Каким свойством обладают все клетки

Клетка состоит из желеобразной массы – протоплазмы и ядра, окруженных клеточной мембраной. Клетки обладают всеми свойствами живой материи, включая самосохранение и самовоспроизводство.

Поглощение и усвоение. Клетки избирательно поглощают из окружающей их межклеточной (интерстициальной) жидкости такие химические вещества, как аминокислоты, из которых синтезируются более сложные соединения – белки, составляющие основу протоплазмы. Таким образом, клетка является единицей, активно накапливающей и использующей питательный вещества, поступающие в организм человека с пищей.

Рост и восстановление. Питательные вещества могут использоваться для синтеза новой протоплазмы, что приводит к увеличению размеров. Кроме того, питательные вещества необходимы для восстановления (регенерации) пришедших в негодность частей клеток.

Метаболизм. Рост и регенерация осуществляются благодаря анаболической функции, для осуществления которой клетка нуждается в энергии. В качестве ее источника используются отдельные компоненты поступающих в клетку веществ. Освобождающаяся при их расщеплении (катаболизме) энергия необходима клетке для теплопродукции, выделения секретов, движений и нервной деятельности.

Дыхание. Для функционирования и поддержания деятельности клетки крайне необходимы доставка с током крови кислорода из легких, и удаление из тканей углекислого газа (конечного продукта метаболизма).

Выделение. Образующиеся в результате катаболических процессов вещества выделяются из клетки в интерстициальную жидкость, откуда поступают в кровь. При этом углекислота транспортируется в легкие, и удаляется из организма в виде углекислого газа. Другие продукты обмена выводятся через почки с мочой.

1.3.2. Строение клетки.

Строение клетки необходимо рассматривать по частям во взаимосвязи функций этих частей.

Важнейшей (первой) структурной частью клетки является клеточная мембрана, которая отделяет цитоплазму от окружающей среды. Это не статическая оболочка, она выполняет множество функций. Одним из основных ее свойств является избирательная проницаемость, поддерживающая постоянство внутренней среды клетки. Благодаря этому свойству одни вещества свободно проникают в клетку, для других доступ закрыт.

Второй частью клетки является цитоплазма, котораясостоит из гиалоплазмы (собственно цитоплазмы — представляет собой сложный коллоидный материал), связанной с анаболической (синтетической) функцией клетки и содержащей органеллы:

· Лизосомы – представляют собой мембранные пузырьки, содержащие литические ферменты (гидролазы). Лизосомы могут переваривать как поступившие в клетку путем эндоцитоза продукты, так и отдельные составные части клетки (а иногда ее целиком – процесс автолиза).

· Митохондрии – небольшие палочкообразные образования, окруженные двумя мембранами. Митохондрии называют «энергетическими станциями» клетки, так как в них образуются молекулы АТФ, аккумулирующие энергию в виде химических связей.

· Комплекс Гольджи – система канальцев и пузырьков вблизи ядра, обеспечивающая выделительную (секреторную) функцию клетки.

· Рибосомы– глобулярные органеллы, состоящие из двух субъединиц неравного размера (большой и малой). На рибосомах происходит синтез белковых молекул.

Третья часть клетки — ядро – состоит из кариоплазмы, отделенной от цитоплазмы ядерной мембраной, которая также обладает функцией избирательной проницаемости. Ядро контролирует всю деятельность клетки, без него клетка погибает. В ядерном соке содержится хроматин (определенным образом организованное вещество хромосом). Хроматин состоит из молекул ДНК, связанных с белками. Хромосома – комплекс одной молекулы ДНК с белками. В интерфазном ядре (ядре клеток в промежутках между делением) гены, входящие в состав хромосом, обеспечивают поддержание жизнедеятельности, а во время митоза (клеточного деления) при помощи хромосом осуществляется передача генетической информации.

Генырасположены в составе хромосом в линейной последовательности. У человека в клетках различных тканей содержится постоянное число хромосом, равное сорока шести. Кроме хроматина ядро содержит одно или несколько ядрышек. Центросома – небольшое тельце возле ядра, играющее важную роль в процессах деления клетки.

1.3.3. Размножение клеток.

Клетка не может расти до бесконечности. Достигнув определенного размера, она делится на две дочерние клетки. Благодаря этому происходит замена изношенных и погибших клеток. Клеточное деление называется митозом (кариокинезом).

Деление начинается с изменения ядра. При этом ядерная мембрана исчезает, а хроматин, спирализуясь, превращается в длинные нити – хромосомы. После разделения центросомы на две части каждая из них направляется к противоположным полюсам материнской клетки. Затем к полюсам притягиваются хромосомы, и располагаются возле центросом. При превращении хромосом обратно в хроматин, происходит образование двух новых ядер. В конечном итоге за счет образования перетяжки посередине цитоплазмы формируются две новые клетки.

Каждая возникшая в результате митоза дочерняя клетка содержит 46 хромосом, поскольку во время деления их количество удваивается. Процесс удвоения (дупликации) хромосом очень важен для понимания основ жизнедеятельности клеток. Однако митоз — не единственный вид клеточного деления. В половых органах (яичках и яичниках) образование дочерних клеток происходит в результате мейоза. При этом в половых клетках, гаметах (сперматозоидах и яйцеклетках), не происходит удвоения числа хромосом – сохраняется их гаплоидный набор (двадцать три хромосомы). При оплодотворении образуется зигота, содержащая уже полный или диплоидный набор (46 хромосом). Таким образом, заключенная в хромосомах генетическая информация поступает к ребенку одновременно от отца и матери.

ГЛАВА 2. КЛЕТКИ

Читатели могут задать вопрос: почему, приступая к обсуждению биохимии, мы начинаем с клеток? Конечно, некоторые из вас уже, возможно, изучали биологию клетки. Тем не менее начать с клетки необходимо, потому что большинство биохимических реакций в естественных условиях происходит именно в клетках, а не в колбах или пробирках. Основное различие между биохимией и «обычной» химией состоит в том, что биохимические реакции протекают в строго ограниченных условиях, заданных размерами клеток и их внутренней структурой, а также физическими и химическими условиями, совместимыми с жизнью клеток.

Обычные известные нам химические реакции проводят в реакционных сосудах, изготовленных из небиологических материалов, причем размеры этих сосудов несопоставимо больше величины реагирующих молекул. Кроме того, для обычных химических реакций иногда требуются высокие температуры или давления, активные реагенты или электрическая энергия; часто такие реакции проводят в органических растворителях.

В отличие от химических биохимическиереакции в живых клетках протекают в объемах, жестко ограниченных размерами клеток или их органелл, необычайно хрупкие стенки которых часто имеют толщину порядка нескольких молекул. Кроме того, биохимические реакции осуществляются только в водной среде при сравнительно низких постоянных температурах. Клетки не могут переносить экстремальной температуры или давления, экстремальной кислотности или присутствия соединений, обладающих высокой химической активностью. В дальнейшем, рассматривая химию биологических процессов, мы всегда должны помнить о размерах, строении и свойствах клеток, постоянно согласуя между собой представления химии и биологии клетки.

В этой главе мы остановимся на строении и биохимических свойствах клеток наиболее распространенных типов. В последующих главах некоторые аспекты этой проблемы будут рассмотрены более подробно.

2.1. Все клетки обладают некоторыми общими структурными характеристиками

Клетки — это структурные и функциональные единицы живых организмов. Простейшие организмы представляют собой единичные клетки; в отличие от них организм человека содержит, по-видимому, не менее клеток. Существует множество самых разнообразных клеток, очень сильно различающихся по размерам, форме и функциональной специализации.

В пригоршне земли или в стакане воды, взятой из пруда, можно обнаружить десятки различных одноклеточных организмов, а любой многоклеточный организм, будь то человек или какое-нибудь растение, состоит из десятков или сотен высокоспециализированных типов клеток, функционирующих совместно в составе тканей и органов. Как бы ни был велик и сложен организм, клетки каждого типа сохраняют определенную индивидуальность и независимость.

Несмотря на многочисленные внешние различия, клетки разных типов обладают поразительным сходством в своих главных структурных особенностях (рис. 2-1). Каждая клетка окружена очень тонкой мембраной, ограничивающей ее содержимое и позволяющей ей быть до некоторой степени самостоятельной. Клеточная мембрана, которую называют также плазматической мембраной, характеризуется избирательной проницаемостью. Это ее свойство позволяет необходимым питательным веществам и солям проникать внутрь клетки, а излишним продуктам выходить из нее. В то же время клеточная мембрана препятствует проникновению в клетку ненужных веществ из окружающей среды.

Рис. 2-1. Все клетки ограничены мембраной, содержат ядро или ядерное тельце и рибосомы. Далее мы увидим, что существует два основных класса клеток, различающихся по другим структурным элементам.

Молекулярная организация плазматической мембраны у всех клеток примерно одинакова: она состоит из двух слоев липидных молекул с множеством включенных в нее специфических белков. Одни мембранные белки обладают ферментативной активностью, тогда как другие связывают питательные вещества из окружающей среды и обеспечивают их перенос в клетку. Внутреннее пространство любой клетки заполнено цитоплазмой, в которой протекает большинство катализируемых ферментами реакций клеточного метаболизма. Именно в цитоплазме высвобождается химическая энергия, необходимая для построения клеточных структур и поддержания их целостности, а также для механической работы сокращения и передвижения. В цитоплазме всех клеток присутствуют также рибосомы — небольшие гранулы диаметром от 18 до 22 нм, функция которых состоит в обеспечении синтеза белков. Кроме того, все живые клетки содержат ядро или ядерное тельце, в которых происходит редупликация генетического материала и его хранение в виде дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК).

 В нашем организме от 50 до 75 триллионов клеток, и их возможности поражают воображение.

Казалось бы, ну что такого необычного представляет собой эта «структурно-функциональная элементарная единица строения организма»? Ядро, цитоплазма, мембрана и прочее внутреннее содержание как бы не предполагают наличия сообразительности. Тем не менее именно на клеточном уровне проявляется способность тела противостоять различного рода напастям. Как это работает?

Солдаты и удача

Строение клетки — пожалуй, самая скучная тема школьного курса биологии. По виду клетка напоминает фасолину, в которой плавают разные странные вещи с интригующими названиями: вакуоли, центриоли, ризосомы и загадочный аппарат Гольджи. Но поскольку все это не имеет никакого отношения к инопланетянам или подводным погружениям, ребята (за исключением тех, кто планирует поступать на биофак) быстро теряют интерес к теме. Однако клеточный мир очень даже способен удивить. К тому же основные исследования в этой области относятся к самым перспективным современным научным направлениям.

Начнем с того, что клетки — это те кирпичики, из которых собраны все организмы. Единственные бесклеточные — вирусы. В свою очередь все клеточные формы жизни делятся на два надцарства. Это более простые по строению прокариоты (доядерные), возникшие на заре времен и отличающиеся поразительной живучестью. Они прекрасно себя чувствуют в экстремальных средах вроде кипятка и концентрированных кислот.

Второе надцарство — эукариоты (ядерные). Клетки, составляющие наше тело, как раз и являются эукариотическими. И хотя они не выживут в жерле вулкана, зато имеют другие уникальные свойства, над созданием которых природе и эволюции пришлось изрядно попотеть. И что самое главное — они содержат генетический материал в виде молекулы ДНК. То есть все признаки вплоть до цвета ваших глаз и волос зашифрованы в каждой из триллионов этих малюток. Не так уж и скучно, не так ли?

Обнуление цикла

Говорят, каждые семь лет человеческий организм обновляется — клетки заменяются новыми. Есть даже такая шутка: как можно отвечать за свои поступки, если я уже не тот, кто был? Факт обновления был обнаружен еще в начале 1950-х годов шведским молекулярным биологом Джонасом Фрисеном. Но если дела обстоят именно так, почему же мы стареем и в итоге умираем? Ответ содержится опять-таки в особенностях жизненного цикла клеток.

Каждая клетка определенного органа имеет свои, если так можно сказать, сроки годности. Например, некоторые группы лейкоцитов живут всего пару часов. Дольше всего обновляются жировые клетки (кто бы сомневался) — один раз в восемь лет. Что касается пресловутого семилетнего срока, то, учитывая разные скорости митоза (процесс обновления), он весьма относителен. То есть клетки печени у вас уже новые, а вот жирок пока прежний. Причем из-за разницы жизненного цикла клетки в этом плане одна за другой хронически не поспевают. Кстати, по последним данным, обновление происходит у каждого человека по-разному и может занимать до 10 лет.

Жизнеспособность клеток имеет и некую мрачную сторону. Например, после смерти тела многие живут еще довольно долго — от нескольких минут до часов и дней. Такая особенность важна, в частности, для криминалистики. На этом же факте основаны и версии о том, что человек некоторое время после смерти видит, слышит и чувствует. На самом деле, когда мозг перестает получать информацию от нервных окончаний и сенсоров, нам уже, грубо говоря, все равно.

Наморщить ум

На протяжении жизни мы бережемся от физических повреждений — не суем руки в огонь, осторожно обращаемся с острыми предметами и так далее. Короче, храним целостность нашего тела. Хотите верьте, хотите нет, но так же поступают и клетки. Поскольку каждая — своего рода сейф с важной информацией (мы же помним про ДНК), ее стратегическая задача состоит в том, чтобы выжить. Как минимум сохранить в целостности клеточную мембрану. Но это непросто, учитывая различные риски. Как биохимические (окислительные процессы, отсутствие кислорода и так далее), так и механические. Например, когда кто-то вас ударил, то, считай, загубил кучу ни в чем не повинных клеток. Тем не менее большинству удается сгруппироваться и выдержать удар, не разрушившись. Этот механизм открыт недавно и описан в научном журнале Nature Communications исследователями из испанского Национального сердечно-сосудистого центра. Суть в том, что клетки сжимаются, сморщивая мембрану и формируя «подушку бе­зопасности». Примерно так же, как вы зажмуриваетесь, пытаясь защититься от летящего в лицо снежка. И тут ученых озадачил один момент…

Если схема защиты существует, то она должна как-то включаться. А это означает, что у клетки есть датчики механического давления, командующие внутриклеточным белкам перестроиться в гармошку. В общем, «внутренний мир» только раскрывает перед нами свои секреты.

ПОЖИЛ — И ХВАТИТ

Так почему же мы все-таки умираем, несмотря на постоянный процесс обновления? Получается, предпосылки к вечной жизни имеются. Однако не все так просто. Во-первых, есть определенные и очень важные клетки, которые остаются неизменными с рождения до смерти, к ним, в частности, относятся некоторые нейроны мозга, клетки миокарда и сетчатки глаза. После определенного возраста новые клетки не создаются и в скелетных мышцах, поэтому у пожилых людей плохо заживают переломы. Но самый главный фактор называется апоптоз, или процесс запрограммированной клеточной смерти.

Согласно закону сохранения энергии, ничто не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Так же действует и обновление клеток: старая делится и образует дубликат. Но после многих циклов такого клонирования (хотя это не совсем корректное сравнение) неизбежно накапливаются ошибки и повреждения. Когда их процент достигает критического уровня, запускается цепная реакция: снижается способность к регенерации и так далее. К тому же стареющие клетки оказывают влияние на соседние, выделяя определенные сигнальные молекулы. Как будто говорят: «Коллеги, наше время истекает». Клетки, перешагнувшие так называемый предел Хейфлика (52 деления), совершают «самоубийство», активизируя особые ферменты-киллеры — каспазы, которые до этого момента бездельничают в цитоплазме. Единственная их задача — разрушить больную клетку. Затем ее остатки быстро (в среднем за 90 минут) уничтожаются иммунной системой. А конкретно — другими клетками, макрофагами. Это такие внутренние санитары, которые переваривают бактерии, остатки погибших клеток, чужеродные или токсичные для организма частицы. Поскольку организм человека состоит из триллионов клеток, которые имеют разный жизненный цикл и делятся не одновременно, угасание происходит постепенно. Как утверждает наука, в идеале тело человека предназначено для активной эксплуатации в течение не более 100 лет — так задумано природой. С другой стороны, может, этого и достаточно? Некоторые не знают, что и с более короткой жизнью делать.

ЛЮБОПЫТНО

Если расправить спирали ДНК, содержащиеся в каждой клетке и представляющие собой «микрофильмы» длиной около 1 метра, а затем соединить их, то можно протянуть (гипотетически, конечно) эту нить на 150 миллионов километров. То есть на расстояние от Земли до Солнца. Естественно, так «потрошить» человека никто не собирается. Но факт сам по себе интересный.

Полная перепечатка текста и фотографий запрещена. Частичное цитирование разрешено при наличии гиперссылки.

Заметили ошибку? Пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter