Клеточный уровень организации

 

Молекулярно-генетические процессы, лежащие в основе строения и функциони-рования живых организмов, протекают в клетке. Все организмы, как растительные, так и животные, состоят из клеток. В живой природе разнообразие клеток столь же широко распространено, как и разнообразие животных и растений. Все организмы животного и растительного мира подразделяются, в зависимости от степени их сложности и строения, на одно- мало- и многоклеточные. Проще всего устроены клетки сине-зеленых водорослей и бактерий: они лишены многих структур, присущих клеткам более сложных организмов, в них, например, нет ядра. Самый многочисленный класс одноклеточных организмов образуют бактерии. Сложный организм может состоять из многих видов клеток, каждый из которых вносит свой вклад в общую организацию. При этом жизнеспособность каждого вида клеток зависит от целостности организма. Человек, как и многие позвоночные,
состоит из огромного числа клеток (~ 10¹³), каждая из которых осуществляет все свои жизненные функции во взаимосвязи с другими клетками. Клетки высших организмов специализированы, им необходимы нервные клетки, мышечные клетки, клетки печени,
щитовидной железы, костной ткани и многие другие. Процессы питания, дыхания,
потребления воды и выведения отходов у многоклеточных организмов служат для удовлетворения метаболических потребностей клеток, из которых эти организмы состоят. Из клеток состоят ткани и органы. Развитие всегда начинается с одной оплодотворенной клетки и поэтому ее можно считать предшественником многоклеточного организма.

Основные этапы развития клеточной теории приведены в таблице 13.

Таблица 13

Этап	Год	Ученый	Вклад в развитие науки
1 Зарождение понятия о клеточном строении	1665	Роберт Гук	Рассматривая срез пробки, обна-ружил ячейки. Для обозначения их впервые применил название «клетка»
	1680	А. Левенчук	Открыл одноклеточные организ-мы
2 Возникновение клеточной теории	1838	М. Шлейден, Т. Шванн	Обобщили знания о клетке и показали, что клетки составляют основную единицу строения всех живых организмов
3 Развитие клеточной теории	1858	Р. Вихров	Сформулировал положение о том, что каждая новая клетка происходит от такой же исходной клетки
		К. Бэр	Сформулировал положение о том, что клетка не только структурная, но и функциональная единица живых организмов
4 Современная клеточная теория			Клетка – основная единица всех живых организмов. Клетки всех одноклеточных и многоклеточ-ных организмов имеют сходное строение

 

Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

Предметом изучения современной биологической науки, являются клетки, которые представляют собой результат длительного эволюционного процесса (3–4 млрд лет). По современной классификации все живые организмы подразделяются: на прокариоты и эукариоты. Клетки прокариотов отличаются от клеток эукариотов отсутствием в них оформленного ядра и некоторых органелл, например, митохондрий.

Клетки эукариотов состоят из трех взаимосвязанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетки отграничивает ее содержимое от внешней среды и от других клеток. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя. У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка – клеточная стенка, состоящая из клетчатки. Клеточная стенка играет очень важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тругор растительных клеток. Через клеточную стенку проходит вода, минеральные соединения и молекулы различных органических веществ.

Наружный слой поверхности клеток животных, в отличие от клеточных стенок
растений, очень тонкий, эластичный. Он получил название гликокаликс и состоит из
разнообразных полисахаридов и белков. Основной функцией гликокаликса является
осуществление непосредственной связи клеток с окружающей средой и со всеми ее веществами.

Под гликокаликсом животных и клеточной стенкой растений расположена плазматическая мембрана, граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа. Плазматическая мембрана состоит из липидов и белков (см. рисунок 120). Липиды в мембране образуют двойной слой, а белки пронизывают всю ее толщу на разную глубину. Плазматическая мембрана осуществляет много важных функций, необходимых для жизнедеятельности клетки. Она защищает цитоплазму от физических и химических воздействий, осуществляет контакт и взаимодействие клеток в тканях и органах, избирательно обеспечивает транспорт в клетку питательных веществ и выведение продуктов метаболизма. Белки и углеводы на поверхности мембраны у разных клеток неодинаковы и являются указателями при распознавании типа клеток. Например, с помощью этих указателей сперматозоиды узнают яйцеклетку. Строение мембран всех других органоидов сходно с плазматической мембраной.

В клеточной мембране существуют поры, через которые в клетку поступают: вода, некоторые ионы и различные растворенные питательные вещества. Концентрация многих солей внутри клетки и в окружающей ее среде существенно различна. У животных во внеклеточной среде, т.е. в крови, лимфе и тканевой жидкости, омывающей большинство клеток, из положительно заряженных ионов в наибольшем количестве содержится натрий, тогда как в клетке этот ион почти полностью отсутствует. Напротив, концентрация калия почти в 40 раз, а магния в 15 раз выше внутри клеток, чем в окружающей их среде. Во внеклеточных жидкостях положительные ионы нейтрализуются главным образом ионами хлора, в клетке же эту роль выполняет фосфат.

Поддержание этих различий в концентрациях ионов – одна из функций плазматической мембраны. Заключенные в ней белковые «насосы» откачивают из клетки такие нежелательные ионы, как натрий, и накачивают внутрь нужные ионы калия. Постоянный перенос ионов, осуществляемый этими насосами требует затрат энергии в форме АТФ. Исключительно важна способность поддерживать разность концентраций ионов для нервных клеток, обеспечивающих передачу нервного импульса. При раздражении кончика нервного волокна возникает распространяющаяся по волокну зона, в которой ионы натрия входят внутрь волокна, и в результате на его поверхности образуется отрицательный заряд. Этот заряд быстро нейтрализуется ионами калия, выходящими из волокна наружу.

Нормальное состояние – натрий снаружи, калий внутри – восстанавливается за тысячную долю секунды, после чего нерв снова готов к передаче импульса. Соли и питательные вещества проникают в клетку путем диффузии через плазматическую мембрану или благодаря работе мембранных насосов. Однако некоторые частицы, служащие пищей одноклеточным организмам, слишком велики, чтобы пройти через плазматическую мембрану.

Такие частицы захватываются путем фагоцитоза, в котором непосредственное участие принимает плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу. Образуется пищеварительная вакуоль и в ней переваривается поступившие в клетку органические вещества. Фагоцитоз свойственен не только одноклеточным организмам. Специализированные клетки, например лейкоциты (белые кровяные тельца), очищают организм многоклеточного животного от частичек пыли, бактерий, остатков погибших клеток и других ненужных веществ с помощью фагоцитоза. Мембрана лейкоцита обволакивает частицу, втягивая ее внутрь клетки, края мембраны сливаются, и частица оказывается заключенной в вакуоли. Этот процесс не имеет отношения к питанию лейкоцита и даже часто заканчивается гибелью клетки, но он спасает организм от вредных или ненужных включений. Клетки высших животных не нуждаются в фагоцитозе как способе питания.

Поглощать жидкость клетки могут с помощью другого сходного с фагоцитозом и
еще более распространенного процесса – пиноцитоза. В этом случае тот же механизм
используется для захвата капелек жидкости. Пиноцитоз нужен клетке для получения веществ, растворенных во внеклеточной жидкости.

Цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клетки. В цитоплазме эукариотических клеток располагаются ядро и различные органоиды. В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекают все основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.

Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец – рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций, основной из которых является участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах.

На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются в каналах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где они используются. Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки.

Рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15–20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В одной клетке содержится много тысяч рибосом, которые располагаются либо на мембранах эндоплазматической сети, либо свободно плавают в цитоплазме. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом – синтез белка.

Митохондрии содержатся в цитоплазме большинства клеток животных и растений. Они представляют собой мелкие тельца (0,2–0,7 мкм), внутреннее строение которых изучено с помощью электронного микроскопа.

Митохондрии окружены оболочкой, состоящей из двух мембран – внешней и внутренней. Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток, так как их основная функция – синтез АТФ, которая представляет собой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма. В растениях роль митохондрий играют хлоропласты, зеленый цвет которых зависит от содержания в них пигмента хлорофилла.

Аппарат Гольджи. В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мем-бранами и расположенные группами (по 5–10); крупные и мелкие пузырьки, располо-женные на концах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс, который выполняет много различных функций. По тканям эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтеза клетки – белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму. Затем они могут быть использованы в самой клетке в процессе жизнедеятельности либо выводятся из нее и используются в других местах организма. Например, в клетках поджелудочной железы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которые накапливаются в полостях органоида. Затем образуются пузырьки, наполненные ферментами, которые выводятся из клеток поджелудочной железы, откуда перетекают в полость кишечника. Еще одна важная функция аппарата Гольджи заключается в том, что на его мембранах происходит синтез жиров и углеводов, которые используются в клетке и входят в состав мембраны. Благодаря деятельности этого органоида происходит обновление и рост плазматической мембраны.

Лизосомы – представляют собой небольшие округлые тельца, отграниченные от цитоплазмы мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

К пищевой частице, поступающей в цитоплазму, подходят лизосомы и сливаются
с ней, образуя пищеварительную вакуоль. Вещества, которые образуются в результате
переваривания пищевой частицы, поступают в цитоплазму и используются клеткой.
Ферменты, содержащиеся в лизосомах, как и всякие другие белки, синтезируются на рибосомах цитоплазмы. Затем эти ферменты поступают по каналам эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются лизосомы.

В клетках животных вблизи ядра находится органоид, который называют клеточным центром. Основную часть клеточного центра составляют два маленьких тельца – центроли, расположенные в небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центроль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм. Центроли играют важную роль при делении клетки, они участвуют в образовании веретена деления. Кроме рассмотренных органоидов, в цитоплазме имеются клеточные включения, состоящие из углеводов, жиров и белков. Все эти вещества периодически синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Ядро. Каждая эукариотическая клетка содержит ядро. Ядро имеет округлую форму. Оно окружено мембраной, которая состоит из двух слоев – наружного и внутреннего. Мембранные слои насквозь пронизываются многочисленными порами, через которые осуществляется обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Ядро благодаря наличию в нем хромосом, содержащих наследственную информацию, выполняет функции центра, управляющего всей жизнедеятельностью и развитием клетки. Ядерный сок, или кариоплазма, в виде бесструктурной массы окружает хромосомы. В ядерном соке содержатся белки и различные РНК.

В ядре хранится наследственная информация не только о всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах синтеза белка, но и о признаках организма в целом. Информация записана в молекулах ДНК, которые являются важной составной частью хромосом.

Хромосомы. Хромосомы хорошо видны в световой микроскоп в начальный момент клеточного деления, когда они укорачиваются и утолщаются. В этом состоянии хромосома выглядит в виде двух тесно прилегающих друг к другу палочкообразных телец, называемых хроматидами. Последние скручены в виде спирали. В зависимости от степени спирализации хромосомы могут становиться длиннее или короче. Хроматиды, в свою очередь, состоят из пары или нескольких пар нитей – хромонем. В них заключены парные цепи молекулы ДНК. Хромосомы состоят из центромеры и одного или двух плечей. Центромера называется также первичной перетяжкой (см. рисунок 129), от ее положения зависит и форма хромосомы. Хромосомы, имеющие одинаковое строение, называют гомологичными. Все соматические клетки имеют двойной набор хромосом – диплоидный. В половых клетках – гаплоидный, или половинный, набор хромосом. У каждого вида растений или животных клетки содержат вполне определенное число хромосом, например, у человека их 23 пары, т.е. 46.