Строение клетки: подробное и доходчивое объяснение

Знаете ли вы, что живая клетка представляет собой завод? Да, да, завод, имеющий производственные цехи, главного диспетчера, конвейерные линии, энергетические цехи. Более того, это настоящий завод заводов, выпускающий оборудование для других заводов. Клетка же, пожалуй, еще более совершенное предприятие: она воспроизводит самое себя, выпуская в «свет», так сказать, уже готовый завод — новую клетку с расставленным по местам, отрегулированным и действующим на полную мощность оборудованием.

Познакомиться с современным заводом, организацией производства на нем можно, войдя на его территорию, осмотрев цехи и готовую продукцию. Познакомиться с заводом-клеткой много сложнее, так как «войти» на ее территорию и просто осмотреть все невозможно. Между тем знать устройство клетки совершенно необходимо. Как атомы — это «кирпичики», из которых построены все вещества, так клетка — своего рода «атом» живой природы. Чтобы узнать тайны материи, необходимо изучить атом и атомное ядро. Чтобы узнать тайны жизни — следует изучить клетку и клеточное ядро. Но природа «засекретила» свои тайны, и прежде чем удалось подобрать ключи к ним и пройти на территорию завода-клетки ученым пришлось немало поработать.

Изучение клетки

Вначале клетку рассматривали в микроскоп. Но это все равно, что изучать завод, глядя на него с самолета. Много не узнаешь! Можно, к примеру, определить размер завода, взаимное расположение зданий в нем. И ученые действительно выяснили таким способом, что размеры клеток сильно колеблются — могут иметь в поперечнике от 10 до 100 микрон. Существуют и клетки-гиганты, достигающие нескольких сантиметров. Форма их также может быть разнообразной — звездчатой, круглой, нитевидной.

Как планировка завода зависит от его назначения, так и устройство клетки в известной мере зависит от ее происхождения. Растительная клетка, например, отличается от животной, а микробная — от них обеих. Клетка нервной ткани иная, чем мышечной, и т. д.

Чтобы получить побольше сведений о клетке, ее начали красить. Оказалось, что отдельные части клеток в зависимости от их химического состава окрашиваются по-разному. Вот по окраске и начали различать, где какая составная часть клетки находится. Но беда заключалась в том, что если, продолжая нашу аналогию с заводом, крыши заводских зданий можно покрасить в разные цвета, не нарушая работы завода, то живую клетку перед подкрашиванием приходилось убивать. И тогда, словно надпись, сделанная симпатическими чернилами, выступал внутренний «скелет» клетки. Однако никто не мог сказать, насколько схоже строение клеточного трупа с устройством живой клетки. Все же эти исследования показали, что клетка имеет оболочку, киселеподобное содержимое, называемое цитоплазмой, и внутреннюю уплотненную часть — ядро. Во многих клетках по нескольку ядер, а в некоторых, вероятно, совсем нет ядра. Во всяком случае, ученые до сих пор спорят, существует ли ядро, скажем, в бактериях.

Были описаны сотни различных видов клеток, но о том, как работают «колесики» и «винтики», составляющие клеточный «механизм», можно было только строить предположения. Чтобы понять внутреннее устройство клетки, лучше всего было бы «разобрать» ее — подобно тому, как поступают, если надо выяснить устройство и принцип работы любого механизма.

Необходимость разбора клетки стала понятна давно. Но как расчленить на части это нежное, меняющееся на глазах «устройство», не повредив его? Если посмотреть в микроскоп под большим увеличением на живую клетку, то можно видеть, что ее цитоплазма находится в непрерывном быстром движении: то в одном, то в другом месте возникают и исчезают какие-то водовороты, вихри. Клетка питается, дышит, делится. И вот эту необычайно подвижную, хрупкую систему, устроенную во много раз сложнее, чем любой мотор, надо было осторожно разделить на составные части, исследовать из чего они состоят, что делают, как устроены…

Для расщепления атомного ядра физики, как известно, пользуются элементарными частицами, которые они разгоняют до огромных скоростей в специальных ускорителях. Бомбардируя ядро, эти частицы разбивают его на части. Биологи, как ясно из предыдущего (смотрите прошлую статью), не могли пойти подобным путем. Они начали искать и нашли свои способы разрушения клетки. В настоящее время это делается следующим образом: ткань (печеночную, мышечную и др.) измельчают так, чтобы в жидкости плавали отдельные клетки. Затем эту взвесь помещают в толстостенный стакан из шероховатого стекла. В него вставляют стеклянный же пестик, плотно прилегающий к стенкам. Пестик вращают с помощью моторчика со скоростью 2—3 тысяч оборотов в минуту. Клетка попадает между пестиком и стенками стакана и разрушается, но содержимое каждой ее части при этом остается нетронутым.

Теперь надо выделить эти части. Еще раньше было замечено, что разные части клетки имеют различный удельный вес, а значит и с разной скоростью двигаются при вращении: те, удельный вес которых больше, будут быстрее перемещаться к периферии центрифуги.

Если центробежная сила, которую развивает центрифуга, раз в 900 превышает силу земного притяжения, то на дно оседают клеточные ядра и куски клеточной оболочки. Если центрифуга вращается еще быстрее, и центробежная сила становится в 7 000 раз больше силы тяжести, то осядут более мелкие частицы, называемые митохондриями. Их размер — 0,5—2 микрона, и они невидимы простым глазом. Если же центрифуга будет вращаться с бешеной скоростью, и центробежная сила в ней примерно в 100 000 раз превысит силу земного притяжения, то выделятся мельчайшие частицы — микросомы, величиной в 50—200 миллимикрон. Они видимы только в электронный микроскоп. После этого остается жидкость, уже не содержащая никаких частиц.

Под влиянием такого ускорения каждая частичка в центрифуге и «весить» должна в сто тысяч раз больше, чем в обычных условиях на Земле. Если бы человека весом в 70 килограммов можно было поместить на такую центрифугу, то он стал бы «весить» 7 000 тонн. Однако клеточные частички из-за трения благополучно, как с парашютом, опускаются на дно центрифужного стакана.

На этом ученые не остановились. Разобрав клетку, они разрезали отдельные ее части на «ломтики» толщиной уже всего в 100 ангстрем (ангстрем – стомиллионная доля сантиметра) и под электронным микроскопом изучили их внутреннюю структуру. В результате, мы уже располагаем данными, позволяющими довольно подробно характеризовать клетку и ее составные части.

Состав клетки

Не следует думать, что частицы, находящиеся в цитоплазме, плавают в ней наподобие порошинок в воде. Сама цитоплазма представляет собой что-то вроде довольно густого киселя или полужидкого желе. В этом «киселе» есть более и менее плотные участки, причем в зависимости от состояния клетки густота клеточного «желе» в тех или иных местах меняется, и иногда настолько сильно, что отдельные участки становятся похожи на застывший холодец. В цитоплазме, кроме того, можно увидеть плотные нитеподобные образования, к которым микросомы прикреплены, как цветы вербы к ветке.

Для поддержания жизненных процессов, происходящих в клетке, необходима энергия. Эту энергию клетка получает во время дыхания. И вот оказывается, что дыхательными «органами» клетки являются митохондрии. Это нечто вроде аккумуляторов, накапливающих энергию. «Запасы» энергии производятся путем синтеза различных богатых энергией химических веществ. Эта энергия обеспечивает непрерывный ход всевозможных химических реакций, необходимых для существования клетки. Энергетические реакции вызывает и поддерживает целый набор последовательно, как по конвейеру действующих ферментов.

Однако этим роль митохондрии не исчерпывается. Они синтезируют также необходимые для жизни клетки вещества, в том числе белки и жиры. Весь «ассортимент» производимых в митохондриях веществ ученым еще даже не известен. Таким образом, продолжая нашу аналогию, можно сказать, что в энергетическом корпусе существуют еще и фабрики — заготовочные, производящие вещества, необходимые для работы всего завода.

Не следует думать, что если мы говорим об энергетическом цехе клетки, то он имеется только в единственном числе, и что существует всего одна митохондрия. Таких цехов в клетке, в противоположность заводу, много. В каждой клетке печени, например, насчитывается около 2500 митохондрий, и в каждой из них — от 5 до 10 тысяч «конвейерных линий».

Поскольку в митохондрии одновременно протекают десятки тысяч химических реакций, естественно и строение этих крохотных частиц оказывается достаточно сложным. Митохондрии обычно каплеобразной формы, которая, однако, меняется в зависимости от состояния клетки. Они окружены оболочкой толщиной в 150—200 ангстрем, которая состоит из двух слоев белка и заключенного между ними двойного же слоя жиро- подобных веществ. Внутри митохондрия разделена на множество мелких, сообщающихся между собой ячеек, как бы сот, перегородками, имеющими такое же строение, что и оболочка. Каждую ячейку заполняет полужидкая крупичатая масса. Строение самих крупинок неизвестно.

Одно время думали, что они-то и есть микросомы, так как их размер сходен с размером микросом. Тогда предполагали, что микросомы зарождаются и формируются в митохондриях. Однако эта гипотеза не подтвердилась.

Хлоропласты — растительные митохондрии, как и митохондрии животных, имеют очень много ферментов и способны выполнять примерно ту же работу. Но в то же время у хлоропластов существует своя специализация. Они превращают углекислоту в крахмал, то есть могут осуществлять фотосинтез.

Это очень важный, можно сказать, основной процесс, с помощью которого органический мир Земли, используя неорганическую природу, поддерживает свою жизнь. Именно путем фотосинтеза из такого простого вещества, как углекислый газ, образуется сложный биологический полимер — крахмал, обладающий запасом химической энергии…

Микросомы значительно меньше митохондрий, потому и изучены они несколько хуже. По всей вероятности, каждая микросома напоминает гранат, она также заполнена «зернами». Размер их 100—150 ангстрем. Оказалось, что микросомы активно синтезируют белок. Как же происходит этот таинственный процесс, который уже много лет стремятся постичь ученые? Исследования последних двух-трех лет позволили представить себе в грубых чертах один из возможных вариантов синтеза. Это крупнейшая победа биохимии.

Процесс синтеза начинается как бы с доставки участников к месту работы. Вначале вступает в действие фермент, который, как говорят, активирует аминокислоты — необходимую составную часть белка. Аминокислоты, используя фермент как «ступеньку», вскакивают на «коня» — соединение, которое биохимики ввиду его очень длинного названия (аденозинтрифосфорная кислота) называют просто — АТФ. Этот конь везет их к «грузовику» — рибонуклеиновой кислоте. Как только аминокислота попала в «грузовик», то есть соединилась с рибонуклеиновой кислотой, он трогается и везет аминокислоту к микросомам, которые являются чем-то вроде центрального сборного пункта. Здесь для молекулы аминокислоты приготовлено свое место, куда и сажает ее рибонуклеиновая кислота.

Молекулы аминокислот одна за другой выстраиваются в определенном порядке на поверхности рибонуклеиновой кислоты микроом. (Дело в том, что в клетке две рибонуклеиновых кислоты: маленькая используется как «грузовик», а большая — как место сбора аминокислот в микросомах). Затем они каким-то образом соединяются между собой, образуя большую белковую молекулу. Как именно это происходит, мы до сих пор не знаем. Известно только, что в зависимости от свойств поверхности, где происходит «парад» аминокислот, они будут выстраиваться в той или иной последовательности.

Вместе с количеством и пропорцией подвезенных аминокислот эта последовательность и должна определить, какой белок будет синтезирован. А рибонуклеиновая кислота тем временем возвращается обратно для того, чтобы АТФ подвезла к ней новую, следующую молекулу аминокислоты. И процесс повторяется вновь.

Итак, мы видим, что митохондрии снабжают клетку энергией и выполняют множество других функций. Микросомы синтезируют белок и также, вероятно, производят кое-какие другие работы. Остается неясным, что же делает ядро?

Прежде чем ответить на вопрос, что делает ядро, давайте выясним, как оно устроено. Ядро клетки покрыто двухслойной пористой оболочкой, причем число пор может быть очень велико и доходить до 10 000. Через эти поры ядро сообщается с остальной частью клетки.

Форма его может быть разной, располагается ядро обычно близко к центру клетки. Внутренняя часть ядра — полужидкая, в ней находятся особые тельца, получившие название ядрышек. Они имеют вид клубка нити и состоят из белка и рибонуклеиновой кислоты. В этот плотный клубок включены пузырьки с жидким содержимым, размер и число которых не постоянны.

Ядра содержат также другие нитевидные образования, называемые хромосомами. Хромосомы обычно хорошо видны во время деления клетки. В промежутках между делениями они не обнаруживаются, и долгое время ученые думали, что они в это время исчезают. Но не очень давно при помощи электронного микроскопа удалось выяснить, что хромосомы постоянно находятся в ядре, и их даже удалось выделить из него. Химический состав ядра также изучен недостаточно. Выяснено, что оно состоит преимущественно из белков, в том числе обладающих ферментными свойствами, и нуклеиновых кислот двух видов.

На очень важный вопрос — чем же занимается ядро в клетке — пытаются ответить ученые многих стран, проводя самые различные эксперименты. Ядра выделяют из клетки и наблюдают за их деятельностью вне клетки. Изучают, как ведет себя «оперированная» безъядерная клетка.

Все эти и многие другие опыты убеждают, что роль ядра в жизни клетки очень многообразна, и до сих пор, вероятно, мы знаем не все его функции. Ядро каким-то еще неизвестным образом регулирует процессы, происходящие в остальной части клетки. Клетки с удаленными ядрами, хотя и могут существовать довольно длительное время, но не являются полноценными и жизнеспособными. Многие биохимические процессы в них извращены, а другие (синтез белка, например) в конце концов, совсем прекращаются, и клетки в итоге умирают. Ядро в этом смысле подобно диспетчеру, но «приказы» оно отдает не по телефону, а выделяя в цитоплазму разные вещества, например ферменты, рибонуклеиновую кислоту и другие, которые вмешиваются в жизнь клетки, согласовывают, направляют по нужному пути происходящие в ней процессы.

Но ядро — очень необычный диспетчер, хотя бы уже потому, что оно само производит много веществ, в том числе осуществляет и синтез белка. Обычные диспетчерские на заводах не занимаются, как известно, производством. Самое же главное, что ядро ведает делением клетки, то есть клеточным размножением. Клетки, лишенные ядра, как мы только что говорили, могут существовать довольно долго, но делиться они не могут.

Процесс деления клетки изучен и описан очень подробно. Его можно условно разбить на четыре этапа. Ядро клетки вначале сильно меняется, затем вообще исчезает, потом формируется два ядра, и наконец клетка делится. Все деление клетки происходит за несколько часов, некоторые же клетки могут делиться гораздо быстрее — всего за 15—20 минут. Но вся беда в том, что это — описание лишь внешних изменений, претерпеваемых ядром и клеткой. Что же касается того, почему эти изменения наступают, каков механизм происходящих процессов, то все эти вопросы остаются пока без ответа. Точно так же можно подробно описать движение паровоза, но, не зная его устройства, все равно не поймешь, почему он движется.

Бактерии, представляющие собой одноклеточные организмы, не имеют ядра. В то же время хорошо известно, что их размножение, происходит без описанных этапов, путем прямого деления клетки и очень быстро. В чем же здесь дело?

После долгих поисков было установлено, что хотя в микробах ядра как такового действительно нет, но вещество, из которого оно состоит, равномерно распределено по всей клетке. И оно все равно оказывает регулирующее влияние на клеточные процессы. С другой стороны и само содержимое клетки оказывает большое влияние на ядро. Оно не может существовать длительное время вне клетки. Нормально жить и развиваться клетка может только как единое целое. Все части ее взаимодействуют между собой и влияют друг на друга, так же как заводские цехи. Ведь если какой-либо из цехов закрыть, то завод не сможет полноценно работать.

Конечно, следует оговориться, что наша аналогия весьма грубая. На самом деле все происходящее в клетке намного сложнее. Правда, ее деятельность, так же как и производство на заводе, подчиняется обычным физическим и физикохимическим законам. Однако они проявляются в клетке в значительно более сложной и скрытой форме. Это и понятно: ведь в отличие от завода клетка живая, а значит ее жизнью управляют уже биологические законы, к познанию которых и должно привести изучение клетки и ее составных частей…