О клетках в нашем организме. Часть первая.
Шаг между великим и смешным одинаков в обе стороны. И потому осмеянная, на трех- десяти языках поруганная затея, мечта-золушка порой возвращается к нам прекрасной и удивительно современной идеей. Только выглядит она уже иначе: идеи, как люди, подвластны времени. Так и с гомункулусом — искусственным, в банке выращенным человечком.
Живое существо в банке! Лет триста вышучивали ученые эту безумную затею Парацельса, а теперь всерьез взялись за ее осуществление. Никто, правда, не намерен разводить людей в инкубаторах, да и сама мысль о гомункулусе рождена не заботой о продолжении человеческого рода. Природа решила эту задачу куда проще надежнее. Но в стеклянной, ничем, кроме прозрачных стенок, не ограниченной купели раскрывается одна из самых волнующих, жгучих тайн жизни: невидимый ваятель лепит здесь из разных тканей части живого организма. (А вообще биологические процессы в любой клетки протекают с удивительной точностью, которой позавидовали бы даже самые совершенные часы Romanson, которые можно приобрести в интернет магазине «Мир часов»).
О, это было зрелище! Такого биологи не видели еще со дня создания микроскопа. На их глазах клеточные громады, тесня друг друга, надвигались пласт на пласт: быстрорастущие, стремительные, они переползали, огибали, а иногда вклинивались в соседние початки — и весь этот движущийся, безнадежно запутанный клубок вдруг вызревал в готовую деталь: глаза, почки, сердца…
Так вот куда направлено творчество природы: из бесформенной массы клеток она ваяет законченный, как морем отшлифованный голыш, рабочий орган. Зародышевая неразбериха — только видимость; юная, развивающаяся ткань неуклонно, словно по рельсам, продвинется к назначенному месту. И столкнувшись с другими ростками, указывает им верную дорогу, да и сама узнает у соседей, куда держать дальше. Между динамичными, бок о бок растущими сообществами клеток все время идет какой-то загадочный диалог — он не прекращается до конца жизни.
Клетка — существо чрезвычайно общительное. Больным лучевой болезнью ввели в вену донорский костный мозг, кроветворные клетки сначала разбрелись кто куда, но, постранствовав, все до единой собрались в трубчатых костях: здесь их законное место. Такая же история с красящими, пигментными да, вероятно, со всеми другими клетками. И как бы ни были они порой разнолики (а в организме нет и двух абсолютно одинаковых клеток), свои всегда отыщут братьев, соберутся вместе.
На этой удивительной способности клеток воссоединяться в коллективы — и держится наше тело. В самом деле, мы так привыкли к нему, столь уверены в его прочности, что порой не грех и подумать, как сложен, на чем стоит весь этот теплый, обвитый дом, где суждено нам безысходно прожить свой век. Ведь клетки живут друг подле друга, собираются в органы ткани вовсе не потому, что накрепко склеены.
Поэтам не нужно искать образ вечного движения, изменчивости: он всегда перед нами, вернее, в нас. Тело не знает постоянства, здесь нет ни одной навечно встроенной детали, ни одной пожизненно замурованной клетки — все связи динамичны, на диво переменчивы. Клетки в постоянном движении, все время перегруппировываются. Мы даже не подозреваем обо всех их странствиях.
А внутренний распорядок неизменен. Как бы клетки не суетились, собранные из них органы и ткани словно отлиты в мастерской скульптора. И главное всегда на своих местах. Рука остается рукой, глаз — глазом, нос тоже не меняет формы. Клеточные косяки путешествуют по телу из конца в конец, а оно неизменно. Разумеется, скажете вы, что ж тут особенного? Я — это всегда я, мой друг тоже не хамелеон какой-нибудь.
Согласен, но сколько сменилось в вас клеток. Одной кожи сошло, наверное, полпуда. Организм все это восполнил и, главное, аккуратно уложил каждую новую клетку к ее соплеменницам.
Нет, нелегкое это дело — всегда оставаться самим собой. Крепок наш дом, хоть и не сцементированы кирпичи, да кладка ладная. С нее и начнем; как клетки собираются воедино? По каким приметам узнают они собратьев, что удерживает их вместе — мышечные с мышечными, нервные с нервными?
ДИНАМИКА ЖИВОЙ КЛЕТКИ
Едва родившись, клетка тут же должна обеспечит себя пропитанием, наладить собственное изготовление белков и ферментов, приготовиться к продолжению рода и в дополнение ко всему отыскивать себе подобных. Для такой работы нужен большой запас энергии и, конечно, хороший двигатель. Но в том-то и дело, что даже через электронный микроскоп при огромном увеличении не удалось разглядеть ничего похожего на мотор. Вот загадка: движение без двигателя! Мечта фантаста, осуществленная в самом простом и древнем элементе жизни.
Энергия не уходит в клетке попусту, на трение и прочие непроизводительные расходы, — целиком превращается в движение. И не куда-нибудь, не слепое тыканье в разные стороны, а по выверенному, будто в анатомическом атласе подсмотренному пути. Ни одна клетка не злоупотребляет своей свободой, несвязностью с товарищами по ткани, куда бы ее ни занесло, пристраивается к своим.
Простенькое существо — гидра, а стоит вывернуть ее наизнанку, все клеточки разом приходят в движение: покровные спешат наружу, внутренние, пищеварительные устремляются вглубь тела. И ни одна не спутает дороги, не займет чужой площади. В человеке клетки тоже не сидят на месте, и хоть его, конечно, не вывернешь, как перчатку, есть немало примеров их направленного, целеустремленного движения. Лицевой нерв скажем, никогда не потянется к глазу, блуждающий, вопреки своему названию, не забредет в бицепс или диафрагму. Среди сотен мускулов каждая нервная ветка отыскивает свой и, обходя препятствия, упорно растет ему навстречу. Так что же все-таки движет и управляет этими неугомонными странницами?
Скорей всего оболочка — тончайший мешочек, в котором заключено все клеточное хозяйство. Раньше ей и внимания-то не уделяли: что особенного? — обыкновенная упаковка, вроде целлофанового кулька. И взгляд микроскописта, нацеленный на ядро и его свиту, скользил мимо узкой, в тысячные доли миллиметра, пограничной полоски. А на поверку мешочек оказался с фокусом: в нем самом скрыты сложные механизмы, управляющие клеткой.
Оболочка — это не просто обшивка, даже не корпус утлого суденышка клетки, здесь ее машинное отделение и рубка рулевого. В клеточной стенке заложены отличные навигационные приборы и целых два — на «носу» и «корме» — тянущих устройства. Так что ядро со всем его окружением — всего-навсего пассажиры, очень важные, влиятельные, но не такие уж независимые: лопни оболочка — тут им и конец. А она, хоть и крепка, действительно, то и дело дает течь, едва приметную, но способную потопить весь этот микроскопический кораблик.
Но нет, не гибнет клетка, не хлынула в ее трюмы посторонняя влага: наоборот, через пробоины вытекает протоплазма. Словно щупальцы потянулись от клеткиного тела, миг — и потащили его за собой.
Есть у клетки «тягачи» и посильнее — те, что установлены на обоих концах ее. У них назначение особое — растягивать ее, как резину. Каждый двигатель тянет клетку в свою сторону, а она в это время быстро наращивает белковые запасы, делит поровну наследственное вещество и, наконец, вытянувшись до отказа, разрывается посредине: из одной жизни стало две.
Проходит время, и эти дочерние клетки, как их родительница, начинают готовиться к продолжению рода. Снова работают двигатели, растягивая их перед делением, опять удваивается число наследниц — так растет живая ткань. А тягачи не просто тянут; поворачивая клетки, они выруливают их, словно по компасу, на верный курс — вся масса продвигается к одной цели. Потому-то в растущих тканях такое строгое разделение маршрутов и грудная мышца не сползает на живот, а концы перебитого нерва медленно, но неуклонно тянутся друг другу навстречу.
Силы, тянущие клетку в противоположные стороны, — хорошие помощники ее роста, размножения, но как они ее двигают? Это же вроде игры в канат — кто перетянет? Если силы равны, скорей всего — никто: все клетки должны остаться на месте. А они непоседы, расталкивая на пути встречных, упорно стремятся к цели – то выстелят затягивающуюся рану, то покроют корочкой свежую ссадину — словом, всегда готовы прибыть к месту гибели соплеменниц, заменить их. Откуда эта межклеточная солидарность, что заставляет свободные комочки плоти жертвовать своей независимостью, вступать в тесное содружество?
Самые изобретательные экспериментаторы, изощренные мастера биологического опыта не могли и краем глаза проследить за таинственными маневрами клеток в живом организме. Пока цел, он недоступен для микроскопических наблюдений. Разъятый на мельчайшие частицы — похож на груду битого кирпича.
Нет, тело — нечто неизмеримо большее, чем сумма составляющих его частиц. Чтобы понять жизнь, нужно было сперва научиться сохранять ее под окуляром микроскопа. Живую ткань стали растить в стеклянных чашках. Подкармливая кровяной сывороткой, витаминами, солями — всем, что она требовала от своих исследователей, ее заставляли годами жить вне организма. И все же секреты клеточных взаимодействий оставались за семью печатями. Выведать их можно было лишь у самих клеток. Но теперь это оказалось намного проще. Если большой кусок ткани выжил на искусственной пище, почему бы не посадить в чашку частицы помельче?
Пусть клетки ищут друг друга, воссоединяются, а мы посмотрим, что у них выйдет, — решили исследователи. Они извлекли из зародыша цыпленка по кусочку будущей почки, печени, хряща и, расщепив особым ферментом на множество клеток, выпустили их на волю.
Что тут началось! Великое переселение народов шло, вероятно, куда спокойнее. Насильно вырванные из тканей клетки не желали жить в одиночестве, они искали старых друзей. Целые сутки шла какая-то загадочная самосортировка, а на другой день все были в сборе: печеночные сошлись с печеночными, почечные со своими, хрящевые тоже никого лишнего к себе не подпустили. И самое интересное, собрались они не беспорядочными кучками, а по-старому, издревле заданному плану — в печеночные дольки, почечные канальцы, кусочек хряща. А когда эти заново построенные дольки и канальцы вернули зародышу, из них выросли органы, почти ничем не отличавшиеся от настоящих.
Выходит, архитертурные различия между тканями заложены в каждой клетке. Зародыш — это воздвигаемый дом, где любой кирпич несет в себе план будущей постройки. И тот, что предназначен в фундамент, не пойдет на кладку стен или перекрытий.
Клетка человека: общие сведения
Клетка, — это базовая единица всего живого, кроме вирусов. Все остальные животные, растения, бактерии – всё состоит из клеток. Даже наши волосы и ногти построены из клеток, только отмерших.
Человеческий организм состоит, по самым скромным подсчётам, из 30 триллионов клеток. Для сравнения – на земле живёт всего 7 миллиардов людей. Вдумайтесь — каждый из нас состоит их грандиозного количества маленьких живых существ, которых в 4200 раз больше, чем людей на всей нашей планете!
При этом любая клетка, несмотря на крохотные размеры – штука вполне самостоятельная и ограничена от внешнего мира плотной, но эластичной стенкой-мембраной. Клетка рождается, живёт, питается, делится и умирает. Внутри её происходит собственный обмен веществ.
И, несмотря на крохотные размеры, клетка невероятно сложна. Клетка — если и не целый мир, то уж огромный биохимический завод – точно. Он состоит из отдельных «цехов» – органелл, обладающих определённой автономностью.
Строение клетки в разрезе
Даже одна из самых простых органелл – клеточная мембрана (по сути, обычная перегородка!) удивляет своей сложностью. И это позволяет ей выполнять десятки самых разных функций. А у митохондрий есть даже собственная ДНК! Это значит, что когда-то, в глубокой древности, они были самостоятельными организмами.
Клеточная мембрана — едва ли не простейший элемент клетки
Типы клеток и их внешний вид
Организм человека состоит из клеток самых разных типов. Они абсолютно разные. То есть, совершенно. Нервные клетки отличаются от клеток, скажем, кишечника, как небо и земля. Кстати, на самом деле нервных клеток тоже множество типов, и они мало похожи друг на друга.
Клетка Панета тонкой кишки. Обеспечивают антибактериальную защиту.
Нервная клетка типа Веретенообразный нейрон (иначе — нейроны фон Экономо). Служит для быстрой передачи информации.
Нервная клетка типа Клетка Пуркинье
Общее количество типов клеток в человеческом организме до сих пор точно не установлено, ведь учёные постоянно открывают всё новые и новые типы. Но только основных, базовых разновидностей клеток известно более 200, и это не считая подтипов.
Формы клеток совершенно различны – сферы, кубы, параллелепипеды, сложные многогранники нити, «кусты», … и вообще бесформенные клетки, форму которых тяжело определить одним словом.
В общем, фантастическое разнообразие типов, форм, цветов и функций.
Да, человек, устроен сложно.
Продолжительность жизни клеток организма.
Смертные и бессмертные клетки.
Большинство клеток в организме на протяжении всей жизни человека возникают и отмирают, а на их место приходят новые. Это, условно говоря, смертные клетки. Размножаются они обычным делением (митозом), а потому количество их не уменьшается, — на место отмерших приходят новые. Так, клетки кишечника живут в среднем до 5 дней, клетки крови тромбоциты до 10 дней, эритроциты — 120 дней, клетки кожи от 10-ти до 30-ти, а печени – около 480 дней. То есть, за 80-летнюю жизнь человек полностью «меняет» кишечник почти 6000 раз, а печень – всего 60 раз.
Но есть клетки, способные жить более 100 лет. Их мы условно назовём «бессмертными». Их в организме меньше, чем «смертных», но всё равно число внушительное. Так, нейронов – клеток нервной системы, — не менее 85 миллиардов. Кроме них к бессмертным относятся и половые клетки, а также некоторые клетки мышц.
Несмотря на условное бессмертие, эти клетки вполне себе успешно гибнут от, скажем так, несчастных случаев. Но на их место всё равно приходят новые. Так, нейроны появляются из стволовых клеток, которые, образно говоря, являются «болванками», «заготовками» для производства новых клеток практически любого типа. Они тоже бессмертны, поскольку могут делиться бесконечное количество раз. К условно-бессмертным относятся, увы, и раковые образования, также не имеющие предела деления. Обычные же, «смертные» клетки могут делиться около 52-х раз, чуть больше или чуть меньше (число их возможных делений называется «пределом Хейфлика»).
Такая «несправедливость» связана, по всей видимости, с естественным процессом сокращения концевых участков т.н. теломеров (от др.-греч. τέλος – конец и μέρος — часть) – концевых участков хромосом. При каждом делении обычной клетки (а этих делений может быть плюс-минус 52), теломеры сокращаются. Когда они исчезают совсем, организм просто убивает клетку, поскольку считает её старой и ни на что негодной. Процесс «планового убийства» клеток носит название апоптоз.
При этом, однако, организм исправно снабжает «бессмертные» клетки (и раковые в том числе!) специальным ферментом – теломеразой, — который удлиняет теломеры и, таким образом, отменяет необходимость апоптоза.
Поэтому, к слову, рак так трудно победить. Для этого нужно запретить организму снабжать раковые образования теломеразой. Но как это сделать, мы пока не знаем.
Но узнаем обязательно.
Химический состав клетки
Он, естественно, различен для клеток разных типов, но в целом можно говорить об определённой выдержанности состава (но не содержаний конкретных элементов, которые значительно отличаются).
В состав клетки входит практически вся таблица Менделеева (кроме самых тяжёлых элементов) и плюс большое количество органических соединений. То есть, можно говорить о том, что в клетке есть практически всё, что есть в природе. В настоящий момент считается, что в составе клетки насчитывается около 90 химических элементов. 25 из них важны для нормального функционирования организма, а 18 – жизненно необходимы.
Неорганические вещества принято разделять на 4 группы:
Биоэлементы (иначе – органогены)
| Элемент | Содержание, % |
| Кислород | 65-75 |
| Углерод | 15-18 |
| Водород | 8-10 |
| Азот | 2-3 |
| Всего | ок. 98% |
Макроэлементы (иначе – минералы)
| Элемент | Содержание, % |
| Кальций | 0,04-2,00 |
| Фосфор | 0,2-1,0 |
| Калий | 0,15-0,4 |
| Сера | 0,15-0,2 |
| Хлор | 0,05-0,1 |
| Натрий | 0,02-0,03 |
| Магний | 0,02-0,03 |
| Железо | 0,01-0,015 |
| Всего | до 1.98% |
Микроэлементы (иначе – минералы)
| Элемент | Содержание, % |
| Цинк | до 0,001 |
| Медь | до 0,001 |
| Хром | до 0,001 |
| Ванадий | до 0,001 |
| Ванадий | до 0,001 |
| Германий | до 0,001 |
| Йод | до 0,001 |
| Марганец | до 0,001 |
| Кобальт | до 0,001 |
| Никель | до 0,001 |
| Селен | до 0,001 |
| Фтор | до 0,001 |
| Рутений | до 0,001 |
| Молибден | до 0,001 |
| Бор | до 0,001 |
| Всего | до 0.02% |
Ультрамикроэлементы
| Элемент | Содержание, % |
| Золото | до 0,0000001 |
| Серебро | до 0,0000001 |
| Платина | до 0,0000001 |
| Ртуть | до 0,0000001 |
| Цезий | до 0,0000001 |
| Бериллий | до 0,0000001 |
| Радий | до 0,0000001 |
| Уран | до 0,0000001 |
| и около 50-ти других | |
| Всего | менее 0.00001% |
Органические вещества, состоящие, в свою очередь, из неорганических химических элементов, в среднем составляют следующий проценты от общей массы клетки:
| Вещество | Содержание, % |
| Белки и аминокислоты | 10-20 |
| Жиры (липиды) | 1-5 |
| Углеводы (моно-, ди- и полисахариды) | 0,2-2,0 |
| Нуклеиновые кислоты (биополимеры; в т.ч. ДНК и РНК) | 1-2 |
| Низкомолекулярные органические вещества, в т.ч. аденозинтрифосфат | 0,1-0,5 |
| Биологически активные вещества и ферменты | ок. 0,1 |
Все элементы и вещества, входящие в состав клетки, выполняют одну, а чаще множество функций. Впрочем, назначение некоторых ультрамикроэлементов пока не установлено.
Питание клетки
Питанием клетки называется процесса захвата (иначе — интернализации) из внешней среды необходимых веществ, иногда в виде отдельных молекул химических элементов, иногда целых их групп (пищевых частиц). Практически все химические элементы, из которых состоят клетки, не синтезируются организмом и должны поступать извне.
Чтобы клетка смогла захватить нужные вещества, они должны предварительно поступить в т.н. внеклеточный матрикс – субстанцию, заполняющую пространство между клетками. К матриксу причисляют также плазму крови и лимфатическую жидкость.
Молекулы гиалуроновой кислоты (красно-оранжевые) во внеклеточном матриксе
В состав матрикса входят коллаген, фибрин, эластин, гликопротеины, протеогликаны, гиалуроновая кислота, а также, в меньшем количество, фибронектины, ламинины и нидогены. Естественно, матрикс сам нуждается в «строительном материале» для своих компонентов, которые также должны привноситься извне.
Есть два принципиально разных способа использования клеткой полученного питания. Первый из них – ассимиляция — подразумевает, что молекулы питательных веществ захватываются и либо напрямую усваиваются клеткой, либо используются ей для построения других нужных её молекул. Второй – диссимиляция (или клеточное дыхание) – заключается в преобразовании полученных веществ в энергию, необходимую для выполнения различных функций.
Клетка не только питается, но и выводит остатки своей жизнедеятельности. И также через мембрану, откуда они выводятся дальше, через лимфатическую и другие системы организма. То есть, клетка, подобно человеку, имеет настоящую пищеварительную систему.
Естественно предположить, что нормальное «пищеварение» клеток — основа здоровья организма в целом. Поэтому, формируя рацион питания, мы должны думать не о том, как насытить свой желудок, а о том, как предоставить всем клеткам нужное им питание. А это, как мы уже установили, не более и не менее, как 90 химических элементов. И если с биоэлементами обычно никаких проблем нет, то на уровне макроэлементов уже начинаются трудности. Одних поступает больше, других меньше, третьи отсутствуют совсем. С микроэлементами дело обстоит ещё хуже. Человеческий организм имеет колоссальный ресурс для выживания даже при самом отвратительном питании (например, как у тибетских монахов), но речь идёт именно о выживании, а не полноценной жизни и, тем более, расширении его возможностей. Поэтому учёные поднимают вопрос полноценного питания клеток встаёт всё чаще. Он обязательно должен быть решён каждым из нас как можно раньше и полнее.
Клеточное строение организма
Внешне люди сильно отличаются друг от друга. Большие и маленькие, высокие и низкие, светлокожие и темнокожие. Присмотритесь к себе и своим друзьям и вы убедитесь, что каждый человек индивидуален. И все же в главном мы похожи: наши тела построены и функционируют по общим законам.
Наше тело, как и тело всех многоклеточных организмов, состоит из клеток. Клеток в организме человека многие миллиарды — это его главный структурный и функциональный элемент.
Кости, мышцы, кожа — все они построены из клеток. Клетки активно реагируют на раздражение, участвуют в обмене веществ, растут, размножаются, обладают способностью к регенерации и передаче наследственной информации.
Клетки нашего организма очень разнообразны. Они могут быть плоскими, круглыми, веретенообразными, иметь отростки. Форма зависит от положения клеток в организме и выполняемых функций. Размеры клеток тоже различны: от нескольких микрометров (малый лейкоцит) до 200 микрометров (яйцеклетка). При этом, несмотря на такое многообразие, большинство клеток имеют единый план строения: состоят из ядра и цитоплазмы, которые снаружи покрыты клеточной мембраной <оболочкой).
Ядро есть в каждой клетке, кроме эритроцитов. Оно несет наследственную информацию и регулирует образование белков. Наследственная информация обо всех признаках организма хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
ДНК является основным компонентом хромосом. У человека в каждой неполовой (соматической) клетке их 46, а в половой клетке 23 хромосомы. Хромосомы хорошо видны только в период деления клетки. При делении клетки наследственная информация в равных количествах передается дочерним клеткам.
Ядро погружено в цитоплазму, состоящую из гиалоплазмы (от греч. «гиалинос» — прозрачный) и находящихся в ней органоидов и включений. Гиалоплазма образует внутреннюю среду клетки, она объединяет все части клетки между собой, обеспечивает их взаимодействие.
Органоиды клетки — это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции. Познакомимся с некоторыми из них.
Эндоплазматическая сеть напоминает сложный лабиринт, образованный множеством мельчайших канальцев, пузырьков, мешочков (цистерн). В некоторых участках на ее мембранах расположены рибосомы, такую сеть называют гранулярной (зернистой). Эндоплазматическая сеть участвует в транспорте веществ в клетке. В гранулярной эндоплазматической сети образуются белки, а в гладкой (без рибосом)— животный крахмал (гликоген) и жиры.
Комплекс Гольджи представляет собой систему плоских мешочков (цистерн) и многочисленных пузырьков. Он принимает участие в накоплении и транспортировке веществ, которые образовались в других органоидах. Здесь также синтезируются сложные углеводы.
Митохондрии — органоиды, основной функцией которых является окисление органических соединений, сопровождающееся высвобождением энергии. Эта энергия идет на синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая служит как бы универсальным клеточным аккумулятором. Энергию, заключенную в ЛТФ, клетки затем используют на различные процессы своей жизнедеятельности: выработку тепла, передачу нервных импульсов, мышечные сокращения и многое другое.
Лизосомы, небольшие шарообразные структуры, содержат вещества, которые разрушают ненужные, утратившие свое значение или поврежденные части клетки, а также участвуют во внутриклеточном пищеварении.
Снаружи клетка покрыта тонкой (около 0,002 мкм) клеточной мембраной, которая отграничивает содержимое клетки от окружающей среды. Основная функция мембраны — защитная, но она воспринимает также и воздействия внешней для клетки среды. Мембрана не сплошная, она полупроницаема, через нее свободно проходят некоторые вещества, г. е. она выполняет и транспортную функцию. Через мембрану осуществляется и связь с соседними клетками.
Вы видите, что функции органоидов сложны и многообразны. Они играют для клетки ту же роль, что и органы для целостного организма.
Продолжительность жизни клеток нашего организма различна. Так, некоторые клетки кожи живут 7 дней, эритроциты — до 4 месяцев, а вот костные клетки — от 10 до 30 лет.
Проверьте свои знания
Подумайте
Почему клетку считают структурным и функциональным элемен том тела?
Клетка — структурная и функциональная единица тела человека, органоиды — постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции.
