Клетка – фабрика жизни

и который ввел термин «клетка», был современник и соотечественник великого И. Ньютона Роберт Гук. В 1665 г. он представил в Королевское общество книгу, в которой описал результаты своих микроскопических исследований тонких срезов живого вещества.

В 1883 г. (более чем через два столетия) английский ботаник Р. Броун, первооткрыватель хаотического теплового движения частиц, обнаружил наличие в клетках ядер, а через пять лет после этого открытия появился термин, определяющий содержимое клетки, — протоплазма. Сегодня мы знаем, что не все клетки имеют ядра. Те организмы, у которых клеточные ядра четко оформлены и отделены от ци­топлазмы ядерными оболочками, называют эукариотами. Те же организмы, у кото­рых нет четко оформленных ядер, но в клетках имеются области, выполняю­щие их функции, называют прокариотами. К прокариотам относятся бакте­рии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли, именно они были исторически первыми представители живого мира.

Открытие ядер помогло установить, что все растения имеют клеточную структуру. Первым подобное утверждение сделал немец­кий ботаник М. Шлейден, для этого он в течение пяти лет методично исследовал срезы самых разнообраз­ных растений, отыскивая в них вначале ядра, а затем — окружающие их обо­лочки. Следом за Шлейденом другой немецкий ученый Т. Шванн, воспользо­вавшись способом своего предшественника, установил, что все животные ткани, как и ткани растений, имеют клеточную структуру.

Исследования показали, что организмы могут состоять как из громадного, так и из ограниченного числа клеток. Существуют одноклеточные организмы, но бесклеточных орга­низмов в природе нет. В 1885 году было установлено, что каждая клетка возникает только при делении предшествующей ей материнской клетки. Немецкому био­логу Р. Вирхову принадлежит образное выражение: «Каждая клетка — толь­ко из клетки».

Каждая клетка состоит из оболочки и ее наполнения, называемого прото­плазмой, которая, в свою очередь, включает в себя цитоплазму и ядро. Цитоплазма представляет собой основное вещество клетки — гиалоплазму и расположенные в ней клеточные структуры: обо­лочку, рибосомы, полисомы, митохондрии, эндоплазматическую сеть, ядро, ядер­ную оболочка, ядерные поры, ядрышки. Оболочка клетки является двухслойной. У животных она тоньше, у рас­тений толще, но и животные, и растительные клетки взаимодействуют между собой.

Рибосомы представляют собой самые мелкие включения цитоплазмы; их размеры заключены в пределах от 0,01 мкм до 0,015 мкм. Рибосомы встречаются во всех без исключения живых клетках и представляют собой их белковые фабри­ки. Объединяясь по несколько штук, рибосомы образуют так называемые по­лирибосомы (полисомы).

Митохондрии часто называют энергетическими подстанциями клеток, в них синтезируются вещества, запасающие химическую энергию. Толщина митохондрий колеблется от 0,2 мкм до 2 мкм, длина — от 0,5 мкм до 7 мкм. По форме они разнообразны: округлые, овальные, палочковидные, нитевидные. Оболочки митохондрий — двухслойные, складчатые, на них располагаются ферментные белки.

Клетки дифференцированных организмов различаются как по форме, так и по своим функциям. Но и клетки разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга, иногда это отличие довольно существенно. В то же время есть функ­ции, присущие всем клеткам без исключения. В частности, во всех клетках под контролем генетического аппарата осуществляется синтез белков, клетка, не синтезирующая белки, по сути дела, мертва.

Основные виды веществ, из которых состоят и животные, и растительные клетки, хорошо известны. Цитоплазма, ядро и оболочка клеток состоят преимуществен­но из белков, липидов, углеводов (сахаров и полисахаридов), витаминов, гор­монов, органических кислот и других сложных органических соединений. В их состав входят также простые по своему химическому строению вещества, в частности, соли.

Для осуществления внутриклеточных процессов необходима энергия, в живых клетках энергетический обмен идет постоянно. Клетки обладают важнейшим для их жизни свойством — запасать и тратить энергию. Каждая клетка существует в постоянном контакте с окружающими клет­ками или с окружающими организм веществами. Жизнь клетки, по существу, заключается в поглощении веществ из окружающей среды, преобразовании этих веществ в нуж­ные для ее жизни компоненты, передаче их в другие клетки, создании внутренних запа­сов нужных веществ, а также в выведении ненужных веществ из организма. Этот обмен веществ тесно переплетен с энергетическим обменом. Он происхо­дит под контролем генетического аппарата клеток и, следовательно, связан с обменом информацией.

На всех стадиях развития клетки осуществляется регулирование ее жиз­недеятельности. Известно много способов регуляции жизнедеятельности клет­ки, включая генетическую регуляцию внутриклеточных процессов. Регуляция нужна и для обеспечения важнейшей функции живой клетки — свойства раз­дражимости, то есть способности отвечать на воздействия, которым подверга­ется клетка извне. Клетки способны не только изменять в ответ на внешние раздражения свой энергетический обмен, обмен веществ, строение, но и самостоятельно вос­станавливать нарушенные участки в генетическом аппарате и даже во внутри­клеточных структурах. Для этого в клетках имеются восстанавливающие фер­менты, которые синтезируются под контролем специальных генов.

Особый интерес представляет способ размножения клеток. Ведь поколе­ния растений и животных рождаются, умирают, сменяются, но их виды живут тысячелетия. При этом они сохраняют в основных чертах свои признаки неиз­менными. Каждое растение или животное оставляет после себя потомство, и этот процесс повторяется снова и снова. Преемственность организмов создает бессмертие видов,

В середине XIX века немецкий ботаник В. Гофмейстер обнаружил в яд­рах клеток традесканции своеобразные структуры, напоминавшие изогнутые палочки. Не зная их истинного назначения, ученый зарисовал их, но об их назначении не догадался. А ведь это были хромосомы. В дальнейшем в делящихся клетках были замечены некоторые особенно­сти в движении хромосом. Во-первых, было обнаружено расщепление их во всех делящихся клетках на две одинаковые части. Во-вторых, оказалось, что во всех случаях хромосомы распределялись между дочерними клетками точно поровну. Стоило этому процессу нарушиться, и организмы, у которых клетки получали неравное число хромосом, заболевали и умирали. В-третьих, было 1 установлено, что каждому из видов животных и растений свойственно свое число хромосом в ядрах клеток. Нашлись организмы, у которых половые клет­ки содержали вcero по одной хромосоме. А у некоторых организмов число хромосом в одном ядре достигает трехсот. В настоящее время установлено, что хромосомный набор — одна из важнейших характеристик живых организмов.

Процесс деления ядра, называемый митозом, в настоящее время изучен достаточно хорошо. Четыре стадии митоза имеют свои названия, перечислим их: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Телофаза завершается полным обособлением образовавшихся дочерних клеток.

О неделящемся, покоящемся ядре говорят, что оно находится в интерфазе, то есть фазе, являющейся промежуточной между двумя последовательными стадиями деления.

Продолжительность митоза в клетках разных организмов различна: ино­гда около часа, иногда — меньше. В яйцах плодовой мушки дрозофилы митоз совершается всего за 9 минут, у других организмов он продолжается дольше, но редко длится дольше полутора часов. Самая длительная стадия — профаза.

Наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов, называ­ется генетикой. Первые эксперименты, доказавшие существование материаль­ных носителей наследственности — генов, были проведены и опубликованы выдающимся чешским ученым Грегором Иоганном Менделем еще в 1865 году. Но широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX века, после того как многие биологи повторили их на самых различных животных и растениях.

В настоящее время известно, что и в цитоплазме, и в ядре всегда находят­ся так называемые нуклеиновые кислоты. Среди них различают дезоксирибо-нуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. ДНК встречается преимущественно в хромосомах ядра клетки, а РНК — как в ядре, так и в цитоплазме. Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК: они меньше и со­стоят из меньшего количества звеньев — нуклеотидов. В составе молекулы ДНК содержатся остатки сахара дезоксирибозы, молекула же РНК содержит остатки другого сахара — рибозы. Отсюда и название этих кислот. Кроме того, в РНК нет тимина, он полностью заменен другим, похожим на него азоти­стым основанием — урацилом.

Нуклеиновые кислоты являются сложными биополимерами. Входящие в их состав мономеры (мононуклеотиды) значительно сложнее, чем аминокисло­ты или моносахариды (рибоза и дезоксирибоза). Различия в строении ДНК и РНК небольшие, но эти кислоты значительно различаются по своим свойствам и биологическим функциям.

Молекулы нуклеиновых кислот очень велики; они содержат десятки, сот­ни и тысячи отдельных звеньев — нуклеотидов. Их последовательность в цепи (то есть первичная структура нуклеиновой кислоты) еще не определяет всех ее свойств. Очень важна вторичная структура — форма, которую приоб­ретает реальная молекула нуклеиновой кислоты. Вторичную структуру моле­кулы ДНК установили английские ученые Д.Уотсон и Ф.Крик в 1958 году. Они же создали ее модель. Теперь она общепринята и называется моделью Уотсона — Крика.

Оказалось, что молекула ДНК находится в природе обычно в форме двойной спирали: две нити ДНК обвивают друг друга подобно двум перепле­тенным проводам. В удерживании этих нитей от раскручивания основную роль играют во­дородные связи, возникающие между гетероциклическими основания­ми. Для их образования в одной цепи должно быть «большое»- основание (пурин), в другой — «малое» (пиримидин); в одной должно быть аминосоединение, в другой — кетосоединение. Вследствие этих условий реально могут существовать лишь две пары мононуклеотидов: если один из них содержит аденин, то второй — тимин; если один содержит гуанин, то второй — цитозин. Эти пары обозначаются соответственно А—Т и Г—Ц. Таким образом, если в молекуле ДНК имеется участок АТТЦАГГТ, то в соответствующей (или, как обычно говорят, в комплементарной, то есть дополняющей ее цепи будет уча­сток ТААГТЦЦА.

Комбинации указанных четырех азотистых оснований, входящих в со­став ДНК, образуют так называемый генетический код. Последний представ­ляет собой особый химический язык, на котором записывается наследственная информация. Причем основным хранителем наследственной информации являются имен­но молекулы ДНК: они обеспечивают способность живого вещества к воспроиз­ведению абсолютно точных копий. В процессе самовоспроизведения две полинуклеотидные нити, связанные в мо­лекуле ДНК водородными связями, отходят друг от друга, и каждая из них становится основой (матрицей) для будущей новой молекулы. Благо­даря притоку нуклеотидов из цито­плазмы каждая матрица строит дополнительную полинуклеотидную цепь и превращается в двуспиральную молекулу ДНК, полностью повто­ряющую химическое строение исход­ной материнской молекулы.

Основой жизни животных и ра­стительных клеток являются белки. Это — сложнейшие органические со­единения, состоящие из большего или меньшего количества аминокислот. Белки выполняют различные функ­ции, и они достаточно разнообразны. Так, например, в мышечных волокнах содержится белок миозин, в эритроци­тах — гемоглобин, в поджелудочной железе — инсулин и т. п. В обмене веществ в организме принимают уча­стие белки, называемые ферментами. Синтез, то есть образование, белков происходит в цитоплазме клетки, а спе­цифические особенности белков опре­деляются генетической информацией, заключающейся в ДНК хромосом.

Синтез белков в цитоплазме про­исходит под контролем ДНК. В син­тезе принимают участие молекулы трех различных видов рибонуклеино­вых кислот. Одна из них, так называ­емая транспортная РНК, соединяет­ся с активированными аминокислотами. Для активации используется энергия, которую вырабатывают в цитоплаз­ме митохондрии. Другая РНК, которую называют информационной, передает от молекул ДНК, находящихся в хромосомах, генетическую информацию о составе белка в рибосомы цитоплазмы. Третья РНК входят о состав рибосом м называется соответственно рибосомной. При синтезе белков реализуется тес­нейшая взаимосвязь между биохимическими процессами в цитоплазме и ядре. Синтез белков осуществляется рибосомами. Предварительно на каждом гене в виде молекулы РНК синтезируется его копия. Эти копии, будучи особым образом «упакованными», через поры ядерной оболочки выте­кают из ядра, попадают в цитоплазму и соединяются с рибосомами, прикрепленными к канальцам эндоплазматической сети. После того как к ним под­плывают молекулы РНК, несущие информацию от генов, начинается синтез ферментов. Готовые порции ферментов уходят в цитоплазму и там управляют реакциями, протекающими в живой клетке.

Каждый ген, то есть каждый участок ДНК, управляет какой-то одной реакцией в цитоплазме клетки. Для этого под его контролем и синтезируется соответствующий фермент. Ферменты представляют собой белки. Их синтез происходит не в ядре, где находятся гены, а в цитоплазме. Ферменты являются исключительно сильными и специфическими катализаторами. Например, одна молекула фермента каталазы при нормальной температуре тела обеспечивает распад около 5 млн. молекул перекиси водорода в течение всего лишь одной минуты.

Удивительно высока специфичность ферментов, их «умение выбирать» определенные молекулы из ряда очень похожих. Фермент глюкозоксидаза окисляет лишь один определенный изомер глюкозы, не затрагивая не только других сахаров, но и других пространственных изомеров глюкозы. На одном из этапов биосинтеза белка происходит присоединение аминокислот к соответствующим макромолекулам. Осуществляющие эту реакцию особые фер­менты безошибочно выбирают из 20 аминокислот и из 20 очень сходно построенных макромолекул только нужные пары и соединяют их.

Белки — очень важный, но далеко не единственный вид биополимеров, биополимерами являются сахариды, составляющие основную массу раститель­ного материала. Полисахариды, подобно белкам, построены из простых моно­меров — только роль мономеров здесь играют не аминокислоты, а сахара (в первую очередь глюкоза). Две молекулы сахара путем отщепления молеку­лы воды соединяются, образуя дисахарид. Если соединяются между собой мно­гие молекулы глюкозы, получится полисахарид, например целлюлоза, крахмал и гликоген. При этом может получиться длинная неразветвленная молекула (например, целлюлоза) или сильно разветвленная (например, крахмал или гликоген). В частности, из целлюлозы состоят оболочки растительных клеток. Передача наследственной информации связана с процессом биосинтеза белков. Как было уже отмечено, строение синтезируемого белка предопределяется строением определенного участка соответствующей молекулы ДНК, которая находится в хромосоме клеточного ядра.

Предположим, что под влиянием каких-то факторов скрученная цепь молекулы ДНК начинает раскручиваться. Пусть она раскрутится сверху вначале на четыре звена. На освободившихся концах начинается построение вторых цепей. Рядом с А может оказаться лишь Т, рядом с Т — А, рядом с Ц — Г т. д.

Когда две цепи исходной молекулы ДНК полностью раскрутятся и каждая из них дополнится вновь синтезированной цепью (обвивающейся вокруг новины старой двойной спирали), получатся вместо одной две совершенно одинаковые двойные спирали: у каждой из них одна нитка образовалась из «старой» молекулы, другая — синтезирована вновь. Таким образом, получается точная копия исходной молекулы ДНК.

Конечно, одного свойства самовоспроизведения еще недостаточно, чтобы ДНK могла определить передачу наследственных признаков. Последовательность мононуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемых организмом белках, в первую очередь в ферментах. Эту зависимость включения в белок той или иной аминокислоты от определенной последовательности нуклеотидов и называют гене­тическим кодом.

К его особенностям относится прежде всего то, что каждой аминокислоте, соответствует определенная последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, называемых триплетов нуклеотидов. Например, триплет ТТТ соответствует аминокислоте фенилаланину, триплет ГЦУ — аланину и т. д. Большинство аминокислот кодируется двумя-тремя сходными триплетами, Последние являются как бы сигналами начала или конца образования пептидной цепи белка (фермента). Таким образом, все многообразие растений, животных и человека закодировано в очень длинных молекулах дезоксирибонуклеиновых кислот.

Каждый ген состоит из молекулы ДНК, в которой закодировано строение соответствующей пептидной цепи (в частности, строение какого-то фермента). Каждой аминонокислоте соответствует определенный триплет нуклеотидов. При синтезе новой молекулы белка протекает несколько процессов. Сначала на молекуле ДНК, как на матрице, синтезируется особая, более короткая (содержащая обычно несколько сотен мономеров) молекула РНК. Она выполняет роль передатчика информации, ее так и называют информационной и обозначают и-РНК. В отличие от скрученной из двух ниток ДНК, она представляет собой длинную одноцепочечную молекулу. Образовавшаяся молекула и-РНК несет на себе часть информации, хранящейся в длинной молекуле ДНК и закодированной четырьмя элементами: А, Г, Ц, У.

Длинная лента с закодированной записью поступает в рибосомы клетки. Они состоят из белков и нуклеиновых кислот. Обычно и-РНК проходит последовательно через несколько рибосом, связанных вместе и называемых полисомами. Последние представляют собой своего рода конвейеры, на которых происходит «сборка» белка из соответствующих «деталей» — аминокислот.

В процессе «сборки» рибосомы медленно вращаются. Перед этим в порядке подготовки аминокислоты взаимодействуют с особым веществом — аденозинтрифосфатом (АТФ). В нем все организмы накапливают энергию, а взаимодействующие с ним аминокислоты активизируются, превращаясь в аминоациладенилаты (ААА).

Активизированные аминокислоты под влиянием соответствующих ферментов вступают во взаимодействие с транспортными рибонуклеиновыми кислотами. Они обозначаются т-РНК. Существуют более 20 видов различных т-PHK. Каждая из них содержит около 80 нуклеотидов, способных присоединять лишь одну определенную аминокислоту и «транспортировать» ее к месту «сборки». Для некоторых аминокислот найдено по две и более т-РНК, пока неясно различие их функций.

Роль рибосом заключается в том, что они помогают установить пространственное соответствие между участками и-РНК и т-PHK. Участок и-РНК, кодирующий одну аминокислоту, соединяется с соответствующим участком т-РНК. Если они совпадают, то присоединенная к т-РНК аминокислота присоединяется к цепи строящегося белка. Продвигаясь вдоль по цепи и-РНК, рибосома последовательно поставляет нужные т-РНК с аминокислотамим, выполняя роль «контролера» генетической записи.

Транспортные РНК с присоединенными аминокислотами поступают в рибосому или полисому. Последние можно сравнить с автоматическим кон­вейром, на который поступают детали (аминокислоты, связанные с т-РНК) и технологическая карта (информационная РНК).

В рибосомах имеются участки, на которых каждая т-РНК останавливается и ждет момента, когда по сигналу и-РНК, то есть согласно «технологической карте», соответствующая аминокислота включится в создаваемую на рибосомe пептидную цепь. Эта цепь строится присоединением аминокислот по карбоксильным группам начатой цепи. Когда создание белковой молекулы завершено, в и-РНК появляется триплет УАА, кодирующий окончание биосинтеза заданного «технологической картой» белка. При этом белковая молекула выходит из рибосомы и свертывается присущим ей образом. На этом формирование белка заканчивается.

Удивительно, что все белки (в клетках микробов, растений, животных, человека) состоят в основном из 20 аминокислот. У всех их молекул есть общая часть, содержащая две реакционно-способные группы: аминогруппу NН₂ и карбоксильную группу СООН. Обе они достаточно легко вступают реакции. Путем отщепления одной молекулы воды от двух аминокислот по­лучается более сложное соединение с характерной группировкой атомов: -СО - NH -, (называемой амидной или пептидной).

В полученном соединении (дипептиде) тоже есть свободная аминогруппа и свободный карбоксид. При взаимодействии дипептида с аминокислотами и другими пептидами могут образовываются полипептиды — полимеры. Их характерная особенность состоит в том, что они построены из остатков амииокислот и содержат амидные (пептидные) связи.

Как обнаруженных в природе, так и синтезированных пептидов известно достаточно много. В их состав входят десятки аминокислот. Например, гормон, регулирующий деятельность надпочечников, содержит 39 остатков аминокислот. По такому же принципу построены белки — это уже полипептиды сложного строения и большого молекулярного веса. В отличие от обычных полимеров с определенной последовательностью мономеров в цепи, все белки отличаются друг от друга последовательностью остатков различных аминокислот вдоль цепи. Последовательность, в которой соединяются между собой различные аминокислоты, называют первичной структурой белка (полипептида).

В настоящее время известны первичные структуры более двухсот белков. Некоторые из них содержат по нескольку сотен остатков аминокислот. Эти остатки, взаимодействуя между собой, образуют определенные пространственные структуры (например, спиральные). Образование водородных связей и определенные пространственные ограничения приводят к тому, что длинная полипептидная цепь легко свертывается в спираль. На каждые три витка такой спирали приходится около 11 аминокислот. В результате этого длинные цепи белков имеют вид толстых спиралей. Существуют и другие формы вторичной структуры белков.

Спирали белков, взаимодействуя между собой, образуют очень сложный, но строго определенный по форме клу­бок. Размещение спиралей в таком клубке называют третичной структу­рой белка. Иногда сложив­шиеся определенным образом громад­ные молекулы белка взаимодействуют между собой и как бы слипаются. Такое слипание белков называют четвертичной структурой. Существенно, что не­большие изменения во вторичной, тре­тичной и четвертичной структурах бел­ка меняют характер его биологического действия. Все это позволяет природе со­здавать самые разнообразные составля­ющие растений и животных.

Современные достижения в обла­сти исследования клеток и их функ­ций связаны с так называемым клонироваиием — получением нового животного, но не обычным (половым способом, а манипуляциями с одно единственной клеткой животного-«родителя».

23 февраля 1997 года шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клеток взрослой oвцы ее генетически идентичную копню знаменитого ягненка Долли. Известно, что любая клетка взрослого организма (так называемая соматическая клетка) несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов, при зачатии эти половинки (отцовская и материнская) соединяются. В результате получается новый организм. Получение же нового живо из соматической клетки — это создание генетически тождественного существа в процессе, который называется клонированием.

В структурном плане макромолекула белка представляет собой последовательность мономеров - остатков аминокислот (из 100 известных в органической химии аминокислот в состав белков входят лишь 20). Молекулы различных белков существенно отличаются друг от друга молекулярной массой, величина которой может изменяться от десятков тысяч до десятков миллионов, содержанием различных аминокислот и порядком их расположения. Изменение последовательности даже одной пары аминокислот в структуре молекулы белка изменяет его свойства - это будет уже другой белок.

Дата добавления: 2015-07-12