Строеж на клетката — урок по биология

1. Клетъчната теория

След като Хук и Льовенхук виждат първите клетки, минават почти 200 години, докато учените разберат, че клетките са общото между всички живи същества. През 1838 г. ботаникът Матиас Шлайден заключава, че всички растения са изградени от клетки, а година по-късно Теодор Шван показва същото за животните. През 1855 г. лекарят Рудолф Вирхов прочува правилото Omnis cellula e cellula – „всяка клетка от клетка“.

О

Клетъчна теория

1) Всички живи организми са изградени от една или повече клетки. 2) Клетката е най-малката единица на живота – най-малкото, което има всички признаци на живото. 3) Всяка клетка произлиза от друга клетка чрез делене.

Третото правило е продължение на опитите на Пастьор от предишния урок: живото не се самозаражда, а всяка клетка има „родителска“ клетка. Ако проследим веригата назад, всички клетки на Земята имат .

2. Прокариоти и еукариоти

Всички клетки имат клетъчна мембрана, цитоплазма, рибозоми и ДНК. По това къде е ДНК и дали има вътрешни мембрани, клетките се делят на два големи типа.

О

Прокариотна и еукариотна клетка

Прокариотната клетка („преди ядрото“) няма ядро и органели с мембрана: ДНК лежи свободно в цитоплазмата, в област, наречена нуклеоид. Такива са бактериите и археите. Еукариотната клетка („с истинско ядро“) има ядро, обвито с двойна мембрана, и много органели с мембрани. Такива са клетките на растенията, животните, гъбите и протистите.

	прокариоти	еукариоти
ядро	няма – ДНК е в нуклеоида	има, с двойна мембрана
ДНК	една кръгова молекула + плазмиди	много линейни хромозоми
размер	обикновено 1–5 µm	обикновено 10–100 µm
органели с мембрана	няма	ЕПМ, Голджи, митохондрии, лизозоми…
рибозоми	по-малки (70S)	по-големи (80S)
клетъчна стена	обикновено има (пептидогликан)	при растенията (целулоза) и гъбите (хитин)
примери	бактерии, археи	растения, животни, гъби, протисти

Пример

Под микроскоп се вижда клетка с размер 3 µm, без ядро, с клетъчна стена и камшиче. Какъв организъм може да е?

Няма ядро – значи е прокариот.
Размерът 3 µm и стената също пасват на бактерия. Камшичето ѝ помага да плува.
Еукариотна клетка с такъв размер е рядкост, а и тя би имала ядро.

3. Органелите на еукариотната клетка

Еукариотната клетка прилича на град с квартали: всяка органела („малък орган“) върши определена работа, а мембраните пазят различните „цехове“ един от друг. Така в една клетка могат да вървят едновременно реакции, които иначе биха си пречили – например разграждане в лизозомите и синтез в ЕПМ. Разгледай органелите сам.

Посочи част от клетката на чертежа или с бутоните.

💡 Чертежът е схема, не е в мащаб: бактерията е около 10 пъти по-малка от животинската клетка, а рибозомите са много по-дребни, отколкото изглеждат тук. Ендоплазмената мрежа и мембраната на ядрото всъщност са свързани.

О

Главните органели

Ядро – пази ДНК и управлява клетката; ядърце – сглобява рибозомите. Рибозоми – синтезират белтъци. Грапава ендоплазмена мрежа (ГЕМ) – с рибозоми, синтезира белтъци за износ и за мембраните; гладка ЕПМ – синтезира липиди и обезврежда отрови. Апарат на Голджи – довършва, сортира и опакова. Митохондрии – клетъчно дишане и АТФ. Лизозоми – разграждане. Хлоропласти – фотосинтеза. Цитоскелет – мрежа от белтъчни нишки и тръбички, която дава форма на клетката и движи органелите.

Повечето органели са изградени от мембрани – тънки двойни слоеве от с вградени . Как са устроени мембраните и как пропускат веществата, ще видим в следващия урок. От какви молекули са изградени белтъците, мазнините и нуклеиновите киселини, има в урока по химия Химия на живота.

4. Растителна, животинска и гъбна клетка

	растителна	животинска
клетъчна стена	има – от целулоза	няма
хлоропласти	има (в зелените части)	няма
вакуола	голяма централна	малки, временни
центриоли	няма (при цветните растения)	има
резервно вещество	нишесте	гликоген
форма	постоянна, често ъгловата	променлива, често заоблена

Клетките на са нещо средно: имат клетъчна стена, но от хитин (като черупката на рака), нямат хлоропласти и пазят гликоген като животните. Затова гъбите са отделно царство, а не растения.

Пример

Защо увехналото растение се изправя, когато го полеем, а животинските клетки не биха издържали същото?

Водата навлиза във вакуолата и тя се издува. Стената не я пуска да се разширява повече – получава се налягане, наречено тургор.
Стегнатите клетки държат стъблото и листата изправени – като надути гуми.
Животинската клетка няма стена: ако в нея навлезе твърде много вода, тя се подува и може да се спука. Затова в кръвта солите са в точно определено количество.

5. Пътят на белтъка: ендомембранната система

Ядрената обвивка, ЕПМ, апаратът на Голджи, лизозомите и мехурчетата работят заедно като поточна линия. Как да разберем по какъв път минава един белтък? През 60-те години Джордж Паладе прави опит „импулс и гонене“ с клетки от , които изнасят храносмилателни . За кратко им дава с водород, после – само обикновени, и през няколко минути гледа под къде е радиоактивността. За това откритие получава Нобелова награда през 1974 г.

Време: 0 min0

грапава ЕПМ100%апарат на Голджи0%секреторни мехурчета0%изнесен от клетката0%

Току-що е свършил кратък „импулс“ с радиоактивни аминокиселини – целият нов белтък е в грапавата ЕПМ, където работят рибозомите. Премести плъзгача.

💡 „Импулс“ – клетките получават за кратко белязани аминокиселини; „гонене“ – след това само обикновени. Така се проследява само белтъкът, направен по време на импулса. Кривите са от опростен модел; в истинския опит на Паладе времената са подобни – десетки минути до Голджи и около два часа до зрелите мехурчета.

Т

Секреторен път

Белтъците за износ се синтезират от рибозомите на грапавата ЕПМ и влизат в каналите ѝ → в мехурчета отиват в апарата на Голджи, където се довършват (напр. се прикачват въглехидрати) и сортират → в секреторни мехурчета стигат до клетъчната мембрана, сливат се с нея и изсипват съдържанието си навън (екзоцитоза). По същия път се изграждат и лизозомите, и новите части на мембраната.

6. Откъде са дошли митохондриите и хлоропластите?

О

Ендосимбиотична теория

Митохондриите произлизат от аеробни бактерии, а хлоропластите – от фотосинтезиращи цианобактерии, погълнати от древна клетка, които са станали неин постоянен „съквартирант“. Доказателства: имат двойна мембрана (вътрешната е бактериалната, външната – от поглъщането); имат своя кръгова ДНК и рибозоми от бактериален тип (70S); делят се на две като бактериите и не могат да се създадат наново от клетката; размерът им е колкото на бактерия; гените им приличат най-много на бактериалните.

Пример

Ако разрушим всички митохондрии в една клетка, може ли тя да си направи нови?

Не. Новите митохондрии възникват само при делене на старите – както бактериите идват само от бактерии.
Повечето гени, нужни на митохондрията, вече са в ядрото, но без „семе“ от стара митохондрия клетката не може да започне.
Това е още едно доказателство, че митохондриите някога са били самостоятелни организми.

7. Защо клетките са малки?

Клетката „диша“ и се храни през повърхността си, а нуждите ѝ растат с обема. Когато клетката расте, обемът ѝ расте по-бързо от повърхността – като куб, а не като квадрат на размера.

Т

Отношение повърхност към обем

За куб с ръб

a

:

S = 6a^2

,

V = a^3

,

\frac{S}{V} = \frac{6}{a}

. За кълбо с диаметър

d

:

\frac{S}{V} = \frac{6}{d}

. Ако размерът нарасне

k

пъти, повърхността нараства

k^2

пъти, обемът –

k^3

пъти, а

\frac{S}{V}

намалява

k

пъти.

Време: 4 min4

ръб	повърхност S	обем V	S/V	достигнат обем
1 cm	6 cm²	1 cm³	6 cm⁻¹	94%
2 cm	24 cm²	8 cm³	3 cm⁻¹	66%
3 cm	54 cm²	27 cm³	2 cm⁻¹	49%

Киселината навлиза еднакво бързо във всички кубчета – но в малкото тя достига по-голяма част от обема.

💡 Сечението показва средата на кубчето: розовото е частта, до която киселината още не е стигнала. Дълбочината на проникване расте като корен от времето – за двойно по-дълбоко трябва четири пъти повече време. Затова клетките са малки.

е бърза само на малки разстояния: времето за проникване расте с квадрата на разстоянието. Кислородът минава 10 µm във вода за стотни от секундата, но за 1 cm му трябват часове. Затова клетките остават малки, а големите организми имат кръвоносна система, дробове и черва. Някои клетки увеличават повърхността си: тези в червата имат микровласинки, червените кръвни телца са плоски дискове, а нервните клетки са дълги и тънки. Дифузията ще разгледаме подробно в следващия урок – „Мембрана и транспорт“.

Пример

Кубче с ръб 4 µm се дели на 8 кубчета с ръб 2 µm. Как се променят общата повърхност и S/V?

Преди: $S = 6 \cdot 4^2 = 96\ \mathrm{\mu m^2}$ , $V = 64\ \mathrm{\mu m^3}$ , $\frac{S}{V} = 1{,}5\ \mathrm{\mu m^{-1}}$ .
След: $S = 8 \cdot 6 \cdot 2^2 = 192\ \mathrm{\mu m^2}$ , обемът е същият, $\frac{S}{V} = 3\ \mathrm{\mu m^{-1}}$ .
Деленето на две половини размера и удвоява $\frac{S}{V}$ – така клетката възстановява връзката си със средата.

8. Тренажор

Повърхност към обем, агарови кубчета и размери от микроснимки. Десетичните отговори въвеждай като 1,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{образ } 10\ \mathrm{mm},\ M = 10000\times

Истински размер, µm?

9. Клетките в цифри

0 / 6

🦠 Бактерия до наша клетка

Бактерия с диаметър 2 µm и наша клетка с диаметър 20 µm са приблизително кълба. Колко пъти е по-голям обемът на нашата клетка?

🔋 Електроцентралите на черния дроб

Приемете, че чернодробна клетка има обем 4500 µm³ и съдържа около 1500 митохондрии с обем около 0,6 µm³ всяка. Каква част от обема на клетката заемат митохондриите?

🍽️ Власинките в червата

Клетка от тънкото черво има горна повърхност 10 µm × 10 µm. В задачата приемаме, че по нея има 2000 микровласинки – цилиндърчета с диаметър 0,1 µm и височина 1,5 µm. Колко пъти увеличават те повърхността (смятайте страничната повърхност на цилиндрите плюс площта под тях)?

⏱️ Колко бързо работи рибозомата?

Бактериална рибозома добавя около 15 аминокиселини в секунда. Колко време ѝ трябва за белтък от 300 аминокиселини?

🐘 Слон и мишка

Клетките на слона и на мишката са с горе-долу еднакъв размер. Мишка тежи 20 g, а слон – 5 t. Около колко пъти повече клетки има слонът?

💧 Вакуолата

Растителна клетка има форма на правоъгълен паралелепипед 50 µm × 50 µm × 100 µm. Централната вакуола заема 90% от обема ѝ. Колко е обемът на вакуолата?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Бактериите нямат ДНК

✗ Щом нямат ядро, бактериите нямат и ДНК.

✓ ДНК е в нуклеоида, свободно в цитоплазмата.

Само растенията

✗ Митохондриите са само в животинските клетки, а растенията имат хлоропласти.

✓ Растенията имат и хлоропласти, и митохондрии – и те дишат.

Стена и мембрана

✗ Растителната клетка има стена вместо мембрана.

✓ Има и двете: мембраната е под стената.

Голям организъм – големи клетки

✗ Слонът е голям, защото клетките му са огромни.

✓ Клетките му са колкото нашите – просто са много повече.

S/V

✗ По-голямата клетка има по-голямо $\displaystyle \frac{S}{V}$ , защото има по-голяма повърхност.

✓ $\displaystyle \frac{S}{V} = \frac{6}{a}$ – намалява с размера.

Рибозомите

✗ Рибозомите са органели с мембрана.

✓ Рибозомите нямат мембрана – затова ги има и в прокариотите.

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое твърдение е част от клетъчната теория?

Избери отговор (или натисни 1–4)

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

13. Обобщение

✓ Клетъчна теория: всички организми са от клетки; клетката е най-малката единица на живота; всяка клетка е от клетка
✓ Прокариотите (бактерии, ) нямат ядро и органели с мембрана; еукариотите имат ядро и органели
✓ Ядро – ДНК; рибозоми – белтъци; ЕПМ и Голджи – синтез, довършване и опаковане; митохондрии – ; хлоропласти – ; лизозоми – разграждане
✓ Растителната клетка има още стена от целулоза, хлоропласти и голяма вакуола; гъбната – стена от хитин
✓ Секреторен път: ГЕМ → Голджи → мехурче → мембрана (опитът на Паладе)
✓ Митохондриите и хлоропластите са потомци на погълнати бактерии (ендосимбиоза)
✓ $\frac{S}{V} = \frac{6}{a}$ намалява с размера, а времето за дифузия расте с квадрата на разстоянието – затова клетките са малки

💡 Интересен факт

В тялото на възрастен човек има около 30 трилиона клетки от над 200 вида. Според оценка от 2016 г. около 84% от тях са червени кръвни телца – малки, без ядро и без митохондрии. По маса обаче водят мускулните и мастните клетки. А най-дългите клетки в тялото са нервните: израстъкът на клетката, която движи палеца на крака, минава от до стъпалото – около метър.