването им от клетката. В клетките на растенията, гъбите и повечето бактерии има клетъчна мембрана над плазмената мембрана. Той изпълнява защитна функция и играе ролята на скелет. При растенията клетъчната стена се състои от целулоза, а при гъбите е изградена от вещество, подобно на хитин. Животинските клетки са покрити с полизахариди, които осигуряват контакт между клетките на една и съща тъкан.

Знаете ли, че основната част на клетката е цитоплазма. Състои се от вода, аминокиселини, протеини, въглехидрати, АТФ и йони на неорганични вещества. Цитоплазмата съдържа ядрото и органелите на клетката. При него веществата преминават от една част на клетката в друга. Цитоплазмата осигурява взаимодействието на всички органели. Тук протичат химични реакции.

Цялата цитоплазма е проникната от тънки протеинови микротубули, които образуват клетъчен цитоскелет, благодарение на което поддържа постоянна форма. Клетъчният цитоскелет е гъвкав, тъй като микротубулите могат да променят позицията си, да се движат от единия край и да се скъсяват от другия. Влизат в килията различни вещества. Какво се случва с тях в клетката?

В лизозомите - малки кръгли мембранни везикули (виж фиг. 1) молекулите на сложните органични вещества се разграждат до по-прости молекули с помощта на хидролитични ензими. Например протеините се разграждат до аминокиселини, полизахаридите до монозахариди, мазнините до глицирин и мастни киселини. Поради тази функция лизозомите често се наричат ​​„храносмилателни станции“ на клетката.

Ако мембраната на лизозомите е разрушена, ензимите, съдържащи се в тях, могат да усвоят самата клетка. Следователно лизозомите понякога се наричат ​​„оръжия за убиване на клетки“.

Ензимно окисляване на малки молекули аминокиселини, монозахариди, образувани в лизозомите, мастни киселинии алкохоли до въглерод, киселинен газ и вода започва в цитоплазмата и завършва в други органели - митохондриите. Митохондриите са пръчковидни, нишковидни или сферични органели, отграничени от цитоплазмата с две мембрани (фиг. 4). Външната мембрана е гладка, а вътрешната образува гънки - cristas, които увеличават повърхността му. Вътрешната мембрана съдържа ензими, които участват в окисляването на органичните вещества до въглероден диоксид и вода. Това освобождава енергия, която се съхранява от клетката в ATP молекули. Следователно митохондриите се наричат ​​„електростанции“ на клетката.

В клетката органичните вещества не само се окисляват, но и се синтезират. Синтезът на липиди и въглехидрати се осъществява върху ендоплазмения ретикулум - EPS (фиг. 5), а на протеини - върху рибозоми. Какво е EPS? Това е система от тубули и цистерни, чиито стени са оформени от мембрана. Те проникват в цялата цитоплазма. Веществата се движат през ER каналите до различни части на клетката.

Има гладък и грапав EPS. На повърхността на гладката ER се синтезират въглехидрати и липиди с участието на ензими. Грапавостта на ER се придава от малките кръгли тела, разположени върху него - рибозоми(виж фиг. 1), които участват в синтеза на протеини.

Синтезът на органични вещества се извършва и в пластиди, които се намират само в растителните клетки.

ориз. 4. Схема на структурата на митохондриите.
1.- външна мембрана; 2.- вътрешна мембрана; 3.- гънки на вътрешната мембрана - кристи.

ориз. 5. Схема на структурата на груб EPS.

ориз. 6. Схема на структурата на хлоропласта.
1.- външна мембрана; 2.- вътрешна мембрана; 3.- вътрешно съдържание на хлоропласта; 4.- гънки на вътрешната мембрана, събрани в "купчини" и образуващи грана.

В безцветни пластиди - левкопласти(от гръцки левкос- бяло и пластос- създадено) се натрупва нишесте. Картофените клубени са много богати на левкопласти. Жълти, оранжеви и червени цветове се дават на плодовете и цветята. хромопласти(от гръцки хром- цвят и пластос). Те синтезират пигменти, участващи във фотосинтезата - каротеноиди. В живота на растенията това е особено важно хлоропласти(от гръцки хлорос- зеленикав и пластос) - зелени пластиди. На фигура 6 виждате, че хлоропластите са покрити с две мембрани: външна и вътрешна. Вътрешна мембранаобразува гънки; между гънките има мехурчета, подредени на купчини - зърна. Зърната съдържат молекули хлорофил, които участват във фотосинтезата. Всеки хлоропласт има около 50 зърна, подредени в шахматен ред. Тази подредба осигурява максимално осветяване на всяко лице.

В цитоплазмата протеините, липидите и въглехидратите могат да се натрупват под формата на зърна, кристали и капчици. Тези включване- резервни хранителни вещества, които се консумират от клетката при необходимост.

В растителните клетки някои от резервните хранителни вещества, както и продуктите на разпадане, се натрупват в клетъчния сок на вакуолите (виж фиг. 1). Те могат да представляват до 90% от обема на растителната клетка. Животинските клетки имат временни вакуоли, които заемат не повече от 5% от обема им.

ориз. 7. Схема на структурата на комплекса Голджи.

На фигура 7 виждате система от кухини, заобиколени от мембрана. това Комплекс Голджи, който изпълнява различни функции в клетката: участва в натрупването и транспортирането на вещества, отстраняването им от клетката, образуването на лизозоми и клетъчната мембрана. Например, целулозните молекули влизат в кухината на комплекса Голджи, които с помощта на везикули се придвижват до клетъчната повърхност и се включват в клетъчната мембрана.

Повечето клетки се възпроизвеждат чрез делене. Участва в този процес клетъчен център. Състои се от две центриоли, заобиколени от плътна цитоплазма (виж фиг. 1). В началото на деленето центриолите се придвижват към полюсите на клетката. От тях излизат белтъчни нишки, които се свързват с хромозомите и осигуряват равномерното им разпределение между двете дъщерни клетки.

Всички клетъчни органели са тясно свързани помежду си. Например, протеиновите молекули се синтезират в рибозомите и се транспортират през ER каналите до различни частиклетки, а в лизозомите протеините се разрушават. Новосинтезираните молекули се използват за изграждане на клетъчни структури или се натрупват в цитоплазмата и вакуолите като резервни хранителни вещества.

Клетката е изпълнена с цитоплазма. Цитоплазмата съдържа ядрото и различни органели: лизозоми, митохондрии, пластиди, вакуоли, ER, клетъчен център, комплекс на Голджи. Те се различават по своята структура и функции. Всички органели на цитоплазмата взаимодействат помежду си, осигурявайки нормалното функциониране на клетката.

Таблица 1. СТРУКТУРА НА КЛЕТКАТА

Най-важната роля в жизнената дейност и деленето на клетките на гъбите, растенията и животните принадлежи на ядрото и разположените в него хромозоми. Повечето клетки на тези организми имат едно ядро, но има и многоядрени клетки, като мускулните клетки. Ядрото се намира в цитоплазмата и има кръгла или овална форма. Покрит е с черупка, състояща се от две мембрани. Ядрената обвивка има пори, през които се извършва обмяната на вещества между ядрото и цитоплазмата. Ядрото е изпълнено с ядрен сок, в който са разположени нуклеоли и хромозоми.

Нуклеоли- това са "работилници за производство" на рибозоми, които се образуват от рибозомни РНК, образувани в ядрото и протеини, синтезирани в цитоплазмата.

Основната функция на ядрото - съхранение и предаване на наследствена информация - е свързана с хромозоми. Всеки тип организъм има свой собствен набор от хромозоми: определен брой, форма и размер.

Всички клетки на тялото, с изключение на половите клетки, се наричат соматични(от гръцки сома- тяло). Клетките на организъм от един и същи вид съдържат същия набор от хромозоми. Например при хората всяка клетка на тялото съдържа 46 хромозоми, при плодовата муха Drosophila - 8 хромозоми.

Соматичните клетки, като правило, имат двоен набор от хромозоми. Нарича се диплоидени се означава с 2 п. И така, човек има 23 чифта хромозоми, тоест 2 п= 46. Половите клетки съдържат наполовина по-малко хромозоми. Неженен ли е или хаплоиден, комплект. Лицето има 1 п = 23.

Всички хромозоми в соматичните клетки, за разлика от хромозомите в зародишните клетки, са сдвоени. Хромозомите, които образуват една двойка, са идентични една с друга. Сдвоените хромозоми се наричат хомоложни. Хромозоми, които принадлежат на различни двойкии се различават по форма и големина, т.нар нехомоложни(фиг. 8).

При някои видове броят на хромозомите може да е еднакъв. Например червената детелина и грахът имат 2 п= 14. Въпреки това, техните хромозоми се различават по форма, размер и нуклеотиден състав на ДНК молекулите.

ориз. 8. Набор от хромозоми в клетките на Drosophila.

ориз. 9. Хромозомна структура.

За да разберем ролята на хромозомите в предаването на наследствена информация, е необходимо да се запознаем с тяхната структура и химичен състав.

Хромозомите на неделящата се клетка изглеждат като дълги тънки нишки. Преди клетъчното делене всяка хромозома се състои от две еднакви вериги - хроматид, които са свързани между талията на кръста - (фиг. 9).

Хромозомите са изградени от ДНК и протеини. Тъй като нуклеотидният състав на ДНК е различен различни видове, хромозомният състав е уникален за всеки вид.

Всяка клетка, с изключение на бактериалните, има ядро, в което са разположени нуклеоли и хромозоми. Всеки вид се характеризира с определен набор от хромозоми: брой, форма и размер. В соматичните клетки на повечето организми наборът от хромозоми е диплоиден, в половите клетки е хаплоиден. Сдвоените хромозоми се наричат ​​хомоложни. Хромозомите са съставени от ДНК и протеини. ДНК молекулите осигуряват съхранението и предаването на наследствената информация от клетка на клетка и от организъм на организъм.

След като сте работили по тези теми, трябва да можете да:

1. Обяснете в какви случаи трябва да се използва светлинен микроскоп (структура) или трансмисионен електронен микроскоп.
2. Опишете структурата на клетъчната мембрана и обяснете връзката между структурата на мембраната и нейната способност да обменя вещества между клетката и околната среда.
3. Определете процесите: дифузия, улеснена дифузия, активен транспорт, ендоцитоза, екзоцитоза и осмоза. Посочете разликите между тези процеси.
4. Назовете функциите на структурите и посочете в кои клетки (растителни, животински или прокариотни) се намират: ядро, ядрена мембрана, нуклеоплазма, хромозоми, плазмена мембрана, рибозома, митохондрия, клетъчна стена, хлоропласт, вакуола, лизозома, гладък ендоплазмен ретикулум (агрануларен) и грапав (грануларен), клетъчен център, апарат на Голджи, реснички, флагелум, мезозома, пили или фимбрии.
5. Посочете поне три признака, по които растителната клетка може да се разграничи от животинската.
6. Избройте най-важните разлики между прокариотните и еукариотните клетки.

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. „Обща биология”. Москва, "Просвещение", 2000 г

• Тема 1. "Плазмена мембрана." §1, §8 стр. 5;20
• Тема 2. "Клетка". §8-10 стр. 20-30
• Тема 3. "Прокариотна клетка. Вируси." §11 стр. 31-34

Цитоплазма- задължителна част от клетката, затворена между плазмената мембрана и ядрото; се разделя на хиалоплазма (основното вещество на цитоплазмата), органели (постоянни компоненти на цитоплазмата) и включвания (временни компоненти на цитоплазмата). Химичен състав на цитоплазмата: основата е вода (60-90% от общата маса на цитоплазмата), различни органични и неорганични съединения. Цитоплазмата има алкална реакция. Характеристикацитоплазма на еукариотна клетка - постоянно движение ( циклоза). Открива се предимно чрез движението на клетъчни органели, като хлоропласти. Ако движението на цитоплазмата спре, клетката умира, тъй като само като е в постоянно движение, тя може да изпълнява функциите си.

Хиалоплазма ( цитозол) е безцветен, лигав, гъст и прозрачен колоиден разтвор. Именно в него протичат всички метаболитни процеси, той осигурява взаимовръзката на ядрото и всички органели. В зависимост от преобладаването на течната част или големите молекули в хиалоплазмата се разграничават две форми на хиалоплазма: сол- по-течна хиалоплазма и гел- по-плътна хиалоплазма. Между тях са възможни взаимни преходи: гелът се превръща в зол и обратно.

Функции на цитоплазмата:

1. комбиниране на всички клетъчни компоненти в една система,
2. среда за протичане на много биохимични и физиологични процеси,
3. среда за съществуване и функциониране на органелите.

Клетъчни мембрани

Клетъчни мембраниограничават еукариотните клетки. Във всяка клетъчна мембрана могат да се разграничат поне два слоя. Вътрешен слойсъседна на цитоплазмата и представена плазмена мембрана(синоними - плазмалема, клетъчна мембрана, цитоплазмена мембрана), върху която се образува външният слой. В животинска клетка тя е тънка и се нарича гликокаликс(образувани от гликопротеини, гликолипиди, липопротеини), в растителна клетка - дебели, т.нар. клетъчна стена(образувани от целулоза).

Всички биологични мембрани имат общи структурни характеристики и свойства. В момента е общоприето флуиден мозаечен модел на мембранна структура. Основата на мембраната е липиден бислой, образуван главно от фосфолипиди. Фосфолипидите са триглицериди, в които един остатък от мастна киселина е заменен с остатък от фосфорна киселина; Участъкът от молекулата, съдържащ остатъка от фосфорна киселина, се нарича хидрофилна глава, участъците, съдържащи остатъците от мастна киселина, се наричат ​​хидрофобни опашки. В мембраната фосфолипидите са подредени по строго подреден начин: хидрофобните опашки на молекулите са обърнати една към друга, а хидрофилните глави са обърнати навън, към водата.

В допълнение към липидите, мембраната съдържа протеини (средно ≈ 60%). Те определят повечето от специфичните функции на мембраната (транспорт на определени молекули, катализа на реакциите, приемане и преобразуване на сигнали от околната среда и др.). Има: 1) периферни протеини(разположени на външната или вътрешната повърхност на липидния двоен слой), 2) полуинтегрални протеини(потопен в липидния двоен слой на различна дълбочина), 3) интегрални или трансмембранни протеини(пробиват мембраната, контактувайки както с външната, така и с вътрешната среда на клетката). Интегралните протеини в някои случаи се наричат ​​каналообразуващи или канални протеини, тъй като те могат да се разглеждат като хидрофилни канали, през които полярните молекули преминават в клетката (липидният компонент на мембраната не би ги пропуснал).

А - хидрофилна фосфолипидна глава; B - хидрофобни фосфолипидни опашки; 1 - хидрофобни области на протеини Е и F; 2 — хидрофилни области на протеин F; 3 - разклонена олигозахаридна верига, прикрепена към липид в гликолипидна молекула (гликолипидите са по-рядко срещани от гликопротеините); 4 - разклонена олигозахаридна верига, прикрепена към протеин в гликопротеинова молекула; 5 - хидрофилен канал (функционира като пора, през която могат да преминават йони и някои полярни молекули).

Мембраната може да съдържа въглехидрати (до 10%). Въглехидратният компонент на мембраните е представен от олигозахаридни или полизахаридни вериги, свързани с протеинови молекули (гликопротеини) или липиди (гликолипиди). Въглехидратите са разположени главно на външната повърхност на мембраната. Въглехидратите осигуряват рецепторните функции на мембраната. В животинските клетки гликопротеините образуват надмембранен комплекс, гликокаликс, който е с дебелина няколко десетки нанометра. Той съдържа много клетъчни рецептори и с негова помощ възниква клетъчна адхезия.

Молекулите на протеини, въглехидрати и липиди са подвижни, способни да се движат в равнината на мембраната. Дебелината на плазмената мембрана е приблизително 7,5 nm.

Функции на мембраните

Мембраните изпълняват следните функции:

1. отделяне на клетъчното съдържание от външната среда,
2. регулиране на метаболизма между клетката и околната среда,
3. разделяне на клетката на отделения („отделения“),
4. място на локализиране на „ензимни конвейери“,
5. осигуряване на комуникация между клетките в тъканите на многоклетъчни организми (адхезия),
6. разпознаване на сигнала.

Най-важното мембранно свойство— селективна пропускливост, т.е. мембраните са силно пропускливи за някои вещества или молекули и слабо пропускливи (или напълно непропускливи) за други. Това свойство е в основата на регулаторната функция на мембраните, осигуряващи обмена на вещества между клетката и външната среда. Процесът на преминаване на вещества през клетъчната мембрана се нарича транспорт на вещества. Има: 1) пасивен транспорт- процес на преминаване на вещества без консумация на енергия; 2) активен транспорт- процесът на преминаване на вещества, който се случва с разхода на енергия.

При пасивен транспортвеществата се движат от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска, т.е. по концентрационния градиент. Във всеки разтвор има молекули на разтворител и разтворено вещество. Процесът на движение на молекулите на разтвореното вещество се нарича дифузия, а движението на молекулите на разтворителя се нарича осмоза. Ако молекулата е заредена, тогава нейният транспорт също се влияе от електрическия градиент. Затова хората често говорят за електрохимичен градиент, комбинирайки двата градиента заедно. Скоростта на транспортиране зависи от големината на наклона.

Могат да се разграничат следните видове пасивен транспорт: 1) проста дифузия- транспорт на вещества директно през липидния двоен слой (кислород, въглероден диоксид); 2) дифузия през мембранните канали— транспорт чрез каналообразуващи протеини (Na +, K +, Ca 2+, Cl -); 3) улеснена дифузия- транспортиране на вещества с помощта на специални транспортни протеини, всеки от които е отговорен за движението на определени молекули или групи от свързани молекули (глюкоза, аминокиселини, нуклеотиди); 4) осмоза— транспорт на водни молекули (във всички биологични системи разтворителят е водата).

Необходимост активен транспортвъзниква, когато е необходимо да се осигури транспортирането на молекули през мембрана срещу електрохимичен градиент. Този транспорт се осъществява от специални протеини-носители, чиято дейност изисква разход на енергия. Източникът на енергия са молекулите на АТФ. Активният транспорт включва: 1) Na + /K + помпа (натриево-калиева помпа), 2) ендоцитоза, 3) екзоцитоза.

Работа на Na + /K + помпа. За нормалното функциониране клетката трябва да поддържа определено съотношение на K + и Na + йони в цитоплазмата и във външната среда. Концентрацията на K + вътре в клетката трябва да бъде значително по-висока, отколкото извън нея, а Na + - обратно. Трябва да се отбележи, че Na + и K + могат да дифундират свободно през порите на мембраната. Помпата Na + /K + противодейства на изравняването на концентрациите на тези йони и активно изпомпва Na + от клетката и K + в клетката. Na + /K + помпата е трансмембранен протеин, способен на конформационни промени, в резултат на което може да прикрепи както K +, така и Na +. Цикълът на помпата Na + /K + може да бъде разделен на следните фази: 1) добавяне на Na + от вътрешността на мембраната, 2) фосфорилиране на протеина на помпата, 3) освобождаване на Na + в извънклетъчното пространство, 4) добавяне на K + от външната страна на мембраната, 5) дефосфорилиране на протеина на помпата, 6) освобождаване на K + във вътреклетъчното пространство. Почти една трета от цялата енергия, необходима за функционирането на клетките, се изразходва за работата на натриево-калиевата помпа. В един цикъл на работа помпата изпомпва 3Na + от клетката и изпомпва 2K +.

Ендоцитоза- процесът на абсорбция на големи частици и макромолекули от клетката. Има два вида ендоцитоза: 1) фагоцитоза- улавяне и абсорбиране на големи частици (клетки, части от клетки, макромолекули) и 2) пиноцитоза- улавяне и усвояване течен материал(разтвор, колоиден разтвор, суспензия). Феноменът на фагоцитозата е открит от I.I. Мечников през 1882 г. По време на ендоцитозата плазмената мембрана образува инвагинация, краищата й се сливат и структурите, ограничени от цитоплазмата от една мембрана, се вплитат в цитоплазмата. Много протозои и някои левкоцити са способни на фагоцитоза. Пиноцитоза се наблюдава в епителните клетки на червата и в ендотела на кръвоносните капиляри.

Екзоцитоза- процес, обратен на ендоцитозата: отстраняване на различни вещества от клетката. По време на екзоцитозата мембраната на везикула се слива с външната цитоплазмена мембрана, съдържанието на везикула се отстранява извън клетката и нейната мембрана се включва във външната цитоплазмена мембрана. По този начин хормоните се отстраняват от клетките на ендокринните жлези; в протозоите се отстраняват остатъците от несмляна храна.

Отидете на лекции No5„Клетъчна теория. Видове клетъчна организация"

Отидете на лекции No7„Еукариотна клетка: структура и функции на органелите“