Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Несмотря на то что все организмы состоят из клеток и все клетки сходны по своему химическому составу, среди них можно выделить две довольно чётко различающиеся группы: эукариотические и прокариотические клетки. Все животные, растения и грибы состоят из эукариотических клеток (от греч. «эу» – настоящий, правильный и «карион» – ядро) (рис. 46). Главным отличием такой клетки от прокариотической является наличие клеточного ядра.

Каждая клетка окружена плазматической мембраной (рис. 47). Основу мембраны составляет двойной слой молекул жироподобных веществ – фосфолипидов. Как известно, жиры – гидрофобные соединения, поэтому такая мембрана затрудняет прохождение в клетку хорошо растворимых в воде веществ, в том числе некоторых солей. Кроме того, в состав плазматической мембраны обязательно входят белки, одни из которых находятся на её внешней стороне, другие – на внутренней, а третьи пронизывают мембрану насквозь. Мембранные белки играют очень важную роль в деятельности клетки. Некоторые из них являются рецепторами, с помощью которых клетка реагирует на различные воздействия. Белки, пронизывающие мембрану, часто образуют каналы, через которые проходят различные ионы и другие вещества, в том числе и хорошо растворимые в воде.

В некоторых клетках мембрана способна впячиваться, затягивая в клетку питательные вещества. Так, например, питаются амёбы, лейкоциты поглощают бактерии. Это явление называют эндоцитозом. Обратный процесс, при котором вещества через мембрану выводятся из клетки, называют экзоцитозом.

Рис. 46. Строение эукариотической клетки

Рис. 47. Строение мембраны

Ядро служит хранилищем наследственной информации и регулирует основные процессы, протекающие в клетке. Чаще всего клетка содержит только одно ядро, однако в некоторых случаях их может быть два, а иногда и гораздо больше. По форме ядро обычно является шаровидным, хотя встречаются ядра и более сложной формы. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран и имеющей крупные поры. Через поры проходят большие молекулы РНК и белков.

Рис. 48. Организация генетического материала в клетке

Жидкое содержимое ядра называют кариоплазмой. В кариоплазме находится одна или несколько мелких уплотнённых структур – ядрышек – и хроматин. Хроматин – это соединение ДНК со специальными белками (рис. 48). Белки, во-первых, выполняют функции ферментов, а во-вторых, «упаковывают» ДНК, переводя её в скрученное состояние. Дело в том, что если молекулу ДНК растянуть, она окажется огромной по сравнению с размерами ядра клетки. Суммарная длина всех молекул ДНК в ядре соматической клетки превышает 1 м, в то время как размер ядра не больше нескольких микрометров. Поэтому, для того чтобы разместиться внутри ядра и не запутаться, каждая молекула ДНК поддерживается специальными белками (гистонами), которые служат её «крепёжным материалом».

Молекулы ДНК в скрученном состоянии называют хромосомами. Число молекул ДНК во всех клетках определённого вида живых организмов всегда строго одинаково. В соматических клетках каждая хромосома имеет свою пару, т. е. такая клетка содержит двойной набор одинаковых хромосом. Такой набор называют диплоидным, а хромосомы, имеющие одинаковые размеры и форму, называют гомологичными (рис. 49). В соматических клетках человека содержится 46 хромосом, т. е. 23 пары. В половых клетках (гаметах) число хромосом вдвое меньше, чем в соматических. Такой «половинный» набор называют гаплоидным. Во время оплодотворения отцовская и материнская гаплоидные гаметы сливаются, их хромосомные наборы объединяются и образуется клетка с диплоидным набором (зигота). Из этой клетки путём деления образуются все клетки нового развивающегося организма.

Рис. 49. Диплоидный набор хромосом человека: А – женщины, Б – мужчины

У мужчин и женщин 22 пары хромосом одинаковы. Такие хромосомы называют аутосомами. 23-я пара – это половые хромосомы, они могут быть двух видов, называемых X и Y. Все яйцеклетки женщины содержат X-хромосому, а в сперматозоидах может находиться либо X-, либо Y-хромосома. Пол будущего ребёнка зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку: если несущий Y-хромосому – будет мальчик с набором половых хромосом XY, а если с X-хромосомой – девочка с набором XX.

Между ядром и наружной мембраной находится цитоплазма. В её студенистой среде расположены органоиды – структуры, выполняющие в клетке различные функции. Существуют одномембранные, двухмембранные и немембранные органоиды. Рассмотрим сначала строение одномембранных органоидов.

Вся цитоплазма пронизана сложной сетью микроскопических трубочек и полостей – эндоплазматической сетью (ЭПС). ЭПС связана и с наружной плазматической мембраной, и с внешней мембраной ядерной оболочки. На поверхности ЭПС происходит синтез многочисленных биологически активных веществ. Существуют участки ЭПС, на каналах которой расположены рибосомы – немембранные органоиды, синтезирующие белок. Такие участки называют шероховатой ЭПС. В гладкой ЭПС, где нет рибосом, синтезируются многие углеводы и липиды. Продвигаясь по каналам, вещества могут менять свою структуру, объединяться в комплексы и приобретать биологическую активность. В конце концов готовые вещества поступают в систему внутриклеточных полостей и цистерн, которую называют комплексом или аппаратом Гольджи. Это своеобразный сортировочный и упаковочный цех, где вещества упаковываются в мембранные пузырьки и либо перемещаются в ту часть клетки, где они необходимы, либо выводятся за пределы клетки (рис. 50).

Рис. 50. Строение и функционирование аппарата Гольджи и принцип работы лизосомы

Важной функцией комплекса Гольджи служит образование лизосом – органоидов, служащих для переваривания попавших в клетку питательных веществ. Лизосома – это одномембранный пузырёк с ферментами. Когда клетка захватывает питательные вещества, то пищеварительная вакуоль сливается с лизосомой и происходит переваривание. В некоторых случаях лизосомы активизируются, выделяют своё содержимое в цитоплазму и переваривают саму клетку. Так, например, происходит во время превращения головастика во взрослую лягушку. Хвост головастика при этом не отваливается, а переваривается лизосомами. Образующиеся при этом питательные вещества усваиваются другими клетками.

ЭПС, комплекс Гольджи и лизосомы – это одномембранные органоиды. Двухмембранными органоидами являются митохондрии и пластиды. Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Они запасают энергию, поэтому их часто называют «энергетическими станциями» клетки. Число митохондрий в клетке зависит от её потребности в энергии и может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч.

Пластиды присутствуют только в клетках растений. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, благодаря которому происходит фотосинтез. В клетке листа растения содержится обычно несколько десятков хлоропластов. В хромопластах вместо хлорофилла находятся пигменты красно-оранжевого цвета, которые определяют окраску цветов, плодов и осенних листьев. Третья разновидность пластид – бесцветные лейкопласты выполняют запасательную функцию.

Строение митохондрий и пластид схоже. И те и другие имеют две мембраны: внешнюю гладкую и внутреннюю, образующую складки. В мембранах этих складок, которые в митохондриях называются кристами, а в хлоропластах – тилакоидами, происходят основные процессы энергетического обмена и фотосинтеза. Митохондрии и пластиды называют полуавтономными органоидами. Они имеют собственные ДНК, рибосомы и способны размножаться делением. Существует мнение, что митохондрии и пластиды когда-то были самостоятельными прокариотическими организмами, которые в процессе эволюции были захвачены другими прокариотами. Потеряв самостоятельность, они стали органоидами и перешли к обитанию внутри клеток.

Форму клетке помогает поддерживать опорная система, так называемый цитоскелет. Он состоит из микротрубочек, которые имеют диаметр около 20 нм и пронизывают всю цитоплазму. Микротрубочки образуются в органоиде, называемом клеточным центром. Клеточный центр состоит из двух частиц – центриолей – и играет важную роль в процессе клеточного деления.