Строение клетки человека - структура, главные функции и особенности

Надцарства и типы клеток

На Земле любой организм, независимо от того, животный он или растительный, сложный или простой, состоит из клеток — структурных единиц всего живого.

Еще в начале XX века ученые совсем немного могли рассказать о том, как выглядит клетка. Только благодаря развитию молекулярной биологии, достижениям в цитологии, разработке новых электронных микроскопов, человек стал постигать открывшиеся тайны строения живой природы.

Человечество узнало о многих её удивительных свойствах: рост и развитие, поглощение пищи и размножение, чувствительность и сократимость, свойственные не только целому организму, но и крохотным его частям.

Все земные клеточные формы делятся на два надцарства по своему строению:

1. Прокариоты (доядерные) — простейшие по строению, возникшие в самом начале процесса эволюции.
2. Эукариоты (ядерные) — наиболее сложные, возникшие в конце эволюционного процесса.

Количество клеток в организме фантастически огромно. Например, в организме человека оно выражается числом 10 в двадцать третьей степени. Но даже в необъятной клеточной галактике ученые выделили всего около ста основных видов клеток.

Все клетки, в принципе, имеют одинаковую структурную организацию, поэтому их обычно рассматривают не как какую-то конкретную единицу, а как бы обобщенную, вобравшую в себя все, что можно увидеть в сильном увеличительном приборе.

Клетки делятся на различные типы. Когда их структуры и функции совпадают, они формируют ткани. Ткани распределены на 4 вида:

• эпителиальная (кожа и внутренние стенки);
• мышечная (мышцы);
• соединительная (сухожилия, хрящи, кости, сосуды);
• нервная (собственно нервы, мозг).

Функциями клеток определяется функциональное назначение органа.

Существует немало гипотез о происхождении клеток высших организмов. Одна из них, в частности, гласит, что на заре эволюционного процесса существовали простейшие организмы типа нынешних бактерий. Постепенно эти простые клеточные организмы развивались, однако, они еще долго состояли из одной полости, в которой функционировали примитивный генетический аппарат и белоксинтезирующая система.

С течением времени генетический аппарат организма увеличивался, а его функционирование вместе с исполнительной белоксинтезирующей системой в одной полости становилось затруднительным.

Строение ядра, ядрышки и ДНК

Назревало неизбежное разделение, в результате которого белоксинтезирующая система оказалась вытесненной на периферию клетки. Таким образом, вместо одной возникли две полости: полость ядра и полость цитоплазмы.

В такую клетку сразу же устремились другие микроорганизмы. В этом симбиозе они играют роль клеточных органоидов цитоплазмы. Ими руководил органоид с наиболее развитым генетическим аппаратом, который теперь называется клеточным ядром. Такова была гипотеза.

Ядро — это командный пункт, именно оно определяет наследственные свойства клетки и программирует будущий организм. Ядро принимает участие в клеточном делении. Оно определяет синтез белков, отвечает за дифференцировку клеток, руководит формообразованием органов и тканей.

Ядро окружено оболочкой — тончайшей двойной мембраной, пронизанной микроскопическими порами. Ядерные поры служат путями, через которые постоянно осуществляются сложные процессы материального обмена между цитоплазмой и ядром. Ядерные поровые комплексы похожи на настоящие контрольно-пропускные пункты. В случае необходимости они могут закрывать ядро от цитоплазмы или, наоборот, широко раскрываться и пропускать через себя крупные белковые молекулы.

В ядерном соке (нуклеоплазме) находятся ядрышки — наиболее заметная часть структуры ядра. Они служат узловым пунктом взаимоотношений между цитоплазмой и ядром. В них находится фабрика рибосом — специальных органоидов, осуществляющих синтез белков.

В ядерном соке также содержатся нити хроматина, состоящие из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в комплексе с белками. В молекулах ДНК заложена наследственная программа организма.

С удивительным искусством природа упаковывает многие сантиметры и даже метры молекул ДНК в тельце хромосомы, которое само еле различимо в световом микроскопе. Ядро постоянно и неразрывно взаимодействует с цитоплазмой. Только вместе они могут обеспечить жизнь клетки и её воспроизведение.

Для этого в клеточной цитоплазме имеются различные органоиды. Прежде всего — эндоплазматическая сеть. Её сверхтонкие мембраны одновременно разделяют и связывают различные участки клеточной единицы, осуществляют транспортировку веществ, а также участвует в их синтезе.

Синтез белка с участием рибосом

На мембранах эндоплазматической сети находятся другие органоиды — рибосомы, с участием которых происходит синтез белков. Важными органоидами являются лизосомы, активно воздействующие на процессы внутриклеточного пищеварения. При захвате цитоплазмой питательных веществ, лизосомы сливаются с ними и образуют пищеварительную вакуоль.

В ней лизосомы при помощи гидролитических ферментов перерабатывают вещества, делая их усвояемыми для клетки. Ненужные отходы выталкиваются за пределы цитоплазмы.

Специальный органоид — пластинчатый комплекс Гольджи занимается накоплением и упаковкой синтезируемых веществ, а также выводом наружу продуктов жизнедеятельности.

Следующие органоиды — это митохондрии, которые снабжают каждую клетку и весь организм энергией в виде аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального топлива всей живой материи.

Эта энергия является материальной основой для выполнения физиологических процессов в рамках наследственной программы организма. Важнейшее место в ней занимает синтез белков. Этот необыкновенный процесс жизнедеятельности выполняется по строго определенным этапам.

Главная роль в определении характера создающихся белков принадлежит молекулам дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая находится в клеточном ядре. А вот синтез белков происходит в цитоплазме и осуществляется уже с помощью молекулы информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК).

Сначала информационная РНК синтезируется на ДНК и точно копирует одну из её двух спиралей. Затем с помощью ферментов происходит процесс синтеза РНК на одной из цепочек ДНК. При этом информация, содержащаяся в молекулах ДНК, точно переписывается на молекулы РНК, которые после синтеза направляются в цитоплазму к рибосомам.

Таким образом, информационные РНК выполняют функцию своеобразных матриц для синтеза белка. Найдя рибосому, информационная РНК коммуницирует с ней и заставляет работать по программе, записанной на молекуле.

Процесс клеточного деления

Его можно сравнить с работой магнитофона, то есть сам процесс можно представить так, что рибосома — это как бы считывающая магнитная головка, а длинная цепочка РНК — магнитная лента.

Но если в магнитофоне колебания, возникающие в результате различной намагниченности ленты, превращаются в звуковую информацию, то в рибосоме информация, полученная при протяжке молекул иРНК, превращается в белковую цепочку, сшитую из строго определенных аминокислот.

В цитоплазме, кроме информационных РНК, находятся также молекулы транспортных РНК, несущих на себе соответствующую аминокислоту. Транспортные РНК в момент подхода к рибосоме соприкасаются своими антикодонами с кодоном, то есть тройкой нуклеотидов на информационной РНК и, двигаясь в рибосоме, подводят свою аминокислоту к цепочке белковой молекулы.

Но доставленная транспортной РНК аминокислота проникнет в состав строящейся молекулы белка только в том случае, если антикодон тройки нуклеотидов на транспортной РНК окажется комплементарным кодонам на соответствующем участке информационной РНК.

Не комплементарные антикодоны отталкиваются, и их аминокислоты не могут попасть в состав создающихся молекул белка. Уникальность и высочайшая отработанность процесса синтеза белка свидетельствуют о беспредельной сложности живой материи.

Об этом же говорит и другой важнейший процесс — деление. Оно обеспечивает непрерывность жизни. Схематически механизм деления таков:

• В период оплодотворения мужская половая клетка проникает в женскую.
• Их ядра содержат по одинаковому набору хромосом. Согласно одной из гипотез, все хромосомы набора связаны в единый комплекс.
• Двигаясь навстречу друг другу, ядра сливаются и образуют единое ядро с двойным набором хромосом.
• С этого момента начинается жизнь нового организма.

Отправной пункт деления клетки — удвоение наследственной программы, содержащейся в молекулах ДНК. Удвоение, которое называют репликацией, происходит в так называемый S- период интерфазного состояния клетки.

Завершение репликации и отрицательные факторы

Следовательно, в ядре после завершения репликации ДНК уже существуют две копии одной и той же наследственной программы. Затем наступает митоз. На первой стадии митоза — профазе, происходит конденсация нитей хроматина. Это свидетельствует о начале процесса деления.

С помощью клеточного центра аппарата митоза, нити хроматина распределяются по полюсам. Клеточный центр формирует также веретено деления. В стадии профазы особенно четко видно, что генетический аппарат в клетке расположен полярно, но асимметрично.

Центромеры хромосом направлены к одному полюсу ядра, а теломеры — к противоположному. В дальнейшем асимметрия переходит в зеркальную симметрию, что уже соответствует состоянию другой стадии — метафазы, которая плавно переходит в анафазу.

Разделившиеся поровну сестринские наборы хромосом готовятся войти в состав новых ядер. Сложные маневры копий генетического аппарата завершаются, наконец, телофазой, то есть периодом формирования новых ядер и дочерних клеток.

Самое общее рассмотрение физиологических функций клетки говорит о её чрезвычайно рациональном и совершенном устройстве.

Но как бы совершенно ни была устроена клетка, она все же подвержена болезням и её жизнь имеет свой логический конец. С течением времени в клеточной культуре накапливаются продукты распада, обедняется и отравляется элементами метаболизма питательная среда, подавляется синтез белков, и клетка погибает с признаками распада ядра, сморщивания и разрушения цитоплазмы.

Кроме естественного старения, патологические изменения в клетке могут вызываться различными факторами. Например, ультрафиолетовое излучение парализует обменные процессы в клетке и губит её. Токсические вещества, такие как колхицин, нарушают митоз.

Самый страшный враг — вирус

Но у клеток есть враги совершенно особого свойства — это вирусы. Они самые простые на земле существа, стоящие, как полагают, на границе живой и неживой материи.

Размер вирусов измеряется в миллионных долях миллиметра. Вирусы вызывают явную или скрытую инфекцию и часто необратимо повреждают клетку. Вирус содержит только нуклеиновую кислоту — наследственную программу, заключенную в белковый чехол. Но он не имеет своей белоксинтезирующей системы, поэтому вне клетки вирус не проявляет никаких признаков жизни.

Для реализации своих жизненных потенций вирус должен обязательно проникнуть в клетку. Она сама затягивает в цитоплазму белковую оболочку вируса со смертельной начинкой.

Лизосомы сразу растворяют белковую оболочку вируса и обнажают его нуклеиновую кислоту — ДНК или РНК. Проникнув в клеточное ядро, вирус быстро подавляет деятельность её генетического аппарата и сам становится источником генетической информации, при этом копируется нуклеиновая кислота вируса.

Теперь уже его собственные информационные РНК направляются в цитоплазму и сами руководят синтезом вирусного белка. Белоксинтезирующий аппарат клетки подчиняется вирусу и работает по его наследственной программе. Вновь созданные цепочки вирусного белка поступают в клеточное ядро, где они кристаллизуются, превращаясь в белковые чехлы.

После выработки достаточного количества вирусного материала происходит самосборка массы новых вирусов. Разросшаяся армада вирусов покидает клетку, разрывая ее на части. Клетка погибает, а сотни тысяч вирусов продолжают свое наступление на другие, здоровые клетки. Под действием вирусов клетка гибнет, что приводит к возникновению заболевания.