Клетка
Базовая единица жизни — строение и работа клетки.
Клетка — базовая единица жизни
Клетка — наименьшая структура, которая обладает всеми свойствами живого: она поглощает питательные вещества, производит энергию, реагирует на сигналы, размножается и в конечном счёте умирает. Всё, что выше клетки — ткани, органы, системы, весь организм, — это организованные сообщества клеток, работающие совместно. Всё, что ниже клетки — молекулы, атомы — уже не живёт само по себе, а лишь является строительным материалом.
В теле взрослого человека около 37 триллионов клеток — это 37 000 000 000 000, число, которое трудно представить: если считать по одной клетке в секунду, понадобится более миллиона лет. При этом клетки разительно различаются по форме и размеру: от крошечных тромбоцитов (кровяных пластинок) диаметром 2–3 микрометра до нейронов с отростками длиной до метра. Объединяет их общий план строения — набор структур, выполняющих универсальные функции.
Клеточная мембрана: граница и ворота
Клеточная мембрана (от лат. membrana — «кожица, оболочка»), или плазматическая мембрана, — это тонкая гибкая граница, отделяющая внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Её толщина — около 7–10 нанометров (нанометр — миллиардная доля метра), она в 10 000 раз тоньше человеческого волоса, однако выполняет несколько критически важных функций одновременно.
Основу мембраны составляет липидный бислой — двойной слой молекул фосфолипидов (от греч. «жирный» + «жир»; молекул, у которых одна часть притягивает воду — гидрофильная «головка», а другая — отталкивает — гидрофобные «хвосты»). В воде такие молекулы самопроизвольно выстраиваются в двойной слой: гидрофобные хвосты прячутся внутрь, подальше от воды, а гидрофильные головки смотрят наружу — в водный раствор снаружи клетки и внутри неё. Это создаёт стабильный барьер, через который жирорастворимые молекулы проходят свободно, а водорастворимые — нет.
В бислой встроены белки, выполняющие несколько ролей:
- Каналы и транспортёры — белки, формирующие поры или переносящие конкретные молекулы и ионы (заряженные атомы) через мембрану в обоих направлениях. Именно через них проходят глюкоза, аминокислоты, ионы натрия, калия, кальция и другие вещества, которые сам по себе липидный барьер не пропускает.
- Рецепторы — белки, воспринимающие внешние сигналы: гормоны, нейромедиаторы (вещества, передающие сигналы между нейронами), цитокины (сигнальные белки иммунной системы) прикрепляются к рецептору снаружи и запускают цепочку реакций внутри клетки.
- Ферменты — белки, катализирующие (ускоряющие) химические реакции прямо на поверхности мембраны.
- Структурные белки — соединяют мембрану с внутренним каркасом клетки и с соседними клетками.
- Белки-маркеры («удостоверения личности» клетки) — белки и прикреплённые к ним углеводные цепочки (гликопротеины и гликолипиды), формирующие уникальный молекулярный «паспорт» на поверхности. По ним иммунная система отличает «свои» клетки от «чужих».
Цитоплазма и цитоскелет
Цитоплазма (от греч. «клетка» + «нечто вылепленное») — всё содержимое клетки внутри мембраны, за исключением ядра. Это не просто жидкий раствор: цитоплазма представляет собой цитозоль (водянистую среду с растворёнными белками, ионами и метаболитами — небольшими молекулами, участвующими в химических реакциях клетки) плюс все органеллы (специализированные структуры клетки) плюс цитоскелет.
Цитоскелет (от греч. «скелет клетки») — сеть белковых нитей, пронизывающих цитоплазму и выполняющих функции, аналогичные скелету и мышцам всего тела одновременно: поддерживает форму клетки, обеспечивает её перемещение, организует внутренний транспорт и участвует в делении. Цитоскелет состоит из трёх типов структур:
Тонкие нити диаметром ~7 нм из белка актина. Расположены преимущественно под мембраной, определяют форму клетки и участвуют в движении: взаимодействуя с белком миозином, они создают силу, необходимую для перемещения клетки, захвата частиц (фагоцитоза) и разделения цитоплазмы при клеточном делении.
Нити диаметром ~10 нм из различных белков в зависимости от типа клетки (кератины в клетках кожи, виментин в клетках соединительной ткани, нейрофиламенты в нейронах). Обеспечивают механическую прочность — устойчивость к растяжению и сжатию. Именно они не дают клетке разорваться при физической нагрузке.
Полые трубки диаметром ~25 нм из белка тубулина. Самые жёсткие элементы цитоскелета — направляют внутриклеточный транспорт: по ним, как по рельсам, перемещаются молекулярные «моторы» — белки кинезин (движется к периферии) и динеин (движется к центру), несущие грузы — пузырьки с веществами, органеллы, молекулы. При делении клетки микротрубочки формируют веретено деления — структуру, растаскивающую хромосомы к полюсам.
Центросома — организующий центр микротрубочек, расположенный вблизи ядра. Состоит из двух центриолей (цилиндрических структур из микротрубочек) и окружающего белкового матрикса. Центросома задаёт направление роста микротрубочек и удваивается перед каждым делением клетки, чтобы сформировать два полюса веретена деления.
Ядро: хранилище генетической информации
Ядро (лат. nucleus) — крупнейшая органелла клетки, диаметром 5–10 мкм, отделённая от цитоплазмы двойной мембраной — ядерной оболочкой. Между двумя мембранами — узкое перинуклеарное пространство. В ядерной оболочке расположены ядерные поры — крупные белковые комплексы (~120 нм в диаметре), работающие как «таможня»: они избирательно пропускают молекулы в обоих направлениях — в ядро входят белки-регуляторы генов, из ядра выходят молекулы мРНК (матричной рибонуклеиновой кислоты — копии гена, несущей инструкцию для синтеза белка).
Внутри ядра ДНК организована в хроматин (комплекс ДНК с белками-гистонами): в неделящейся клетке хроматин частично компактен (гетерохроматин — «закрытые», неактивные участки) и частично рыхлый (эухроматин — «открытые», активно считываемые участки). В момент деления хроматин максимально уплотняется и становится видимым в виде отдельных хромосом.
В ядре есть особая структура — ядрышко (лат. nucleolus) — плотное округлое тельце, не окружённое мембраной. Здесь синтезируется рРНК (рибосомная рибонуклеиновая кислота) и собираются субъединицы (составные части) рибосом, которые затем выходят в цитоплазму. Число ядрышек в клетке варьирует от одного до нескольких; активно синтезирующие белок клетки имеют крупное, хорошо заметное ядрышко.
Митохондрии: производство энергии
Митохондрии (от греч. «нить» + «зерно») — органеллы, в которых клетка производит большую часть своей энергии. Их размер — 0,5–10 мкм, форма изменчива: они постоянно сливаются друг с другом и делятся, образуя динамическую сеть. В клетках с высокими энергетическими потребностями — в кардиомиоцитах (клетках сердечной мышцы) и нейронах — митохондрий особенно много: в мышечной клетке сердца они занимают до 30% объёма.
Митохондрия окружена двумя мембранами. Наружная — гладкая и проницаемая для небольших молекул. Внутренняя — образует глубокие складки, кристы (от лат. crista — «гребень»), значительно увеличивающие рабочую площадь: именно на кристах расположены комплексы дыхательной цепи (цепи переноса электронов) и фермент АТФ-синтаза (фермент, синтезирующий АТФ — аденозинтрифосфат — универсальную молекулу-«аккумулятор» энергии клетки). Пространство между двумя мембранами и внутри митохондрии (матрикс — гель-подобная среда внутри) — отдельные функциональные компартменты.
Митохондрии имеют собственную ДНК — небольшую кольцевую молекулу (~16 500 пар нуклеотидов), кодирующую 13 белков дыхательной цепи, 2 рРНК и 22 тРНК (транспортные РНК, доставляющие аминокислоты к рибосомам при синтезе белка). Это наследие их происхождения: митохондрии — потомки древних бактерий, поглощённых клеткой-предшественником около 1,5–2 миллиардов лет назад и ставших симбионтами (партнёрами, живущими внутри клетки-хозяина).
Эндоплазматический ретикулум и рибосомы
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР, от греч.-лат. endoplasmaticus — "находящийся внутри цитоплазмы" + лат. reticulum — "сеточка") — разветвлённая сеть плоских мембранных мешочков (цистерн) и трубочек, пронизывающая цитоплазму и соединённая с наружной мембраной ядра. Бывает двух видов:
- Шероховатый ЭПР (гранулярный) — его поверхность усеяна рибосомами (молекулярными «заводами» по синтезу белков, состоящими из двух субъединиц из белков и рРНК). Именно здесь синтезируются белки, предназначенные для секреции (выброса из клетки), встраивания в мембрану или доставки в другие органеллы. Синтезированные белки сразу попадают в просвет ЭПР, где проходят первичное сворачивание (фолдинг) и контроль качества: неправильно свёрнутые белки задерживаются и направляются на разрушение.
- Гладкий ЭПР — без рибосом на поверхности. Выполняет другие функции: синтез липидов (жиров и компонентов мембран), метаболизм (химическое превращение) стероидных гормонов (в клетках надпочечников и половых желёз), обезвреживание лекарств и токсинов (в клетках печени — гепатоцитах), а также хранение ионов кальция Ca²⁺ — важного внутриклеточного сигнала, регулирующего, в частности, сокращение мышц.
Рибосомы присутствуют в клетке в двух «рабочих состояниях»: прикреплённые к шероховатому ЭПР (синтезируют белки для секреции и мембран) и свободные в цитоплазме (синтезируют белки для внутреннего использования). В одной клетке человека может быть несколько миллионов рибосом.
Аппарат Гольджи: сортировка и доставка
Аппарат Гольджи (назван по имени итальянского учёного Камилло Гольджи, описавшего его в 1898 году) — стопка из 4–8 плоских мембранных мешочков (цистерн), расположенная вблизи ядра. Это «сортировочный и упаковочный центр» клетки.
Белки, синтезированные на шероховатом ЭПР, поступают в аппарат Гольджи в небольших транспортных пузырьках (везикулах — от лат. vesicula, «пузырёк»; сферических структурах, окружённых мембраной). Здесь белки последовательно модифицируются — к ним присоединяются углеводные цепочки (гликозилирование), добавляются или убираются другие химические группы — и сортируются по «адресу» назначения:
- Белки для секреции (например, пищеварительные ферменты, антитела, гормоны) упаковываются в секреторные везикулы и сливаются с клеточной мембраной, выбрасывая содержимое наружу (экзоцитоз — от греч. «вне» + «клетка»).
- Белки для лизосом (органелл переваривания — см. ниже) получают специфическую метку и направляются туда в отдельных пузырьках.
- Белки для встраивания в мембрану доставляются прямо в мембрану при слиянии везикулы.
Лизосомы и пероксисомы: переработка и обезвреживание
Лизосомы (от греч. «растворение» + «тело») — округлые органеллы диаметром 0,1–1,2 мкм, окружённые одной мембраной. Внутри — кислая среда (pH около 4,5–5, тогда как в цитоплазме pH ~7,2) и более 60 видов гидролитических ферментов (ферментов, расщепляющих молекулы с участием воды) — протеазы (расщепляют белки), липазы (расщепляют жиры), нуклеазы (расщепляют ДНК и РНК), гликозидазы (расщепляют сложные углеводы). Лизосомы — «желудок» клетки: они переваривают захваченные из внешней среды частицы (бактерии, остатки клеток), изношенные органеллы клетки (этот процесс называется аутофагия — от греч. «само» + «пожирание») и дефектные белки.
Пероксисомы (от слова «перекись») — органеллы, специализированные на окислительных реакциях. Содержат фермент каталазу (расщепляет перекись водорода H₂O₂ до воды и кислорода) и другие оксидазы. В пероксисомах печени и почек происходит расщепление жирных кислот с длинной цепью и обезвреживание ряда токсичных веществ — в частности, некоторых жирных кислот и перекисей (этанол перерабатывается этим путём лишь в небольшой степени — основная его переработка идёт через алкогольдегидрогеназу в цитозоле).
Жизненный цикл клетки
Клетки тела постоянно обновляются. Скорость обновления варьирует от нескольких часов (клетки кишечного эпителия) до нескольких месяцев (эритроциты) и практически нулевого обновления (большинство нейронов мозга). Жизнь клетки между двумя делениями описывается клеточным циклом — строго упорядоченной последовательностью событий:
Большая часть жизни клетки. G1 (от англ. gap — «промежуток») — рост клетки, синтез белков, подготовка к репликации ДНК. S-фаза (synthesis — «синтез») — удвоение всей ДНК: 3,2 миллиарда пар оснований копируются параллельно в тысячах точек за 6–8 часов. G2 — ещё один период роста и проверки: клетка убеждается, что ДНК скопирована без ошибок, и готовит аппарат деления.
Митоз (от греч. «нить» — из-за нитевидных хромосом) — деление ядра на четыре последовательных стадии: профаза (хроматин конденсируется в хромосомы, формируется веретено деления), метафаза (хромосомы выстраиваются по экватору клетки), анафаза (сестринские хроматиды расходятся к полюсам), телофаза (ядра восстанавливаются у каждого полюса). Цитокинез — разделение цитоплазмы между двумя дочерними клетками.
Клеточный цикл останавливается в контрольных точках (checkpoints) при обнаружении проблем: повреждений ДНК, незавершённой репликации, неприкреплённых к веретену хромосом. Ключевой «страж» — белок p53: при повреждении ДНК он останавливает цикл и включает ремонт. Если повреждение непоправимо — запускает апоптоз. Мутации в генах контрольных точек — один из главных механизмов развития рака.
Апоптоз (от греч. «опадание листьев») — программируемая гибель клетки: упорядоченный процесс самоуничтожения, в ходе которого клетка сжимается, ДНК нарезается на фрагменты, мембрана сохраняет целостность (содержимое не выплёскивается), и клетка распадается на аккуратные фрагменты — апоптотические тельца, которые немедленно поглощаются соседними клетками и макрофагами без воспаления. Апоптоз — не катастрофа, а необходимая программа: за жизнь человека путём апоптоза гибнет порядка 10 миллиардов клеток ежедневно.
Специализация клеток
Из одной оплодотворённой яйцеклетки возникает около 200 различных типов клеток. Это происходит через дифференцировку (от лат. differentia — «различие») — необратимую специализацию: клетка активирует определённый набор генов и «запирает» остальные эпигенетически, приобретая строго определённые форму, структуру и функцию.
- Нейроны — имеют длинные отростки (аксоны и дендриты) для проведения электрических импульсов; практически не делятся во взрослом мозге; богаты митохондриями и шероховатым ЭПР для производства нейромедиаторов.
- Мышечные клетки (миоциты) — содержат массивный аппарат из актиновых и миозиновых нитей, занимающий бо́льшую часть объёма; скелетные мышечные волокна многоядерны (несколько ядер в одной клетке).
- Эритроциты (красные кровяные клетки) — единственные клетки тела, лишённые ядра и большинства органелл во взрослом состоянии: максимум объёма отдан гемоглобину (белку, переносящему кислород); живут около 120 дней.
- Эпителиальные клетки — плотно прилегают друг к другу через плотные контакты (межклеточные соединения, формирующие непроницаемый барьер) и десмосомы (механически прочные «заклёпки» между клетками); полярны — у них есть апикальная (наружная) и базальная (внутренняя) стороны с разными белками мембраны.
- Стволовые клетки — сохраняют способность к делению и дифференцировке. Тотипотентные (лат. totus — «целый») могут дать начало любой клетке организма — только зигота (оплодотворённая яйцеклетка) и первые 2–4 клетки после деления. Плюрипотентные (лат. plus — «больше») — клетки раннего эмбриона — могут стать любым типом клеток тела, но не внезародышевыми тканями. Мультипотентные — тканевые стволовые клетки взрослого организма — дифференцируются только внутри своей тканевой группы: гемопоэтические (кроветворные) стволовые клетки дают все типы клеток крови, но не нейроны.
Что происходит при нарушениях
Злокачественная трансформация клетки — результат накопления мутаций в генах, контролирующих клеточный цикл, апоптоз и репарацию ДНК. Раковая клетка делится бесконтрольно (не отвечает на сигналы «стоп»), не проходит апоптоз при повреждениях, может выходить за пределы исходной ткани (инвазия) и образовывать очаги в других органах (метастазы — от греч. «перемещение»). Для деления раковые клетки активируют теломеразу (фермент, восстанавливающий теломеры — защитные концы хромосом), которая в большинстве обычных клеток тела не активна.
Группа наследственных заболеваний, вызванных дефицитом одного из лизосомных ферментов: непереработанный субстрат накапливается в лизосомах и нарушает работу клетки. Болезнь Гоше — накопление глюкоцереброзида (сложного липида) в клетках печени, селезёнки и костного мозга. Болезнь Тея–Сакса — накопление GM2-ганглиозида (сложного липида нервной ткани) в нейронах, ведущее к тяжёлому поражению нервной системы.
Мутации в митохондриальной или ядерной ДНК, нарушающие работу дыхательной цепи. Поскольку митохондриальная ДНК передаётся только от матери, митохондриальные болезни наследуются по материнской линии. Прежде всего страдают ткани с наибольшим потреблением энергии: нервная система (энцефалопатия — поражение головного мозга), скелетные мышцы (миопатия — болезнь мышц), сердце (кардиомиопатия — болезнь сердечной мышцы). Примеры: синдром MELAS (митохондриальная миопатия, энцефалопатия, лактоацидоз и инсультоподобные эпизоды).
Связи с другими системами
- ДНК и гены: всё, что описано в этой статье — синтез белков на рибосомах, работа митохондрий, механизм деления — закодировано в ДНК ядра. Клетка — это машина для реализации генетической программы. Подробнее о молекулярной основе — в разделе ДНК и гены и Как работают гены.
- Ткани: клетки одного типа, организованные вместе со специализированным межклеточным веществом (матриксом), образуют ткань. Четыре основных типа тканей — эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная — подробно разобраны в разделе Ткани.
- Обмен веществ и энергия: митохондриальное производство АТФ — центральное звено клеточного метаболизма. Глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты, поступающие с пищей, в конечном счёте преобразуются именно здесь в доступную для работы энергию. Метаболизм как системный процесс разобран в разделе Обмен веществ и энергия.
- Иммунная система: распознавание «своих» клеток по белкам-маркерам поверхности — основа иммунологической толерантности (способности иммунной системы не атаковать собственные ткани). Фагоцитоз (поглощение чужеродных частиц клеткой) — базовый клеточный механизм, лежащий в основе врождённого иммунитета. Апоптоз — механизм устранения старых и повреждённых иммунных клеток после завершения иммунного ответа.
- Наследственность и эпигенетика: дифференцировка клеток — наглядная демонстрация эпигенетики в действии: одинаковый геном, но принципиально разная программа считывания. Подробнее — в разделе Наследственность и эпигенетика.