Цитоплазма: гиалоплазма, цитоскелет, органоиды, включения

Схема строения клетки

Цитоплазма – представлена гиалоплазмой или основным веществом, в которой располагаются органоиды и включения.

Гиалоплазма – это полужидкая часть цитоплазмы, представляет собой коллоидный водный раствор белков, углеводов, нуклеиновых кислот и других веществ. Гиалоплазма содержит катионы и анионы. Основное вещество составляет около половины объема клетки, заполняет пространство между плазмолеммой, ядерной оболочкой, органоидами. В живых клетках гиалоплазма находится в постоянном круговом движении. В ней располагаются микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты, которые вместе с микротрабекулярной системой (тонкими белковыми нитями, расположенными по всей цитоплазме) образуют цитоскелет клетки. Цитоскелет придает клетке форму, а также обеспечивают движение клеток и внутриклеточное перемещение органоидов.

Двигательные процессы эукариотических клеток обеспечиваются опорно-двигательной системой, образованной микрофиламентами, микротрубочками и промежуточными филаментами.

Микрофиламенты – тонкие нити, образованные белком актином, имеющие диаметр около 6 нм. Встречаются по всей цитоплазме, обеспечивают: а) движение гиалоплазмы, б) образование перетяжки при делении клеток, в) формирование ложноножек.

Микротрубочки – тонкие полые трубочки диаметром около 25 нм, образованные белком тубулином. Встречаются во всех эукариотических клетках, обеспечивают: а) поддержание формы клеток, б) перемещение органоидов клетки, в) образование веретена деления и расхождение хромосом при митозе. Организацию микротрубочек в клетке выполняет клеточный центр.

Промежуточные филаменты имеют диаметр около 10 нм и занимают промежуточное место между микрофиламентами и микротрубочками. В клетках разных тканей они образованы различными фибриллярными белками, например, в эпидермисе они образованы кератином. Промежуточные филаменты выполняют в клетке опорную функцию, обеспечивая поддержание формы клеток.

Функции гиалоплазмы:

1) объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие друг с другом;

2) является внутренней средой клетки, где протекают биохимические реакции (реакции гликолиза, синтез нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот);

3) обеспечивает эластичность, вязкость, внутреннее движение цитоплазмы.

Органоиды – это постоянные структурные компоненты клетки, выполняющие определенные функции. Органоиды делятся на две группы:

1) органоиды общего назначения, присутствующие в большинстве клеток,

2) органоиды специального назначения, встречающиеся в специализированных клетках (реснички, жгутики, миофибриллы, пульсирующие вакуоли и др.).

Среди органоидов общего назначения выделяют: органоиды, имеющие мембранное строение, и органоиды, имеющие немембранное строение.

Органоиды, имеющие мембранное строение:

Пластиды – это двумембранные органоиды клеток растений. Они классифицируются по окраске: хлоропласты (имеют зеленый цвет, обусловленный присутствием пигмента – хлорофилла; участвуют в процессе фотосинтеза), хромопласты (имеют оранжевую, желтую, красную окраску, обусловленную пигментами каротиноидами; присутствием хромопластов объясняется окраска плодов и корнеплодов) и лейкопласты (бесцветные пластиды, в которых откладываются запасные питательные вещества). Все виды пластид родственны, одни их виды могут превращаться в другие.

Строение хлоропластов. Хлоропласты покрыты оболочкой, которая состоит из наружной и внутренней мембраны. Оболочка отграничивает внутреннюю среду хлоропласта - строму. В строме содержатся белки, липиды, кольцевые молекулы ДНК, РНК, рибосомы, трофические включения и ферменты, участвующие в фиксации CO_2. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя мембрана образует впячивания - тилакоиды. Тилакоиды, лежащие друг над другом, образуют грану (тилакоиды гран). Другие тилакоиды, связвающие граны между собой, называются тилакоидами стромы. В мембранах тилакоидов локализован хлорофилл, участвующий в поглощении и преобразовании энергии света. А в троме находятся ферменты биохимических систем синтеза углеводов. В ней также откладывается запасной крахмал.

Строение хлоропласта

Функции хлоропластов:

1) фотосинтез;

2) синтез АТФ;

3) автономный синтез специфичных для данного органоида белков.

Митохондрии - это двумембранные органоиды, имеющие форму палочек или гранул. Они присутствуют во всех эукариотических клетках. Митохондрии ограничены двумембранной оболочкой. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует выросты - кристы (гребни), что увеличивает площадь внутренней поверхности митохондрии. Внутренняя мембрана ограничивает матрикс, содержащий кольцевые молекулы ДНК, все виды РНК, рибосомы, аминокислоты, ферменты цикла Кребса. Между мембранами находится перимитохондриальное  (межмембранное) пространство, в котором накапливаются ионы Н⁺ , поступающие из матрикса, что создает разность потенциалов по обе стороны внутренней мембраны. Внутренняя мембрана содержит компоненты цепи переноса электронов (дыхательной цепи), обеспечивающей синтез АТФ. Обновление митохондрий происходит путем их деления.

Функции митохондрий:

1) окисление органических веществ;

2) синтез универсального источника энергии в клетке - АТФ;

3) автономный синтез специфичных для данного органоида белков.

Строение митохондрии

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - одномембранный органоид, присутствующий во всех эукариотических клетках. Представляет собой систему каналов, цистерн, полостей, соединенных между собой. ЭПС пронизывает всю цитоплазму и связывает все органоиды друг с другом, а также с ядром и плазмолеммой.

Эндоплазматическая сеть бывает двух типов:

1. Гранулярная эндоплазматическая сеть. На ее мембранах размещаются рибосомы. Белки, синтезируясь на рибосомах, проходят через мембрану внутрь полостей и по каналам гранулярной ЭПС транспортируются. Гранулярная ЭПС связана с ядерной оболочкой и участвует в образовании оболочек новых ядер после деления клетки.

Схема строения гранулярной ЭПС

2. Гладкая эндоплазматическая сеть. В ее мембраны встроены ферменты синтеза липидов и углеводов.

Продукты синтеза накапливаются в каналах ЭПС, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где используются для процессов жизнедеятельности.

Функции ЭПС:

1) разделение цитоплазмы на отдельные отсеки, что обеспечивает одновременное протекание в клетке различных хисических реакций;

2) транспорт веществ;

3) гранулярная ЭПС обеспечивает синтез белков на прикрепленных к ней рибосомах;

4) гладкая ЭПС участвует в синтезе и обмене углеводов, липидов, стероидных гормонов.

Комплекс (аппарат) Гольджи - одномембранный органоид эукариотических клеток. Открыт в 1898 году итальянским ученым Гольджи. Представляет собой систему плоских цистерн, которые построены из мембран. По краям от цистерн отшнуровываются крупные и мелкие пузырьки. Цистерны располагаются стопками одна над другой и образуют диктиосому. К внутренней части диктиосом примыкают элементы эндоплазматической сети. Вещества, синтезируемые в ЭПС, в мембранных пузырьках доставляются в комплекс Гольджи. Здесь образуются комплексы органических веществ, эти вещества дорабатываются, концентрируются, а затем используются или самой клеткой, или выводятся за ее пределы. Образующиеся секреторные пузырьки отделяются от наружной поверхности диктиосом. Пузырьки подходя к плазматической мембране, славиются с ней и изливают свое содержимое наружу.

Функции комплекса Гольджи:

1) модификация секреторного продукта (образование комплексов органических веществ,их доработка и концентрация);

2) упаковка секреторного продукта и образование участвующих в экзоцитозе секреторных пузырьков;

3) участиев формировании цитоплазматической мембраныи стенок клеток растений после деления;

4) образование вакуолей и лизосом.

Лизосомы – мелкие одномембранные органоиды. Представляют собой ограниченные мембраной пузырьки, содержащие гидролитические ферменты: протеазы, липазы, амилазы, нуклеазы. Лизосомы образуются из пузырьков, отделяющихся от комплекса Гольджи, а их ферменты синтезируются в гранулярной ЭПС. Различают:

1. Гетерофагосомы – лизосомы, участвующие в переваривании чужеродных веществ (пищевых частиц), попавших в клетку при фагоцитозе и пиноцитозе. Гетерофагосомы сливаются с эндоцитозными пузырьками, образуя пищеварительную вакуоль, в которой органические вещества расщепляются под действием ферментов до мономеров.
2. Аутофагосомы – лизосомы, участвующие в переваривании отмерших частей самой клетки.

Функции лизосом:

1) переваривание веществ, поступивших в клетку путем фаго- и пиноцитоза;

2) уничтожение ненужных клетке структур;

3) самопереваривание клетки при ее гибели после разрушения мембран лизосом.

Вакуоли – содержатся в растительных клетках и клетках протистов. Вакуоли отграничены мембраной, образуются из расширений ЭПС и пузырьков комплекса Гольджи. В клетках растений вакуоли заполнены клеточным соком, содержащим запасные питательные вещества и продукты жизнедеятельности (алкалоиды, танины, антоцианы). Окружающая вакуоль растений мембрана носит название – тонопласт.

Функции вакуолей растений:

1. Участвуют в поглощении воды.
2. Обеспечивают поддержание тургорного давления, которое поддерживает относительную жесткость растительных клеток.
3. В запасающих тканях растений в вакуолях откладываются запасные питательные вещества.

В клетках пресноводных протистов содержатся сократительные вакуоли, благодаря которым удаляется избыток воды.

Органоиды, имеющие немембранное строение.

Рибосома состоит из большой и малой субъединиц, содержащих рибосомальную РНК и белок. Малая субъединица связывается с иРНК и активированными тРНК. В большой субъединице образуются пептидные связи, и происходит присоединение аминокислот к растущей полипептидной цепи. Субъединицы образуются в ядрышке ядра отдельно и объединяются в цитоплазме на иРНК. Часть рибосом связана с мембранами эндоплазматической сети (эти рибосомы синтезируют белки, которые поступают в комплекс Гольджи и секретируются клеткой), а часть свободно располагается в гиалоплазме (на них синтезируются белки для собственных нужд клетки). Рибосомы могут объединяться в комплексы – полирибосо- мы, где они связаны между собой длинной цепочкой одной иРНК. Собственные рибосомы имеют пластиды и митохондрии. Функция рибосом – трансляция (синтез белка).

Клеточный центр (центросома) – органоид немембранного строения животных клеток, состоящий из двух расположенных перпендикулярно друг к другу центриолей и центросферы (лучистой сферы). Каждая центриоль представляет собой цилиндр, построенный из девяти триплетов микротрубочек. Содержание трубочек описывается формулой – 9х3+0. Это означает, что триплеты располагаются по периферии, а в центре микротрубочки отсутствуют. Центриоли расположены перпендикулярно друг к другу и окружены уплотненным слоем цитоплазмы с радиально расходящимися микротрубочками (центросфера).

Функции клеточного центра:

А. Центриоли участвуют в образовании нитей митотического веретена деления, обеспечивая равноценное распределение генетического материала в анафазе митоза.

Б. Организация микротрубочек цитоплазмы, образующих цитоскелет.

Строение центриоли

Жгутики и реснички - органиоды движения эукариотической клетки. Реснички (10-20 мкм) намного короче жгутиков (около 100 мкм), но они имеют одинаковое строение. Представляют собой окруженные мембраной цитоплазматические отростки, содержащие микротрубочки. 9 дуплетов микротрубочек располагаются по периферии вокруг двух одинаковых  трубочек, расположенных в центре. Это выражается формулой - 9х2+2. В цитоплазме у основания каждого жгутика и каждой реснички располагается базальное тельце, которое имеет такое же строение, как и центриоль. Базальные тельца обеспечивают организацию микротрубочек, входящих в состав органоидов движения. Движение жгутиков и ресничек обеспечивается скольжением одних микротрубочек относительно других.

Включения - непостоянные структурные компоненты клетки. Различают несколько групп включений:

1) трофические включения образуют запасы питательных веществ (капельки жира, зерна крахмала);

2) секреторные включения образуются в клетках желез внешней и внутренней секреции и предназначены для выделения из клетки (гормоны, ферменты);

3) экскреторные представляют собой конечные продукты обмена веществ и подлежат выведению из организма (щавелевокислый кальций, мочевая кислота);

4) пигментные включения придают окраску различным тканям (в клетках эпидермиса содержится пигмент меланин).