Страница 9 из 84
В основе строения клетки лежит мембранный принцип: внутриклеточное пространство пересекает множество мембран, связанных между собой, с мембранами ряда органелл и ядра. Все мембраны имеют сходное строение. Толщина их очень мала (около 0,01 мкм), поэтому их изучают с помощью электронного микроскопа. Мембраны состоят из липидов и белков. Липиды образуют двойной слой. Белки погружены в слой липидов на различную глубину или располагаются на его внутренней и внешней поверхностях. На белках, находящимися на внешней стороне наружной мембраны, расположены углеводы гликокаликса.
Растительная клетка
Строение поверхностного аппарата
Клеточная
стенка
Липиды
Белки
Цитоплазма
Животная клетка
Гликопротеин Углеводы
Плазмалемма не только отделяет содержимое клетки от внешней среды, но и осуществляет транспорт веществ. Через нее в межклеточное пространство выводятся синтезированные для других клеток соединения: белки, углеводы, гормоны, а внутрь поступает вода, ионы солей, органические молекулы. Проникновение молекул в сторону их меньшей концентрации называют пассивным транспортом. Он происходит без затрат энергии и бывает двух видов: простая диффузия (для малых гидрофобных молекул мембрана проницаема) и облегченная диффузия, осуществляемая белками-переносчиками (гидрофильные молекулы, ряд ионов не способны проходить через мембрану). Для проникновения молекул в сторону их большей концентрации требуются затраты энергии АТФ, такой перенос называют активным транспортом, его также осуществляют специфические белки-переносчики.
Примером активного транспорта является натрий-калиевый насос. При повышении концентрации Na + внутри клетки фермент натрий-калий-зависимая АТФ-аза активируется и связывает Na+. Происходит фосфорилирование одной из субъединиц ферментного комплекса, в ней открывается натриевый канал, через который Na+ покидает клетку. После прохождения трех ионов Na+ фермент-
к+ к
Na+
Na+ , : .Na+
Натрий-калиевый насос
,v
Na+ Na+ ■ АТФ ‘
Ф к+ к+
АТФ ^ АДФ + Ф
Na
ный комплекс связывает К+, дефосфори-лируется с открытием калиевого канала и транспортирует внутрь клетки не три, но уже только два иона К+.
Гу
4
Ф (фосфат) АДФ
Таким образом поддерживаются необходимые для жизнедеятельности концентрации ионов и мембранный потенциал клетки.
Обмен веществами между соседними клетками растений обеспечивают узкие (30—60 нм) каналы (плазмодесмы), выстланные клеточными мембранами. Через плазмодесмы вода, соли, различные питательные вещества распространяются по клеткам растений, обеспечивая их тесное взаимодействие.
На поверхности некоторых клеток животных расположены микроворсинки — тонкие выросты мембраны, заполненные цитоплазмой. Большое количество микроворсинок имеют клетки кишечника. Это существенно увеличивает его площадь и облегчает процесс переваривания и всасывания пищи.
Фагоцитоз (<греч. phagos пожиратель). Пластичность плазма-леммы позволяет клетке захватывать частицы пищи, крупные органические молекулы, бактерии. В результате этого явления, называемого фагоцитозом, формируются пищеварительные вакуоли, в которых захваченные вещества перерабатываются с помощью ферментов. Подобным образом амеба и другие простейшие поглощают частицы пищи и более мелких одноклеточных. Растения и бактерии имеют жесткие клеточные стенки, неспособные охватывать пищу, поэтому фагоцитоз для них невозможен.
В организмах человека и позвоночных животных лишь немногие клетки активно используют фагоцитоз. Некоторые лейкоциты (в основном макрофаги и нейтрофилы) защищают организм, захватывая бактерии, чужеродные и токсичные частицы. Цитоплазма этих клеток содержит множество лизосом, расщепляющих органические соединения (см. с. 45).
Явление фагоцитоза открыто русским биологом И. И. Мечниковым и положено им в основу клеточной теории иммунитета.
Пиноцитоз (<греч. pino пить) — захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости. Плазматическая мембрана не охватывает каплю, а образует углубление. Капля жидкости погружается, а затем мембрана смыкается с образованием пузырька диаметром 0,07—2 мкм.
Фагоцитоз у амебы
О
Пиноцитоз
Макрофаг тянется к бактерии и захватывает ее посредством фагоцитоза
На фаго- и пиноцитоз клетка затрачивает энергию. Пиноцитоз более универсален, этим способом питаются клетки животных, растений и грибов.
Фаго- и пиноцитоз объединяют одним словом — эндоцитоз; обратный процесс носит название экзоцитоза.
1. Чем различаются оболочки растительных и животных клеток?
2. Каковы основные функции клеточной оболочки?
3. В чем предназначение гликокаликса?
4. Каким образом вещества поступают в клетку?
§ 9. Цитоплазма и ее органеллы
Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки за исключением ядра. В цитоплазме протекает основная часть обменных процессов организма. В ее состав входят следующие органеллы: мембранные — эндоплазматическая сеть, митохондрии, пластиды, аппарат (комплекс) Гольджи, лизосомы, вакуоли (накопительные, секреторные, пищеварительные); немембранные — рибосомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета и органеллы движения некоторых клеток. Органеллы являются постоянными составляющими цитоплазмы.
В цитоплазме содержатся также и непостоянные структуры, которые в процессе жизнедеятельности то появляются, то исчезают. Их называют включениями. Это могут быть капельки жира, глыбки гликогена, секреторные гранулы или зерна крахмала.
Пространство между органеллами заполнено цитоплазматическим матриксом (<греч. matrix основа) — цитозолем (или гиалоплазмой). Постоянное движение цитозоля способствует необходимому перемещению веществ и клеточных структур, обеспечивает взаимодействие компонентов клетки. Цитозоль содержит:
воды 75—80 %
белков и аминокислот 10—12 %
углеводов 4—6 %
липидов 2—3 %
Транспорт вакуоли вдоль микротрубочки
Цитоскелет клетки (ее опорно-двигательная система) составлен белковыми нитями: микротрубочками и актомиозиновыми фибриллами. Элементы цитоскелета связаны с плазмалем-мой, мембранами органелл и ядра. Микротрубочки образуют веретено деления; они способны изменять свое положение, удлиняться и укорачиваться, придавая цитоскелету пластичность. В комплексе с моторными белками (ки-незин, динеин) микротрубочки осуществляют основную часть внутриклеточного транспорта: перемещают органеллы, гранулы и вакуоли, частицы. Скольжение моторных белков вдоль микротрубочек активируется энергией АТФ. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — сложная система многочисленных мелких мембранных полостей и канальцев, общий объем которых может достигать половины объема клетки. Доля мембран органелл в общей площади клеточных мембран составляет:
ЭПС 50- -60 % плазмалеммы 2—5 %
митохондрий 20- -40 % лизосом 0,4 %
аппарата Гольджи 7— -10 %
Стенки ЭПС являются мембранами, сходными по строению с наружной. Часть мембран ЭПС — шероховатые (гранулярные), другие — гладкие. К поверхности шероховатых мембран прикреплено множество рибосом, которые и придают мембранам шероховатый вид. На рибосомах идет синтез белков. На мембранах шероховатой ЭПС происходит и синтез мембранных липидов. Из белков и липидов здесь формируются клеточные мембраны гладкой ЭПС, которая является вторичной по отношению к шероховатой. На
мембранах гладкой сети расположены ферментные системы, участвующие в синтезе жиров и углеводов. Особенно развита ЭПС в клетках с интенсивным обменом веществ.
Основная функция ЭПС — синтез и транспорт органических веществ (выводимых из клетки или для } лизосом), формирование мем-
Рибосомы Строение шероховатой ЭПС
Рибосома на мембране ЭПС
бранных структур (гликопротеинов, липидов). Мембраны ЭПС выполняют еще и разделительную функцию для ферментных систем, осуществляющих несовместимые химические процессы. Каждая реакция протекает в определенном месте и в определенной последовательности, ферменты образуют своего рода каталитические конвейеры.
Рибосомы представляют собой мелкие (около 0,02 мкм) округлые немембранные органеллы, состоящие из большой и малой субъединиц. Субъединицы формируются в клеточном ядре и выводятся в цитоплазму. На время синтеза белка субъединицы соединяются в целостные функциональные рибосомы (при участии катионов магния). Клетка любого организма содержит тысячи рибосом. Часть их прикреплена к мембранам ЭПС, другие располагаются свободными группами. В состав рибосом входят рРНК (50 % массы) и более 100 белковых молекул. Ри-босомные РНК составляют структурный каркас и выполняют функцию катализаторов при синтезе белка.