Глава 1. Строение клеток

Возьмем орган или ткань человеческого тела - сердце, мозг, печень или, например, челюстную кость - и приготовим из него тон­кий прозрачный срез. Окрасив этот срез соответствующим образом и поме­стив его под микроскоп, мы увидим, что он действительно состоит из множества крошечных ячеек, или клеток. Не все эти клетки одинаковы. Они отличаются друг от друга и по размерам, и по форме, и по тому, какое коли­чество красителя они способны поглотить. По всей вероятности, мы заметим, что клетки одного типа сгруппированы вместе, образуя ткань. При большем увеличении мы обнаружим в каждой клетке разнообразные структуры, известные под общим названием органелл. Эти «маленькие органы» представляют собой рабочие ча­сти клетки.

Все клетки должны выполнять некие основные жизненные функции. Одна­ко, кроме того, между ними существует еще и разделение труда: будучи частью многоклеточного организма, каждая клетка вместе с тем специализи­рована и вносит в общую экономику организма свой особый вклад. Напри­мер, специализированная функция клеток сердечной мышцы состоит в том, чтобы, сокращаясь, перекачивать кровь. Находясь в глубине тела, эти клетки не могут сами добывать себе пищу или поглощать из воздуха кислород; питательные вещества и кислород должны доставляться им другими специализи­рованными клетками, а именно клетками пищеварительной системы, легких, крови. В специализированной клетке обычно нет никаких особых органелл и особых веществ, которых нет в других клетках; специализация достигается за счет усиленного развития тех или иных свойств, присущих клеткам почти всех типов. Мы вправе поэтому смотреть на специализированные клетки как на вариации некоего основного типа клеточной структуры и функции.

Рис.1. Обобщенная схема животной клетки.

В воображаемой «основной клетке» можно различить три главные части:

1) клеточную мембрану, окружающую клетку и отделяющую ее от внешней среды (у растений поверх мембраны имеется еще и мертвая клеточная стенка);

2) цитоплазму, содержащую воду, различные соли и органические соединения, а также ряд органелл;

3) клеточное ядро (у бактерий - нуклеарная область, или нуклеоид), в котором находится генетический материал клетки (ДНК и связанные с ней вещества).

1. Клеточная мембрана. Чтобы функционировать как самостоятельные единицы и поддержи­вать свое существование, клетки должны как-то удерживать вместе различные ча­сти. Если отдельные части постоянно стремятся обособиться, то клетка должна была бы тратить энергию для удержания их вместе.

В результате эво­люции могли развиться мембраны, кото­рые способствовали сохранению клетки в виде самостоятельной единицы. Кле­точная мембрана должна была отделять клетку от окружающей среды, и, кроме того, благодаря ей должен был сущест­вовать обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Некоторые моле­кулы сами легко проходят через мембра­ну, в то время как другие пере­носятся активно.

Одна из главных задач любого живого существа, будь то одиночная клетка или многоклеточный организм, - получение необходимых для жизни веществ, т. е. пищи, воды и кислорода. Одновременно организм должен избавляться от различных отходов жизнедеятельности, например, таких как окись углерода. Обмен веществами со средой идет через клеточную мембрану (ее называют также плазматической мембраной) - тонкую пленку, покрывающую всю клетку.

Молекулы любого вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении. При этом они стремятся переходить из области с более высокой их концентрацией в область более низкой концентрации, так что реальное их перемещение происходит по градиенту концентрации. Такое движение носит название диффузии.

Многие вещества способны диффундировать в клетки или из клеток по градиентам концентрации. Предоставленные самим себе такие вещества вскоре равномерно распределились бы между клеткой и средой, т.е. их концентрация в клетке и в среде сравнялась бы. Однако, для того чтобы клетка могла оставаться живой, ее химический состав должен быть относительно постоянным. Он может колебаться лишь в узких пределах, что никак не соответствует подчас резко изменяющемуся химическому составу внешней среды. Проблема эта была бы не столь сложной, если бы клетка могла довести свой химический состав до некоего совершенства, а затем обособиться от среды, изолировать себя от нее. Однако это невозможно, поскольку клетке приходится непрерывно поглощать новые молекулы - питательные вещества и кислород - и непрерывно удалять отходы. Клетка должна, следовательно, поддерживать оживленный, но строго регулируемый обмен со средой. Регулирование этого обмена осуществляет клеточная мембрана.

Строение. Клеточная мембрана настолько тонка, что она не видна в световом микроскопе, но о ее существовании исследователи узнали задолго до того как она была выявлена в трансмиссионном электронном микроскопе.

В начале нашего века Овертон (Н. Overton) обнаружил, что скорость проникновения многих веществ в эритроциты прямо пропорциональна их растворимости в липидах. Поскольку липиды вещества неполярные, они способны растворять в себе другие неполярные вещества. Раз клеточная мембрана проницаема для веществ, растворимых в липидах, она должна содержать много липидов. Однако растворимость в липидах не объясняет всех характеристик прони­цаемости клеточной мембраны. Вода и ряд водорастворимых (полярных) ве­ществ проникают в клетки гораздо быстрее, чем следовало бы ожидать, исхо­дя из их растворимости в липидах. Был сделан вывод, что клеточная мем­брана состоит из двойного слоя липидных молекул (бимолекулярного слоя, бислоя).

Изучение поверхностного натяжения и гибкости пограничного слоя клетки позволило заключить, что в клеточной мембране содержится также белок.

В настоящее время принята так называемая жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны. Липиды, содержащиеся в мембране, - это в основном фосфолипиды (в животных клетках содержится также большое количество холестерола). Молекулы липидов расположены в два слоя таким образом, что их неполярные водоотталкиваю­щие концы находятся в глубине мембраны, а полярные водорастворимые концы обращены к внутренней и внешней водной среде. В мембрану вкраплены различные белковые молекулы. Некоторые из них находятся на внешней или на внутренней поверхности липидной части мембраны; другие пронизывают всю толщу мембраны насквозь. Эту модель мембраны называют «жидкостно-мозаичной», поскольку она предполагает, что в мембране имеется много различных белков (образующих своего рода мозаику) и что многие из них не остаются на месте, а как бы плавают в жидких липидных слоя мембраны (рис. 2). К некоторым белкам, находящимся на наружной поверхности клетки, присоединены сахара; такие белки называют гликопротеинами (от греч. «гликис» - сладкий).

Рис. 2. Строение клеточной мембраны со­гласно жидкостно-мозаичной модели. Белки и гликопротеины погружены в двойной слой ли­пидных молекул, обращенных своими полярными концами (голубые кружки) наружу, а непо­лярными (волнистые голубые линии) вглубь мембраны.

Белки, гликопротеины и липиды клеточных мембран в клетках разных типов неодинаковы, потому каждый тип клеток имеет как бы свой ярлык, на котором «текст» записан в основном гликопротеинами, выступающими из клеточной мембраны. Известно, например, что у человека эритроциты разных групп крови (скажем, А и В) отличаются друг от друга природой сахаров, присоединенных к одному из белков, находящихся на клеточной поверхности. Яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу, как отдельные элементы головоломки; это взаимное узнавание - необходимый этап, предшествующий проникновению сперматозоидов в яйцеклетку. Белки, играющие роль «ярлыков», сообщают клеткам, перемещающимся в развивающемся зародыше животного, что они, наконец, достигли предназначенного им места подле клеток других типов. Благодаря этим же белкам клетки, принад­лежащие к одному типу, удерживаются вместе, образуя ткани.

Функция. Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, т. е. одни вещества проходят через нее легче, чем другие. Выше мы говорили о том, что вещества, способные растворяться в липидах, могут проходить че­рез мембрану, просто-напросто растворяясь в ней. Однако перемещение ионов и небольших органических мономеров, вроде глюкозы и аминокислот, проис­ходит гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать от полярных молекул, растворяющихся в тонком слое липида. У нас имеются доказательства, что эти вещества вводятся в клетки (или выводятся из них) специальными перенос­чиками, содержащимися в клеточной мембране. Многие белковые молекулы, находящиеся в клеточной мембране, действуют как переносчики различных веществ.

При облегченной диффузии переносчик, функционирующий в клеточной мембране, на одной стороне мембраны соединяется с молекулой или ионом, а на другой стороне - отдает их, пройдя с ними вместе короткий путь через мембрану. Клетка не расходует на это никакой энергии, если не считать энер­гию, затраченную на само образование переносчика. Переносчик в сущности только делает мембрану более проницаемой для того вещества, которое он переносит.

Обычный пример облегченной диффузии - проникновение в клетку глю­козы; именно облегченная диффузия позволяет большинству клеток погло­щать этот простой сахар быстрее, чем он мог бы диффундировать через ли­пиды клеточной мембраны. В человеческом организме, например, поглощают глюкозу с помощью молекул-переносчиков клетки печени, мышечные клетки и эритроциты. Посредством облегченной диффузии глюкоза (или другие веще­ства) может также выводиться из клеток. Когда уровень глюкозы в крови сни­жается, клетки печени выделяют глюкозу в кровь, используя для этого те же самые переносчики, при помощи которых они поглощали глюкозу, когда ее уровень в крови был высоким.

В отличие от облегченной диффузии активный транспорт - это перемеще­ние веществ против их градиентов концентрации; вещества переходят при этом из той области, где их концентрация ниже, туда, где она и без того уже выше. Поскольку такое перемещение происходит в направлении, противопо­ложном нормальной диффузии, клетка должна затрачивать при этом энергию.

Среди примеров активного транспорта лучше всего изучен, пожалуй, так называемый натрий-калиевый насос (Na+/K + - нacoc). Этот насос откачивает ионы натрия из клетки и накачивает в клетку ионы калия, используя для этого АТФ (аденозинтрифосфат - соединение, которое служит аккумулятором энергии для многих клеточных функций.

Тот факт, что натрия в клетке меньше, чем вне клетки, можно было бы объяснить просто непроницаемостью клеточной мембраны для натрия. Что же убеждает нас в существовании натриевого насоса? Во-первых, опыты с от­равлением клеток, после чего они перестают синтезировать АТФ, поставляю­щие энергию для этого насоса. Такие отравленные клетки теряют способность удерживать натрий снаружи, а калий - внутри; калий просачивается из них наружу, а содержание в них натрия, напротив, растет. Во-вторых, если клетки, содержащие радиоактивный натрий, перенести в среду с нерадиоактивным натрием, то радиоактивный натрий постепенно переходит из них, а нерадиоактивный в то же самое время поступает внутрь. Этот опыт показывает, что натрий и входит в клетку и выходит из нее, а следовательно клеточную мембрану нельзя считать непроницаемой для натрия.

Интересно указать, что одна из форм ожирения связана с пониженным со­держанием в клеточных мембранах молекул-переносчиков, выполняющих роль натриевого насоса. Поскольку системы активного транспорта расходуют при этом меньше энергии, организму для обеспечения его жизнедеятельности требуется меньше пищи и ее избыток превращается в жир.

Как же работают эти системы облегченной диффузии и активного транс­порта? По-видимому, в клеточной мембране содержатся белки и родственные им вещества, способные изменять свою форму при связывании с молекулой, которую им предстоит перенести. Возможно, что вследствие этого изменения в мембране на время открывается какая-то пора (пору эту можно увидеть; правда, выглядит она не как настоящее отверстие, а лишь как пятнышко на мембране, временно изменившее свою форму, так что транспортируемая мо­лекула легко может сквозь него пройти). В случае активного транспорта энер­гия АТФ, быть может, расходуется на то, чтобы помочь транспортируемой молекуле, пройдя через мембрану, отделиться от своего переносчика. Возмож­но также, что за счет этой энергии изменяется конфигурация системы актив­ного транспорта, благодаря чему эта система оказывается способной захва­тить с собой на обратном пути уже другую молекулу, отличную от первой.

До сих пор мы еще ничего не сказали о транспорте одного очень важного вещества, а именно воды. Хотя вода совершенно необходима живой клетке, однако клетка, насколько нам известно, не располагает никакой специальной системой ни для ее поглощения, ни для ее вывода наружу. По-видимому, вода проходит сквозь клеточную мембрану совершенно свободно путем так назы­ваемого осмоса.

Осмосом называют прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану, в частности через клеточную мембрану. В случае клеточной мем­браны осмос частично обусловлен диффузией отдельных молекул воды сквозь эту мембрану, а частично - током воды через особые поры в мембране. По­скольку концентрация всякого водного раствора зависит от количества раст­воренного в воде вещества, вода стремится переходить из более разбавленно­го раствора (где концентрация воды выше) в более концентрированный (где концентрация воды соответственно ниже).

Осмотическое движение воды зависит от двух главных факторов: 1) от об­щей концентрации всех растворенных в воде частиц по обе стороны мем­браны и 2) от давления, создаваемого каждым раствором. При прочих равных условиях вода стремится переходить через избирательно проницае­мую мембрану от менее концентрированного раствора к раствору с более вы­сокой общей концентрацией всех растворенных частиц. Однако при этом в какой-то момент вода, поступившая в более концентрированный раствор, может развить такое давление, что это давление будет вытеснять ее наружу с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.

Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредствен­но, клетки регулируют приток и отток воды, изменяя концентрацию находя­щихся в них растворенных веществ. Чтобы поглотить больше воды, клетка поглощает больше ионов различных солей, молекул глюкозы или других рас­творимых соединений. В результате в клетке повышается концентрация рас­творенных частиц. Вода по законам осмоса начинает поступать в клетку, стре­мясь к выравниванию своей собственной концентрации по обе стороны мембраны.

Так работает эта система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. А что происходит, когда концентрация внутри и вне клетки очень сильно разнится? Если в среде кон­центрация растворенных веществ выше, чем в самой клетке, или если средой для клетки служит практически сухой воздух, то клетка теряет воду и смор­щивается, как это бывает, когда растения привядают в сухой жаркий день. С оттоком воды содержимое клетки сжимается и отходит от клеточных сте­нок. Если, однако, увядшее растение поместить в воду, то вода вновь поступает в клетки. Они становятся тургесцентными, т. е. набухают от воды и снова прижимаются к клеточным стенкам, подчиняясь тургорному да­влению, направленному изнутри наружу. Клеточные стенки способны растяги­ваться лишь до известного предела, после которого они начинают оказывать противодавление, вытесняющее воду из клеток с такой же скоростью, с какой она в них поступает. Таким способом клеточные стенки защищают клетки: не дают им лопнуть под напором избытка воды.

Многие животные клетки, если поместить их в чистую воду или в очень разбавленный раствор, лопаются, потому что у них нет клеточных стенок. Во избежание этого лекарственные препараты, предназначенные для внутривенного введения, готовят не на чистой воде, а на специальных солевых растворах. Животные клетки, соприкасающиеся с водой постоянно, например клетки, выстилающие желудочно-кишечный тракт человека, обладают приспособлениями, которые не дают им возможность поглощать слишком много воды. Когда мы пьем воду, она всасывается и распределяется постепенно; именно поэтому клетки в нашем организме и не лопаются.

Клеточная мембрана может поглощать или выводить наружу не отдельные молекулы или ионы, но также и крупные молекулы или частицы, составленные из многих молекул. Эта способность мембраны зависит от ее жидкостной природы. В процессе эндоцитоза (эндо - внутри; цито – клетка) часть мембраны, перетекая, образует выступы и охватывает ими частицу, находящуюся вне клетки. Затем края выростов смыкаются, и частица оказывается заключенной в мембранном пузырьке. Пузырек отшнуровывается от клеточной мембраны и перемещается во внутреннюю часть клетки. (При этом в клеточной мембране не остается никакого отверстия, потому что мембрана, будучи очень гибкой, мгновенно «запечатывается».) Процесс, обратный эндоцитозу, - экзоцитоз (экзо - снаружи), выводит содержимое мембранного пузырька в среду, окружающую клетку.

Рис. 3. Схема, показывающая, как крупные молекулы попадают из крови в межклеточную жидкость. Клетки в стенках капилляров (мель­чайших кровеносных сосудов) поглощают ве­щества, находящиеся в крови (синие кружки), путем эндоцитоза. Затем мембранный пузырек проходит небольшое расстояние, отделяющее одну сторону клетки от другой, и путем экзоцитоза изливает свое содержимое в межклеточ­ную жидкость.

2. Цитоплазма. Вся остальная часть клетки, нахо­дящаяся между ядром и клеточной мембраной, называется цитоплазмой. В ней находится множество структур, ко­торые перемешаны с водой, белками, углеводами, липидами и пигментами. Некоторые соединения, скапливаясь, об­разуют относительно большие частицы. Что происходит с веществами после того, как они пройдут через клеточ­ную мембрану и окажутся в цитоплазме? Попав внутрь клетки, малые моле­кулы, такие как жирные кислоты, аминокислоты, кислород или сахара, раст­воряются в цитоплазме и могут теперь поступать в различные клеточные органеллы.

Некоторые клетки поглощают пищу путем эндоцитоза (фагоцитоза): вы­росты клеточной мембраны окружают частицу пищи, после чего участок мем­браны с заключенной в нем частицей отделяется от остальной мембраны, так что частица оказывается внутри цитоплазмы в мембранном пузырьке (рис. 4).

Рис. 4. Амеба захватывает свою добычу.

В пузырьке, содержащем ферменты, которые ее переваривают, и в клетке образуется пищеварительная вакуоль. Эта вакуоль сливается с лизосомой, содержащей ферменты, которые переваривают добычу. Малые молекулы, образовавшиеся при переваривании, поступают в цитоплазму.

Иногда лизосомы переваривают отслужившие или поврежденные органеллы, а в некоторых случаях и сами клетки. Когда, например, головастик превращается в лягушку, лизосомы, находящиеся в клетках его хвоста, переваривают эти клетки: хвост исчезает, а образовав­шиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются други­ми клетками тела.

Часть питательных веществ клетки расщепляется в процессе клеточного дыхания, поставляя таким образом энергию, необходимую для разного рода клеточной активности. Протекает этот процесс в органеллах, называемых ми­тохондриями. Митохондрия состоит из двух мембран: наружной, отделяющей органеллу от цитоплазмы, и внутренней, образующей многочисленные склад­ки (рис. 5).

Рис. 5. Митохондрия. Видна на­ружная мембрана, окружающая всю органеллу, и внутренняя, образующая глубокие складки.

Главным продуктом дыхания является АТФ. Она покидает митохондрии и используется в качестве источника энергии для многих химических реакций в цитоплазме и в клеточной мембране. Клетки, расходующие много энергии, например мы­шечные клетки животных или клетки растущего кончика корня у растений, со­держат много митохондрий. В одной клетке печени их число может достигать 2500.

Молекулы сахаров, не требующиеся для дыхания, могут запасаться в клет­ке. Клетки печени и мышечные клетки запасают глюкозу в виде полисахарида гликогена; в растительных клетках глюкоза запасается в форме другого поли­сахарида - крахмала.

Избыточные липиды либо расщепляются, после чего продукты их расщепления поступают в митохондрии в качестве субстрата для дыхания, либо отлагаются про запас в цитоплазме в виде жировых капель.

Из поступающих в клетку аминокислот строятся белки. Синтез белка про­исходит в органеллах, называемых рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц - большой и малой; в состав обеих субчастиц вхо­дят белковые молекулы и молекулы РНК.

Рибосомы часто бывают прикреплены к особой системе мембран, состоя­щей из цистерн и пузырьков, к так называемому эндоплазматическому ретикулуму (ЭР); в клетках, вырабатывающих много белка, эндоплазматический ретикулум часто развит очень хорошо и весь усеян рибосомами. Некоторые ферменты эффективны лишь в том случае, если они прикреплены к мембране. Здесь находится большая часть ферментов, участвующих в синте­зе липидов. Таким образом, эндоплазматический ретикулум - это как бы свое­го рода «рабочий стол» клетки. Кроме того, ЭР делит цитоплазму на от­дельные отсеки, или компартменты, т. е. разобщает различные химические процессы, одновременно протекающие в цитоплазме, и тем самым снижает вероятность того, что эти процессы будут мешать друг другу.

А Б

Рис. 6. А - Эндоплазматический ретикулум клетки поджелудочной железы мыши. Б - Та же клетка при большем увеличении и прикрепленные к ней многочисленные рибосомы.

Часто образуемые данной клеткой продукты используются вне этой клет­ки. Так, многие пищеварительные ферменты вырабатываются клетками под­желудочной железы, но поступают в тонкий кишечник. В подобных случаях синтезированные на рибосомах белки проходят через мембраны эндоплазма-тического ретикулума и упаковываются в формирующиеся вокруг них мем­бранные пузырьки, которые затем отшнуровываются от ЭР. Эти пузырьки, уплощаясь и накладываясь друг на друга, как блины в стопке, образуют ха­рактерную структуру, называемую комплексом Голъджи, или аппаратом Гольджи (рис. 7).

За время своего пребывания в аппарате Гольджи белки претерпевают определенные изменения. Когда для них наступает время поки­нуть клетку, мембранные пузырьки сливаются с клеточной мембраной и опо­рожняются, изливая свое содержимое наружу, т. е. секреция происходит путем экзоцитоза (см. рис. 3).

В аппарате Гольджи образуются также лизосомы - уже упоминавшиеся на­ми мембранные мешочки, содержащие пищеварительные ферменты. Выясне­ние того, как клетка производит, упаковывает и экспортирует некоторые бел­ки, а также как она «узнает», какие белки ей следует сохранять для себя, составляет один из увлекательнейших разделов современной цитологии.

Мембраны любой клетки непрерывно перемещаются и видоизменяются. Мембраны ЭР медленно перемещаются по клетке. Отдельные участки этих мембран отделяются и образуют пузырьки, которые на время становятся частью аппарата Гольджи, а затем, в процессе экзоцитоза, сливаются с кле­точной мембраной.

Рис. 7. А. - Аппарат Гольджи в клетке простейшего. Б - Схематическое трехмерное изобра­жение аппарата Гольджи. Правый его конец представлен в разрезе, чтобы показать характерную струк­туру, выявляемую в электронном микроскопе так, как это видно на рис. А.

Позже мембранный материал возвращается в цитоплазму, где он используется вновь (рис. 8).

Рис. 8. Возможные пути перемещения мем­бранного материала через клетку и вокруг нее.