15.2 Клеточный уровень

Фундаментальные свойства живого начинают прояв­ляться с клеточного уровня. Вопрос о том, являются ли вирусы, представляющие собой доклеточные формы организации макромолекул, самостоятельными живы­ми объектами, не имеет однозначного ответа. Многие ученые считают, что вирусы — это «переходные мостики», связывающие в единое целое мир живых организмов с безжизненным органическим веществом.

Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов, обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии.

Именно клетка является тем минимальным объектом живой природы, который яв­ляется носителем жизненных функций. Удивительное разнообразие живой материи является в значительной сте­пени внешним. На самом деле в основе жизни лежат клет­ки, которые по структуре и функциям очень похожи друг на друга, хотя по размерам они могут быть самыми разны­ми, от долей микрона до нескольких сантиметров.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Рис. 4 Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами. Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка

Эукариоты  — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.

Далее мы рассмотрим только самые важные процессы в клетке, не останавливаясь на многочисленных деталях, делающих эти процессы чрезвычайно сложными. Если мы совершим воображаемую экскурсию по «тер­ритории» клетки (рис. 5), то прежде всего обратим вни­мание на то, что она огорожена «забором», который био­логи называют мембраной или клеточной стенкой. Липидные мембраны животных клеток очень тонкие — около одного нанометра — и фактически представляют собой двойной слой жира. Оболочки растительных кле­ток более прочные и состоят из целлюлозы.

Рис. 5 Строение эукариотической клетки

Однако самое интересное заключается в том, что этот «забор» дырявый! Через некоторые дырки (их называют порами) можно проходить бесконтрольно. В других мес­тах дырки оборудованы «проходными», через которые строгие «вахтеры» (трансмембранные белки) пропускают только вполне определенные частицы (электроны, прото­ны, ионы и другие химические комплексы). Тысячи пор и белковых комочков на каждом квадратном микроне мем­браны ежесекундно регулируют прохождение в обе сторо­ны огромного числа частиц.

Войдя на «территорию» клетки, мы увидим, что она представляет собой биохимический «завод» по производству новых клеток! «Конвейерами» по синтезу новых клеточных белков являются специальные «автоматы», которые называются рибосомами. Эти компоненты клет­ки плавают прямо в цитоплазме. Энергетические станции «завода» находятся в митохондриях. Есть на «заводе» склады готовой продукции и специальная служба по убор­ке «территории» — все эти функции выполняет аппарат Гольджи. Но, наверное, самое главное место в клетке, где находится «командный пункт», центр управления «заво­дом», его инженерные и конструкторские отделы и где хранится информационное обеспечение процессов, — это ядро клетки.

В самом общем виде работу клетки можно описать так называемой центральной догмой (или основным постула­том) молекулярной биологии.

Сначала в ядре формируется матрич­ная (или информационная) РНК (мРНК), которая копиру­ет генетическую информацию, заложенную в ДНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. transcriptio — «переписывание»). Достаточно длинные цепи мРНК вы­ходят из ядра в цитоплазму и встречаются с белковыми структурами — рибосомами, которые, как гайка на болт, начинают двигаться гуськом вдоль цепи мРНК. Одновре­менно к рибосомам доставляются детали белков — ами­нокислоты. Этим занимаются различные транспортные РНК (тРНК). Процесс синтеза белка в рибосомах называ­ется, трансляцией (от лат. translatio — «перенесение»).

Для будущей новой клетки недостаточно только сфор­мировать необходимые белки. Нужно передать ей и весь пакет информационной «документации»: ведь новая клет­ка снова должна будет начать производст­во клеточных структур. Поэтому в ядре происходит копи­рование (репликация) молекул ДНК. Для этого двойная спираль ДНК раскручивается, ее цепи расходятся и на ка­ждой их них формируется комплементарная (соответст­вующая) последовательность нуклеотидов. Так из одной молекулы ДНК получаются две идентичные молекулы.

Когда закончился синтез белков и произошла репли­кация всех молекул ДНК в ядре, начинается деление клет­ки, которое включает два этапа: деление ядра — митоз (от греч. mitos — «нить») и деление цитоплазмы — цитоки­нез. Это очень сложные многоступенчатые процессы, ре­зультатом которых является получение двух клеток из одной. Далее через некоторое время процесс повторяется с каждой из новых клеток. Из рассмотренного процесса деления клетки вытекает важное следствие: все новые клетки могут быть получены только от старых клеток. Никакие другие пути формиро­вания клеток сейчас невозможны.

А вот стареть и умирать клетки могут. В стареющих клетках животных накапливается специальный пигмент «изнашивания», что является следствием ухудшения с воз­растом выделения из клеток плохо растворимых веществ. Накапливаются липиды (жир), кальций и другие вещест­ва. Снижается функциональная активность клетки.

После гибели клетки меняется вязкость цитоплазмы, она разжижается или, наоборот, уплотняется, происхо­дит коагуляция протоплазмы, митохондрии распадаются на гранулы. Ядро уменьшается в объеме, фрагментируется, а затем растворяется. Однако не все клетки ожидает такая участь. В растениях, например, мертвые клетки иг­рают важную роль в образовании основной ткани, опреде­ляющей ее механическую прочность.