Строение и функции клеток

       На  электронных микрофотографиях видно, что митохондрии состоят из двух мембран: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует выросты, называемые кристами, которые сплошь устланы ферментами. Наличие крист увеличивает общую поверхность митохондрий, что важно для активной деятельности ферментов.

       В митохонлриях обнаружены свои специфические  ДНК и рибосомы. В связи с этим они самостоятельно размножаются при  делении клетки.

       Хлоропласты – по форме напоминают диск или шар с двойной оболочкой – наружной и внутренней. Внутри хлоропласта также имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры – граны, связанные между собой и внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран и находится хлорофилл. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.

Клеточные включения. 

       К клеточным включениям относятся углеводы, жиры и белки.

       Углеводы. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза, гликоген (животный крахмал). Многие углеводы хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления всех жизненных процессов. При распаде одного грамма углеводов освобождается    17,2 кДж энергии.

       Жиры. Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Они входят в состав клеточных мембран. Жиры также служат запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении одного грамма жира освобождается 39, 1 кДж энергии.

       Белки. Белки являются основными веществами клетки. Белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота, серы. Часто в состав белка входит фосфор. Белки служат главным строительным материалом. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Многие белки выполняют роль ферментов (ускорителей течения химических реакций). В одной клетке насчитывается до 1000 разных белков. При распаде белков в организме освобождается примерно такое же количество энергии, как и при расщеплении углеводов.

       Все эти вещества накапливаются  в цитоплазме клетки в виде капель и зёрен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.  

Функции клеток. 

       Клетка  обладает различными функциями: деление клетки, обмен веществ и раздражимость. 

Деление клетки. 

       Деление – это вид размножения  клеток. Во время  деления клетки хорошо заметны хромосомы. Набор хромосом в  клетках тела, характерный  для данного вида растений и животных, называется кариотипом.

       В любом многоклеточном организме существует два вида клеток –  соматические (клетки тела) и половые  клетки или гаметы. В половых клетках  число хромосом в  два раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках  все хромосомы  представлены парами – такой набор называется диплоидным и обозначается 2n. Парные хромосомы (одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными.

       В половых клетках  каждая из хромосом в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается n.

       Наиболее  распространённым способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий или фаз, в  результате которых  каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой  был у материнской клетки.

       Во  время подготовки клетки к делению  – в период интерфазы (период между двумя актами деления) число хромосом удваивается. Вдоль  каждой исходной хромосомы  из имеющихся в  клетке химических соединений синтезируется её точная копия. Удвоенная  хромосома состоит из двух половинок – хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК. В период интерфазы в клетке происходит процесс биосинтеза белка, удваиваются также все важнейшие структуры клетки. Продолжительность интерфазы в среднем 10-20 часов. Затем наступает процесс деления клетки – митоз.

       Во  время митоза клетка проходит следующие  четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза  и телофаза.

       В профазе хорошо видны  центриоли – органоиды, играющие определённую роль в делении  дочерних хромосом. Центриоли делятся и расходятся к разным полюсам. От них протягиваются нити, образующие веретено деления, которое регулирует расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки. В конце профазы ядерная оболочка распадается, исчезает ядрышко, хромосомы спирализуются и укорачиваются.

       Метафаза  характеризуется  наличием хорошо видимых  хромосом, располагающихся  в экваториальной плоскости клетки. Каждая хромосома  состоит из двух хроматид и имеет перетяжку  – центромеру, к  которой прикрепляются  нити веретена деления. После деления  центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.

         В анафазе дочерние  хромосомы расходятся  к разным полюсам  клетки.

       В последней стадии – телофазе –  хромосомы вновь  раскручиваются и  приобретают вид  длинных тонких нитей. Вокруг них возникает ядерная оболочка, в ядре формируется ядрышко.

       В процессе деления  цитоплазмы все её органоиды равномерно распределяются между  дочерними клетками. Весь процесс митоза продолжается обычно 1-2 часа.

       В результате митоза все  дочерние клетки содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз – это способ деления клетки, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками, обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

       Биологическое значение митоза огромно. Функционирование органов и тканей многоклеточного организма было бы невозможно  без сохранения одинакового генетического материала в бесчисленных клеточных поколениях. Митоз обеспечивает такие важные процессы жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования (замещение погибших эритроцитов, эпителия кишечника и пр.), восстановление органов и тканей после повреждения. 

Обмен веществ. 

       Основная  функция клетки –  обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно  поступают питательные  вещества и кислород и выделяются продукты распада. Так, клетки человека поглощают  кислород, воду, глюкозу, аминокислоты, минеральные  соли, витамины, а выводят углекислый газ, воду, мочевину, мочевую кислоту и т.д.

       Набор  веществ, свойственный клеткам человека, присущ и многим другим клеткам живых  организмов: всем животным клеткам, некоторым  микроорганизмам. У  клеток зелёных растений характер веществ существенно иной: пищевые вещества у них составляют углекислый газ и вода, а выделяется кислород. У некоторых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений (вика, горох, клевер, соя), пищевым веществом служит азот атмосферы, а выводятся соли азотной кислоты. У микроорганизма, селящегося в выгребных ямах и на болотах, пищевым веществом служит сероводород, а выделяется сера, покрывая поверхность воды и почвы жёлтым налётом серы.

       Таким образом, у клеток разных организмов характер пищевых и выделяемых веществ различается, но общий закон действителен для всех: пока клетка жива, происходит непрерывное движение веществ – из внешней среды в клетку и из клетки во внешнюю среду.

       Обмен веществ выполняет  две функции. Первая функция – обеспечение  клетки строительным материалом. Из веществ, поступающих в клетку, - аминокислот, глюкозы, органических кислот, нуклеотидов – в клетке непрерывно происходит биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Биосинтез – это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. В процессе биосинтеза образуются вещества, свойственные определённым клеткам организма. Например, в клетках мышц синтезируются белки, обеспечивающие их сокращение. Из белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот формируется тело клетки, её мембраны, органоиды. Реакции биосинтеза особенно активно идут в молодых, растущих клетках. Однако биосинтез веществ постоянно происходит в клетках, закончивших рост и развитие, так как химический состав клетки в течение её жизни многократно обновляется. Обнаружено, что «продолжительность жизни» молекул белков клетки колеблется от 2-3 часов до нескольких дней. После этого срока они разрушаются и заменяются вновь синтезированными. Таким образом, клетка сохраняет функции и химический состав.

       Совокупность  реакций, способствующих построению клетки и  обновлению её состава, носит название пластического обмена (греч. «пластикос» - лепной, скульптурный).

       Вторая  функция обмена веществ  – обеспечение  клетки энергией. Любое  проявление жизнедеятельности (движение, биосинтез веществ, генерация тепла и др.) нуждаются в затрате энергии. Для энергообеспечения клетки используется энергия химических реакций, которая освобождается в результате расщепления поступающих веществ. Эта энергия преобразуется в другие виды энергии. Совокупность реакций, обеспечивающих клетки энергией, называют энергетическим обменом.

       Пластический  и энергетический обмены неразрывно связаны  между собой. С  одной стороны, все  реакции пластического  обмена нуждаются  в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакции энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как «продолжительность жизни» молекул ферментов невелика.

       Через пластический и энергетический обмены осуществляется  связь клетки с  внешней средой. Эти процессы являются основным условием поддержания жизни клетки, источником её роста, развития и функционирования.

       Живая клетка представляет собой открытую систему, поскольку между  клеткой и окружающей средой постоянно  происходит обмен  веществ и энергии. 

Раздражимость. 

       Живые клетки способны реагировать  на физические и химические изменения окружающей их среды. Это свойство клеток называется раздражимостью или возбудимостью. При этом из состояния  покоя клетка переходит  в рабочее состояние  – возбуждение. При  возбуждении в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура. В возбуждённом состоянии разные клетки выполняют свойственные им функции. Железистые клетки образуют и выделяют вещества, мышечные клетки сокращаются, в нервных клетках возникает слабый электрический сигнал – нервный импульс, который может распространяться по клеточным мембранам. 

        Роль  органических соединений в осуществлении  функций клетки. 

       Главная роль в осуществлении  функций клетки принадлежит  органическим соединениям. Среди них наибольшее значение имеют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. 

Белки. 

       Белки представляют собой  большие молекулы, состоящие из сотен  и тысяч элементарных звеньев – аминокислот. Всего в живой  клетке известно 20 видов  аминокислот. Название аминокислоты получили из-за содержания в своём составе аминной группы NH₂.

       Белки в обмене веществ  занимают особое место. Ф. Энгельс так  оценил эту роль белков: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». И на самом деле, везде, где есть жизнь, находят белки.

       Белки входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных  тел, поддерживают постоянство водно-солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обязательно участвующие во всех этапах обмена веществ, имеют белковую природу. 

Углеводы. 

       Углеводы  поступают в организм в виде крахмала. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками.

       Углеводы  – главный источник энергии, особенно при  усиленной мышечной работе. Больше половины энергии организм взрослых людей получает за счёт углеводов. Конечные продукты обмена углеводов – углекислый газ и вода.