В каких клетках содержится ядро

Клетки делятся на прокариотические и эукариотические. Первые — это водоросли и бактерии, которые содержат генетическую информацию в одной единственной органелле, — хромосоме, а эукариотические клетки, составляющие более сложные организмы, такие как человеческое тело, имеют четко дифференцированное ядро, в котором находится несколько хромосом с генетическим материалом.

Эукариотическая клетка

Прокариотическая клетка

Строение

Клеточная или цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана (оболочка) — это тонкая структура, которая отделяет содержимое клетки от окружающей среды. Она состоит из двойного слоя липидов с белковыми молекулами толщиной примерно 75 ангстрем.

Клеточная мембрана сплошная, но у нее имеются многочисленные складки, извилины, и поры, что позволяет регулировать прохождение через нее веществ.

Клетки, ткани, органы, системы и аппараты

Клетки, Человеческий организм — слагаемое элементов, которые слаженно действуют, чтобы эффективно выполнять все жизненные функции.

Ткань — это клетки одинаковой формы и строения, специализированные на выполнении одной и той же функции. Различные ткани объединяются и образуют органы, каждый из которых выполняет конкретную функцию в живом организме. Кроме того, органы также группируются в систему для выполнения определенной функции.

Ткани:

Эпителиальная — защищает и покрывает поверхность тела и внутренние поверхности органов.

Соединительная — жировая, хрящевая и костная. Выполняет различные функции.

Мышечная — гладкая мышечная ткань, поперечнополосатая мышечная ткань. Сокращает и расслабляет мышцы.

Нервная — нейроны. Вырабатывает и передает и принимает импульсы.

Размер клеток

Величина клеток очень разная, хотя в основном она колеблется от 5 до 6 микронов (1 микрон = 0,001 мм). Этим объясняется тот факт, что многие клетки не могли рассмотреть до изобретения электронного микроскопа, разрешающая способность которого составляет от 2 до 2000 ангстрем (1 ангстрем = 0,000 000 1 мм).Размер некоторых микроорганизмов меньше 5 микрон, но есть и клетки-гиганты. Из наиболее известных — это желток птичьих яиц, яйцеклетка размером около 20 мм.

Есть еще более поразительные примеры: клетка ацетабулярии, морской одноклеточной водоросли, достигает 100 мм, а рами, травянистого растения, — 220 мм — больше ладони.

От родителей к детям благодаря хромосомам

Ядро клетки претерпевает различные изменения, когда клетка начинает делиться: исчезают оболочка и ядрышки; в это время хроматин становится более плотным, образуя в итоге толстые нити — хромосомы. Хромосома состоит из двух половин — хроматид, соединенных в месте сужения (центрометр).

Наши клетки, так же как и все клетки животных и растений, подчиняются так называемому закону численного постоянства, согласно которому число хромосом определенного вида постоянно.

Кроме того, хромосомы распределяются парами, идентичными между собой.

В каждой клетке нашего тела имеется 23 пары хромосом, представляющих собой несколько удлиненных молекул ДНК. Молекула ДНК принимает форму двойной спирали, состоящей из двух групп сахарофосфата, откуда в виде ступенек винтовой лестницы выступают азотистые основы (пурины и пирамидины).

Вдоль каждой хромосомы располагаются гены, ответственные за наследственность, передачу генных признаков от родителей к детям. Именно они определяют цвет глаз, кожи, форму носа и т. д.

Митохондрии

Митохондрии — это органеллы округлой или удлиненной формы, распределенные по всей цитоплазме, содержащие водянистый раствор ферментов, способные осуществлять многочисленные химические реакции, например клеточное дыхание.

С помощью этого процесса высвобождается энергия, которая необходима клетке для выполнения ее жизненных функций. Митохондрии находятся в основном в наиболее активных клетках живых организмов: клетках поджелудочной железы и печени.

Ядро клетки

Ядро, одно в каждой человеческой клетке, является ее основным компонентом, так как это организм, управляющий функциями клетки, и носитель наследственных признаков, что доказывает его важность в размножении и передаче биологической наследственности.

В ядре, размер которого колеблется от 5 до 30 микрон, можно различить следующие элементы:

• Ядерная оболочка. Она двойная и позволяет веществам проходить между ядром и цитоплазмой благодаря своей пористой структуре.
• Ядерная плазма. Светлая, вязкая жидкость, в которую погружены остальные ядерные структуры.
• Ядрышко. Сферическое тельце, изолированное или в группах, участвующее в образовании рибосом.
• Хроматин. Вещество, которое может принимать различную окраску, состоящее из длинных нитей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Нити представляют собой частицы, гены, каждый из которых содержит информацию об определенной функции клетки.

Ядро типичной клетки

Клетки кожи живут в среднем одну неделю. Эритроциты живут 4 месяца, а костные клетки — от 10 до 30 лет.

Центросома

Центросома обычно находится рядом с ядром и играет важнейшую роль в митозе, или клеточном делении.

Она состоит из 3 элементов:

• Диплосома. Состоит из двух центриол — цилиндрических структур, расположенных перпендикулярно.
• Центросфера. Полупрозрачное вещество, в которое погружена диплосома.
• Астер. Лучистое образование из нитей, выходящих из центросферы, имеющее важное значение для митоза.

Комплекс Гольджи, лизосомы

Комплекс Гольджи состоит из 5-10 плоских дисков (пластин), в котором различают основной элемент — цистерну и несколько диктиосом, или скопление цистерн. Эти диктиосомы разъединяются и распределяются равномерно во время митоза, или деления клетки.

Лизосомы, «желудок» клетки, образуются из пузырьков комплекса Гольджи: они содержат пищеварительные ферменты, которые позволяют им переваривать пишу, поступающую в цитоплазму. Их внутренняя часть, или микус, выстлана толстым слоем полисахаридов, которые препятствуют тому, чтобы эти ферменты разрушили собственный клеточный материал.

Рибосомы

Рибосомы — это клеточные органеллы диаметром около 150 ангстрем, которые прикреплены к оболочкам эндоплазматического ретикулума или свободно размещаются в цитоплазме.

Они состоят из двух подъединиц:

• большая подъединица состоит из 45 молекул белка и 3 РНК (рибонуклеиновой кислоты);
• меньшая подъединица состоит из 33 молекул белка и 1 РНК.

Рибосомы объединяются в полисомы с помощью молекулы РНК и синтезируют белки из молекул аминокислот.

Цитоплазма

Цитоплазма — это органическая масса, расположенная между цитоплазматической мембраной и оболочкой ядра. Содержит внутреннюю среду — гиалоплазму — вязкую жидкость, состоящую из большого количества воды и содержащую белки, моносахариды и жиры в растворенном виде.

Она является частью клетки, наделенной жизненной активностью, потому что внутри нее двигаются различные клеточные органеллы и происходят биохимические реакции. Органеллы выполняют в клетке ту же роль, что и органы в человеческом теле: производят жизненно важные вещества, генерируют энергию, выполняют функции пищеварения и выведения органических веществ и т. д.

Примерно треть цитоплазмы составляет вода.

Кроме того, в цитоплазме содержится 30% органических веществ (углеводов, жиров, белков) и 2-3% неорганических веществ.

Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматический ретикулум — это структура в виде сети, образованная заворачиванием цитоплазматической оболочки в саму себя.

Считается, что этот процесс, известный как инвагинация, привел к появлению более сложных существ с большими потребностями в белках.

В зависимости от наличия или отсутствия рибосом в оболочках различают два типа сетей:

1. Эндоплазматический ретикулум складчатый. Совокупность плоских структур, соединенных между собой и сообщающихся с ядерной мембраной. К ней прикреплено большое количество рибосом, поэтому ее функция заключается в накоплении и выделении белков, синтезированных в рибосомах.

2. Эндоплазматический ретикулум гладкий. Сеть из плоских и трубчатых элементов, которая сообщается со складчатым эндоплазматическим ретикулумом. Синтезирует, выделяет и переносит жиры по всей клетке, вместе с белками складчатого ретикулума.

Эукариотическая клетка отличается от прокариотической большими размерами и более сложным строением. Линейные размеры эукариотической клетки обычно составляют десятки мкм (у животных около 10–40 мкм, у растений 100–200 мкм).

Основные структуры эукариотической клетки: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма и ядро.

Клетки эукариот содержат множество внутренних структур, выполняющих определенные функции (рис. 1). Эти структуры называются органеллами.

Рис. 1. Строение эукариотической клетки

цитоплазма

Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключен­ная между плазматической мембраной и ядром. Цитоплаз­ма объединяет все клеточные структуры и способствует их взаимодействию друг с другом. 

Цитоплазма заполнена взвесью частиц и органелл. 

Цитозоль (гиалоплазма) — свободная часть цитоплазмы, в которой взвешены органеллы.

По химическому составу цитозоль представляет из себя густой раствор белков, углеводов (глюкозы) и ионов, заполняющий все внутреннее пространство клетки. Концентрации ионов натрия и калия внутри клетки и во внеклеточном пространстве различна, что играет важную роль в осморегуляции и передаче сигнала.

У прокариот большинство реакций метаболизма протекает в цитозоле, т. к. нет мембранных органоидов.

У эукариот часть химических реакций протекает в цитозоле, а часть — внутри органоидов.

В животных клетках различают два слоя цитоплазмы:

• эктоплазма — наружный слой цитоплазмы  (мало органоидов, высокая вязкость);

• эндоплазма — внутренний слой цитоплазмы  (содержит основные органоиды).

В цитоплазме осуществляются все процессы клеточно­го метаболизма, кроме синтеза нуклеиновых кислот, про­исходящего в ядре. Под контролем ядра цитоплазма спо­собна к росту и воспроизведению, при частичном удалении она полностью регенерирует. Цитоплазма, как правило, не способна к длительному автономному существованию. 

Циклоз — одно из основных свойств цитоплазмы живой клет­ки — способность к движению, которое обеспечивает транспорт веществ и связь органоидов. 

ядро

Это крупная органелла около 6–7 мкм диаметром (рис. 2). Оно окружено ядерной оболочкой, которая образована двумя параллельно расположенными мембранами. Ядерная оболочка пронизана ядерными порами, где мембраны смыкаются, и полость ядра сообщается с цитоплазмой. В порах находятся сложные белковые комплексы. Они переносят через оболочку из ядра в цитоплазму крупные молекулы и молекулярные комплексы, такие как мРНК и рибосомы, а из цитоплазмы в ядро — ядерные белки, которые синтезируются в цитоплазме. Внутри ядра находится одно или несколько ядрышек — плотных образований, где происходит синтез рибосомных РНК и сборка субъединиц рибосом. Остальное пространство ядра заполнено полужидкой кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК, соединенные со специфическими белками, — хроматин. 

Рис. 2. Ядро. Трансмиссионный электронный микроскоп. Внутри ядра видны ядрышко и хроматин. Оболочка ядра двухмембранная. Вокруг расположены цистерны ЭПС и митохондрии

Рис. 3. Строение хромосомы

В процессе клеточного деления нити хроматина укорачиваются и утолщаются, превращаясь в хромосомы (рис. 3) Перед делением хромосомы имеют Х-образную форму. Центральная часть, в которой соединяются две половины хромосомы, носит название центромеры, или первичной перетяжки. Кроме того, в хромосоме выделяются более плотные концевые участки, называемые теломерами. Различные хромосомы отличаются размерами и положением центромер. Для каждого вида живых организмов характерен определенный набор хромосом, который отличается от наборов других видов. Видоспецифичный набор хромосом со всеми их характеристиками называется кариотипом (рис. 4). Клетки могут содержать один набор хромосом или их кратное число. Число хромосомных наборов называется плоидностью. Клетки, содержащие один набор хромосом, называются гаплоидными, содержащие два набора — диплоидными, три набора — триплоидными, четыре набора — тетраплоидными и т. д. Чаще всего мы имеем дело с организмами, состоящими из диплоидных клеток: это животные и большинство растений. Встречаются организмы, построенные из гаплоидных клеток, например мхи. Организмы, в клетках которых более двух наборов хромосом, принято называть полиплоидами.

Рис. 4. Кариотип 

плазматическая мембрана

Рис. 5. Цитоплазматическая мембрана

Снаружи эукариотическая клетка, как и прокариотическая, окружена цитоплазматической мембраной (рис. 5). Она выполняет те же функции, что и у прокариот: изолирующую, транспортную и рецепторную. Рецепторная функция у эукариотических клеток развита гораздо сильнее, чем у прокариот, поэтому в цитоплазматической мембране у них гораздо больше белков-рецепторов. У многоклеточных организмов цитоплазматическая мембрана выполняет также функцию межклеточного узнавания и взаимодействия. У растений и грибов снаружи от цитоплазматической мембраны лежит клеточная стенка. У растений она построена на основе целлюлозы, а у грибов — на основе хитина. У животных клеточной стенки нет, но к мембране снаружи прикрепляется довольно толстый слой специфических полисахаридов и белков, называемый гликокаликс. В отличие от клеточной стенки, он эластичен, что позволяет клеткам менять свою форму. В отличие от клеточной стенки, гликокаликс прочно связан с мембраной и не отделяется от нее.

Все органеллы эукариотической клетки можно условно разделить на три группы:

1. Одномембранные, стенка которых образована одной мембраной. К ним относятся эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, секреторные пузырьки, пероксисомы.

2. Двумембранные, стенка которых образована двумя мембранами. Это митохондрии и пластиды (хлоропласты, хромопласты и лейкопласты).

3. Немембранные. Это цитоскелет, клеточный центр, рибосомы. 

одномембранные органеллы

Эти органеллы, как предполагается, в ходе эволюции образовались путем впячивания наружной мембраны внутрь и отпочковывания этих впячиваний. Почти все эти органеллы связаны между собой — прежде всего системой пузырькового (везикулярного) транспорта, когда пузырьки отпочковываются от одной органеллы и сливаются с другой, перенося содержимое и компоненты мембраны. Все вместе эти органеллы называются вакуолярной системой (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, секреторные пузырьки, пероксисомы).
Ядерная оболочка, по сути, тоже является частью вакуолярной системы — одной из цистерн ЭПС, которая «охватывает» наследственный материал. На наружной мембране часто сидят рибосомы, как и на шероховатой ЭПС. Внутренняя поверхность внутренней мембраны ядра имеет специфический состав и взаимодействует с ДНК внутри ядра.

Одна из гипотез происхождения ядра (рис. 6).

Рис. 6. Формирование ядра

Эндоплазматическая сеть

Рис. 7. Эндоплазматическая сеть 

Рис. 8. Эндоплазматическая сеть в клетке легкого, трансмиссионная электронная микроскопия. Справа видно ядро с ядрышком, между цистернами ЭПС — митохондрии

Внутри эукариотической клетки мы видим сложные мембранные системы, образующие клеточные органеллы. Прежде всего, это эндоплазматическая сеть, или эндоплазматический ретикулум (рис. 7, 8). Он представляет собой систему мембран, образующих соединенные между собой цистерны, полость которых не сообщается с окружающей цитоплазмой. Различают два вида эндоплазматического ретикулума: гладкий и шероховатый. На шероховатом расположены многочисленные гранулы, представляющие собой рибосомы. Они находятся снаружи полости, с цитоплазматической стороны, и синтезируют белки, которые по специальному каналу сразу направляются в полость ретикулума или встраиваются в его мембрану.

На гладком ретикулуме расположены ферменты, синтезирующие мембранные липиды. Таким образом, эндоплазматический ретикулум образует все компоненты, нужные для образования мембран (то есть роста их площади). От эндоплазматического ретикулума отделяются мембранные пузырьки, внутри которых белки, синтезированные на шероховатом ретикулуме, переносятся в следующую органеллу — аппарат, или комплекс, Гольджи. 

Аппарат Гольджи

Аппарат, или комплекс, Гольджи — система уплощенных мембранных цистерн, основная функция которых — сортировка и модификация (прежде всего гликозилирование) белков, направляемых на экспорт из клетки или встроенных в мембрану (рис. 9). 
Каждая группа белков, синтезированных на шероховатом ретикулуме, собирается в определенном участке на периферии аппарата Гольджи. В этих участках от него отделяются мембранные пузырьки, часть из которых дает начало клеточным органеллам, таким как лизосомы. Другая направляется к цитоплазматической мембране, сливается с ней и выделяет свое содержимое наружу. Таким образом осуществляется секреция из клетки таких белков, как пищеварительные ферменты, гормоны, белки межклеточного матрикса и гликокаликса.

Рис. 9. Аппарат Гольджи. Слева — трансмиссионная электронная микроскопия, справа — модель

лизосомы

Лизосомы представляют собой мембранные пузырьки, внутри которых находятся гидролитические ферменты, расщепляющие белки, жиры, полисахариды. В лизосомах кислая среда (рН 4,5–5,0), что отличает их от других органелл клетки. Эта среда создается действием специального фермента — Н+- АТФазы, перекачивающей протоны из цитоплазмы в лизосомы. Лизосомы выполняют функцию клеточного пищеварения, расщепляя отработавшие компоненты клетки или вещества, поглощенные в результате фагоцитоза и пиноцитоза.

Пероксисомы 

Рис. 10. Пероксисомы в клетках растений, ТЭМ. С — хлоропласты, Р — пероксисомы, m — митохондрия 

Пероксисомы среди одномембранных органелл стоят особняком, т. к. способны делиться самостоятельно, хотя не содержат ДНК. В них находятся ферменты, катализирующие некоторые окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют перекиси. Они также играют важную роль в обезвреживании многих токсичных веществ. Белки, которые находятся в пероксисомах, поступают туда из ЭПС и кодируются в геноме ядра. На электронных микрофотографиях пероксисом часто можно видеть в них кристаллы ферментов (рис. 10).

растительная и животная клетка

Рис. 11. Сравнение животной и растительной клеток

В растительных клетках существуют некоторые дополнительные органеллы (рис. 11). Это пластиды и крупная центральная вакуоль. В зрелых клетках растений центральная вакуоль занимает значительную часть клетки. Она поддерживает определенное осмотическое давление, служит местом запасания некоторых веществ, например органических кислот, и вывода ненужных веществ, например некоторых ионов, таких как кальций. Пластиды, как и митохондрии, представляют собой двумембранные структуры, имеющие собственные ДНК и рибосомы. Различают зеленые пластиды — хлоропласты, выполняющие функцию фотосинтеза, окрашенные в цвета от красного до желтого хромопласты и бесцветные пластиды — лейкопласты, в которых осуществляется синтез и запасание крахмала.