6 структура и функции цитоплазмы. Цитоплазма живой клетки
Цитоплазма – это живое содержимое клетки без ядра или его эквивалента. Она имеет вязко-упругую консистенцию, которая может приобретать состояние геля или золя (становится жидкой). Во многих клетках наружный слой цитоплазмы (эктоплазма) содержит мало органоидов и постоянно находится в состоянии геля (студенистого вещества, обладающего способностью сохранять форму) или золя (жидкое состояние).
В цитоплазме различают: гиалоплазму, органоиды, цитоскелет и включения.
Гиалоплазма представляет собой гомогенную субстанцию, заполняющую промежутки между структурно оформленными компонентами цитоплазмы. Она состоит из воды и множества разнообразных растворенных неорганических и органических веществ. Это место, где протекают важнейшие метаболические процессы и куда поступают многие промежуточные продукты обмена.
Органоиды
(органеллы) – это структурно организованные компоненты цитоплазмы, выполняющие жизненно важные функции. По особенностям строения выделяют мембранные и немембранные
органоиды. К мембранным органоидам относятся: эндоплазматическая сеть, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, а в растительных клетках – еще и пластиды и вакуоли. К немембранным органоидам относятся: рибосомы (и полисомы) и центросома. Все вышеуказанные органоиды относят к группе органоидов общего назначения
. Кроме них, в ряде специализированных клеток присутствуют органоиды специального назначения
, такие как реснички, жгутики, микроворсинки, миофибриллы.
Цитоскелет
Цитоскелет – это трехмерный цитоплазматический комплекс волокнистых и трубчатых структур, придающий клетке определенную форму и выполняющий другие функции. Он представлен микротрубочками, микрофиламентами и промежуточными филаментами.
Микротрубочки – неветвящийся структурный компонент цитоплазмы, присутствующий практически во всех типах эукариотических клеток. Имеют диаметр 24 нм, а в длину –несколько мкм. Это динамические структуры, постоянно растущие с одного конца и деполяризующиеся с другого. Они построены из белка тубулина. Имеют вид полых цилиндров.
Их главная функция заключается в создании эластичного и устойчивого внутриклеточного каркаса, необходимого для поддержания формы клеток. Кроме того, они принимают участие в транспорте макромолекул и органоидов, обеспечивают подвижность жгутиков и ресничек. Входя в состав веретена деления, обеспечивают расхождение хромосом при делении клеток. Они могут быть факторами ориентированного движения клетки в целом.
Разрушение микротрубочек колхицином приводит к нарушениям транспорта веществ (например, к блокаде секреции) и механического переноса отдельных внутриклеточных компонентов. Кроме того, при делении клеток блокируется веретено деления.
Микрофиламенты – относятся к фибриллярным компонентам эукариотических клеток. Они располагаются в кортикальном слое цитоплазмы, прямо под плазмолеммой, в виде пучков или слоями. В среднем их длина составляет 6 нм.
В зависимости от химического состава микрофиламенты могут выполнять функции цитоскелета и участвовать в обеспечении движения. В их состав входят сократительные белки: актин, миозин, тропомиозин и др.
Основные функции микрофиламентов – это создание внутриклеточного сократительного аппарата, который обеспечивает амебоидное движение клеток, большинство движений органоидов и деление клеток.
Промежуточные филаменты (микрофибриллы) – это тонкие неветвящиеся, нередко лежащие пучками нити, которые присутствуют в клетках разных тканей и состоят из разных веществ, например, из кератина – в эпителии, десмина – в мышечных волокнах и др. Они выполняют опорно-каркасную функцию.
Включения
Включения – это непостоянные компоненты, которые могут появляться и исчезать в зависимости от функционального состояния клетки. Их классифицируют на: трофические, секреторные, экскреторные, пигментные, кристаллы. Трофические включения – это, как правило, резервные скопления гранул белка, гликогена, капельки жиров. Секреторные гранулы и пузырьки содержат биологически активные вещества и поступают по протокам желез в те или иные органы. Экскреторные включения не являются биологически активными веществами. Обычно это продукты метаболизма клеток, подлежащие удалению. Пигментные включения могут изменить цвет ткани временно или постоянно (примеры: гемоглобин, меланин, липофусцин – пигмент изнашивания, билирубин и др.). В растительных клетках встречаются включения кристаллов (чаще всего это оксалат кальция).
Микроворсинки – это цитоплазматические выросты длиной около 1 мкм. Они многократно увеличивают поверхность клетки. Каждая микроворсинка имеет внутренний каркас, образованный пучком около 40 микрофиламентов, расположенных вдоль клеточной оси и фиксирующихся на внутренней поверхности плазмолеммы.
Миофибриллы – органоиды специального назначения мышечных волокон. Они имеют вид тонких нитей, вытянутых вдоль мышечных волокон и отделяющихся друг от друга рядами вытянутых митохондрий и эндоплазматической сети. Сами миофибриллы состоят из сократительных белков актина, миозина и других.
Псевдоподии (ложноножки) – это временные цитоплазматические выпячивания у некоторых одноклеточных организмов и некоторых клеток (например, лейкоцитов) многоклеточных животных. Служат для амебоидного движения и фагоцитоза.
Цели урока:
- Углубить общие представления о строении эукариотической клетки.
- Сформулировать знания о свойствах и функциях цитоплазмы.
- На практической работе убедиться, что цитоплазма живой клетки эластична и полупроницаема.
Ход урока
- Записываем тему урока.
- Повторяем пройденный материал, работаем с тестами.
- Читаем и комментируем вопросы тестов. (См. Приложение 1 ).
- Записываем домашнее задание: п.5.2., записи в тетрадях.
- Изучение нового материала.
Это основное вещество цитоплазмы.
Это сложная коллоидная система.
Состоит из воды, белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов, неорганических веществ.
Имеется цитоскелет.
Цитоплазма всё время перемещается.
Функции цитоплазмы.
- Внутренняя среда клетки.
- Объединяет все клеточные структуры.
- Определяет местоположение органоидов.
- Обеспечивает внутриклеточный транспорт.
Свойства цитоплазмы:
- Эластичность.
- Полупроницаемость.
Благодаря этим свойствам клетка переносит временное обезвоживание и поддерживает постоянство своего состава.
Необходимо вспомнить такие понятия как тургор, осмос, диффузия .
Для того чтобы ознакомиться со свойствами цитоплазмы, учащимся предлагается выполнить практическую работу: "Изучение плазмолиза и деплазмолиза в растительной клетке. (См. Приложение 2).
В процессе работы необходимо нарисовать клетку кожицы лука (Пункт 1. Клетку в пункте 2 и 3).
Сделать вывод о происходящих в клетке процессах (устно)
Ребята пытаются объяснить, что в пункте 2 наблюдается плазмолиз- отделение пристеночного слоя цитоплазмы, в пункте 3 наблюдается деплазмолиз - возврат цитоплазмы к нормальному состоянию.
Необходимо объяснить причины этих явлений. Чтобы снять затруднения перед уроками даю трём ученикам учебные пособия: "Биологический энциклопедический словарь", 2 том биологии Н.Грин, " Эксперимент по физиологии растений" Е.М.Васильева, где они самостоятельно находят материал о причинах плазмолиза и деплазмолиза.
Выясняется, что цитоплазма эластична и полупроницаема. Если бы она была проницаемой, то происходило бы выравнивание концентраций клеточного сока и гипертонического раствора путём диффузного перемещения воды и растворённых веществ из клетки в раствор и обратно. Однако цитоплазма, обладая свойством полупроницаемости, не пропускает внутрь клетки растворённые в воде вещества.
Напротив, только вода, согласно законам осмоса, будет высасываться гипертоническим раствором из клетки, т.е. передвигаться через полупроницаемую цитоплазму. Объём вакуоли уменьшится. Цитоплазма в силу эластичности следует за сокращающейся вакуолью и отстаёт от оболочки клетки. Так происходит плазмолиз.
При погружении плазмолизированной клетки в воду наблюдается деплазмолиз.
Обобщение знаний, полученных на уроке.
- Какие функции присущи цитоплазме?
- Свойства цитоплазмы.
- Значение плазмолиза и деплазмолиза.
- Цитоплазма - это
а) водный раствор солей и органических веществ вместе с органоидами клетки, но без ядра;
б) раствор органических веществ, включающий ядро клетки;
в) водный раствор минеральных веществ, включающий все органоиды клетки с ядром. - Как называется основное вещество цитоплазмы?
Во время практической работы учитель проверяет правильность её выполнения. У кого всё получилось, можно поставить оценки. Оценки выставляются за правильные выводы.
Клетки, образующие ткани растений и животных, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.
Биологические превращения, происходящие в клетке, неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение гой или иной функции. Такие структуры получили название органоидов.
Клетки всех типов содержат три основных, неразрывно связанных между собой компонента:
- структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
- цитоплазма с целым комплексом специализированных структур — органоидов (эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии и пластиды, комплекс Гольджи и лизосомы, клеточный центр), присутствующих в клетке постоянно, и временных образований, называемых включениями;
- ядро - отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко.
Строение клетки
Поверхностный аппарат клетки (цитоплазматическая мембрана) растений и животных имеет некоторые особенности.
У одноклеточных организмов и лейкоцитов наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку ионов, воды, мелких молекул других веществ. Процесс проникновения в клетку твердых частиц называется фагоцитозом, а попадание капель жидких веществ - пиноцитозом.
Наружная плазматическая мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой.
В клетках эукариот есть органоиды, покрытые двойной мембраной, - митохондрии и пластиды. Они содержат собственные ДНК и синтезирующий белок аппарат, размножаются делением, то есть имеют определенную автономию в клетке. Кроме АТФ, в митохондриях происходит синтез небольшого количества белка. Пластиды свойственны клеткам растений и размножаются путем деления.
Виды клеток | Строение и функции наружного и внутреннего слоев клеточной оболочки | ||
---|---|---|---|
наружный слой (хим. состав, функции) |
внутренний слой - плазматическая мембрана |
||
химический состав | функции | ||
Клетки растений | Состоят из клетчатки. Этотслой служит каркасом клетки и выполняет защитную функцию | Два слоя белка, между ними - слой липидов | Ограничивает внутреннюю среду клетки от внешней и поддерживает эти различия |
Клетки животных | Наружный слой (гликокаликс) очень тонкий и эластичный. Состоит из полисахаридов и белков. Выполняет защитную функцию. | Тоже | Специальные ферменты плазматической мембраны регулируют проникновение многих иононов и молекул в клетку и выход их во внешнюю среду |
К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей.
Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» - прокариоты и «ядерные» - эукариоты.
У прокариот-бактерий и сине-зеленых водорослей, а также вирусов имеется всего одна хромосома, представленная молекулой ДНК (реже РНК), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.
Главные рганоиды | Строение | Функции |
---|---|---|
Цитоплазма | Внутренняя полужидкая среда мелкозернистой структуры. Содержит ядро и органоиды |
|
ЭПС - эндоплазматическая сеть | Система мембран в цитоплазме» образующая каналы и более крупные полости, ЭПС бывает 2-х типов: гранулированная (шероховатая), на которой расположено множество рибосом, и гладкая |
|
Рибосомы | Мелкие тельца диаметром 15-20 мм | Осуществляют синтез белковых молекул, их сборку из аминокислот |
Митохондрии | Имеют сферическую, нитевидную, овальную и другие формы. Внутри митохондрий находятся складки (дл. от 0,2 до 0,7 мкм). Внешний покров митохондрий состоит из 2-х мембран: наружная - гладкая, и внутренняя - образует выросты-кресты, на которых расположены дыхательные ферменты |
|
Пластиды - свойственны только клеткам раститений, бывают трех типов: | Двумембранные органеллы клетки | |
хлоропласты | Имеют зеленый цвет, овальную форму, ограничены от цитоплазмы двумя трехслойными мембранами. Внутри хлоропласта располагаются грани, где сосредоточен весь хлорофилл | Используют световую энергию солнца и создают органические вещества из неорганических |
хромопласты | Желтые, оранжевые, красные или бурые, образуются в результате накопления каротина | Придают различным частям растений красную и желтую окраску |
лейкопласты | Бесцветные пластиды (содержатся в корнях, клубнях, луковицах) | В них откладываются запасные питательные вещества |
Комплекс Гольджи | Может иметь разную форму и состоит из отграниченных мембранами полостей и отходящих от них трубочек с пузырьками на конце |
|
Лизосомы | Округлые тельца диаметром около 1 мкм. На поверхности имеют мембрану (кожицу), внутри которой находится комплекс ферментов | Выполняют пищеварительную функцию - переваривают пищевые частицы и удаляют отмершие органоиды |
Органоиды движения клеток |
|
|
Клеточные включения | Это непостоянные компоненты клетки — углеводы, жиры и белки | Запасные питательные вещества, используемые в процессе жизнедеятельности клетки |
Клеточный центр | Состоит из двух маленьких телец - центриолей и центросферы - уплотненного участка цитоплазмы | Играет важную роль при делении клеток |
Эукариоты обладают большим богатством органоидов, имеют ядра, содержащие хромосомы в виде нуклеопротеидов (комплекс ДНК с белком гистоном). К эукариотам относятся большинство современных растений и животных как одноклеточных, так и многоклеточных.
Выделяют два уровня клеточной организации:
- прокариотический - их организмы очень просто устроены - это одноклеточные или колониальные формы, составляющие царство дробянок, синезеленых водорослей и вирусов
- эукариотический - одноклеточные колониальные и многоклеточные формы, от простейших - корненожки, жгутиковые, инфузории — до высших растений и животных, составляющие царство растений, царство грибов, царство животных
Главные органоиды | Строение | Функции |
---|---|---|
Ядро растительной и животной клетки | Округлой или овальной формы | |
Ядерная оболочка состоит из 2-х мембран с порами |
|
|
Ядерный сок (кариоплазма) - полужидкое вещество | Среда, в которой находятся ядрышки и хромосомы | |
Ядрышки сферической или неправильной формы | В них синтезируется РНК, которая входит в состав рибосомы | |
Хромосомы - плотные удлиненные или нитевидные образования, видимые только при делении клетки | Содержат ДНК, в которой заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение |
Все органоиды клетки, несмотря на особенности их строения и функций, находятся во взаимосвязи и «работают» на клетку, как на единую систему, в которой связующим звеном является цитоплазма.
Особые биологические объекты, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой, представляют собой вирусы, открытые в 1892 г. Д. И. Ивановским, они составляют в настоящее время объект особой науки - вирусологии.
Вирусы размножаются только в клетках растений, животных и человека, вызывая различные заболевания. Вирусы имеют очень прослое строение и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Вне клеток хозяина вирусная частица не проявляет никаких жизненных функций: не питается, не дышит, не растет, не размножается.
Структура цитоплазмы
Внутреннее содержимое клетки делится на цитоплазму и ядро. Цитоплазма – это основная по объёму часть клетки.
Определение 1
Цитоплазма – это отделённая от внешней среды клеточной оболочкой внутренняя полужидкая коллоидная среда клетки, в которой расположены ядро, все органеллы мембранного и немембранного строения.
Всё пространство между органоидами в клетке заполнено растворимым содержимым цитоплазмы (цитозолем ). Агрегатное состояние цитоплазмы может быть различным: редким – золь и вязким – гель . По химическому составу цитоплазма достаточно сложная. Это полужидкая слизистая бесцветная масса сложного физико-химического строения (биологический коллоид).
Клетки животного происхождения и очень молодые растительные клетки полностью заполнены цитоплазмой. В растительных клетках при дифференциации образуются мелкие вакуоли , в процессе слияния которых образуется центральная вакуоль, а цитоплазма отходит к оболочке и выстилает её сплошным слоем.
В цитоплазме содержатся:
- соли (1%),
- сахара (4-6%),
- аминокислоты и белки (10-12%),
- жиры и липиды (2-3%) ферменты,
- до 80% воды.
Все эти вещества образуют коллоидный раствор, который не смешивается с водой или вакуолярным содержимим.
В состав цитоплазмы входят:
- матрикс (гиалоплазма),
- цитоскелет,
- органеллы,
- включения.
Гиалоплазма – коллоидная бесцветная структура клетки. Она состоит из растворимых белков, РНК, полисахаридов, липидов и определённым образом расположенных клеточных структур: мембран, органелл, включений.
Цитоскелет , или внутриклеточный скелет, - система белковых образований, - микротрубочек и микронитей – выполняет в клетке опорную функцию, участвует в изменении формы клетки и её движении , обеспечивает определённое расположение ферментов в клетке.
Органеллы – это стабильные клеточные структуры, выполняющие определённые функции, обеспечивающие все процессы жизнедеятельности клетки (движение, дыхание, питание, синтез органических соединений, их транспорт, сохранение и передачу наследственной информации).
Органеллы эукариот делятся на:
- двумембранные (митохондрии, пластиды);
- одномембранные (эндоплазматическая сеть, аппарат (комплекс) Гольджи, лизосомы, вакуоли);
- немембранные (жгутики, реснички, псевдоподии, миофибриллы).
Включения – временные структуры клетки. К ним относятся запасные соединения и конечные продукты обмена веществ: зёрна крахмала и гликогена, капли жира, кристаллы солей.
Функции и свойства цитоплазмы
Цитоплазматическое содержимое клетки способно двигаться, что благоприятствует оптимальному размещению органоидов и в результате лучше протекают биохимические реакции, выделение продуктов обмена и т. п.
У простейших (амёба) благодаря движению цитоплазмы осуществляется основное передвижение клеток в пространстве.
Цитоплазмой сформированы различные внешние образования клетки – жгутики, реснички, выросты поверхности, которые играют важную роль в движении клеток и способствуют соединению клеток в ткани.
Цитоплазма является матриксом для всех клеточных элементов, обеспечивая взаимодействие всех клеточных структур, в ней происходят разнообразные химические реакции, по цитоплазме вещества перемещаются в клетке, а также из клетки в клетку.
Протоплазмой называют содержание живой клетки вместе с ее ядром и цитоплазмой. Цитоплазма - внутренняя среда клетки, находится между плазматической мембраной и ядром. Эта часть клетки представляет собой коллоидный раствор неорганических и органических веществ. Внутренняя среда клетки характеризуется относительным постоянством строения и свойств, то есть клеточным гомеостазом. Под контролем ядра цитоплазма способна к росту и восстановлению, при частичном удалении она полностью регенерирует. А в безъядерных клетках цитоплазма, как правило, не способна к длинному автономного существования. В клетках животных цитоплазма может делиться на экто- и эндоплазму. Эктоплазма является прозрачным плотным слоем цитоплазмы, который лишен большинства органелл и включений, а эндоплазма - это внутренний редкую слой, в котором и расположены различные органеллы и включения. Основным свойством цитоплазмы является способность к движению. Циклоз - движение цитоплазмы в клетке, обусловленный сокращением микронитей и микротрубочек. Этот процесс способствует оптимальному расположению органелл, лучшему протеканию биохимических реакций, удалению продуктов обмена и др. Движение цитоплазмы зависит от функций клетки, возраста, условий среды и тому подобное. Характерная для живых организмов высокая организованность метаболизма во времени и пространстве в значительной мере обеспечивается наличием в цитоплазме специализированных участков. Они отличаются по степени активности имеющихся химических соединений и механизмов, регулирующих их преобразования. Такие участки называют компартментами, а разграничение клеточного пространства получило название компартментализация. Компартмента (от англ, compartment - отдел, отделение ) - это отдельные функциональные участки, окруженные мембранами. Значение цитоплазмы заключается в том, что она: а) объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие; б) благодаря способности к движению приводит транспорт различных веществ; в) обеспечивает протекание процессов обмена веществ (например, анаэробное дыхание) г) является местом, где откладываются запасные питательные вещества и продукты метаболизма. Основными компонентами цитоплазмы является цитозоль (гиалоплазма ) , органеллы, включения.
Цитозоль, гиалоплазма, (матрикс цитоплазмы) - растворимый часть цитоплазмы, основная Те вещество, заполняющее пространство между клеточными органеллами. В состав цитозоля входят: вода (до 90%), анионы (НСO3-, СO32-, Н2РO4-, НР042-, РO43-), катионы (Са 2+, К +), малые молекулы (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды), макромолекулы (липиды, полисахариды, гидрофильные белки, РНК) и др. По физическому состоянию гиалоплазма является редким или студенистым раствором, которые могут переходить друг в друга. Этот переход обусловлен изменениями актиновых микронитей, зависит от наличия ионов магния, энергии АТФ и др. Эти микрофиламенты пронизывают всю гиалоплазму, они постоянно распадаются и самоскладаються, что определяет такие свойства цитозоля, как вязкость, подвижность, переход из зольного (вяжущего) в гельний (невязкого) состояние и наоборот. Физическое состояние гиалоплазмы влияет на скорость биохимических реакций, обусловливает амебоидний движение определенных клеток и тому подобное. Гиалоплазма объединяет все клеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие, содержит растворимые белки-ферменты, которые катализируют различные реакции обмена веществ.
Органеллы - постоянные структуры клетки, которые имеют характерное строение и выполняют определенные жизненные функции. Различают органеллы общего значения и специальные органеллы. К органелл общего значения относятся те, которые есть во всех клетках или в течение всей жизни клеток, или в определенные его периоды (например, рибосомы, эндоплазматическая сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, центросома, лизосомы, пероксисомы, пластиды). Специальные органеллы есть только в отдельных высокоспециализированных клетках: миофибриллы - в мышечных, нейрофибриллы - в нервных, реснички - в эпителии воздухопроводных путей, красный глазок - у клеток эвглены и др.
По особенностям мембранной строения органеллы клеток разделяют на: 1) двомембранни (митохондрии, пластиды) 2) одномембранных (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли и др.); 3) немембранные (рибосомы, клеточный центр) 4) органеллы движения (ложноножки, жгутики, реснички).
Клеточные включения - непостоянные образования, что является запасными соединениями или продуктами обмена веществ и роль которых в клетке пассивная. Они либо служат для обеспечения жизнедеятельности клетки, или появляются в результате ее функционирования. Например, секреторные, экскреторные, трофические, пигментные включения. По химической природе включения разделяют на белковые, углеводные, липидные, кристаллические и др.