Будова клітини: докладне та дохідливе пояснення

Чи знаєте ви, що жива клітина являє собою завод? Так, так, завод, що має виробничі цехи, головного диспетчера, конвеєрні лінії, енергетичні цехи. Більш того, це справжній завод заводів, що випускає устаткування для інших заводів. Клітина ж, мабуть, ще більш досконале підприємство: вона відтворює сама себе, випускаючи в «світ», так би мовити, вже готовий завод – нову клітину з розставленим по місцях, відрегульованим та чинним на повну потужність обладнанням.

Познайомитися з сучасним заводом, організацією виробництва на ньому можна, увійшовши на його територію, оглянувши цехи і готову продукцію. Познайомитися з заводом-клітиною багато складніше, так як «увійти» на її територію і просто оглянути все неможливо. Між тим знати будову клітини абсолютно необхідно. Як атоми – це «цеглинки», з яких побудовані всі речовини, так клітина – свого роду «атом» живої природи. Щоб пізнати таємниці матерії, необхідно вивчити атом і атомне ядро. Щоб пізнати таємниці життя – слід вивчити клітину і клітинне ядро. Але природа «засекретила» свої таємниці, і перш ніж вдалося підібрати ключі до них і пройти на територію заводу-клітини вченим довелось чимало попрацювати.

Дослідження клітини

Спочатку клітину розглядали у мікроскоп. Але це все одно, що вивчати завод, дивлячись на нього з літака. Багато не дізнаєшся! Можна, наприклад, визначити розмір заводу, взаємне розташування будівель в ньому. І вчені дійсно з’ясували таким способом, що розміри клітин сильно коливаються – можуть мати в поперечнику від 10 до 100 мікрон. Існують і клітини-гіганти, що досягають декількох сантиметрів. Форма їх також може бути різноманітною – зірчастою, круглою, ниткоподібною.

Як планування заводу залежить від його призначення, так і пристрій клітини певною мірою залежить від її походження. Рослинна клітина, наприклад, відрізняється від тваринної, а мікробна – від них обох. Клітина нервової тканини інша, ніж м’язової, і т. д.

Щоб отримати побільше відомостей про клітині, її почали фарбувати. Виявилося, що окремі частини клітин в залежності від їх хімічного складу забарвлюються по-різному. Ось за забарвленням і почали розрізняти, де яка складова частина клітини знаходиться. Але біда полягала в тому, що якщо, продовжуючи нашу аналогію з заводом, дахи заводських будівель можна пофарбувати в різні кольори, не порушуючи роботи заводу, то живу клітину перед підфарбовуванням доводилось вбивати. І тоді, немов напис, зроблений симпатичним чорнилом, виступав внутрішній «скелет» клітини. Однак ніхто не міг сказати, наскільки схожа будова клітинного трупа з пристроєм живої клітини. Все ж ці дослідження показали, що клітина має оболонку, киселеподібний вміст, званий цитоплазмою, і внутрішню ущільнену частина – ядро. У багатьох клітинах по кілька ядер, а в деяких, ймовірно, зовсім немає ядра. У всякому разі, вчені досі сперечаються, чи існує ядро, скажімо, в бактеріях.

Були описані сотні різних видів клітин, але про те, як працюють «коліщата» та «гвинтики», складові клітинного «механізму», можна було тільки будувати припущення. Щоб зрозуміти внутрішній устрій клітини, найкраще було б «розібрати» її – подібно до того, як роблять, якщо треба з’ясувати будову та принцип роботи будь-якого механізму.

Необхідність розбору клітини стала зрозуміла давно. Але як розчленувати на частини цей ніжний, змінний на очах «пристрій», не пошкодивши його? Якщо подивитись в мікроскоп під великим збільшенням на живу клітину, то можна бачити, що її цитоплазма знаходиться в безперервному швидкому русі: то в одному, то в іншому місці виникають і зникають якісь вири, вихори. Клітка харчується, дихає, ділиться. І ось цю надзвичайно рухливу, тендітну систему, влаштовану у багато разів складніше, ніж будь-який мотор, треба було обережно розділити на складові частини, досліджувати з чого вони складаються, що роблять, як влаштовані.

Для розщеплення атомного ядра фізики, як відомо, користуються елементарними частинками, які вони розганяють до величезних швидкостей в спеціальних прискорювачах. Бомбардуючи ядро, ці частки розбивають його на частини. Біологи, як зрозуміло з попереднього (дивіться минулу статтю), не могли піти подібним шляхом. Вони почали шукати і знайшли свої способи руйнування клітини. В даний час це робиться наступним чином: тканину (печінкову, м’язову та ін.) подрібнюють так, щоб в рідині плавали окремі клітини. Потім цю суспензію поміщають в товстостінний стакан з шорсткого скла. У нього вставляють скляний ж товкач, щільно прилеглий до стінок. Маточку обертають за допомогою моторчика зі швидкістю 2-3 тисяч обертів на хвилину. Клітина потрапляє між товкачиком і стінками склянки і руйнується, але вміст кожної її частини при цьому залишається недоторканим.

Тепер треба виділити ці частини. Ще раніше було відмічено, що різні частини клітини мають різну питому вагу, а значить і з різною швидкістю рухаються при обертанні: ті, питома вага яких більше, будуть швидше переміщатися до периферії центрифуги.

Якщо відцентрова сила, яку розвиває центрифуга, раз на 900 перевищує силу земного тяжіння, то на дно осідають клітинні ядра і шматки клітинної оболонки. Якщо центрифуга обертається ще швидше, і відцентрова сила стає в 7000 разів більше сили тяжіння, то осядуть більш дрібні частинки, звані мітохондріями. Їх розмір – 0,5-2 мікрона, і вони невидимі простим оком. Якщо ж центрифуга буде обертатися з шаленою швидкістю, і відцентрова сила в ній приблизно в 100 000 разів перевищить силу земного тяжіння, то виділяться найдрібніші частинки – мікросоми, величиною в 50-200 міллімікрон. Вони видимі тільки в електронний мікроскоп. Після цього рідина, що лишиться, вже не містить ніяких частинок.

Під впливом такого прискорення кожна частинка в центрифузі і «важити» повинна в сто тисяч разів більше, ніж у звичайних умовах на Землі. Якби людину вагою в 70 кілограмів можна було помістити на таку центрифугу, то вона стала би «важити» 7000 тонн. Однак клітинні частинки через тертя благополучно, як з парашутом, опускаються на дно центрифужної склянки.

На цьому вчені не зупинились. Розібравши клітину, вони розрізали окремі її частини на «скибочки» товщиною вже всього в 100 ангстрем (ангстрем – стомільйонна частка сантиметра) і під електронним мікроскопом вивчили їх внутрішню структуру. В результаті, ми вже маємо дані, що дозволяють досить докладно характеризувати клітину і її складові частини.

Склад клітини

Не слід думати, що частки, що знаходяться в цитоплазмі, плавають у ній на зразок порошинок у воді. Сама цитоплазма являє собою щось на зразок досить густого киселю або напіврідкого желе. У цьому «киселі» є більш і менш щільні ділянки, причому залежно від стану клітини густота клітинного «желе» у тих чи інших місцях змінюється, і іноді настільки сильно, що окремі ділянки стають схожі на застиглий холодець. У цитоплазмі, крім того, можна побачити щільні нитеподібні утворення, до яких мікросоми прикріплені, як квіти верби до гілки.

Для підтримки життєвих процесів, що відбуваються в клітині, необхідна енергія. Цю енергію клітина отримує під час дихання. І от виявляється, що дихальними «органами» клітини є мітохондрії. Це щось на зразок акумуляторів, що накопичують енергію. «Запаси» енергії виробляються шляхом синтезу різних багатих енергією хімічних речовин. Ця енергія забезпечує безперервний хід всіляких хімічних реакцій, необхідних для існування клітини. Енергетичні реакції викликає і підтримує цілий набір послідовно, як по конвеєру діючих ферментів.

Однак цим роль мітохондрії не вичерпується. Вони синтезують також необхідні для життя клітини речовини, зокрема білки і жири. Весь «асортимент» вироблених в мітохондріях речовин вченим ще навіть не відомий. Таким чином, продовжуючи нашу аналогію, можна сказати, що в енергетичному корпусі існують ще й фабрики – заготівельні, що виробляють речовини, необхідні для роботи всього заводу.

Не слід думати, що якщо ми говоримо про енергетичний цех клітини, то він є тільки в однині, і що існує всього одна мітохондрія. Таких цехів у клітині, на противагу заводу, багато. У кожній клітині печінки, наприклад, налічується близько 2500 мітохондрій, і в кожній з них – від 5 до 10 тисяч «конвеєрних ліній».

Оскільки в мітохондрії одночасно протікають десятки тисяч хімічних реакцій, природно і будова цих крихітних часток виявляється досить складною. Мітохондрії зазвичай каплеподібної форми, яка, однак, змінюється в залежності від стану клітини. Вони оточені оболонкою товщиною в 150-200 ангстрем, яка складається з двох шарів білка і укладеного між ними подвійного ж шару жиро-подібних речовин. Усередині мітохондрія розділена на безліч дрібних, сполучених між собою осередків, якби сот, перегородками, що мають таку ж будову, що і оболонка. Кожну клітинку заповнює напіврідка крупкувата маса. Будова самих крупинок невідома.

Один час думали, що вони-то і є мікросоми, так як їх розмір схожий з розміром мікросом. Тоді припускали, що мікросоми зароджуються і формуються в мітохондріях. Однак ця гіпотеза не підтвердилася.

Хлоропласти – рослинні мітохондрії, як і мітохондрії тварин, мають дуже багато ферментів і здатні виконувати приблизно ту ж роботу. Але в той же час у хлоропластів існує своя спеціалізація. Вони перетворюють вуглекислоту в крохмаль, тобто можуть здійснювати фотосинтез.

Це дуже важливий, можна сказати, основний процес, за допомогою якого органічний світ Землі, використовуючи неорганічну природу, підтримує своє життя. Саме шляхом фотосинтезу з такої простої речовини, як вуглекислий газ, утворюється складний біологічний полімер – крохмаль, що володіє запасом хімічної енергії.

Мікросоми значно менше мітохондрій, тому й вивчені вони дещо гірше. По всій імовірності, кожна мікросома нагадує гранат, вона також заповнена «зернами». Розмір їх 100-150 ангстрем. Виявилося, що мікросоми активно синтезують білок. Як же відбувається цей таємничий процес, який вже багато років прагнуть осягнути вчені? Дослідження останніх двох-трьох років дозволили уявити собі в грубих рисах один з можливих варіантів синтезу. Це найбільша перемога біохімії.

Процес синтезу починається ніби з доставки учасників до місця роботи. Спочатку вступає в дію фермент, який, як кажуть, активує амінокислоти – необхідну складову частину білка. Амінокислоти, використовуючи фермент як «сходинку», підхоплюються на «коня» – з’єднання, яке біохіміки зважаючи на його дуже довгу назву (аденозинтрифосфорна кислота) називають просто – АТФ. Цей кінь везе їх до «вантажівки» – рибонуклеїнової кислоти. Як тільки амінокислота потрапила у «вантажівку», тобто з’єдналася з рибонуклеїновою кислотою, вона рушає і везе амінокислоту до мікросом, які є чимось на зразок центрального збірного пункту. Тут для молекули амінокислоти приготовлено своє місце, куди і садить її рибонуклеїнова кислота.

Молекули амінокислот одна за одною шикуються в певному порядку на поверхні рибонуклеїнової кислоти мікроом. (Справа в тому, що в клітині дві рибонуклеїнові кислоти: маленька використовується як «вантажівка», а велика – як місце збору амінокислот у мікросомах). Потім вони якимось чином з’єднуються між собою, утворюючи велику білкову молекулу. Як саме це відбувається, ми до сих пір не знаємо. Відомо тільки, що в залежності від властивостей поверхні, де відбувається «парад» амінокислот, вони будуть вибудовуватись в тій чи іншій послідовності.

Разом з кількістю і пропорцією підвезених амінокислот ця послідовність і повинна визначити, який білок буде синтезований. А рибонуклеїнова кислота тим часом повертається назад для того, щоб АТФ підвезла до неї нову, наступну молекулу амінокислоти. І процес повторюється знову.

Отже, ми бачимо, що мітохондрії постачають клітину енергією і виконують безліч інших функцій. Мікросоми синтезують білок і також, ймовірно, виробляють деякі інші роботи. Залишається неясним, що ж робить ядро?

Перш ніж відповісти на питання, що робить ядро, давайте з’ясуємо, як воно влаштоване. Ядро клітини вкрите двошаровою пористою оболонкою, причому число пір може бути дуже велике і доходити до 10 000. Через ці пори ядро сполучається з іншою частиною клітини.

Форма його може бути різною, розташовується ядро зазвичай близько до центру клітини. Внутрішня частина ядра – напіврідка, в ній знаходяться особливі тільця, що отримали назву ядерець. Вони мають вигляд клубка нитки і складаються з білка і рибонуклеїнової кислоти. У цей щільний клубок включені бульбашки з рідким вмістом, розмір і число яких не постійні.

Ядра містять також інші ниткоподібні сполучення, звані хромосомами. Хромосоми зазвичай добре видно під час поділу клітини. У проміжках між поділами вони не виявляються, і довгий час вчені думали, що вони в цей час зникають. Але не дуже давно за допомогою електронного мікроскопа вдалося з’ясувати, що хромосоми постійно знаходяться в ядрі, і їх навіть вдалось виділити з нього. Хімічний склад ядра також вивчений недостатньо. З’ясовано, що воно складається переважно з білків, у тому числі таких, що володіють ферментними властивостями, і нуклеїнових кислот двох видів.

На дуже важливе питання – чим же займається ядро в клітині – намагаються відповісти вчені багатьох країн, проводячи всілякі експерименти. Ядра виділяють з клітини і спостерігають за їх діяльністю поза клітини. Вивчають, як веде себе «оперована» без’ядерна клітина.

Всі ці та багато інших дослідів переконують, що роль ядра в житті клітини дуже різноманітна, і до цих пір, ймовірно, ми знаємо не всі його функції. Ядро якимось ще невідомим чином регулює процеси, що відбуваються в решті частини клітини. Клітини з віддаленими ядрами, хоча і можуть існувати досить тривалий час, але не є повноцінними і життєздатними. Багато біохімічних процесів в них перекручені, а інші (синтез білка, наприклад) зрештою, зовсім припиняються, і клітини в підсумку вмирають. Ядро в цьому сенсі подібно диспетчеру, але «накази» воно віддає не по телефону, а виділяючи в цитоплазму різні речовини, наприклад ферменти, рибонуклеїнову кислоту та інші, які втручаються в життя клітини, погоджують, направляють по потрібному шляху процеси, що відбуваються в ній.

Але ядро – дуже незвичайний диспетчер, хоча б вже тому, що воно саме виробляє багато речовин, у тому числі здійснює і синтез білка. Звичайні диспетчерські на заводах не займаються, як відомо, виробництвом. Найголовніше ж, що ядро відає поділом клітини, тобто клітинним розмноженням. Клітини, позбавлені ядра, як ми тільки що говорили, можуть існувати досить довго, але ділитися вони не можуть.

Процес поділу клітини вивчений і описаний дуже детально. Його можна умовно розбити на чотири етапи. Ядро клітини спочатку сильно змінюється, потім взагалі зникає, потім формується два ядра, і нарешті клітина ділиться. Весь розподіл клітини відбувається за кілька годин, деякі ж клітини можуть ділитись набагато швидше – всього за 15-20 хвилин. Але вся біда в тому, що це – опис лише зовнішніх змін, які відбуваються з ядром і клітиною. Що ж до того, чому ці зміни настають, який механізм процесів, що відбуваються, то всі ці питання залишаються поки без відповіді. Точно так само можна детально описати рух потягу, але, не знаючи його пристрою, все одно не зрозумієш, чому він рухається.

Бактерії, що представляють собою одноклітинні організми, не мають ядра. У той же час добре відомо, що їх розмноження, відбувається без описаних етапів, шляхом прямого поділу клітини і дуже швидко. У чому ж тут справа?

Після довгих пошуків було встановлено, що хоча в мікробах ядра як такого дійсно немає, але речовина, з якої воно складається, рівномірно розподілена по всій клітині. І воно все одно робить регулюючий вплив на клітинні процеси. З іншого боку, так і вміст клітини робить великий вплив на ядро. Воно не може існувати тривалий час поза клітини. Нормально жити і розвиватися клітина може тільки як єдине ціле. Всі частини її взаємодіють між собою і впливають один на одного, так само як заводські цехи. Адже якщо який-небудь з цехів закрити, то завод не зможе повноцінно працювати.

Звичайно, слід застерегти, що наша аналогія вельми груба. Насправді все, що відбувається в клітині набагато складніше. Правда, її діяльність, так само як і виробництво на заводі, підпорядковується звичайним фізичним і фізико-хімічним законам. Однак вони проявляються в клітині в значно більш складній і прихованій формі. Це й зрозуміло: адже на відміну від заводу клітина жива, а значить її життям керують вже біологічні закони, до пізнання яких і має призвести вивчення клітини і її складових частин.