Основные положения:
• Клетка образуется только из предсуществующей клетки
• Каждая клетка несет генетическую информацию, реализация которой позволяет ей производить все необходимые компоненты
• Плазматическая мембрана состоит из липидного бислоя, отделяющего клетку от окружающей среды
В основе всего многообразия живых организмов лежит одна основная структурная единица: клетка. Основное положение биологии, утвердившееся с момента разработки клеточной теории в XIX веке, состоит в том, что каждая клетка образуется в результате деления предсуществующей.
Простейшие представляют собой одноклеточные организмы: их клетка сама по себе является самостоятельной биологической единицей, способной к воспроизведению многих себе подобных копий. Для того чтобы выжить, одноклеточные организмы могут приспосабливаться к самым различным типам окружающей среды, от крайне низких до крайне высоких температур, могут существовать в аэробных или анаэробных условиях, или даже в атмосфере метана. Некоторые из них живут в других организмах.
Клетки также могут образовывать многоклеточные организмы. В этом случае различные клетки специализируются для выполнения различных функций. В многоклеточном организме клетки взаимодействуют друг с другом, тем самым обеспечивая его функционирование как целого.
Многоклеточные организмы обладают способностью к размножению, однако их индивидуальные клетки могут проявлять или не проявлять такую способность. Клетки организма, для которых размножение обычно нехарактерно, могут приобрести способность к неограниченному делению, что может послужить причиной развития рака.
Размеры и форма клеток сильно варьируют, что иллюстрирует рисунок ниже. Самые мелкие клетки представлены одноклеточными организмами, которые имеют сферическую форму с диаметром, не превышающим 0,2 мкм. К числу одной из наиболее крупных клеток относится нейрон (нервная клетка) гигантского кальмара, диаметр которого в 5000 раз больше и составляет 1 мм. От тела нейрона отходят отростки (аксоны) диаметром 20 мкм (в 100 раз больше, чем размеры мельчайшей клетки), которые в длину могут достигать 10 см!
Клетки человека и других млекопитающих по величине занимают среднее положение, и обычно их диаметр составляет 3—20 мкм.
Клетки могут не очень сильно различаться по форме. Так, клетки сферической формы обычно существуют в жидкой среде. Иногда они могут обладать более определенной формой, как, например, нейрон, с характерными длинными отростками, или клетки эпителия, которые имеют выраженную апикальную и базолатеральную поверхности, выполняющие различные функции. Клетка может свободно существовать в жидкой среде либо быть прикрепленной к поверхности или к другим клеткам.
Клетки могут взаимодействовать друг с другом или атаковать другие клетки.
Клетки сильно различаются по своим размерам и форме. Некоторые клетки обладают сферической формой, другие имеют протяженные выросты.
Остальные по форме занимают промежуточное положение. На фотографиях представлена микоплазма (Тим Питцкер, Ульмский университет), дрожжи (Фред Уинстон, Гарвардская медицинская школа),
фибробласт (Цзюнзо Десаки, Медицинская школа Университета Эхиме), нейрон (Джералд Дж. Обермайр Бернгардт Е. Флухер, Медицинский университет Инсбрука), растительная клетка (Мин X. Чен, Университет в Альберте)
Однако, несмотря на столь различные формы клеток, в основе их строения лежат несколько общих принципов.
• Внутреннее содержимое клетки отделено от внешней среды мембраной, которая называется плазматической мембраной.
• Плазматическая мембрана содержит системы, контролирующие вход и выход из нее различных метаболитов.
• Необходимые для клетки метаболиты образуются из компонентов пищи при участии внутренних энергетических систем.
• Генетический материал содержит всю информацию, необходимую для образования всех компонентов клетки.
• Генетическая информация реализуется при экспрессии генов.
• Индивидуальные белки кодируются соответствующими генами и после синтеза могут собираться в более крупные структуры.
Клетка ограничена мембраной, состоящей из двойного слоя липидов. На рисунке ниже представлены свойства липидного бислоя. Он являет собой макромолекулярную структуру, состоящую из липидов. Основное свойство липидов заключается в том, что их молекулы являются амфипатичными, т. е. на одном конце молекулы находится гидрофильная «головка», а на другом гидрофобный «хвост».
Каждый из слоев липидного бислоя, с одной стороны, содержит множество гидрофильных головок, а с другой стороны, гидрофобные хвосты. В водном окружении гидрофобные хвосты агрегируют, и, таким образом, гидрофобные поверхности каждого слоя могут соединяться, образуя неионный центр, подобно масляной капле на поверхности воды. С каждой стороны липидного бислоя гидрофильные головки обращены в сторону среды, содержащей ионы. Липидный бислой обладает важным свойством текучести. Это позволяет ему сплавляться с другими мембранами, образовывать новые при разделении, и служить в качестве растворителя для белков, которые присутствуют в бислое и мигрируют в его пределах.
Липидный бислой в определенной степени пропускает молекулы воды, но непроницаем для ионов, мелких заряженных молекул, а также для всех крупных молекул. В результате различного ионного окружения по обеим сторонам мембраны создается осмотическое давление, под действием которого молекулы воды проходят через мембрану и понижают концентрацию ионов с одной или с другой стороны мембраны, в зависимости от их концентрации.
Плазматическая мембрана разграничивает содержимое клетки и внешнюю среду. Для одноклеточных организмов понятие «внешняя среда» означает окружающая среда; для многоклеточных это одновременно окружающая среда и внутреннее окружение, создаваемое другими клетками организма (например, клетками, образующими стенки кровеносных сосудов). Плазматическая мембрана не обладает опорной функцией; фактически она довольно хрупкая и легко повреждается. Поэтому для поддержания целостности клетки обычно плазматическая мембрана должна быть укреплена структурами, которые играют опорную роль и обладают большей эластичностью.
Большинство процессов в клетке катализируются ферментами, константы связывания которых с субстратами и другие свойства определяют допустимый, совместимый с жизнедеятельностью уровень изменений содержания различных метаболитов во внутри- и внеклеточной среде. Однако организмы приспособились к различным условиям существования, и у тех из них, которые существуют в экстремальном окружении, присутствуют ферменты, способные функционировать в таких условиях, которые для более «нормальных» организмов оказались бы летальными.
Для обеспечения правильной работы всех систем, клетке необходимо регулировать свойства своей внутренней среды. Особый контроль необходим за ионным составом и величиной pH. Непроницаемость мембраны создает необходимость функционирования в ней специальных систем, обеспечивающих прохождение ионов.
Липидный бислой мембраны состоит,
главным образом, из амфипатических фосфолипидов.
Клетка должна усваивать метаболиты из окружающей среды. В первую очередь это источники энергии (являющиеся субстратами метаболических процессов) и небольшие молекулы, которые служат предшественниками компонентов, в дальнейшем образующих более крупные молекулы и структуры. Жирные кислоты используются для синтеза липидов, аминокислоты для синтеза белков, а из нуклеотидов образуются РНК и ДНК
Поскольку все клетки должны усваивать метаболиты из окружающей среды, они также должны обладать способностью выводить их. Клетки выводят в окружающую среду различные ионы, небольшие молекулы, и даже белки. Процессы экспорта, и в значительной степени импорта, являются строго специфичными: они должны с высокой селективностью удалять из клетки (или пропускать в нее) необходимые метаболиты.
Для выживания и воспроизводства клетка должна получать источники энергии из окружающей среды и использовать эту энергию для синтеза необходимых компонентов. В качестве источника энергии могут служить вещества, захваченные клеткой из внешней среды. Обычно это смесь простых и сложных соединений углерода. В качестве источника энергии клетка может использовать свет. Способы расходования энергии для разных типов клеток различны.
Поскольку образование новых клеток предполагает деление существующих, клетка должна располагать информацией о воспроизведении всех ее компонентов. Эта информация содержится в универсальном типе генетического материала — ДНК, которая кодирует все белки, содержащиеся в клетке. В свою очередь, белки могут собираться в большие структуры или участвовать в метаболических процессах в качестве катализаторов. Аппарат считывания генетического кода во всех клетках включает одни и те же компоненты.
Поскольку клетка постоянно испытывает различные воздействия со стороны окружающей среды, для обеспечения ее существования необходимы системы репарации повреждений, возникающих в генетическом материале.
Клетки поддерживают свое существование за счет процесса деления. Специальный механизм предназначен для обеспечения способности к делению, при котором образуются две дочерних клетки, каждая из которых идентична родительской по содержанию генетического материала и также содержит примерно половину других структур (за некоторыми исключениями, В процессе дифференцировки образуются различные специализированные клетки, включая терминально дифференцированные).
На представлены минимальные условия, необходимые для образования клетки. Резюмируя, мембрана отделяет внутреннее содержимое клетки от окружающей среды, и многие основные пути взаимодействия клеток с окружением определяются ее свойствами. Для формирования клетки необходим источник энергии, которая используется при создании более сложных компонентов из небольших метаболитов. Генетический материал содержит информацию, необходимую для воспроизведения всех характерных особенностей той или иной клетки, и все клетки обладают системами, позволяющими эту информацию использовать.
Клетка содержит геном, кодирующий строение всех структур,
аппарат для экспрессии генетической информации, систему использования энергии и плазматическую мембрану,
контролирующую взаимодействие клетки с окружающей средой.
