Клетка

Клетка, как известно, является основой строения и жизнедеятельности всех животных и растений. В нашем теле клеток насчитываются сотни триллионов. Когда-то ученые склонны были считать организм человека просто суммой клеток. Но это далеко не так. Можно изолировать одну клетку или кусочек ткани, состоящий из множества клеток, и "воспитывать" (культивировать) их вне организма. И что же? Оказывается, свойства их уже не будут такими, как в целостном организме. Выходит, что в организме клетки приобретают новые качества. Наше тело (да и любой другой живой организм) представляет сложное сообщество клеток, где благополучие целого зависит от жизни каждой клетки и каждая клетка подчинена целому.

Что же представляет собой клетка? Это не простой микроскопический пузырек, в котором перемешаны в растворе органические и неорганические вещества, а сложное архитектурное сооружение, окруженное неприступной оболочкой - мембраной. Оболочка состоит из липопротеидов - сложных соединений жироподобных веществ (липидов) с белками. Она строго контролирует все входы и выходы клетки, придирчиво пропуская или выпуская только избранных. Ее содержимое тоже представляет собой смесь множества различных телец - органелл (иногда их зовут органоидами, чтобы подчеркнуть сходство их функций с органами тела). Эти тельца защищены белковыми, или липопротеиновыми, оболочками. Между ними существует разделение труда, а их совместная согласованная деятельность обеспечивает выполнение клеткой необычайно сложных функций (рис. 1). Внимательно присмотримся к строению клетки. Обращают внимание две основные составные части клетки: ядро и цитоплазма (от греческих слов "китос" - клетка и "плазма" - что-либо сформированное).

Рис. 1. Структура животной клетки по данным электронной микроскопии 1 - плазматическая мембрана, 2-4 - рибосомы, 3 - жировые включения, 5 - ядрышко, 6 - хромосомы, 7 - ядро, 8 - ядерные поры, 9 - ядерная оболочки, 10 - эндоплазматический ретикулум (гладкий), 11 - секреторные гранулы, 12 - аппарат Гольджи, 13 - центриоль, 14 - лизосомы, 15 - митохондрия, 16 - эндоплазматический регикулум (шероховатый)

Есть в нашем теле и неклеточные образования, например межклеточное вещество. Но и оно образуется в результате клеточной деятельности. Миллиарды лет назад на нашей планете появлялись комочки органических (и неорганических) соединений - доклеточная форма жизни. Но именно клетка стала главной формой организации живой материи, возникшей в процессе развития таких комочков.

Итак, как построена клетка? Мы уже упоминали о том, что она состоит из двух основных частей: ядра и цитоплазмы. Ядро отграничено от цитоплазмы оболочкой, а цитоплазма в свою очередь окружена так называемой плазматической оболочкой. Цитоплазма может содержать различные появляющиеся и исчезающие в процессе обмена веществ включения, состоящие из белка, жира или углеводов, и органоиды.

Главными органоидами цитоплазмы являются митохондрии (от греческих слов "митос" - нить и "хондрос" - зернышко), клеточный центр, внутриплазматическая (эндоплазматическая) сеть с рибосомами и так называемый комплекс Гольджи. В ядре различают жидкое содержимое (кариоплазму), ядерную оболочку, ядрышко и половой хроматин.

Что касается химического состава клетки, то она содержит все неорганические и органические вещества, встречающиеся в любом живом организме.

Рассмотрим более детально митохондрию. Этот органоид содержится во всех клетках (за исключением зрелых эритроцитов крови). Форма митохондрий в различных типах клеток различна, но план строения одинаков. Снаружи митохондрии одеты двухслойной оболочкой. От внутренней мембраны в полость митохондрии вдаются складки (гребни или кристы). Свободное внутреннее пространство между кристами заполнено однородным веществом - матриксом.

Мембрана митохондрии представляет своеобразную устойчивую и гибкую сетку. Обычно митохондрии разбросаны в цитоплазме клетки, хотя нередко сосредоточиваются в ее наиболее активной части.

Митохондрии состоят главным образом из белков и липидов. Они содержат также небольшие количества нуклеиновых кислот и целый ряд витаминов. Но наиболее характерная особенность митохондрии - содержание в ней большого числа ферментных систем, участвующих в дыхании клетки. Способность митохондрий набухать и сжиматься играет определенную роль в их деятельности. По меткому выражению одного ученого, митохондрии обладают одним положительным качеством: они действительно существуют. В самом деле, митохондрии так хорошо видны в живой клетке (рис. 2), что в существовании их не приходится сомневаться^*.

^*(Проблема возникновения (биогенеза) митохондрий пока не совсем решена и находится в центре внимания современной науки. Большой интерес представляет связь биохимических превращений с состоянием обмена (высокоэнергетическим или низкоэнергетическим) в митохондрии.)

Рис. 2. Строение митохондрии. Митохондрия (А) образована двумя мембранами, каждая толщиной 60 ангстрем (шесть миллионных долей миллиметра). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки (кристы) и покрыта сферическими частицами диаметром 85 ангстрем (Б). Внутренняя мембрана вместе со сферическими частицами служит местом окислительного фосфорилирования. Если митохондрии подвергнуть действию сильных звуковых колебаний, то они разбиваются на фрагменты - субмитохондриальные частицы (В), еще способные вести окислительное фосфорилирование. 1 - матрикс, 2 - кристы, 3 - наружная мембрана, 4 - внутренняя мембрана, 5 - сферическая структура, па внутренней мембране

Эндоплазматическая сеть - система внутриклеточных канальцев и цистерн, ограниченных мембранами. Это своего рода транспортная система клетки, обеспечивающая перенос веществ из окружающей среды в клетку и сообщение между внутриклеточными органоидами. Весьма вероятно, что эта система обеспечивает не только транспорт, но и "сортировку" груза, а также его складское хозяйство. Больше того. Хотя эндоплазматическая сеть и является частью внутриклеточного конвейера, она не ограничивается пассивной ролью и принимает участие в сложнейших химических процессах, в частности в биосинтезе белка (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Схема ультраструктуры клетки. Эндоплазматическая сеть свободно открывается на поверхность клетки 1 - аппарат Гольджи, 2 - канальцы эргасто-плазмы, 3 - митохондрии, 4 - гранулы рибонуклеопротеида, 5 - оболочка клетки, 6 - выступы оболочки, 7 - отложения гликогена

Одним из компонентов эндоплазматической сети являются рибосомы - своеобразные плотные шарообразные зернышки, содержащие почти равные количества РНК^* и белка. В состав рибосом входят также некоторые ферменты, магний и небольшое количество кальция.

^*(РНК - рибонуклеиновая кислота, ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота, о которых будет сказано в дальнейшем.)

Рис. 4. Схема ультраструктуры клетки. Полости эндоплазматической сети замкнуты в цитоплазме и на поверхности клетки не открываются 1 - оболочка клетки, 2 - ядро, 3 - митохондрии, 4 - канальцы эндоплазматической сети, стенки которых усеяны рибонуклеопротеидными глыбками, 5 - отверстия в оболочке ядра, 6 - пиноцитозные пузырьки, 7 - гранулы секрета

Рибосомы особенно хорошо изучены академиком А. С. Спириным, создавшим их модель. В них сосредоточено 90% всей РНК клетки. Рибосомы содержат мелкие составные части - субъединицы, каждая из которых содержит свернутую нить РНК, как бы зацементированную внутри белком. Рибосомы играют большую роль в синтезе клеточных белков.

В цитоплазме обнаружены также особые тельца - лизосомы (от греческого слова "лизис" - расщепление), в которых сосредоточены гидролитические ферменты. В них осуществляются различные стадии внутриклеточного пищеварения.

Еще в 1955 г. бельгийский ученый де Дюв назвал лизосомы "мешками самоубийц". Пожалуй, ближе к истине было бы название "мешок убийц". В изготовлении тонкой оболочки лизосом принимает участие аппарат Гольджи, который делает ее весьма непрочной. Под влиянием различных воздействий (например, ионизирующего облучения) эта оболочка лопается и выпускает несколько ферментов, которым можно дать общее название "кислые гидролазы". Вот эти-то ферменты подозреваются в разрушении клеток, что, впрочем, нельзя считать доказанным. Большинство ученых считают, что лизосомы - составная часть пожирателей клеток - фагоцитов, открытых в свое время И. И. Мечниковым. Возможно, что ферменты лизосомы - своеобразные могильщики, убирающие останки уже погибших клеток. Эту роль они могут выполнять, например, при пользующемся печальной известностью инфаркте миокарда.

Главную массу цитоплазмы составляет матрикс - гиалоплазма, в которой нельзя различить внутреннего строения (другими словами, гиалоплазма бесструктурна). Гиалоплазма является ареной множества химических превращений: здесь расщепляются углеводы и, наоборот, строятся крупные молекулы высших жирных кислот. Эти и многие другие химические реакции переплетаются с превращениями, происходящими в митохондриях и других органоидах клетки. Гиалоплазма обладает богатым набором ферментов (о которых речь будет ниже) - биологических катализаторов, "поломка" которых лежит в основе многих ошибок живой природы.

Большую роль в процессах внутриклеточного обмена играет упомянутая выше клеточная (плазматическая) оболочка. Она трехслойна, толщина ее доходит до 100 А. Оболочка сложена из центрального бимолекулярного слоя липидов с наслоенными на них с обеих сторон молекулами белков. В целом такая оболочка нерастворима в воде.

По новейшим данным, в состав оболочки животных клеток входят еще мукополисахариды (рис. 5).

Рис. 5. Схема химической организации плазматической оболочки

Каким же образом в клетку (и из клетки) проникают одни химические соединения и не могут проникать другие? Казалось бы, просто объяснить это размерами молекул. Действительно, через оболочку не проникают очень крупные молекулы таких соединений, как крахмал, гликоген, инсулин. Но оказалось, что размер молекул далеко не всегда определяет проникновение в клетку молекул и скорость этого процесса. Клетка как бы сама выбирает, кого впустить и кого выпустить (механизм этого явления не распознан до конца). Чаще всего происходит простая диффузия: если вокруг клетки концентрация обычной поваренной соли больше, чем внутри, то соль начинает поступать в клетку, пока концентрация по обе стороны оболочки не выравняется. Но иногда концентрация натрия и хлора вокруг клетки может быть ниже, чем внутри, а клетка как своеобразный насос все же накачивает их внутрь^* (рис. 6).

^*(По мнению некоторых ученых, на том же принципе основан и "кальциевый насос", а также "натриевый насос" (последний "накачивает" в обратном направлении).)

Рис. 6. Схема транспорта ионов натрия и калия с помощью соответствующего переносчика

С несомненностью установлено, что на поступление через оболочку веществ влияет температура. Это хорошо показал профессор Г. Е. Владимиров с сотрудниками. Академик В. А. Энгельгардт и А. И. Колотилова установили, что глюкоза хорошо проникает в эритроциты человека, кролика и кошки, но не проникает в эритроциты свиньи, и этим продемонстрировали, что имеются и видовые особенности проницаемости.

В настоящее время существуют две разные теории проницаемости клетки. Согласно мембранной теории клеточная оболочка содержит ферменты, которые принимают активное участие в переносе веществ внутрь клетки, возможно, изменяя их в процессе переноса (рис. 7).

Рис. 7. Схема строения клеточной мембраны

Давайте представим себе, что снаружи клеточной оболочки находится вещество А, стремящееся попасть в клетку. Тогда содержащийся в оболочке фермент Ф образует с этим веществом сложное соединение ФА, но одновременно изменяет его так, что оно уже не первоначальное вещество А, а вещество с другими свойствами А₁. Высвободившись из комплекса и проникнув в цитоплазму, вещество А₂ будет отличаться не только от первоначального вещества А, но и от вещества А₁.

Другая теория, разработанная советскими учеными Д. Н. Насоновым, В. Я. Александровым, А. С. Трошиным и другими, допускает, что лживое вещество клетки представляет не простой раствор органических и минеральных веществ, а особого рода жидкость, отличающуюся от окружающего водного раствора. Для проницаемости важна не клеточная оболочка, а различие в растворимости веществ в протоплазме и окружающей их среда. Кроме того, имеет значение, как происходит адсорбция или химическая реакция веществ, проникающих в клетку, с ее коллоидами. Растворимость, адсорбцию и химическое взаимодействие объединяют общим термином "сорбция", поэтому и теорию эту называют сорбционной. В настоящее время обе теории начинают сближаться по ряду пунктов.

Ядро клетки обычно имеет шаровидную или яйцевидную форму, которая, впрочем, на протяжении жизни клетки может меняться. Обычно клетки содержат по одному ядру, хотя встречаются и многоядерные клетки. Ядро заключено в двойную пористую оболочку. Во внутренней полости ядра содержатся ядрышки, нити хроматина, рибосомы и хромосомы. О химическом составе ядра, играющего важнейшую роль в наследственных свойствах организма, будет сказано ниже.

Мы познакомились с одной из великого множества разнообразнейших клеток, совокупность которых составляет наше тело. Но как остроумно заметил один ученый: "Что толку давать клеткам названия - все равно они не откликаются". Почему клетки остаются "глухонемыми"? Только потому, что исследователи обращали главное внимание на их форму и внешнее строение. Однако в наше время многое изменилось. Химики сумели разгадать богатейший химический алфавит клетки, сумели открыть не только общий химический язык, на котором клетки "говорят" друг с другом, но и подметить фактическое множество оттенков этого языка, своеобразных химических диалектов, составляющих особенность любой клетки. Эти открытия были сделаны в основном на одноклеточных организмах - бактериях, от которых до нашего тела "дистанция огромного размера". Но, как мы увидим в дальнейшем, химики упорно, шаг за шагом преодолевают препятствия на этом пути, находя закономерности, общие для нашего тела и одноклеточной бактерии.

А теперь обратимся к тем веществам, которые входят в состав живого организма, и к тем химическим превращениям обмена веществ, которые являются обязательным условием жизни.