Гиалоплазма. Органеллы

Органоиды - это специализированные участки цитоплазмы клетки, имеющие определенную структуру и выполняющие определенные функции в клетке. Их подразделяют на органоиды общего назначения, которые имеются в большинстве клеток (митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, рибосомы, клеточный центр, лизосомы, пластиды и вакуоли), и органоиды специального назначения, которые имеются только в специализированных клетках (миофибриллы - в мышечных клетках, жгутики, реснички, пульсирующие вакуоли - в клетках простейших). Большинство органоидов имеет мембранное строение. Мембраны отсутствую в структуре рибосом и клеточного центра. Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоёв молекул,

обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме

расположены мельчайшие структуры – органоиды. К органоидам клетки

относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы,

комплекс Гольджи, клеточный центр.

Цитоплазма содержит ряд мельчайших структур клетки – органоидов,

которые выполняют различные функции. Органоиды обеспечивают

жизнедеятельность клетки.

Эндоплазматическая сеть.

Название этого органоида отражает место расположения его в

центральной части цитоплазмы (греч. «эндон» - внутри). ЭПС представляет

собой очень разветвлённую систему канальцев, трубочек, пузырьков, цистерн

разной величины и формы, отграниченных мембранами от цитоплазмы клетки.

ЭПС бывает двух видов: гранулярная, состоящая из канальцев и цистерн,

поверхность которых усеяна зёрнышками (гранулами) и агранулярная, т.е.

гладкая (без гран). Граны в эндоплазматической сети ни что иное, как

рибосомы. Интересно, что в клетках зародышей животных наблюдается в

основном гранулярная ЭПС, а у взрослых форм – агранулярная. Зная, что

рибосомы в цитоплазме служат местом синтеза белка, можно предположить, что

гранулярная ЭПС преобладает в клетках, активно синтезирующих белок.

Считают, что агранулярная сеть в большей степени предоставлена в тех

клетках, где идёт активный синтез липидов (жиров и жироподобных веществ).

Оба вида эндоплазматической сети не только участвуют в синтезе

органических веществ, но и накапливают и транспортируют их к местам

назначения, регулируют обмен веществ между клеткой и окружающей её средой.

Рибосомы.

Рибосомы – не мембранные клеточные органоиды, состоящие из

рибонуклеиновой кислоты и белка. Их внутреннее строение во многом ещё

остаётся загадкой. В электронном микроскопе они имеют вид округлых или

грибовидных гранул.

Каждая рибосомы разделена желобком на большую и маленькую части

(субъединицы). Часто несколько рибосом объединяются нитью специальной

рибонуклеиновой кислоты (РНК), называемой информационной (и-РНК). Рибосомы

осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот.

Комплекс Гольджи.

Продукты биосинтеза поступают в просветы полостей и канальцев ЭПС,

где они концентрируются в специальный аппарат – комплекс Гольджи,

расположенный вблизи ядра. Комплекс Гольджи участвует в транспорте

продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в

формировании лизосом и т.д.

Комплекс Гольджи был открыт итальянским цитологом Камилио Гольджи

и в 1898 году был назван «комплексом (аппаратом) Гольджи».

Белки, выработанные в рибосомах, поступают в комплекс Гольджи, а когда они

требуются другому органоиду, то часть комплекса Гольджи отделяется, и белок

доставляется в требуемое место.

Лизосомы.

Лизосомы (от греч. «лизео» – растворяю и «сома» - тело) - это

органоиды клетки овальной формы, окружённые однослойной мембраной. В них

находится набор ферментов, которые разрушают белки, углеводы, липиды. В

случае повреждения лизосомной мембраны ферменты начинают расщеплять и

разрушать внутреннее содержимое клетки, и она погибает.

Клеточный центр.

Клеточный центр можно наблюдать в клетках, способных делиться. Он

состоит из двух палочковидных телец – центриолей. Находясь около ядра и

комплекса Гольджи, клеточный центр участвует в процессе деления клетки, в

образовании веретена деления.

Энергетические органоиды.

Митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - гранула) называют

энергетическими станциями клетки. Такое название обуславливается тем, что

именно в митохондриях происходит извлечение энергии, заключённой в

питательных веществах. Форма митохондрий изменчива, но чаще всего они имеют

вид нитей или гранул. Размеры и число их также непостоянны и зависят от

функциональной активности клетки.

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 митохондриях 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 - это непостоянные структуры клетки. К ним относятся капли и зерна белков, углеводов и жиров, а так же 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 эти включения не имеют мембран или элементов циоскелета и периодически синтезируются и расходуются. Капли жира используются как запасное вещество в связи с его высокой энергоемкостью. Зерна углеводов (полисахаридов; в виде крахмала у растений и в виде гликогена 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 тд)

Цитоплазму называют внутренней средой организма, потому что она постоянно перемещается и приводит в движение все клеточные компоненты. В цитоплазме постоянно идут обменные процессы, содержатся все органические и не органические вещества.

Строение

Цитоплазма состоит из постоянной жидкой части – гиалоплазмы и элементов, которые меняются – органелл и включений.

Органеллы цитоплазмы делятся на мембранные и немембранные, последние в свою очередь могут быть двухмембранные и одномембранные.

1. Немембранные органеллы : рибосомы, вакуоли, центросома, жгутики.
2. Двухмембранные органеллы : митохондрии, пластиды, ядро.
3. Одномембранные органеллы : аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли эндоплазматический ретикулум.

Также к компонентам цитоплазмы относятся клеточные включения, представлены в виде липидных капель или гранул гликогена.

Основные признаки цитоплазмы:

• Бесцветная;
• эластичная;
• слизисто-вязкая;
• структурированная;
• подвижная.

Жидкая часть цитоплазмы по своему химическому составу отличается в клетках разной специализации. Основное вещество – вода от 70% до 90%, также в состав входят протеины, углеводы, фосфолипиды, микроэлементы, соли.

Кислотно-щелочное равновесие поддерживается на уровне 7,1–8,5pH (слабощелочное).

Цитоплазма, при изучении на большом увеличении микроскопа, не является однородной средой. Различают две части – одна находится на периферии в области плазмолеммы (эктоплазма), другая – возле ядра (эндоплазма).

Эктоплазма служит связующим звеном с окружающей средой, межклеточной жидкостью и соседними клетками. Эндоплазма – это место расположения всех органелл.

В структуре цитоплазмы выделяют особые элементы – микротрубочки и микрофиламенты.

Микротрубочки – немембранные органоиды, необходимые для перемещения органелл внутри клетки и образования цитоскелета. Глобулярный белок тубулин – основное строительное вещество для микротрубочек. Одна молекула тубулина в диаметре не превышает 5нм. При этом молекулы способны объединятся друг с другом, вместе образуя цепочку. 13 таких цепочек формируют микротрубочку диаметром 25нм.

Молекулы тубулина находятся в постоянном движении для формирования микротрубочек, если на клетку воздействуют неблагоприятные факторы, процесс нарушается. Микротрубочки укорачиваются или вовсе денатурируются. Эти элементы цитоплазмы очень важны в жизни растительных и бактериальных клеток, так как принимают участие в строении их оболочек.

Микрофиламенты – это субмикроскопические немембранные органеллы, которые образуют цитоскелет. Также входят в состав сократительного аппарата клетки. Микрофиламенты состоят из двух видов белка – актина и миозина. Актиновые волокна тонкие до 5нм в диаметре, а миозиновые толстые – до 25нм. Микрофиламенты в основном сосредоточены в эктоплазме. Существуют также специфические филаменты, которые характерны для конкретного вида клеток.

Микротрубочки и микрофиламенты вместе образуют цитоскелет клетки, который обеспечивает взаимосвязь всех органелл и внутриклеточный метаболизм.

В цитоплазме также выделяют высокомолекулярные биополимеры. Они объединяются в мембранные комплексы, которые пронизывают все внутреннее пространство клетки, предопределяют месторасположение органелл, отграничивают цитоплазму от клеточной стенки.

Особенности строения цитоплазмы заключаются в способности изменять свою внутреннюю среду. Она может пребывать в двух состояниях: полужидком (золь ) и вязком (гель ). Так, в зависимости от влияния внешних факторов (температура, радиация, химические растворы), цитоплазма переходит из одного состояния в другое.

Функции

• Наполняет внутриклеточное пространство;
• связывает между собой все структурные элементы клетки;
• транспортирует синтезированные вещества между органоидами и за пределы клетки;
• устанавливает месторасположение органелл;
• является средой для физико-химических реакций;
• отвечает за клеточный тургор, постоянство внутренней среды клетки.

Функции цитоплазмы в клетке зависят также от вида самой клетки: растительная она, животная, эукариотическая или прокариотическая. Но во всех живых клетках в цитоплазме происходит важное физиологическое явление – гликолиз. Процесс окисления глюкозы, который осуществляется в аэробных условиях и заканчивается высвобождением энергии.

Движение цитоплазмы

Цитоплазма находится в постоянном движении, эта характеристика имеет огромное значение в жизни клетки. Благодаря движению возможны метаболические процессы внутри клетки и распределение синтезированных элементов между органеллами.

Биологи наблюдали движение цитоплазмы в больших клетках, при этом следя за перемещением вакуоль. За движение цитоплазмы отвечают микрофиламенты и микротрубочки, которые приводятся в действие при наличии молекул АТФ.

Движение цитоплазмы показывает, насколько активны клетки и способны к выживанию. Этот процесс зависим от внешних воздействий, поэтому малейшие изменения окружающих факторов приостанавливают или ускоряют его.

Роль цитоплазмы в биосинтезе белка . Биосинтез белка осуществляется при участии рибосом, они же непосредственно находятся в цитоплазме или на гранулярной ЭПС. Также через ядерные поры в цитоплазму поступает иРНК, которая несет информацию, скопированную с ДНК. В экзоплазме содержатся необходимые аминокислоты для синтеза белка и ферменты, катализирующие эти реакции.

Сводная таблица строения и функций цитоплазмы

Помимо органелл или органоидов клетка содержит непостоянные клеточные включения. Обычно содержатся в цитоплазме, но могут встречаться в митохондриях, в ядре и других органоидах.

Виды и формы

Включения - необязательные компоненты растительной или животной клетки, накапливающиеся в процессе жизнедеятельности и метаболизма. Включения не стоит путать с органеллами. В отличие от органелл включения то возникают, то исчезают в структуре клетки. Некоторые из них небольшие, едва заметные, другие превышают в размерах органеллы. Они могут иметь разную форму и различный химический состав.

По форме выделяют:

• гранулы;
• кристаллы;
• зёрна;
• капли;
• глыбы.

Рис. 1. Формы включений.

По функциональному назначению включения подразделяются на следующие группы:

• трофические или накопительные - запасы питательных веществ (вкрапления липидов, полисахаридов, реже - белков);
• секреты - химические соединения в жидком виде, накапливающиеся в железистых клетках;
• пигменты - окрашенные вещества, выполняющие определённые функции (например, гемоглобин переносит кислород, меланин - окрашивает кожу);
• экскреты - продукты метаболического распада.

Рис. 2. Пигменты в клетке.

Все включения являются продуктами внутриклеточного обмена веществ. Часть так и остаётся в клетке «про запас», часть расходуется, часть со временем выводится из клетки.

Строение и функции

Главными включениями клетки являются жиры, белки, углеводы. Их краткое описание дано в таблице “Строение и функции клеточного включения”.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

В растительной клетке роль включений играют вакуоли - мембранные органеллы, накапливающие питательные вещества. Вакуоли содержат водный раствор с органическими (соли) и неорганическими (углеводы, белки, кислоты и т.д.) веществами. Белки в небольшом количестве могут находиться в ядре. Липиды в виде капель накапливаются в цитоплазме.

Клеточный центр (или центросома) - не мембранная органелла, которая находится в центре клетки, рядом с ядром. Отсюда и пошло название органоида. Присутствует только у низших растений и животных; высшие растения, грибы и некоторые простейшие лишены его.

Открытие в науке

Описание центросом на полюсах веретена деления, которые находятся в клетках во время митоза, сделали почти одновременно ученые-биологи Флеминг В. и Гертвиг О. Открытие сделано в 70-х годах XIX ст.

Ученые еще тогда установили, что после завершения митоза, центросомы не исчезают, а остаются в интерфазном периоде. Подробное строение удалось определить после появления электронной микроскопии в середине XX ст.

Функции и строение

Клеточный центр - органоид, видимый в оптический микроскоп в клетках животных и низших растений. Он находится обычно около ядра или в геометрическом центре клетки и состоит из двух палочковидных телец центриолей, размером около 0,3-1 мкм.

Под электронным микроскопом установлено, что центриоль представляет собой цилиндр, стенки которого построены девятью триплетами очень тонких трубочек. Каждый триплет включает 2 неполных набора - 11 протофибрил и 1 полный - 13 протофибрил.

Все центриоли имеют белковую ось, от которой к триплетам направляются тонкие нити из белка. Центриоли находятся в окружении бесструктурного вещества - центриолярного матрикса. Здесь происходит формирование микротрубочек, благодаря белку гамма-тубулину.

В клеточный центр входят две центриоли: дочерняя и материнская, которые взаимно перпендикулярны друг к другу и вместе формируют диплосому. Материнская центриоль в составе имеет дополнительные структурные элементы - сатиллиты, их количество постоянно меняется, и располагаются они на всем протяжении центриоли.

В середине цилиндра находится полость, заполненная однородной массой. Пара центриолей, окружена более светлой зоной, называется центросферой.

Центросфера состоит из фибриллярных белков (основной - коллаген). Здесь располагаются микротрубочки, много микрофибрилл и скелетных фибрилл, которые обеспечивают фиксацию клеточного центра возле ядерной оболочки. Только в эукариотических клетках центриоли находятся под прямым углом относительно друг друга. Простейшим, нематодам не характерно такое строение.

Механизм распределения генетической информации

Перед митозом клеточный центр удваивается, при этом материнские центриоли рассоединяются и расходятся к противоположным полюсам.

Так в клетке появляется два клеточных центра. От них по направлению к центру, к хроматидам, идет сборка микротрубочек. Микротрубочки крепятся к центромерам пар хроматид и обеспечивают их равномерное распределение по дочерним клеткам.

Во время расхождения идет разборка микротрубочек с минус-конца, который расположен в центросоме. Микротрубочка укорачивается и, таким образом, тянет хромосому к определенному полюсу клетки. Каждая новообразованная клетка получает диплоидный набор хромосом и по одной центросоме.

Значение

Клеточный центр - главная структура, отвечающая за создание и управление микротрубочками клетки.

Выполняет такие функции:

1. Формирование органоидов движения простейших организмов (жгутики), которые дают возможность перемещаться в водной среде.
2. Образует реснички на поверхности эукариотических клеток, которые необходимы для восприятия внешних раздражителей (кожная рецепция).
3. Формирует нити веретена деления во время непрямого, митотического деления клетки. Обеспечивает равное распределение генетической информации между дочерними клетками.
4. Принимает участие в формировании микротрубочек, которые уходят или в цитоплазму, или становятся компонентом опорно-сократительного аппарата.
5. Увеличение количества центросом характерно для опухолевых клеток.

Клеточный центр играет важную роль в процессе перемещения хромосом при митозе. С ним связана способность некоторых клеток к активному движению. Это доказывается тем, что в основании жгутиков или ресничек подвижных клеток (простейшие, сперматозооны) находятся образования такой же структуры, как и клеточный центр.

Цитоплазма (cytoplasma) представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из гиалоплазмы, мембранных и немембранных органелл и включений.

Гиалоплазма (от греч. hyaline - прозрачный) представляет собой сложную коллоидую систему состоящую из различных биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), которая способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гель и обратно.

¨Гиалоплазма состоит из воды, органических и неорганических соединений, растворенных в ней и цитоматрикса, представленного трабекулярной сеткой волокон белковой природы, толщиной 2-3 нм.

¨Функция гиалоплазмы заключается в том, что эта среда объединяет все клеточные структуры и обеспечивает химическое взаимодействие их друг с другом.

Через гиалоплазму осуществляется большая часть внутриклеточных транспортных процессов: перенос аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, сахаров. В гиалоплазме идет постоянный поток ионов к плазматической мембране и от нее, к митохондриям, ядру и вакуолям. Гиалоплазма составляет около 50% от всего объема цитоплазмы.

Органеллы и включения. Органеллы - постоянные и обязательные для всех клеток микроструктуры, обеспечивающие выполнение жизненно важных функций клеток.

В зависимости от размеров органеллы разделяются на:

1) микроскопические - видимые под световым микроскопом;

субмикроскопические - различимые при помощи электронного микроскопа.

По наличии мембраны в составе органелл различают:

1) мембранные;

немембранные.

В зависимости от назначения все органеллы делятся на:

Мембранные органеллы

Митохондрии

Митохондрии - микроскопические мембранные органеллы общего назначения.

¨Размеры - толщина 0,5мкм, длина от 1 до 10мкм.

¨Форма - овальная, вытянутая, неправильная.

¨Строение - митохондрия ограничена двумя мембранами толщиной около 7нм:

1) Наружной гладкой митохондриальной мембраной (membrana mitochondrialis externa), которая отграничивает митохондрию от гиалоплазмы. Она имеет равные контуры, замкнута таким образом, что представляет мешок.

Внутренней митохондриальной мембраной (memrana mitochondrialis interna), которая образует выросты, складки (кристы) внутрь митохондрии и ограничивает внутреннее содержание митохондрии - матрикс. Внутренняя часть митохондрии заполнена электронно-плотным веществом, которое носит название матрикс.

Матрикс имеет тонкозернистое строение и содержит тонкие нити толщиной 2-3 нм и гранулы размером около 15-20 нм. Нити представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гранулы - митохондриальные рибосомы.

¨Функции митохондрий

1. Синтез и накопление энергии в виде АТФ, происходит в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АТФ. Эти реакции протекают при участии ферментов цикла трикарбоновых кислот, локализованных в матриксе. Мембраны крист имеют системы дальнейшего транспорта электронов и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования (фосфорилирование АДФ в АТФ).

2. Синтез белка. Митохондрии в своем матриксе имеют автономную систему синтеза белка. Это единственные органеллы, которые имеют молекулы собственной ДНК, свободной от гистоновых белков. В матриксе митохондрий также происходит образование рибосом, которые синтезируют ряд белков, некодируемых ядром и используемых для по строения собственных ферментных систем.

3. Регуляция водного обмена.

Лизосомы

Лизосомы (lisosomae) - субмикроскопические мембранные органеллы общего назначения.

¨Размеры - 0,2-0,4 мкм

¨Форма - овальная, мелкая, шаровидная.

¨Строение - лизосомы имеют в своем составе протеолитические ферменты (известно более 60), которые способны расщеплять различные биополимеры. Ферменты располагаются замкнутом мембранном мешочке, который предупреждает их попадание в гиалоплазму.

Среди лизосом различают четыре типа:

Первичные лизосомы;

Вторичные (гетерофагосомы, фаголизосомы);

Аутофагосомы

Остаточные тельца.

Первичные лизосомы - это мелкие мембранные пузырьки размером 0,2-0,5 мкм, заполненные неструктурированным веществом, содержащим гидролитические ферменты в неактивном состоянии (маркерный - кислая фосфотаза).

Вторичные лизосомы (гетерофагосомы) или внутриклеточные пищеварительные вакуоли, которые формируются при слиянии первичных лизосом с фагоцитарными вакуолями. Ферменты первичной лизосомы начинают контактировать с биополимерами, и расщепляют их до мономеров. Последние транспортируются через мембрану в гиалоплазму, где происходит их реутилизация, то есть включение в различные обменные процессы.

Аутофагосомы (аутолизосомы) – постоянно встречаются в клетках простейших, растений и животных. По совей морфологии их относят к вторичным лизосомам, но с тем различием, что в составе этих вакуолей встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, такие, как митохондрии, пластиды, рибосомы, гранулы гликогена.

Остаточные тельца (телолизосома, corpusculum residuale) - представляют собой окруженные биологической мембраной нерасщепленные остатки, содержат небольшое количество гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого, его перестройка. Часто в остаточных тельцах происходит вторичная структуризация не переваренных липидов и последние образуют слоистые структуры. Там же наблюдается отложение пигментных веществ - пигмент старения, содержащий липофусцин.

¨Функция - переваривание биогенных макромолекул, модификация продуктов синтезируемых клеткой с помощью гидролаз.