Строение и функции клетки. Биология: клетки

В основе практически всех живых организмов лежит простейшая единица - клетка. Фото этой крошечной биосистемы, а также ответы на самые интересные вопросы вы сможете найти в этой статье. Какова структура и размеры клетки? Какие функции в организме она выполняет?

Клетка - это...

Ученым неизвестно определенное время возникновения первых живых клеток на нашей планете. В Австралии были найдены их остатки возрастом 3,5 миллиарда лет. Однако точно установить их биогенность так и не удалось.

Клетка - это простейшая единица в строении почти всех живых организмов. Исключением являются лишь вирусы и вироиды, которые относятся к неклеточным формам жизни.

Клетка - это структура, которая способна существовать автономно и самовоспроизводиться. Её размеры могут быть разными - от 0,1 до 100 мкм и более. Однако стоит отметить, что неоплодотворенные яйца пернатых тоже можно считать клетками. Таким образом, самой крупной по размеру клеткой на Земле можно считать страусиное яйцо. В диаметре оно может достигать 15 сантиметров.

Наука, изучающая особенности жизнедеятельности и структуру клетки организма, называется цитологией (или клеточной биологией).

Открытие и исследование клетки

Роберт Гук - английский ученый, который известен всем нам из школьного курса физики (именно он открыл закон о деформации упругих тел, который был назван его именем). Помимо этого, именно он первым увидел живые клетки, рассматривая через свой микроскоп срезы пробкового дерева. Они напомнили ему пчелиные соты, поэтому он назвал их cell, что в переводе с английского означает "ячейка".

Клеточная структура растений была подтверждена позже (в конце XVII столетия) многими исследователями. А вот на организмы животных клеточная теория была распространена лишь в начале XIX века. Примерно тогда же ученые всерьез заинтересовались содержимым (структурой) клеток.

Детально рассмотреть клетку и её структуру позволили мощные световые микроскопы. Они до сих пор остаются основным инструментом в исследовании этих систем. А появление в прошлом столетии электронных микроскопов дало возможность биологам изучать и ультраструктуру клеток. Среди методов их исследования также можно выделить биохимические, аналитические и препаративные. Также вы можете узнать, как выглядит живая клетка, - фото приведено в статье.

Химическая структура клетки

В состав клетки входит множество различных веществ:

• органогены;
• макроэлементы;
• микро- и ультрамикроэлементы;
• вода.

Около 98% химического состава клетки составляют так называемые органогены (углерод, кислород, водород и азот), еще 2% - макроэлементы (магний, железо, кальций и другие). Микро- и ультрамикроэлементы (цинк, марганец, уран, йод и т. д.) - не более 0,01% всей клетки.

Прокариоты и эукариоты: основные отличия

Исходя из особенностей структуры клетки, все живые организмы на Земле делятся на два надцарства:

• прокариоты - более примитивные организмы, которые сформировались эволюционным путем;
• эукариоты - организмы, клеточное ядро которых является полностью оформленным (организм человека также относится к эукариотам).

Основные отличия клетки эукариотов от прокариотов:

• более крупные размеры (10-100 мкм);
• способ деления (мейоз или митоз);
• тип рибосом (80S-рибосомы);
• тип жгутиков (в клетках организмов эукариотов жгутики состоят из микротрубочек, которые окружены мембраной).

Строение клетки эукариота

В структуру эукариотической клетки входят следующие органоиды:

• ядро;
• цитоплазма;
• аппарат Гольджи;
• лизосомы;
• центриоли;
• митохондрии;
• рибосомы;
• везикулы.

Ядро - это главный структурный элемент клетки эукариота. Именно в нем хранится вся генетическая информация о конкретном организме (в молекулах ДНК).

Цитоплазма - особое вещество, в котором содержится ядро и все остальные органоиды. Благодаря специальной сети микротрубочек, она обеспечивает перемещение веществ внутри клетки.

Аппарат Гольджи - это система плоских цистерн, в которых постоянно созревают белки.

Лизосомы - маленькие тельца с одиночной мембраной, основная функция которых - расщеплять отдельные органоиды клетки.

Рибосомы - универсальные ультрамикроскопические органоиды, предназначением которых является синтез белков.

Митохондрии - это своеобразные "легкие" клетки, а также её главный источник энергии.

Основные функции клетки

Клетка живого организма призвана выполнять несколько важнейших функций, обеспечивающих жизнедеятельность этого самого организма.

Важнейшей функцией клетки является обмен веществ. Так, именно она расщепляет сложные вещества, превращая их в простые, а также синтезирует более сложные соединения.

Кроме этого, все клетки способны реагировать на воздействие внешних раздражающих факторов (температура, свет и так далее). Большинство из них также имеют способность к регенерации (самовосстановлению) при помощи деления.

Нервные клетки также могут реагировать на внешние раздражители посредством образования биоэлектрических импульсов.

Все вышеназванные функции клетки обеспечивают жизнедеятельность организма.

Заключение

Итак, клетка - это наименьшая элементарная живая система, которая является основной единицей в строении любого организма (животного, растения, бактерии). В её строении выделяют ядро и цитоплазму, в которой содержатся все органоиды (клеточные структуры). Каждый из них выполняет свои определенные функции.

Размер клетки колеблется в широких пределах - от 0,1 до 100 микрометров. Особенности строения и жизнедеятельности клеток изучает специальная наука - цитология.

Тело человека, как и тело всех многоклеточных организмов, состоит из клеток. Клеток в организме человека многие миллиарды - это его главный структурный и функциональный элемент.

Кости, мышцы, кожа - все они построены из клеток. Клетки активно реагируют на раздражение, участвуют в обмене веществ, растут, размножаются, обладают способностью к регенерации и передаче наследственной информации.

Клетки нашего организма очень разнообразны. Они могут быть плоскими, круглыми, веретенообразными, иметь отростки. Форма зависит от положения клеток в организме и выполняемых функций. Размеры клеток тоже различны: от нескольких микрометров (малый лейкоцит) до 200 микрометров (яйцеклетка). При этом, несмотря на такое многообразие, большинство клеток имеют единый план строения: состоят из ядра и цитоплазмы, которые снаружи покрыты клеточной мембраной (оболочкой).

Ядро есть в каждой клетке, кроме эритроцитов. Оно несет наследственную информацию и регулирует образование белков. Наследственная информация обо всех признаках организма хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

ДНК является основным компонентом хромосом. У человека в каждой неполовой (соматической) клетке их 46, а в половой клетке 23 хромосомы. Хромосомы хорошо видны только в период деления клетки. При делении клетки наследственная информация в равных количествах передается дочерним клеткам.

Снаружи ядро окружает ядерная оболочка, а внутри него находится одно или несколько ядрышек, в которых образуются рибосомы - органоиды, обеспечивающие сборку белков клетки.

Ядро погружено в цитоплазму, состоящую из гиалоплазмы (от греч. «гиалинос» - прозрачный) и находящихся в ней органоидов и включений. Гиалоплазма образует внутреннюю среду клетки, она объединяет все части клетки между собой, обеспечивает их взаимодействие.

Органоиды клетки - это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции. Познакомимся с некоторыми из них.

Эндоплазматическая сеть напоминает сложный лабиринт, образованный множеством мельчайших канальцев, пузырьков, мешочков (цистерн). В некоторых участках на ее мембранах расположены рибосомы, такую сеть называют гранулярной (зернистой). Эндоплазматическая сеть участвует в транспорте веществ в клетке. В гранулярной эндоплазматической сети образуются белки, а в гладкой (без рибосом)- животный крахмал (гликоген) и жиры.

Комплекс Гольджи представляет собой систему плоских мешочков (цистерн) и многочисленных пузырьков. Он принимает участие в накоплении и транспортировке веществ, которые образовались в других органоидах. Здесь также синтезируются сложные углеводы.

Митохондрии - органоиды, основной функцией которых является окисление органических соединений, сопровождающееся высвобождением энергии. Эта энергия идет на синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая служит как бы универсальным клеточным аккумулятором. Энергию, заключенную в ЛТФ, клетки затем используют на различные процессы своей жизнедеятельности: выработку тепла, передачу нервных импульсов, мышечные сокращения и многое другое.

Лизосомы, небольшие шарообразные структуры, содержат вещества, которые разрушают ненужные, утратившие свое значение или поврежденные части клетки, а также участвуют во внутриклеточном пищеварении.

Снаружи клетка покрыта тонкой (около 0,002 мкм) клеточной мембраной, которая отграничивает содержимое клетки от окружающей среды. Основная функция мембраны - защитная, но она воспринимает также и воздействия внешней для клетки среды. Мембрана не сплошная, она полупроницаема, через нее свободно проходят некоторые вещества, г. е. она выполняет и транспортную функцию. Через мембрану осуществляется и связь с соседними клетками.

Вы видите, что функции органоидов сложны и многообразны. Они играют для клетки ту же роль, что и органы для целостного организма.

Продолжительность жизни клеток нашего организма различна. Так, некоторые клетки кожи живут 7 дней, эритроциты - до 4 месяцев, а вот костные клетки - от 10 до 30 лет.

Клетка - структурная и функциональная единица тела человека, органоиды - постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции.

Строение клетки

А знаете ли вы, что в такой микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые кроме того еще и участвуют в различных химических процессах.

Если взять все 109 элементов, которые находятся в периодической системе Менделеева, то большинство из них обнаружено в клетках.

Жизненные свойства клеток:

Обмен веществ – Раздражимость - Движение

Клетка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии (англ. Cell biology).

Строение клеток Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток - прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки - более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам. Живое содержимое клетки - протопласт - отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро, орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех) - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты - митохондрии, а у водорослей и растений - также и пластиды.

Клеточная мембрана Клеточная мембрана - очень важная часть клетки. Она удерживает вместе все клеточные компоненты и разграничивает внутреннюю и наружную среду. Кроме того, модифицированные складки клеточной мембраны образуют многие органеллы клетки. Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул (бимолекулярный слой, или бислой). В основном это молекулы фосфолипидов и других близких к ним веществ. Липидные молекулы имеют двойственную природу, проявляющуюся в том, как они ведут себя по отношению к воде. Головы молекул гидрофильные, т.е. обладают сродством к воде, а их углеводородные хвосты гидрофобны. Поэтому при смешивании с водой липиды образуют на ее поверхности пленку, аналогичную пленке масла; при этом все их молекулы ориентированы одинаково: головы молекул - в воде, а углеводородные хвосты - над ее поверхностью. В клеточной мембране два таких слоя, и в каждом из них головы молекул обращены наружу, а хвосты - внутрь мембраны, один к другому, не соприкасаясь таким образом с водой. Толщина такой мембраны ок. 7 нм. Кроме основных липидных компонентов, она содержит крупные белковые молекулы, которые способны «плавать» в липидном бислое и расположены так, что одна их сторона обращена внутрь клетки, а другая соприкасается с внешней средой. Некоторые белки находятся только на наружной или только на внутренней поверхности мембраны или лишь частично погружены в липидный бислой.

Основная функция клеточной мембраны заключается в регуляции переноса веществ в клетку и из клетки. Поскольку мембрана физически в какой-то мере похожа на масло, вещества, растворимые в масле или в органических растворителях, например эфир, легко проходят сквозь нее. То же относится и к таким газам, как кислород и диоксид углерода. В то же время мембрана практически непроницаема для большинства водорастворимых веществ, в частности для сахаров и солей. Благодаря этим свойствам она способна поддерживать внутри клетки химическую среду, отличающуюся от наружной. Например, в крови концентрация ионов натрия высокая, а ионов калия - низкая, тогда как во внутриклеточной жидкости эти ионы присутствуют в обратном соотношении. Аналогичная ситуация характерна и для многих других химических соединений. Очевидно, что клетка тем не менее не может быть полностью изолирована от окружающей среды, так как должна получать вещества, необходимые для метаболизма, и избавляться от его конечных продуктов. К тому же липидный бислой не является полностью непроницаемым даже для водорастворимых веществ, а пронизывающие его т.н. «каналообразующие» белки создают поры, или каналы, которые могут открываться и закрываться (в зависимости от изменения конформации белка) и в открытом состоянии проводят определенные иона (Na+, K+, Ca2+) по градиенту концентрации. Следовательно, разница концентраций внутри клетки и снаружи не может поддерживаться исключительно за счет малой проницаемости мембраны. На самом деле в ней имеются белки, выполняющие функцию молекулярного «насоса»: они транспортируют некоторые вещества как внутрь клетки, так и из нее, работая против градиента концентрации. В результате, когда концентрация, например, аминокислот внутри клетки высокая, а снаружи низкая, аминокислоты могут тем не менее поступать из внешней среды во внутреннюю. Такой перенос называется активным транспортом, и на него затрачивается энергия, поставляемая метаболизмом. Мембранные насосы высокоспецифичны: каждый из них способен транспортировать либо только ионы определенного металла, либо аминокислоту, либо сахар. Специфичны также и мембранные ионные каналы. Такая избирательная проницаемость физиологически очень важна, и ее отсутствие - первое свидетельство гибели клетки. Это легко проиллюстрировать на примере свеклы. Если живой корень свеклы погрузить в холодную воду, то он сохраняет свой пигмент; если же свеклу кипятить, то клетки погибают, становятся легко проницаемыми и теряют пигмент, который и окрашивает воду в красный цвет. Крупные молекулы типа белковых клетка может «заглатывать». Под влиянием некоторых белков, если они присутствуют в жидкости, окружающей клетку, в клеточной мембране возникает впячивание, которое затем смыкается, образуя пузырек - небольшую вакуоль, содержащую воду и белковые молекулы; после этого мембрана вокруг вакуоли разрывается, и содержимое попадает внутрь клетки. Такой процесс называется пиноцитозом (буквально «питье клетки»), или эндоцитозом. Более крупные частички, например частички пищи, могут поглощаться аналогичным образом в ходе т.н. фагоцитоза. Как правило, вакуоль, образующаяся при фагоцитозе, крупнее, и пища переваривается ферментами лизосом внутри вакуоли до разрыва окружающей ее мембраны. Такой тип питания характерен для простейших, например для амеб, поедающих бактерий. Однако способность к фагоцитозу свойственна и клеткам кишечника низших животных, и фагоцитам - одному из видов белых кровяных клеток (лейкоцитов) позвоночных. В последнем случае смысл этого процесса заключается не в питании самих фагоцитов, а в разрушении ими бактерий, вирусов и другого инородного материала, вредного для организма. Функции вакуолей могут быть и другими. Например, простейшие, живущие в пресной воде, испытывают постоянный осмотический приток воды, так как концентрация солей внутри клетки гораздо выше, чем снаружи. Они способны выделять воду в специальную экскретирующую (сократительную) вакуоль, которая периодически выталкивает свое содержимое наружу. В растительных клетках часто имеется одна большая центральная вакуоль, занимающая почти всю клетку; цитоплазма при этом образует лишь очень тонкий слой между клеточной стенкой и вакуолью. Одна из функций такой вакуоли - накопление воды, позволяющее клетке быстро увеличиваться в размерах. Эта способность особенно необходима в период, когда растительные ткани растут и образуют волокнистые структуры. В тканях в местах плотного соединения клеток их мембраны содержат многочисленные поры, образованные пронизывающими мембрану белками - т.н. коннексонами. Поры прилежащих клеток располагаются друг против друга, так что низкомолекулярные вещества могут перегодить из клетки в клетку - эта химическая система коммуникации координирует их жизнедеятельность. Один из примеров такой координации - наблюдаемое во многих тканях более или менее синхронное деление соседних клеток.

Цитоплазма

В цитоплазме имеются внутренние мембраны, сходные с наружной и образующие органеллы различного типа. Эти мембраны можно рассматривать как складки наружной мембраны; иногда внутренние мембраны составляют единое целое с наружной, но часто внутренняя складка отшнуровывается, и контакт с наружной мембраной прерывается. Однако даже в случае сохранения контакта внутренняя и наружная мембраны не всегда химически идентичны. В особенности различается состав мембранных белков в разных клеточных органеллах.

Структура цитоплазмы

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен - цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки - везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Ядро

Ядро окружено двойной мембраной. Очень узкое (порядка 40 нм) пространство между двумя мембранами называется перинуклеарным. Мембраны ядра переходят в мембраны эндоплазматического ретикулума, а перинуклеарное пространство открывается в ретикулярное. Обычно ядерная мембрана имеет очень узкие поры. По-видимому, через них осуществляется перенос крупных молекул, таких, как информационная РНК, которая синтезируется на ДНК, а затем поступает в цитоплазму. Основная часть генетического материала находится в хромосомах клеточного ядра. Хромосомы состоят из длинных цепей двуспиральной ДНК, к которой прикрепляются основные (т.е. обладающие щелочными свойствами) белки. Иногда в хромосомах имеется несколько идентичных цепей ДНК, лежащих рядом друг с другом, - такие хромосомы называются политенными (многонитчатыми). Число хромосом у разных видов неодинаково. Диплоидные клетки тела человека содержат 46 хромосом, или 23 пары. В неделящейся клетке хромосомы прикреплены в одной или нескольких точках к ядерной мембране. В обычном неспирализованном состоянии хромосомы настолько тонки, что не видны в световой микроскоп. На определенных локусах (участках) одной или нескольких хромосом формируется присутствующее в ядрах большинства клеток плотное тельце - т.н. ядрышко. В ядрышках происходит синтез и накопление РНК, используемой для построения рибосом, а также некоторых других типов РНК.

Лизосомы

Лизосомы - это маленькие, окруженные одинарной мембраной пузырьки. Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы, в частности белковые. Из-за своего разрушительного действия эти ферменты как бы «заперты» в лизосомах и высвобождаются только по мере надобности. Так, при внутриклеточном пищеварении ферменты выделяются из лизосом в пищеварительные вакуоли. Лизосомы бывают необходимы и для разрушения клеток; например, во время превращения головастика во взрослую лягушку высвобождение лизосомных ферментов обеспечивает разрушение клеток хвоста. В данном случае это нормально и полезно для организма, но иногда такое разрушение клеток носит патологический характер. Например, при вдыхании асбестовой пыли она может проникнуть в клетки легких, и тогда происходит разрыв лизосом, разрушение клеток и развивается легочное заболевание.

Цитоскелет

К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3. Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки. Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей. Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.

Митохондрии

Митохондрии - особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ - универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий. Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии. Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.

Химический состав клетки

Обычно 70-80 % массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки - белки и нуклеиновые кислоты. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие - ферментами, т.е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков. Часто клетки содержат некоторое количество запасных веществ, служащих пищевым резервом. Растительные клетки в основном запасают крахмал - полимерную форму углеводов. В клетках печени и мышц запасается другой углеводный полимер - гликоген. К часто запасаемым продуктам относится также жир, хотя некоторые жиры выполняют иную функцию, а именно служат важнейшими структурными компонентами. Белки в клетках (за исключением клеток семян) обычно не запасаются. Описать типичный состав клетки не представляется возможным прежде всего потому, что существуют большие различия в количестве запасаемых продуктов и воды. В клетках печени содержится, например, 70% воды, 17% белков, 5% жиров, 2% углеводов и 0,1% нуклеиновых кислот; оставшиеся 6% приходятся на соли и низкомолекулярные органические соединения, в частности аминокислоты. Растительные клетки обычно содержат меньше белков, значительно больше углеводов и несколько больше воды; исключение составляют клетки, находящиеся в состоянии покоя. Покоящаяся клетка пшеничного зерна, являющегося источником питательных веществ для зародыша, содержит ок. 12% белков (в основном это запасаемый белок), 2% жиров и 72% углеводов. Количество воды достигает нормального уровня (70-80%) только в начале прорастания зерна.

Методы изучения клетки

Световой микроскоп .

В изучении клеточной формы и структуры первым инструментом был световой микроскоп. Его разрешающая способность ограничена размерами, сравнимыми с длиной световой волны (0,4-0,7 мкм для видимого света). Однако многие элементы клеточной структуры значительно меньше по размерам. Другая трудность состоит в том, что большинство клеточных компонентов прозрачны и коэффициент преломления у них почти такой же, как у воды. Для улучшения видимости часто используют красители, имеющие разное сродство к различным клеточным компонентам. Окрашивание применяют также для изучения химии клетки. Например, некоторые красители связываются преимущественно с нуклеиновыми кислотами и тем самым выявляют их локализацию в клетке. Небольшая часть красителей - их называют прижизненными - может быть использована для окраски живых клеток, но обычно клетки должны быть предварительно зафиксированы (с помощью веществ, коагулирующих белок) и только после этого могут быть окрашены. Перед проведением исследования клетки или кусочки ткани обычно заливают в парафин или пластик и затем режут на очень тонкие срезы с помощью микротома. Такой метод широко используется в клинических лабораториях для выявления опухолевых клеток. Помимо обычной световой микроскопии разработаны и другие оптические методы изучения клетки: флуоресцентная микроскопия, фазово-контрастная микроскопия, спектроскопия и рентгеноструктурный анализ.

Электронный микроскоп .

Электронный микроскоп имеет разрешающую способность ок. 1-2 нм. Этого достаточно для изучения крупных белковых молекул. Обычно необходимо окрашивание и контрастирование объекта солями металлов или металлами. По этой причине, а также потому, что объекты исследуются в вакууме, с помощью электронного микроскопа можно изучать только убитые клетки.

Если добавить в среду радиоактивный изотоп, поглощаемый клетками в процессе метаболизма, то его внутриклеточную локализацию можно затем выявить с помощью авторадиографии. При использовании этого метода тонкие срезы клеток помещают на пленку. Пленка темнеет под теми местами, где находятся радиоактивные изотопы.

Центрифугирование .

Для биохимического изучения клеточных компонентов клетки необходимо разрушить - механически, химически или ультразвуком. Высвобожденные компоненты оказываются в жидкости во взвешенном состоянии и могут быть выделены и очищены с помощью центрифугирования (чаще всего - в градиенте плотности). Обычно такие очищенные компоненты сохраняют высокую биохимическую активность.

Клеточные культуры .

Некоторые ткани удается разделить на отдельные клетки так, что клетки при этом остаются живыми и часто способны к размножению. Этот факт окончательно подтверждает представление о клетке как единице живого. Губку, примитивный многоклеточный организм, можно разделить на клетки путем протирания сквозь сито. Через некоторое время эти клетки вновь соединяются и образуют губку. Эмбриональные ткани животных можно заставить диссоциировать с помощью ферментов или другими способами, ослабляющими связи между клетками. Американский эмбриолог Р.Гаррисон (1879-1959) первым показал, что эмбриональные и даже некоторые зрелые клетки могут расти и размножаться вне тела в подходящей среде. Эта техника, называемая культивированием клеток, была доведена до совершенства французским биологом А.Каррелем (1873-1959). Растительные клетки тоже можно выращивать в культуре, однако по сравнению с животными клетками они образуют большие скопления и прочнее прикрепляются друг к другу, поэтому в процессе роста культуры образуются ткани, а не отдельные клетки. В клеточной культуре из отдельной клетки можно вырастить целое взрослое растение, например морковь.

Микрохирургия .

С помощью микроманипулятора отдельные части клетки можно удалять, добавлять или каким-то образом видоизменять. Крупную клетку амебы удается разделить на три основных компонента - клеточную мембрану, цитоплазму и ядро, а затем эти компоненты можно вновь собрать и получить живую клетку. Таким путем могут быть получены искусственные клетки, состоящие из компонентов разных видов амеб. Если принять во внимание, что некоторые клеточные компоненты представляется возможным синтезировать искусственно, то опыты по сборке искусственных клеток могут оказаться первым шагом на пути к созданию в лабораторных условиях новых форм жизни. Поскольку каждый организм развивается из одной единственной клетки, метод получения искусственных клеток в принципе позволяет конструировать организмы заданного типа, если при этом использовать компоненты, несколько отличающиеся от тех, которые имеются у ныне существующих клеток. В действительности, однако, полного синтеза всех клеточных компонентов не требуется. Структура большинства, если не всех компонентов клетки, определяется нуклеиновыми кислотами. Таким образом, проблема создания новых организмов сводится к синтезу новых типов нуклеиновых кислот и замене ими природных нуклеиновых кислот в определенных клетках.

Слияние клеток .

Другой тип искусственных клеток может быть получен в результате слияния клеток одного или разных видов. Чтобы добиться слияния, клетки подвергают воздействию вирусных ферментов; при этом наружные поверхности двух клеток склеиваются вместе, а мембрана между ними разрушается, и образуется клетка, в которой два набора хромосом заключены в одном ядре. Можно слить клетки разных типов или на разных стадиях деления. Используя этот метод, удалось получить гибридные клетки мыши и цыпленка, человека и мыши, человека и жабы. Такие клетки являются гибридными лишь изначально, а после многочисленных клеточных делений теряют большинство хромосом либо одного, либо другого вида. Конечный продукт становится, например, по существу клеткой мыши, где человеческие гены отсутствуют или имеются лишь в незначительном количестве. Особый интерес представляет слияние нормальных и злокачественных клеток. В некоторых случаях гибриды становятся злокачественными, в других нет, т.е. оба свойства могут проявляться и как доминантные, и как рецессивные. Этот результат не является неожиданным, так как злокачественность может вызываться различными факторами и имеет сложный механизм.

Клетка - это структурно-функциональная единица живого организма, способная к делению и обмену с окружающей средой. Она осуществляет передачу генетической информации путем самовоспроизведения.

Клетки очень разнообразны по строению, функции, форме, размерам (рис. 1). Последние колеблются от 5 до 200 мкм. Самыми крупными в организме человека являются яйцеклетка и нервная клетка, а самыми маленькими - лимфоциты крови. По форме клетки бывают шаровидные, веретеновидные, плоские, кубические, призматические и др. Некоторые клетки вместе с отростками достигают длины до 1,5 м и более (например, нейроны).

Рис. 1. Формы клеток:

1 - нервная; 2 - эпителиальная; 3 - соединителытотканная; 4 - гладкая мышечная; 5- эритроцит; 6- сперматозоид; 7-яйцеклетка

Каждая клетка имеет сложное строение и представляет собой систему биополимеров, содержит ядро, цитоплазму и находящиеся в ней органеллы (рис. 2). От внешней среды клетка отграничивается клеточной оболочкой - плазма-леммой (толщина 9-10 мм), которая осуществляет транспорт необходимых веществ в клетку, и наоборот, взаимодействует с соседними клетками и межклеточным веществом. Внутри клетки находится ядро, в котором происходит синтез белка, оно хранит генетическую информацию в виде ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Ядро может иметь округлую или овоидную форму, но в плоских клетках оно несколько сплющенное, а в лейкоцитах палочковидное или бобовидное. В эритроцитах и тромбоцитах оно отсутствует. Сверху ядро покрыто ядерной оболочкой, которая представлена внешней и внутренней мембраной. В ядре находится нуклеошазма, которая представляет собой гелеобразное вещество и содержит хроматин и ядрышко.

Рис. 2. Схема ультрамикроскопического строения клетки

(по М. Р. Сапину, Г. Л. Билич, 1989):

1 - цитолемма (плазматическая мембрана); 2 - пиноцитозные пузырьки; 3 - центросома (клеточный центр, цитоцентр); 4 - гиалоплазма; 5 - эн-доплазматическая сеть (о - мембраны эндоплазматической сети, б - ри-босомы); 6- ядро; 7- связь перинуклеарного пространства с полостями эндоплазматической сети; 8 - ядерные поры; 9 - ядрышко; 10 - внутриклеточный сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 77-^ секреторные вакуоли; 12- митохондрии; 7J - лизосомы; 74-три последовательные стадии фагоцитоза; 75 - связь клеточной оболочки (цитолеммы) с мембранами эндоплазматической сети

Ядро окружает цитоплазма, в состав которой входят ги-алоплазма, органеллы и включения.

Гиалоплазма - это основное вещество цитоплазмы, она участвует в обменных процессах клетки, содержит белки, полисахариды, нуклеиновую кислоту и др.

Постоянные части клетки, которые имеют определенную структуру и выполняют биохимические функции, называются органеллами. К ним относятся клеточный центр, митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая (ци-топлазматическая) сеть.

Клеточный центр обычно находится около ядра или комплекса Гольджи, состоит из двух плотных образований - центриолей, которые входят в состав веретена движущейся клетки и образуют реснички и жгутики.

Митохондрии имеют форму зерен, нитей, палочек, формируются из двух мембран - внутренней и внешней. Длина митохондрии колеблется от 1 до 15 мкм, диаметр - от 0,2 до 1,0 мкм. Внутренняя мембрана образует складки (кри-сты), в которых располагаются ферменты. В митохондриях происходят расщепление глюкозы, аминокислот, окислении жирных кислот, образование АТФ (аденозинтрифосфорнай кислота) - основного энергетического материала.

Комплекс Гольджи (внутриклеточный сетчатый аппарат) имеет вид пузырьков, пластинок, трубочек, расположенных вокруг ядра. Его функция состоит в транспорте веществ, химической их обработке и выведении за пределы клетки продуктов ее жизнедеятельности.

Эндоплазматическая (цитоплазматическая) сеть формируется из агранулярной (гладкой) и гранулярной (зернистой) сети. Агранулярная Эндоплазматическая сеть образуется преимущественно мелкими цистернами и трубочками диаметром 50-100 нм, которые участвуют в обмене липи-дов и полисахаридов. Гранулярная Эндоплазматическая сеть состоит из пластинок, трубочек, цистерн, к стенкам которых прилегают мелкие образования - рибосомы, синтезирующие белки.

Цитоплазма также имеет постоянные скопления отдельных веществ, которые называются включениями цитоплазмы и имеют белковую, жировую и пигментную природу.

Клетка как часть многоклеточного организма выполняет основные функции: усвоение поступающих веществ и расщепление их с образованием энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности организма. Клетки обладают также раздражимостью (двигательные реакции) и способны размножаться делением. Деление клеток бывает непрямое (митоз) и редукционное (мейоз).

Митоз - самая распространенная форма клеточного деления. Он состоит из нескольких этапов - профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Простое (или прямое) деление клеток - амитоз - встречается редко, в тех случаях, когда клетка делится на равные или неравные части. Мейоз - форма ядерного деления, при котором количество хромосом в оплодотворенной клетке уменьшается вдвое и наблюдается перестройка генного аппарата клетки. Период от одного деления клетки к другому называется ее жизненным циклом.

Клеточная мембрана . Клетка (рис. 1.1) как живая система нуждается в поддержании определенных внутренних условий: концентрации различных веществ, температуры внутри клетки и др. Одни из этих параметров поддерживаются на неизменном уровне, так как их изменение приведет к гибели клетки, другие играют меньшее значение для сохранения ее жизнедеятельности.

Рис. 1.1.

Клеточная мембрана должна обеспечивать отграничение содержимого клетки от окружающей среды для поддержания необходимой концентрации веществ внутри клетки, в то же время она должна быть проницаемой для постоянного обмена веществ между клеткой и средой (рис. 1.2). Мембраны также ограничивают внутренние структуры клетки - органоиды (органеллы) - от цитоплазмы. Однако эго не просто разделительные барьеры. Клеточные мембраны сами по себе являются важнейшим органом клетки, обеспечивающим не только ее структуру, но и многие функции. Помимо разделения клеток между собой и отграничения от внешней среды мембраны объединяют клетки в ткани, регулируют обмен между клеткой и внешней средой, сами являются местом протекания многих биохимических реакций, служат передатчиками информации между клетками.

По современным данным, плазматические мембраны - это липопротеиновые структуры (липопротеины - соединения белковых и жировых молекул). Липиды (жиры) спонтанно образуют двойной слой, а мембранные белки «плавают» в нем, словно острова в океане. В мембранах присутствуют несколько тысяч различных белков: структурные, переносчики, ферменты и др. Кроме того, между белковыми молекулами имеются поры, сквозь которые могут проходить некоторые вещества. К поверхности мембраны подсоединены специальные гликозильные группы, которые участвуют в процессе распознавания клеток при образовании тканей.

Рис. 1.2.

Разные типы мембран отличаются по своей толщине (обычно она составляет от 5 до 10 нм). По консистенции мембраны напоминают оливковое масло. Важнейшее свойство клеточной мембраны - полупроницаемость », т.е. способность пропускать только определенные вещества. Прохождение различных веществ через плазматическую мембрану необходимо для доставки питательных веществ и кислорода в клетку, вывода токсичных отходов, создания разницы концентрации отдельных микроэлементов для поддержания нервной и мышечной активности. Механизмы транспорта веществ через мембрану:

• диффузия - газы, жирорастворимые молекулы проникают прямо через плазматическую мембрану, в том числе облегченная диффузия, когда растворимое в воде вещество проходит через мембрану по особому каналу;
• осмос - диффузия воды через полунепроницаемые мембраны в сторону более низкой концентрации ионов;
• активный транспорт - перенос молекул из области с меньшей концентрацией в область с большей с помощью специальных транспортных белков;
• эндоцитоз - перенос молекул с помощью пузырьков (вакуолей), образуемых втягиванием мембраны; различают фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и ниноцитоз (поглощение жидкостей) (рис. 1.3);
• экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу; посредством него из клеток могут выводиться твердые частицы и жидкий секрет (рис. 1.4).

Диффузия и осмос не требуют дополнительной энергии; активный транспорт, эндоцитоз и экзоцитоз нуждаются в обеспечении энергией, которую клетка получает при расщеплении усвоенных ею питательных веществ.

Рис. 1.3.

Рис. 1.4.

Регуляция прохождения различных веществ через плазматическую мембрану является одной из ее важнейших функций. В зависимости от внешних условий структура мембраны может изменяться: она может становиться более жидкой, активной и проницаемой. Регулятором проницаемости мембран является жироподобное вещество холестерол.

Внешняя структура клетки поддерживается более плотной структурой - клеточной оболочкой. Клеточная оболочка может иметь самое различное строение (быть эластичной, иметь жесткий каркас, щетинки, усики и др.) и выполнять достаточно сложные функции.

Ядро имеется во всех клетках человеческого организма, за исключением эритроцитов. Как правило, клетка содержит только одно ядро, однако есть и исключения - например, клетки поперечнополосатых мышц содержат множество ядер. Ядро имеет шаровидную форму, его размеры колеблются от 10 до 20 мкм (рис. 1.5).

Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой , состоящей из двух мембран - наружной и внутренней, аналогичных клеточной мембране, и узкой щели между ними, содержащей полужидкую среду; через поры ядерной оболочки осуществляется интенсивный обмен веществ между ядром и цитоплазмой. На внешней мембране оболочки расположено множество рибосом - органоидов, синтезирующих белок.

Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хромо го сомы (продолговатые структуры, содержащие ДНК, в которых «записана» информация о строении белков, специфичных для данной клетки, - наследственная, или генетическая, информация) и ядрышки (округлые структуры внутри ядра, в которых происходит формирование рибосом).

Рис. 1.5.

Совокупность хромосом, содержащихся в ядре, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках четное - диплоидное (у человека это 44 аутосомы и 2 половые хромосомы, определяющие половую принадлежность), половые клетки, участвующие в оплодотворении, несут половинный набор (у человека 22 аутосомы и 1 половая хромосома) (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Важнейшей функцией ядра является передача генетической информации дочерним клеткам: при делении клетки ядро делится надвое, а находящаяся в нем ДЫК копируется (репликация ДНК) - это позволяет каждой дочерней клетке иметь полную информацию, полученную от исходной (материнской) клетки (см. Размножение клеток).

Цитоплазма (цитозоль) - студенистое вещество, содержащее около 90% воды, в котором расположены все органоиды, содержатся истинные и коллоидные растворы питательных веществ и нерастворимые отходы метаболических процессов, протекают биохимические процессы: гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеиновых кислот и других веществ. Органоиды в цитоплазме движутся, цитоплазма сама также совершает периодическое активное движение - циклоз.

Клеточные структуры (органоиды , или органеллы) представляют собой «внутренние органы» клетки (табл. 1.1). Они обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки, выработку клеткой определенных веществ (секрета, гормонов, ферментов), от их жизнедеятельности зависит общая активность тканей организма, способность выполнять специфические для данной ткани функции. Структуры клетки, как и сама клетка, проходят свои жизненные циклы: рождаются (создаются путем воспроизводства), активно функционируют, стареют и разрушаются. Большинство клеток организма способно восстанавливаться на субклеточном уровне за счет воспроизводства и обновления входящих в ее структуру органоидов.

Таблица 1.1

Клеточные органоиды, их строение и функции

Окончание табл. 1.1