Строение живой клетки

Клетка является основной структурной и функ­циональной единицей живых организмов, осущест­вляющей рост, развитие, обмен веществ и энергии, хранящей, перерабатывающей и реализующей генети­ческую информацию. Клетка представляет собой слож­ную систему биополимеров, отделенную от внешней среды плазматической мембраной (цитолеммой, плаз-малеммой) и состоящую из ядра и цитоплазмы, в ко­торой располагаются органеллы и включения.

Строение клетки подобно другим организмам, тело человека имеет клеточное строение. Клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем им механическую прочность, питание и дыхание.

Клетки разнообразны по размерам, форме и функциям, но все они имеют некоторые общие черты строения. Основные части любой клетки - цитоплазма и ядро.

Размеры клеток человека варьируют от нескольких микрометров (например, малые лимфоциты - около 7) до 200 мкм (яйцеклетка).

Основными функциональными структурами клет­ки являются ее поверхностный комплекс, цитоплазма и ядро.

Поверхностный комплекс включает в себя гликока-ликс, плазматическую мембрану (плазмалемму) и кор­тикальный слой цитоплазмы. Нетрудно видеть, что рез­кого отграничения поверхностного комплекса от цито­плазмы нет.

В цитоплазме выделяют гиалоплазму {матрикс, цитозолъ), органеллы и включения.

Основными структурными компонентами ядра явля­ются кариолемма (кариотека), нуклеоплазма и хромосо­мы; петли некоторых хромосом могут переплетаться, и в этой области образуется ядрышко.

Ядро клетки и его структура. У большинства клеток форма ядра шаровидна или овоидна, однако встречаются ядра и дру­гой формы (кольцевидные, палочковидные, веретеновид-ные, бобовидные, сегментированные и др.). Размеры ядер колеблются в широких пределах - от 3 до 25 мкм. Наибо­лее крупным ядром обладает яйцеклетка. Большинство клеток человека имеет одно ядро, однако имеются двух-ядерные (например, клетки пече­ни). Двух-, а иногда и многоядерность бывает связана с полиплоидией (греч. ро1ур1ооз - мно­гократный, еМоз - вид). Полиплоидия - это увеличе­ние числа хромосомных наборов в ядрах клеток.

Через поровые комплексы осуществляется изби­рательный транспорт молекул и частиц из ядра в ци­топлазму и обратно. Поры могут занимать до 25% поверхности ядра. Количество пор у одного ядра дос­тигает 3000 - 4000, а их плотность составляет около 11 на 1 мкм2 ядерной оболочки. Из ядра в цитоплазму транспортируются в основном разные виды РНК. Из ци­топлазмы в ядро поступают все ферменты, необходимые для синтеза РНК, для регуляции интенсивности этих синтезов. В некоторых клетках молекулы гормонов, ко­торые тоже регулируют активность синтезов РНК, по­ступают из цитоплазмы в ядро.

Хромосомы и ядрышки. В хромосоме молекула ДНК упакована компактно. Так, информация, заложенная в последовательности 1 млн. нуклеотидов при линей­ном расположении, заняла бы отрезок длиной 0,34 мм. В результате компактизации она занимает объем 10'15 см3. Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, длина всех хромосом около 170 см, а их масса 6 х 10~12 г. Каждая хромосома образована одной длин­ной молекулой ДНП. Они представляют собой удли­ненные палочковидные структуры, имеющие два плеча, разделенные центромерой. В зависимости от ее распо­ложения и взаимного расположения плеч выделяют три типа хромосом: метацентрические, имеющие пример­но одинаковые плечи; акроцентрические, имеющие одно очень короткое и одно длинное плечо; субметацентрические, у которых одно длинное и одно более короткое плечо. Некоторые акроцентрические хромосомы име­ют спутников (сателлитов) - мелкие участки короткого плеча, соединенные с ним тонким неокрашивающимся фрагментом (вторичная перетяжка). В хромосоме име­ются эу- и гетерохроматиновые участки. Последние в неделящемся ядре (вне митоза) остаются компактны­ми. Чередование эу- и гетерохроматиновых участков используют для идентификации хромосом.

Итак, хромосомы представляют собой двойные цепи ДНК, окруженные сложной системой белков. С одними участками ДНК связаны гистоны. Они могут прикрывать их или освобождать. В первом случае дан­ная область хромосомы не способна синтезировать РНК, во втором же синтез происходит. Это - один из спосо­бов регуляции функциональной активности клетки путем дерепрессии и репрессии генов. Существуют и иные способы такого управления.

Нормальный кариотип (набор хромосом) (греч. - ядро ореха, -образец) человека включа­ет 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом (либо XX у женщин, или же ХУ у мужчин).

Эти тельца имеются и в интер­фазных ядрах других со­матических клеток особей женского пола. Они были названы тельцами полово­го хроматина (тельцами Барра). У человека они имеют диаметр около 1 мкм и лучше всего идентифи­цируются в нейтрофильных сегментоядерных лейко­цитах, где выглядят в виде «барабанной палочки», связанной с ядром. Различимы они хорошо и в эпите-лиоцитах слизистой оболочки щеки, взятых путем со-скоба. Тельца Барра представляют собой одну инактивированную конденсированную Х-хромосому.

Цитоплазма и ее структура. Основными структурами цитоплазмы являются гиалоплазма (матрикс), органеллы и включения.

В физико-химическом отношении гиалоплазма (греч. пуа1оз - стекло) представляет собой коллоид, состо­ящий из__воды, ионов и многих молекул органических веществ. В гиалоплазме про­текает ряд важнейших биохимических реакций, в частности осуществляется гликолиз - филогенетичес­ки наиболее древний процесс выделения энергии (греч. ^1укуз - сладкий и 1уз1з - распад

В гиалоплазме взвешены органеллы и вклю­чения.

Органеллами называют элементы цитоплазмы, структурированные на ультрамикроскопическом уровне и выполняющие конкретные функции клетки; органеллы участвуют в осуществлении тех функций клетки, которые необходимы для поддержания ее жиз­недеятельности. Сюда относятся обеспечение ее энер­гетического обмена, синтетических процессов, обеспе­чение транспорта веществ и т. п.

Органеллы, присущие всем клеткам, называют органеллами общего назначения, присущие же неко­торым специализированным видам клеток - специаль­ными. В зависимости от того, включает структура орга­неллы биологическую мембрану или нет, различают органеллы мембранные и немембранны.

Клеточный центр. Клеточный центр образован двумя цен-триолями (диплосома) и центросферой. Свое назва­ние органелла получила благодаря тому, что она обыч­но находится в глубоких отделах цитоплазмы, нередко вблизи ядра или около формирующейся поверхнос­ти комплекса Гольджи. Обе центриоли диплосомы расположены под углом друг к другу. Основная функ­ция клеточного центра - сборка микротрубочек.

Каждая центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого, в свою очередь, состоит из девяти ком­плексов микротрубочек длиной около 0,5 мкм и диа­метром около 0,25 мкм.

Центриоли являются саморегулирующимися струк­турами, которые удваиваются в клеточном цикле. Центриоли участвуют в об­разовании базальных телец ресничек и жгутиков и в образовании митотического веретена

Рибосомы и мембранные органелы. Рибосомы представляют собой тельца разме­рами 20x30 нм. Рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. Каждая субъединица представляет собой комплекс рибосомной РНК (рРНК) с белками.

Основная функция рибосом - сборка белковых мо­лекул из аминокислот, доставляемых к ним транспорт­ными РНК (тРНК).

Рибосомы могут находиться в гиалоплазме поодиноч­ке либо группами в виде розеток, спиралей, завитков. Та­кие группы называют полирибосомами (полисомами). Та­ким образом, молекула мРНК может протягиваться по поверхности не только одной, но и нескольких рядом ле­жащих рибосом. Значительная часть рибосом прикрепле­на к мембранам: к поверхности эндоплазматическои сети и к наружной мембране кариотеки. Свободные рибосомы синтезируют белок, необходимый для жизнедеятельнос­ти самой клетки, прикрепленные - белок, подлежащий выведению из клетки.

Количество рибосом в клетке может достигать де­сятков миллионов.

Каждая мембранная органелла представляет струк­туру цитоплазмы, ограниченную мембраной. Вследствие этого внутри нее образуется пространство, отграничен­ное от гиалоплазмы. Цитоплазма оказывается таким об­разом разделенной на отдельные отсеки со своими свойст­вами - компартменты (англ. сотрагЪтепЪ - отделение, купе, отсек). Наличие компартментов - одна из важ­ных особенностей эукариотических клеток.

К мембранным органеллам относятся митохондрии, эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы.

Митохондрии. Митохондрии участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют энергию, которая при этом ос­вобождается, в форму, доступную для использования другими структурами клетки. Поэтому за ними закре­пилось образное название «энер­гетических станций клетки».

Исследование последовательности компонентов ДНК в митохондриях помогает выявлять генеалогичес­кие связи по женской линии. Это бывает существенным для идентификации личности. В древ­них монгольских сказаниях утверждалось, что три вет­ви этого народа произошли от трех матерей; исследова­ния митохондриальных ДНК действительно подтверди­ли, что у представителей каждой ветви они обладают такими особыми чертами, которых нет у других.

В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых, удлиненных или палочковидных струк­тур длиной 0,3 - 5 и шириной 0,2 - 1 мкм. Каждая ми­тохондрия образована двумя мембранами - внешней и внутренней

Между ними расположено межмембранное про­странство шириной 10 - 20 нм.

Комплекс Гольджи и лизосомы. Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи, внутрикле­точный сетчатый аппарат, КГ) представляет собой со­вокупность цистерн, пузырьков, пластинок, трубочек, мешочков. В световом микроскопе он выглядит в виде сеточки, реально же представляет собой систему цис­терн, канальцев и вакуолей.

Чаще всего в КГ выявляются три мембранных эле­мента: уплощенные мешочки (цистерны), пузырьки и вакуоли. Основные элементы комплекса Гольджи - диктиосомы {грел, йусйоп - сеть). Число их колеб­лется в разных клетках от одной до нескольких сотен.

Комплекс Гольджи явля­ется основной структурой вакуома, разделяет его на эндоплазматический и экзоплазматический домены и в то же время объединяет их функционально.

Во всех случаях вблизи комплекса Гольджи кон­центрируются митохондрии. Это связано с происходя­щими в нем энергозависимыми реакциями.

Лизосома. Каждая лизосома представляет собой мем­бранный пузырек диаметром 0,4 - 0,5 мкм. В нем содержится около 50 видов различных гидролитических ферментов в де­зактивированном состоянии (протеазы, липазы, фосфо-липазы, нуклеазы, гликозидазы, фосфатазы, в том числе кислая фосфатаза; последняя является маркером лизосом). Молекулы этих ферментов, как всегда, син­тезируются на рибосомах гранулярной ЭПС, откуда переносятся транспортными пузырьками в КГ, где модифицируются. От зрелой поверхности цистерн КГ отпочковываются первичные лизосомы.

Повреждение или нарушение проницаемости лизосомной мембраны при­водит к активации ферментов и тяжелым повреждени­ям клетки вплоть до ее гибели.

Функция лизосом — внутриклеточный лизис («переваривание») высокомолекулярных соединений и частиц.