Структурно-функциональная организация клеток

Все живые организмы состоят из клеток. Сама же история учения о клетке началась с создания микроскопа и связана с исследованиями английского ученого Роберта Гука, который впервые применил микроскоп для изучения биологических объектов. В 1665 году, рассматривая поперечные срезы стебля бузины и кору пробкового дерева (пробку), он пришел к заключению, что они состоят из мелких ячеек, напоминающих соты, и назвал их клетками (cells). Голландец, оптик-любитель, Антонио Левенгук (1685) обнаружил в болотной лозе простейшие одноклеточные организмы. Позже многие исследователи описывают микроскопическое строение в начале растений, а затем и животных. Если на первых порах в клетке видят только оболочку, то в 1825 году чешский ученый Ян Пуркинье, замечает, что клетка заполнена полужидким веществом, которое он назвал протоплазмой, и обнаруживает в нем клеточное ядро. В 1831 году клеточное ядро описывает и английский ботаник Б. Броун. К 1839 году немецкий ботаник М. Шлейден и немецкий зоолог Т. Шванн формулируют первую клеточную теорию, обобщившую наблюдения предшествовавших исследователей. Согласно этой теории, клетки являются простейшими элементарными структурами, из которых построены и развиваются ткани животных и растений. Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, определив универсальное значение клетки в построении живой природы. В то же время она поставила перед учеными ряд вопросов. Это вопрос о более детальном строении и развитии клеток, их происхождении, взаимоотношениях части и целого в организме, эволюции клеточных структур и др.

В начале второй половины

XIX века

Рис.1. Портрет Р. Вирхова (1821-1902)

немецкий патолог Рудольф Вирхов в своем труде « Целлюлярная патология» выдвинул положение о том, что каждая клетка образуется от клетки, и связал патологические процессы организма с клеточными изменениями.

В последней четверти XIX века И.Д.Чистяковым (1843-1877), П.И. Перемежко (1833-1893), В.Флемингом (1843-1906) Э. Страсбургером (1844-1912) было открыто непрямое деление клеток (митоз) и были описаны многие органоиды клеток.

В 1934 году немецкий ученый Е. Руска, сконструировал электронный микроскоп и начинается период электронно-микроскопических исследований клетки, в ходе которых уточняется тонкая организация уже изученных клеточных структур и открываются ранее неизученные клеточные структуры.

Несмотря на новые открытия основные положения первой клеточной теории сохранили свое значение, однако были получены некоторые дополнения. Современная клеточная теория основывается на следующих основных постулатах:

1) Клетка является основной структурно-функциональной единицей всего живого;

2) Клетки различных организмов сходны по строению и основным процессам жизнедеятельности;

3) Клетки имеют мембранный принцип строения;

4) Новые клетки образуются только путем деления материнских;

5) Многоклеточный живой организм представляет собой сложноорганизованную, целостную интегрированную систему взаимодействующих клеток.

Рис.2.Схема электронно-микроскопической организации

эукариотической клетки.

Эволюция клетки

Все существующие в настоящее время клетки подразделяются на два типа: прокариоты и эукариоты. Эволюционно наиболее ранними являются прокариоты, которые появились около 3- 3,5млрд. лет назад, когда в ходе химической эволюции в мировом океане появились полипептиды и полинуклеотиды, из которых последние обладали матричными свойствами. Первыми нуклеотидами, видимо, были молекулы РНК, которые примитивным образом направляли первичный синтез белков.

Одним из решающих событий, приведших к формированию первой клетки, стало образование внешней мембраны за счет появившихся к тому времени амфипатрических молекул фосфолипидов и белков.

Первые клетки на Земле, по-видимому, имели некоторое сходство с микоплазмой. Современные микоплазмы – это похожие на бактерии мелкие по размерам организмы, обычно ведущие паразитический образ жизни у растений и животных. Некоторые из микоплазм, имея размеры 0,3 мкм, содержат РНК, достаточную для синтеза 750 различных белков, необходимых для жизни клетки.

По существующим в настоящее время представлениям, именно молекулы РНК первыми включились в эволюцию. ДНК стала необходимой только тогда, когда клетки сильно усложнились, и у них возникла необходимость в значительно большей генетической информации, чем та, которую могла стабильно поддерживать РНК. В роли хранителя наследственной информации вместо РНК стала ДНК.

Относительно механизмов образования эукариотических клеток существуют две гипотезы: инвагинационная и симбиотическая. Согласно инвагинационной гипотезе, ядро и мембранные органоиды сформировались за счет впячивания (инвагинаций) плазматической мембраны древней прокариотической клетки, содержащей несколько геномов, прикрепленных к клеточной мембране. В дальнейшем произошла специализация, и органеллы, содержащие элементы генома, трансформировались в ядро, митохондрии, пластиды, а не содержащие его – в другие органоиды мембранного происхождения.

Наиболее распространенной в настоящее время является симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотические клетки произошли вследствие объединения крупных анаэробных прокариотических клеток, живущих за счет брожения, с другими, более мелкими анаэробными бактериями и анаэробными фотосинтезирующими одноклеточными водорослями (предками современных сине-зеленых водорослей). Таким образом, видимо, сформировались митохондрии и пластиды, характерные для эукариотических клеток. Что касается ядра, то полагают, что оно является рудиментом какого-то древнего симбионта, утратившего свою цитоплазму.