Будова і форма клітини (морфологія клітини)

Вивченням будови клітини займається цитологія (від латинського cytos – клітина і logos – вчення).

Клітка – це обмежена активною мембраною, упорядкована, структурована система біополімерів, що утворюють цитоплазму і ядро, що беруть участь в єдиній сукупності метаболічних, енергетичних та інформаційних процесів і здійснюють підтримку і відтворення всієї системи в цілому (будова клітини зображено на малюнку 1.3.5). Це довге і змістовне визначення вимагає подальших роз’яснень.

Розмір клітин може бути різним. Деякі кулясті бактерії мають незначні розміри: від 0,2 до 0,5 мкм в діаметрі (нагадаємо, що 1 мкм в тисячу разів менше 1 мм). У той же час існують клітини, які видно неозброєним оком. Наприклад, яйце птиці – це, по суті, одна клітина. Яйце страуса сягає в довжину 17,5 см, і це найбільша клітина. Однак, як правило, розміри клітин коливаються в значно більш вузьких межах – від 3 до 30 мкм.

Форми клітин також дуже різноманітні. Деякі з них наведені на малюнку 1.3.4. Клітини живих організмів можуть мати вигляд кулі, багатогранника, зірки, циліндра і інших фігур.

 

Незважаючи на те, що клітини мають різні форми і розміри, виконують різні і часто вельми специфічні функції, вони, в принципі, мають однакову будову, тобто у них можна виділити загальні структурні одиниці. Клітини тварин і рослин складаються з трьох основних компонентів, представлених на малюнку 1.3.5: оболонки – клітинної мембрани (5), яка відділяє вміст клітини від зовнішнього середовища або від сусідніх клітин, цитоплазми (4) і ядра (1).

Основні компоненти клітини = клітинна мембрана + цитоплазма + ядро

Можливі, проте, і виключення. Наприклад, м’язові волокна обмежені мембраною і складаються з цитоплазми з безліччю ядер (рисунок 1.3.1). Іноді після поділу дочірні клітини залишаються пов’язаними один з одним за допомогою тонких цитоплазматичних перемичок. Є приклади без’ядерних клітин (еритроцити), що мають в своєму складі тільки клітинну мембрану і цитоплазму, вони мають обмеженими функціональними можливостями, так як позбавлені здатності до самооновлення і відтворення, в зв’язку з відсутністю ядра.

Ядро і цитоплазма складають протоплазму.

Протоплазма = Ядро + Цитоплазма

Клітинна мембрана (малюнок 1.3.6) являє собою оболонку, що відокремлює вміст клітини від зовнішнього середовища або сусідніх клітин. Основу клітинної мембрани становить подвійний шар ліпідів (1), в який занурені білкові молекули (2), деякі з них виконують функцію рецепторів (3). Зовні мембрана покрита шаром гликопротеинов – гликокаликсом (4). Одна з основних функцій клітинної мембрани – бар’єрна, оскільки вона обмежує вільне пересування речовин між цитоплазмою і зовнішнім середовищем. Вирости (вії миготливого епітелію дихальних шляхів, микроворсинки клітин кишкового епітелію) на клітинній мембрані можуть брати участь в процесах всмоктування речовин всередину клітини. Вони значно збільшують площу клітинної мембрани і найбільш характерні для епітеліальних клітин. Наприклад, клітина кишкового епітелію має до 3000 мікроворсинок, що збільшує загальну поверхню тонкої кишки до 200-300 м2 і сприяє інтенсивному всмоктуванню поживних речовин.

Клітинна мембрана також здійснює зв’язок з позаклітинної середовищем і розпізнає речовини і стимули, які впливають на клітину. Ця здатність забезпечується спеціальними структурами клітинної мембрани, названими рецепторами.

Клітинні рецептори – це білкові макромолекули, розташовані всередині клітинної мембрани (трансмембранно) або в самій клітині, специфічно (вибірково) реагують на певні хімічні речовини. Особливу роль відіграють рецептори, що розпізнають біологічно активні речовини – гормони, медіатори, специфічні антигени інших клітин або певні білки. Розрізняють рецептори різних видів. Будь-який вид рецепторів здатний зв’язуватися з обмеженим числом медіаторів або гормонів. Чим з меншим числом медіаторів або гормонів може взаємодіяти даний рецептор, тим вище його специфічність. Це явище отримало назву принципу структурної комплементарності (відповідності). Цей принцип можна порівняти з правилом “ключ-замок”.

До випускається замку (рецептора) додається обмежений набір ключів (медіаторів або гормонів). Замок тим краще, чим менша кількість “сторонніх” ключів до нього підходить.

Клітинні рецептори забезпечують такі важливі процеси, як взаємне розпізнавання клітин і регуляцію їх функцій. Ефекти ліків також в більшості випадків є результатом взаємодії молекул лікарських речовин з рецепторами певного виду. Детальніше про це ми розповімо в розділі 3.2, присвяченій засобів, що впливає на вегетативну нервову систему, в третій частині книги.

На зміну фізичних факторів (температуру, тиск, болюче подразнення та інші) реагують рецептори іншого виду, що представляють собою закінчення чутливих нервових волокон. Вони більш детально розглянуті в главі 1.5, присвяченій тканин, їх будовою і функціями, а також в розділах по місцевих анестетиків (знеболюючих засобів) і местнораздражающим засобам глави 3.1.

Важливою функцією клітинної мембрани є забезпечення взаємодії між сусідніми клітинами. При цьому утворюються особливі об’єднують структури – міжклітинні з’єднання, різні за своєю структурою. Це можуть бути вирости мембран дотичних клітин, зчеплені між собою за правилом “ключ – замок” або переплетені на зразок схрещених пальців рук (цей тип так і називається – пальцевидними з’єднання). Більш складні сполуки – десмосоми (рисунок 1.3.7): дві ділянки мембран сусідніх клітин (1) “прошиваються” наскрізь особливими біологічними нитками – микрофиламентами і мікротрубочками (2), які беруть участь в утворенні каркаса клітини (цитоскелет, фрагмент 14 малюнка 1.3.5) . Прикладом міжклітинної контакту також є синапси, які зустрічаються в місцях з’єднання нервових клітин (нейронів) між собою або з клітиною будь-якої тканини (м’язової, епітеліальної). У них здійснюється одностороння передача сигналів збудження або гальмування. Більш докладно про будову та роботу синапсів ви також зможете дізнатися з наступних глав.

Цитоплазма заповнює внутрішньоклітинного простору між ядром і клітинною мембраною і під мікроскопом нагадує желеподібну масу. Вона складається з гіалоплазми (матриксу), в яку занурені обов’язкові клітинні компоненти – органели і різні непостійні структури (включення).
Цитоплазма = гіалоплазма + органели + включення

Гиалоплазма (матрикс цитоплазми) є колоїдним розчином головним чином білка, в ній знаходиться 20-25% загальної кількості білків клітини.

Органели – спеціалізовані мікроструктури, які постійно присутні в клітці і виконують ряд життєво важливих функцій, забезпечуючи внутрішньоклітинний обмін речовин (метаболізм), а також енергетичний і інформаційний обмін. Основними органеллами клітини є ендоплазматична мережа, мітохондрії, апарат Гольджі і лізосоми.

Ендоплазматична мережа (рисунок 1.3.8) складається з безлічі замкнутих зон у вигляді бульбашок (вакуолей) (5), плоских мішків або трубчастих утворень (2), відділених від гіалоплазми мембраною (3) і мають внутрішні порожнини з власним вмістом (4).

З боку гіалоплазми вона вкрита дрібними округлими тільцями, названими рибосомами (1) (містять велику кількість РНК) і додають їй під мікроскопом “шорсткий” або гранулярний вигляд. Рибосома (рисунок 1.3.9) складається з великої і малої субодиниць, в яких є жолобок. Він утворює канал при складанні рибосоми, по якому проходить матрична (інформаційна) РНК. На рибосомах синтезуються білки, наприклад, службовці будівельним матеріалом для клітинних органел. Такі білки в подальшому витрачаються на потреби самої клітини, а інші – синтезовані “на експорт” – залишають клітку, беручи участь в міжклітинному обміні інформацією або виконанні кліткою специфічних функцій.

Накопичуються в порожнинах ендоплазматичної мережі білки, в тому числі ферментні, необхідні для внутрішньоклітинного обміну речовин і травлення. Вони транспортуються в апарат Гольджі, після чого входять до складу лізосом або секреторних гранул, відокремлених від гіалоплазми мембраною.

Частина ендоплазматичної мережі не містить рибосом, її називають гладкою ендоплазматичної мережею. Ця мережа бере участь в метаболізмі ліпідів і деяких внутрішньоклітинних полісахаридів. Вона грає важливу роль в руйнуванні шкідливих для організму речовин (особливо в клітинах печінки).

Мітохондрії (рисунок 1.3.10) є також дуже важливими компонентами клітини. У них відбувається перетворення речовин, що надходять з їжею, в багаті енергією з’єднання. Ці сполуки згодом витрачаються у всіх процесах, що вимагають витрати енергії. Вони мають гладку зовнішню мембрану (1), а внутрішня мембрана (2) утворює безліч виростів, перегородок (3). Мітохондрії називають ще органеллами клітинного дихання або силовими станціями клітини, так як основне джерело енергії в живих організмах – аденозинтрифосфат (АТФ) – синтезується саме в них.

Апарат Гольджі (рисунок 1.3.11) названий по імені італійського гістолога К. Гольджі. Він являє собою комплекс сплощених мішків (цистерн) (2), складених на зразок стопки млинців, і трубочок (3), від яких отщепляются бульбашки (1) з власним вмістом – так утворюються, зокрема, первинні лізосоми (4). В апараті Гольджі відбувається накопичення продуктів, синтезованих в ендоплазматичної мережі, їх хімічна модифікація, синтез полісахаридів і освіту їх комплексів з білками (мукопротеїдів), а також “упаковка” і виведення вироблюваних продуктів (секрету) за межі клітини.

Лізосоми (фрагмент 11 малюнка 1.3.5 і фрагмент 4 рисунка 1.3.11) – сферичні тільця, розміром 0,2-0,4 мкм, обмежені одиночної мембраною. У клітці можна виявити різні види лізосом, але всі вони об’єднані спільною ознакою – наявністю в них ферментів, що розщеплюють біополімери. Ферменти лізосом синтезуються в ендоплазматичної мережі, а потім “упаковуються” в мембранну оболонку в апараті Гольджі (первинні лізосоми). При злитті первинних лізосом з вакуолями, які містять поглинуті кліткою поживні речовини, або із зміненими органелами самої клітини утворюються вторинні лізосоми. У них, під дією ферментів, відбувається розщеплення складних речовин. Продукти розщеплення проходять через мембрану лізосоми в гіалоплазму і включаються в різні процеси внутрішньоклітинного обміну. Однак перетравлення складних речовин в лізосомах не завжди йде до кінця. В цьому випадку всередині неї накопичуються неперетравлені продукти. Такі лізосоми називають залишковими тільцями. У цих тільцях відбувається ущільнення вмісту, його вторинна структуризація і відкладення пігментних речовин. Так, у людини при старінні організму в залишкових тільцях клітин мозку, печінки і м’язових волокон відбувається накопичення “пігменту старіння” – ліпофусцину.

Лізосоми, що з’єдналися з зміненими органелами самої клітини, грають роль внутрішньоклітинних “чистильників”, які прибирають дефектні структури. Збільшення числа таких лізосом є звичайним явищем при процесах, обумовлених хворобою. У нормальних умовах число лізосом- “чистильників” збільшується при так званих метаболічних стресах, коли підвищується активність клітин в органах, що беруть участь в обміні речовин, наприклад клітин печінки.

Особливою різновидом лізосом є пероксисоми (малюнок 1.3.5, фрагмент 13). У своєму складі вони мають пероксидазу – фермент, що нейтралізує багато токсичні речовини, в тому числі етиловий спирт.

Крім вищеописаних (ендоплазматична сітка, мітохондрії, апарат Гольджі, лізосоми), в клітці зустрічається велике число самостійних утворень у формі ниток, трубочок або навіть дрібних щільних тілець (включень). Вони виконують різноманітні функції: утворюють каркас (цитоскелет, фрагмент 14 малюнка 1.3.5), необхідний для збереження форми клітини, беруть участь в транспорті речовин всередині клітини і в процесах розподілу.

У деяких клітинах зустрічаються спеціальні органели руху – війки і джгутики, які виглядають як вирости клітини, обмежені зовнішньої клітинної мембраною. Вільні клітини, що мають війки або джгутики, мають здатність пересуватися (сперматозоїди) або переміщати рідину і різні частки. Наприклад, внутрішня поверхня бронхів вистелена так званими війчастими клітинами, які постійним коливанням (мерехтінням) війок просувають бронхіальний секрет (мокротиння) в сторону гортані, видаляючи мікроорганізми і найдрібніші частинки пилу, що потрапили в дихальні шляхи.

Ядро клітини (малюнок 1.3.12) має округлу форму і оточене ядерною оболонкою (1), яка відрізняється більшою пористістю (2), ніж зовнішня клітинна мембрана. Через неї можуть проходити цілі молекули білка. Ядро заповнене прозорою Нуклеоплазма, в яку занурені тонкі довгі нитки хроматину (3). У період поділу клітини хроматин ущільнюється, утворюючи хромосоми, добре помітні навіть в світловому мікроскопі. Хроматин і хромосоми – це рівні упаковки генетичного матеріалу (рисунок 1.3.13). Ланцюги дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) (3) накручуються на особливі білки – гістони (4).
Хромосома = ДНК + гистони + білки

ДНК – основний носій генетичної інформації. Нитки ДНК утворюють подвійну спіраль, закручену навколо загальної осі.
ДНК – дві полінуклеотидні ланцюга, закручені в спіраль одна навколо іншої.

Ген – це ділянка ДНК, що містить програму побудови тільки одного певного білка, наприклад, добре всім відомого гормону – інсуліну. Афористична формула “Один ген – один білок” була відкрита ще півстоліття тому.
ДНК = ген + ген + ген + … + ген

Інформація, що міститься в гені, передається в цитоплазму за допомогою матричної, або інформаційної РНК (мРНК), докладніше про яку ми розповімо, розбираючи біосинтез білка. Якщо контакт ядра з цитоплазмою припиняється, то швидкість всіх реакцій в клітині поступово сповільнюється, і вона в результаті гине.

Пам’ятайте правило “ключ – замок”? Якраз на основі цього механізму (принципу структурної комплементарності) розташовані навпроти азотисті основи (в складі нуклеотидів) ниток ДНК з’єднуються в пари шляхом утворення водневих зв’язків: аденін (А) тільки з тиміном (Т), а гуанін (G) тільки з цитозином ( С) (рисунок 1.3.13, фрагменти 1 і 2). Таким же чином до однієї з ланцюгів ДНК добудовується мРНК.

У період поділу відбувається “ремонт”, відтворення і подвоєння (редуплікація) молекул ДНК, що дозволяє передати дочірнім клітинам однаковий в кількісному і якісному відношенні обсяг генетичної інформації.

Найбільша з хромосом людини містить ДНК довжиною близько 7 см. Сумарна довжина молекул ДНК у всіх хромосомах однієї клітини людини становить приблизно 170 см.

Крім хромосом, в ядрі знаходиться також одне або декілька відносно великих круглих ядерець (4), розміром 1-5 мкм, які багаті рибонуклеїнової кислотою (РНК). Вона активно витрачається при діленні клітин, а також на освіту рибосом (рисунок 1.3.9). Ці ядерця є петлі з ниток хроматину, які беруть участь в синтезі білка.

...
ПОДІЛИТИСЯ: