Строение клетки человека

Изучение клетки: началоВ 1660 году физик Роберт Гук создал линзы из расплавленных нитей стекловолокна. С их помощью Гук изучал пчелиные жала, рыбью чешую, лапки мух и других насекомых. Однажды, с помощью линзы, Гук рассмотрел пробку (кору) дуба. Под увеличительным стеклом дубовая кора оказалась покрыта многочисленными ячейками, которые Гук назвал клетками (лат. Cellae – монашеская келья, англ. Cell – клетка или ячейка). Хотя Гук не осознавал значения своего наблюдения, он был первым человеком, увидевшим очертания клеток. Открытие Роберта Гука положило начало новой науке - клеточной биологии.В 1673 году Антони ван Левенгук из Голландии усовершенствовал линзы, открыв человеческому глазу огромный новый мир микроскопических существ. Левенгук наблюдал за бактериями и протистами, о существовании которых люди даже не подозревали. Он также описал микроскопические части более крупных организмов, включая эритроциты и сперматозоиды человека.

Изучение клетки: клеточная теорияВ девятнадцатом веке более мощные микроскопы с улучшенным увеличением и освещением позволили выявить детали структур внутри клеток. В начале 1830-х годов шотландский хирург Роберт Браун заметил в клетках орхидей объект округлой формы, который он назвал ядром.Вскоре ученые различили полупрозрачный движущийся материал, составлявший остальную часть клетки, назвав его цитоплазмой. В 1839 году немецкие биологи Шлейден и Шванн сформулировали клеточную теорию, которая изначально состояла из двух постулатов: все организмы состоят из одной или нескольких клеток, а клетка является фундаментальной единицей всей жизни. Немецкий физиолог Рудольф Вирхов дополнил клеточную теорию в 1855 году, когда предположил, что все клетки происходят из ранее существовавших клеток. В 1859 году французский химик и микробиолог Луи Пастер опроверг самопроизвольное зарождение жизни, предоставив дополнительные доказательства в поддержку клеточной теории.Сегодня существование клеток является неоспоримым фактом, однако клеточная теория продолжает развиваться. До середины прошлого века усилия биологов были сосредоточены на изучении частей клетки - органелл. С момента открытия структуры и функций ДНК в 1950-х годах клеточная теория сосредоточилась на изучении роли генетической информации в определении того, что происходит внутри клеток. Новейшие открытия в области клеточной генетики позволят ученым не только изучать существующие клетки, но и создавать новые.

Болезни в организме человека возникают из-за нарушения гомеостаза клеток

Положения современной клеточной теории:

В световом микроскопе пучок света проходит через исследуемый объект, а затем через стеклянные линзы (см. рисунок). Линзы изгибают свет таким образом, что исследуемый  объект начинает казаться больше. Световой микроскоп не позволяет наблюдать объекты меньше 200 нанометров. Почему бы просто не добавить к микроскопу еще одну увеличительную линзу, чтобы повысить его разрешающую способность? Это не сработает. Если расстояние между двумя объектами меньше чем 200 нанометров, лучи света, отражающиеся от двух изображений, начинают перекрывать друг друга.Один из способов преодолеть это ограничение – вместо света использовать пучок электронов. Длина волны электронов гораздо короче длины волны видимого света, поэтому современные электронные микроскопы способны различать объекты, расположенные на расстоянии 0,2 нм. друг от друга, что всего в два раза больше диаметра атома водорода. Однако электронные микроскопы имеют свои ограничения:

Клетку можно увидеть только через микроскоп 

Глаз человека обладает ограниченным разрешением. Только когда объекты находятся на расстоянии более 100 мкм друг от друга, свет каждого из них попадает на разные фоторецепторные клетки сетчатки, позволяя нашему глазу воспринимать точки как два отдельных объекта, а не как один.Разрешение – это мера четкости изображения. Оно равно минимальному расстоянию, на котором можно расположить две точки так, чтобы они оставались различимы. Например, что невооруженному глазу кажется одной звездой на небе, при наблюдении через телескоп может оказаться двойной звездой, так как телескоп имеет лучшую разрешающую способность, чем глаз.

Почему клетки такие крошечные? Ответ заключается в том, что питательные вещества, вода, кислород, углекислый газ и отходы входят или покидают клетку через ее поверхность. Каждая клетка должна иметь достаточную площадь для эффективного обмена веществ. Однако по мере роста клетки ее объем увеличивается гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Изображение с серией кубов иллюстрирует этот принцип, но он также применим к клеткам: маленький размер максимизирует отношение поверхности к объему.Мысленный образ поможет осознать важность соотношения площади поверхности. Вообразите небольшую комнату на 20 человек и большую комнату на 80 человек. В маленькой комнате есть только две двери, а в большой - четыре. Если в обеих комнатах произойдет пожар, люди из маленькой комнаты смогут быстрее выйти, так как у них лучше соотношение дверей к людям. Аналогично, маленький размер клетки выгоден для обмена молекулами благодаря большему отношению поверхности к объему.

Размер клетки ограничен 

Первыми на Земле появились прокариотические (безъядерные) клетки. К прокариотам относятся бактерии и археи, которые различаются химическим составом. Условия, при которых развивались первые прокариоты, были бы смертельными для большинства современных организмов. Атмосфера Земли в то время была лишена кислорода и состояла из аммиака, CO и других ядовитых газов, а температура достигала 90℃. Не было озонового слоя, который защищал бы организмы от губительного излучения Солнца. Несмотря на эти условия, прокариотическая жизнь выжила и постепенно адаптировалась к окружающей среде. От архей произошли эукариотические клетки.Внутренняя структура эукариотических клеток развивалась в результате серии событий, показанных на рисунке. Ядро появилось в результате инвагинации (впячивания вовнутрь) плазматической мембраны. Этот же процесс объясняет происхождение эндоплазматической сети и аппарата Гольджи. Митохондрии и хлоропласты появились в результате поглощения эукариотической клеткой более мелких прокариот. Митохондрии изначально были аэробными гетеротрофными бактериями, а хлоропласты - цианобактериями. Гипотезу "поглощения" называют эндосимбиозом. Доказательства гипотезы эндосимбиоза:

Происхождение эукариотической клетки 

Триллионы клеток в человеческом теле образованы 250 различными типами клеток, которые отличаются по форме, размеру и функциям.Например, клетка печени, функция которой заключается в детоксикации лекарств и других веществ, содержит большую часть гладкого эндоплазматического ретикулума – органеллы, выполняющей эту задачу.Нервная клетка, чья работа заключается в передаче электрических сигналов на большие расстояния, содержит больше плазматической мембраны по сравнению с другими клетками.Эритроциты не содержат ядра. Освободившееся место эритроциты используют для запасания и переноски кислорода.Структура клетки непосредственно связана с ее функцией.

Эукариотическая клетка разделена на органеллы («маленькие органы»). Каждая органелла представляет собой закрытую систему – отсек, или другими словами – компартмент. Компартменты позволяют разграничить различные этапы химических реакций друг от друга, не сваливая все компоненты “в один котел”. Поэтому даже несовместимые процессы могут идти в клетке одновременно не мешая друг другу.

1. Ядро – центр управления клеткой.2. Мембраны создают внешнюю границу клетки, а также поверхность внутренних компартментов. Границу между клеткой и межклеточной средой называют плазматической мембраной.3. Цитоплазма – это внутренняя часть клетки между ядром и плазматической мембраной. Cостоит из:Гиалоплазмы (цитозоля) – жидкая часть клетки.Органоидов (органеллы) – рабочие органы клетки.Органоиды бывают:

Может включать в себя:

Основные компоненты клетки: 

Жизнь основана на белках, а рибосомы — это фабрики по производству белков. Рибосомы состоят из большой и малой субъединиц. Малая субъединица считывает информацию с матричной РНК, а большая — присоединяет соответствующую аминокислоту к синтезируемой цепочке белка.В эукариотической клетке рибосомы:В зависимости от нужд клетки рибосомы могут свободно переходить из свободно плавающих в связанное с шЭПС состояние, и наоборот.Чем больше белка должна производить клетка, тем больше в ней будет рибосом. Например, клетки поджелудочной и других желез имеют несколько миллионов рибосом для производства белкового секрета. Не удивительно, что железистые клетки также содержат крупные ядрышки, производящие субъединицы рибосом.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) или эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – разветвленная сеть мембранных каналов, составляющая единое целое с ядерной оболочкой.Выделяют два вида ЭПС:Шероховатая и гладкая ЭПС образуют везикулы, которые транспортируют молекулы в другие части клетки, например, в аппарат Гольджи.

Аппарат Гольджи назван в честь Камилло Гольджи, который обнаружил его присутствие в клетках в конце 19 века. Он состоит из стопки от 3 до 20 слегка изогнутых, уплощенных мешочков, внешний вид которых напоминает стопку блинов. Одна сторона стопки (цис-, или внутренняя поверхность) направлена к ЭПС, а другая сторона стопки (транс-, или внешняя поверхность) направлена к плазматической мембране.Везикула, которая отпочковывается от ЭПС, может присоединять свою мембрану и содержимое к цис-отделу, сливаясь с мембраной аппарата Гольджи. В аппарате Гольджи происходит модификация белков. Например, к некоторым белкам присоединяются углеводы. Углевод может выступать в качестве сигнальной молекулы – своеобразный "почтовый индекс", который определяет конечный пункт доставки белка в клетке.Аппарат Гольджи сортирует молекулы и упаковывает их в пузырьки, отходящие от внешней (транс-) поверхности. Эти везикулы транспортируются в различные части клетки, в зависимости от их "почтового индекса". В клетках животных некоторые из этих везикул представляют собой лизосомы. Другие везикулы могут вернуться в ЭПС или слиться с плазматической мембраной и выбросить свое содержимое наружу – процесс, известный как экзоцитоз.

Лизосомы – небольшие мембранные мешочки, содержащие, получившие свое название от двух греческих слов: “лизис” – разрушение “сома” – тельцеВнутри лизосомы содержатся гидролитические ферменты, которые расщепляют белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и другие молекулы.Образуются лизосомы в комплексе Гольджи. Когда лизосома впервые отрываются от комплекса Гольджи, ее внутренний pH равен 7.0, что равно pH цитозоля. При таком pH лизосомальные ферменты неактивны. Это своего рода страховка - если лизосома случайно порвется, высвободившиеся в цитозоль гидролитические ферменты не причинят вреда клетке. Находясь в цитоплазме лизосома постепенно накапливает протоны водорода: H⁺. Увеличение концентрации H⁺ снижает pH внутри пузырька до 4,8–5,0. Гидролитические ферменты переключаются в активное состояние.Когда лизосома сливается с везикулой или другой органеллой, лизосомальные ферменты расщепляют поступивший материал. Интересно, что на липиды и белки мембраны самой лизосомы гидролитические ферменты не действуют. Некоторые клетки, например костные клетки, выделяют гидролитические ферменты во внешнюю среду. Ферменты расщепляют кость, высвобождая необходимые другим клеткам ионы кальция.

ПероксисомаПероксисомы - сферические мембранные мешочки, содержащие ферменты - оксидазы и каталазы. Оксидазы используют молекулярный кислород (O₂) для детоксикации вредных веществ, например алкоголя.Оксидазы преобразуют свободные радикалы в перекись водорода. Перекись водорода также опасна для клеток, поэтому ее быстро утилизирует фермент каталаза:     Пероксисомы особенно многочисленны в клетках печени и почек, которые выполняют функцию детоксикации.

Младенцы с синдромом Тея-Сакса развиваются нормально в течение первых шести месяцев после рождения. Затем из –за дефектных лизосом, не способных разрушать гликолипиды, нервные клетки перестают нормально работать. Накопление гликолипидов в нервных клетках приводит к серьезным нарушениям нервной системы: ухудшаются умственные и физические способностей. Ребенок становится слепым , глухим , неспособным глотать. Большинство младенцев, страдающих болезнью Тея-Сакса, умирают в раннем детстве.

Существование жизни возможно лишь благодаря постоянному притоку энергии извне. Хлоропласты и митохондрии – две органеллы, преобразующие энергию в форму, которая может быть использована клеткой. Растительные клетки содержат хлоропласты и митохондрии. Клетки животных имеют только митохондрии.Митохондрии называют электростанциями клетки. Подобно тому, как электростанция сжигает топливо для производства электроэнергии, митохондрии “сжигают” углеводы, запасая высвободившуюся энергию в молекулы АТФ.Митохондрии имеют две мембраны: внешнюю и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует извитые складки – кристы. Кристы погружены в матрикс — внутреннее пространство, заполненное гелеобразной жидкостью. В матриксе митохондрий находится смесь ферментов, расщепляющих углеводы. Белки, расположенные в виде конвейера на внутренней мембране, используют энергию расщепленных углеводов для производства АТФ.Весь энергетический процесс, в котором также участвует цитоплазма, называется клеточным дыханием, поскольку митохондрия поглощает кислород и выделяется углекислый газ.Митохондрии содержат собственную ДНК. Митохондриальные гены (около 37) синтезируют 1% белков, необходимых для работы митохондрий, ядерная ДНК кодирует остальные 99% белков. Количество митохондрий может варьировать в зависимости от метаболической активности клетки. Клетки печени содержат до 1000 митохондрий. Напротив, жировая клетка содержит мало митохондрий, так как главная функция жировой клетки – хранить внутри себя жир, что не требует больших затрат энергии. Регулярные физические упражнения увеличивают количество и размер митохондрий в мышечных клетках человека.

Внутренний объем эукариотической клетки в тысячи раз больше по сравнению с прокариотической. Как эукариотическая клетка решает проблему, связанную с низким соотношением площади поверхности к объему? Огромный объем внутри эукариотической клетки разделен на множество маленьких ячеек – компартментов (мембранных органелл).Представьте, что эукариотическая клетка является домом. Дом разделен на комнаты, в каждый комнате имеется свой набор предметов: в ванной комнате мы обнаружим зубную щетку и шампунь, а на кухне посуду и холодильник. Точно также в каждом компартменте имеется свой набор ферментов для осуществления определённых метаболических реакций . Ферменты для определенной химической реакций сконцентрированы в одном компартменте, что повышает скорость этих реакций. Например, новые жирные кислоты могут синтезироваться в одной органелле, в то время как избыток или поврежденные жирные кислоты разлагаются и перерабатываются в другой органелле.Общий рост эффективности помогает эукариотическим клеткам компенсировать свой большой объем и, соответственно, небольшую площадь внешней поверхности.

Эндомембранная система

Компартменты клетки образуют скоординированно работающую эндомембранную систему, состоящую из взаимодействующих органелл:

Цитоплазма клетки пронизана многочисленными белковыми нитями, которые образуют сложную пространственную сеть – цитоскелет.С помощью электронного микроскопа удалось обнаружить, что цитоплазма состоит из трех типов белковых волокон. Они различаются по типу белка, диаметру и способу сборки в более крупные структуры: Функции цитоскелета:Травмы могут вызвать серьезные повреждения цитоскелета. Когда человек получает сильный удар по голове, например, при падении или автокатастрофе, клетки головного мозга растягиваются и деформируются. Возникающее в результате повреждение цитоскелета может запустить цепную реакцию, которая заканчивается гибелью нервных клеток.

Цитоскелет — динамично изменяющаяся структура. Все нити цитоскелета состоят из различных типов субъединиц. Например,  актиновые микрофиламенты состоят из субъединиц актина. Субъединица – это крошечный кирпичик, который притягивает к себе подобные себе кирпичики, в итоге собирающиеся в длинные цепи. Нити разбираются таким же образом: от одного конца цепи отрывается одна субъединица за другой. Некоторые нити цитоскелета остаются в собранном состоянии достаточно долго, но большинство нитей собираются или разбираются достаточно быстро и часто.

Актиновые микрофиламенты (актиновые нити) состоят из двух спирально закрученных цепочек, подобно двум переплетенным нитям жемчуга. Каждая «жемчужина» цепи построена из белка актина. Клетки регулируют скорость сборки актиновых нитей с помощью других белков, которые действуют как переключатели.Функции актиновых нитей:

Промежуточные филаменты (ПФ) - жесткие, похожие на плетеную веревку, белковые нити. В отличие от других компонентов цитоскелета, промежуточные филаменты после формирования не разрушаются. При ударах или растяжении разрываются последними. К промежуточным филаментам относятся ламины (внутренняя выстилка ядерной оболочки) и различные цитоплазматические белки. Ламины есть у большинства эукариот, цитоплазматические промежуточные филаменты — только у некоторых животных, причем состав цитоплазматических промежуточных филаментов различается в разных тканях организма.Функции ПФ:

Микротрубочки – полые цилиндры диаметром 25 нм, состоящие из уложенного по окружности белка тубулина.Микротрубочки постоянно собираются и разбираются из центросомы, которая расположена вблизи клеточного ядра. Нити из тубулина растут от центросомы к периферии клетки. Микротрубочки могут внезапно прекратить свой рост и укоротиться обратно по направлению к центросоме вплоть до полного разрушения, а затем вырасти снова. Функции микротрубочек:

Клеточный центр или центросома — немембранная органелла, расположенная вблизи ядра и состоящая из двух центриолей. Каждая центриоль образована девятью триплетами микротрубочек, расположенными по кругу. У растений и грибов центриоли отсутствуют.Функции:

Жгутик и реснички у эукариот представляют собой вырост клетки, окружённый мембраной, с микротрубочками внутри. Ритмичное биения выроста осуществляется за счёт энергии гидролиза АТФ. Основное отличие жгутиков и ресничек – реснички короче и расположены на поверхности клетки в большем количестве.Когда клетка собирается сформировать реснички (или жгутик), центриоли удваиваются и выстраиваются под плазматической мембраной. Затем микротрубочки прорастают из центриоли, оказывая давление на плазматическую мембрану.Функции ресничек и жгутика у человека:1.Мерцающее движение ресничек создает ток воды:2.Расположенные в сетчатке глаза видоизмененные реснички улавливают свет (являются фоторецепторами). Видоизмененные реснички обонятельного эпителия воспринимают запахи (хеморецепторы).3.Сперматозоид – единственная клетка человека, имеющая жгутик.

Ресничка и жгутик имеют одинаковое строение. Основание выроста образовано базальным тельцем, которое крепит жгутик или ресничку к клетке. По строению базальное тельце похоже на центриоль: девять триплетов микротрубочек, расположенных по кругу. Интересно, что базальное тельце сперматозоида, попав в яйцеклетку, становится центриолью нового организма.Сам вырост (аксонема) состоит из девяти пар микротрубочек и одной пары посередине. Соседние и центральная пары микротрубочек соединены сшивающими белками. За микротрубочки также цепляются моторные белки динеины. Движение моторного белка динеина ограничено из-за присутствия сшивающих белков. Поэтому, когда динеины пытаются “шагать” вдоль микротрубочки, вместо этого они оказывают силу, заставляющую микротрубочки изгибаться. Сперва активируются динеины у основания жгутика или реснички, за ними следуют динеины, которые постепенно приближаются к кончику. В результате происходит волнообразное движение всего выроста. Нарушение гомеостаза

Межклеточные контакты — белковые комплексы, обеспечивающие соединения между соседними клетками. Выделяют три типа контактов между клетками:

Клетки многоклеточного организма общаются друг с другом при помощи сигнальных молекул. Сигнальные молекулы позволяют животным и растениям координировать свою клеточную деятельность, осуществлять обмен веществ и реагировать на изменяющуюся окружающую среду. У эмбрионов животных сигнальные молекулы (гормоны) необходимы для корректного и своевременного формирования ткани. Превращение стволовой клетки в мышечную или нервную зависит от типа и количества воздействующих на нее гормонов, а также наличии у клетки рецепторов к этим гормонам.Рецепторы на поверхности клетки связываются только с подходящими по форме сигнальными молекулами. Каждая клетка имеет свой набор рецепторов, что дает ей возможность по-разному реагировать на различные внешние и внутренние раздражители.Сигнальные молекулы, взаимодействующие со своими рецепторами, — это только начало сложного процесса коммуникации. Как только сигнальная молекула и рецептор взаимодействуют, происходит каскад событий в цитоплазме и в ядре клетке. Ответом клетки может быть изменение формы, активация определенного фермента или гена.