Строение клетки. Органоиды

Клеточная мембрана, или плазматическая мембрана, — тонкая оболочка, окружающая каждую клетку. Основу мембраны составляет бислой фосфолипидов: два слоя фосфолипидных молекул, гидрофобными хвостами обращённых друг к другу, а гидрофильными головами — наружу. В бислой встроены белки: периферические (на поверхности) и интегральные (пронизывающие мембрану насквозь). Белки выполняют функции переносчиков, каналов, рецепторов и ферментов. Кроме того, в мембрану встроен холестерин, который регулирует текучесть. Снаружи клетки на мембране расположен гликокаликс — слой углеводных цепей, участвующих в распознавании клеток.

Барьерная функция: мембрана отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Избирательная проницаемость: мембрана пропускает одни вещества и задерживает другие. Небольшие неполярные молекулы (кислород, углекислый газ) проходят свободно; ионы и крупные молекулы — только через белковые каналы или с помощью переносчиков. Транспортная функция: пассивный транспорт (по градиенту концентрации) и активный транспорт (против градиента, с затратой АТФ). Рецепторная функция: белки-рецепторы воспринимают сигналы из внешней среды (гормоны, нейромедиаторы). Функция межклеточного распознавания: гликокаликс обеспечивает специфическое узнавание клеток иммунной системой.

Ядро — главный органоид эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию. Окружено двойной ядерной оболочкой с порами — через поры происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра находятся: хроматин — комплекс ДНК с белками-гистонами (при делении клетки хроматин спирализуется в хромосомы); ядрышко — место синтеза рибосомальной РНК и сборки субъединиц рибосом; кариоплазма — внутренняя полужидкая среда ядра. Функции ядра: хранение наследственной информации; управление синтезом белков (через РНК); управление всей жизнедеятельностью клетки.

Рибосомы — небольшие немембранные органоиды, состоящие из двух субъединиц (большой и малой), каждая из которых включает рибосомальную РНК и белки. Функция одна и главная: синтез белка (трансляция иРНК). Рибосомы есть у всех клеток без исключения — и у прокариот, и у эукариот — так как синтез белка необходим для жизни любой клетки. Различие: рибосомы прокариот мельче — константа седиментации 70S (малая субъединица 30S + большая 50S); рибосомы эукариот крупнее — 80S (40S + 60S). Именно это различие используют многие антибиотики: они блокируют рибосомы 70S бактерий, не трогая рибосомы 80S клеток человека.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — система мембранных каналов и цистерн, пронизывающих цитоплазму. Два вида: Шероховатая (гранулярная) ЭПС — на её мембранах расположены рибосомы. Функция: синтез секреторных белков (предназначенных для экспорта) и мембранных белков. Гладкая ЭПС — без рибосом. Функции: синтез липидов и углеводов; обезвреживание токсинов в клетках печени; накопление ионов кальция в мышечных клетках. ЭПС связана с ядерной оболочкой и аппаратом Гольджи, образуя единую систему внутриклеточного транспорта.

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — стопка из 5–20 плоских мембранных цистерн (диктиосом). Функции: сортировка и модификация белков и липидов, поступающих из ЭПС; упаковка веществ в секреторные пузырьки для транспорта к мембране или к лизосомам; образование лизосом; секреция — выделение веществ из клетки (слизи, ферментов, гормонов). Аппарат Гольджи можно сравнить с «почтовым сортировочным центром»: вещества, поступающие с цис-стороны (от ЭПС), обрабатываются и отправляются с транс-стороны по нужным адресам.

Лизосомы — одномембранные органоиды в виде небольших пузырьков, содержащих гидролитические ферменты (около 40 видов). pH внутри лизосомы около 5 — кислая среда, оптимальная для ферментов. Функции: внутриклеточное пищеварение — расщепление веществ, захваченных клеткой при фагоцитозе или пиноцитозе; аутофагия — переваривание «устаревших» собственных органоидов и молекул; апоптоз — участие в программируемой гибели клетки. Внимание! Если лизосома разрывается, её ферменты начинают переваривать собственную клетку — это аутолиз. Именно это происходит при некоторых болезнях и при гибели клетки.

Митохондрии — двумембранные органоиды. Наружная мембрана гладкая; внутренняя образует многочисленные складки — кристы. Пространство внутри — матрикс. В матриксе находятся: собственная кольцевая ДНК; рибосомы 70S (как у прокариот); ферменты цикла Кребса. На кристах — ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Именно в митохондриях протекает кислородный этап клеточного дыхания — наиболее эффективная стадия синтеза АТФ (36 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы). Наличие собственной ДНК и рибосом 70S объясняется происхождением митохондрий — они произошли от эндосимбиотических бактерий, захваченных клеткой-хозяином около 2 миллиардов лет назад.

Хлоропласты — двумембранные органоиды, осуществляющие фотосинтез. Есть у растений и некоторых протистов (водорослей). У животных и грибов хлоропластов нет. Строение: наружная гладкая мембрана; внутренняя мембрана образует систему тилакоидов — плоских мембранных мешочков; тилакоиды собраны в стопки — граны; пространство между тилакоидами — строма. В тилакоидных мембранах расположены хлорофилл и другие пигменты — они поглощают энергию света. В строме находятся ферменты темновой фазы. Хлоропласты, как и митохондрии, имеют собственную кольцевую ДНК и рибосомы 70S — доказательство их симбиотического происхождения от цианобактерий.

Клеточный центр, или центросома, состоит из двух цилиндрических структур — центриолей. Расположен вблизи ядра. Функция: организация веретена деления при митозе и мейозе, то есть образование нитей веретена, расходящих хромосомы к полюсам клетки. Клеточный центр есть у животных клеток и у низших растений (мхов, водорослей, папоротников). У высших растений (голосеменных и покрытосеменных) клеточного центра нет — веретено деления всё равно образуется, но без центриолей. У прокариот клеточного центра тоже нет. Внимание! На ЕГЭ часто спрашивают, у каких клеток есть клеточный центр. Ответ: у животных и низших растений.

Растительная клетка: есть клеточная стенка из целлюлозы; есть хлоропласты (зелёные пластиды); есть крупная центральная вакуоль; нет клеточного центра (у высших растений); запасной полисахарид — крахмал. Животная клетка: нет клеточной стенки (только мембрана); нет хлоропластов; нет крупных вакуолей (только мелкие); есть клеточный центр (центриоли); запасной полисахарид — гликоген. Грибная клетка: есть клеточная стенка из хитина; нет хлоропластов; есть вакуоли; запасной полисахарид — гликоген (как у животных). Внимание! Таблица «у кого что есть» — одна из самых важных для ЕГЭ по биологии.

Вакуоль — одномембранный органоид в виде заполненного жидкостью пузырька. У растений: крупная центральная вакуоль с клеточным соком — смесью органических кислот, солей, пигментов, сахаров. Функции: поддержание тургорного давления (упругости клетки); накопление запасных веществ; хранение пигментов (например, антоциановые пигменты придают красный и синий цвет лепесткам и плодам). У животных вакуоли мелкие: пищеварительные (образуются при фагоцитозе) и сократительные (у простейших для осморегуляции). У простейших (амёба, инфузория) есть сократительная вакуоль, которая периодически выталкивает избыток воды из клетки.

Цитоплазма — внутренняя полужидкая среда клетки, заключённая между клеточной мембраной и ядром. Состоит из цитозоля — водного раствора белков, нуклеотидов, аминокислот, ионов — и заключённых в нём органоидов. Функции: создаёт внутреннюю среду для химических реакций; обеспечивает механическую поддержку клетки; цитоплазматические токи перемещают органоиды и вещества внутри клетки; в цитоплазме происходят многие важные реакции: гликолиз, синтез белков на рибосомах, сборка ряда органоидов.

У прокариот (бактерий и архей) нет мембранных органоидов. Нет ядра, митохондрий, хлоропластов, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, клеточного центра. Единственный органоид — рибосомы, причём мельче эукариотических (70S вместо 80S). Функции митохондрий у прокариот берёт на себя плазматическая мембрана и её складки — мезосомы. Фотосинтез у цианобактерий осуществляется на внутренних мембранных системах без хлоропластов. Ядерный материал (кольцевая ДНК) лежит прямо в цитоплазме в области нуклеоида. Внимание! Рибосомы есть у ВСЕХ клеток — и прокариот, и эукариот.

Внимание! Первая ошибка — думать, что митохондрии есть только у животных. Митохондрии есть у всех эукариот, включая растения и грибы. Вторая ошибка — думать, что хлоропласты есть у всех растений. Хлоропласты есть только в зелёных частях растений — в клетках, которые фотосинтезируют. В корнях и в неосвещённых клетках хлоропластов нет. Третья ошибка — считать, что клеточный центр есть у всех эукариот. У высших растений его нет. Четвёртая ошибка — путать функции шероховатой и гладкой ЭПС. Шероховатая — синтез белков (рибосомы!). Гладкая — синтез липидов и углеводов.