Клетка — основной структурный элемент живой материи

Живая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация (рис. 1.3). Совокупность всех живых организмов и среды их обитания называют биосферой.

Клетка является структурной и функциональной основой живых существ. Клеточная теория сформулирована Маттиасом Шлейденом и Теодором Шванном в 1838 г. Современная клеточная теория исходит из того, что клеточная структура является главнейшей формой существования жизни, присущей как растениям, так и животным. Совершенствование клеточной структуры явилось главным направлением эволюционного развития растений и животных, и клеточное строение прочно удержалось у большинства современных организмов.

Современная клеточная теория включает следующие основные положения.

Рис. 1.3. Иерархическая организация живой природы.

• 1. Клетка — основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого.
• 2. В сложных многоклеточных организмах клетки различаются (дифференцированы) по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
• 3. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов гомологичны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.
• 4. Размножение клеток происходит путем их деления. Положение о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из ее более мелких компонентов — генам и хромосомам, а также к генетическому механизму, обеспечивающему передачу вещества наследственности следующему поколению.
• 5. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических, гуморальных и нервных факторов (молекулярная регуляция).
• 6. Клетки многоклеточных тотипотентны, т. е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но разной экспрессией (работой) генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию (дифференцировке).

Иными словами, практически все биохимические реакции (на 95%) протекают в клетке; состав клеток определяет состав организма, а превращения, происходящие в клетке, — его жизнедеятельность.

Значение клеточной теории состоит в том, что она доказывает единство происхождения всех живых организмов на Земле.

В общем смысле структура — это совокупность элементов, связанных между собой. Например, совокупность клеток определяет структуру организма. Биоэнергетический процесс в организме осуществляется через совокупность клеток. Клеточная структура — это совокупность элементов (органелл), входящих в состав клетки.

Клетки подразделяют на два больших класса (рис. 1.4): прокариотические (ПК) и эукариотические (ЭК).

Термины «прокариот» и «эукариот» возникли от древнегреческого карион — орех, ядро и обозначают прокариот — до ядра и эукариот — с ядром.

Клетки прокариотического типа морфологически не структурированы (цитоплазма и ядро не разделены мембранами). По такому типу построены клетки бактерий и сине-зеленых водорослей (цианобактерий).

Рис. 1.4. Схематическое изображение строения прокариотических (а) и эукариотических (б) клеток Клетки эукариотического типа подразделяют на растительные и животные. Эукариотические клетки структурированы — все компоненты отделены мембранами.

Между прокариотическими и эукариотическими клетками существует множество и иных различий. У большинства прокариотических клеток нет внутренних мембранных органелл, а у большинства эукариотических есть митохондрии и хлоропласты. Эти полуавтономные органеллы — потомки бактериальных клеток. Таким образом, эукариотическая клетка — система более высокого уровня организации, она не может считаться целиком гомологичной клетке бактерии (клетка бактерии гомологична одной митохондрии клетки человека). Итак, гомология всех клеток свелась к наличию у них замкнутой наружной мембраны из двойного слоя фосфолипидов (у архебактерий она имеет иной химический состав, чем у остальных групп организмов), рибосом и хромосом — наследственного материала в виде молекул ДНК, образующих комплекс с белками.

Общее происхождение всех клеток подтверждается единством их химического состава. В табл. 1.1 представлены строение и функции основных компонентов клеток (органелл).

Общие признаки растительной и животной клетки:

• 1) единство структурных систем — цитоплазмы и ядра;
• 2) сходство процессов обмена веществ и энергии;
• 3) единство принципа наследственного кодирования;
• 4) универсальное мембранное строение;
• 5) единство химического состава;
• 6) сходство процесса деления клеток.

Отличительные признаки растительной и животной клетки приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.1

Строение эукариотической клетки

Разные виды клеток в разной мере нуждаются в тех или иных органеллах. Например, мышечные клетки богаты митохондриями, так как им необходимо большое количество АТР, а зрелые эритроциты вообще лишены органелл.

Отличительные признаки растительной и животной клетки

Таблица 1.2

Реакции в живых клетках протекают в объемах, строго ограниченных размерами клетки или ее органеллы, стенки которых имеют толщину порядка нескольких молекул. Объемы этих «реакционных сосудов» черезвычайно малы. Так, объем клетки Escherichia coli (Е. coli) составляет ~ 210 ¹² мл (геометрическая форма — вытянутый цилиндр длиной около 2 мкм, толщина ее стенки — 10 нм). Размеры большинства клеток животных организмов (в том числе и человека) на порядок больше. Самыми мелкими из всех известных клеток являются сферические клетки с диаметром около 0,33 мкм — микоплазмы (один из видов микоплазм Mycoplasma pneumoniae может вызывать первичную — атипичную — пневмонию). Малые размеры позволяют микоплазмам легко проходить через фильтры, задерживающие более крупные бактерии. Ниже представлены примерные размеры некоторых биологических объектов (нм):

Молекула глюкозы… 0,7.

Белковая молекула малых размеров.

(например, миоглобин) … 3,5.

Белковая молекула средних размеров.

(например, гемоглобин)… 6,8.

Рибосома Escherichia coli… 18.

Вирус полиомиелита… 30.

Вирус табачной мозаики… 300.

Клетка Escherichia coli … 2000.

Клетка печени… 20 000.

Оптимальное соотношение между площадью поверхности клетки и ее объемом позволяет обеспечивать поступление необходимого количества питательных веществ внутрь клетки для протекания метаболических процессов. Например, клетки, основная функция которых состоит в поглощении питательных веществ из окружающей среды (клетки, выстилающие просвет тонкого кишечника или клетки корневых волосков растений), для оптимального выполнения своей роли увеличивают площадь своей поверхности, соприкасающейся с питательными веществами, за счет микроворсинок.