Тема 2 Клеточный уровень организации живой материи Тема

Тема 2: Клеточный уровень организации живой материи. Тема лекции: Структурно-функциональная организация клетки

1. Клеточная теория (история открытия, основные положения) Клетка – элементарная живая система, основная структурная и функциональная единица растительного и животного организмов, способная к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению.

• Форма клетки. Различают клетки с изменчивой формой и постоянной. • Размер клеток. Колеблется в широких пределах: Самая маленькая из известных сейчас клеток имеет размер 0, 2 мкм, самая большая – неоплодотворенное яйцо эпиорниса – весит около 3, 5 кг. Типичные размеры растительных и животных клеток составляют от 5 до 20 мкм. При этом между размерами организмов и размерами их клеток прямой зависимости обычно нет.

История изучения клетки 1590 г. Братья Янсены (изобретение микроскопа) Роберт Гук (1635 -1703) В 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук рассматривал под микроскопом срез коры пробкового дуба и заметил, что он напоминает пчелиные соты. Описывая увиденное, Гук использовал слово «cell» , что по-английски означает «ячейка» , «камера» , «келья» . На русский язык термин был переведён как «клетка» .

История изучения клетки Сейчас микроскоп Роберта Гука можно увидеть в Дарвиновском музее. Микроскоп Гука

История изучения клетки Как оказалось впоследствии, рассматривая срез коры пробкового дуба под микроскопом, Гук увидел не сами клетки, а лишь Срез коры пробкового дуба клеточные стенки.

История изучения клетки Голландский купец Антони ван Левенгук завоевал славу учёного и подарил науке величайшие открытия. Он усовершенствовал микроскоп Гука и создал линзы, дающие увеличение в 100 -300 раз! Так в 1680 г. А. Левенгук открыл одноклеточные организмы Антони ван Левенгук (1632 -1723)

История изучения клетки В 1831 г. Роберт Броун, шотландский ботаник, впервые описал ядро в растительной клетке. Роберт Броун (1773 -1858) Ядро растительной клетки

История изучения клетки В 1838 г. немецкий ботаник Маттиас Шлейден пришёл к выводу, что ткани растений состоят из клеток. Маттиас Шлейден (1804 -1881)

История изучения клетки Теодор Шванн (1810 -1882) В 1839 г. немецкий физиолог Теодор Шванн издал книгу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» , в которой сформулировал вывод о том, что клетка является структурной и функциональной единицей живых организмов. Это представление и получило название теории Шванна. Шлейдена.

История изучения клетки Основные положения теории Шванна. Шлейдена • Все организмы состоят из клеток. • Клетки представляют собой мельчайшие структурные единицы жизни. • Клетки в организме возникают путём новообразований из клеточного вещества.

История изучения клетки Ошибки теории: М. Шлейден и Т. Шванн ошибочно считали, что клетки возникают путём новообразований из клеточного вещества.

История изучения клетки Карл Бэр, – академик Российской академии, - открыл яйцеклетку млекопитающих. Бэр установил, что все организмы начинают своё развитие из одной клетки – зиготы. Это открытие доказывает, что клетка является ещё и единицей развития всех живых организмов. Карл Бэр (1792 -1876)

История изучения клетки В 1840 г. Ян Пуркине предложил термин «протоплазма» для обозначения живого содержимого клетки. Ян Пуркине (1784 -1896) В 1844 г. учёный Гуго Моль (1805 -1872) подробно описал содержимое клетки, применяя для него термин «протоплазма» .

История изучения клетки В 1855 г. немецкий врач Рудольф Вирхов убедительно доказал, что клетки возникают только из клеток, путём размножения «клетки из клетки» , опровергнув ошибочное представление клеткообразования Шлейдена и Шванна. Рудольф Вирхов (1821 -1902) Ошибка Вирхова: считал, что клетки слабо связаны друг с другом и существуют каждая сама по себе. Позднее удалось доказать целостность клеточной системы.

История изучения клетки В 1876 г. Александр Флемминг открыл клеточный центр. Александр Флемминг (1843 -1905) Клеточный центр

История изучения клетки В 1890 г. Рихард Альтман открыл митохондрии. В 1898 г. Камилло Гольджи открыл органоид, названный в честь него – аппарат Гольджи. В 1898 г. были описаны хромосомы.

История изучения клетки На рубеже 19 и 20 -х веков сформировалась новая биологическая наука цитология (от греч. китос – клетка, логос - учение). Цитология изучает: 1. Строение клеток 4. Химический состав клеток 2. Строение органоидов клеток 5. Размножение и развитие клеток 3. Функции органоидов и других внутриклеточных структур

История изучения клетки Основные положения современной клеточной теории: 1. Клетка является структурной и функциональной единицей живого, представляющая собой элементарную живую систему. Для неё характерны все признаки живого.

История изучения клетки 2. Клетки всех организмов имеют сходный химический состав и общий план строения.

История изучения клетки 3. Новая клетка возникает в результате деления исходной клетки.

История изучения клетки 4. Многоклеточные организмы развиваются из одной исходной клетки. 5. Сходство клеточного строения свидетельствует о единстве их происхождения.

Методы изучения клетки 1. Микроскопирование Ø Световой микроскоп Изучает клеточные формы и структуры: ядро, митохондрии, хлоропласты, аппарат Гольджи и т. д. Увеличивает в 1000 раз.

Методы изучения клетки 1. Микроскопирование Ø Электронный микроскоп Изобретён в 30 -х годах 20 -го века. Современные электронные микроскопы позволяют увеличить изображение до 1 000 раз, а значит и более детально рассматривать структуру органоидов клетки.

Методы изучения клетки 2. Метод дифференциального центрифугирования Основан на различной плотности органоидов и при очень быстром вращении органеллы располагаются в растворе слоями в соответствии с плотностью.

Методы изучения клетки 3. Флуоресцентная микроскопия Живые клетки наблюдают в ультрафиолетовом свете. При этом одни компоненты начинают сразу светиться, другие светятся при добавлении специальных красителей. Флуоресцентная микроскопия позволяет увидеть места расположения нуклеиновых кислот, витаминов, жиров. 4. Метод культуры клеток и тканей Позволяет увидеть рост клеток, наблюдать за размножением, определять влияния различных веществ на клетки, получать клеточные гибриды.

Значение изучения клетки 1. В медицине – для исследования причин заболеваний человека и других живых организмов и изобретения их лечения 2. Для классификации живых организмов 3. В генетике (наследственные заболевания, мутации) 4. В сельском хозяйстве (генная, клеточная инженерии, селекция) 5. Для раскрытия тайн эволюции

Вывод Клетка является единицей строения всех живых организмов (исключая вирусы). Общность химического состава и строения говорит о единстве происхождения всего живого на Земле.

2. Прокариоты и эукариоты, их сравнительная характеристика Клетки прокариот (от греч. pro - до, karion - ядро) не имеют оформленного ядра. Иными словами, генетический материал (ДНК) прокариот находится прямо в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной. У эукариот (от греч. eu - настоящий, истинный, karion - ядро) имеется настоящее ядро, т. е. у них генетический материал окружен двойной мембраной (ядерной оболочкой) и образует вполне определенную клеточную структуру, которую очень легко узнать.

3. Структурно-функциональная организация клетки Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в отношении физиологическом — полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов, аппаратов и систем органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица. В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму. В ядре наряду с оболочкой и ядерным соком обнаруживаются ядрышко и хроматин. Цитоплазма представлена ее основным веществом (матриксом, гиалоплазмой), в котором распределены включения и органеллы.

Принцип компартментации Высокая упорядоченность внутреннего содержимого эукариотической клетки достигается путем компартментации ее объема — подразделения на «ячейки» (отсеки), отличающиеся деталями химического (ферментного) состава. Компартментация способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой (лизосома) или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии).

Поверхность клетки Надмембранный комплекс У животных Гликокаликс (в составе белки полисахариды) Очень тонкий (1 мкм) У растений Клеточная стенка состоящая из полисахаридов (клетчатки и др. ) Очень плотная и толстая Связь клетки с внешней средой Плазматическая мембрана

Биологическая мембрана

Биологическая мембрана Функции ограничение внутренней среды клетки; • сохранение формы клетки; • защита от повреждений и разнообразных воздействий извне; • регуляция поступления ионов в клетку; • выведение из клетки конечных продуктов обмена веществ; • объединение отдельных клеток в ткани; • обеспечение фагоцитоза и пиноцитоза •

Транспорт веществ через ЦПМ 1. Пассивный способ (энергия практически не затрачивается) Диффузия. Этим способом проходят вещества, способные растворяться в липидах (например, эфиры, жирные кислоты) Осмос. Это прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану (она проходит из более разбавленного раствора в более концентрированный) 3. Активный способ (затрачивается значительное количество энергии на транспорт веществ через мембрану) Эндоцитоз • Фагоцитоз - захват твердых частиц • Пиноцитоз - захват жидких частиц Натрий-калиевый насос – перенос трех катионов Na⁺ из клетки на каждые два катиона К⁺ в клетку против градиента концентрации 2. Облегчённая диффузия. В этом случае белок-переносчик, находящийся в мембране, делает её проницаемой. Идёт не против градиента концентрации. Так транспортируется глюкоза

Фагоцитоз Захват плазматической мембраной твёрдых частиц и впячивание их внутрь клетки Впячивание мембраны внутрь клетки в виде тонкого канальца в который попадает жидкость

Цитоплазма 1. Основние вещество Первые электронномикроскопические изображения цитоплазмы были получены шведским ученым Ф. Шестрандом в 1955 г цитоплазмы – гиалоплазма (существует гиалоплазма в 2 формах: золь - более жидкая и гель – более густая. 2. Органеллы – постоянные Органеллы компоненты. 3. Включения –временные Включения компоненты. Свойство цитоплазмы – циклоз (постоянное движение)

Органоиды (органеллы) Органеллы — постоянные компоненты клетки, имеющие определенное строение и выполняющие определенные функции.

Органоиды Одномембранные - Эндоплазматическая сеть: а) гладкая б) шероховатая - Аппарат Гольджи - Лизосомы - Вакуоли - Реснички и жгутики эукариот Двумембранные Немембранные - Ядро - Митохондрии - Пластиды (в растительной): а) хлоропласты б) лейкопласты в) хромопласты - Рибосомы - Клеточный центр -Включения -Цитоскелет -Миофибриллы

Эндоплазматический ретикулум Открыт К. Портером в 1945 г. Строение Одна мембрана образует: Полости Канальцы Трубочки На поверхности мембран – рибосомы Функции: Синтез органических веществ (с помощью рибосом) Транспорт веществ

Аппарат Гольджи Открыт итальянцем Камилло Гольджи в 1898 г Строение Окруженные мембранами полости (цистерны) и связанная с ними система пузырьков. Функции Накопление органических веществ «Упаковка» органических веществ Выведение органических веществ Образование лизосом

Лизосомы Строение: Пузырьки овальной формы (снаружи – мембрана, внутри – ферменты) Функции: – Расщепление органических веществ, – Разрушение отмерших органоидов клетки, – Уничтожение отработавших клеток.

Вакуоль – наполненный жидкостью мембранный «мешочек» . В животных клетках могут наблюдаться небольшие вакуоли, выполняющие фагоцитарную, пищеварительную, сократительную и другие функции. Растительные клетки имеют одну большую центральную вакуоль. Жидкость, заполняющая её, называется клеточным соком. Это концентрированный раствор сахаров, минеральных солей, органических кислот, пигментов и других веществ. Вакуоли накапливают воду, могут содержать красящие пигменты, защитные вещества (например, таннины), гидролитические ферменты, вызывающие автолиз клетки, отходы жизнедеятельности, запасные питательные вещества.

Пероксисомы (микротельца) имеют округлые очертания и окружены мембраной. Их размер не превышает 1, 5 мкм. Пероксисомы связаны с эндоплазматической сетью и содержат ряд важных ферментов, в частности, каталазу, участвующую в разложении перекиси водорода. Пероксисома клетки листа. В центре её кристаллическое белковое ядро.

Митохондрии Состав и строение: Состав и строение 2 Мембраны Наружная Внутренняя(образует выросты – кристы) Матрикс (внутреннее полужидкое содержимое, включающее ДНК, РНК, белок и рибосомы) Функции: Синтез АТФ Синтез собственных органических веществ, Образование собственных рибосом.

Пластиды

Рибосомы • Строение: – Малая – Большая • Состав: • РНК (рибосомная) • Белки. • Функции: – Обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот).

Микротрубочки и микрофиламенты Микротрубочки представляют собой достаточно жёсткие структуры и поддерживают форму клетки, образуя своеобразный цитоскелет. С опорой и движением связана и ещё одна форма органелл – микрофиламенты – тонкие белковые нити диаметром 5– 7 нм. Цитоскелет клетки. Микрофиламенты окрашены в синий, микротрубочки – в зеленый, промежуточные волокна – в красный цвет.

Клеточный центр Строение: 2 Центриоли (расположены перпендикулярно другу) Состав центриолей: Белковые микротрубочки. Свойства: способны к удвоению Функции: Принимает участие в делении клеток животных и низших растений

Базальные тельца

Включения

Ядро имеется в клетках всех эукариот за исключением эритроцитов млекопитающих. У некоторых простейших имеются два ядра, но как правило, клетка содержит только одно ядро. Ядро обычно принимает форму шара или яйца; по размерам (10– 20 мкм) оно является самой крупной из органелл.

Ядро Строение: -Ядерная оболочка (2 мембранная): Наружная мембрана Внутренняя мембрана. -Ядерный сок (белки, ДНК, вода, мин. соли). -Ядрышко (белок и р-РНК). -Хромосомы (хроматин): ДНК Белок.

Ядро Функции: - Регуляция процесса обмена веществ, - Хранение наследственной информации и ее воспроизводство, - Синтез РНК, - Сборка рибосом (рибосомальный белок + рибосомальная РНК)

Ядерная оболочка • Общая толщина оболочки – 30 нм • В оболочке располагаются поры, через которые осуществляется активный и пассивный транспорт: - Из ядра выходят РНК и белки - В ядро входят аминокислоты, ферменты, белки, АТФ.

Функции ядерной оболочки 1. Разделение ядра и цитоплазмы 2. Вращение и перемещение ядра 3. Обмен веществ между ядром и цитоплазмой 4. Разделение транскрипции и трансляции

Хроматин – ДНК, связанная с белками (40% составляет ДНК, 60% - белки) Хроматин находится в клетке в раскрученном состоянии, что необходимо для активации генов.

Хромосомы (от греч. chroma - цвет, краска + soma - тело) Их название введено в литературу В. Вальдейлом в 1883 г

Строение хромосом Схема строения хромосомы в поздней профазе – метафазе митоза: 1—хроматида; 2—центромера; 3—короткое плечо; 4—длинное плечо

Центромера ЦЕНТРОМЕРА (от центр + греч. meros — часть) — специализированный участок ДНК, в районе которого в стадии профазы и метафазы деления клетки соединяются две хроматиды, образовавшиеся в результате дупликации хромосомы.

Хроматида ХРОМАТИДА (от греч. chroma - цвет, краска + eidos - вид) — часть хромосомы от момента ее удвоения до разделения на две дочерние в анафазе. Хроматиды образуются в результате удвоения хромосом в процессе деления клетки.

Функции хромосом Осуществляют координацию и регуляцию процессов в клетке путем синтеза первичной структуры белка, информационной и рибосомальной РНК (и-РНК и р-РНК).

Ядрышко • В ядрышках происходит синтез р. РНК и сборка субъединиц рибосом • В ядре может содержаться несколько ядрышек

Кариотип – набор хромосом, содержащихся в клетках какого-либо вида живых существ. Соматические клетки содержат диплоидный набор хромосом. Половые клетки – гаплоидный набор. Гаплоидный набор хромосом – набор различных по размеру и форме хромосом клеток данного вида, каждая из которых представлена в единственном числе.

Хромосомный набор человека мужчины женщины

Нуклеоплазма (кариоплазма) • • р. Н 7, 4 – 7, 8 70% составляют белки 10 -20% - липиды 0, 5 -10% - минеральные вещества (P, K, Na, Fe, Zn, Co, Au) • Состояние кариоплазмы постоянно меняется в зависимости от физиологического состояния ядра и клетки