Клетка-структурная единица живого организма

Клеточный центр — образование, до сих пор описанное только в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух центриолей, строение каждой из которых представляет собой цилиндрик размером до 1 мкм. Центриоли играют важную роль в митотическом делении клеток. Кроме описанных постоянных структурных образований, в цитоплазме различных клеток периодически появляются те или иные включения. Это капельки жира, крахмальные зерна, кристаллики белков особой формы (алейроновые зерна) и др. В большом количестве такие включения встречаются в клетках запасающих тканей. Однако и в клетках других тканей такие включения могут существовать как временный резерв питательных веществ.

Ядро, как и цитоплазма с наружной мембраной,— обязательный компонент подавляющего большинства клеток. Лишь у некоторых бактерий, при рассмотрении строения их клеток, не удалось выявить структурно оформленного ядра, но в их клетках обнаружены все химические вещества, присущие ядрам других организмов. Нет ядер в некоторых специализированных клетках, потерявших способность делиться (эритроциты млекопитающих, ситовидные трубки флоэмы растения). С другой стороны, существуют многоядерные клетки. Ядро играет очень важную роль в синтезе белков-ферментов, в передаче наследственной информации из поколения в поколение, в процессах индивидуального развития организма.

Ядро неделящейся клетки имеет ядерную оболочку. Она состоит из двух трехслойных мембран. Наружная мембрана связана через эндоплазматическуго сеть с клеточной мембраной. Через всю эту систему осуществляется постоянный обмен веществами между цитоплазмой, ядром и средой, окружающей клетку. Кроме того, в оболочке ядра есть поры, через которые также осуществляется связь ядра с цитоплазмой. Внутри ядро заполнено ядерным соком, в котором находятся глыбки хроматина, ядрышко и рибосомы. Хроматин образован белком и ДНК. Это тот материальный субстрат, который перед делением клетки оформляется в хромосомы, видимые в световом микроскопе.

Хромосомы — постоянные по числу и форме образования, одинаковые для всех организмов данного вида. Перечисленные выше функции ядра в первую очередь связаны с хромосомами, а точнее — с ДНК, входящей в их состав.

Ядрышко в количестве одного или нескольких присутствует в ядре неделящейся клетки и хорошо видно в световом микросколе. В момент деления клетки оно исчезает. В самое последнее время выяснена огромная роль ядрышка: в нем формируются рибосомы, которые затем из ядра поступают в цитоплазму и там осуществляют синтез белков.

Все сказанное в равной мере относится и к клеткам животных, и к клеткам растений. В связи со спецификой обмена веществ, роста и развития растении и животных в строении клеток тех и других имеются дополнительные структурные особенности, отличающие растительные клетки от клеток животных. Подробнее об этом написано в разделах «Ботаника» и «Зоология»; здесь же отметим лишь самые общие различия.

Клеткам животных, кроме перечисленных составных частей, в строении клетки, присущи особые образования — лизосомы. Это ультрамикроскопические пузырьки в цитоплазме, наполненные жидкими пищеварительными ферментами. Лизосомы осуществляют функцию расщепления веществ пищи на более простые химические вещества. Есть отдельные указания, что лизосомы встречаются и в растительных клетках.              Самые характерные структурные элементы растительных клеток (кроме тех общих, которые присущи всем клеткам) — пластиды. Они существуют в трех формах: зеленые хлоропласты, красно-оранжево-желтые хромопласты и бесцветные лейкопласты. Лейкопласты при определенных условиях могут превращаться в хлоропласты (позеленение клубня картофеля), а хлоропласты в свою очередь могут становиться хромопластами (осеннее пожелтение листьев).

Хлоропласты  представляют собой «фабрику» первичного   синтеза   органических веществ из неорганических   за счет солнечной энергии. Это небольшие тельца довольно разнообразной формы, всегда зеленого цвета благодаря присутствию хлорофилла.  Строение хлоропластов в клетке: имеют внутреннюю структуру, которая обеспечивает максимальное развитие   свободных   поверхностей. Эти поверхности создаются многочисленными тонкими пластинками,   скопления   которых находятся  внутри  хлоропласта. С поверхности хлоропласт, как и другие структурные элементы цитоплазмы, покрыт двойной мембраной. Каждая из них в свою очередь трехслойна, как и наружная мембрана клетки.

Хромопласты по своей природе близки к хлоропластам, но содержат желтые, оранжевые и другие близкие к хлорофиллу пигменты, которые обусловливают окраску плодов и цветков у растений.

В отличие от животных растения растут в течение всей жизни. Это происходит как за счет увеличения числа клеток путем деления, так и за счет увеличения размеров самих клеток. При этом большая часть строения тела клетки оказывается занятой вакуолями.

Вакуоли представляют собой расширившиеся просветы канальцев в эндоплазматической сети, наполненные клеточным соком.

Строение оболочки растительных клеток, кроме наружной мембраны, состоят дополнительно из клетчатки (целлюлозы), которая образует толстую целлюлозную стенку на периферии наружной мембраны. У специализированных клеток эти стенки часто приобретают специфические структурные усложнения.

                                          4. Типы клеточной организации

В природе существует значительное разнообразие клеток, различающихся по размерам, форме, химическим особенностям. Число же главных типов клеточной организации ограничено двумя. Выделяют прокариотический и эукариотический типы с подразделением второго на подтип, характерный для простейших организмов, и подтип, характерный для многоклеточных.

Клеткам прокариотического типа свойственны малые размеры (не более 0,5-3,0 мкм в диаметре или по длине), отсутствие обособленного ядра, так что генетический материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. В клетке отсутствует развитая система мембран. Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, которая лишена основных белков - гистонов (гистоны являются белками клеточных ядер). Благодаря значительному количеству диаминокислот аргинина и лизина гистоны имеют щелочной характер.

Различия прокариотических и эукариотических клеток по наличию гистонов указывают на разные механизмы регуляции функции генетического материала. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр. Не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение. Время, необходимое для образования двух дочерних клеток из материнской (время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. К прокариотическому типу клеток относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом - полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе.

В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму. В ядре наряду с оболочкой и ядерным соком обнаруживаются ядрышко и хроматин. Цитоплазма представлена ее основным веществом (матриксом, гиалоплазмой), в котором распределены включения и органеллы.

Высокая упорядоченность внутреннего содержимого эукариотической клетки достигается путем компартментации ее объема - подразделения на «ячейки», отличающиеся деталями химического (ферментного) состава. Компартментация способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой (лизосома) или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии).

Предложено несколько схем взаимоотношения в мембране основных химических компонентов - белков и липидов, а также веществ, размещаемых на мембранной поверхности. В настоящее время принята точка зрения, согласно которой мембрана составлена из бимолекулярного слоя липидов. Гидрофобные участки их молекул повернуты друг к другу, а гидрофильные - находятся на поверхности слоя. Разнообразные белковые молекулы встроены в этот слой или размещены на его поверхностях.

Благодаря компартментации клеточного объема в эукариотической клетке наблюдается разделение функций между разными структурами. Одновременно различные структуры закономерно взаимодействуют друг с другом.

5. Методы изучения клетки.

Методы изучения клетки:

1. Дифференциальное-центрифугирование (органеллы различной плотности выпадают в центрифуге слоями).

2. Метод меченых атомов (при изучении биохимических процессов в вещество вводят радиоактивную метку, которая сигнализирует радиоактивным излучением).

3. Микроскопирование (световой, электронный микроскопы).

Первым цитологическим методом была микроскопия живых клеток. Современные варианты прижизненной (витальной) световой микроскопии — фазово-контрастная, люминесцентная, интерференционная и др. — позволяют изучать форму клеток и общее строение некоторых её структур, движение клетки и их деление. Детали строения клетки обнаруживаются лишь после специального контрастирования, что достигается окраской убитой клетки. Новый этап изучения структуры клетки — электронная микроскопия, дающая значительно большее разрешение структур клетки по сравнению со световой микроскопией. Химический состав клетки изучается цито- и гистохимическими методами, позволяющими выяснить локализацию и концентрацию веществ в клеточных структурах, интенсивность синтеза веществ и их перемещение в клетке. Цитофизиологические методы позволяют изучать функции клетки, например возбуждение, секрецию.

Развитие знаний о клеточном строении живых организмов основывалось на данных светового микроскопирования. Человеческий глаз обладает разрешающей способностью около 100 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Это означает, что если вы смотрите на две точки, которые находятся на расстоянии менее чем 100 мкм, то они кажутся одной расплывчатой точкой. Чтобы различить более мелкие структуры, применяют оптические приборы, например микроскопы. Один из лучших световых микроскопов имеет разрешающую способность около 0,2 мкм, т. е. позволяет увеличивать исследуемый объект примерно в 1500— 2000 раз. Создать световой микроскоп с большим разрешением невозможно, потому что разрешающая способность связана с длиной волн световых лучей, а не только с качеством увеличительных стекол и другими техническими проблемами.

Разрешающая способность электронного микроскопа, изобретенного в 30-е годы XX в., почти в 400 раз больше, чем светового. В принципе электронный микроскоп устроен так же, как и световой, только роль светового пучка выполняет в нем пучок электронов, и фокусируется он не линзами, а электромагнитами. В трансмиссионном электронном микроскопе электроны проходят сквозь объект подобно тому, как в световом микроскопе сквозь объект проходит свет. Современные электронные микроскопы позволяют увеличивать тонкие структуры клетки в 200 000 раз и больше.

Сканирующий электронный микроскоп стали применять сравнительно недавно — в 50-е годы. В нем очень точно сфокусированный пучок электронов движется взад и вперед по поверхности образца. Отраженные от поверхности электроны формируют изображение наподобие того, которое возникает на экране телевизора. Преимущество этого метода заключается в том, что благодаря глубине резкости создается эффект трехмерности. Сканирующий электронный микроскоп позволяет получать превосходные фотографии, воспроизводящие в мельчайших деталях строение поверхности некоторых органелл клетки.

Современные микрохимические (цитохимические) методы анализа позволяют установить химический состав клетки и отдельных ее компонентов — ядра, митохондрий, хлоропластов, рибосом и т. д.

6. Роль и значение изучения строения клетки

Электронная микроскопия раскрыла перед нами новый мир кристаллических систем внутри живой клетки, исследования которой имеют большое значение для разгадки множества заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться патологические изменения, приводящие к возникновению заболеваний. Злокачественные изменения, приводящие к развитию раковых опухолей, возникают также на уровне клеток.

Изучение строения, химического состава, обмена веществ и всех проявлений

жизнедеятельности клеток необходимо не только в биологии, но также и в

медицине и ветеринарии.

С развитием цитологии появляется необходимость диагностики различных заболеваний при помощи цитологического метода. Основное назначение цитологического метода — получить ответ на вопрос о наличии или отсутствии злокачественного новообразования (онкоцитология). В процессе дифференциальной диагностики определяется характер патологического процесса и устанавливаются воспалительные, реактивные, пролиферативные или предраковые поражения, а также доброкачественные опухоли. Роль морфологических исследований при диагностике опухолей неуклонно возрастает, так как детальная морфологическая характеристика новообразования позволяет более обоснованно выбрать метод лечения (хирургическое, лучевое, химиотерапевтическое и их комбинацию), поскольку опухоли различного строения, происхождения и степени атипии клеток по-разному реагируют на лечение.

Несравненные преимущества перед другими методами имеет цитологическое исследование в выявлении рака начальных стадий. Развитие эндоскопической техники, ультразвуковых методов исследования в немалой степени способствовало широкому внедрению цитологического обследования в диагностике новообразований практически из всех тканей организма, в том числе и из внутренних органов, ранее недоступных внеоперационному морфологическому анализу. Свидетельством этому является цитологическая диагностика рака желудка, легкого, мочевого пузыря и других органов при отсутствии клинических, рентгенологических и эндоскопических проявлений, еще до появления обнаруживаемых этими методами признаков.