Химический состав клетки

Клетки состоят из неорганических и органических веществ.

Неорганические вещества представлены водой, кислородом, углекислым газом и минеральными солями. В выражении «вода – основа жизни» нет никакого преувеличения. Все реакции между веществами в клетках проходят в водной среде, при участии воды осуществляется теплорегуляция. В организме человека примерно 60 % воды, иначе говоря, ее содержание больше, чем содержание всех других веществ вместе взятых. Большинство клеток живых организмов содержат 70–80 % воды, в костных клетках ее около 20 %, а в зубной эмали, самой твердой ткани организма – 10 %.

Содержание химических элементов в клетке

Кислород, являющийся одним из сильнейших природных окислителей, участвует во многих химических процессах, происходящих в клетках. Углекислый газ является одним из конечных продуктов клеточной жизнедеятельности. Количество минеральных солей, содержащихся в клетке, весьма мало, но без них нельзя обойтись, потому что они нужны для нормальной жизнедеятельности.

Органические вещества клетки представлены молекулами нуклеиновых кислот, белков, жиров (липидов) и углеводов.

Органические вещества клетки

Нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая, как мы уже знаем, хранят наследственную (генетическую) информацию.

Белки, сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, участвуют во всех процессах жизнедеятельности клетки. С учетом функций, клеточные белки можно разделить на три группы:

1. ферменты, участвующие в химических реакциях в качестве ускорителей;

2. специфические белки, вырабатываемые не для собственно клеточных нужд, а для нужд всего организма, так сказать «на экспорт» – гормоны, пищеварительные ферменты, медиаторы (вещества, с помощью которых нервный импульс передается от одной клетки к другой) и др.;

3. структурные белки, используемые для восстановления и обновления клеточных элементов.

По содержанию в клетке белки стоят на втором месте после воды. Они составляют примерно 50 % от сухого остатка клеточных веществ.

Среди жиров главное значение имеют фосфолипиды (липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты) из молекул которых состоят все клеточные мембраны – и самой клетки, и ее элементов. Фосфолипиды, как и все жиры – хороший теплоизолятор, они предохраняют клетку от потери тепла. Кроме того, жиры служат источником энергии и воды (при разложении 1 г жира образуется 1,1 мл воды). Капельки жира могут находиться в цитоплазме в виде включений – это клеточный энергетический запас «на черный день».

Другим источником энергии являются углеводы, в первую очередь – глюкоза и ее полимер^[1] гликоген. Кроме этого, углеводы, наряду с жирами и белками, являются «строительным материалом», они водят в состав различных клеточных элементов.

Деление клетки

Клетки живых организмов постоянно делятся, воспроизводя новые клетки вместо отмирающих старых. За жизнь человека в его организме осуществляется порядка 1014 делений клеток. 10 в 14-ой степени! 1 00 000 000 000 000! Сто тысяч миллиардов делений! Впечатляющая цифра, не правда ли?

С делением клетки мы ознакомимся на примере митоза или непрямого деления, наиболее распространенном способе воспроизводства клеток.

Митоз

Рассмотрите картинку. В интерфазе ничего не происходит. Это промежуточная между делениями фаза. Клетка увеличивает свою массу и удваивает хромосомы, готовясь к предстоящему делению. Когда масса увеличится вдвое и хромосомы удвоятся, настает время делиться.

Пойдем дальше.

Первая фаза митоза, называемая «профазой», является самой продолжительной фазой. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились, но пока они соединены попарно перемычками, называемыми «центромерами».

Хромосома

Ядерная мембрана и ядрышки исчезают. Хромосомы вырываются на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Центриоли отходят к полюсам.

Вторая фаза митоза называется «метафазой». Разошедшиеся по полюсам центриоли образуют так называемое «веретено деления». Веретено это состоит из микротрубочек, которые прикрепляются к хромосомам и предназначено оно для дележа хромосом между двумя клетками.

Образование веретена деления (оно видно на среднем рисунке) и разделение хромосом.

Если центриоли расположены у полюсов, то хромосомы выстраиваются возле условного «экватора», отчего вся система имеет веретенообразную форму, давшую ей название.

Во время третьей фазы, которая называется «анафазой», центромеры, скреплявшие пары хромосом разрушаются и хромосомы расходятся к полюсам клетки.

В заключительной, четвертой фазе, называемой «телофазой» – хромосомы раскручиваются в нити, вновь образуются ядра, микротрубочки веретена «собираются» в центриоли, делится цитоплазма, а в экваториальной зоне клетки образуется перетяжка, разделяющая две сестринские клетки.

Вот и все. Вместо одной материнской клетки появились две дочерние. Процесс деления завершен. Наступает интерфаза.

Ознакомимся вкратце с двумя другими видами деления клеток.

«Амитозом», т. е. «не митозом», называется прямое деление клетки, происходящее простым разделением ядра надвое без образования веретен деления. Поскольку веретена не образуются, наследственный материал распределяется между ядрами случайным образом. Ядро делится, а клетка – нет. Она становится двуядерной. Амитоз характерен для стареющих клеток с пониженной активностью.

Амитоз

Процесс деления клеток, в результате которого не происходит удвоения числа хромосом в материнской клетке (т. е. дочерние клетки получают по половинному набору хромосом), называют «мейозом». Мейоз проходит в два этапа. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но при делении хромосомные пары не разделяются надвое, дочерние клетки получают от материнской парные хромосомы, скрепленные центромерами.

Практически сразу же по окончании первого деления, начинается второе, перед которым удвоения числа хромосом не происходит. В результате мейоза из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. Таким путем образуются половые клетки – сперматозоиды и яйцеклетки.

Межклеточное вещество

Межклеточное вещество, также называемое «внеклеточным матриксом», это окружающие клетки продукты их жизнедеятельности. Межклеточное вещество может быть жидким, как в крови, желеобразным или твердым. Твердое межклеточное вещество в основном состоит из коллагена – белка, имеющего нитевидную структуру. Кроме коллагена, в межклеточном веществе находятся другие белки и гиалуроновая кислота.

Обратите внимание! Межклеточное вещество имеет неклеточную природу. Оно состоит из молекул, а не из клеток.

Белые промежутки между клетками – это межклеточное вещество

Ткани

Группы клеток (вместе с межклеточным веществом), имеющих схожее строение и выполняющих схожие функции, называют «тканями». Из сочетания тканей состоят органы.

В организмах животных выделяют следующие виды тканей:

1. Эпителиальная или покровная ткань (эпителий), которая покрывает организм снаружи (верхний слой кожи), выстилает поверхность внутренних органов и полости организма, а также входит в состав желез внутренней и внешней секреции. Соответственно, эпителий подразделяется на два вида – покровный и железистый. Покровный эпителий отделяет организм от внешней среды и органы друг от друга (барьерная функция), а также способствует обмену веществ между организмом и внешней средой (обменная функция). Клетки покровной эпителиальной ткани плотно соединены друг с другом, межклеточного вещества между ними практически нет. Они могут лежать в один или в несколько слоев.

Виды эпителиальной ткани

Однослойный эпителий

Многослойный эпителий

Железистый эпителий

Мерцательный эпителий

Железистый эпителий образует различные железы. Выделяемые клетками железистого эпителия секреты участвуют в жизнедеятельности организма.

Кроме перечисленных функций, эпителиальная ткань может участвовать во всасывании веществ (эпителий кишечника) и в газообмене (эпителий легких). Дыхательные пути выстланы особым видом эпителиальной ткани, называемой «мерцательным эпителием», клетки которого имеют обращенные наружу подвижные реснички. Эти реснички удаляют из дыхательных путей мелкие твердые частицы, попадающие туда с воздухом.

2. Соединительная ткань, играющая вспомогательную роль во всех без исключения, органах, где она выполняет опорную, защитную и трофическую (питательную) функции. Соединительная ткань образует опорный каркас и наружные покровы всех органов. Соединительная ткань отличается большим разнообразием клеток, к ней относятся кровь и кроветворная ткань, лимфатическая ткань, жировая ткань, костная ткань, хрящевая ткань, волокнистая соединительная ткань. Клетки соединительной ткани расположены рыхло, в ней много межклеточного вещества.

Виды соединительной ткани

Жир

Соединительная ткань

Кровь

Хрящевая ткань

Кость

3. Мышечная ткань может различаться по строению, но все ее виды обладают одной особенностью – способностью к выраженным сокращениям. Мышечная ткань состоит из вытянутых в длину клеток, которые сокращаются под воздействием раздражения, передаваемого нервной системой.

Обратите внимание! Способностью изменять форму также обладают клетки других тканей, но только у клеток мышечной ткани эта способность является основной функцией и наиболее выражена.

Работа сердца, дыхание, передвижение пищи по желудочно-кишечному тракту, речь, перемещения организма в пространстве осуществляются благодаря мышечным клеткам.

Различают гладкую и поперечно-полосатую мышечные ткани.

Гладкая мышечная ткань

Гладкая мышечная ткань состоит из одноядерных клеток веретенообразной формы длиной от 15 до 500 мкм. В световом микроскопе цитоплазма этих клеток выглядит однородно, без поперечной исчерченности, присущей поперечно-полосатой мышечной ткани. Гладкая мышечная ткань медленно сокращается и расслабляется и ее деятельность является непроизвольной, то есть не управляется по нашей воле. Гладкая мышечная ткань входит в состав стенок пищеварительного тракта, кровеносных и лимфатических сосудов, мочевыводящих и дыхательных путей.

Поперечно-полосатая мышечная ткань делится на скелетную и сердечную.

Клетки поперечно-полосатой скелетной мышечной ткани имеют большую длину, которая выражается в сантиметрах. Эти клетки многоядерные (число ядер может быть более 100), в световом микроскопе их цитоплазма выглядит как череда темных и светлых полосок, что обусловлено чередованием участков с различными оптическими свойствами. Поперечно-полосатые мышечные клетки имеют высокую скорость сокращения и расслабления, а также обладают произвольностью – их деятельность управляется по нашей воле.

Поперечно-полосатая скелетная мышечная ткань

Поперечно-полосатая сердечная мышечная ткань

Клетки поперечно-полосатой сердечной мышечной ткани, называемые «кардиомиоцитами», имеют прямоугольную форму и относительно небольшие размеры – до 120 мкм в длину и 20 мкм в ширину. Кардиомиоциты обычно имеют одно ядро. Особенность их в том, что они связаны друг с другом при помощи особых вставочных дисков. Благодаря этой связи, электрический импульс, вызывающий сокращение, имеет возможность быстро распространяться по большому участку мышечной ткани.