Строение клетки

Все живое состоит из клеток как дискретных единиц, подобно тому как неживое вещество — из дискретных атомов и молекул и развивается из клеток, которые можно считать мельчайшими единицами живой природы. Правда, жизнь может существовать и во внеклеточной форме — в виде вирусов. Вирусы — это совокупность макромолекул размером 20—300 нм, они состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, называемой капсидом. Вирусы видеоспецифичны, размножаются только в живых клетках-«хозяевах», значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению. Поэтому именно клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма. Каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма, причем этот носитель жизни «подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом». Элементарные явления на этом уровне организации биологических структур обусловлены процессами обмена веществ. Благодаря деятельности клеток поступающие из окружающей среды вещества превращаются в субстраты, энергию и информацию, которые усваиваются в процессе биосинтеза белков в соответствии с генной программой ДНК.

На клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии, поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Целевой функцией клетки является сохранение ее под воздействием внешней среды, ее устойчивость как «единицы жизни», стремление поддержать стабильность протекающих в ней процессов. В настоящее время на Земле насчитывается свыше четырех миллионов видов клеточных организмов. Средний размер животной соматической клетки 10—20 мкм в диаметре, растительной — 30—50 мкм, масса клетки около — 10^-8—10^-9 г. Количество клеток у примитивных беспозвоночных достигает 10² — 10⁴, у высокоорганизованных животных — до 10¹⁵—10¹⁷.

На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Минимальный срок жизнедеятельности клеток человека — один-два дня. Ежедневно погибает до 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов. Клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. Мы знаем почти поговорку: «Берегите нервы — нервные клетки (нейроны) не восстанавливаются». Да, они не размножаются, но на протяжении всей жизни непрерывно перестраиваются, И этот процесс можно сравнить на бытовом уровне с нашей жизнью в течение долгого времени в одном доме, но мы многократно изменяем в нем обстановку.

Клетке присущи все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления (самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в целом самоорганизация. Клетка обладает как бы полнотой свойств жизни, что позволяет ей как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде. Могут быть простейшие одноклеточные организмы (бактерии, некоторые водоросли и грибы) и многоклеточные (большинство животных и растений). Клетки всех живых организмов имеют похожий химический состав и сходное строение.

Многоклеточные организмы содержат до нескольких тысяч клеток и являются организованными совокупностями клеток, различных по форме, структуре и функциям, т.е. дифференцированными и дискретными системами. Однако организация клеток в организме построена по единому структурному признаку.

Клетки животных и растений различаются, но для них можно выделить три главные общие части:

• цитоплазму,

• клеточную, или плазматическую, мембрану, отделяющую цитоплазму от окружающей среды,

• клеточное ядро (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Строение клетки

Живое вещество клетки (протоплазма) представляет собой студнеобразную массу и содержит множество структурных элементов меньшего размера, чем сама клетка, которые называются органеллами. Наружная часть протоплазмы называется клеточной мембраной, а внутренняя часть — цитоплазмой, состоящей из воды (80%), белка и аминокислоты (10%), углеводов (5%).

Цитоплазму и протоплазму, как ее живую субстанцию, можно считать тем живительным микроокеаном, где процессы диссимиляции и ассимиляции обеспечивают переход от неживого к живому. В них и происходит обмен веществ. Задача протоплазмы состоит в обеспечении структурной основы обмена веществ, пространственного размещения молекулярных компонентов клетки, связанных с их движением и обеспечением процессов жизнедеятельности. По существу, протоплазма является совокупностью не только материальных компонентов, содержащихся в ней, но и процессов, обеспечивающих метаболизм. Поскольку протоплазма заполнена разными органеллами, внутриклеточными белковыми молекулами, составляющими цитоскелет, или клеточный матрикс, то можно ее считать упорядоченной структурой.

Органеллы — это рабочие субстанции клетки, выполняющие те или иные функции: производят энергию или приводят клетку в движение, служат для разделения клетки на области (или для выделения внутри нее областей) с разными условиями и содержат разные наборы молекул. К органеллам относятся ядра, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, митохондрии, жгутики, комплексы Гольджи, хлоропласты.

Ядро содержит полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой закодирована вся информация о данном виде, и является хранителем генетической информации. В ряде одноклеточных организмов, называемых прокариотическими, ядро может отсутствовать. Роль хранителя генетической информации в них играет нуклеотид, не имеющий оболочки и состоящий из одной ДНК размером 1—5 мкм. Клетки, имеющие четко выраженные ядра, отделенные мембраной от остальной цитоплазмы, называются эукариотическими, их размер — 10—50 мкм. Размеры органелл составляют от 20 нм до 5 мкм (рибосомы ~20 нм, ядра, митохондрии, хлоропласты ~ 1—5 мкм).

Образное сравнение размеров клетки и содержащихся в ней веществ приводит английский ученый Дж. Кендрью: «Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка имеет размер фабричного здания. Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов большие молекулы, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот даже при таком громадном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут меньше электрических проводов».

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это система внутриклеточных мембран, каналов, пузырьков, трубочек, пронизывающих цитоплазму, которые делят клетку на отдельные отсеки — компартменты. В ЭР для нужд самой клетки и других клеток организма синтезируются молекулы доставленного вещества. Комплекс Гольджи — характерная структура, состоящая из собранных в стопки дисковидных мембран, которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков, выполняющих транспортные функции, молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки и упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки.

Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Она также прикреплена к ЭР и состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Жгутики — белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1—20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Митохондрия представляет собой палочкообразную органеллу диаметром ~1 мкм и длиной около 7 мкм и имеет двойную мембрану. На внутренней мембране локализован фермент, ответственный за синтез аденозинтрифосфата (АТФ).

Митохондрии являются «микроэнергетическими станциями» клетки: в них происходят сложные биохимические реакции, в результате которых накапливается энергия за счет расщепления углеводов, жирных кислот, аминокислот, и превращение этой энергии в АТФ. АТФ является хранилищем внутриклеточной энергии, необходимой для процессов доставки, синтеза, транспортировки и выведения молекул из клетки. Количество митохондрий в клетке — до нескольких тысяч. Лизосомы — органеллы, перерабатывающие отходы, которые возникают в ходе метаболических процессов, расщепляя их на простые продукты, которые, растворяясь, покидают клетку через плазматическую мембрану. Они и представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной.

В структуру растительной клетки дополнительно входят пластиды — хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Хлоропласт — органелла диаметром 5—10 мкм, состоящая из комплекса мембран, двойной наружной и внутренних в виде стопок дисков, содержащих компоненты фотосинтезирующего аппарата. В нем имеется хлорофилл, преобразующий внешнюю световую энергию в химическую энергию АТФ, которая расходуется на образование углерода из углекислого газа. Хромопласт содержит различные пигменты, а лейкопласты — крахмал. Все эти органеллы вместе с цитоплазмой клетки отделяются друг от друга и внешней среды плазматической мембраной — полупроницаемым молекулярным барьером, контролирующим движение молекул и ионов в клетку и из клетки.