Эукариотическая клетка удивительно сложна в своем внутреннем устройстве. Множество органелл выполняют различные функции, позволяя клетке жить и развиваться. В этой статье мы подробно разберем строение эукариотической клетки, рассмотрим все ее компоненты и их роли. Узнаем, как все эти части взаимодействуют друг с другом. Поймем, что делает эукариотическую клетку живой и как ее строение позволяет выполнять так много функций.
Ядро
Ядро - важнейшая часть эукариотической клетки. Это место, где хранится и защищается генетический материал клетки. Ядро окружено двойной мембраной и содержит хромосомы - нити ДНК, связанные с белками. Функции ядра:
- Хранение генетической информации в молекулах ДНК
- Регуляция активности генов путем транскрипции
- Синтез рибосомальной РНК и рибосом
- Регуляция протекания метаболических процессов в клетке
В ядре находятся хромосомы - нити ДНК длиной от десятков тысяч до миллионов пар нуклеотидов. У человека в каждой клетке 23 пары хромосом. Хромосомы бывают:
- Аутосомы - телесные хромосомы, их 22 пары
- Половые хромосомы: Х и Y у мужчин, две Х у женщин
Также в ядре есть ядрышко - место синтеза рибосом. В ядрышке из молекул рРНК и белков собираются субъединицы рибосом.
Цитоплазма
Цитоплазма - это внутреннее пространство клетки, заключенное в ее мембране. Основные компоненты цитоплазмы:
- Цитоскелет - система белковых филаментов, поддерживающая форму клетки
- Рибосомы - органеллы белкового синтеза
- Различные включения - запасы питательных веществ
Цитоскелет включает микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты. Они образуют опорную сеть в цитоплазме и участвуют в движении клетки.
Рибосомы синтезируют белки на матрице мРНК. Они состоят из двух субъединиц, которые собираются в ядрышке.
В цитоплазме также содержатся различные включения - запасы питательных веществ и энергии. Это жиры, углеводы, белки.
Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это система мембранных каналов и цистерн в цитоплазме клетки. Она бывает двух видов:
- Гладкая ЭПС - место синтеза липидов
- Шероховатая ЭПС - место синтеза белков
ЭПС перемещает вещества внутри клетки и производит липиды для клеточных мембран. На шероховатой ЭПС идет синтез белков, затем они транспортируются к аппарату Гольджи.
ЭПС тесно взаимодействует с ядром, лизосомами и другими органеллами. Она играет важную роль в обмене веществ.
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи - это стопка из нескольких десятков цистерн. Эта органелла выполняет функции:
- Модификация и упаковка белков после синтеза
- Сортировка веществ и направление их к месту назначения
- Формирование лизосом и секреторных пузырьков
В аппарат Гольджи белки поступают из ЭПС. Здесь они подвергаются гликозилированию и фосфорилированию. Готовые белки упаковываются в транспортные пузырьки.
Также в аппарате Гольджи формируются лизосомы, наполняясь гидролитическими ферментами. Образуются секреторные пузырьки для выведения веществ из клетки.
Лизосомы
Лизосомы - это одномембранные органеллы, содержащие ферменты. Их основная функция - внутриклеточное пищеварение. Лизосомы формируются в аппарате Гольджи путем отпочковывания пузырьков и накопления в них гидролаз.
Существуют первичные и вторичные лизосомы. Первичные образуются в аппарате Гольджи, а вторичные - при слиянии первичных лизосом с пищеварительными вакуолями.
Лизосомы содержат кислые гидролазы, расщепляющие белки, нуклеиновые кислоты, липиды. Ферменты лизосом активны только в кислой среде, поэтому в лизосомах поддерживается кислый pH.
Митохондрии
Митохондрии называют "электростанциями клетки". Их основные функции - это клеточное дыхание и образование АТФ. Митохондрии имеют две мембраны и матрикс внутри.
Внутренняя мембрана образует складки - кристы, на которых располагаются белки дыхательной цепи. Здесь происходит окисление органических веществ с образованием АТФ.
В матриксе митохондрий находятся ферменты цикла Кребса, другие белки и митохондриальная ДНК.
Пластиды
Пластиды - это органоиды растительной клетки, имеющие двойную мембрану. Различают три типа пластид:
- Хлоропласты - место фотосинтеза
- Хромопласты - отвечают за окраску растений
- Лейкопласты - запасают питательные вещества
У пластид есть собственный геном, передающийся по материнской линии. Предполагается, что пластиды возникли в результате эндосимбиоза фотосинтезирующих бактерий.
Мембраны
В эукариотической клетке множество мембран. Это мембраны ядра, органоидов, вакуолей. Также есть плазматическая мембрана, окружающая всю клетку.
Мембрана состоит из липидного бислоя, в который встроены белки. Липиды обеспечивают проницаемый барьер, а белки - активный транспорт веществ.
Через плазматическую мембрану осуществляется обмен между клеткой и внешней средой. Она регулирует поступление питательных веществ в клетку.
Органоиды движения
Для перемещения клеток служат различные органоиды движения. Это жгутики и реснички. Они состоят из микротрубочек цитоскелета и двигательных белков.
Жгутики приводятся в движение сокращением моторных белков. Ритмичные удары жгутиков позволяют клетке плавать в жидкости.
Реснички также работают как миниатюрные "весла" за счет активности двигательных белков динеина и кинезина. Вместе жгутики и реснички обеспечивают направленное движение клетки.
Клеточный центр
Клеточный центр, или центросома - это органоид, от которого расходятся микротрубочки цитоскелета. Центросома состоит из двух центриолей, окруженных аморфным материалом.
Основные функции центросомы:
- Организация микротрубочек, определяющих форму клетки
- Разделение хромосом во время деления клетки
- Регуляция перемещения органоидов
Центросома тесно взаимодействует с ядром клетки. В интерфазе она располагается около ядра, а при делении - между разошедшимися центриолями образуется веретено деления.
Вакуоли
Вакуоли - это одномембранные органоиды в цитоплазме клетки. Они бывают пищеварительными, газовыми, контрактильными.
Основная функция вакуолей - накопление и хранение различных веществ. Также вакуоли поддерживают тургор клетки за счет осмотического давления.
У растений имеется одна большая вакуоль, занимающая до 90% объема клетки. Она содержит клеточный сок, питательные вещества, пигменты.
Клеточная стенка
Клеточная стенка определяет форму и защищает клетку от механических повреждений. Она синтезируется на аппарате Гольджи и состоит из пектинов, целлюлозы, гемицеллюлоз.
У грибов в состав клеточной стенки входит хитин, у диатомовых водорослей - кремний. Стенка придает клетке жесткость и прочность.
Гликокаликс
Гликокаликс - это поверхностный слой, окружающий клетку. Он состоит из углеводов, связанных с мембранными белками и липидами.
Функции гликокаликса:
- Защита клетки от воздействий среды
- Участие в межклеточном взаимодействии
- Распознавание клетками друг друга
Толщина гликокаликса от нескольких нанометров до сотен нанометров. Его структура и состав индивидуальны для каждого типа клеток.
Взаимодействие органелл
Все органеллы эукариотической клетки тесно взаимодействуют друг с другом. Транспорт веществ между органеллами осуществляется с помощью везикул и цитоскелета.
Например, белки синтезируются на ЭПС, затем поступают в аппарат Гольджи для модификации и дальнейшей транспортировки к месту назначения.
Митохондрии получают от других органелл питательные вещества и перерабатывают их с выработкой АТФ. АТФ используется затем в метаболических процессах различных органелл.
Сборка органелл при делении клетки
При делении клетки происходит распределение органелл между дочерними клетками. Некоторые органеллы, например лизосомы и пероксисомы, распределяются случайно.
Другие органеллы, такие как митохондрии и пластиды, активно перемещаются и распределяются равномерно между дочерними клетками с помощью цитоскелета.
Регуляция работы органелл
Активность органелл регулируется различными механизмами. Это осуществляется с помощью сигнальных молекул, изменения концентрации ионов, экспрессии определенных генов.
Например, повышение концентрации ионов кальция запускает сокращение мышечных клеток. Активация генов в ядре может стимулировать усиленный синтез белка в рибосомах.
Строение органелл определяет их функции
Форма и внутреннее строение каждой органеллы оптимизированы для выполнения ею своих функций.
Например, извилистые кристы митохондрий увеличивают площадь внутренней мембраны, на которой располагаются дыхательные ферменты. Аппарат Гольджи имеет стопку плоских цистерн для модификации и сортировки белков.
Таким образом, структурные особенности органелл позволяют им эффективно осуществлять свои функции в клетке.
Эволюция органелл
Современные представления об эволюции эукариотической клетки связаны с эндосимбиотической теорией. Согласно ей, некоторые органеллы возникли из симбиотических бактерий.
В частности, митохондрии произошли от аэробных бактерий, а пластиды - от фотосинтезирующих цианобактерий. Это объясняет наличие у органелл собственной ДНК.
Возникновение эукариотической клетки
Появление эукариот было важным этапом эволюции. Считается, что предшественником эукариотической клетки была крупная архебактерия.
За счет симбиоза с другими прокариотами у нее появились предшественники ядра, а также различные органеллы, такие как митохондрии и аппарат Гольджи.
Разнообразие эукариотических клеток
Хотя все эукариотические клетки имеют сходное строение, между клетками разных организмов есть различия.
Например, у растений хорошо развиты пластиды, а у грибов их нет. У инфузорий много сократительных вакуолей. Клетки животных содержат лизосомы.
Такое разнообразие клеток позволяет эукариотическим организмам приспосабливаться к самым разным условиям среды.
Патологии эукариотических клеток
Нарушения в строении и функционировании органелл могут приводить к развитию патологических состояний.
Например, мутации митохондриальной ДНК вызывают митохондриальные болезни. Повреждение лизосом приводит к накоплению нерасщепленных веществ.
Изучение патологий клетки важно для понимания механизмов развития многих заболеваний и поиска методов их лечения.
