Теория. Клетка. Строение и биохимия клетки

На этом уроке мы рассмотрим темы, которые необходимо знать для успешного выполнения задания № 5 и задания № 6 ЕГЭ по биологии. Речь пойдет о клетке как основной единице живого.

Мы вспомним основы клеточной теории, а также рассмотрим строение и основные биохимические процессы, происходящие в прокариотической и эукариотической клетках.

Клетка как биологическая система

Клетка — основная структурная и функциональная единица живого организма.

В середине XIX века Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали несколько утверждений о единстве строения и развития жизни.

{"questions":[{"content":"Что из перечисленного состоит из клеток?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Одуванчик","Волос","Камень","Вирус","Акула"],"explanations":["","","Это объект неживой природы.","Это неклеточная форма жизни.",""],"answer":[0,1,4]}}}]}

Прокариоты и эукариоты

Это две основные категории клеток, на которые делятся все живые организмы. Главное различие между ними заключается в наличии или отсутствии ядра, а также других мембранных органелл.

Прокариоты, или доядерные, — это более простые, древние клетки. Они появились примерно 3,5 миллиарда лет назад. К прокариотам относятся бактерии и археи. 

Их клетки не имеют оформленного ядра, отделенного от цитоплазмы ядерной оболочкой. Их генетический материал (ДНК) находится непосредственно в цитоплазме, часто в виде кольцевой молекулы, называемой нуклеоидом. Прокариоты не имеют большинства мембранных органелл, таких как митохондрии и эндоплазматический ретикулум, за исключением некоторых случаев у фотосинтезирующих бактерий.

Эукариоты, или ядерные, — более сложные клетки. Они появились позже — около 2 миллиардов лет назад. К эукариотам относятся животные, растения, грибы и протисты (амёба, инфузория). 

Это организмы, чьи клетки обладают оформленным ядром, окруженным ядерной оболочкой. В ядре содержится генетический материал, представленный линейными молекулами ДНК, упакованными в хромосомы. Эукариотические клетки также содержат множество мембранных органелл, таких как митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и другие, которые выполняют различные функции.

{"questions":[{"content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Прокариоты","Эукариоты"],"items":[["ДНК свободно расположена в цитоплазме","клеточная стенки из муреина","маленький размер клетки"],["оформленное ядро","митохондрии","мембранные органоиды"]]}}}]}

Прокариотическая клетка

Строение

Снаружи прокариотическую клетку окружает клеточная стенка. У бактерий она состоит из особого вещества — муреина, который придает клетке форму и защищает ее от механических повреждений и осмотического давления. У архей, другой группы прокариот, стенка имеет другой химический состав — например, из псевдомуреина или белков.

Под клеточной стенкой располагается клеточная мембрана — полупроницаемая структура, построенная из фосфолипидов и белков. Она регулирует, какие вещества могут входить в клетку и выходить из нее, и участвует в энергетических процессах, поскольку именно на ее поверхности у прокариот происходят реакции клеточного дыхания (у них нет митохондрий).

Внутри клетки находится полужидкая цитоплазма. В ней нет мембранных органоидов, как в эукариотических клетках, но присутствуют рибосомы — мелкие шаровидные структуры, состоящие из РНК и белков. Они занимаются синтезом белков. У прокариот рибосомы имеют размер $70S$ (читается как «70 единиц Свенберга»), они легкие и маленькие.

В цитоплазме также расположена главная молекула ДНК — это кольцевая двухцепочечная структура, свободно плавающая в особой области, которую называют нуклеоидом. Она не отделена мембраной, и это главное отличие от эукариот.

Несмотря на отсутствие ядра и сложной внутренней структуры, прокариотическая клетка обладает всем необходимым для жизни: генетическим материалом, системой синтеза белков, мембраной для обмена веществами и даже способностью к движению и генетической изменчивости.

{"questions":[{"content":"Что из перечисленного является характерной особенностью прокариотической клетки?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Наличие ядра, окруженного двойной мембраной","Наличие митохондрий для синтеза АТФ","Хранение генетического материала в виде линейных хромосом","Синтез белков происходит на мембранных рибосомах ЭПС","Генетический материал находится в нуклеоиде, не отделённом мембраной"],"explanations":["Ядра с мембраной у прокариот нет.","У прокариот митохондрий нет, дыхание происходит на мембране.","У прокариот кольцевая ДНК, не линейная.","ЭПС у прокариот нет, рибосомы свободны.",""],"answer":[4]}}}]}

Биохимические процессы

К автотрофам относятся фотоавтотрофы, которые используют энергию света для фотосинтеза, и хемоавтотрофы, которые получают энергию путем окисления неорганических веществ.

Гетеротрофы подразделяются на сапротрофов (питаются мертвым органическим веществом), паразитов (питаются за счет живых организмов) и симбионтов (ведут взаимовыгодное сосуществование с другими организмами). 

Прокариоты не способны к фагоцитозу (поеданию твердых частиц), поэтому они питаются, поглощая растворенные в воде или других жидкостях вещества.

Аэробное дыхание, в котором кислород выступает в качестве конечного акцептора электронов, является основным источником энергии для многих прокариот. Анаэробное дыхание, в свою очередь, предполагает использование других окисленных соединений в качестве акцепторов электронов, например нитратов или сульфатов.

{"questions":[{"content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Типы питания","Типы дыхания"],"items":[["автотрофный","гетеротрофный"],["аэробный","анаэробный"],["фагоциты"]]}}}]}

Эукариотическая клетка

Строение

Эукариотическая клетка окружена плазматической мембраной, которая окружает клетку и отделяет ее от внешней среды. Она построена по принципу фосфолипидного слоя с встроенными белками, и играет роль как защитного барьера, так и регулятора транспорта веществ внутрь и наружу клетки.

Внутри клетки находится цитоплазма — полужидкая среда, заполненная органоидами. Это не просто «наполнитель»: цитозоль содержит ферменты, участвует в метаболизме и передаче сигналов между органоидами.

Самое главное и отличительное — это ядро. Оно окружено двумембранной ядерной оболочкой, пронизанной порами, через которые происходит обмен с цитоплазмой. Внутри ядра находится ДНК в виде хроматина (ДНК, связанная с белками-гистонами), а также ядрышко, где синтезируются субъединицы рибосом. Ядро — центр хранения и реализации наследственной информации.

Рядом с ядром находится эндоплазматическая сеть (ЭПС). Она бывает двух типов: гладкая (без рибосом) и шероховатая (с рибосомами на поверхности). Шероховатая ЭПС занимается синтезом белков, предназначенных для экспорта или включения в мембраны. Гладкая ЭПС участвует в синтезе липидов, детоксикации ядов и запасании ионов кальция.

Готовые белки и липиды поступают в аппарат Гольджи — органоид, отвечающий за сортировку, упаковку и выведение веществ. Его можно представить как почтовое отделение: он маркирует молекулы и направляет их к месту назначения (внутрь клетки или на экспорт).

У эукариот рибосомы имеют размер $80S$ (читается как «80 единиц Свенберга»), они более тяжелые и крупные. Такое обозначение они получили согласно коэффициенту оседания при центрифугирование.

Митохондрии — это «электростанции» клетки. У них есть две мембраны: внешняя отделяет органеллу от цитоплазмы клетки, а внутренняя образует складки — кристы. В митохондриях происходит клеточное дыхание: окисление органических веществ с образованием АТФ, универсальной энергетической молекулы. У растений есть еще и пластиды, в том числе хлоропласты — органоиды фотосинтеза, содержащие хлорофилл.

Для переваривания веществ клетка использует лизосомы — пузырьки, содержащие пищеварительные ферменты. Они разрушают отработанные структуры клетки, чужеродные частицы и даже целые клетки при апоптозе (запрограммированной гибели).

Важную роль играют вакуоли — особенно у растительных клеток. Вакуоль может занимать большую часть объема клетки и служит для хранения воды, веществ и поддержания давления (тургора).

Цитоскелет — это система белковых нитей, придающая клетке форму, обеспечивающая движение органоидов и деление клетки. Он включает микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты.

Наконец, многие эукариотические клетки имеют жгутики или реснички — органоиды движения, особенно у простейших.

{"questions":[{"content":"Какое из следующих утверждений правильно характеризует эукариотическую клетку?[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Вся генетическая информация находится свободно в цитоплазме","Рибосомы отсутствуют, так как белки синтезируются в ядре","Энергия в виде АТФ синтезируется только в хлоропластах","У клетки отсутствует мембрана, отделяющая ядро от цитоплазмы","Генетический материал заключён в ядре, окружённом ядерной оболочкой"],"explanations":["Это утверждение верно для прокариот.","Рибосомы есть, и синтез белка идет на них.","АТФ синтезируется не только митохондриями, но и хлоропластами.","Ядро отделено мембраной (это и есть суть эукариот).",""],"answer":[4]}}}]}

Биохимические процессы

• Фотосинтез происходит в хлоропластах (у растений);
• клеточное дыхание происходит в митохондриях;
• биосинтез белка — в ядре (транскрипция) и на рибосомах (трансляция);
• биосинтез липидов — в гладкой ЭПС.

Эукариоты используют органические вещества как источник энергии. Главной энергетической валютой клетки является АТФ (аденозинтрифосфат). Процесс образования АТФ называется клеточным дыханием, и он делится на 3 этапа:

1. Гликолиз
   • Где? — в цитоплазме
   • что происходит? — Глюкоза (6 углеродов) расщепляется на две молекулы пирувата (по 3 углерода);
   • энергия: немного — 2 АТФ;
   • протекает без кислорода.
2. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)
   • Где? — в матриксе митохондрии;
   • что происходит? — Пируват превращается в CO₂, при этом образуются НАДН и ФАДН₂ — переносчики электронов.
3. Дыхательная цепь (окислительное фосфорилирование)
   • Где? — на внутренней мембране митохондрии;
   • что происходит? — Электроны с НАДН и ФАДН₂ проходят по цепи белков, энергия используется для создания АТФ;
   • энергия: много — 34 АТФ;
   • Ообязательно нужен кислород.

Эукариотическая клетка не только расщепляет вещества, но и синтезирует их:

• Синтез белков
  ДНК → иРНК (транскрипция в ядре) → белок (трансляция на рибосомах в цитоплазме или ЭПС)
• Синтез липидов
  Происходит в гладкой ЭПС
• Синтез углеводов (в растениях)
  Происходит в хлоропластах во время фотосинтеза: из углекислого газа и воды на свету синтезируется глюкоза с выделением кислорода.

{"questions":[{"content":"[[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Образование АТФ","Синтез органики"],"items":[["цикл Кребса","гликолиз","окислительное фосфорилирование"],["транскрипция и трансляция","биосинтез липидов на гладкой ЭПС","фотосинтез"]]}}}]}

Часто задаваемые вопросы