Клетка и основные процессы в ней

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, свитых вместе вокруг одной продольной оси, в результате чего образуется двойная спираль. Две цепи ДНК соединены в одну молекулу азотистыми основаниями. При этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином.

В связи с этим последовательность нуклеотидов в одной цепочке  жестко определяет их последовательность в другой. Строгое соответствие нуклеотидов  друг другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарное. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой  через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. В молекуле ДНК последовательно соединены многие тысячи нуклеотидов, молекулярная масса этого соединения достигает десятков и сотен миллионов. Роль ДНК заключается в хранении, воспроизведении и передаче из поколения в поколение наследственной информации. ДНК несет в себе закодированную информацию о последовательности аминокислот в белках, синтезируемых клеткой. Клетка обладает необходимым механизмом синтеза ДНК. Процесс самоудвоения, или репликации (редупликации, ауторепликации), идет поэтапно: сначала под действием специального фермента разрываются водородные связи между азотистыми основаниями, затем в результате этого исходная двойная цепочка молекулы ДНК постепенно распадается на две одинарные. Одна нить ДНК отходит от другой, затем каждая из них синтезирует новую путем присоединения свободных комплементарных нуклеотидов, находящихся в цитоплазме (аденин к тимину, гуанин к цитозину). Так восстанавливается двойная цепь ДНК — точная копия ≪материнской≫ молекулы ДНК .

Но теперь таких двойных молекул  уже две. Поэтому синтез ДНК и  получил название репликации (удвоения): каждая молекула ДНК как бы сама себя удваивает. Иными словами, каждая нить ДНК служит матрицей, а ее удвоение называется матричным синтезом. В  живых клетках в результате удвоения новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и первоначальные: одна нить была исходной, а вторая собрана  заново. В связи с этим в дочерних клетках сохраняется та же наследственная информация. В этом заключается глубокий биологический смысл, потому что  нарушение структуры ДНК сделало  бы невозможными сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей развитие присущих организму  признаков. Молекулярная структура  РНК близка к таковой ДНК. Но РНК  в отличие от ДНК в большинстве  случаев бывает одноцепочечной. В состав молекулы РНК входят также 4 типа нуклеотидов, но один из них иной, чем в ДНК: вместо тимина в РНК содержится урацил. Кроме того, во всех нуклеотидах молекулы РНК находится не дезоксирибоза, а рибоза. Молекулы РНК не столь велики, как молекулы ДНК. Существует несколько форм РНК. Названия их связаны с выполняемыми функциями или расположением в клетке. В рибосомах содержится рибосомальная РНК (рРНК). Молекулы рРНК относительно невелики и состоят из 3 — 5 тыс. нуклеотидов. Информационные (иРНК), или матричные (мРНК), РНК переносят информацию о последовательности нуклеотидов в ДНК, хранящуюся в ядре, к месту синтеза белка. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы. Молекулы мРНК могут состоять из 300 — 30 000 нуклеотидов.

Молекулы транспортных РНК (тРНК) самые короткие и состоят из 76 — 85 нуклеотидов. Транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, причем каждая аминокислота имеет свою тРНК. Все виды РНК синтезируются в ядре клетки по тому же принципу комплементарное на одной из цепей ДНК. Значение РНК состоит в том, что они обеспечивают синтез в клетке специфических для нее белков. Аденозинтрифосфат (АТФ) входит в состав любой клетки, где выполняет одну из важнейших функций — накопителя энергии. Это нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи). При разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке, обеспечивая процессы жизнедеятельности и синтеза органических веществ. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около 40 кДж энергии. При этом АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), а при дальнейшем отщеплении остатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфат (АМФ).

Следовательно, АТФ — главное  макроэргическое соединение клетки, используемое для осуществления  различных процессов, на которые  затрачивается энергия.

Строение и функции  клетки

В настоящее время выделяют два  уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариотические клетки типичны для одноклеточных организмов — прокариот, тогда как эукариотические клетки характерны для эукариот, большинство которых является многоклеточными организмами.

Прокариотическая клетка. Бактерии — это типичные прокариотические клетки. Бактериальная клетка окружена клеточной стенкой, представляющей собой ≪мешок≫, в котором заключено клеточное содержимое.

На поверхности клеточной стенки у бактерий могут располагаться жгутики. Отличительным признаком ряда бактериальных видов является капсула, расположенная снаружи от клеточной стенки. Главная особенность строения бактерий — отсутствие оформленного ядра, ограниченного оболочкой. Основное вещество бактериальных клеток представлено цитоплазмой. Цитоплазма имеет собственную цитоплазматическую мембрану. В цитоплазме располагаются ядерная область, рибосомы, осуществляющие синтез белков, и различные включения в виде гранул гликогена, липидов, метахроматина, серы. Наследственная информация у бактерий заключена в одной хромосоме. Бактериальная хромосома состоит из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца, погружена в цитоплазму и представляет собой ядерную область бактериальной клетки. Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны.

Эукариотическая клетка. Наиболее сложная организация свойственна эукариотическим клеткам.

Так называемой типичной клетки в  природе не существует, но у тысяч различных видов клеток можно выделить общие черты строения. Каждая клетка состоит из двух важнейших, тесно взаимосвязанных частей — цитоплазмы и ядра.

Цитоплазма и клеточная мембрана

От внешней среды цитоплазма отграничена наружной клеточной мембраной (цитоплазматической мембраной, плазматической мембраной, плазмалеммой). Плазматическая мембрана — плотная ультрамикроскопическая пленка (толщина 7—10 нм), состоящая из нескольких слоев. Центральный слой представлен двумя рядами липидов, в которые на разную глубину с наружной и внутренней стороны погружены многочисленные и разнообразные молекулы белка.

У большинства растительных клеток помимо мембраны снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка — клеточная стенка. Она выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму. Наружная цитоплазматическая клеточная мембрана выполняет ряд очень важных биологических функций. Отграничивая клетку от окружающей среды, мембрана осуществляет транспорт веществ

внутрь клетки. В цитоплазматической мембране есть многочисленные мельчайшие отверстия — поры, через которые с помощью ферментов внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы. Кроме того, ионы и мелкие молекулы могут проникать в клетку непосредственно через мембрану. Транспорт веществ носит избирательный характер. Клеточная мембрана легко проницаема для одних веществ и непроницаема для других. За счет этого свойства мембраны концентрация ионов калия, кальция, магния, фосфора в цитоплазме выше, а концентрация натрия и хлора ниже, чем в окружающей среде. Избирательная проницаемость клеточной мембраны носит название полупроницаемости и является одним из основных свойств клеточных мембран. Химические соединения и твердые частицы могут проникать в клетку путем пиноцитоза и фагоцитоза. Наружная мембрана клеток образует выпячивания в месте контакта с твердой частицей или каплей жидкого вещества, края выпячиваний смыкаются, увлекая захваченное вещество в глубь цитоплазмы, где оно подвергается ферментативному расщеплению. На поверхности клеток мембрана образует удлиненные выросты — микроворсинки, складки, что во много раз увеличивает всасывающую или выделительную поверхность. С помощью мембранных выростов клетки соединяются друг с другом в тканях и органах многоклеточных организмов; на складках мембран располагаются разнообразные ферменты, участвующие в обмене веществ. Цитоплазма содержит целый ряд структур (органелл, или органоидов), каждая из которых имеет свои особенности строения и выполняет определенную функцию. Органоиды взвешены в жидкой среде цитоплазмы, которую называют цитоплазматическим матриксом, или гиалоплазмой. Это наименее плотная часть клетки, на 85 % состоящая из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений. Все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции к глицерину. Коллоидное вещество клетки в зависимости от ее физиологического состояния и характера воздействия внешней среды способно загустевать и превращаться в твердый студень (гель), который, в свою очередь, при определенных условиях разжижается и вновь превращается в жидкость (золь). Гиалоплазма играет значительную роль в клетке. Благодаря вязкости и способности к перемещению гиалоплазма обеспечивает непрерывное передвижение продуктов обмена веществ в клетке. Кроме того, примыкая к наружной клеточной мембране, она обеспечивает обмен веществами между клетками. К органоидам, свойственным всем клеткам, относятся эндоплазматическая сеть, рибосомы, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы, клеточный центр.

Органоиды клетки

Эндоплазматическая  сеть (эндоплазматический ретикулум) — это сложная система мембран, пронизывающих цитоплазму. Мембраны, образующие стенки эндоплазматической сети, по структуре сходны с наружной клеточной мембраной. Существуют два типа эндоплазматической сети — гладкая (агранулярная) и шероховатая (гранулярная). На мембранах первого типа находятся ферменты жирового и углеводного обмена, т.е. на них происходит синтез липидов и углеводов. На мембранах второго типа располагаются мельчайшие зернышки — гранулы, называемые рибосомами, которые покрывают поверхность уплощенных мембранных мешочков (цистерн) эндоплазматической сети, придающих мембранам шероховатый вид, за что эта сеть и получила свое название. В рибосомах синтезируются белки, которые накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети и затем по ним транспортируются к различным органоидам клетки. Внутренняя полость канальцев заполнена матриксом — бесструктурной жидкостью, содержащей продукты жизнедеятельности клетки. Синтезируемые на мембранах эндоплазматической сети белки, липиды и углеводы используются в обмене веществ, либо накапливаются в цитоплазме качестве включений, либо выводятся наружу.

Рибосомы  представляют собой округлые тельца, лишенные мембранной структуры и состоящие из рибонуклеиновой кислоты РНК) и белков почти в равном соотношении. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц различной величины, соединенных между собой. Субъединицы формируются в ядре в зоне ядрышка и затем поступают в цитоплазму, где осуществляется сборка рибосом. В цитоплазме рибосомы могут располагаться свободно или быть прикрепленными к поверхности мембран эндоплазматической сети, на мембране они могут располагаться поодиночке или объединяться в комплексы — полирибосомы (полисомы). Основная функция рибосом — синтез белков.

Комплекс (аппарат) Гольджи состоит из диктиосом, представляющих собой стопки из 5 —20 параллельных плоских мешочков — цистерн, ограниченных мембраной. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу Гольджи, где они химически перерабатываются, уплотняются, а затем переходят в цитоплазму и либо используются самой клеткой, либо выводятся из нее. В растительных клетках комплекс Гольджи является центром синтеза, накопления и секреции полисахаридов клеточной стенки.

Митохондрии — микроскопические структуры разнообразной формы: от сферических глыбок (зернышек) до цилиндрических телец; могут иметь нитевидную форму. Митохондрии имеют двухмембранное строение. Между наружной и внутренней мембранами находится бесструктурная жидкость — матрикс. В матриксе митохондрий содержатся молекулы ДНК, специфические РНК и рибосомы, более мелкие, чем в цитоплазме. Здесь происходит автономный синтез белков, входящих во внутреннюю мембрану митохондрий, а также окисление и синтез жирных кислот. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует складки (кристы). На мембранах крист располагаются многочисленные окислительные ферменты, с помощью которых осуществляется синтез высокоэнергетического вещества — АТФ. Следовательно, митохондрии можно назвать энергетическими центрами клетки.

Лизосомы  — небольшие овальные тельца. Они окружены мембраной и заполнены густозернистым матриксом. Одна из особенностей функции лизосом — участие во внутриклеточном переваривании пищевых веществ. Лизосомы содержат пищеварительные (гидролитические) ферменты, которые могут расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и другие вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом, откуда и происходит название органоида (от греч. лизис — разложение, распад, растворение). Кроме того, лизосомы могут переваривать части самой клетки (автолиз) при их старении, в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена зародышевых тканей на постоянные, в случае отмирания содержимого живой клетки, например, при формировании сосудов и трахеид у растений. Лизосомы могут участвовать в удалении целых клеток и межклеточного вещества: рассасывании хвоста у головастиков, образовании кости на месте хряща. Продукты лизиса выводятся через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они включаются в состав новых молекул. При разрыве лисозомной мембраны ферменты поступают и переваривают ее содержимое, вызывая гибель клетки. Лизосомы образуются из эндоплазматической сети или из комплекса Гольджи.

Клеточный центр состоит из двух маленьких телец — центриолей. Это органоиды цилиндрической формы, расположенные под прямым углом друг к другу. Стенка центриоли построена из девяти триплетов микротрубочек. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении: предполагается, что от центриолей начинается рост веретена деления.

Ядро  — важнейшая составная часть клетки. Это органоид, где хранится и воспроизводится наследственная информация.

Кроме того, ядро является центром  управления обменом веществ клетки, контролирующим деятельность всех других органоидов. Поэтому с удалением ядра клетка прекращает свои функции и гибнет. Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двух мембран, разделенных бесструктурным содержимым (матриксом), сходным с матриксом каналов эндоплазматической сети. Поверхность наружной мембраны оболочки ядра покрыта рибосомами. Ядерная оболочка пронизана порами, на краях которых наружная мембрана переходит во внутреннюю. Через поры происходит активный обмен молекулами между ядром и цитоплазмой, но при этом ядерная оболочка отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы. Это обеспечивает различия в химическом составе ядерного сока (кариоплазмы) и цитоплазмы.

Хроматин ядра представляет собой  глыбки, гранулы и сеть тонких длинных нитей. Основными структурными компонентами хроматина являются ДНК (30 — 45 %) и специальные белки, некоторые из которых (гистоны) образуют комплекс с ДНК и играют важную роль в ее упаковке. Хроматин представляет собой спирализованные (плотноупакованные) хромосомы (нити ДНК) — органоиды клеточного ядра, которые являются носителями генов и определяют наследственные свойства клеток и организмов. Хромосомы имеют форму палочек, нитей, петель. Каждая хромосома состоит из двух продольных копий — хроматид, скрепленных центромерой,