Клетка как структурная основа живых организмов

Клеточная теория. Элементарной единицей онтогенетического уровня организации живого, является биологическая система, состоящая из одной или нескольких клеток. Именно клетки и играют роль «кирпичиков», из которых слагается живой организм.

Впервые о существовании клеток сообщил в 1665 г. англичанин Роберт Гук, который наблюдал в микроскоп строение среза обычной пробки. Видел он, собственно, не клетки, а только мертвые клеточные стенки, лишенные некогда наполнявшего их клеточного содержимого. В дальнейшем клетки стали находить у всех исследуемых под микроскопом растений и животных.

В результате биологических исследований постепенно сформировалась концепция, которая была опубликована в 1839 г. в книге Теодора Шванна и получила название клеточная теория.

В современном изложении основные постулаты клеточной теории выглядят так:

· клетка – элементарная единица жизни, мельчайший элемент материи, который можно назвать «живым»;

· все живые существа состоят из одной или многих клеток;

· все клетки образуются только в результате деления других клеток.

Именно эти положения клеточной теории являются свидетельством единства организации биологических систем на онтогенетическом уровне.

Существенный вклад в формирование клеточной теории внес в 1925 г. французский исследователь Э. Шаттон, который предложил разделить все живые организмы на прокариоты и эукариоты. Первые не обладают оформленным ядром, это бактерии, вторые же обладают – это все остальные живые существа. В дальнейшем выяснилось, что между прокариотами и эукариотами имеются и иные фундаментальные различия, некоторые из них мы рассмотрим далее. Наконец, вирусы под постулаты клеточной теории не попадают – это неклеточная форма существования жизни.

Долгое время изучение клеток велось при помощи световых микроскопов. Разрешающая способность этих приборов не превышает 0,4 – 0,7 мкм, что не позволяет детально исследовать особенности организации структур, входящих в состав клеток. Только с появлением электронных микроскопов, разрешающая способность которых достигает тысячных долей микрона, развитием биохимии и молекулярной биологии в середине-конце XX в. произошла подлинная революция в науке о строении клетки – цитологии.

Строение клетки эукариот.

В клетке эукариот выделяют поверхностные структуры, цитоплазму и ядро. Основу поверхностных структур образует плазматическая мембрана, с внутренней и наружной поверхностями которой связаны различные макромолекулы (в первую очередь белки и сахара). Полость клетки заполнена цитоплазмой, коллоидной системой, в которую погружены внутриклеточные структуры разного функционального назначения – органеллы или органоиды.

Наружная плазматическая мембрана клеток отделяет ее содержимое от внешней среды, благодаря чему поддерживается определенный химический состав цитоплазмы. Для нормального функционирования клетка должна непременно обмениваться веществами с окружающей средой. Небольшие молекулы проникают в клетку и выводятся из нее благодаря простой диффузии. Однако этот путь закрыт для более крупных и полярных молекул. Перенос их через мембрану осуществляют специализированные мембранные транспортные белки, функционирование которых может быть связано с затратой энергии.

Клетки способны перемещать через плазматическую мембрану не только отдельные молекулы и ионы, но и весьма значительные количества веществ, как жидких, так и твердых. Вещества эти поступают в клетку, будучи «обернутыми» в мембрану, что имеет место при пиноцитозе и фагоцитозе.

Суть обоих процессов одна, различия касаются только деталей. В первом случае в месте контакта клетки с пригодным для поглощения жидким субстратом формируется впячивание плазматической мембраны, а во втором – частичка твердого субстрата обволакивается короткими отростками клетки. В результате субстрат (жидкий при пиноцитозе и твердый при фагоцитозе) заключается мембраной в пузырек, который оказывается в цитоплазме. В цитоплазме пузырек сливается с одной или несколькими лизосомами – органеллами, которые содержат ферменты, способные разрушать органические соединения. Образующиеся при разложении субстрата простые органические молекулы поступают в цитоплазму и используются клеткой, а непереваренные остатки либо выводятся наружу, либо накапливаются в цитоплазме.

Митохондрии имеются практически во всех клетках эукариот. Они обеспечивают процессы клеточного дыхания, в результате которого вырабатывается большая часть энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности клетки.

Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки. Эти органеллы окружены двумя мембранами и имеют свою собственную кольцевую молекулу ДНК, рибосомы и могут самостоятельно делиться вне зависимости от деления клетки.

Особый органоид представляет собой ядро. Снаружи оно одето ядерной оболочкой, состоящей из внутренней и наружной мембран. Ядерная оболочка пронизана порами. Через поры происходят основной обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Поры оболочки ядра пропускают только определенные макромолекулы, так что состав жидкой среды внутри ядра (кариоплазмы) отличается от характерного для окружающей ядро цитоплазмы. Здесь концентрируются соединения, обеспечивающие нормальную работу генетического аппарата, который представлен хромосомами. Хромосомы – нити ДНК, упакованные вместе с белками. Собственно хромосомы, как оформленные структуры, становятся заметными в световой микроскоп только в период деления клеток.

Во время деления клетки составляющий хромосомы комплекс ДНК-белок скручивается с образованием боковых петель и спиралевидных структур. Хромосомы при этом утолщаются и укорачиваются – спирализуются. Каждая из них имеет перетяжку – центромеру, которая может находиться посередине хромосомы или располагаться ближе к одному из ее концов.

В ядрах клеток имеются одно или несколько ядрышек, которые можно определить как «заводы» по производству рибосом.

Основными компонентами клетки эукариот являются поверхностные структуры (их основа – плазматическая мембрана), цитоплазма (коллоидная система и органеллы) и ядро. Все клеточные мембраны устроены однотипно и состоят из двойного слоя фосфолипидов со встроенными в него белками. Транспорт веществ в клетку осуществляется либо непосредственно через плазматическую мембрану, либо в виде одетых мембраной пузырьков (пиноцитоз и фагоцитоз). Мембраны разделяют клетки на отсеки (компартменты), каждый из которых выполняет свои функции. В клетках существует система транспортировки продуктов в мембранных пузырьках, причем ключевую роль в этом процессе играет комплекс Гольджи. Ядро представляет собой самостоятельный компартмент, в котором сосредоточен генетический аппарат клетки.

Деление клеток эукариот.

Размножение клеток эукариот осуществляется путем их деления, в ходе которого дочерние клетки получают полные копии генетического материала родительской клетки. Этот процесс получил название митоз. В период между двумя делениями – интерфазе, клетка реализует все функции, которые характерны для данного типа клеток. В конце интерфазы происходит важнейший этап подготовки к митозу – репликация ДНК, которая приводит к удвоению хромосом. Ядрышко при этом исчезает. Каждая хромосома оказывается представленной двумя копиями, которые тесно связаны друг с другом. Весь дальнейший ход событий, собственно митоз, направлен на то, чтобы каждая дочерняя клетка получила по полному набору хромосом родительской клетки. Для этого в клетке происходит сборка особого механизма, осуществляющего перемещение хромосом. Его основу формируют специализированные органеллы – центриоли, которые построены из микротрубочек. Примерно в то же время, что и репликация ДНК, центриоли в интерфазной клетке удваиваются. Вслед за этим клетка вступает в первую фазу митоза, именуемую профазой.

В профазе завершается спирализация хромосом, которая начинается еще в интерфазе вскоре после репликации ДНК. Ядерная оболочка разрушается. Центриоли расходятся к полюсам и между ними начинают формироваться нити веретена деления, состоящие из микротрубочек.

К началу метафазы хромосомы полностью спирализованы и у них отчетливо виден центромерный участок. Каждая хромосома в это время представлена двумя тесно соединенными копиями. Митотическое веретено уже полностью сформировано и его микротрубочки проходят между полюсами, на которых располагаются центриоли. Хромосомы выстраиваются в плоскости, проходящей через экватор, и формируют так называемую метафазную пластинку. Нити митотического веретена вступают в контакт с хромосомами в области их центромеров.

Метафаза очень скоротечна и сменяется анафазой, во время которой происходит расхождение хромосом. Связь между двумя копиями одной хромосомы теряется, и каждая из них перемещается к противоположенному полюсу веретена. В результате у каждого из полюсов веретена оказывается по одинаковому набору хромосом, который идентичен набору хромосом родительской клетки.

Анафаза сменяется завершающей стадией митоза – телофазой. Вокруг каждой из образовавшихся на полюсах групп хромосом формируется ядерная оболочка. Параллельно происходит разделение цитоплазмы материнской клетки, процесс, который так же обеспечивается белками-молекулярными моторами. На периферии клетки в области, расположенной между двумя вновь образовавшимися ядрами появляется перетяжка, которая постепенно сжимается до тех пор, пока не произойдет полного разделения клетки на две части. При этом в каждую из дочерних клеток попадает примерно одинаковое количество органелл материнской. Постепенно в формирующемся ядре происходит деспирализация хромосом и появляется ядрышко. Клетка вступает в интерфазу.

Создание клеточной теории рассматривают как одно из великих открытий. Оно показало единство всего существующего в природе. Общность живых организмов не только в том, что они состоят из одних и тех же химических элементов (химический состав), не только в том, что образующие их вещества состоят из атомов и молекул (физическая структура), но и в том, что существует единый способ построения биологических систем – все они состоят из клеток.

Образ Жизни. На жизнь клетки оказывает влияние концентрация ионов K+ и Na+. Любому организму необходимо поддерживать солевой баланс. Недостаток или избыток солей в организме может оказать вредное влияние на его жизнедеятельность. Пища должна включать достаточное количество овощей и фруктов, содержащих минеральные соли. Недостаток солей можно восполнить приемом специальных препаратов. Однако при этом необходимо соблюдать рекомендации врачей и правильную дозировку.