Клетка

Относительная автономия. Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В некоторых отношениях митохондрии ведут себя как автономные организмы. Например, так же, как и сами клетки, которые возникают только из клеток, митохондрии образуются только из предсуществующих митохондрий. 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.

Органоиды движения. Многие клетки одноклеточных и многоклеточных организмов обладают способностью к движению. Под этим понимается движение клетки в пространстве и внутриклеточное движение ее органоидов. В жидкой среде перемещение клеток осуществляется движением жгутиков и ресничек; так передвигаются многие одноклеточные. Некоторые другие простейшие организмы, а также специализированные клетки многоклеточных передвигаются с помощью выростов, образующихся на поверхности клеток. Клетка находится в постоянном движении. Клеточное движение обеспечивается цитоскелетом, состоящем из микротрубочек, микронитей и клеточного центра. Микротрубочки - это длинные полые цилиндры, стенки которых состоят из белков. Микронити - очень тонкие структуры, состоящие из тысяч молекул белка, соединенных друг с другом.

Цитоскелет. К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микроскопические трубчатые и нитевые образования важны для движения клетки: они скапливаются, резко сокращаются, быстро перестраиваются, и таким образом некоторые клетки (в частности, белые кровяные) перемещаются, подобно амебам. 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.

Клеточный центр.   Клеточный центр – органоид, обнаруженный во всех клетках многоклеточных животных, простейших и в клетках некоторых растений. В состав клеточного центра входит 1 – 2 или иногда большее количество мелких гранул, называемых центриолями. Центриоли либо непосредственно расположены в цитоплазме, либо лежат в центре сферического слоя цитоплазмы, который называется центросомой или центросферой.  Центриоли– это плотные тельца. Центриоли имеют относительно постоянное место расположения в клетке: они занимают геометрический центр ее, но иногда в процессе развития могут перемещаться ближе к периферическим участкам. У многих видов простейших и в половых клетках некоторых многоклеточных организмов центриоли расположены не в цитоплазме, а в ядре, под его оболочкой. Клеточный центр играет важную роль в процессах деления клетки.

Известно,что в центриолях содержатся углеводы, белки и совсем незначительное количество липидов, а также очень немного РНК и ДНК.

Центриоли представляют собой  цилиндрические белковые структуры, расположенные  вблизи ядра клеток. 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.

В объяснении процессов репродукции  центриолей до сих пор имеется  много дискуссионных вопросов, но сейчас уже определенно показано, что репродукция этих структур происходит путем почкования. От уже имеющейся  в клетке родительской центриоли  начинает расти маленький зачаток, представляющий собой дочернюю центриоль. Зачаток увеличивается в размерах и, вырастая, превращается в точно такую же центриоль, как родительская. Затем эта дочерняя центриоль отделяется от родительской. Такой путь формирования новой центриоли был детально изучен у простейших (жгутиконосцев). С помощью электронномикроскопических исследований Д. Мэзия (1961) и его сотрудники выяснили, что такой же способ репродукции центриолей путем почкования свойственен и клеткам позвоночных животных

Ядро. Ядро – обязательная часть всякой полноценной, способной делиться клетки высших животных и растений. От цитоплазмы ядра обычно отделяются четкой границей. На неокрашенных препаратах и при наблюдениях живых клеток ядро зачастую выглядит как гомогенный пузырек. Иногда видна более грубая или мелкая зернистая структура. Во всех случаях отчетливо выделяется имеющее округлую форму ядрышко, которое по показателю преломления света отличается от остальной части ядра. Бактерии и некоторые низшие водоросли(сине-зеленые) не имеют сформированного ядра: их ядра лишены ядрышка и не отделены от цитоплазмы отчетливо выраженной ядерной мембраной. Однако основной компонент ядра – носители наследственной информации клетки, хромосомы, присутствуют во всех без исключения ядрах. Форма ядер довольно разнообразна и в ряде случаев соответствует форме клетки. Количество ядер также может варьировать: типична одноядерная клетка, но встречаются клетки двуядерные(некоторые клетки печени и хрящевые клетки) и многоядерные (например, волокна поперечнополосатой мышцы и клетки сифонных водорослей содержат несколько сот ядер). Отношение объема ядра к объему цитоплазмы (ядерно-плазменное отношение) в клетках определенного типа в строго стандартных условиях в известной мере постоянно.

С конца прошлого века до настоящего времени ведутся интенсивные  исследования строения и функций  ядра. Различают ядро в состоянии  интерфазы (обычное ядро функционирующей  клетки) и ядро в процессе клеточного деления. Однако не все интерфазные ядра одинаковы. По их дальнейшим возможностям можно различить: 1) ядра размножающихся клеток между двумя делениями; 2) ядра уже не делящихся, но способных к делению клеток; 3) ядра клеток, утративших способность делиться совсем. Обнаружить различия в строении интерфазных ядер двух последних типов не удается. Основными компонентами ядра являются:

1. Ядерная оболочка. 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.
2. Ядерный сок – кариоплазма – относительно прозрачная и однородная масса. Ядерный сок в виде неструктурированной массы окружает хромосомы и ядрышки.
3. Одно или два обычно округлых ядрышка. Ядрышко – постоянная часть типичного интерфазного ядра. По физическим свойствам ядрышко является наиболее плотной частью ядра. По химическому составу ядрышко отличается относительно высокой концентрацией РНК. Основные компоненты, из которых состоят ядрышки, - это кислые белки типа фосфопротеинов и РНК. Кроме того, в нем обнаруживаются свободные или связанные фосфаты кальция, калия, магния, железа, цинка. Наличие ДНК в ядрышке не доказано. Функция ядрышка состоит в образовании или сборке рибосом, которыми снабжается цитоплазма.
4. Хромосомы,спирализованные участки которых видны в световой микроскоп как хлопья или закрученные, переплетенные нити; деспирализованные участки нитей видны только в электронный микроскоп. Хромосомы –основная функциональная авторепродуцирующая структура ядра, в которой концентрируется ДНК и с которой связана функция ядра. ДНК хромосом содержит наследственную информацию обо всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах, которые должны протекать в ней (например, синтез белка). Хромосомы содержат хроматин, окрашивающийся основными красителями; иногда хроматин образует большей или меньшей величины тельца, напоминающие ядрышки.

Клетки организма человека состоят из разнообразных химических соединений неорганической и органической природы. К неорганическим веществам  клетки относятся вода и соли. Вода составляет до 80% массы клетки. Она  растворяет вещества, участвующие в  химических реакциях: перености питательные вещества, выводит из клетки отработанные и вредные соединения. Минеральные соли – хлорид натрия, хлорид калия и др. – играют важную роль в распределении воды между клетками и межклеточным веществом. Отдельные химические элементы, такие, как кислород, водород, азот, сера, железо, магний, цинк, иод, фосфор, участвуют в создании жизненно важных органических соединений.

Органические соединения образуют до 20-30% массы каждой клетки. Среди органических соединений наибольшее значение имеют углеводы, жиры, белки  и нуклеиновые кислоты.

Состав клетки. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. К углеводам относятся глюкоза, животный крахмал – гликоген. Многие углеводы хорошо растворимы в воде и являются основным источником энергии для осуществления всех жизненных процессов. При распаде 1 г углеводов освобождается 17,2 кДж энергии.

Жиры образованы теми же химическими элементами, что и  углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Они входят в состав клеточных  мембран. Жиры также служат запасным источником энергии в организме. При полном расщеплении 1 г жира освобождается 39,1 кДж энергии.

Белки являются основными  веществами клетки. Белки – самые сложные из встречающихся в природе органических веществ, хотя и состоят из относительно небольшого количества химических элементов – углерод, водород, кислород, азот, сера. Молекула белка имеет большие размеры и представляет собой цепь, состоящую из десятков и сотен более простых соединений – аминокислот. Белки служат главным строительным материалом. Они участвуют в формировании мембран клетки, ядра, цитоплазмы, органоидов. Многие белки выполняют роль ускорителей течения химических реакций – ферментов. Белки имеют разнообразное строение. Только в одной клетке насчитывается до 1000 разных белков.

Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. С этим связано  их название (от лат. «нуклеус» – ядро). Они состоят из углерода, водорода и фосфора. Нуклеиновые кислоты бывают двух типов – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). ДНК находятся в основном в хромосомах клеток. ДНК определяет состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству. Функции РНК связаны с образованием характерных для этой клетки белков.

Жизнедеятельность. В клетке происходит биосинтез (создание сложных органических соединений), обмен веществ между клеткой и окружающей средой, в результате которого состав клетки постоянно обновляется: одни вещества в них образуются, другие разрушаются. Клетка также способна реагировать на внешние и внутренние воздействия - раздражители называется раздражимостью. Одним из важнейших видов жизнедеятельности клетки является ее способность к размножению.

С помощью размножения  наш организм развивается, растет, обновляется. В основе размножения организма  лежит размножение клеток. Существует два способа размножения - прямое и непрямое. При прямом делении  ядро клетки без особых изменений  делится на две части, но такое  в организме случается крайне редко. Обычно клетки делятся непрямым способом. Это сложный процесс, состоящий  из нескольких фаз. Деление происходит примерно в течение 0.5 часов. При  делении клеток особое вещество –  хроматин передается и дочерней клетке, наследственный материал клетки точно  и полно распределяется. Поэтому  дочерние клетки так похожи на материнскую.

Таким образом, клетка обладает рядом жизненных свойств: обменом  веществ, раздражимостью, ростом и размножением, подвижностью, на основе которых осуществляется функции целого организма.

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.

Авторадиография. 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.