ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

Основные компоненты живых клеток

Среди цитологов долгое время было широко распространено мнение, что между клетками дифференцированных организмов, таких, как высшие растения и животные, и микроскопических одноклеточных организмов, таких, как бактерии, больше различий, чем сходства.

Во-первых, в клетках высших организмов всегда можно было увидеть ядро (эти организмы назвали эукариотами). В микробных же клетках долгое время увидеть ядро или похожие на него образования не удавалось. Но с развитием микроскопической техники и методов наблюдения удалось найти и в микробных клетках подобие ядра — области, содержащие основную массу дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), которые несут генетическую (наследственную) информацию. Эти области отличались от окружающей цитоплазмы по поглощению света, что и позволило их «увидеть». Обнаруженные структуры назвали нуклеоидами, чтобы отличить их от истинных ядер — нуклеусов. Таким образом, оказалось, что и у эукариотов и у остальных организмов, которые назвали протокариотами, есть ядерные структуры, несущие наследственную информацию, и, следовательно, различия между ними не так уж значительны.

Во-вторых, в цитоплазме клеток эукариотов были обнаружены различные структуры, или, как их часто называют, органоиды: митохондрии, пластиды (в растительных клетках) и др. Затем при изучении отдельных фракций клеток в электронном микроскопе удалось обнаружить мелкие структуры — рибосомы. А цитоплазма микроорганизмов долгое время казалась оптически пустой. Но с течением времени и в клетках протокариотов были найдены аналоги митохондрий и рибосомы. Таким образом, никаких серьезных различий между клетками эукариотов и протокариотов не оказалось.

То же можно сказать и о различиях между животными и растительными клетками. Хотя клетки растений и содержат части, которых нет в животных клетках (целлюлозная оболочка; пластиды — хлоропласты, лейкопласты, хромопласты; вакуоли, т. е. полости, заполненные клеточным соком), сходства между обоими типами клеток больше, чем различий. Поэтому мы и опишем одновременно ультрамикроскопическое строение и растительных и животных клеток.

В ядрах и растительной и животной клетки можно обнаружить одно или несколько ядрышек. Ядра окружены двухслойной мембраной, в которой были найдены отверстия, или поры. Эти отверстия открывают путь в цитоплазму. Весь объем цитоплазмы подразделили на две главные части: ту часть цитоплазмы, которая примыкает к оболочке, назвали эктоплазмой, а внутреннюю часть — эндоплазмой. В эндоплазме была обнаружена густая сеть канальцев, которую назвали эндоплазматической сетью или эндоплазматическим ретикулумом (сеть — по-латински «ретикулум»).

Многие поры в ядерной оболочке соединены с канальцами. Поэтому ворота в ядерной оболочке открыты не просто в цитоплазму, а в канальцы эндоплазматического ретикулума. Эта особенность оказалась очень важной. Ученые определили, что каждый ген, т. е. участок ДНК, управляет какой-то одной реакцией в клетке, правильнее — в цитоплазме клетки. Для этого под его контролем должен синтезироваться специфический фермент. Но ферменты — это белки, и их синтез происходит не в ядре, где находятся гены, а в цитоплазме. Синтезом всех белков занимаются мельчайшие структуры в цитоплазме — рибосомы. Но как знать рибосомам, какой нужно синтезировать белок? Оказывается, что на каждом гене синтезируется его копия, но только в виде другой нуклеиновой кислоты — рибонуклеиновой, или, сокращенно, РНК. Эти молекулы РНК, возможно особым образом «упакованные» (такие «пакеты» информации называют информосомами или информоферами), вытекают через поры ядерной оболочки, попадают в цитоплазму и соединяются с рибосомами, множество которых прикреплено к канальцам снаружи. Когда к ним подплывают молекулы РНК, несущие информацию от генов, начинается синтез ферментов. Готовые порции ферментов уходят в цитоплазму и там осуществляют свою роль — управляют всеми бесчисленными реакциями, протекающими в живой клетке. В цитоплазме эти ферменты необходимы многочисленным структурам и включениям.

Оболочка клеток животных тонка, и клетки друг с другом легко сообщаются. Другое дело — растительные клетки. У них оболочка толстая, построена она из целлюлозы. Но и в этом случае клетки не отделены друг от друга непроницаемым «забором». В целлюлозной оболочке имеются поры, через которые из клетки в клетку протянулись тяжи цитоплазмы — плазмодесмы. По этим канальцам сообщений и происходит взаимодействие растительных клеток друг с другом.

Мы познакомились с общим устройством клеток. Остановимся на строении отдельных органоидов клетки. Митохондрии. Митохондрии — это энергетические подстанции клеток, как их часто называют. В митохондриях синтезируются вещества, запасающие химическую энергию клеток. Митохондрии после пластид — самые большие из органоидов цитоплазмы. Их толщина колеблется от 0,2 до 2 мкм (микрометров), длина — от 0,5 до 7 мкм. По форме они разнообразны: округлые, овальные, палочковидные, нитевидные. Оболочка митохондрий двухслойная, толщина ее около 0,02 мкм. По всему объему митохондрии оболочка образует складки, выступающие внутрь этой частицы. Эти перегородки — кристы — сильно, увеличивают внутреннюю поверхность митохондрии, что, по-видимому, очень важно, так как на ней располагаются ферментные белки.

Схема строения клетки (условно): 1 — двухслойная оболочка клетки; 2 — рибосома; 3 — полисома; 4 — митохондрия (в разрезе); 5 — эндоплазматический ретикулум; 6 — ядро; 7 — ядерная оболочка; 8 — ядерная пора; 9 — ядрышко.

Аппарат Гольджи. В 1898 г. итальянский цитолог К. Гольджи, применив новый метод наблюдения за клетками в микроскоп (введение солей серебра в клетку), обнаружил в нервных клетках совы и кошки сетчатые структуры, которые затем так и назвали — аппарат Гольджи. В последовавшие за этим открытием годы аппарат Гольджи был описан для всех клеток и животных и растений. Аппарат Гольджи представляет собой чаще всего скопление пузырьков, маленьких вакуолей, цистерн в определенных участках цитоплазмы. Эти пузырьки имеют различную форму — шарообразную, уплощенную, вытянутую, часто располагаются параллельно друг другу, нередко соединяются с канальцами эндоплазматической сети. В растительных клетках встречаются плоские, расположенные параллельно цистерны. Стопку таких цистерн называют диктиосомами (размерами они совпадают с митохондриями).

Функции аппарата Гольджи окончательно не выяснены. Одни ученые предполагают, что в них синтезируются клеточные секреторные вещества, другие — что в пузырьках аппарата Гольджи скапливаются различные вещества, синтезируемые в цитоплазме, — жиры, гормоны, .некоторые ферменты, компоненты желчи и другие молекулы.

Хлоропласты и другие пластиды. В зеленых участках растительных клеток располагаются многочисленные хлоропласты. Хлоропласты — это самые крупные органоиды (4—6 мкм). Форма их различна: сферические, яйцевидные, дискообразные, даже гантелеобразные. В некоторых водорослях хлоропласты (или хроматофоры) имеют пластинчатое строение, и такие пластинки или даже ленты тянутся, часто переплетаясь друг с другом, вдоль всей клетки нитчатой водоросли.

Внутри хлоропластов обнаружены многочисленные пластинки (до 60 в одном хлоропласте), располагающиеся стопками друг над другом. Внутри хлоропластов встречаются крахмальные зерна. Функции хлоропластов хорошо изучены. В них содержится особый пигмент — хлорофилл, который поглощает энергию солнечного луча и, используя ее, осуществляет синтез углеводов из воды и углекислого газа (см. ст. «Как устроено и питается зеленое растение»).

В растительных клетках существуют близкие по размерам к хлоропластам пластиды еще двух видов : бесцветные — лейкопласты и окрашенные — хромопласты. Рибосомы. Самые мелкие включения цитоплазмы (0,01—0,015 мкм), встречающиеся во всех без исключения живых клетках, — рибосомы, белковые фабрики клеток. О функции рибосом мы уже упоминали. Расскажем о ней подробнее. Рибосомы, состоящие из двух частей — субъединиц (малой и большой), присоединяются к молекулам информационной РНК (и-РНК). К одной молекуле и-РНК может быть прикреплено много рибосом. Такая структура имеет свое название — полирибосома или полисома. К рибосомам подходят молекулы транспортных РНК (т-РНК), доставляющие аминокислоты, из которых и будут строиться белковые молекулы. Роль рибосом заключается в том, что они помогают установить пространственное соответствие между участками и-РНК и т-РНК. 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 подставляет нужные т-РНК с аминокислотами, выполняя роль «контролера» генетической записи.