Клеточный уровень

Химический состав клетки

Клетка на 70–80% состоит из воды. Именно в ней растворены все вещества и протекают биохимические реакции. Остальное — это органические и неорганические соединения.

Неорганические вещества

Органические вещества

Универсальным источником энергии служит молекула АТФ — аденозинтрифосфат. Когда клетке нужна энергия, АТФ расщепляется, отдавая фосфатную группу и высвобождая энергию для любой работы.

Архитектура любой клетки: три обязательных элемента

Независимо от внешних различий, все клетки человека построены по единому плану. В основе лежат три структуры: пограничная мембрана, отграничивающая внутреннее пространство от окружения; полужидкая цитоплазма, заполняющая клеточный объём; и ядро, где хранится наследственная информация. Всё остальное — это органеллы, погружённые в цитоплазму и выполняющие конкретные рабочие задачи.

Пограничная мембрана — не просто оболочка

Клеточная мембрана далеко не пассивный барьер. Это гибкая, текучая граница, пронизанная каналами, насосами и сигнальными антеннами. Через неё непрерывно движутся ионы, питательные вещества и продукты обмена. Мембрана сама решает, что пропустить внутрь, а от чего защититься, и именно на её поверхности часто происходят первые контакты с гормонами или соседними клетками.

Как вещества пересекают мембрану

Цитоплазма и её обитатели

Внутренняя среда клетки, цитоплазма, только на первый взгляд кажется однородным гелем. В ней растворены соли, ферменты, питательные молекулы и взвешены все органеллы. Их разделяют на две большие группы: мембранные — обладающие собственной оболочкой — и немембранные, к которым относятся рибосомы и клеточный центр.

Сравнительная таблица органелл

Командный центр: ядро

Ядро окутано двойной мембраной, пронизанной порами. Через эти поры идёт постоянный обмен молекулами между ядерным соком и цитоплазмой. Внутри покоятся нити хроматина, способные при делении скручиваться в плотные хромосомы, и одно или несколько ядрышек. Именно ядро диктует клетке, какие белки и когда производить, а значит, управляет всей её жизнью — от формы до способности делиться.

Строение ядра

В ядре человека 46 хромосом (23 пары): 22 пары — аутосомы, 1 пара — половые (XX или XY).

Фабрики белка и транспортные сети

Сборка белковых молекул происходит на рибосомах — крошечных частицах из двух субъединиц. Одни рибосомы свободно плавают в цитоплазме, другие усаживаются на мембраны эндоплазматической сети. Эта сеть представляет собой разветвлённый лабиринт каналов. Её шероховатая часть, усеянная рибосомами, занята синтезом белка, а гладкая — производством жиров, углеводов и обезвреживанием вредных веществ. Свежесозданные молекулы дальше переправляются в следующую структуру.

От гена к белку: этапы синтеза

1. Транскрипция — в ядре с ДНК считывается матричная РНК (мРНК)
2. Выход мРНК — через ядерные поры в цитоплазму
3. Трансляция — рибосома движется по мРНК, тРНК подносят аминокислоты
4. Сборка белка — аминокислоты соединяются в цепь
5. Фолдинг — белок сворачивается в рабочую трёхмерную форму

Сортировка и упаковка: аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи выглядит как стопка плоских мембранных мешочков и связанных с ними пузырьков. Сюда стекаются синтезированные белки и липиды. Здесь их проверяют, дорабатывают, при необходимости прикрепляют углеводные метки, после чего сортируют и упаковывают в транспортные везикулы. Эти пузырьки отправляются либо к мембране, либо внутрь клетки — туда, где продукт необходим.

Энергия жизни: митохондрии

Митохондрии — двумембранные органеллы с собственной крохотной ДНК и рибосомами. Считается, что когда-то они были самостоятельными бактериями, вступившими в симбиоз с предками наших клеток. Сегодня это главные силовые станции: на складках внутренней мембраны (кристах) идёт клеточное дыхание. Питательные вещества окисляются, а высвобождаемая энергия запасается в молекулах АТФ — универсальной «энергетической валюте», которой клетка расплачивается за любую работу.

Этапы энергетического обмена

Итого: из одной молекулы глюкозы клетка получает до 38 молекул АТФ.

Внутренняя утилизация: лизосомы

Лизосомы — одномембранные пузырьки, наполненные мощными пищеварительными ферментами. Они расщепляют поступающие питательные частицы, разрушают отслужившие органеллы, а иногда и целые фрагменты клетки, когда та нуждается в обновлении. По сути, это внутренняя перерабатывающая система, поддерживающая порядок и чистоту.

Центросома и деление клетки

Клеточный центр образован парой центриолей, расположенных под прямым углом друг к другу. В обычное время он малозаметен, но в момент деления становится главным организатором. От центросомы растут нити веретена деления, которые аккуратно растаскивают удвоенные хромосомы к разным полюсам. Благодаря этому механизму дочерние клетки получают точные копии наследственного материала.

Клеточный цикл

Фазы митоза

1. Профаза — хромосомы спирализуются, ядерная оболочка распадается
2. Метафаза — хромосомы выстраиваются по экватору клетки
3. Анафаза — хроматиды расходятся к полюсам
4. Телофаза — формируются два новых ядра, цитоплазма делится (цитокинез)

Когда клетки выбирают профессию

В теле взрослого человека — около 230–400 различных типов клеток. Большинство из них узко специализированы: форма, размер, набор органелл и даже количество ядер зависят от выполняемой функции. Нейроны отращивают длинные отростки для передачи электрических импульсов, мышечные волокна битком набиты митохондриями и сократительными нитями, а зрелые эритроциты и вовсе избавляются от ядра, чтобы переносить максимум кислорода.

Примеры специализированных клеток

Общая конструкция клетки подстраивается под конкретную функцию, но базовый набор органелл при этом всегда узнаваем.

Мир в миниатюре

Клетка — не просто строительный блок организма. Это саморегулирующаяся система, где одновременно трудятся тысячи молекулярных машин. Здесь непрерывно считывается генетическая информация, собираются белки, вырабатывается энергия и утилизируются отходы. А когда приходит время, клетка делится, давая начало двум новым единицам — этот процесс лежит в основе роста, обновления тканей и заживления ран. Понять, как устроена и работает клетка, значит получить ключ к пониманию здоровья и болезней всего тела.

Интересные факты о клетках

• Каждую секунду в теле человека отмирает около 3 миллионов эритроцитов и столько же рождается
• Нейроны живут до 100 лет и более — столько же, сколько сам человек
• Клетки кожи обновляются каждые 2–4 недели
• Клетки печени живут около 300–500 дней
• Длина ДНК в одной клетке человека — около 2 метров (если раскрутить все 46 хромосом)
• В одной клетке около 10 миллионов рибосом
• Митохондрии содержат собственную ДНК, которая наследуется только от матери
• Каждая клетка ежедневно совершает около 10 000 репараций (починок) своей ДНК
• Суммарная длина всех сосудов в одной клетке? Нет, это уже не про клетку. Но длина всех митохондрий в одной клетке может достигать десятков микрометров

Источники

1. Албертс Б., Брей Д., Хопкин К. и др. Основы молекулярной биологии клетки. — М.: Лаборатория знаний, 2018.
2. Marieb E.N., Hoehn K. Human Anatomy & Physiology. — 11th ed. — Pearson, 2019.
3. Tortora G.J., Derrickson B. Principles of Anatomy and Physiology. — 15th ed. — Wiley, 2016.
4. Alberts B. et al. Essential Cell Biology. — 5th ed. — W.W. Norton, 2019.