Клітинний рівень організації життя

Клітинний рівень організації життя

Цитологія (від грецьк. kytos - клітина, logos - учення) - наука про будову, функціонування та еволюцію клітин різних організмів.

На клітинному рівні організації живих систем у кожній клітині відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії, забезпечуються процеси розмноження і передачі нащадкам спадкової інформації.

Історія вивчення клітин тісно пов'язана з розвитком мікроскопічної техніки, адже неозброєним оком вивчати їх неможливо. Саме тому клітини були описані лише в XVH ст.

Клітини відкрив у 1665 році англійський фізик Роберт Гук (16351703), розглядаючи під мікроскопом тонкий зріз корка. Корок - це покривна тканина рослин з непроникними для води та повітря клітинними стінками та відмерлим клітинним вмістом. Комірки (клітинні стінки), які побачив на зрізі корка Гук, нагадали йому голі монастирські келії, і він назвав їх англійським словом cell - камера, клітка, клітина. Отже, 1665 року Роберт Гук запропонував термін "клітина".

Роберт Гук відкрив клітинну будову рослинних тканин. Однак, у даному випадку він мав справу не з живими клітинами, а лише з їхніми стінками.

Пізніше голландець Антоній Левенгук (1632-1723), удосконаливши мікроскоп, уперше побачив живіодноклітинні істоти (інфузорії, бактерії), спостерігав клітини коренеплоду моркви та клітини деяких інших рослин.

Поступово з удосконаленням мікроскопа, не тільки поглиблювалися і розширювалися знання про будову клітини, але й формувалися уявлення про будову багатоклітинних організмів. До середини ХІХ ст. нагромадилось багато знань про клітину та клітинну будову рослин і тварин. Так, 1831 року англійський ботанік Роберт Броун (1773-1858) описав ядро рослинних клітин.

Німецький ботанік Матіас Шлейден (1804-1881), узагальнивши спостереження своїх попередників, довів, що всі рослини складаються з клітин. Учений вважав, що нові клітини утворюються зі "слизу" всередині старих, причому головну роль у цьому процесі відіграє ядро. Так було доведено, що ядро є обов'язковим компонентом клітин рослин і тварин. Теодор Шванн, порівнявши клітини рослин і тварин, побачив їхню схожість. Ці знання стали основою для створення клітинної теорії (1839 р.) будови живих організмів.

Основні положення клітинної теорії, сформульовані Теодором Шванном: 

всі організми складаються з клітин 

клітини рослин і тварин подібні за головними рисами 

ріст і розвиток організмів пов' язані з утворенням клітин. 

Деякі положення клітинної теорії були, із сучасної точки зору, зовсім неправильними. Вважалося, наприклад, що головне в клітині - її оболонка; організм багатоклітинних організмів розглядався як проста сума клітин; до того ж не був з' ясований механізм утворення клітин. Один із цих "недоліків" виправив у 1859 році німецький учений Рудольф Вірхов (1821-1902), який довів, що клітини виникають тільки з клітин-попередників внаслідок їхнього поділу.

Створення клітинної теорії відноситься до числа найбільших відкриттів першої половини ХІХ ст. Клітинна теорія дала поштовх до вивчення загальних властивостей живих організмів, показала глибоку єдність всієї живої природи.

На сучасному етапі розвитку цитології клітинна теорія включає такі положення: 

клітина - елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів 

клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за походженням, будовою, хімічним складом, основними процесами життєдіяльності 

кожна нова клітина утворюється тільки в результаті поділу материнської клітини 

у багатоклітинних організмів, які розвиваються з однієї клітини (спори, зиготи тощо), різні типи клітин формуються завдяки виконанню різних функцій, або їхній спеціалізації протягом індивідуального розвитку особини і утворюють тканини 

у багатоклітинному організмі функціонування клітин підпорядковано інтересам цілісного організму 

Будова та функції клітини

Основні групи органел. Органели — постійні внутрішньоклітинні структури, що мають певну будову і виконують відповідні функції. Органели діляться на дві групи: мембранні та немембранні. Мембранні органели представлені двома варіантами: двумембранним і одному — лайливим. Двумембраннимі компонентами є пластиди, мітохондрії і клітинне ядро. До одномембранних відносяться органели вакуолярної системи — ендоплазматичний рети- Кулум, комплекс Гольджі, лізосоми, вакуолі рослинних і грибних клітин, пульсуючі вакуолі та ін До немембранні орга — Неллі належать рибосоми і клітинний центр, постійно присутні в клітині. Виразність елементів цитоскелету (постійного компонента клітини) може значно змінюватися протягом клітинного циклу — від повного зникнення одного компонента (наприклад, цитоплазматичних трубочок під час поділу клітини) до появи нових структур (веретена поділу).

Загальною властивістю мембранних органел є те, що всі вони побудовані з ліпопротеїдних плівок (біологічних мембран), що замикаються самі на себе так, що утворюються замкнуті порожнини, або відсіки. Внутрішній вміст цих відсіків завжди відрізняється від гіалоплазми.

Двумембранние органели. До двумебранним органелами відносяться пластиди і мітохондрії. Пластида — характерні органели клітин автотрофних еукаріотичних організмів. Їх забарвлення, форма і розміри дуже різноманітні. Розрізняють хло — Ропласто, хромопласти і лейкопласти.

Хлоропласти мають зелений колір, обумовлений присутністю основного пігменту — хлорофілу. Хлоропласти містять також допоміжні пігменти — каротиноїди (помаранчевого кольору). За формою хлоропласти — це овальні лінзовидні тільця розміром (5-10) х (2-4) мкм. В одній клітці листа може перебувати 15-20 і більше хлоропластів, а у деяких водоростей — лише 1 -2 гігантських хлоропласта (хроматофора) різної форми.

Зовнішня мембрана відмежовує рідку внутрішню гомогенну середу хлоропласта — строму (матрикс). У стромі містяться білки, ліпіди, ДНК (кільцева молекула), РНК, рибосоми і запасні речовини (ліпіди, крохмальні і білкові зерна) а також ферменти, що беруть участь у фіксації вуглекислого газу.

Внутрішня мембрана хлоропласта утворює впячивания всередину строми — тилакоїди, або ламелли, які мають форму сплощені мішечків (цистерн). Кілька таких тілакоі -дов, що лежать один над одним, утворюють гран, і в цьому випадку вони називаються тілакоїдамі грани. Саме в мембранах тила — КОІД локалізовані світлочутливі пігменти, а також переносники електронів і протонів, які беруть участь у поглинанні і перетворенні енергії світла.

Хлоропласти в клітці здійснюють процес фотосинтезу.

Лейкопласти — дрібні безбарвні пластиди різної форми. Вони бувають кулястими, еліпсоїдними, гантелевід -ними, чашоподібними і т. д. У порівнянні з хлоропластами у них слабо розвинена внутрішня мембранна система.

Лейкопласти в основному зустрічаються в клітинах органів, прихованих від сонячного світла (коренів, кореневищ, бульб, насіння). Вони здійснюють вторинний синтез і накопичення запасних поживних речовин — крохмалю, рідше жирів і білків.

Хромопласти відрізняються від інших пластид своєрідною формою (дисковидной, зубчастої, серповидної, трикутної, ром-

біческім тощо) і забарвленням (помаранчеві, жовті, червоні). Хромопласти позбавлені хлорофілу і тому не здатні до фотосинтезу. Внутрішня мембранна структура їх слабо виражена.

Хромопласти присутні в клітинах пелюсток багатьох рослин (лютиков, калужница, нарцисів, кульбаб та ін), зрілих плодів (томати, горобина, конвалія, шипшина) і коренеплодів (морква, буряк), а також листя в осінню пору. Яскравий колір цих органів обумовлений різними пігментами, що відносяться до групи каргіноідов, які зосереджені в хромопласти. Таким чином, весь процес взаємоперетворення пластид можна представити у вигляді ряду змін, що йдуть в одному напрямку — від пропластид до хромопластів.

Мітохондрії — невід’ємні компоненти всіх еукаріот — чеських клітин. Вони являють собою гранулярні або нітепо — добние структури товщиною 0,5 мкм і довжиною до 7-10 мкм.

Мітохондрії обмежені двома мембранами — зовнішньої і внутрішньої (рис. 1.9). Між зовнішньою і внутрішньою мембранами є так зване перімітохондріал’ное простір, який є місцем скупчення іонів водню Н + Зовнішня мітохондріальна мембрана відокремлює її від гіало — плазми. Внутрішня мембрана утворює безліч впячіваній всередину мітохондрій — так званих крист. На мембрані крист або всередині неї розташовуються ферменти, у тому числі переносники електронів та іонів водню Н +, які беруть участь у кисневому диханні. Зовнішня мембрана відрізняється високою проникністю, і багато з’єднання легко проходять через неї. Внутрішня мембрана менш проникна. Обмежене нею внутрішній вміст мітохондрії { матрикс) за складом близько до цитоплазмі. Матрикс містить різні білки, в тому числі ферменти, ДНК (кільцева молекула), всі типи РНК, амінокислоти, рибосоми, ряд вітамінів. ДНК забезпечує деяку генетичну автономність мітохондрій, хоча в цілому їх робота координується ДНК ядра.

Ядра наявні в усіх еукаріотичних клітинах, окрім деяких високодиференційованих типів, таких як еритроцити ссавців і ситоподібні трубки флоеми рослин. Інколи трапляються багатоядерні клітини: наприклад, у деяких найпростіших, зокрема інфузорії туфельки, наявні два функціонально різні ядра — макронуклеус і мікронуклеус, також існують клітини із кількома однаковими ядрами, наприкладм'язові волокна. Проте у більшості клітин є одне ядро розміром близько 10 мкм, його добре помітно під світловим мікроскопом.

Ядро необхідне для функціонування клітини, оскільки саме воно містить генетичну інформацію у формі ДНК. Тут відбувається не тільки збереження, а й реалізація спадкової інформації: процеси транскрипції, що є початковим етапом біосинтезу білків, які регулюють переважну більшість процесів у клітині, та реплікації, що забезпечують точне відтворення ДНК клітини для дочірних клітин. Ядро оточене двошаровою ядерною оболонкою, в якій є отвори — ядерні пори. Заповнює ядро нуклеоплазма (ядерний сік), у ній розміщується комплекс ДНК і білків — хроматин. Також у структурі ядра виділяють щільнішу структуру, не відмежовану мембранами — ядерце.

Рибосоми — дрібні органели (діаметром близько 20 нм) не оточені мембраною. Відповідають за здійснення трансляції — синтезу поліпептидного ланцюга на матриці мРНК. Рибосома побудована із двох субодиниць — великої і малої, до складу кожної входить приблизно однакова за масою кількість білків та рРНК. Існує два основних типи рибосом — менші 70S, наявні у прокаріотичних клітинах, мітохондріях і пластидах, і дещо більші (80S рибосоми) цитоплазми еукаріот.

Більшість мембран еукаріотичної клітини є частиною ендомембранної системи, функціями якої є здійснення кінцевих етапівбіосинтезу більшості білків, та їх транспорт до відповідних органел або назовні клітини, метаболізм і транспорт ліпідів та детоксикаціяотруйних речовин. Всі мембрани цієї системи або безпосередньо переходять одна в одну, або пов'язані за допомогою маленьких мембранних мішечків — везикул, проте, не зважаючи, на такий зв'язок вони можуть суттєво відрізнятись за властивостями і функціями. До ендомембранної системи належать ендоплазматичний ретикулум (ЕПР) або ендоплазматична сітка, ядерна оболонка,апарат (комплекс) Гольджі, лізосоми, секреторні везикули та плазмалема.

Цитоплазма клітини складається із водянистої основної речовини — гіалоплазми, у якій розташовані органели, нитки цитоскелету та (інколи) клітинні включення.

Гіалоплазма або основна речовина цитоплазми приблизно на 90% складається з води, в якій розчинені всі основні біомолекули: солі, цукри, амінокислоти, нуклеотиди,вітаміни і гази утворюють істинний розчин, тоді як великі молекули, зокрема білки, перебувають у колоїдному розчині. У гіалоплазмі відбувається велика кількість метаболічних процесів, зокрема гліколіз. Вона може змінювати свої властивості, переходячи зі стану золю до стану густішого гелю. Спостерігаючи за живою цитоплазмою клітини, зазвичай, можна помітити, що вона рухається. Найкраще видно рух мітохондрій і пластид, це явище називають циклозом.

Рибосоми

Трансляція і транспортполіпептидного ланцюга до порожнини ендоплазматичного ретикулуму за участі рибосоми: велика субодиниця зелена, мала — жовта, тРНК — темно-сині

Рибосоми — дрібні органели (діаметром близько 20 нм) не оточені мембраною. Відповідають за здійснення трансляції — синтезу поліпептидного ланцюга на матриці мРНК. Рибосома побудована із двох субодиниць — великої і малої, до складу кожної входить приблизно однакова за масою кількість білків та рРНК. Існує два основних типи рибосом — менші 70S, наявні у прокаріотичних клітинах, мітохондріях і пластидах, і дещо більші (80S рибосоми) цитоплазми еукаріот.

В еукаріотичних клітинах виділяють дві основні популяції рибосом: вільні і пов'язані з ендоплазматичним ретикулумом (ЕПР). Ці дві групи не відрізняються структурою, а лише синтезованими білками: вільні рибосоми синтезують цитоплазматичні білки, тоді як нашЕПР відбувається утворення мембранних і секреторних білків. Часто кілька рибосом рухаються одна за одною вздовж одного ланцюга мРНК, синтезуючи поліпептидні ланцюги, такі об'єднання рибосом називають полірибосомами або полісомами.