Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Титов Сергей Алексеевич

Рис. 47. Строение мембраны

Ядро

Ядро служит хранилищем наследственной информации и регулирует основные процессы, протекающие в клетке. Чаще всего клетка содержит только одно ядро, однако в некоторых случаях их может быть два, а иногда и гораздо больше. По форме ядро обычно является шаровидным, хотя встречаются ядра и более сложной формы. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран и имеющей крупные поры. Через поры проходят большие молекулы РНК и белков.

Рис. 48. Организация генетического материала в клетке

Жидкое

содержимое ядра называют кариоплазмой. В кариоплазме находится одна или несколько мелких уплотнённых структур – ядрышек – и хроматин. Хроматин – это соединение ДНК со специальными белками (рис. 48). Белки, во-первых, выполняют функции ферментов, а во-вторых, «упаковывают» ДНК, переводя её в скрученное состояние. Дело в том, что если молекулу ДНК растянуть, она окажется огромной по сравнению с размерами ядра клетки. Суммарная длина всех молекул ДНК в ядре соматической клетки превышает 1 м, в то время как размер ядра не больше нескольких микрометров. Поэтому, для того чтобы разместиться внутри ядра и не запутаться, каждая молекула ДНК поддерживается специальными белками (гистонами), которые служат её «крепёжным материалом».

Молекулы ДНК в скрученном состоянии называют хромосомами. Число молекул ДНК во всех клетках определённого вида живых организмов всегда строго одинаково. В соматических клетках каждая хромосома имеет свою пару, т. е. такая клетка содержит двойной набор одинаковых хромосом. Такой набор называют диплоидным, а хромосомы, имеющие одинаковые размеры и форму, называют гомологичными (рис. 49). В соматических клетках человека содержится 46 хромосом, т. е. 23 пары. В половых клетках (гаметах) число хромосом вдвое меньше, чем в соматических. Такой «половинный» набор называют гаплоидным. Во время оплодотворения отцовская и материнская гаплоидные гаметы сливаются, их хромосомные наборы объединяются и образуется клетка с диплоидным набором (зигота). Из этой клетки путём деления образуются все клетки нового развивающегося организма.

Рис. 49. Диплоидный набор хромосом человека: А – женщины, Б – мужчины

У мужчин и женщин 22 пары хромосом одинаковы. Такие хромосомы называют аутосомами. 23-я пара – это половые хромосомы, они могут быть двух видов, называемых X и Y. Все яйцеклетки женщины содержат X-хромосому, а в сперматозоидах может находиться либо X-, либо Y-хромосома. Пол будущего ребёнка зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку: если несущий Y-хромосому – будет мальчик с набором половых хромосом XY, а если с X-хромосомой – девочка с набором XX.

Цитоплазма. Органоиды

Между ядром и наружной мембраной находится цитоплазма. В её студенистой среде расположены органоиды – структуры, выполняющие в клетке различные функции. Существуют одномембранные, двухмембранные и немембранные органоиды. Рассмотрим сначала строение одномембранных органоидов.

Вся цитоплазма пронизана сложной сетью микроскопических трубочек и полостей – эндоплазматической сетью (ЭПС). ЭПС связана и с наружной плазматической мембраной, и с внешней мембраной ядерной оболочки. На поверхности ЭПС происходит синтез многочисленных биологически активных веществ. Существуют участки ЭПС, на каналах которой расположены рибосомы – немембранные органоиды, синтезирующие белок. Такие участки называют шероховатой ЭПС. В гладкой ЭПС, где нет рибосом, синтезируются многие углеводы и липиды. Продвигаясь по каналам, вещества могут менять свою структуру, объединяться в комплексы и приобретать биологическую активность. В конце концов готовые вещества поступают в систему внутриклеточных полостей и цистерн, которую называют комплексом или аппаратом

Гольджи. Это своеобразный сортировочный и упаковочный цех, где вещества упаковываются в мембранные пузырьки и либо перемещаются в ту часть клетки, где они необходимы, либо выводятся за пределы клетки (рис. 50).

Рис. 50. Строение и функционирование аппарата Гольджи и принцип работы лизосомы

Важной функцией комплекса Гольджи служит образование лизосом – органоидов, служащих для переваривания попавших в клетку питательных веществ. Лизосома – это одномембранный пузырёк с ферментами. Когда клетка захватывает питательные вещества, то пищеварительная вакуоль сливается с лизосомой и происходит переваривание. В некоторых случаях лизосомы активизируются, выделяют своё содержимое в цитоплазму и переваривают саму клетку. Так, например, происходит во время превращения головастика во взрослую лягушку. Хвост головастика при этом не отваливается, а переваривается лизосомами. Образующиеся при этом питательные вещества усваиваются другими клетками.

ЭПС, комплекс Гольджи и лизосомы – это одномембранные органоиды. Двухмембранными органоидами являются митохондрии и пластиды. Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Они запасают энергию, поэтому их часто называют «энергетическими станциями» клетки. Число митохондрий в клетке зависит от её потребности в энергии и может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч.

Пластиды присутствуют только в клетках растений. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, благодаря которому происходит фотосинтез. В клетке листа растения содержится обычно несколько десятков хлоропластов. В хромопластах вместо хлорофилла находятся пигменты красно-оранжевого цвета, которые определяют окраску цветов, плодов и осенних листьев. Третья разновидность пластид – бесцветные лейкопласты выполняют запасательную функцию.

Строение митохондрий и пластид схоже. И те и другие имеют две мембраны: внешнюю гладкую и внутреннюю, образующую складки. В мембранах этих складок, которые в митохондриях называются кристами, а в хлоропластах – тилакоидами, происходят основные процессы энергетического обмена и фотосинтеза. Митохондрии и пластиды называют полуавтономными органоидами. Они имеют собственные ДНК, рибосомы и способны размножаться делением. Существует мнение, что митохондрии и пластиды когда-то были самостоятельными прокариотическими организмами, которые в процессе эволюции были захвачены другими прокариотами. Потеряв самостоятельность, они стали органоидами и перешли к обитанию внутри клеток.

Форму клетке помогает поддерживать опорная система, так называемый цитоскелет. Он состоит из микротрубочек, которые имеют диаметр около 20 нм и пронизывают всю цитоплазму. Микротрубочки образуются в органоиде, называемом клеточным центром. Клеточный центр состоит из двух частиц – центриолей – и играет важную роль в процессе клеточного деления.

Некоторые клетки имеют органоиды для передвижения – жгутики и реснички. Жгутик обычно один или их несколько, а число ресничек может доходить до нескольких тысяч. Жгутики вращаются как винты, а реснички, как вёсла, совершают постоянные гребки. Причём реснички есть только у животных, в то время как жгутики могут быть у клеток животных, растений и бактерий.

Проверьте свои знания

1. Расскажите, как устроена плазматическая мембрана. Изобразите схематично её строение.

2. Что представляет собой хроматин?

3. Сравните диплоидный и гаплоидный наборы хромосом.

4. Какие функции выполняют лизосомы?

5. Как вы считаете, когда число митохондрий и пластид в клетках увеличивается? Объясните свою точку зрения.

6. Как с эволюционной точки зрения можно объяснить наличие двух мембран у митохондрий и пластид?