Структура еукаріотичної клітини: цитоплазма, двомембранні, одномембранні та немембранні органели клітини. Теорія.

Опрацюйте теоретичний матеріал. Безпосередньо під плазматичною мембраною розташований уміст клітини — цитоплазма. Історично склалося так, що під цитоплазмою розуміють увесь уміст клітини, крім ядра. У цитоплазмі можна виділити як рідку частину — цитозоль, так й оформлені органели. У цитозолі відбуваються різноманітні біохімічні процеси. Внутрішньоклітинні мембрани. Усі клітини сформовані системою біологічних мембран (біомембран), які відіграють важливу роль у забезпеченні їхнього нормального функціонування. Внутрішнє середовище клітини поділене внутрішньоклітинними мембранами на окремі функціональні ділянки. Органели - постійні клітинні структури клітини. Кожна з органел забезпечує відповідні процеси життєдіяльності клітини (живлення, рух, синтез певних сполук, зберігання й передачу спадкової інформації тощо). Така система мембран необхідна для розміщення певних речовин (ферментів, пігментів та ін.), а також розділення просторово несумісних процесів обміну речовин і перетворення енергії, захисту певних ділянок клітини від дії травних ферментів тощо. У біологічних мембранах відбуваються процеси, пов’язані зі сприйняттям інформації, яка надходить із навколишнього середовища, формуванням і передачею збудження, перетворенням енергії, захистом від проникнення хвороботворних мікроорганізмів та іншими проявами життєдіяльності клітин, органів і організму в цілому. Внутрішньоклітинні мембрани (одна, дві чи більша їхня кількість) оточують різноманітні органели. Серед внутрішньоклітинних структур тваринної клітини найбільше виділяються органели, оточені власною мембраною. Сукупність органел, оточених однією мембраною, утворює вакуом клітини. Це пухирці, трубочки, диски та сітчасті структури. Центральним у вакуомі є ендоплазматичний ретикулум (ендоплазматична сітка) (ЕПР, ЕПС) (мал.1)— безперервна мережа трубочок і цистерн, що займає значну частину клітини. ЕПР розмежований на два відділи. Перший — це шорсткий ендоплазматичний ретикулум, що залучений до біосинтезу білка й називаний так тому, що його мембрана вкрита рибосомами. Інший — гладкий ендоплазматичний ретикулум, позбавлений рибосом. Гладкий ЕПР залучений до синтезу ліпідів, а також слугує місцем скупчення йонів Кальцію. ЕПР дає початок іншим компонентам вакуому, утворюючи везикули (мембранні пухирці), які згодом зливаються з іншою структурою вакуому — апаратом Гольджі (мал. 1.).Мал. 1. Одномембранні органели: схема взаємоперетворень1. Ядерна оболонка. 2. Шорсткий ЕПР. 3. Рух везикул від ЕПР до апарату Гольджі. 4. Утворення первинних лізосом. 5. Виведення речовин. 6. Поглинання речовин. 7. Травна вакуоля (вторинна лізосома). 8. Гладкий ЕПР. Апарат Гольджі тваринної клітини має характерну будову: він складається з мембранних дисків, розширених із боків і зібраних у стоси. В апараті Гольджі відбуваються процеси дозрівання мембранних та секреторних білків, синтезованих в ЕПР, а також їх сортування. Під час сортування клітина вирішує, чи білок залишиться «працювати» всередині клітини, чи буде виділений назовні. Білки, що спрямовуються назовні, потрапляють до складу транспортних везикул. Потім вони зливаються з плазматичною мембраною клітини, при цьому вміст везикули переходить до зовнішнього середовища, а мембранні ліпіди та білки переходять до складу плазматичної мембрани. Ще один тип везикул, що виробляються апаратом Гольджі, — це лізосоми. Лізосоми — це травні органели, що містять травні ферменти. Вони перетравлюють часточки їжі або цілі органели та клітини. Вакуолі - органели клітини, які мають вигляд порожнин, оточених мембраною і заповнених рідиною. Вакуолі рослинних клітин утворюються з пухирців, які відокремлюються від ендоплазматичної сітки. Згодом дрібні вакуолі зливаються в більші, які можуть охоплювати майже весь об’єм цитоплазми (мал. 2). Такі вакуолі заповнені клітинним соком - водним розчином органічних і неорганічних сполук. Функції вакуоль клітин рослин різноманітні: вони підтримують внутрішньоклітинний тиск, забезпечуючи збереження форми клітин, у них містяться запасні поживні речовини, кінцеві продукти обміну або пігменти. Червоні, сині, жовті тощо пігменти, які розчиняються у клітинному соку, зумовлюють забарвлення певних типів рослинних клітин (червоний колір плодів вишні, коренеплодів редису, пелюсток тощо). Завдяки напівпроникності через мембрани вакуоль відбувається транспорт речовин із цитозолю в їхню порожнину і навпаки. Мал. 2. Вакуоля в рослинній клітині: 1 - вакуоля з клітинним соком; 2 - ядро; 3 - хлоропласти. II. Будова скоротливої вакуолі інфузорії-туфельки (1) У клітинах прісноводних одноклітинних тварин і водоростей є скоротливі вакуолі - вкриті мембраною пухирці (мал.2), здатні змінювати свій об’єм, виводячи свій вміст назовні. Це пов’язано з тим, що в прісній воді концентрація солей значно нижча, ніж у цитоплазмі. Тому, згідно з фізичними законами, вода з навколишнього середовища надходить до клітини, підвищуючи тиск усередині неї. Стінки вакуоль скорочуються завдяки скоротливим білкам, які входять до складу їхніх оболонок. Таким чином, скоротливі вакуолі регулюють внутрішньоклітинний тиск, виводячи надлишок води з клітини і запобігаючи її руйнуванню. В особливу групу треба виокремити цитоплазматичні органели, оточені двома мембранами. У тварин такими органелами є мітохондрії. Будова «класичної» мітохондрії зображена на малюнку 3. Мітохондрія має оболонку з двох мембран. Зовнішня мембрана мітохондрії гладка й оточує мітохондрію, наче панчоха, натомість внутрішня мембрана нерівна, містить численні складки — кристи, що збільшують її поверхню в багато разів. У різних організмів вони можуть мати вигляд пластинок, трубочок, пухирців. Під внутрішньою мембраною розташований мітохондріальний матрикс — рідкий уміст мітохондрії. Важливо зазначити, що мітохондрії мають власну ДНК, а також апарат синтезу білка. ДНК розташована в матриксі й не оточена якимись додатковими мембранними структурами. Мітохондріом — сукупність мітохондрій клітиниМал. 3. Будова мітохондрії1. Зовнішня мембрана. 2. Внутрішня мембрана. 3. Криста. 4. Матрикс. Мітохондрії є енергетичними станціями клітини. Саме в них здійснюються процеси останніх етапів клітинного дихання тварин: окиснення органічних сполук киснем до вуглекислого газу та води з виділенням енергії. Більшість етапів клітинного дихання відбувається на внутрішній мембрані мітохондрії, саме тому її площа збільшена в багато разів завдяки наявності складок. Дуже часто мітохондрії значно відрізняються за своєю формою від зображеної на малюнку 3. Наприклад, мітохондрії м’язових волокон зливаються між собою, утворюючи єдину мережу, що пронизує всю цитоплазму, — мітохондріальний ретикулум (мал.4, А).Рис. 4. Приклади мітохондрій у різних типах клітинA. Мітохондрії м’язової клітини (забарвлені в червоний колір). Б. Клітина сполучної тканини людини (мітохондрії забарвлені в червоний колір, ядро — у блакитний). B. Дріжджі (мітохондрії забарвлені в зелений колір). Така структура ефективніше постачає енергію скоротливим структурам м’язового волокна. В інших клітинах іноді буває до кількох тисяч мітохондрій, а в багатьох найпростіших у клітині є лише одна велика мітохондрія (мал. 4, Б, В). Пластиди - органели клітин рослин і деяких одноклітинних тварин (наприклад, евглени зеленої). Відомо три типи пластид - хлоропласти, хромопласти, лейкопласти, які різняться за забарвленням, особливостями будови та функціями. У клітинах певних груп водоростей (червоних, бурих тощо) колір хлоропластів може бути не зеленим. Це пояснюється тим, що у них, крім хлорофілу, є й інші пігменти - червоні, жовті, бурі тощо. У хлоропластах, як і в мітохондріях, синтезуються молекули АТФ. Хлоропласти (від грец. хлорос - зелений) - пластиди, зазвичай забарвлені в зелений колір завдяки наявності пігменту хлорофілу (мал. 5). В них відбуваються процеси фотосинтезу.Мал. 5. Внутрішня будова хлоропласта: І. Фото, зроблене за допомогою електронного мікроскопа. II. Схема будови: 1 - строма; 2 - грани тилакоїдів; 3 - зовнішня мембрана; 4 - внутрішня мембрана Хлоропласти можуть мати різну форму У клітинах водоростей хлоропласти можуть мати вигляд чаші, незамкненого пояска, спірально закручених стрічок тощо (мал. 6).Мал. 6. Різна форма хлоропластів у клітинах зелених водоростей: 1 - стрічкоподібні в клітинах спірогіри; 2 - у вигляді незамкненого кільця в клітинах улотрикса; 3 - чашоподібний у клітині хламідомонади Як і в мітохондрій, зовнішня мембрана хлоропластів гладенька, а внутрішня утворює вирости, спрямовані всередину органели. Речовина, що заповнює внутрішній простір хлоропласта, має назву строма (мал. 5). З внутрішньою мембраною пов’язані структури - тилакоїди. Це пласкі цистерни, оточені мембраною. Дрібні тилакоїди зібрані в грани, що нагадують стоси монет. У тилакоїдах містяться основні (хлорофіли) та допоміжні (каротиноїди) пігменти, а також усі ферменти, потрібні для здійснення фотосинтезу. У стромі хлоропластів є молекули ДНК, різні типи РНК, рибосоми, зерна запасного полісахариду (переважно крохмалю). Лейкопласти - безбарвні пластиди різноманітної форми, у яких запасаються деякі сполуки (крохмаль, білки тощо). У стромі лейкопластів містяться ферменти, які забезпечують синтез і розщеплення запасних речовин. Лейкопласти можуть бути повністю заповнені зернами крохмалю. Хромопласти - пластиди, забарвлені в різні кольори (жовтий, червоний, фіолетовий). Забарвлення їм надають пігменти (переважно каротиноїди), які в них накопичуються. Оскільки хлорофіл у хромопластах відсутній, зеленого забарвлення вони не мають. Хромопласти надають певного забарвлення пелюсткам квіток, плодам, листкам тощо. Внутрішня система мембран у хромопластах відсутня або утворена окремими тилакоїдами. Пластиди одного типу здатні перетворюватись на пластиди іншого. Так, лейкопласти можуть перетворюватися на хлоропласти або хромопласти. Під час старіння листків, стебел, дозрівання плодів у хлоропластах руйнується хлорофіл, спрощується будова внутрішньої мембранної системи, і вони перетворюються на хромопласти. Хромопласти є кінцевим етапом розвитку пластид: на пластиди інших типів вони не перетворюються. У чому полягає автономія мітохондрій і хлоропластів у клітині? Хлоропласти та мітохондрії, на відміну від інших органел, характеризуються певною мірою незалежним функціонуванням від інших структур клітини. Ці органели містять власну спадкову інформацію - кільцеву молекулу ДНК, а також здатні синтезувати власні білки. Вони не виникають з інших мембранних структур клітини, а розмножуються поділом.Немембранні органели. Обов’язковими органелами будь-яких клітин є рибосоми. Це немембранні органели, які беруть участь у біосинтезі білків у клітині. Рибосоми мають вигляд сферичних тілець, що складаються з двох різних за розмірами частин - субодиниць: великої та малої (мал. 7). Кожна із субодиниць містить рРНК і молекули білків, які взаємодіють між собою. Субодиниці рибосом можуть роз’єднуватися після завершення синтезу білкової молекули і знову сполучатися між собою перед початком цього процесу.Мал. 7. Будова рибосоми. І. Роз’єднані велика (1) та мала (2) субодиниці. II. Велика (1) та мала (2) субодиниці у складі рибосоми Структурні компоненти рибосом утворюються в ядрі за участі ядерець: на молекулі ДНК синтезується рРНК, яка сполучається з рибосомними білками, що надходять сюди із цитоплазми. Після цього утворені субодиниці рибосом виходять за межі ядра в цитоплазму. Рибосоми є і в таких органелах, як мітохондрії та пластиди. Але їхні розміри дрібніші, ніж у тих, які містяться у цитоплазмі клітини. Клітинний центр (центросома) - органела, яка складається з двох центріолей, розташованих у світлій ущільненій ділянці цитоплазми (мал. 8). Центріолі мають вигляд циліндра, який складається з дев’яти комплексів мікротрубочок, по три в кожному. У період між двома поділами клітини центріолі пов’язані із зовнішньою поверхнею ядерної оболонки. Вони є в клітинах багатьох багатоклітинних тварин, але відсутні в клітинах вищих рослин, деяких грибів, водоростей та одноклітинних тварин. Їхня функція полягає в тому, що ці структури беруть участь у поділі клітини. Клітинний центр бере участь у формуванні мікротрубочок цитоплазми, джгутиків і війок.Мал. 8. Будова клітинного центру: І. Фото, зроблене за допомогою електронного мікроскопа.II. Схема будови центріолей: 1 - групи мікротрубочок по три у кожній