5.4. Клетка, ее строение и функционирование

Живая клетка является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации – важнейшей основой эволюционного развития живого мира.

Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений в биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого. Клетку можно уподобить совершенной биоэнергетической машине, в которой одни виды энергии переходят в другие с очень малыми потерями, в ней накапливается химическая энергия. Клетка – своеобразный химический завод, выпускающий сотни продуктов по безотходной технологии. Клетка – мощная информационная система, которая работает по единой программе с использованием химического принципа записи информации.

Исследования в области цитологии показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства, способны к саморегуляции, могут передавать наследственную информацию. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Например, клетки пищевода у человека отмирают через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью.

Размеры клеток колеблются от 0,001 см до 10 см.

Клетки образуют ткани (нервные, мышечные и т.д.), а несколько типов тканей – органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких то общих задач, называются системами организма.

Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой-мембраной, которая будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией, информацией. Мембрана регулирует движение частиц внутрь клетки и их выход во внешнюю среду. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками – важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток.

Метаболизм служит основой сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток называют гомеостазом. Гомеостаз, т.е. постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом.

Обмен веществ – сложный многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и вредных отходов производства.

Важнейшей органеллой клетки (органеллы – структурные элементы клеток, выполняющие определенные важные функции) является ядро – хранилище генетической информации, заключенной в хромосомах. Хромосомы состоят из ДНК и белка, они содержат гены, в которых находится информация по изготовлению необходимых клетке разнообразных белков.

Все клетки можно разделить на два класса: прокариоты (клетки, лишенные ядер) и эукариоты (клетки, содержащие ядра). Ядро эукариотов окружено ядерной мембраной. Прокариоты не имеют ограниченного мембраной ядра, его аналогом является структура, состоящая из ДНК, белков и РНК, находящихся в ядерной зоне клетки.

Прокариоты являются предшественниками эукариотов, которые появились около 3 млрд. лет тому назад. При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса клеток обладают существенными различиями в структуре и функционировании генетического аппарата, строении клеточных мембран, характере механизма синтеза белков и т.д.

Соответственно тому, из каких клеток построены живые системы, их можно разделить на две обширные группы. К первой принадлежат многочисленные виды одноклеточных организмов, состоящих из безъядерных клеток (бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы). Все остальные одноклеточные и многоклеточные организмы построены из эукариотных клеток. В последнее время были открыты архебактерии, клетки которых, с одной стороны, в чем-то сходны с прокариотами, с другой – с эукариотами.

Число хромосом постоянно для каждого вида животных и растений, у человека 46 хромосом. Хромосомы существуют парами, у человека 23 пары, в каждой паре объединены две одинаковые хромосомы. Совокупность хромосом в одном ядре называется хромосомным набором. В любом организме различают соматические и половые клетки. Соматическими называются клетки, которые входят в состав всех тканей и органов организма, их ядра содержат двойной или диплоидный набор хромосом (46 у человека). Ядра половых клеток содержат гаплоидный, или одинарный набор хромосом (у человека 23).

Важной органеллой клетки являются митохондрии, представляющие собой небольшие тельца размером от 0,2 до 7 мкм, заполненные жидкостью, содержащей ферменты окислительного или дыхательного циклов. Функции митохондрий состоят в окислении различных соединений с высвобождением энергии и накапливании ее в виде богатых энергией фосфатов, прежде всего, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Матричный синтез белка в клетках осуществляется рибосомами. Рибосомы представляют собой гранулы округлой формы диаметром до 0,02 мкм.

В районе ядра расположен аппарат Гольджи, представляющий собой комплекс полостей, окруженных мембранами, в которых накапливаются продукты синтетической деятельности клетки (белки, углеводы, жиры).

Помимо митохондрий в клетках имеются похожие на них органеллы – лизосомы, содержащие ферменты, способные за короткое время разрушать биополимеры.

В последнее время к миру живых существ стали относить вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Они обладают способностью к воспроизводству, но не в состоянии обмениваться веществом, расти, реагировать на внешние раздражители.

В настоящее время общепризнано, что нити управления внутри клеточным обменом находятся в особых структурах, расположенных, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по воспроизводству. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки и всего организма в целом.

Открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.