Клетка

Клетка - это живая (саморегулируемая, самообновляемая и самоуправляемая) система, состоящая из цитоплазмы и ядра и являющаяся основой строения, развития и жизнедеятельности всех животных и растительных организмов (растений, животных, человека). Основными процессами в клетке являются: обмен веществ, обмен энергии и обмен информации (запоминание и передача новым поколениям того, что есть в клетке). Микроскопическая по величине клетка представляет собой гигантскую лабораторию со специфическими образованиями. В ней с необыкновенной скоростью осуществляются сотни и тысячи химических реакций, управляемые сотнями и тысячами ферментов.

Величина клеток в организме человека колеблется от 5-7 до 200 микрон. Наиболее крупными являются яйцеклетки (женская половая клетка) и нервные клетки, а самыми мелкими - клетки крови - лимфоциты. Наука о развитии, строении и функции клеток называется цитологией (греч. cytos - клетка, logos - наука).

Изучение строения клеток, как и всех образований, величина которых лежит за пределами восприятия органами зрения, осуществляется с помощью приборов - микроскопов (microc - малый, scopeo - смотрю), увеличивающих рассматриваемые объекты. При этом используются специально изготовленные микроскопические препараты, где для разграничения отдельных образований применяют различные красители. Методов изучения микроскопических препаратор очень много. Основными из них являются:

световая микроскопия - рассмотрение препарата под обычным световым микроскопом, который дает увеличение в 5000 раз;

электронная микроскопия - применение специального электронного микроскопа с очень короткими лучами, который дает увеличение в 100 000 - 200 000 раз. Электронная микроскопия позволила не только уточнить строение видимых под световым микроскопом структур, но и выявить ряд новых образований на микромолекулярном уровне;

люминесцентная микроскопия, основанная на различном свечении составляющих клетку элементов под воздействием ультрафиолетовых лучей;

метод радиоавтографии, с помощью которого, применяя радиоактивные элементы (фосфор, углерод, серу и др.), можно изучать биохимические процессы в клетке и ее компонентах;

гистохимические методы, позволяющие определить не только химические вещества в структурах клетки, но и их количество.

Есть и другие методы исследования клетки. Однако наиболее перспективным, как и во всякой другой науке, является комплексный метод - исследование клетки и внутриклеточных образований специалистами различных профилей (цитоморфологами, цитохимиками, физиками и др.) с применением различных методик.

Форма клеток, как и их величина, очень разнообразна. Клетки могут быть шаровидной формы, призматической, звездчатой и др. Форма клеток определяется той функцией, которую они выполняют в организме, и условиями их жизнедеятельности. Свободная клетка (клетка крови) имеет более или менее округлую форму; клетки, которым свойственна функция проведения импульсов, имеют неправильную звездчатую форму с отростками; клетки, обеспечивающие движение отдельных частей тела человека или органов, вытянуты в длину. Несмотря на различия в величине, в форме, в специализации к определенной функции, для всех клеток характерен общий принцип организации, общий план строения. Основными частями клетки являются цитоплазма и ядро (рис. 1).

Рис. 1.Строение клетки (по данным электронной микроскопии): А - ядро, Б - цитоплазма, В - цитолемма: 1 - ядерная оболочка; 2 - отверстия ядерной оболочки; 3 - ядрышко; 4 - кариоплазма; 5 - митохондрии; 6 - рибосомы; 7 - цитоплазматическая сеть; 8 - пластинчатый аппарат; 9 - вакуоль; 10 - клеточный центр; 11 - лизосомы

Цитоплазма. Цитоплазма является содержимым клетки и составляет от 1 до 99% ее веса. Цитоплазма - это место действия многочисленнейших химических реакций, арена жизнедеятельности, жизнеобеспечения клетки. Цитоплазма клетки неоднородна. В ней различают клеточную оболочку - цитоплазматическую мембрану - органеллы (органоиды), включения и гиалоплазму.

Цитоплазматическая мембрана покрывает все клетки, отделяя их от внешней среды. Она регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой, обеспечивает постоянство внутренней среды клетки. Она как бы таможня клетки: не допускает проникновения в клетку ненужных в данный момент веществ и открывает широкий доступ для тех, в которых клетка нуждается. Под электронным микроскопом установлено, что клеточная оболочка имеет трехслойное строение. Наружный слой состоит из белков и мукополисахаридов, средний - из жироподобных веществ (липидов), которые являются хорошими растворителями, внутренний, как и наружный, - из белков. Такое строение оболочки характерно не только для всех клеток, но и для ряда внутриклеточных образований. Цитоплазматическая мембрана поэтому является универсальной биологической структурой клетки.

Для увеличения поверхности соприкосновения с внешней средой, для усиления процессов обмена на цитоплазматической мембране могут быть складки, выросты, микроворсипки.

Органеллы, или органоиды (органоподобные образования), - это постоянные образования в клетке, каждое из которых имеет определенное строение и выполняет специфическую функцию. Различают органоиды общего значения и органоиды специальные.

К органоидам общего значения относятся: цитоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, сетчатый аппарат (пластинчатый комплекс Гольджи), клеточный центр - центрозома.

Цитоплазматическая сеть - это система внутренних трубочек, цистерн, ограниченных мембранами, которые, анастомозируя между собой, образуют сложную трехмерную сеть, пространство между петлями которой заполнено однородным веществом. Каждому виду клеток свойственна определенная архитектура данной сети. В клетках с повышенной активностью (железистых) она выражена лучше. Различают два вида сети: гладкую и шероховатую, когда на наружной поверхности мембраны имеется большое количество зерен - рибосом. Цитоплазматическая сеть - это циркуляторная система клетки, обеспечивающая транспорт веществ из окружающей среды, а также внутри клетки, между ее образованиями. Она участвует в синтезе белка, ферментов, гликогена, жироподобных веществ. Причем гладкая (цитоплазматическая) сеть, хорошо развитая, например в печени, семенниках, участвует преимущественно в синтезе углеводов и липидов, а шероховатая (зернистая) - в синтезе белка.

Рибосомы - самые маленькие по величине органоиды клетки, имеющие обычно форму зерен. Они могут располагаться на наружной стенке цитоплазматической сети, на оболочке ядра и свободно, в виде отдельных скоплений. В рибосомах совершается великое таинство природы - синтез белка, поэтому их можно назвать фабриками белка. Причем в каждой клетке синтезируется свой белок (например, в мышечном волокне - мышечные белки). Их способность к синтезу белка очень велика. За час они синтезируют белка больше, чем весят сами.

Митохондрии под световым микроскопом имеют вид палочек, зерен, нитей. Они имеются во всех клетках, за исключением эритроцитов. Митохондрии - источники энергетических веществ в клетке, ее энергетическая система - силовая станция.

Лизосомы - пузырьки, заполненные ферментами и окруженные мембраной типичного строения. Они осуществляют процесс внутриклеточного пищеварения, переваривают разрушающиеся части клетки, инородные частицы, попавшие в нее, и др. Их особенно много в клетках, принимающих участие в фагоцитозе (лейкоцитах, клетках печени и др.).

Сетчатый аппарат (пластинчатый комплекс) состоит из канальцев, цистерн, лежащих обычно пачками, пузырьков, вакуолей. Форма и величина его крайне разнообразны, но находится он, как правило, вблизи ядра или вокруг клеточного центра. Он был открыт Гольджи в 1898 г. под световым микроскопом. Это прообраз органов выделения. Его считают последним, "упаковочным", цехом всех веществ, которые вырабатываются в клетке, в том числе и секретов, выделяемых клеткой.

Центросома - клеточный центр - представлена двумя центриолями - цилиндрической формы образованиями, окруженными светлой зоной цитоплазмы - центросферой. Она участвует в делении клетки, обеспечивая ориентацию хромосом (их расположение и движение).

Специальные органоиды, или специализированные структуры. Их наличие зависит от функции клеток. Различают нейрофибриллы - волокна, проводящие нервный импульс; миофибриллы - обеспечивающие сокращения мышц; тонофибриллы - выполняющие опорную функцию, и др.

Включения. Это непостоянные образования в цитоплазме клетки - капли жира, зернышки белка, гликогена, продукты секрета и пр.

Гиалоплазма. Под гиалоплазмой подразумевают цитоплазму клетки, лишенную ее органоидов и включений. Значение гиалоплазмы состоит в том, что она объединяет все образования клетки в единое целое.

Ядро (nucleus, caryon). Это вторая основная часть клетки. По количеству ядер клетки бывают одноядерные, двуядерные и многоядерные. Форма и величина ядра не только в разных клетках, но и в одной клетке, в зависимости от ее состояния, сильно изменчивы. По форме ядра бывают округлые, овальные, палочковидные, сегментированные (разделенные на кусочки). Величина ядра колеблется от 4 до 40 микрон. Ядро состоит из ядерной оболочки, ядрышка, кариоплазмы - ядерного сока и хроматиновых образований.

Ядерная оболочка построена по типу обычной мембраны. Особенностью оболочки ядра является то, что она имеет поры (на 1 квадратном микроне 25-100 пор). На наружной поверхности оболочки и в области пор могут располагаться рибосомы. Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы и обеспечивает обмен веществ между ними.

Ядрышко состоит из нитчатых структур, собранных в сеть. В клетке может быть одно или несколько ядрышек. По консистенции ядрышко более плотное, чем ядро. Оно участвует в клеточном обмене. Существует мнение об образовании в ядрышке рибосом.

Кариоплазма (ядерный сок) также представляет собой нитчатое образование, хотя под световым микроскопом имеет вид бесструктурной массы. Она содержит все основные-химические вещества и ферменты. Здесь, по-видимому, происходит синтез белка и других высокополимерных соединений. Кариоплазма обеспечивает взаимодействие всех структур ядра.

Хроматиновые образования - это усиленно окрашивающиеся структуры, из которых в делящемся ядре образуются хромосомы. Последние построены очень сложно, обладают способностью к удвоению и передаче генетической (наследственной) информации от одного поколения клетки к другому. Хромосомы имеют вид изогнутых палочек. Количество их постоянно для каждого вида животных. Причем во всех клетках многоклеточных организмов, за исключением половых, они парные (диплоидный набор). В половых же клетках одинарный набор хромосом, поэтому после слияния (во время оплодотворения) это постоянство не нарушается. У человека в клетках тела 46 хромосом (23 пары), а в половых клетках (мужской и женской) по 23 хромосомы (после оплодотворения их вновь становится 46).

В процессе жизнедеятельности клетки в ней непрерывно происходит самообновление составляющих ее образований. Одним из основных жизненных свойств клеток является способность их к размножению. В процессе эволюции эта способность приводит к усовершенствованию клеток, а в многоклеточном организме обеспечивает рост и развитие организма.

Размножение клеток осуществляется их делением. Различают два вида деления клеток: простое деление - амитоз и сложное, кариокинетическое, деление - митоз. Простое деление наблюдается в отдельных тканях при специфических условиях: при механическом повреждении мышечной ткани, в сухожилиях, в клетках мочевого пузыря. В этих случаях клетка делится на две дочерние без специфических изменений в ядре. Считают, что амитоз усиливает активность клеток в делении, утративших ее при высокой специализации.

Митоз - наиболее распространенный способ деления клеток (рис. 2). Основная сущность его состоит в том, что наследственные признаки распределяются в дочерние клетки равномерно, в одинаковом количестве. В этом процессе выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Фаза, предшествующая им, в течение которой усиливаются все обменные процессы в клетке, называется интерфазой.

Рис. 2. Митоз (кариокинетическое деление клеток): 1,2 - профаза; 3, 4 - метафаза: 5,6 - анафаза; 7, 8 - телофаза

Профаза. В ней происходит набухание хроматина, образование хромосом, расхождение центриолей к противоположным концам клетки, исчезновение ядрышка и ядерной оболочки.

Метафаза. Между центриолями возникают тонкие нити, совокупность которых называется веретеном. Они являются как бы ориентирами для хромосом, которые в этой фазе группируются по экватору веретена, причем одна половина хромосомы связана с нитями одного полюса веретена, а другая - другого.

Анафаза. Во время этой фазы происходит расхождение удвоенных хромосом к полюсам клетки, к центриолям. Нити, укорачиваясь, как бы притягивают к ним хромосомы. При этом наследственные свойства, связанные с хромосомами, распределяются между возникшими клетками поровну. Центриоли вновь делятся на две части.

Телофаза. Она завершает деление клетки. Хромосы собираются в клубок, появляются ядрышко, ядерная оболочка. Веретено деления исчезает. Происходит равномерное распределение в новые клетки всех цитоплазматических образований, наступает "перешнуровка" цитоплазмы и формирование двух клеток.

Весь процесс подготовки и деления клетки называют митотическим циклом, продолжительность которого для разных клеток различна (от 1-2 до 3-5 часов).

Кроме клеток в организме человека есть межклеточное вещество, находящееся между клетками. Оно является продуктом жизнедеятельности клеток, и его строение определяется их функциональными особенностями (так, в крови оно жидкое, а в кости очень плотное). У высших животных межклеточное вещество составляет от 40 до 80% объема их тела.