Клетка (биология)
Клетка — наименьшая единица жизни, несущая гены и способная к обмену веществ, самопочинке и воспроизведению.
Общая информация[править]
Может совпадать с одноклеточным или образовывать многоклеточный организм из своих специализированных копий. Типичные размеры: 1−100 μм.
Клетки разделяются на прокариотические и эукариотические. Единицей энергетического обмена клетки является АТФ, получаемая из глюкозы двумя способами: общим для всех клеток анаэробным гликолизом и специфичным для митохондрий эукариот цитратным циклом.
Как правило, клетки размножаются делением материнской клетки на две дочерние, что является одной из фаз клеточного цикла. У эукариот деление более сложно и состоит из двух фаз: митоза или мейоза (части полового процесса) и последующего цитокинеза.
Клетка постоянно балансирует на пороге тепловой смерти, что объясняется биохимическими свойствами белков — их эффективность растет с повышением температуры. При превышении этого порога начинается массовая денатурация (распад и плавление) клеточных белков.
История[править]
Обнаружены Робертом Гуком в 1665 году. В 1839 году Теодор Шванн и Маттиас Шлейден сформулировали клеточную теорию строения живого, но неправильно доказали воспроизведение клетки.
Строение[править]
Существует множество разнообразных по форме и размерам клеток. Клетки могут быть плоскими, веретенообразными, шарообразными, иметь отростки. Как правило, их форма зависит от положения в организме и той функции, которую они выполняют. А функции, в свою очередь, определяются наружным и внутренним строением.
Почти все клетки организма человека и животных имеют принципиально схожую структуру. Снаружи они покрыты плазматической мембраной, которая отграничивает содержимое клеток от внешней среды. Внутри находятся ядро и цитоплазма с органоидами.
Плазматическая мембрана обеспечивает восприятие и передачу сигналов, поступающих из окружающей среды, внутрь клетки. Через мембрану осуществляется поступление в клетку одних веществ и выведение из нее — других. Все эти процессы отличаются особым строением мембраны и позволяют сохранять неорганические и органические вещества внутри клетки в строго определенных концентрациях, то есть поддерживать постоянство химического состава клетки.
Все живые клетки состоят из цитоплазмы (заполняет внутреннее пространство клетки) в которой размещаются различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Цитоплазма — полужидкая (студнеподобная) внутренняя среда клетки. В ней располагаются постоянные специализированные структуры — органоиды, а также непостоянные компоненты, или включении (жиры, гликоген, пигменты). К органоидам клетки относятся: Эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи и др. Они выполняют жизненно важные функции, обеспечивая все виды деятельности клетки.
В органоидах, которые называются митохондрии, вырабатываются соединения, являющиеся источником энергии. В лизосомах благодаря активности специфических белков (ферментов) происходят процессы расщепления сложных органических молекул, попавших в клетку, до более простых. Так клетка синтезирует необходимые ей соединения.
Обязательной частью любой способной к делению клетки является ядро. Оно контролирует практически все функции клетки, включая деление. Обычно в клетке имеется одно ядро, реже — несколько или много. В ядре располагаются хромосомы, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация. Все клетки человеческого тела имеют по 46 хромосом. Исключением являются половые, в которых содержится лишь 23 хромосомы.
У некоторых клеток имеются жгутики, реснички, сократительные нити — органоиды специального назначения.
Пространство клетки ограничивается клеточной оболочкой[1]. Растительные клетки покрыты твердой оболочкой из пор, содержат хлоропласт.
Существование в клетке ядра является основой разделения клеток на ядерные и безъядерные, но на самом деле разница в строении клеток этих групп касается не только ядер.
Организмы могут состоять как из одной так и из многих клеток. В многоклеточных организмах клетки различных органов значительно отличаются друг от друга как по морфологическому, так и по биохимическому строению.
Состав[править]
Клетки живых организмов содержат несколько видов химических соединений с разным строением и свойствами. Состав этих сочетаний может отличаться в разных групп организмов. Большая часть клетки состоит из воды (70−80 %)[2]. Она создает благоприятную среду осуществления биохимических реакций, а также может быть результатом биохимических реакций. Состав остальных элементов обычно подается в далях к массе клетки без учета воды.
40−60 % сухой массы клетки состоит из белков, выполняющих различные функции, от строительной и регулятивными к транспортной и многих других[3]. В свою очередь белки состоят из аминокислот. В большинстве белков к аминокислотам присоединены другие элементы, что придает им специфические свойства.
Кроме белков, аминокислоты составляют пептиды и полипептиды. Они выполняют различные функции, являются гормонами, натуральными антибиотиками и т. д.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), играют важную роль в передаче наследственной информации, а также в биосинтезе белков.
Углеводы выполняют главную энергетическую функцию, и функцию накопления энергии.
Липиды составляют основу клеточной оболочки, но кроме этого они участвуют почти во всех клеточных процессах (регулятивных, транспортных, коммуникационных, метаболических).
Клетка состоит из следующих химических элементов: кислород (65 % массы тела человека), углерод (18 % массы тела человека), водород (10 % массы тела человека), азот (3 % массы тела человека) и другие элементы, которые составляют менее 2 % массы тела человека.
Свойства клетки[править]
Большинство клеток многоклеточного организма не имеют непосредственной связи с внешней средой. Средой обитания клеток является межклеточная, тканевая жидкость. Между клеткой и этой жидкостью постоянно осуществляется обмен различными соединениями. Совокупность всех видов превращений веществ и энергии в клетках, а значит, и в организме, называется обменом веществ. Обмен веществ и энергии обеспечивает процессы жизнедеятельности клетки и ее связь с окружающей средой.
Всем живым клеткам свойственна раздражительность — способность реагировать на действие раздражителей (света, температуры, механических и химических воздействий).
Некоторые клетки (например, нервные) могут переходить из состояния покоя в состояние возбуждения или торможения. Способность клеток к возбуждению — специфической реакции, которая выражается в быстром изменении электрического заряда плазматической мембраны, получила название возбудимости.
Принципиальным отличием всех возбудимых клеток от невозбудимых является их способность изменять проницаемость своей мембраны в ответ на действие раздражителей.
Нервные и мышечные клетки могут проводить электрический импульс. Эта способность называется проводимостью.
Мышечным волокнам, кроме возбудимости и проводимости, свойственна возможность сокращаться. Благодаря ей они изменяют свою форму и размеры и таким образом выполняют двигательную функцию.
Для клеток внутренних органов характерна секреция — образование и выведение определенных веществ (секретов) из клетки за ее пределы. Различают внешнюю (например, желудочный сок, молоко, слюна) и внутреннюю (вещества из клеток попадают в кровь или лимфу) секреции.
В основе роста тканей и восстановления количества клеток лежит процесс деления. Все новые клетки образуются путем деления существующих. Однако некоторые клетки в результате высокой специализации функцию деления потеряли. К таким клеткам относятся отдельные клетки крови, нервной системы, мышечные клетки сердца и др.
Специализация клеток закрепилась в процессе эволюции. Одни из них приобрели способность охранять организм от факторов внешней среды, вторые — передавать информацию органам и тканям, третьи — обеспечивать движение, четвертые — опору, пятые — выработку необходимых для организма биологических соединений. Специализация отразилась на форме клеток, их строении, продолжительности жизни. Мышечные и большинство нервных клеток стали вытянуты в длину, клетки кожи приобрели плоскую форму. Мужские половые клетки (сперматозоиды) имеют жгутик и способны перемещаться, а белые клетки крови могут двигаться благодаря способности образовывать ложноножки (как амеба). Кроме внешних различий, в клетках изменилось количество органоидов. Например, способные к сокращению или к секреции клетки имеют большое количество митохондрий, которые накапливают энергию. Таким образом, по внешнему виду и количеству органоидов можно судить о функции клетки.
Жизнедеятельность[править]
Для любой живой клетки характерен обмен веществ. Это значит, что клетка питается, дышит и выделяет в окружающую среду различные вещества. При этом идет накопление энергии, которая тратится клеткой на поддержание процессов жизнедеятельности и на размножение.
Поступление веществ в клетку идет через всю ее поверхность и только в растворенном состоянии. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательным проницаемостью. Некоторые вещества могут поступить в клетку только в том случае, если на них перенос будет затрачено энергия самой клетки. Это чаще всего сложные органические вещества, молекулы которых имеют большие размеры. Многие неорганические вещества цитоплазматическая мембрана способна пропускать беспрепятственно. Такие вещества могут попасть в клетку без затрат энергии только в том случае, если их концентрация внутри клетки будет ниже, чем снаружи, а такой путь поступления веществ в клетку называется диффузионным.
Вода поступает в клетку при помощи осмоса. Это одностороннее проникновение воды через избирательно проникающую мембрану клетки. Вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Чем больше концентрация веществ в клетке, тем больше поступает в нее воды. Поступившая в клетку вода увеличивает ее объем. В клетке растений и грибов вода проходит через цитоплазму и накапливается в вакуоли. Объем вакуоли при этом увеличивается, она давит на цитоплазму. Цитоплазма в свою очередь давит на оболочку. В клетке возникает давление, которое называется тургорным, и поступление воды в клетку прекращается. Если же вода частично расходуется, тургорное давление снизится, и вода снова осмотическим путем будет поступать в клетку.
Живые клетки дышат на протяжении всей их жизни. В результате клетки получают энергию для всех жизненных процессов. Больше всего энергии выделяется, когда в таких реакциях участвует кислород. Поэтому большинство видов живых организмов используют для дыхания именно этот газ. Внутри клетки кислород, поступившем в процессе диффузии, вступает в реакции с органическими веществами. При этом происходит выделение энергии и превращение органических веществ в неорганические: воду и углекислый газ. Последний путем диффузии выходит из клетки. Таким образом, кислородному дыханию всегда сопутствует газообмен, при котором кислород входит в клетку, а углекислый газ выходит из нее.
Разрушая органические вещества до неорганических в процессе дыхания, клетка получает энергию для поддержания процессов своей жизнедеятельности. Гетеротрофные организмы (животные, грибы) вынуждены получать органические вещества из окружающей среды. Автотрофы (растения) способны самостоятельно синтезировать их из простых неорганических веществ. При этом используется энергия света. Этот процесс происходит только в хлоропластах клеток растений и называется фотосинтезом.
Деление и рост клеток[править]
В основе размножения лежит способность клеток удваиваться при наличии определенных условий. Доказано, что ни одна клетка не может возникнуть заново из неживых компонентов. Все новые клетки образуются из уже существующих.
Перед делением клетки в ядре происходит удвоение количества хромосом. При этом образуются два набора хромосом, несущих одинаковую информацию о жизненных процессах. Это и есть основа того, что две новые клетки будут похожи на ту клетку, из которой они образуются. Затем все хромосомы уплотняются и превращаются в похожие на палочки структуры. В таком виде хромосомы становятся видимыми в световой микроскоп. Ядерная мембрана растворяется, и хромосомы оказываются в цитоплазме клетки. Все другие органоиды перемещаются к цитоплазматической мембраны. Это позволяет хромосомы разместиться в центре клетки. После этого хромосомы разделяются на две группы, которые имеют одинаковый состав. Именно поэтому обе возникшие в результате деления клетки будут нести совсем одинаковую информацию. Каждая из двух групп хромосом перемещается от центра клетки к одному из ее полюсов. После этого начинается деление клетки пополам.
В клеток растений перегородка начинает формироваться с середины центральной части клетки. Она растет во все стороны, пока не достигнет наружной цитоплазматической мембраны. В этот момент из одной клетки образуются две дочерние, причем перегородка, которая разделила клетку, получается такой же по прочности и строению, как и вся оболочка исходной клетки. Одновременно с постройкой перегородки вокруг каждой группы хромосом, находящихся около полюсов, формируется новая ядерная мембрана. Затем хромосомы превращаются из палочковидные в нитевидные. После этого они начинают выполнять свои функции. На этом процесс деления клетки заканчивается.
Две дочерние клетки, которые являются копиями друг друга и исходной материнской клетки, начинают собственную жизнь. В каждой из дочерних клеток после деления уже есть часть всех необходимых для существования органоидов. Это позволяет клеткам сразу после окончания деления осуществлять все жизненно важные функции. Обычно после деления клетки немного увеличиваются в размерах и продолжают жить или к гибели, или до следующего деления. В многоклеточных организмов дочерние клетки, возникающие при делении исходной материнской клетки, далее могут иметь различную структуру и выполнять различные функции. Это будет зависеть от того, какая часть информации, заключенной в хромосомах, будет использоваться клетками в течение жизни.
Организм человека состоит приблизительно из 220 млрд клеток. Их разделяют на две основные категории: 20 млн «долгожителей» (в основном это нервные клетки) и 200 млрд «смертных» (клетки, которые постоянно замещаются). Значит, большая часть клеток организма человека постоянно обновляется. Например, продолжительность жизни клеток кишечника составляет от 3 до 5 дней, а скорость их замещения равно 1 млн/мин. Таким образом, слизистая оболочка кишечника полностью обновляется 90 раз в течение одного года.
См.также[править]
Источники[править]
Литература[править]
- Клетка // Биологический энциклопедический словарь / Гл. редактор Гиляров М. С.. — М.: «Советская энциклопедия», 1986. — С. 261—262. — 831 с. — 100 000 экз.
- Ченцов Ю.С. Введение в клеточною биологию: Учебник для вузов. — 4. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — ISBN 5-94628-105-4.
- Тейлор Д., Грин Н., Саут У. Биология. — М.: Мир, 2004. — Т. 1. — ISBN 5-03-003685-7.
