Клітка, елементарна одиниця живого. Клітка відмежована від інших клітин або від зовнішнього середовища спеціальною мембраною і має ядро або його еквівалент, в якому зосереджена основна частина хімічної інформації, яка контролює спадковість. Вивченням будови клітини займається цитологія, функціонуванням - фізіологія. Наука, що вивчає складаються з клітин тканини, називається гістологією.
Існують одноклітинні організми, тіло яких цілком складається з однієї клітини. До цієї групи відносяться бактерії і Найпростіші (найпростіші тварини та одноклітинні водорості). Іноді їх також називають безклітинним, але термін одноклітинні вживається частіше. Справжні багатоклітинні тварини (Metazoa) та рослини (Metaphyta) містять безліч клітин.
Абсолютна більшість тканин складається з клітин, проте є і деякі виключення. Тіло слизовиків (міксоміцетів), наприклад, складається з однорідної, не поділеної на клітини субстанції з численними ядрами. Подібним чином організовані і деякі тварини тканини, зокрема серцевий м'яз. Вегетативне тіло (талом) грибів утворено мікроскопічними нитками - гіфами, нерідко сегментованими; кожна така нитка може вважатися еквівалентом клітини, хоч і нетипової форми.
Деякі не беруть участь у метаболізмі структури тіла, зокрема раковини, перлини або мінеральна основа кісток, утворені не клітинами, а продуктами їх секреції. Інші, наприклад деревину, кора, роги, волосся і зовнішній шар шкіри, - не секреторного походження, а утворені з мертвих клітин.
Дрібні організми, такі, як коловертки, складаються всього з декількох сотень клітин. Для порівняння: в людському організмі налічується бл. 1014 клітин, в ньому кожну секунду гинуть і заміщуються новими 3 млн. еритроцитів, і це всього одна десятимільйонна частина від загальної кількості клітин тіла.
Зазвичай розміри рослинних і тваринних клітин коливаються в межах від 5 до 20 мкм у поперечнику. Типова бактеріальна клітина значно менше - бл. 2 мкм, а найменша з відомих - 0,2 мкм.
Деякі вільноживучі клітини, наприклад такі найпростіші, як форамініфери, можуть досягати декількох сантиметрів, вони завжди мають багато ядер. Клітини тонких рослинних волокон досягають у довжину одного метра, а відростки нервових клітин досягають у крупних тварин декількох метрів. При такій довжині обсяг цих клітин невеликий, а поверхня дуже велика.
Найбільші клітини - це незапліднені яйця птахів, заповнені жовтком. Найбільше яйце (і, отже, найбільша клітина) належало вимерлої величезної птиці - епіорнісу (Aepyornis). Імовірно його жовток важив бл. 3,5 кг. Найбільше яйце у нині живучих видів належить до страуса, його жовток важить ок. 0,5 кг.
Як правило, клітини великих тварин і рослин лише трохи більше клітин дрібних організмів. Слон більше миші не тому, що його клітини крупніше, а в основному тому, що самих клітин значно більше. Існують групи тварин, наприклад коловертки і нематоди, у яких кількість клітин в організмі залишається постійним. Таким чином, хоча великі види нематод мають більшу кількість клітин, ніж дрібні, основна різниця в розмірах обумовлено в цьому випадку все ж великими розмірами клітин.
У межах даного типу клітин їх розміри звичайно залежать від плоїдності, тобто від числа наборів хромосом, присутніх у ядрі. Тетраплоїдних клітини (з чотирма наборами хромосом) в 2 рази більше за обсягом, ніж диплоїдні клітини (з подвійним набором хромосом). Плоїдность рослини можна збільшити шляхом введення в нього рослинного препарату колхіцину. Оскільки піддані такому впливу рослини мають більш великі клітини, вони й самі більші. Однак це явище можна спостерігати тільки на полиплоидам недавнього походження. У еволюційно древніх поліплоїдних рослин розміри клітин схильні до «зворотної регуляції» у бік нормальних величин незважаючи на збільшення числа хромосом.
Структура клітини
У свій час клітина розглядалася як більш-менш гомогенна крапелька органічної речовини, яку називали протоплазмою або живою субстанцією. Цей термін застарів після того, як з'ясувалося, що клітина складається з безлічі чітко відокремлених структур, що одержали назву клітинних органел («маленьких органів»).
Хімічний склад. Зазвичай 70-80% маси клітини становить вода, в якій розчинені різноманітні солі і низькомолекулярні органічні сполуки. Найбільш характерні компоненти клітини - білки і нуклеїнові кислоти. Деякі білки є структурними компонентами клітини, інші - ферментами, тобто каталізаторами, що визначають швидкість і напрям протікають у клітинах хімічних реакцій. Нуклеїнові кислоти служать носіями спадкової інформації, яка реалізується в процесі внутрішньоклітинного синтезу білків.
Часто клітини містять деяку кількість запасних речовин, службовців харчовим резервом. Рослинні клітини в основному запасають крохмаль - полімерну форму вуглеводів. У клітинах печінки і м'язів запасається інший вуглеводний полімер - глікоген. До часто запасатися продуктами відноситься також жир, хоча деякі жири виконують іншу функцію, а саме служать найважливішими структурними компонентами. Білки в клітках (за винятком клітин насіння) зазвичай не запасаються.
Описати типовий склад клітини не представляється можливим перш за все тому, що існують великі розбіжності в кількості запасається продуктів і води. У клітинах печінки міститься, наприклад, 70% води, 17% білків, 5% жирів, 2% вуглеводів і 0,1% нуклеїнових кислот, решта 6% припадають на солі і низькомолекулярні органічні сполуки, зокрема амінокислоти. Рослинні клітини зазвичай містять менше білків, значно більше вуглеводів і дещо більше води; виняток становлять клітини, які знаходяться в стані спокою. Спочиваюча клітина пшеничного зерна, що є джерелом поживних речовин для зародка, містить бл. 12% білків (в основному це запасається білок), 2% жирів і 72% вуглеводів. Кількість води досягає нормального рівня (70-80%) тільки на початку проростання зерна.
Головні частини клітини. Деякі клітини, в основному рослинні та бактеріальні, мають зовнішню клітинну стінку. У вищих рослин вона складається з целюлози. Стінка оточує власне клітку, захищаючи її від механічних впливів. Клітини, особливо бактеріальні, можуть також секретувати слизові речовини, утворюючи тим самим навколо себе капсулу, яка, як і клітинна стінка, виконує захисну функцію.
Саме з руйнуванням клітинних стінок пов'язана загибель багатьох бактерій під дією пеніциліну. Справа в тому, що всередині бактеріальної клітини концентрація солей і низькомолекулярних сполук дуже висока, а тому за відсутності зміцнювальної стінки викликаний осмотичним тиском приплив води в клітину може призвести до її розриву. Пеніцилін, що перешкоджає під час росту клітини формуванню її стінки, як раз і призводить до розриву (лізису) клітини.
Клітинні стінки і капсули не беруть участь у метаболізмі, і часто їх вдається відділити, не вбиваючи клітину. Таким чином, їх можна вважати зовнішніми допоміжними частинами клітини. У клітин тварин клітинні стінки і капсули, як правило, відсутні.
Власне клітина складається з трьох основних частин. Під клітинною стінкою, якщо вона є, знаходиться клітинна мембрана. Мембрана оточує гетерогенний матеріал, званий цитоплазмою. У цитоплазму занурено кругле або овальне ядро. Нижче ми розглянемо більш докладно структуру і функції цих частин клітини.
Клітинна мембрана
Клітинна мембрана - дуже важлива частина клітини. Вона утримує разом всі клітинні компоненти й розмежовує внутрішнє і зовнішнє середовище. Крім того, модифіковані складки клітинної мембрани утворюють багато органели клітини.
Клітинна мембрана являє собою подвійний шар молекул (бімолекулярний шар, або бішар). В основному це молекули фосфоліпідів та інших близьких до них речовин. Ліпідні молекули мають подвійну природу, яка виявляється в тому, як вони ведуть себе по відношенню до води. Голови молекул гідрофільні, тобто володіють спорідненістю до води, а їх вуглеводневі хвости гідрофобні. Тому при змішуванні з водою ліпіди утворюють на її поверхні плівку, аналогічну плівці масла; при цьому всі їх молекули орієнтовані однаково: голови молекул - у воді, а вуглеводневі хвости - над її поверхнею.
У клітинній мембрані два таких шару, і в кожному з них голови молекул звернені назовні, а хвости - всередину мембрани, один до іншого, не стикаючись таким чином з водою. Товщина такої мембрани ок. 7 нм. Крім основних ліпідних компонентів, вона містить великі білкові молекули, які здатні «плавати» в ліпідному бішарі і розташовані так, що одна їх сторона звернена всередину клітини, а інша стикається з зовнішнім середовищем. Деякі білки знаходяться тільки на зовнішній або тільки на внутрішній поверхні мембрани або лише частково занурені в ліпідний бішар.
Основна функція клітинної мембрани полягає в регуляції перенесення речовин у клітину і з клітки. Оскільки мембрана фізично в якійсь мірі схожа на олію, речовини, що розчиняються у маслі або в органічних розчинниках, наприклад ефір, легко проходять крізь неї. Те ж відноситься і до таких газів, як кисень і діоксид вуглецю. У той же час мембрана практично непроникна для більшості водорозчинних речовин, зокрема для глюкози і солей. Завдяки цим властивостям вона здатна підтримувати всередині клітини хімічне середовище, що відрізняється від зовнішньої. Наприклад, в крові концентрація іонів натрію висока, а іонів калію - низька, тоді як у внутрішньоклітинній рідини ці іони присутні у зворотному співвідношенні. Аналогічна ситуація характерна і для багатьох інших хімічних сполук.
Очевидно, що клітина тим не менше не може бути повністю ізольована від навколишнього середовища, тому що повинна отримувати речовини, необхідні для метаболізму, і позбуватися від його кінцевих продуктів. До того ж ліпідний бішар не є повністю непроникним навіть для водорозчинних речовин, а пронизують його т.зв. «Каналоутворюючих» білки створюють пори, або канали, які можуть відкриватися і закриватися (в залежності від зміни конформації білка) і у відкритому стані проводять певні іона (Na +, K +, Ca2 +) за градієнтом концентрації. Отже, різниця концентрацій всередині клітини і зовні не може підтримуватися виключно за рахунок малої проникності мембрани. Насправді в ній є білки, що виконують функцію молекулярного «насоса»: вони транспортують деякі речовини як всередину клітини, так і з неї, працюючи проти градієнта концентрації. У результаті, коли концентрація, наприклад, амінокислот всередині клітини висока, а зовні низька, амінокислоти можуть проте надходити із зовнішнього середовища у внутрішнє. Таке перенесення називається активним транспортом, і на нього витрачається енергія, що постачається метаболізмом. Мембранні насоси високоспецифічний: кожен з них здатний транспортувати або тільки іони певного металу, або амінокислоту, або цукор. Специфічні також і мембранні іонні канали.
Така виборча проникність фізіологічно дуже важлива, і її відсутність - перше свідчення загибелі клітини. Це легко проілюструвати на прикладі буряків. Якщо живий корінь буряка занурити в холодну воду, то він зберігає свій пігмент, коли ж буряк кип'ятити, то клітини гинуть, стають легко проникними і втрачають пігмент, який і забарвлює воду в червоний колір.
Великі молекули типу білкових клітина може «заковтувати». Під впливом деяких білків, якщо вони присутні в рідині, що оточує клітину, в клітинній мембрані виникає впячивание, яке потім змикається, утворюючи бульбашка - невелику вакуоль, що містить воду і білкові молекули; після цього мембрана навколо вакуолі розривається, і вміст потрапляє всередину клітини. Такий процес називається піноцитозу (буквально «питво клітини»), або ендоцитозу.
Більш великі частинки, наприклад частинки їжі, можуть поглинатися аналогічним чином у ході т.зв. фагоцитозу. Як правило, вакуоль, що утворюється при фагоцитозі, більший, і їжа перетравлюється ферментами лізосом всередині вакуолі до розриву навколишнього її мембрани. Такий тип харчування характерний для найпростіших, наприклад для амеб, що поїдають бактерій. Проте здатність до фагоцитозу властива і клітинам кишечника нижчих тварин, і фагоцитами - одному з видів білих кров'яних клітин (лейкоцитів) хребетних. В останньому випадку зміст цього процесу полягає не в харчуванні самих фагоцитів, а в руйнуванні ними бактерій, вірусів та іншого чужорідного матеріалу, шкідливого для організму.
Функції вакуолей можуть бути й іншими. Наприклад, найпростіші, які живуть в прісній воді, відчувають постійний осмотичний приплив води, тому що концентрація солей всередині клітини набагато вище, ніж зовні. Вони здатні виділяти воду в спеціальну екскретуються (скоротливу) вакуоль, яка періодично виштовхує свій вміст назовні.
У рослинних клітинах часто є одна велика центральна вакуоль, що займає майже всю клітину; цитоплазма при цьому утворює лише дуже тонкий шар між клітинною стінкою і вакуолью. Одна з функцій такої вакуолі - накопичення води, що дозволяє клітині швидко збільшуватися в розмірах. Ця здатність особливо необхідна в період, коли рослинні тканини ростуть і утворюють волокнисті структури.
У тканинах у місцях щільного з'єднання клітин їх мембрани містять численні пори, утворені пронизливими мембрану білками - т.зв. коннексонамі. Пори прилеглих клітин розташовуються один проти одного, так що низькомолекулярні речовини можуть перегодом із клітини в клітину - ця хімічна система комунікації координує їх життєдіяльність. Один із прикладів такої координації - спостережуване в багатьох тканинах більш-менш синхронне поділ сусідніх клітин.
Цитоплазма
У цитоплазмі є внутрішні мембрани, подібні до зовнішньої і утворюють органели різного типу. Ці мембрани можна розглядати як складки зовнішньої мембрани; іноді внутрішні мембрани складають єдине ціле з зовнішньої, але часто внутрішня складка отшнуровивается, і контакт з зовнішньою мембраною переривається. Проте навіть у разі збереження контакту внутрішня і зовнішня мембрани не завжди хімічно ідентичні. Особливо розрізняється склад мембранних білків у різних клітинних органелах.
Ендоплазматичний ретикулум. Складена з канальців і бульбашок мережу внутрішніх мембран тягнеться від поверхні клітини до ядра. Ця мережа називається ендоплазматичним ретикулумом. Часто відзначалося, що канальці відкриваються на поверхні клітини, і ендоплазматичний ретикулум, таким чином, відіграє роль мікроциркуляторного апарату, через який зовнішнє середовище може безпосередньо взаємодіяти з усім вмістом клітини. Така взаємодія було виявлено в деяких клітинах, зокрема в м'язових, але поки не ясно, чи є воно універсальним. У всякому разі транспорт ряду речовин за цим канальцям з однієї частини клітини до іншої дійсно відбувається.
Крихітні тільця, звані рибосомами, покривають поверхню ендоплазматичного ретикулума, особливо поблизу ядра. Діаметр рибосом ок. 15 нм, вони складаються наполовину з білків, наполовину з рибонуклеїнових кислот. Їх основна функція - синтез білків; до їх поверхні прикріплюються матрична (інформаційна) РНК і амінокислоти, пов'язані з транспортними РНК. Ділянки ретикулума, вкриті рибосомами, називають шорстким ендоплазматичним ретикулумом, а позбавлені їх - гладким. Крім рибосом, на ЕПР адсорбовані або іншим чином до нього приєднані різні ферменти, у тому числі системи ферментів, що забезпечують використання кисню для утворення стеролів і для знешкодження деяких отрут. У несприятливих умовах ендоплазматичний ретикулум швидко дегенерує, і тому його стан служить чутливим індикатором здоров'я клітини.
Апарат Гольджі. Апарат Гольджі (комплекс Гольджі) - це спеціалізована частина ендоплазматичного ретикулуму, що складається із зібраних в стопки плоских мембранних мішечків. Він бере участь у секреції клітиною білків (у ньому відбувається упаковка секретується білків у гранули) і тому особливо розвинений у клітинах, що виконують секреторну функцію. До важливих функцій апарату Гольджі відноситься також приєднання вуглеводних груп до білків і використання цих білків для побудови клітинної мембрани і мембрани лізосом. У деяких водоростей в апараті Гольджі здійснюється синтез волокон целюлози.
Лізосоми - це маленькі, оточені одинарної мембраною бульбашки. Вони відокремлюються від апарату Гольджі і, можливо, від ендоплазматичного ретикулума. Лізосоми містять різноманітні ферменти, які розщеплюють великі молекули, зокрема білкові. З-за свого руйнівної дії ці ферменти як би «замкнуті» у лізосомах і вивільняються тільки в міру потреби. Так, при внутрішньоклітинному травленні ферменти виділяються з лізосом у травні вакуолі. Лізосоми бувають необхідні і для руйнування клітин; наприклад, під час перетворення пуголовка в доросле жабу вивільнення лізосомних ферментів забезпечує руйнування клітин хвоста. У даному випадку це нормально і корисно для організму, але іноді таке руйнування клітин носить патологічний характер. Наприклад, при вдиханні азбестового пилу вона може проникнути в клітини легенів, і тоді відбувається розрив лізосом, руйнування клітин і розвивається легеневе захворювання.
Мітохондрії та хлоропласти. Мітохондрії - відносно великі мішкоподібні освіти з досить складною структурою. Вони складаються з матриксу, оточеного внутрішньою мембраною, міжмембранну простору і зовнішньої мембрани. Внутрішня мембрана складена в складки, звані кристами. На кристах розміщуються скупчення білків. Багато хто з них - ферменти, що каталізують окислення продуктів розпаду вуглеводів; інші каталізують реакції синтезу та окислення жирів. Допоміжні ферменти, які беруть участь у цих процесах, розчинені в матриксі мітохондрій.
У мітохондріях протікає окислення органічних речовин, поєднане з синтезом аденозинтрифосфату (АТФ). Розпад АТФ з утворенням аденозиндифосфату (АДФ) супроводжується виділенням енергії, яка витрачається на різні процеси життєдіяльності, наприклад на синтез білків і нуклеїнових кислот, транспорт речовин всередину клітини і з неї, передачу нервових імпульсів або м'язове скорочення. Мітохондрії, таким чином, є енергетичними станціями, переробними «паливо» - жири і вуглеводи - в таку форму енергії, яка може бути використана клітиною, а отже, і організмом в цілому.
Рослинні клітини теж містять мітохондрії, але основне джерело енергії для yіх клітин - світло. Світлова енергія використовується цими клітинами для утворення АТФ і синтезу вуглеводів з діоксиду вуглецю і води. Хлорофіл - пігмент, який акумулює світлову енергію, - знаходиться в хлоропластах. Хлоропласти, подібно мітохондрій, мають внутрішню і зовнішню мембрани. З виростів внутрішньої мембрани в процесі розвитку хлоропластів виникають т.зв. тилакоїдних мембрани; останні утворюють сплощені мішечки, зібрані в стопки зразок стовпчика монет; ці стопки, так звані грани, містять хлорофіл. Крім хлорофілу, в хлоропластах є і всі інші компоненти, необхідні для фотосинтезу.
Деякі спеціалізовані хлоропласти не здійснюють фотосинтез, а несуть інші функції, наприклад забезпечують запасання крохмалю або пігментів.
Відносна автономія. У деяких відносинах мітохондрії і хлоропласти ведуть себе як автономні організми. Наприклад, так само, як і самі клітини, які виникають тільки з клітин, мітохондрії і хлоропласти утворюються тільки з предсуществующих мітохондрій і хлоропластів. Це було продемонстровано в дослідах на рослинних клітинах, у яких освіта хлоропластів придушували антибіотиком стрептоміцином, і на клітинах дріжджів, де освіта мітохондрій придушували іншими препаратами. Після таких впливів клітини вже ніколи не відновлювали відсутні органели. Причина в тому, що мітохондрії і хлоропласти містять певну кількість власного генетичного матеріалу (ДНК), який кодує частина їх структури. Якщо ця ДНК втрачається, що і відбувається при придушенні освіти органел, то структура не може бути відтворена. Обидва типи органел мають свою власну білок-синтезуючу систему (рибосоми і транспортні РНК), яка дещо відрізняється від основної білок-синтезуючої системи клітини; відомо, наприклад, що білок-синтезує система органел може бути пригнічена за допомогою антибіотиків, тоді як на основну систему вони не діють.
ДНК органел відповідальна за основну частину позахромосомних, або цитоплазматичної, спадковості. Позахромосомних спадковість не підпорядковується Менделя законам, так як при діленні клітини ДНК органел передається дочірнім клітинам іншим шляхом, ніж хромосоми. Вивчення мутацій, які відбуваються в ДНК органел і ДНК хромосом, показало, що ДНК органел відповідає лише за малу частину структури органел; більшість їх білків закодовані в генах, розташованих в хромосомах.
Часткова генетична автономія розглянутих органел та особливості їх білок-синтезуючих систем послужили основою для припущення, що мітохондрії і хлоропласти походять від симбіотичних бактерій, які оселилися в клітинах 1-2 млрд. років тому. Сучасним прикладом такого симбіозу можуть служити дрібні фотосинтезуючі водjрослі, які живуть усередині клітин деяких коралів і молюсків. Водорості забезпечують своїх господарів киснем, а від них одержують живильні речовини.
Фібрилярні структури. Цитоплазма клітини являє собою в'язку рідину, тому можна очікувати, що через поверхневого натягу клітина повинна мати сферичну форму, за винятком тих випадків, коли клітини щільно упаковані. Проте зазвичай цього не спостерігається. Багато найпростіші мають щільні покриви або оболонки, які надають клітині певну, несферичних форму. Проте навіть без оболонки клітини можуть підтримувати несферичних форму через те, що цитоплазма структурується за допомогою численних, досить жорстких, паралельно розташованих волокон. Останні утворені порожнистими мікротрубочками, які складаються з білкових одиниць, організованих у вигляді спіралі.
Деякі найпростіші утворюють псевдоподии - довгі тонкі цитоплазматичні вирости, якими вони захоплюють їжу. Псевдоподии зберігають свою форму завдяки жорсткості мікротрубочок. Якщо гідростатичний тиск зростає приблизно до 100 атмосфер, мікротрубочки розпадаються і клітина набуває форму краплі. Коли ж тиск повертається до норми, знову йде збірка мікротрубочок і клітина утворює псевдоподии. Подібним чином на зміну тиску реагують і багато інші клітини, що подверждаєт участь мікротрубочок у збереженні форми клітини. Збирання і розпад мікротрубочок, необхідні для того, щоб клітина могла швидко змінювати форму, відбуваються і під час відсутності змін тиску.
З мікротрубочок формуються також фібрилярні структури, що служать органами руху клітини. У деяких клітин є бічевідние вирости, звані джгутиками, або ж вії - їх биття забезпечує рух клітини у воді. Якщо клітка нерухома, ці структури женуть воду, частинки їжі та інші частинки до клітини або від клітини. Джгутики відносно великі, і звичайно клітина має тільки один, зрідка кілька джгутиків. Реснички набагато дрібніше і покривають всю поверхню клітини. Хоча ці структури властиві головним чином найпростішим, вони можуть бути присутніми і у високоорганізованих форм. У людському організмі віями вистелені всі дихальні шляхи. Потрапляють у них невеликі частинки звичайно уловлюються слизом на клітинній поверхні, і вії просувають їх разом зі слизом назовні, захищаючи таким чином легені. Чоловічі статеві клітини більшості тварин і деяких нижчих рослин рухаються за допомогою джгутика.
Існують і інші типи клітинного руху. Один з них - амебоідному рух. Амеба, а також деякі клітини багатоклітинних організмів «перетікають» з місця на місце, тобто рухаються за рахунок струму вмісту клітини. Постійний струм речовини існує і всередині рослинних клітин, однак він не тягне за собою пересування клітини в цілому. Найбільш вивчений тип клітинного руху - скорочення м'язових клітин; воно здійснюється шляхом ковзання фібрил (білкових ниток) відносно один одного, що призводить до вкорочення клітини.
Ядро
Ядро оточене подвійною мембраною. Дуже вузьке (близько 40 нм) простір між двома мембранами називається перинуклеарних. Мембрани ядра переходять у мембрани ендоплазматичного ретикулуму, а перинуклеарний простір відкривається в ретикулярне. Зазвичай ядерна мембрана має дуже вузькі пори. Мабуть, через них здійснюється перенесення великих молекул, таких, як інформаційна РНК, що синтезується на ДНК, а потім надходить у цитоплазму.
Основна частина генетичного матеріалу знаходиться в хромосомах клітинного ядра. Хромосоми складаються з довгих ланцюгів двуспіральной ДНК, до якої прикріплюються основні (тобто володіють лужними властивостями) білки. Іноді в хромосомах є кілька ідентичних ланцюгів ДНК, що лежать поруч один з одним, - такі хромосоми називаються політенні (многонітчатимі). Число хромосом у різних видів неоднаково. Диплоїдні клітини тіла людини містять 46 хромосом, або 23 пари.
У неделящейся клітці хромосоми прикріплені в одній або декількох точках до ядерній мембрані. У звичайному неспіралізованном стані хромосоми настільки тонкі, що не видно в світловий мікроскоп. На певних локусах (дільницях) однієї або декількох хромосом формується присутнє в ядрах більшості клітин щільне тільце - т.зв. ядерце. У ядерцях відбувається синтез і накопичення РНК, використовуваної для побудови рибосом, а також деяких інших типів РНК.
Поділ клітини
Хоча всі клітини з'являються шляхом ділення попередньої клітини, не всі вони продовжують ділитися. Наприклад, нервові клітини мозку, один раз виникнувши, вже не діляться. Їх кількість поступово зменшується; пошкоджені тканини мозку не здатні відновлюватися шляхом регенерації. Якщо ж клітини продовжують ділитися, то їм притаманний клітинний цикл, що складається з двох основних стадій: інтерфази і мітозу.
Сама інтерфаза складається з трьох фаз: G1, S і G2. Нижче вказана їх тривалість, типова для рослинних і тваринних клітин.
G1 (4-8 год). Це фаза починається відразу після народження клітини. Протягом фази G1 клітина, за винятком хромосом (які не змінюються), збільшує свою масу. Якщо клітина надалі не ділиться, то залишається в цій фазі.
S (6-9 год). Маса клітини продовжує збільшуватися, і відбувається подвоєння (дуплікація) хромосомної ДНК. Тим не менш хромосоми залишаються одинарними за структурою, хоча і подвоєними за масою, тому що дві копії кожної хромосоми (хроматиди) все ще з'єднані один з одним по всій довжині.
G2. Маса клітини продовжує збільшуватися до тих пір, поки вона приблизно вдвічі не перевищить початкову, а потім настає мітоз.
Мітоз
Після того як хромосоми подвоїлися, кожна з дочірніх клітин повинна отримати повний набір хромосом. Просте ділення клітини не може цього забезпечити - такий результат досягається за допомогою процесу, званого митозом. Якщо не вдаватися в деталі, то початком цього процесу слід вважати вибудовування хромосом в екваторіальній площині клітини. Потім кожна хромосома поздовжньо розщеплюється на дві хроматиди, які починають розходитися в протилежних напрямках, стаючи самостійними хромосомами. У підсумку на двох кінцях клітини розташовується по повному набору хромосом. Далі клітина ділиться на дві, і кожна дочірня клітка одержує повний набір хромосом.
Нижче наводиться опис мітозу в типової тваринної клітини. Його прийнято розділяти на чотири стадії.
I. Профаза. Особлива клітинна структура - центриоль - подвоюється (іноді це подвоєння відбувається в S-періоді інтерфази), і дві центріолі починають розходитися до протилежних полюсів ядра. Ядерна мембрана руйнується; одночасно спеціальні білки об'єднуються (агрегує), формуючи мікротрубочки у вигляді ниток. Центріолі, розташовані тепер на протилежних полюсах клітини, надають організуючий вплив на мікротрубочки, які в результаті шикуються радіально, утворюючи структуру, що нагадує за зовнішнім виглядом квітка айстри («зірка»). Інші нитки з мікротрубочок простягаються від однієї центріолі до іншої, утворюючи т.зв. веретено поділу. У цей час хромосоми знаходяться в спіраль стані, нагадуючи пружину. Вони добре видно в світловому мікроскопі, особливо після фарбування. У профазі хромосоми розщеплюються, але хроматиди все ще залишаються скріпленими попарно в зоні центромери - хромосомної органели, схожої по функціях з центріолі. Центромери теж роблять організуючий вплив на нитки веретена, які тепер тягнуться від центріолі до Центромера і від неї до іншої центріолі.
II. Метафаза. Хромосоми, до цього моменту розташовані безладно, починають рухатися, як би їх вабить нитками веретена, прикріпленими до їх центромери, і поступово вибудовуються в одній площині в певному положенні і на рівній відстані від обох полюсів. Що лежать в одній площині центромери разом з хромосомами утворюють т.зв. екваторіальну пластинку. Центромери, що з'єднують пари хроматид, діляться, після чого сестринські хромосоми повністю роз'єднуються.
III. Анафаза. Хромосоми кожної пари рухаються у протилежних напрямках до полюсів, їх як би тягнуть нитки веретена. При цьому утворюються нитки і між центромерами парних хромосом.
IV. Телофаза. Як тільки хромосоми наближаються до протилежних полюсів, сама клітина починає ділитися вздовж площини, в якій знаходилася екваторіальна платівка. У результаті утворюються дві клітини. Нитки веретена руйнуються, хромосоми розкручуються і стають невидимими, навколо них формується ядерна мембрана. Клітини повертаються у фазу G1 інтерфази. Весь процес мітозу займає близько години.
Деталі мітозу кілька варіюють у різних типах клітин. У типовій рослинній клітині утворюється веретено, але відсутні центріолі. У грибів мітоз відбувається всередині ядра, без попереднього розпаду ядерної мембрани.
Розподіл самої клітини, зване цитокінез, не має жорсткого зв'язку з митозом. Іноді один або кілька мітозів проходять без клітинного ділення; в результаті утворюються багатоядерні клітини, що часто зустрічаються у водоростей. Якщо з яйцеклітини морського їжака видалити шляхом мікроманіпуляцій ядро, то веретено після цього продовжує формуватися і яйцеклітина продовжує ділитися. Це показує, що наявність хромосом не є необхідною умовою для поділу клітини.
Розмноження за допомогою мітозу називають безстатевим розмноженням, вегетативним розмноженням або клонуванням. Його найбільш важливий аспект - генетичний: при такому розмноженні не відбувається розбіжності спадкових факторів у потомства. Утворені дочірні клітини генетично в точності такі ж, як і материнська. Мітоз - це єдиний спосіб самовідтворення у видів, які не мають статевого розмноження, наприклад у багатьох одноклітинних. Проте навіть у видів з статевим розмноженням клітини тіла діляться за допомогою мітозу і походять від однієї клітини - заплідненого яйця, а тому всі вони генетично ідентичні. Вищі рослини можуть розмножуватися безстатевим шляхом (за допомогою мітозу) саджанцями та вусами (відомий приклад - полуниця).
Мейоз
Статеве розмноження організмів здійснюється за допомогою спеціалізованих клітин, т.зв. гамет, - яйцеклітини (яйця) і спермия (сперматозоїда). Гамети, зливаючись, утворюють одну клітку - зиготу. Кожна гамета гаплоидная, тобто має по одному набору хромосом. Всередині набору всі хромосоми різні, проте кожній хромосомі яйцеклітини відповідає одна з хромосом спермия. Зигота, таким чином, містить уже пару таких відповідних один одному хромосом, які називають гомологічними. Гомологічні хромосоми подібні, оскільки мають одні і ті ж гени або їх варіанти (алелі), які визначають специфічні ознаки. Наприклад, одна з парних хромосом може мати ген, що кодує групу крові А, а інша - його варіант, який кодує групу крові В. Хромосоми зиготи, що відбуваються з яйцеклітини, є материнськими, а походять з спермия - батьківськими.
У результаті багаторазових мітотичних поділів з утвореної зиготи виникає або багатоклітинний організм, або численні вільноживучі клітини, як це відбувається у володіють статевим розмноженням найпростіших і в одноклітинних водоростей.
При утворенні гамет диплоїдний набір хромосом, що була у зиготи, повинен наполовину зменшитися (редукувати). Якби цього не відбувалося, то в кожному поколінні злиття гамет призводило б до подвоєння набору хромосом. Редукція до гаплоїдного числа хромосом відбувається в результаті редукційного поділу - т.зв. мейозу, який представляє собою варіант мітозу.
Розщеплення і рекомбінація. Особливість мейозу полягає в тому, що при клітинному розподілі екваторіальну пластинку утворюють пари гомологічних хромосом, а не подвоєні індивідуальні хромосоми, як при мітозі. Парні хромосоми, кожна з яких залишилася одинарної, розходяться до протилежних полюсів клітини, клітина ділиться, і в результаті дочірні клітини отримують половинний, порівняно з зиготи, набір хромосом.
Для прикладу припустимо, що гаплоїдний набір складається з двох хромосом. У зиготі (і відповідно у всіх клітинах організму, яка продукує гамети) присутні материнські хромосоми А і В і батьківські А 'і В'. Під час мейозу вони можуть розділитися наступним чином:
Найбільш важливий у цьому прикладі той факт, що при розбіжності хромосом зовсім не обов'язково утворюється вихідний материнський і батьківський набір, а можлива рекомбінація генів, як у гаметах АВ 'і А'В у наведеній схемі.
Тепер припустимо, що пара хромосом АА 'містить два алелі - a і b - гена, що визначає групи крові А і В. Подібним чином пара хромосом ВВ' містить алелі m і n іншого гена, що визначає групи крові M і N. Поділ цих алелей може йти наступним чином:
Очевидно, що вийшли гамети можуть містити будь-яку з наступних комбінацій алелів двох генів: am, bn, bm або an.
Якщо є більша кількість хромосом, то пари алелей будуть розщеплюватися незалежно за тим же принципом. Це означає, що одні й ті ж зиготи можуть продукувати гамети з різними комбінаціями алелей генів і давати початок різним генотипу у потомстві.
Мейотичний поділ. Обидва наведених приклади ілюструють принцип мейозу. Насправді мейоз - значно складніший процес, так як включає два послідовних розподілу. Головне в мейозі те, що хромосоми подвоюються тільки один раз, тоді як клітина ділиться двічі, в результаті чого відбувається редукція числа хромосом і диплоїдний набір перетворюється на гаплоїдний.
Під час профази першого поділу гомологічні хромосоми кон'югують, тобто зближуються попарно. У результаті цього дуже точного процесу кожен ген виявляється навпроти свого гомолога на інший хромосомі. Обидві хромосоми потім подвоюються, але хроматиди залишаються пов'язаними одна з одною загальною центромерой.
У метафазі чотири з'єднані хроматиди шикуються, утворити екваторіальну пластинку, як якщо б вони були однією подвоєною хромосомою. На противагу тому, що відбувається при мітозі, центромери не діляться. У результаті кожна дочірня клітка одержує пару хроматид, все ще пов'язаних цетромерой. Під час другого поділу хромосоми, вже індивідуальні, знову шикуються, утворюючи, як і в мітозі, екваторіальну пластинку, але їх подвоєння при цьому поділі не відбувається. Потім центромери діляться, і кожна дочірня клітка одержує одну хроматид.
Розподіл цитоплазми. У результаті двох мейотичних поділів диплоїдної клітини утворюються чотири клітини. При утворенні чоловічих статевих клітин виходить чотири спермия приблизно однакових розмірів. При утворенні ж яйцеклітин поділ цитоплазми відбувається дуже нерівномірно: одна клітина залишається великою, тоді як інші три настільки малі, що їх майже повністю займає ядро. Ці дрібні клітини, т.зв. полярні тільця, служать лише для розміщення надлишку хромосом, що утворилися в результаті мейозу. Основна частина цитоплазми, необхідної для зиготи, залишається в одній клітці - яйцеклітини.
Кон'югація і кросинговер. Під час кон'югації хроматиди гомологічних хромосом можуть розриватися і потім з'єднуватися в новому порядку, обмінюючись ділянками наступним чином:
Цей обмін ділянками гомологічних хромосом називається кросинговером (перекрестом). Як показано вище, кросинговер веде до виникнення нових комбінацій алелів зчеплених генів. Так, якщо вихідні хромосоми мали комбінації АВ і ab, то після кросинговеру вони будуть містити Ab і aB. Цей механізм появи нових генних комбінацій доповнює ефект незалежної сортування хромосом, що відбувається в ході мейозу. Різниця полягає в тому, що кросинговер поділяє гени однієї і тієї ж хромосоми, тоді як незалежна сортування розділяє тільки гени різних хромосом.
Чергування поколінь
У принципі, і гаплоїдні, і диплоїдні клітини здатні розмножуватися за допомогою мітозу і давати початок дорослим особинам. Однак у більшості тварин, включаючи людину, тільки диплоїдні клітини, що виникли в результаті поділу зиготи, формують дорослу особину. В наземних рослин таку функцію виконують і гаплоїдні, і диплоїдні клітини. Оскільки при цьому гаплоидное покоління чергується з диплоїдним, дане явище отримало назву чергування поколінь. У мохів і мохоподібних (Bryophyta) домінантним є гаплоидное покоління, хоча диплоидное теж досить добре розвинене і зазвичай паразитує на гаплоидном. У вищих наземних рослин (Tracheophyta) диплоидное покоління домінує, а гаплоидное дуже зредуковано і представлено пилком і семяпочками.
Примітивні клітини: прокаріоти
Все викладене вище відноситься до клітин рослин, тварин, найпростіших і одноклітинних водоростей, в сукупності званих еукаріотів. Еукаріоти еволюціонували з більш простої форми - прокаріотів, які в даний час представлені бактеріями, включаючи архей і ціанобактерій (останніх раніше називали синьозеленими водоростями). У порівнянні з клітинами еукаріотів прокаріотів клітини дрібніше і мають менше клітинних органел. У них є клітинна мембрана, але відсутній ендоплазматичний ретикулум, а рибосоми вільно плавають у цитоплазмі. Мітохондрії відсутні, але окисні ферменти зазвичай прикріплені до клітинної мембрани, яка таким чином стає еквівалентом мітохондрій. Прокаріоти позбавлені також хлоропластів, а хлорофіл, якщо він є, є у вигляді дуже дрібних гранул.
Прокаріоти не мають оточеного мембраною ядра, хоча місце розташування ДНК можна виявити за його оптичної щільності. Еквівалентом хромосоми служить ланцюжок ДНК, зазвичай кільцева, з набагато меншою кількістю прикріплених білків. Ланцюжок ДНК в одній точці прикріплюється до клітинної мембрани. Мітоз у прокаріотів відсутня. Його замінює наступний процес: ДНК подвоюється, після чого клітинна мембрана починає рости між сусідніми точками прикріплення двох копій молекули ДНК, які в результаті цього поступово розходяться. У кінцевому результаті клітина ділиться між точками прикріплення молекул ДНК, утворюючи дві клітини, кожна зі своєю копією ДНК.
Диференціація клітини
Багатоклітинні рослини і тварини еволюціонували з одноклітинних організмів, клітини яких після поділу залишалися разом, утворюючи колонію. Спочатку всі клітки були ідентичними, але подальша еволюція породила диференціювання. У першу чергу диференціювалися соматичні клітини (тобто клітини тіла) і статеві клітини. Далі диференціювання ускладнювалася - виникало все більше різних клітинних типів. Онтогенез - індивідуальний розвиток багатоклітинного організму - повторює в загальних рисах цей еволюційний процес (філогенез).
Фізіологічно клітини диференціюються частково за рахунок посилення тієї чи іншої особливості, загальною для всіх клітин. Наприклад, в м'язових клітинах посилюється скорочувальна функція, що може бути результатом вдосконалення механізму, що здійснює амебоідному чи іншого типу рух в менш спеціалізованих клітинах. Аналогічний приклад - тонкостінні клітини кореня з їх відростками, т.зв. кореневими волосками, які служать для всмоктування солей і води; в тій чи іншій мірі ця функція властива будь-яким клітинам. Іноді спеціалізація пов'язана з придбанням нових структур і функцій - прикладом може бути розвиток локомоторного органу (джгутика) у сперматозоїдів.
Диференціація на клітинному або тканинному рівні вивчена досить докладно. Ми знаємо, наприклад, що іноді вона протікає автономно, тобто один тип клітини може перетворюватися в інший незалежно від того, до якого типу клітин відносяться сусідні. Однак часто спостерігається т.зв. ембріональна індукція - явище, при якому один тип тканини стимулює клітини іншого типу диференціюватися в заданому напрямку.
У загальному випадку диференціювання незворотна, тобто високодиференційовані клітини не можуть перетворюватися в клітини іншого типу. Тим не менше це не завжди так, особливо в рослинних клітин.
Відмінності в структурі і функціях в кінцевому рахунку визначаються тим, які типи білків синтезуються в клітині. Оскільки синтезом білків керують гени, а набір генів у всіх клітинах тіла однаковий, диференціювання повинна залежати від активації або інактивації тих чи інших генів у різних типах клітин. Регуляція активності генів відбувається на рівні транскрипції, тобто освіти інформаційної РНК з використанням ДНК в якості матриці. Тільки транскрибоване гени виробляють білки. Синтезовані білки можуть блокувати транскрипцію, але іноді і активують її. Крім того, оскільки білки є продуктами генів, одні гени можуть контролювати транскрипцію інших генів. У регуляції транскрипції беруть участь також гормони, зокрема стероїдні. Дуже активні гени можуть багаторазово дуплицировать (подвоюватися) для виробництва більшої кількості інформаційної РНК.
Розвиток злоякісних утворень часто розглядалося як особливий випадок клітинної диференціювання. Однак поява злоякісних клітин є результатом зміни структури ДНК (мутації), а не процесів транскрипції і трансляції в білок нормальної ДНК.
Методи вивчення клітини
Світловий мікроскоп. У вивченні клітинної форми і структури першим інструментом був світловий мікроскоп. Його роздільна здатність обмежена розмірами, порівнянними з довжиною світлової хвилі (0,4-0,7 мкм для видимого світла). Однак багато елементів клітинної структури значно менше по розмірах.
Інша складність полягає в тому, що більшість клітинних компонентів прозорі і коефіцієнт заломлення у них майже такий же, як у води. Для поліпшення видимості часто використовують барвники, що мають різний спорідненість до різних клітинним компонентів. Фарбування застосовують також для вивчення хімії клітини. Наприклад, деякі барвники зв'язуються переважно з нуклеїновими кислотами і тим самим виявляють їх локалізацію в клітині. Невелика частина барвників - їх називають прижиттєвими - може бути використана для фарбування живих клітин, але зазвичай клітини повинні бути попередньо зафіксовані (за допомогою речовин, що коагулюють білок) і тільки після цього можуть бути пофарбовані.
Перед проведенням дослідження клітини або шматочки тканини зазвичай заливають у парафін або пластик і потім ріжуть на дуже тонкі зрізи за допомогою мікротому. Такий метод широко використовується в клінічних лабораторіях для виявлення пухлинних клітин. Крім звичайної світлової мікроскопії розроблено й інші оптичні методи вивчення клітини: флуоресцентна мікроскопія, фазово-контрастна мікроскопія, спектроскопія та рентгеноструктурний аналіз.
Електронний мікроскоп. Електронний мікроскоп має роздільну здатність ок. 1-2 нм. Цього достатньо для вивчення великих білкових молекул. Зазвичай необхідно фарбування і контрастування об'єкта солями металів або металами. З цієї причини, а також тому, що об'єкти досліджуються у вакуумі, за допомогою електронного мікроскопа можна вивчати тільки вбиті клітини.
Авторадіографія. Якщо додати в середу радіоактивний ізотоп, що поглинається клітинами в процесі метаболізму, то його внутрішньоклітинну локалізацію можна потім виявити за допомогою авторадіографії. При використанні цього методу тонкі зрізи клітин поміщають на плівку. Плівка темніє під тими місцями, де знаходяться радіоактивні ізотопи.
Центрифугування. Для біохімічного вивчення клітинних компонентів клітини необхідно зруйнувати - механічно, хімічно або ультразвуком. Вивільнені компоненти виявляються в рідині в підвішеному стані і можуть бути виділені і очищені за допомогою центрифугування (найчастіше - в градієнті щільності). Зазвичай такі очищені компоненти зберігають високу біохімічну активність.
Клітинні культури. Деякі тканини вдається розділити на окремі клітини так, що клітини при цьому залишаються живими і часто здатні до розмноження. Цей факт остаточно підтверджує уявлення про клітину як одиниці живого. Губку, примітивний багатоклітинний організм, можна розділити на клітини шляхом протирання крізь сито. Через деякий час ці клітини знов з'єднуються і утворюють губку. Ембріональні тканини тварин можна змусити диссоциировать за допомогою ферментів або іншими способами, що послабляють зв'язки між клітинами.
Американський ембріолог Р. Гаррісон (1879-1959) першим показав, що ембріональні і навіть деякі зрілі клітини можуть рости і розмножуватися поза тілом у відповідній середовищі. Ця техніка, звана культивуванням клітин, була доведена до досконалості французьким біологом А. Карреля (1873-1959). Рослинні клітини теж можна вирощувати в культурі, однак у порівнянні з тваринами клітинами вони утворюють великі скупчення і міцніше прикріплюються один до одного, тому в процесі росту культури утворюються тканини, а не окремі клітини. У клітинній культурі з окремої клітини можна виростити ціле дорослу рослину, наприклад моркву.
Мікрохірургія. За допомогою мікроманіпулятори окремі частини клітини можна видаляти, додавати або якимось чином видозмінювати. Велику клітку амеби вдається розділити на три основних компоненти - клітинну мембрану, цитоплазму і ядро, а потім ці компоненти можна знову зібрати і отримати живу клітину. Таким шляхом можуть бути отримані штучні клітини, що складаються з компонентів різних видів амеб.
Якщо взяти до уваги, що деякі клітинні компоненти представляється можливим синтезувати штучно, то досліди по збірці штучних клітин можуть виявитися першим кроком на шляху до створення в лабораторних умовах нових форм життя. Оскільки кожен організм розвивається з однієї єдиної клітини, метод отримання штучних клітин в принципі дозволяє конструювати організми заданого типу, якщо при цьому використовувати компоненти, що трохи відрізняються від тих, які є в нині існуючих клітин. У дійсності, однак, повного синтезу всіх клітинних компонентів не вимагається. Структура більшості, якщо не всіх компонентів клітини, визначається нуклеїновими кислотами. Таким чином, проблема створення нових організмів зводиться до синтезу нових типів нуклеїнових кислот і заміні ними природних нуклеїнових кислот в певних клітинах.
Злиття клітин. Інший тип штучних клітин може бути отриманий в результаті злиття клітин одного або різних видів. Щоб добитися злиття, клітини піддають дії вірусних ферментів; при цьому зовнішні поверхні двох клітин склеюються разом, а мембрана між ними руйнується, і утворюється клітина, в якій два набори хромосом укладені в одному ядрі. Можна злити клітини різних типів або на різних стадіях розподілу. Використовуючи цей метод, вдалося отримати гібридні клітини миші і курчати, людини і миші, людини і жаби. Такі клітини є гібридними лише спочатку, а після численних клітинних поділів втрачають більшість хромосом або одного, або іншого виду. Кінцевий продукт стає, наприклад, по суті клітиною миші, де людські гени відсутні або є лише в незначній кількості. Особливий інтерес представляє злиття нормальних і злоякісних клітин. У деяких випадках гібриди стають злоякісними, в інших немає, тобто обидві властивості можуть виявлятися і як домінантні, і як рецесивні. Цей результат не є несподіваним, оскільки злоякісність може викликатися різними чинниками і має складний механізм.
Список літератури
Хем А., Кормак Д. Гістологія, т. 1. М., 1982
Албертс Б., Брей Д., Льюс Дж., Рефф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярна біологія клітини, т. 1. М., 1994