Клетка

Начиная знакомство с животным миром, необходимо сначала в самых общих чертах остановиться на строении и отправлениях клетки.

Клетка представляет собой структурную и функциональную единицу, лежащую в основе строения и развития организмов^*. В многоклеточном организме форма строения клеток в соответствии с выполняемыми ими функциями очень различна. Однако основные черты их организации свойственны как простейшим, так и многоклеточным животным и растениям. Каждая клетка состоит изцитоплазмы иядра. Оба эти компонента представляют собой единую и неделимую структурную и функциональную систему, части которой не могут существовать раздельно.

^* (Не все организмы имеют клеточное строение. Клеточная организация явилась результатом длительной эволюции, которой предшествовали неклеточные (доклеточные) формы жизни.)

Цитоплазму часто обозначают другим термином -протоплазмой. Однако многие ученые в слово "протоплазма" вкладывают иное содержание, обозначая им все живые части клетки, в том числе и ядро. Ввиду некоторой неопределенности термина "протоплазма" в дальнейшем изложении мы не будем им пользоваться.

Наука, изучающая строение и отправление клеток, называетсяцитологией. За последнее десятилетие она достигла больших успехов, что в значительной мере связано с разработкой новых методов исследования клетки.

Основным "орудием" цитологии служит микроскоп, позволяющий изучать строение клетки при увеличении в 2400-2500 раз. Клетки изучают в живом виде, а также после специальной обработки. Последняя сводится к двум основным этапам. Сначала клетки фиксируют, т. е. убивают их быстродействующими ядовитыми для клеток веществами, не разрушающими их структуры. Вторым этапом является окраска препарата. Она основана на том, что разные части клетки с разной степенью интенсивности воспринимают некоторые красители. Благодаря этому удается отчетливо выявить различные структурные компоненты клетки, которые без окраски благодаря сходному коэффициенту преломления не видны. Очень часто применяют метод изготовления срезов. Для этого ткани или отдельные клетки после специальной обработки заключают в твердую среду (парафин, целлоидин), после чего при помощи особого прибора -микротома, снабженного острой бритвой, раскладывают на тонкие срезы толщиной от 3 микрон (микрон = 0,001 мм). Фиксированные и окрашенные препараты перед изучением заключают в среду с высоким коэффициентом преломления (глицерин, канадский бальзам и др.). Благодаря этому они становятся прозрачными, что облегчает исследование препарата.

В современной цитологии разработан ряд новых методов и приемов, применение которых чрезвычайно углубило знания о строении и физиологии клетки.

Очень большое значение для изучения клетки имеет применениебиохимических ицитохимических методов. В настоящее время мы можем не только изучать строение клетки, но и определять ее химический состав и изменения его в процессе жизнедеятельности клетки. Многие из этих методов основаны на применении цветных реакций, позволяющих различать определенные химические вещества или группы веществ. Изучение распределения разных по своему химическому составу веществ в клетке путем цветных реакций представляет собой цитохимический метод. Он имеет большое значение для исследования обмена веществ и других сторон физиологии клетки.

В современной цитологии широко применяютультрафиолетовую микроскопию. Ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза, но воспринимаются фотографической пластинкой. Некоторые играющие особо важную роль в жизни клетки органические вещества (нуклеиновые кислоты) избирательно поглощают ультрафиолетовые лучи. Поэтому по снимкам, изготовленным в ультрафиолетовых лучах, можно судить о распределении нуклеиновых веществ в клетке.

Разработан ряд тонких методов, позволяющих изучать проникновение разных веществ в клетку из окружающей среды. Для этого, в частности, применяют прижизненные (витальные) красители. Это такие красящие вещества (например, нейтральный красный), которые проникают в клетку, не убивая ее. Наблюдая за живой витально окрашенной клеткой, можно судить о путях проникновения и накопления веществ в клетке.

Особенно большую роль в развитии цитологии, а также в изучении тонкого строения простейших сыграла электронная микроскопия.

Электронный микроскоп основан на ином принципе, чем световой оптический микроскоп. Объект изучают в пучке быстро летящих электронов. Длина волны электронных лучей во много тысяч раз меньше длины волны световых лучей. Это позволяет получить значительно большую разрешающую способность, т. е. гораздо большее увеличение, чем в световом микроскопе. Пучок электронов проходит сквозь изучаемый объект и затем падает на флуоресцирующий экран, на котором и проецируется изображение объекта. Чтобы объект был проницаемым для электронного пучка, он должен быть очень тонким. Обычные микротомные срезы толщиной в 3-5 мк для этого совершенно непригодны. Они полностью поглотят пучок электронов. Были созданы особые приборы - ультрамикротомы, которые позволяют получать срезы ничтожной толщины, порядка 100-300 ангстрем (ангстрем - единица длины, равная одной десятитысячной микрона). Различия в поглощении электронов разными частями клетки настолько малы, что без специальной обработки на экране электронного микроскопа они не могут быть обнаружены. Поэтому изучаемые объекты предварительно обрабатываются веществами, непроницаемыми или труднопроницаемыми для электронов. Таким веществом является четырехокись осмия (OsO₄). Она в различной степени поглощается разными частями клетки, которые благодаря этому по-разному задерживают электроны. Применяя электронный микроскоп, можно получить увеличения порядка 100 000.

Электронная микроскопия открывает новые перспективы в изучении организации клетки.

На рис. 15 и рис. 16 сопоставлена схема строения клетки, как она представлялась в двадцатых годах этого столетия и как она представляется в настоящее время.

Снаружи клетка отграничена от окружающей среды тонкой клеточноймембраной, которая играет важную роль в регуляции поступления веществ в цитоплазму. Основное вещество цитоплазмы имеет сложный химический состав. Основу его составляют белки, которые находятся в состоянии коллоидного раствора.Белки - это сложные органические вещества, обладающие крупными молекулами (молекулярный вес их очень высок, измеряется десятками тысяч по отношению к атому водорода) и большой химической подвижностью. Кроме белков, в цитоплазме присутствуют и многие другие органические соединения (углеводы, жиры), среди которых особенно большое значение в жизни клетки играют сложные органические вещества -нуклеиновые кислоты. Из неорганических составных частей цитоплазмы следует, прежде всего назвать воду, которая по весу составляет значительно больше половины всех веществ, входящих в состав клетки. Вода важна как растворитель, так как реакции обмена веществ протекают в жидкой среде. Кроме того, в клетке присутствуют ионы солей (Са²⁺, К⁺, Na⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ и др.).

В основном веществе цитоплазмы располагаютсяорганоиды - постоянно присутствующие структуры, выполняющие определенные функции в жизни клетки. Среди них важную роль в обмене веществ играютмитохондрии. В световом микроскопе они видны в форме небольших палочек, нитей, иногда гранул. Электронный микроскоп показал, что структура митохондрий очень сложна. Каждая митохондрия имеет оболочку, состоящую из трех слоев, и внутреннюю полость. От оболочки в эту полость, заполненную жидким содержимым, вдаются многочисленные перегородки, не доходящие до противоположной стенки, называемые кристами. Цитофизиологические исследования показали, что митохондрии являются органоидами, с которыми связаны дыхательные процессы клетки (окислительные). Во внутренней полости, на оболочке и кристах локализуются дыхательные ферменты (органические катализаторы), обеспечивающие сложные химические превращения, из которых слагается процесс дыхания.

В цитоплазме, кроме митохондрий,имеется сложнаясистема мембран, образующая в совокупностиэндоплазматическую сеть (см. рис. 16). Как показали электронномикроскопические исследования, мембраны эндоплазматической сети двойные. Со стороны, обращенной к основному веществу цитоплазмы, на каждой мембране расположены многочисленныегранулы (называемые "тельцами Паллада" по имени открывшего их ученого). В состав этих гранул входят нуклеиновые кислоты (а именнорибонуклеиновая кислота), благодаря чему их называют такжерибосомами. На эндоплазматической сети при участии рибосом осуществляется один из основных процессов жизнедеятельности клетки - синтез белков.

Часть цитоплазматических мембран лишена рибосом и образует особую систему, называемуюаппаратом Гольджи. Это образование обнаружено в клетках уже довольно давно, ибо его удается выявить особыми методами при исследовании в световом микроскопе. Однако тонкая структура аппарата Гольджи стала известна лишь в результате электронно-микроскопических исследований. Функциональное значение этого органоида сводится к тому, что в области аппарата концентрируются различные синтезируемые в клетке вещества, например зерна секрета в железистых клетках и т. п. Мембраны аппарата Гольджи находятся в связи с эндоплазматической сетью. Возможно, что на мембранах аппарата Гольджи протекает ряд синтетических процессов.

Эндоплазматическая сеть связана с наружной оболочкой ядра. Эта связь играет, по-видимому, существенную роль во взаимодействии ядра и цитоплазмы. Эндоплазматическая сеть имеет также связь с наружной мембраной клетки и местами непосредственно переходит в нее.

При помощи электронного микроскопа в клетках был обнаружен еще один тип органоидов -лизосомы (см. рис. 16). По размерам и форме они напоминают митохондрии, но легко отличаются от них по отсутствию тонкой внутренней структуры, столь характерной и типичной для митохондрий. По представлениям ббль-шинства современных цитологов, в лизо-сомах содержатся переваривающие ферменты, связанные с расщеплением крупных молекул органических веществ, поступающих в клетку. Это как бы резервуары ферментов, постепенно используемых в процессе жизнедеятельности клетки.

В цитоплазме животных клеток обычно по соседству с ядром располагается центросома. Этот органоид имеет постоянную структуру. Он слагается из девяти ультрамикроскопических палочковидных образований, заключенных в особо дифференцированную уплотненную цитоплазму.Центросома - органоид, связанный с делением клетки.

Кроме перечисленных цитоплазматиче-ских органоидов клетки, в ней могут присутствовать различные специальные структуры и включения, связанные с обменом веществ и выполнением различных специальных, свойственных данной клетке функций. В животных клетках обычно присутствуетгликоген, илиживотный крахмал. Это резервное вещество, потребляемое в процессе обмена веществ как основной материал для окислительных процессов. Часто имеются жировые включения в форме мелких капель. В специализированных клетках, таких, как мышечные клетки, имеются особые сократимые волоконца, связанные с сократительной функцией этих клеток. Ряд специальных органоидов и включений имеется в растительных клетках. В зеленых частях растений всегда присутствуютхлоропласты - белковые тела, содержащие зеленый пигментхлорофилл, при участии которого осуществляетсяфотосинтез - процесс воздушного питания растения. В качестве резервного вещества здесь обычно находятсякрахмальные зерна, отсутствующие у животных. В отличие от животных, растительные клетки обладают, кроме наружной мембраны, прочнымиоболочками изклетчатки, что обусловливает особую прочность растительных тканей.

Клеточное ядро - второй основной компонент клетки, образующий вместе с цитоплазмой единую структурную и функциональную систему. Ядро отграничено от цитоплазмы оболочкой.Оболочка состоит из двух мембран, из которых наружная связана с эндоплазматической сетью цитоплазмы. Электронномикроскопические исследования показали, что ядерная оболочка пронизана многочисленными мельчайшимипорами диаметром около 600-700 ангстрем. Эти поры играют, вероятно, важную роль в обмене веществ между цитоплазмой и ядром. Внутри ядра имеется жидкий ядерный сок -кариолимфа,в которой расположены структурные компоненты ядра. Количество кариолимфы в разных ядрах различно. Иногда ее может быть очень много, и ядро приобретает пузырьковидное строение. В других случаях кариолимфы мало (пример - макронуклеусы инфузорий), и ядро становится массивным и плотным. В кариолимфе растворены различные органические, в том числе белковые, вещества. Основной структурный компонент ядра -хроматин (хромосомы), который представлен обычно беспорядочно расположенными нитями и тяжами, нередко образующими скопления в виде гранул. С биохимической стороны хроматин состоит из особого содержащего фосфор вещества -нуклеопротеидов дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращенно ДНК).Нуклеопротеиды - это белки (протеиды), химически связанные с нуклеиновой кислотой ДНК. Роль хромосом в жизни клетки чрезвычайно велика. Об этом будет сказано ниже. Наконец, в ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек (нуклеол), которые тоже в основном состоят из нуклеопротеидов, но уже другой, а именнорибонуклеиновой кислоты (РНК).

В настоящее время доказано, что ДНК обладает замечательной способностью к самовоспроизведению (ауторепродукции,репликации). Строение молекулы ДНК очень сложно. Она слагается из двух закрученных спирально одна вокруг другой нитей, в свою очередь состоящих из повторяющихся по продольной оси групп молекул (нуклеотидов, рис. 17). Каждый нуклеотид включает в свой состав органическое основание (из групп пуриновых и пиримидиновых оснований). Связь между двумя цепочками в молекуле ДНК осуществляется при помощи этих оснований, которые обращены друг к другу. Обе нити (цепи нуклеотид) относительно слабо связаны между собой. Эти связи могут нарушаться, в результате чего нити раскручиваются своими внутренними сторонами наружу. Из окружающей кариолимфы к ним на освободившиеся химические связи органических оснований присоединяются нуклеотиды, точно такие же, какие входили в состав второй цепи. В результате этого замечательного процесса из одной молекулы получается две, точно такие же.

Одиночная нить ДНК является как бы "матрицей" (формой), воспроизводящей вторую нить. Этот процесс является молекулярной основой размножения клетки, который мы рассмотрим ниже.

Молекулы ДНК способны не только воспроизводить себе подобные, но и участвовать через посредство РНК (в рибосомах) в синтезе белков. За последние годы этот сложный процесс в основных своих чертах изучен. Сущность его сводится к следующему.

На "матрице" ДНК из нуклеотидов кариолимфы синтезируются молекулы РНК, отличающиеся от ДНК по химическому составу некоторых нуклеотидов, а именно органических оснований.

Синтезированная в ядре РНК выходит в цитоплазму и локализуется на рибосомах. Эта РНК в свою очередь служит "матрицей" для синтеза белков. Как известно, в основе строения молекулы белка лежат аминокислоты - органические соединения, обладающие одновременно кислотными и щелочными свойствами. Основу белковой молекулы составляют цепочки аминокислот, соединенные в строго определенном порядке. Число входящих в состав белков аминокислот невелико, оно равняется всего 20. Количество же различных белков поистине колоссально, ибо не только в каждом организме имеется много разных белков, но и разные виды организмов обладают различными белками. Каждому виду животных и растений свойственны свои специфические для данного вида белки. В этом заключается одно из замечательных биологических свойств организмов. Все это разнообразие белков определяется последовательностью аминокислот в цепочке белковой молекулы. Достаточно изменить эту последовательность или на место одной аминокислоты поставить другую, как свойства белков меняются.

Вернемся к вопросу о синтезе белка на "матрицах" РНК - на рибосомах. Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, переносятся на цепочки РНК, где и располагаются в строго определенном порядке. Этот порядок определяется последовательностью нуклеотидов, вернее, органических оснований (известных в органической химии под именем пуриновых и пиримидиновых оснований). Каждая аминокислота связывается тремя основаниями. Таким образом создается "триплетный" (состоящий из трех расположенных рядом оснований) код для каждой аминокислоты. Последовательно "триплеты" цепочки РНК определяют последовательность аминокислот, а следовательно, и первичную структуру синтезирующих белков (последовательность аминокислот). Поскольку структура РНК, в которой "закодирована" структура белка, в свою очередь определяется химической структурой ДНК хромосом ядра, то очевидно, что именно в хромосомах "закодированы" все свойства белков организма.

Разгадка механизма синтеза белка в клетке представляет собой величайшее открытие биологии за последнее десятилетие. Удалось поднять завесу над одной из основных проблем науки о жизни - проблемой образования белка. Ее решение осуществлено на основе тесного сотрудничества двух биологических наук - цитологии и биохимии.

Наряду с проблемой синтеза белка основным вопросом физиологии клетки является вопрос об источниках энергии. Все те синтетические процессы, которые мы только что рассмотрели, протекают с затратой энергии. Энергия необходима и для ряда других жизненных процессов, в частности движения. В отношении клетки справедливо будет утверждение, что самосохранение ее сложной структуры и основные жизненные функции осуществляются лишь благодаря непрерывному потреблению энергии. Где же источники этой энергии? В каких формах происходит превращение энергии в клетке? Основным источником энергии в клетке являются процессы, связанные в конечном счете с окислением углеводов и других органических веществ вплоть до образования углекислого газа и воды. Наряду с окислением источником энергии могут являться и расщепительные анаэробные процессы, ведущие к образованию из более сложных органических соединений (например, глюкозы) менее сложных (например, молочной кислоты). Материальным субстратом, на котором протекают окислительные процессы, служат митохондрии. Однако нужно подчеркнуть, что окислительные процессы в клетке с химической стороны протекают совсем не так, как горение органических тел на воздухе, хотя и в том и в другом случае конечные продукты одинаковы - углекислый газ и вода. Окисление в клетке протекает при температурах относительно низких, при которых вне организма органические вещества не окисляются. Процессы, протекающие в живой клетке, обусловлены наличием сложной системы ферментов (органических катализаторов), каждый из которых обусловливает строго определенную реакцию. Процесс этот очень сложен и состоит из ряда этапов. Во время первого этапа углевод (глюкоза), обладающий шестью атомами углерода, дает начало двум трех углеродным молекулам молочной кислоты. На втором этапе, слагающемся из множества промежуточных звеньев, рассматривать которые мы не имеем здесь возможности (эта серия последовательных превращений известна под названием цикла Кребса), часть вещества дает начало углекислому газу и воде. Все эти превращения связаны с освобождением энергии. Одной из самых замечательных сторон этого процесса является связь окисления с фосфорилированием. Подфосфорилированием понимают процесс образования молекул особого органического вещества -аденозинтрифосфата (сокращенно - АТФ), в состав молекулы которого входят три фосфатные группы (фосфатная группа - это атом фосфора, соединенный с атомами кислорода и гидроксильной группой). Две фосфатные группы АТФ соединены с остальной частью молекулы особой химической связью, носящей названиемакроэргической, что означает "богатая энергией". Один из фосфатных остатков может легко отделяться от АТФ, и, высвобождая энергию, АТФ при этом переходит в аденозиндифосфат (АДФ), который гораздо беднее химической энергией, чем АТФ. За счет энергии, освобождаемой при окислении, АДФ вновь может подвергаться фосфорилированию, в результате чего происходит присоединение фосфатной группы и восстанавливается макроэргическая связь. АТФ, таким образом, можно рассматривать как богатую энергией "заряженную" форму, тогда как АДФ - как "разряженную", относительно более бедную энергией форму аденозинфосфата. АТФ в клетке является своеобразным химическим аккумулятором энергии, за счет которого выполняется самая различная работа: механическая, химическая (в том числе синтез белков), осмотическая, электрическая.

Мы видим, таким образом, что в животных клетках в ходе сложной цепи превращений, из которых слагается дыхание, энергия, заключенная в питательных веществах, в результате окисления расходуется на построение АТФ из АДФ. Если этим процессам дать количественное выражение, то оказывается, что немного более половины высвобождаемой при окислении энергии идет на фосфорилирование, на "зарядку" аденозинфосфатов - этих замечательных органических аккумуляторов энергии.

Хорошо известно, что животный организм не способен создавать органические вещества из неорганических. В качестве пищи животное получает органические вещества, о судьбе которых в клетке мы только что говорили. Лишь зеленое растение при помощи хлорофилла создает органические вещества из неорганических в результате как воздушного, так и минерального питания из почвы. Эти процессы требуют затраты энергии. Источник ее - солнечный луч. Энергия солнца переходит в потенциальное состояние в форме органических соединений, создаваемых растением. Эта энергия с пищей передается животному, где она претерпевает ряд превращений, в которых особо важная роль принадлежит АТФ - органическому аккумулятору энергии в клетке.

Одним из основных биологических процессов, обеспечивающих преемственность форм жизни и лежащих в основе всех форм размножения, является процесс деления клетки. Этот процесс, известный под названиемкариокинеза, илимитоза, с удивительным постоянством, лишь с некоторыми вариациями в деталях, осуществляется в клетках всех растений и животных, в том числе и простейших. При митозе происходит равномерное распределение хромосом, претерпевающих удвоение между дочерними клетками. От любого участка каждой хромосомы дочерние клетки получают половину. Не вдаваясь в детальное описание митоза, отметим лишь его основные моменты (рис. 18).

В первой стадии митоза, называемойпрофазой, в ядре становятся отчетливо видимыми хромосомы в форме нитей разной длины. В неделящемся ядре, как мы видели, хромосомы имеют вид тонких, неправильно расположенных нитей, переплетающихся друг с другом. В профазе происходит их укорачивание и утолщение. Вместе с тем каждая хромосома оказывается двойной. По длине ее проходит щель, разделяющая хромосому на две рядом лежащие и совершенно подобные друг другу половины.

На следующей стадии митоза -метафазе - оболочка ядра разрушается, ядрышки растворяются и хромосомы оказываются лежащими в цитоплазме. Все хромосомы располагаются при этом в один ряд, образуя так называемуюэкваториальную пластинку. Существенные изменения претерпеваетцентросома. Она делится на две части, которые расходятся, и между ними образуются нити, формирующиеахроматиновое веретено. Экваториальная пластинка хромосом располагается по экватору этого веретена.

На стадиианафазы происходит процесс расхождения к противоположным полюсам дочерних хромосом, образовавшихся, как мы видели, в результате продольного расщепления материнских хромосом. Расходящиеся в анафазе хромосомы скользят по нитям ахроматинового веретена и в конце концов собираются двумя группами в области центросом.

Во время последней стадии митоза -телофазы - происходит восстановление структуры неделящегося ядра. Вокруг каждой группы хромосом образуется ядерная оболочка. Хромосомы вытягиваются и утончаются, превращаясь в длинные, беспорядочно расположенные тонкие нити. Выделяется ядерный сок, в котором появляется ядрышко.

Одновременно со стадиями анафазы и телофазы происходит разделение на две половины цитоплазмы клетки, которое осуществляется обычно путем простой перетяжки.

Как видно из нашего краткого описания, процесс митоза сводится в первую очередь к правильному распределению хромосом между дочерними ядрами. Хромосомы состоят из пучков нитевидных молекул ДНК, расположенных по продольной оси хромосомы. Видимому началу митоза предшествует, как это теперь установлено точными количественными измерениями, удвоение ДНК, молекулярный механизм которого мы уже рассмотрели выше.

Таким образом, митоз и расщепление хромосом во время него является лишь видимым выражением процессов удвоения (ауторепродукции) молекул ДНК, осуществляемого на уровне молекул. ДНК определяет через посредство РНК белковый синтез. Качественные особенности белков "закодированы" в структуре ДНК. Поэтому очевидно, что точное разделение хромосом в митозе, базирующееся на редупликации (ауторепродукции) молекул ДНК, лежит в основе "наследственной информации" в ряде следующих друг за другом поколений клеток и организмов.

Число хромосом, так же как их форма, размеры и т. п., является характерным признаком каждого вида организмов. У человека, например, имеется 46 хромосом, у окуня - 28, у мягких пшениц - 42 и т. п.