Клеточный уровень организации жизни

Клетки - обязательные структурные единицы всех живых организмов. Они содержат белки, нуклеиновые кислоты и ряд сравнительно простых веществ, которые отделены от окружающей среды и близлежащих клеток клеточной мембраной.

Сотни миллионов лет назад клетки образовались из более простых структур (см. табл. 1.1), вероятно, из древних белков, нуклеиновых кислот и их комплексов. До сих пор неизвестно, что послужило причиной этой стадии в эволюции материи. Впрочем, современная наука располагает методами моделирования и исследования явлений спонтанной самоорганизации в открытых термодинамических системах. Возможно, на этом направлении удастся прояснить многие вопросы, связанные с проблемой возникновения жизни.

Клетки весьма различны по своим размерам, формам, внутренней структуре и функциям. Большое разнообразие клеток существует в виде одноклеточных организмов с разными уровнями сложности. В многоклеточных организмах клетки специализированы. Так, в организме человека число типов клеток превышает двести. Электронная микрофотография типичной животной клетки представлена на рис. 1.5 [4].

Одним из основных признаком живой материи является ее самовоспроизводство. Жизнь продолжается и эволюционирует благодаря непрерывному воспроизводству организмов. Размножение одноклеточных организмов происходит благодаря клеточному делению. Многоклеточные организмы зарождаются из единственной клетки, и дальнейшее развитие организма происходит путем ряда делений, сопровождающихся последовательным изменением клеток от поколения к поколению. Процесс развития высокоспециализированных клеток называется клеточной дифференцировкой. По окончании дифференцировки клетки могут терять способность к делению и в течение всего периода их жизни осуществляют несколько определенных функций.

Информация, необходимая для получения двух клеток в процессе деления, поставляется молекулами ДНК. Кроме информации растущим, делящимся и функционирующим клеткам необходимы специфические вещества и энергия. Все они поставляются биохимическими и биофизическими процессами, протекающими в клетке, во многих случаях при участии клеточной мембраны.

Все необходимые сложные биологические полимеры могут быть синтезированы из соответствующих мономеров внутри клетки в соответствии с клеточными программами.

Мономеры для этих процессов могут быть получены как из самой клетки, так и из окружающей среды. Получение мономеров внутри клетки возможно двумя противоположными способами: биосинтезом из простых химических соединений и гидролизом биологических полимеров, захваченных организмом. В обоих случаях необходимый материал должен быть перенесен из окружающей среды, а соответствующие превращения должны совершиться внутри клетки. Все это должно сопровождаться удалением из клетки побочных продуктов реакций.

Рис. 1.5. Электронная микрофотография тонкого среза типичной животной клетки – гепатоцита

Совокупность соответствующих наследственных программ и ряда биохимических процессов называется метаболизмом. Важнейшая задача метаболизма - обеспечение биохимических реакций энергией.

Все клетки бывают двух основных типов: эукариотические и прокариотические. Особенность эукариотов заключается в наличии ядра, которое содержит преобладающую часть ДНК и, следовательно, наследственную информацию. Ядро отделено от внутреннего содержания клетки — цитоплазмы — ядерной мембраной. Кроме ДНК ядро содержит ряд белков, а именно тех, которые участвуют в репликации и транскрипции, а также необходимы для деления клеток. В ядре эукариотических клеток ДНК существует в форме специальных органелл — хромосом.

В более примитивных прокариотических клетках содержится одна гигантская молекула двуспиральной ДНК, состоящая из нескольких миллионов нуклеотидов. Прокариотические клетки обладают относительно маленькими размерами, порядка 1 мкм, а самые маленькие из них — микоплазмы — имеют размер около 0,3 мкм. Все прокариотические клетки могут функционировать независимо и рассматриваются как одноклеточные живые организмы. К этой группе относят микоплазмы, бактерии и синезеленые водоросли.

Эукариотические клетки существенно крупнее, и обычно их линейные размеры колеблются в пределах 10 - 30 мкм.

Нейроны, которые проводят сигналы от мозга к различным точкам, могут быть длиной до нескольких метров. Внутреннее устройство эукариотической клетки несравнимо сложнее, чем у прокариотов. Они способны образовывать многоклеточные организмы с разнообразной специализацией клеток различных типов.

Ядерная ДНК эукариотической клетки существует в виде комплекса с большим набором белков, называемого хроматином. Обычно ядро содержит несколько огромных двуспиральных молекул ДНК, каждая из которых состоит из нескольких сотен миллионов нуклеотидов. На стадиях, предшествующих клеточному делению, хроматин конденсируется и в световой микроскоп можно наблюдать характерные структуры, называемые хромосомами; они были обнаружены задолго до того, как стало известно, что ДНК является важнейшим переносчиком наследственной информации.

Митоз – деление клеток - включает в себя как обязательную стадию удвоение хромосом. Число хромосом является определенным для каждого вида. Например, диплоидные клетки дрожжей содержат 4 пары хромосом, диплоидные человеческие клетки — 23 пары хромосом с общим числом остатков нуклеотидов 1,2 1010. Все стадии клеточного цикла изучались с помощью оптической микроскопии.

Кроме ядра в цитоплазме существует ряд других органелл, окруженных своими собственными мембранами. Например, ряд стадий окисления органических соединений протекает в митохондриях, окруженных двумя фосфолипидными мембранами.

Внутренняя жесткость крупных клеток обеспечивается цитоскелетом, образованным специальными белковыми трубочками и волокнами. Сокращение этих волокон играет важную роль как во внешних движениях клеток, так и различных перемещениях внутри них.

Все описанные особенности строения и эволюции клеток традиционно исследуются при помощи многочисленных разновидностей оптической микроскопии (рис. 1.6). Правда, оптический микроскоп имеет дифракционный предел разрешения, что не позволяет рассмотреть в деталях многие органеллы клетки. Кроме того, цвет и оптическая плотность структурных элементов клетки весьма близки, так что для их визуализации приходится применять специальное окрашивание, что, естественно, нарушает нормальное функционирование клетки и используется в специальных случаях (гистологический анализ).

С изобретением электронного микроскопа началась целая эпоха в клеточной биологии, так как разрешение электронного микроскопа несравненно выше, чем у оптического, что позволило исследовать очень мелкие клеточные органеллы и самые маленькие известные микроорганизмы – вирусы. Однако принципиальной особенностью электронной микроскопии является невозможность наблюдать биологические объекты в нативном состоянии. Отметим еще недавно изобретенную растровую туннельную микроскопию атомного разрешения, которая пока только осваивается биологами, и по всей видимости, займет свое достойное место в ряду методов исследований клетки.

Как отмечалось, одна из основных функций клеточной мембраны состоит в поддержании селективного транспорта между цитоплазмой и внешней средой. Особенности функционирования клеточных мембран исследуются при помощи микроэлектродных методов.

Они применяются для определения ионных потоков в различных типах клеток, величины трансмембранного потенциала и внутриклеточных концентраций ионов.

Рис.

Микроэлектроды используют при изучении таких процессов, как возбуждение нервных и мышечных клеток, хемо- и фоторецепция, преобразование световой энергии в хлоропластах, движения в растениях и простейших. Изучение электрических свойств мембран отдельных клеток дает информацию о механизмах действия фармакологических препаратов и природных физиологически активных веществ, об особеннстях эмбриогенеза, развития клетки, запуске фотосинтеза. Отметим еще огромное множество методов исследования, основанных на изучении реакции клетки на различные искусственные воздействия.