Клетка

Клетка (лат. cellula, cytes) — основная структурно-функциональная единица всех живых организмов, элементарная живая система. Она может существовать как самостоятельный организм (как у бактерий, простейших, некоторых водорослей и грибов) или входить в состав тканей многоклеточных животных, растений и грибов. Единственными неклеточными формами жизни являются вирусы.

Содержимое клетки называется протоплазмой. Каждая клетка обладает генетическим аппаратом. У эукариот он заключён в ядре, отделённом от цитоплазмы мембранами, а у прокариот, не имеющих оформленного ядра, — в нуклеоиде. Клетки эукариот способны к самовоспроизведению путём митоза, а половые клетки образуются в результате мейоза.

Размеры и строение

Размеры клеток чрезвычайно разнообразны — от 0.1–0.25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Диаметр большинства клеток эукариот составляет 10–100 мкм.

Разнообразные функции клетки выполняются специализированными внутриклеточными структурами — органоидами (часто, но не совсем точно называемыми органеллами).

Универсальные органоиды эукариотических клеток:

Во многих клетках также присутствуют мембранные структуры, поддерживающие их форму: микротрубочки, микрофибриллы и различные включения.

Химия и организация

Важнейшие химические компоненты клетки — белки, включая ферменты. Хотя они содержатся и в жидких средах организма, синтезируются исключительно в клетках.

Ключевая особенность клеток — пространственная организация (компартментализация) химических процессов. Например:

  • Клеточное дыхание у эукариот происходит только на мембранах митохондрий.
  • Синтез белка — на рибосомах.

Такое упорядоченное расположение ферментов ускоряет реакции, организует их сопряжение (принцип конвейера) и разделяет разнородные процессы. Микрогетерогенность строения позволяет в одном миниатюрном объёме одновременно синтезировать разные вещества из одних и тех же предшественников.

Принцип компактности особенно выражен в структуре ДНК: всего 6 × 10⁻¹² г ДНК в яйцеклетке человека кодируют свойства всех его белков.

Мембрана и транспорт

Внутри клетки постоянно поддерживается определённая концентрация ионов, отличная от окружающей среды. Клеточная мембрана способна к активному транспорту:

  • Пиноцитоз: захват капелек жидкости с крупными молекулами (включая белки).
  • Фагоцитоз: захват твёрдых частиц, вирусов или мелких клеток. Эти процессы происходят путём впячивания мембраны с последующим образованием внутриклеточных пузырьков.

Особенности растительных клеток

Клетки растений, как правило, покрыты твёрдой клеточной оболочкой поверх мембраны (она может отсутствовать у половых клеток). Оболочки имеют поры, через которые цитоплазматические выросты — плазмодесмы — связывают соседние клетки. У клеток, прекративших рост, оболочки часто пропитываются лигнином, кремнезёмом и другими веществами, что определяет механические свойства растения. Клетки некоторых тканей (например, склеренхимы) имеют настолько прочные стенки, что они выполняют скелетную функцию даже после гибели клетки.

Другие отличительные черты:

Единство и разнообразие

Все клетки эукариот имеют сходный набор органоидов, сходные принципы регуляции метаболизма, использования и запасания энергии, а также единый генетический код для синтеза белков. Принципы функционирования клеточной мембраны также сходны у эукариот и прокариот. Эти общие признаки свидетельствуют о единстве происхождения клеточной жизни.

Однако клетки сильно различаются по размерам, форме, набору органоидов и ферментов. В многоклеточном организме это обусловлено дифференцировкой — специализацией для выполнения конкретных функций. Например:

Многие клетки полифункциональны. Например, клетки печени (гепатоциты) синтезируют белки плазмы крови и жёлчь, накапливают и расщепляют гликоген, обезвреживают чужеродные вещества (в том числе лекарства).

Происхождение эукариот

Существуют две основные гипотезы происхождения сложных эукариотических клеток:

  1. Симбиогенез: некоторые органоиды (митохондрии, хлоропласты) произошли от симбиотических прокариот, которые были поглощены клеткой-хозяином и со временем превратились в постоянные органоиды.
  2. Автогенная гипотеза: сложные структуры эукариотной клетки развились постепенно из структур прокариотной клетки-предка в процессе эволюции.

Генетика и регуляция

У всех клеток одного организма геном содержит одинаковый объём потенциальной информации (что доказывается опытами по клонированию). Различия в свойствах клеток обусловлены неодинаковой активностью генов — в разных типах клеток «включаются» разные наборы генов.

Регуляция внутри клетки осуществляется:

  • Внутренними факторами: метаболитами, ионами, которые могут влиять на активность ферментов или экспрессию генов.
  • Внешними факторами: сигналами от соседних клеток (при прямом контакте), нервными импульсами или гормонами.

Такая регуляция, часто работающая по принципу обратной связи, позволяет клетке поддерживать стабильность внутренней среды (гомеостаз) и адекватно реагировать на изменения.

Жизненный цикл и обновление

В основе самовоспроизведения клеток эукариот лежит митоз. В организме человека около 10¹⁴ клеток. Во многих тканях (например, в эпителии кишечника, кроветворной системе) существует пул малодифференцированных клеток, которые постоянно делятся, замещая погибшие специализированные клетки. Ежедневно в организме человека погибает и замещается около 70 миллиардов клеток кишечного эпителия и 2 миллиардов эритроцитов.

В других тканях дифференцированные клетки могут:

Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ и структур. Постоянное внутреннее обновление огромного количества клеток, объединённых в ткани и органы, обеспечивает надёжность работы всего многоклеточного организма.

Наука, изучающая клетки, называется цитологией.

Современный контекст

Современная цитология и молекулярная биология значительно углубили понимание клетки. Гипотеза симбиогенеза (эндосимбиотическая теория), предложенная Линн Маргулис в 1967 году, получила убедительные доказательства и стала общепринятой для объяснения происхождения митохондрий и хлоропластов. Обнаружена сложная система внутриклеточного транспорта, цитоскелета и сигнальных путей. Изучение стволовых клеток и механизмов клеточной дифференцировки открыло новые горизонты в регенеративной медицине. Также стало ясно, что многие процессы (например, апоптоз — программируемая клеточная смерть) строго регулируются и необходимы для нормального развития и функционирования организма.