Лекция 2. Строение клетки (1)

1.

Лекция 2. Структурные компоненты клетки

2.

Клетки различных организмов очень разнообразны по форме, составу, размерам и
выполняемым функциям. Клетка любого организма, представляет собой целостную
живую систему.
Несмотря на выполнение различных функций и разные размеры, общий план строения
клеток похож. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей:
оболочки, цитоплазмы, ядра.
В типичной животной клетке выделяют следующие структуры:
мембрана; ядро; цитоплазма; эндоплазматическая сеть (ЭПС); комплекс Гольджи;
лизосомы; митохондрии; рибосомы; клеточный центр; органоиды движения.

3.

1.
2.
3.
4.
5.
ядро;
ядрышко;
митохондрия;
эндоцитозное впячивание;
лизосома;
7. гладкая эндоплазматическая сеть;
8. шероховатая эндоплазматическая сеть;
9. рибосомы;
10. комплекс Гольджи;
11. плазматическая мембрана.

4.

Клеточная мембрана (плазмалемма)
Основой мембраны является липидный бислой, в котором гидрофобные хвосты
фосфолипидов обращены внутрь, а гидрофильные головки – наружу. С липидным
бислоем связаны белки (до 60%) – они могут примыкать к липидному бислою,
погружаться в него или пронизывать его насквозь.

5.

•Интегральные белки пронизывают
мембрану насквозь;
•полуинтегральные погружены в мембрану
на различную глубину;
•периферические находятся возле
поверхности липидного бислоя;
Периферические
белки
связаны
с
гидрофильными головками бислоя
при
помощи нековалентных (ионных, водородных)
связей. Белки такого типа легко отделить от
мембраны, не нарушив ее целостность.
Интегральные белки прочно удерживаются в
мембране. Они обладают амфипатическими
свойствами: имеют гидрофобные области,
взаимодействующие
с
гидрофобными
радикалами
липидных
молекул
внутри
бислоя,
и
гидрофильные
области,
обращенные с обеих сторон мембраны к
жидкой среде.

6.

Строение фосфолипидного
бислоя.
С 70-х годов XX века стали
говорить
о
жидкостномозаичном
строении
клеточной мембраны.
"The cell membrane
is not a static barrier.
It's always moving, its
thickness fluctuating
and waves rippling
through it"
when warmed to around body
temperature, the membrane
thickness fluctuated by up to 8
percent roughly every 100
nanoseconds

7.

The properties of phospholipids change discontinuously with
temperature. This type of variation is called phase transition. When the
temperature is low, the lipid bilayer enters the crystalline phase, and
when the temperature increases, it transitions through a gel phase to a
liquid crystalline phase. In the crystalline phase, when the
hydrocarbon chains of the phospholipids are stretched out, the chains
are bound to each other by Van der Waals interactions, making it
difficult for the phospholipids to move. On the other hand, in the liquid
crystalline phase, when the hydrocarbon chains are bent and their
mutual bonds are weak, the phospholipids actively move by molecular
motion. Examples of this include rotation, lateral and transverse
diffusion (flip-flop) of phospholipids, and flexion motion of the fatty acid
moiety. Such active movement of phospholipids increases with
increase in temperature,and this provides the fluidity required to
perform the various functions of biological membranes. In addition, the
inner and outer layers of the lipid bilayer that constitute biological
membranes have different proportions of lipid components. These
differences are regulated by flip-flop of lipids.
Непременным
участником
мембран
является
холестерин.
Количество
холестерина в мембране регулирует ее
консистенцию,
иными
словамиподвижность
и
проницаемость.
С
повышением
содержания
холестерина
бислой
липидов
становится
менее
подвижным на внешних поверхностях и
более
подвижным
во
внутреннем,
гидрофобном слое.

8.

Липидные рафты - особые участки клеточной мембраны, обогащённые
сфинголипидами и холестерином. Эти участки координируют клеточные процессы,
влияют на текучесть мембраны, служат организующими центрами для сборки
сигнальных молекул, регулируют перемещение мембранных белков. Липидные
рафты более структурированы и упакованы плотнее, чем окружающий их
липидный бислой, поэтому они способны свободно в нём перемещаться

9.

Функции клеточной мембраны
1. Барьерная: защитные и опорные функции; отделение клеточного
содержимого от внешней среды.
2. Обеспечение связи между клетками.
3. Регуляция обмена веществ между клеткой и внешней средой
(избирательная проницаемость).
4. Рецепторная.

10.

Транспорт веществ через мембрану

11.

Основные механизмы пассивного транспорта.
Простая диффузия — транспорт веществ непосредственно через липидный
бислой. Через него легко проходят газы, неполярные или малые незаряженные
полярные молекулы. Чем меньше молекула и чем более она жирорастворима, тем
быстрее она проникает через мембрану.
Облегченная диффузия – транспорт веществ с помощью специальных
транспортных белков или канальных белков, каждый из которых отвечает за
транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. Таким образом
в клетку транспортируются ионы, сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие
другие полярные молекулы.

12.

Осмотическое давление — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый
от
чистого
растворителя
полупроницаемой
мембраной,
при
котором
прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится
уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул
растворённого вещества и растворителя.

13.

Изотонический раствор содержит столько NaCl, сколько нужно, чтобы уравновесить
осмотическое давление, создаваемое клеточной жидкостью. При введении больших
объемов лекарственных препаратов, их нужно готовить на растворе, изотоничном плазме
крови (0,9% NaCl)! Если они будут изготовлены на воде (гипотонический раствор),
осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приведет к их разрыву.
Если ввести в кровь слишком концентрированный раствор NaCl (3—10 %, гипертонические
растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они съежатся.

14.

Слишком много соли = смерть. Слишком много воды = смерть.

15.

Активный транспорт. Необходимость активного транспорта возникает
тогда, когда требуется обеспечить перенос через мембрану молекул
против электрохимического градиента. Этот транспорт осуществляется
белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии.
Источником энергии служат молекулы АТФ.
Одной из наиболее изученных систем активного транспорта является
натрий-калиевый насос. За один цикл работы за счет энергии одной
молекулы АТФ насос выкачивает из клетки 3 иона Na+ и закачивает 2
иона К+.

16.

К активному транспорту относятся также процессы эндоцитоза и экзоцитоза.
Экзоцитоз –выведение различных веществ из клетки. Содержимое пузырька
(везикулы) выводится за пределы клетки, а ее мембрана включается в состав
наружной цитоплазматической мембраны.
Эндоцитоз
–
процесс
поглощения
макромолекул клеткой. Делится на:
•фагоцитоз –
крупных частиц
захват
и
поглощение
•пиноцитоз
–
процесс
захвата
поглощения
капелек
жидкости
растворенными в ней веществами.
и
с

17.

Надмембранные структуры
клеточные стенки у бактерий
клеточные стенки у растительных клеток
клеточные стенки у клеток грибов
гликокаликс животных клеток

18.

Клеточные стенки у растительных клеток
Клеточные стенки высших растений построены в основном из целлюлозы,
гемицеллюлозы и пектина.
В клеточных стенках существуют отверстия — плазмодесмы, через них
проходят тяжи цитоплазмы, по которым осуществляется контакт соседних
клеток и обмен веществами между ними.

19.

Гликокаликс животных клеток
Гликокаликс — «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов,
полисахаридов, гликопротеидов и гликолипидов.
Выполняет рецепторную и маркерную функции, а также участвует в обеспечении
избирательности транспорта веществ и пристеночном (примембранном)
пищеварении.
Толщина гликокаликса равна приблизительно 15—40 нм.

20.

Цитоплазма –
живое содержимое клетки, кроме ядра
Органоиды- постоянные компоненты
Гиалоплазма - основное
цитоплазмы (ЭПС, рибосомы,
вещество цитоплазмы,
пластиды, митохондрии, аппарат
прозрачный коллоидный
Гольджи, лизосомы, центриоли и др.)
раствор
Включения — временные
компоненты цитоплазмы
Снаружи цитоплазма ограничена клеточной мембраной, внутри - мембраной
ядерной оболочки. Цитоплазма - это среда для внутриклеточных физиологических
и биохимических процессов. Цитоплазма способна к движению.

21.

22.

23.

Клеточное ядро
Ядро осуществляет хранение и реализацию генетической информации, управление процессом
биосинтеза белка, а через белки - всеми другими процессами жизнедеятельности. Форма и размеры ядра
зависят от формы и размера клеток.
В ядре можно различить следующие элементы:
Ядерная оболочка: двойная (2 мембраны) и имеет поры.
Ядерная плазма (нуклеоплазма): вязкая жидкость, которая находится под ядерной оболочкой и в которую
погружены остальные ядерные структуры.
Ядрышки: сферические тельца, участвующие в синтезе рРНК и образовании рибосом.
Хроматин: ≈ расплетенные хромосомы, состоящит из длинных нитей ДНК и особых белков - гистонов.

24.

25.

Хроматин
Эухроматин
деспирализированные
хромосомы, на которых
происходит синтез РНК
Гетерохроматин
конденсированные и
спирализированные
хромосомы, неактивны,
синтез РНК не идет
Хромосо́мы – плотно скрученные молекулы ДНК + белки-гистоны.

26.

В ядре каждой соматической
клетки человека содержится 23
пары хромосом, длина всех 46
молекул ДНК в одной клетке
равна около 2 м. Если принять,
что организм взрослого человека
состоит из приблизительно 5*1013
клеток, то общая длина молекул
ДНК составит 1*1011 км.
В ядре ДНК находится в комплексе с белками-гистонами. Этот комплекс называется хроматином. Пары
гистонов образуют октамер, вокруг которого ДНК совершает 1,65 оборота. Этот комплекс называется
нуклеосомой. Нуклеосомы соединены линейными участками ДНК- линкерами, так что ДНК имеет вид нитки
бус (до 11 нм в диаметре). Дальнейшая упаковка ДНК приводит к образованию нити толщиной в 30 нм. И
далее эти нити образуют длинные петли. Возможно, что петли, образуемые с участием негистоновых
белков, формируют также складки и спирали.

27.

Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного
набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида или организма.
Кариотипы человека состоят из 46 хромосом: 44+ХХ и 44+XY.
Геном - совокупность генов, локализованных в одинарном
(гаплоидном) наборе хромосом данного организма. Клетки человека (кроме
половых!) содержат двойной набор хромосом (диплоидный): один геном отцовский,
другой - материнский. Геном человека состоит из 23 хромосом.
Половые хромосомы: X и Y.

28.

Хромосома может быть одинарной (из одной хроматиды) и двойной (из
двух хроматид). Центромера (первичная перетяжка) – это место
соединения двух хроматид.
Набор хромосом может быть:
•одинарный (гаплоидный, n), у
человека 23 хромосомы
•двойной (диплоидный, 2n), у
человека 46 хромосом
•тройной (триплоидный, 3n)
•четверной (тетраплоидный, 4n) и
т.п.

29.

Теломеры - концевые участки молекулы ДНК, которые состоят из повторяющейся
последовательности нуклеотидов. Теломеры не кодируют белковые молекулы, но при каждом
делении клеток они укорачиваются. То есть длина теломерных участков определяет "возраст"
клетки - чем короче теломерный "хвост", тем она "старше".

30.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС).
Система канальцев и полостей, образующих сеть. Известны два ее типа: гранулярная (шероховатая),
гладкая.
На мембране гранулярной сети располагается множество рибосом, которые придают мембранам
шероховатый вид. Основная функция - синтез белка. Мембраны гладкой ЭПС не несут рибосом на своей
поверхности. На мембранах гладкой ЭПС происходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты
синтеза накапливаются в каналах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки,
где потребляются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений.
Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки.

31.

Комплекс Гольджи
сложная сеть полостей, трубочек и пузырьков (особенно хорошо развит
в секреторных клетках).
Накопление и химическая модификация веществ, которые были синтезированы
в ЭПС.
Упаковка модифицированных веществ в мембранные пузырьки, которые
выбрасываются клеткой в виде секретов или могут участвовать в обновлении
мембран.
пузырьки могут использоваться клеткой в качестве лизосом

32.

Лизосомы
Самые мелкие одномембранные органоиды клетки, пузырьки диаметром 0,2-0,8 мкм,
содержащие около 40 различных ферментов (протеазы, липазы, нуклеазы, фосфатазы).
Лизис – расщепление веществ с помощью ферментов. Участвуют в удалении отмирающих в
процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов.
Ферменты, содержащиеся в лизосомах, синтезируются на рибосомах шЭПС. Затем эти
ферменты поступают по каналам ЭПС к аппарату Гольджи, в полостях которого
формируются лизосомы.

33.

Вакуоли
Вакуоль растений — место запаса воды и накопления органических и неорганических
веществ. В молодых клетках вакуоли мелкие, многочисленные, по мере старения клетки
вакуоли сливаются, формируя крупную центральную вакуоль.
Одна из важных функций растительных вакуолей – накопление ионов и поддержание
тургорного давления.
В животных клетках различают пищеварительные и сократительные (пульсирующие)
вакуоли, регулирующие осмотическое давление и служащие для выведения из организма
продуктов распада.

34.

Митохондрии
Наружная мембрана - гладкая, внутренняя образует выросты – кристы.
Митохондрии называют «энергетическими станциями" клеток" так как их основная
функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Внутри
митохондрии
находится
полужидкий
матрикс, который содержит РНК, ДНК, белки,
липиды, углеводы, ферменты, АТФ, рибосомы и др.
вещества. То есть, они имеют свою собственную
ДНК и аппарат белкового синтеза!
Количество митохондрий зависит от потребностей
клетки в энергии.

35.

По своему строению митохондрии напоминают клетки прокариот. Согласно
гипотезе симбиогенеза, митохондрии произошли от бактерий-окислителей,
вступивших в симбиоз с анаэробной клеткой: собственная ДНК, кольцевая,
как у бактерий, синтезируются свои белки, размножаются – как бактерии –
делением. Но в процессе симбиоза часть генов перешла в ядро, поэтому
митохондрии не могут существовать самостоятельно вне клетки.

36.

Пластиды
Лейкопласты – неокрашенные пластиды, выполняют запасающую функцию
(накапливают крахмал амилопласты, жиры – олеопласты, белки –
протеинопласты, этиопласты ничего не запасают).
Хромопласты – пластиды, окрашенные в жёлтый, красный или оранжевый цвет,
так как содержат пигменты каротиноиды. Хромопласты определяют окраску
осенних листьев, лепестков цветов, созревших плодов.
Хлоропласты – имеют зелёную окраску, несут фотосинтезирующие пигменты
(хлорофилл).
Все виды пластид могут образовываться из
пропластид.
Между
ними
возможны
взаимопревращения:
лейкопласты
могут
превращаться в хлоропласты (позеленение
клубней картофеля на свету), хлоропласты в
хромопласты
(пожелтение
листьев
и
покраснение плодов).
.

37.

Хлоропласты – зеленые пластинки, имеющие овальную форму. Наружняя
мембрана гладкая, внутренняя мембрана образует выросты – тилакоиды.
Тилакоиды образуют стопки – граны. В мембранах тилакоидов находится
хлорофилл. В матриксе (строме) хлоропласта находятся рибосомы, РНК и ДНК.
Важнейшая функция хлоропластов - фотосинтез: в мембранах
тилакоидов идет световая фаза, а в строме – темновая.
По-видимому, хлоропласты произошли от
фотосинтезирующих бактерий, поселившихся в
своё время в гетеротрофных клетках простейших,
превратив их в автотрофные водоросли.

38.

Рибосомы
Немембранные органоиды диаметром 15-35 нм, состоящие
из рРНК и белков. Собираются из большой и малой
субъединиц. На рибосомах идет синтез белков.
Образуются в ядрышке ядра в виде субъединиц, затем
переходит в цитоплазму.

39.

Цитоскелет - это клеточный каркас, находящийся в цитоплазме клетки.
В цитоскелете выделяют: микротрубочки, актиновые микрофиламенты,
промежуточные филаменты
Функции:
• структурная и механическая
• транспортная
• двигательная
• участие в делении клетки

40.

Микротрубочка - полый цилиндр (диаметр
25 нм) из молекул белка тубулина,
состоящего из 2-х субъединиц: альфа- и
бета-тубулина.
Микротрубочки имеют «-» и «+» концы. На
«+» конце происходит сборка
микротрубочки, а на «-» конце – ее
разборка.
Яд колхицин нарушает сборку
микротрубочек!

41.

С микротрубочками связана группа белков, которые обеспечивают перемещение
определенных компонентов клетки (например, мембранных пузырьков
с синтезированными веществами) вдоль микротрубочек (динеин от «+» к «-» ,
кинезин от «-» к «+»).
Важная роль микротрубочек в процессах
деления клетки: обеспечивают
расхождение хромосом поровну между
материнской и дочерней клетками.

42.

Актиновые микрофиламенты - две цепочки полимеров белка актина, закрученные
спиралью. Диаметр 7 нм.
Во многом они похожи на микротрубочки: ориентированы, собираются и
разбираются, присутствуют во всех клетках, имеют сходные функции:
поддерживают структуру цитоплазмы и клетки в целом, обеспечивают движение
клетки.

43.

Жгутики и реснички
Тонкие выросты на поверхности клетки, одетый клеточной мембраной и
содержащие совокупность микротрубочек (9 дуплетов+2 в центре). В основании
реснички или жгутика – базальное тельце, которое состоит из девяти триплетов
микротрубочек.

44.

Центриоль - это цилиндр, по окружности которого расположены 9
триплетов микротрубочек. Центриоли располагаются под прямым углом
друг к другу и формируют клеточный центр.
Функции клеточного центра:
•организация цитоскелета;
• образование веретена деления.

45.

Клеточные включения - непостоянные структуры клетки.
К ним относятся капли жиров, зерна белков и углеводов, а также
кристаллические включения (органические кристаллы, которые могут
образовывать в клетках белки, вирусы, соли щавелевой кислоты и т.д.
и неорганические кристаллы, образованные солями кальция).
В отличие от органоидов включения не имеют мембран или элементов
цитоскелета и периодически синтезируются и расходуются:
капли жира используются как запасное вещество;
зерна углеводов (крахмал у растений и гликоген у животных и
грибов) - как источник энергии для образования АТФ;
зерна белка - как источник строительного материала;
соли кальция - для обеспечения процесса возбуждения, обмена
веществ и т.д.
капли масла
зерна белка
зерна крахмала
Кристаллы солей

46.

Клетки организмов разных царств

47.

Строение бактериальной клетки:
Нет ядра и мембранных органелл! ДНК – прямо в цитоплазме.
нуклеоид (бактериальная
хромосома)
пили
рибосомы
пищевые частицы
жгутик
слизистая
капсула
клеточная стенка
плазмида
(маленькая
ДНК)
цитоплазма
мембрана

48.

•Кокки – сферические
•Бациллы – палочковидные
•Вибрионы – «запятая»
•Спириллы и спирохеты - спираль

49.

Окраска по Граму
(анилиновыми красителями):
Бактерии с обычной клеточной
стенкой – окрашиваются, бактерии с
дополнительной мембраной – нет.

50.

АНТИБИОТИКИ
Молекулы, действие которых направлено на подавление синтеза ДНК, РНК
или белка, компонентов клеточной стенки или на прямое повреждение
мембраны клетки.

51.

52.

Вирусы
Вирусы не имеют клеточного строения,
поэтому относятся к неклеточным формам
жизни.
Являются
внутриклеточными
паразитами.
Вирус = ДНК/РНК + капсид (белковая
оболочка) + дополнительная липидная
оболочка (есть не у всех).

53.

Бактериофаги – вирусы-паразиты бактерий. Не наносят вреда клеткам эукариот.
Вследствие этого применяются как лекарства от целого ряда бактериальных
заболеваний человека. В отличие от антибиотиков не вызывают гибели полезной
микрофлоры кишечника.

54.

Жизненный цикл вируса
Прикрепление и проникновение
занимают до 5 часов!
Вирус проникает в клетку и изменяет ее
метаболизм таким образом, что все
ресурсы клетки направляются на синтез
новых вирусных частиц (нуклеиновых
кислот и белков). Покидая клетку, новые
вирусные частицы вызывают ее гибель (и
уносят часть мембраны как доп.
оболочку).

55.

Противовирусные препараты (не антибиотики!!!) воздействуют на определенные этапы
жизненного цикла вируса, делая его невозможным. Например, препятствуют прикреплению к
мембране клетки, проникновению, высвобождению в цитоплазму, репликации вирусной
ДНК/РНК, синтезу вирусных белков, сборке и высвобождению готовых вирусных частиц.
Организм же в ответ на вторжение вирусов вырабатывает интерфероны – противовирусные
белки! Чем быстрее – тем легче течение инфекции.

56.

Классификация вирусов основана
на типе нуклеиновой кислоты,
количестве ее цепочек, наличии
дополнительной оболочки…

57.

Предотвращение
вирусной
инфекции
–
вакцинация.
Существует несколько подходов к
разработке вакцин. Общая идея –
показать иммунной системе кусочек
вируса, не заболев при этом.

58.

Размеры вирусных частиц
Большинство вирусов видны только в электронный
микроскоп. Но есть и т.н. гигантские вирусы,
сопоставимые с размерами бактериальных клеток.

59.

Однако даже внутри конкретного
«вида» вирусов можно выделять
различные штаммы. Пример – вирус
гриппа, мутирующий несколько раз в
сезон. Его штаммы зависят от
подтипов поверхностных белков –
нейраминидаз (N) и гемагглютининов
(H).
Полное
название
штамма
включает его тип, место выделения,
порядковый номер, год выделения и
подтип (зависит от N и Н).

60.

Некоторые вирусы гриппа способны передаваться между особями разных видов…

61.

Вирусная инфекция может быть острой или персистентной. Острая может быть
рецидивирующей, а персистентная – хронической, медленной или латентной.

62.

Памагити