Ядро і клітина
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Напевно, кожен, хоча б трішки знайомий з біологією, чув, що всі живі організми складаються з клітин. Але ось чи кожен уявляє собі, який зміст вкладає сучасна наука в це поняття?
Сам термін виник історично. Але ті клітини, які ми зараз бачимо під мікроскопом, про будову яких все більше і більше пишуть в наукових журналах і розкриття таємниць яких пророкують славу нашому віку, – ця клітина зазвичай не має нічого спільного з описаними рівно 400 років тому Робертом Гуком клітинами, складовими частинами пробки. Коли слово «клітина» вимовляють в наш час, то під ним розуміють основну одиницю – як би цеглу, з якої побудовані всі живі організми.
Клітини відрізняються одна від одної за величиною, (наприклад, в організмі людини, крім клітин розміром в декілька мікрон, є клітини з відростками завдовжки до метра) і за формою: є клітини у вигляді кулі, призми, довгих тонких перетен. Все це розділяє клітини. Розрізняються вони і по функціях – тобто за призначенням своєї діяльності. Нервова клітина пристосована до проведення нервового імпульсу, м’язова – до скорочення, червона кров’яна клітина – еритроцит – до переносу кисню.
Але будь-який цитолог (біолог – фахівець з дослідження клітини) безпомилково впізнає клітину під мікроскопом: адже є багато ознак, які не поділяють, а об’єднують всі клітини.
Ці ознаки характерні для клітини взагалі. Ось про таку «середню клітину» і піде сьогодні мова. Що ж найголовніше в живій клітині?
Перш за все – обмін речовин. Клітина засвоює речовини, що надходять ззовні, переробляє їх для своїх потреб, виділяє в навколишнє середовище непотрібне. Інша важлива риса – здатність клітини виробляти собі подібні. Цю її властивість зазвичай називають «спадковістю». І ще: в клітині є деякі речовини, які зараз не зустрічаються поза живої природи. Це дуже складно побудовані молекули нуклеїнових кислот та білків.
Всі ці риси клітини були відомі давно. Але знадобилися праці, принаймні, трьох поколінь дослідників, які залучили собі в допомогу і відносно близькі наукові дисципліни (органічну хімію, хімію ізотопів) і такі здавалося б далекі, як оптика, спектроскопія, математичний аналіз, радіоелектроніка, атомна фізика, щоб стало ясно, як влаштовані і як діють різні частини клітини. Кожна клітина, перш за все, ділиться на дві частини: ядро і цитоплазму – тіло клітини, що обволікає ядро. Ядро і цитоплазма працюють в тісному контакті один з одним і один без одного не можуть існувати, проте влаштовані вони не однаково і завдання у них теж різні.
Почнемо з цитоплазми. Вся цитоплазма пронизана величезною кількістю мембран. На поперечному зрізі вони виглядають як пластини, пляшечки і канальця. Це – ендоплазматична мережа, складовий скелет клітини. Зовні ендоплазматична мережа утворює зовнішню мембрану, що як би одягає клітину. Всередині вона переходить в ядерну оболонку, що відокремлює ядро від цитоплазми. Товщина одиночної клітинної мембрани мізерно мала. Навіть в найдосконаліші світлові мікроскопи вона здавалася тонкою темною лінією, а в багатьох випадках її не бачили взагалі. Електронні мікроскопи змінили справу: вони показали, що мембрана дуже складна і складається з декількох шарів. Загадковий апарат Гольджі, над поясненням якого вчені ламають голову вже не одне десятиліття, – це, ймовірно, той апарат, де виготовляються внутрішні мембрани клітини. Таке припущення було висловлено в самий останній час.
Простір між мембранами заповнений рідиною, що містить уламки поживних речовин, амінокислоти, гранули жиру. У цьому соку переміщаються складні органічні молекули, доставляючи з однієї частини клітини в іншу енергію, будівельні матеріали, накази на синтез білка.
Біля ядра – крихітні структури: центросоми. Вони – частина того апарату, за допомогою якого клітина ділиться надвоє.
Для життя клітині необхідна енергія. Її приносять в клітину деякі сполуки, зокрема, глюкоза. У спеціальних структурах, які перебувають в цитоплазмі, – в мітохондріях – енергія, укладена в хімічних зв’язках цих сполук, витягується і перетворюється так, щоб клітині було зручно її використовувати. Немов розкриваючи консервну банку і використовуючи її вміст, мітохондрії в своїх численних пластинках перебудовують хімічні зв’язки і збирають вивільнену при цьому енергію.
Щоб поживні речовини, що проникли в клітину, могли бути нею використані, вони повинні бути розщеплені на складові частини. Це відбувається переважно в лізосомах – особливих тільцях, які нагадують мітохондрії, але влаштовані набагато простіше їх. Лізосоми – це крихітні «шлунки», заготівельні цехи клітини. Руйнування поживних речовин – один етап обміну речовин. Інший, дуже важливий – синтез, побудова в клітині довгих і складних білкових молекул.
Вся цитоплазма клітини всіяна дрібними тільцями – рибосомами, які вже отримали і в науковій, і в популярній літературі тверду назву «фабрик білка». Самі рибосоми складаються теж з білка і ще з однієї складної хімічної сполуки – рибонуклеїнової кислоти (РНК). Рибонуклеїнової кислоти в клітині є кілька видів: один з них входить до складу рибосом, інші підтаскують до рибосом амінокислоти – блоки, з яких будуються білки, переносять на рибосоми з ядра конкретні плани будівництва окремих білкових молекул. Словом, на плечах цього невтомного трудівника тримається вся будівля білкових синтезів в клітині.
Кількість РНК в клітині велика. Цитоплазма світиться червоним саме через наявну в ній РНК. А ядру зелений колір надає наявна в ній ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота – речовина ще більш складної хімічної будови, ніж РНК). Це в її структурах записана та інформація про синтез білків, яку зчитує РНК і потім переносить на рибосоми.
В ядрі є також і білки, і РНК. Це – ядерце, крихітне тільце, укладене всередину великого ядра. У ньому відбувається накопичення, а на думку деяких вчених, і синтез того виду РНК, який потім переміщається в цитоплазму і входить до складу рибосом. За рахунок цієї РНК ядерце й пофарбоване в червоний колір.
Однак ДНК – все ж найважливіша частина ядра. Тому що інформація, записана на нитках ДНК, – це як би мозок, командний пункт клітини. Порівняйте, наскільки цитоплазма перевершує ядро: як робоча частина керуючу. Звичайно, поділ праці не проводиться в клітині так строго, але він без сумніву є. Інформація, що передається з покоління в покоління і визначає всі риси нової клітини, зберігається в ДНК, значить – в ядрі, а обмін речовин, вироблення енергії, синтез нових білкових молекул проводиться переважно в цитоплазмі.
ДНК можна було б порівняти з архітектором, який планує нову будівлю, а РНК – з інженером-будівельником, який зводить цю будівлю відповідно до задуму архітектора.
Клітина – це як би кордон між двома світами. Вгору від неї: все більшими і більшими – групи, об’єднання, пласти з тисяч клітин, окремі органи, нарешті, весь організм. А внизу – мікросвіт життя: великі частини клітини, дрібні її структури, гігантські молекули, групи атомів… Пошук веде дослідників далеко вглиб живої матерії.
Автор: А. Зеленін.