Цитология – наука о клетке

Наука о клетке называется цитологией (греч. «цитос»-клетка, «логос»-наука). Предмет цитологии - клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточных  организмов, к числу которых относятся  бактерии, простейшие и одноклеточные  водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции  внутриклеточных структур, функции  клеток в организме животных и  растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Современная цитология - наука комплексная. Она имеет  самые тесные связи с другими  биологическими науками, например с  ботаникой, зоологией, физиологией, учением  об эволюции органического мира, а  также с молекулярной биологией, химией, физикой, математикой. Цитология - одна из относительно молодых биологических  наук, ее возраст около 100 лет. Возраст  же термина “клетка” насчитывает  свыше 300 лет. Впервые название «клетка» в середине XVII в. применил Р.Гук. Рассматривая тонкий срез пробки с помощью микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит  из ячеек - клеток.

Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал  клеточную теорию (1838). Он обобщил  имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет основную единицу  строения всех живых организмов, что  клетки животных и растений сходны по своему строению. Эти положения  явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых  организмов, единство всего органического  мира. Т. Шван внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной  единицы жизни, наименьшей единицы  живого: вне клетки нет жизни.

Изучение химической организации  клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что клетки всех организмов сходны по химическому составу, у  них однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клеток еще  раз подтвердили единство всего  органического мира.

Современная клеточная - теория включает следующие положения:

клетка - основная единица  строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;

клетки всех одноклеточных  и многоклеточных организмов сходны ( гомологичны ) по своему строению, химическому  составу, основным проявлениям жизнедеятельности  и обмену веществ;

размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая  клетка образуется в результате деления  исходной (материнской) клетки;

в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и  образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между  собой и подчинены нервным  и гуморальным системам регуляции.

Исследования клетки имеют  большое значение для разгадки заболеваний. Именно в клетках начинают развиваться  патологические изменения, приводящие к возникновению заболеваний. Чтобы  понять роль клеток в развитии заболеваний, приведем несколько примеров. Одно из серьезных заболеваний человека - сахарный диабет. Причина этого  заболевания - недостаточная деятельность группы клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин, который  участвует в регуляции сахарного  обмена организма. Злокачественные  изменения, приводящие к развитию раковых  опухолей, возникают также на уровне клеток. Возбудители кокцидиоза - опасного заболевания кроликов, кур, гусей  и уток - паразитические простейшие - кокцидии проникают в клетки кишечного  эпителия и печени, растут и размножаются в них, полностью нарушают обмен  веществ, а затем разрушают эти  клетки. У больных кокцидиозом  животных сильно нарушается деятельность пищеварительной системы и при  отсутствии лечения животные погибают. Вот почему изучение строения, химического  состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо не только в биологии, но также в  медицине и ветеринарии.

Изучение клеток разнообразных  одноклеточных и многоклеточных организмов с помощью светооптического и электронного микроскопов показало, что по своему строению они разделяются  на две группы. Одну группу составляют бактерии и сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют наиболее простое строение клеток. Их называют доеденными (прокариотами), так как  у них нет оформленного ядра (греч. «картон»-ядро) и нет многих структур, которые называют органоидами. Другую группу составляют все остальные  организмы: от одноклеточных зеленых водорослей и простейших до высших цветковых растений, млекопитающих, в том числе и человека. Они имеют сложно устроенные клетки, которые называют ядерными (эукариотическими). Эти клетки имеют ядро и органоиды, выполняющие специфические функции.

Особую, неклеточную форму  жизни составляют вирусы, изучением  которых занимается вирусология.

Строение и функции  оболочки клетки

Клетка любого организма, представляет собой целостную живую  систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка клетка осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними  клетками (в многоклеточных организмах).

Оболочка клеток. Оболочка клеток имеет сложное строение. Она  состоит из наружного слоя и расположенной  под ним плазматической мембраны. Клетки животных и растений различаются  по строению их наружного слоя. У  растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена  плотная оболочка, или клеточная  стенка. У большинства растений она  состоит из клетчатки. Клеточная  стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний  каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через  клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.

Наружный слой поверхности  клеток животных в отличие от клеточных  стенок растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп  и состоит из разнообразных полисахаридов  и белков. Поверхностный слой животных клеток получил название гликокаликс.

Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней  средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм), наружный слой клетки животных не выполняет опорной роли, какая  свойственна клеточным стенкам  растений. Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности  самих клеток.

Плазматическая мембрана. Под гликокаликсом и клеточной  стенкой растений расположена плазматическая мембрана (лат. “мембрана»-кожица, пленка), граничащая непосредственно с цитоплазмой. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций  возможно только с помощью электронного микроскопа.

В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядочено  расположены и соединены друг с другом химическими взаимодействиями. По современным представлениям молекулы липидов в плазматической мембране расположены в два ряда и образуют сплошной слой. Молекулы белков не образуют сплошного слоя, они располагаются  в слое липидов, погружаясь в него на разную глубину.

Молекулы белка и липидов  подвижны, что обеспечивает динамичность плазматической мембраны.

Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых завидят жизнедеятельность  клеток. Одна из таких функций заключается  в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Но между  клетками и внешней средой постоянно  происходит обмен веществ. Из внешней  среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных  ионов, неорганические и органические молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся  продукты, образованные в клетке. Транспорт  веществ- одна из главных функций  плазматической мембраны. Через плазматическую мембрану из клети выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные  в клетке. К числу их относятся  разнообразные белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в клетках  различных желез и выводятся  во внеклеточную среду в форме  мелких капель.

Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани ( эпителиальную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность.

Соединение клеток растений обеспечивается путем образования  тонких каналов, которые заполнены  цитоплазмой и ограничены плазматической мембраной. По таким каналам, проходящим через клеточные оболочки, из одной  клетки в другую поступают питательные  вещества, ионы, углеводы и другие соединения.

На поверхности многих клеток животных, например различных  эпителиев, находятся очень мелкие тонкие выросты цитоплазмы, покрытые плазматической мембраной, - микроворсинки. Наибольшее количество микроворсинок  находится на поверхности клеток кишечника, где происходит интенсивное  переваривание и всасывание переваренной пищи.

Фагоцитоз. Крупные молекулы органических веществ, например белков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путем фагоцита (греч. “фагео” - пожирать). В фагоците непосредственное участие принимает  плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается  с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в  “мембранной упаковке” погружается  внутрь клетки. Образуется пищеварительная  вакуоль и в ней перевариваются поступившие в клетку органические вещества.

Цитоплазма. Отграниченная  от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой  внутреннюю полужидкую среду клеток. В цитоплазму эукариотических клеток располагаются ядро и различные  органоиды. Ядро располагается в  центральной части цитоплазмы. В  ней сосредоточены и разнообразные  включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки. В  составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки. В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое  ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.

Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети.

Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается  множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый  вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей  поверхности.

Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных  функций. Основная функция гранулярной  эндоплазматической сети - участие  в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах.

На мембранах гладкой  эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти  продукты синтеза накапливаются  н каналах и полостях, а затем  транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или накапливаются  в цитоплазме в качестве клеточных  включений. Эндоплазматическая сеть связывает  между собой основные органоиды  клетки.

Рибосомы. Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это  микроскопические тельца округлой формы  диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит  из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой.

В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются  либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме. В состав рибосом входят белки  и РНК. Функция рибосом - это синтез белка. Синтез белка - сложный процесс, который осуществляется не одной  рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой. Синтезированные белки  сначала накапливаются в каналах  и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляютя. Эндоплазматическая сеть и рибосомы, расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.

Митохондрии. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - зерно, гранула).

Митохондрии хорошо видны  в световой микроскоп, с помощью  которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитать количество. Внутреннее строение митохондрий изучено  с помощью электронного микроскопа. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлены в полость  митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами (лат. «криста» - гребень, вырост) Число крист неодинаково  в митохондриях разных клеток. Их может  быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причем особенно много крист  в митохондриях активно функционирующих  клеток, например мышечных.

Митохондрии называют «силовыми  станциями» клеток» так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота синтезируется  в митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универсальный  источник энергии, необходимый для  осуществления процессов жизнедеятельности  клетки и целого организма.