КЛЕТКА, ЕЕ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ

Живая клетка является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, служащей носителем генетической информации – важнейшей основой эволюционного развития живого мира.

Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений в биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Клетку можно уподобить совершенной биоэнергетической машине, в которой одни виды энергии переходят в другие с очень малыми потерями, в ней накапливается химическая энергия. Клетка – своеобразный химический завод, выпускающий сотни продуктов по безотходной технологии. Клетка – мощная информационная система, которая работает по единой программе с использованием химического принципа записи информации.

Исследования в области цитологии показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства, способны к саморегуляции, могут передавать наследственную информацию. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Например, клетки пищевода у человека отмирают через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Размеры клеток колеблются от 0,001 до 10 см.

Рис. 5.1. Строение клетки

Клетки образуют ткани (нервные, мышечные и т.д.), а несколько типов тканей – органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называются системами организма.

Клетка имеет сложную структуру (рис. 5.1). Она обособляется от внешней среды оболочкой ─ плазматической мембраной, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией, информацией. Мембрана имеет слоистое строение, содержит жироподобные вещества – липиды и белки, способные связывать воду.

Мембрана регулирует движение частиц внутрь клетки и их выход во внешнюю среду. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, – важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток. Метаболизм служит основой сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток называют гомеостазом. Гомеостаз, т.е. постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом.

Обмен веществ – сложный многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и вредных отходов производства. Мембраны способны менять свою проницаемость для ионов при различных химических и физических воздействиях, т.е. обладают возбудимостью.

Все клетки можно разделить на два класса: прокариоты (клетки, лишенные ядер) и эукариоты (клетки, содержащие ядра). Прокариоты являются предшественниками эукариотов, которые появились около 3 млрд лет тому назад. При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса клеток обладают существенными различиями в структуре и функционировании генетического аппарата, строении клеточных мембран, характере механизма синтеза белков и т.д.

Соответственно тому, из каких клеток построены живые системы, их можно разделить на две обширные группы. К первой принадлежат многочисленные виды одноклеточных организмов, состоящих из безъядерных клеток (бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы). Все остальные одноклеточные и многоклеточные организмы построены из эукариотных клеток. В последнее время были открыты архебактерии, клетки которых, с одной стороны, в чем-то сходны с прокариотами, с другой – с эукариотами.

Ядро эукариотов окружено ядерной мембраной (оболочкой). Прокариоты не имеют ограниченного мембраной ядра, его аналогом является структура, состоящая из ДНК, белков и РНК, находящихся в ядерной зоне клетки. Ядро – важнейшая органелла клетки (органеллы – структурные элементы клеток, выполняющие определенные важные функции). Клеточное ядро состоит из оболочки, нуклеоплазмы (ядерного сока), ядрышка и хроматина, содержит ДНК; в ядрышке, которых может быть несколько, содержится только РНК. Благодаря ДНК ядро выполняет свои главные функции: хранение и воспроизведение генетической информации и регуляция процесса метаболизма в клетке.

Роль ядерной оболочки заключается в обособлении генетического материала (хромосом) клетки от цитоплазмы и в регуляции взаимодействия ядра и цитоплазмы. Ядрышко лишено мембраны и образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рибосомных рибонуклеиновых кислот (рРНК). В ядрышке формируются рибосомы, которые затем перемещаются в цитоплазму.

Хроматин представлен в виде гранул, глыбок и сетевидных структур, содержит ДНК (наследственный материал клетки) и белки, представляет собой спирализованные и уплотненные участки хромосом.

Основу нуклеоплазмы, играющей важную роль в обеспечении функционирования генетического материала, составляют белки.

Цитоплазма – важнейшая часть клетки, помимо ее ядра. В цитоплазме различают основное вещество (матрикс), органеллы, мембраны и включения. Снаружи цитоплазма окружена клеточной (плазматической) мембраной, внутри отделена от ядра ядерной мембраной. Пространство между ними и другими внутриклеточными структурами заполнено нитями клеточного матрикса, который определяет форму клетки, образует внутреннюю среду клетки, объединяющую все внутриклеточные структуры и обеспечивающую взаимодействие их друг с другом. Остальное пространство заполнено коллоидным раствором (гиалоплазмой).

Генетический материал, содержащийся в клетке, образует структурно дифференцированные единицы, называемые хромосомами. Хромосомы (рис. 5.2) классифицируются по внешнему виду в зависимости от положения центромеры (перетяжки), к которой во время митоза прикрепляются трубочки веретена. Различают равноплечие, неравноплечие и палочковидные хромосомы. Хромосомы состоят из ДНК и белка, они содержат гены, в которых находится информация по изготовлению необходимых клетке разнообразных белков. Каждая хромосома содержит несколько сотен генов. В хромосомах, а точнее, в молекулах ДНК содержится вся информация, определяющая генотип данного организма.

Рис. 5.2. Строение хромосом (Из: Романов, 2004)

А – типы хромосом; Б, В – тонкое строение хромосом:

1 – центромера; 2 – нить ДНК; 3 – хроматиды; 4 - ядрышко

Каждому виду соответствует свой определенный набор хромосом, определяемый количеством хромосом и их генными характеристиками. Число хромосом постоянно для каждого вида животных и растений, например у овса имеется 42 хромосомы, у мушки дрозофилы 8 хромосом, у человека 46 хромосом. Хромосомы существуют парами, у человека 23 пары, в каждой паре объединены две одинаковые хромосомы. Совокупность хромосом в одном ядре называется хромосомным набором. В любом организме различают два типа клеток – соматические клетки и половые клетки (гаметы). Соматическими называются клетки, которые входят в состав всех тканей и органов организма, их ядра содержат двойной или диплоидный набор хромосом (46 у человека). Ядра половых клеток содержат гаплоидный, или одинарный набор хромосом (у человека 23).

Хромосомный набор соматической клетки состоит из пар хромосом: одна пара – это пара половых хромосом, остальные пары – так называемые пары аутосом. Так, 46 хромосом человека представляют собой набор из одной пары половых хромосом и 22 пар аутосом. У женских особей обе половые хромосомы одинаковые (две Х-хромосомы), у мужских особей половые хромосомы разные (одна Х-хромосома и одна Y-хромосома).

Хромосомный набор гаметы (половой клетки) не разбивается на пары хромосом. В нем имеется только одна половая хромосома. У женской особи это всегда Х-хромосома. У мужской особи это может быть либо Х-хромосома (в одних гаметах), либо Y-хромосома (в других гаметах). Кроме половой хромосомы, гамета содержит по одной аутсоме из каждой пары аутсом, представленных в соматической клетке.

Важной органеллой клетки являются митохондрии,представляющие собой небольшие тельца размером от 0,2 до 7 мкм, заполненные жидкостью, содержащей ферменты окислительного или дыхательного циклов. Функции митохондрий состоят в окислении различных соединений с высвобождением энергии и накапливании ее в виде богатых энергией фосфатов, прежде всего, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). При распаде АТФ выделяется большое количество энергии, которая используется клетками при синтезе различных веществ, при выработке тепла, необходимого для поддержания температуры тела, при движении и других физиологических процессах. В митохондриях животных организмов находятся митохондриальные ДНК, ответственные за синтез нескольких митохондриальных белков.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – это разветвленная сеть каналов и полостей в цитоплазме клетки, образованная мембранами. Различают два вида мембран эндоплазматической сети – гладкие и шероховатые. На мембранах гладкой ЭПС находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене, здесь синтезируются липиды и углеводы. К шероховатой ЭПС прикрепляются рибосомы, в которых осуществляется синтез белков. По каналам ЭПС транспортируются синтезированные вещества внутри клетки и из клетки в клетку.

Матричный синтез белка в клетках осуществляется рибосомами. Рибосомы представляют собой гранулы округлой формы диаметром до 15─35 нм, состоящие из двух частей неравных размеров и содержащие примерно одинаковое количество белков и РНК. Рибосомные РНК (рРНК) синтезируются в ядре на молекуле ДНК одной из хромосом, там же формируются рибосомы, которые затем покидают ядро. Рибосомы в цитоплазме прикрепляются к наружной поверхности мембран шероховатой эндоплазматической сети. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут объединяться в комплексы – полирибосомы.

В районе ядра расположен аппарат Гольджи, представляющий собой комплекс полостей, окруженных мембранами, в которых накапливаются продукты синтетической деятельности клетки (белки, углеводы, жиры). В аппарате Гольджи эти вещества подвергаются химическим превращениям, упаковываются в мембранные пузырьки и выбрасываются клеткой в виде секретов.

Помимо митохондрий, в клетках имеются похожие на них органеллы – лизосомы, содержащие ферменты, способные за короткое время разрушать биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, липиды и др.). Лизосомы представляют собой пузырьки диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной.

Хлоропласты – особые органеллы, содержащиеся в растительных клетках. Включают в себя хлорофилл – пигмент, окрашивающий их в зеленый цвет и поглощающий энергию солнечного света. При участии хлорофилла фторопласты осуществляют процесс фотосинтеза – синтезируют из воды и углекислого газа глюкозу – основное органическое вещество, которым питается все живое. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется молекулярный кислород. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Хлоропласт окружен двойной мембранной оболочкой, в которой заключено основное вещество – строма, заполненная множеством пластинчатых структур – ламелл.

Рис. 5.3. Клеточный цикл (Из: Иванов, 2006)

Промежуток жизни клетки от ее образования до деления на две дочерние называют клеточным циклом. У разных организмов и в разных тканях продолжительность клеточных циклов различна (например: у овса – 10 ч.; у шпината – 25 – 35 ч.; у лейкоцитов человека – 18 ч., у клеток кожи человека – 28 ч.).

Клеточный цикл соматических клеток высших растений и животных делится на две стадии: митоз и интерфазу (рис. 5.3) .

Под интерфазой понимают период клеточного цикла между концом одного деления и началом следующего, т.е. между двумя последовательными митозами. Интерфаза делится на три периода: G₁ – пресинтетический, S – синтез ДНК, G₂ – постсинтетический. Длительность интерфазы в клетках различных тканей различна и определяется в основном периодом G₁. Примерно в середине G₁ находится контрольная точка, до достижения которой митоз можно заблокировать ингибиторами транскрипции и трансляции. После этой точки клетка неизбежно проходит стадии синтеза ДНК, постсинтетическую и митоз. Клетки, прекратившие деление, находятся в стадии покоя – G₀. Для половых клеток характерна другая форма деления – мейоз. Мейоз включает два клеточных деления, перед которыми происходит одна репликация ДНК.

В последнее время к миру живых существ стали относить вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Они обладают способностью к воспроизводству, но не в состоянии обмениваться веществом, расти, реагировать на внешние раздражители.

В настоящее время общепризнано, что нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, расположенных, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по воспроизводству. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки и всего организма в целом.

Открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.