Структура и функции клетки

Клетки - это есть структурные и функциональные единицы всех живых организмов. Самые мельчайшие организмы представляют собой единичные клетки, они имеют микроскопические размеры, тогда как большие организмы являются многоклеточными. Человеческое тело содержит порядка 10¹⁴ клеток. Многоклеточные организмы имеют множество разнообразных клеток, которые варьируют по размеру, форме и специфическим функциям. Однако, несмотря на размер и сложность организма каждая из клеток сохраняет некоторую индивидуальность и независимость. Клетки всех видов имеют определенные структурные особенности. Так, плазматическая мембрана отделяет содержимое клетки от ее окружения. Она построена из молекул липидов и белков, связанных невалентными гидрофобными взаимодействиями в тонкий упругий легкодеформируемый двойной слой. Мембрана ставит барьер свободному проникновению внутрь клетки неорганических ионов и большинства других заряженных или полярных веществ. Транспортные белки, встроенные в мембрану, позволяют проникать в клетку строго определенным ионам и молекулам. Иные мембранные белки служат рецепторами, которые передают сигналы извне клетки вовнутрь, или являются ферментами, участвующими в циклах превращений на мембране.

Так как индивидуальные липидные и белковые субъединицы бислойной плазматической мембраны ковалентно не связаны, в целом структура мембраны является достаточно гибкой, позволяя клетке изменять свои размеры и форму. В процессе роста клетки в мембрану могут встраиваться новые молекулы липидов и белков. При делении клетки образуются две дочерние, каждая со своей собственной мембраной. Рост и деление клетки идут без потери целостности мембраны. В процессе размножения две разделенные мембраны могут сливаться также без потери целостности.

Внутренний объем клетки, ограниченный мембраной, называется цитоплазмой, состоящей из водного раствора - цитозоля и различных нерастворимых суспендированных частиц. Цитозоль - это не просто разбавленный водный раствор, он имеет сложный состав и гелеобразную консистенцию. В цитозоле растворены многие ферменты и молекулы РПК, которые кодируют их, мономерные субъединицы (аминокислоты и нуклеотиды), из которых эти биополимеры образуются, сотни малых органических молекул, называемых метаболитами, промежуточные продукты биосинтеза и биодеградации, коферменты, вещества небольшой молекулярной массы (от 200 до 1000 Дальтон), которые являются участниками многих фермент-катализируемых реакций, а также неорганические соли.

Среди частиц, суспендированных в цитозоле, есть надмолекулярные комплексы, а в высших организмах - органеллы, окантованные мембранами, которые являются специализированными машинами метаболизма. Так, рибосомы, представляют собой комплексы свыше 50 типов различных белков и рибонуклеиновых кислот, это малые частицы в диаметре от 18 до 22 нм. Рибосомы - это ферментативные машины, которые осуществляют синтез белков, они часто ассоциируются в кластеры, называемые полисомами, которые удерживаются совместно, благодаря нити информационной РНК. В цитоплазме многих клеток присутствуют также гранулы, содержащие питательные вещества, такие как крахмал и жир. Почти все живые клетки имеют или ядро или нуклеоид, в котором хранится и реплицируется геном (комплекс набора генов, составленных из ДНК).

Молекулы ДНК много длиннее, чем собственно клетки, поэтому они плотно уложены в ядре или нуклеоиде в виде надмолекулярных комплексов со специфическими белками. Бактериальные нуклеоиды не отделены от цитоплазмы мембраной, в высших же организмах материал ядра заключен посредством двойной мембраны в ядерную оболочку. Клетки с ядерными оболочками называются эукариотами, клетки без ядерной оболочек - прокариотами. Эукариоты имеют и другие окруженные мембранами органеллы в цитоплазме, такие как метахондрии, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, комплексы Голджи, а в фотосинтезирующих клетках - хлоропласты.

Размеры клеток.

Большинство клеток имеют микроскопические размеры. Типичный диаметр животных и растительных клеток составляет 10-30 микрон, многое бактерии имеют длину от 1 до 2 микрон. Что ограничивает размеры клеток? Нижний предел связан с минимальным числом каждого типа биологических молекул, требуемых клетке. Самые мельчайшие клетки бактерий имеют диаметр 300 нм, их объем составляет 10"¹⁴ мл. Одиночная рибосома имеет размер по вытянутой оси около 20 нм, поэтому несколько рибосом составляют существенную долю объема этой клетки. В клетке этого размера один микромоль раствора содержит всего лишь 6000 молекул. Верхний предел размера клетки связан со скоростью диффузии растворенных молекул в водных системах. Доступность энергообеспечивающих и питательных веществ из окружающей среды также ограничивается скоростью их диффузии во всей области клетки. Бактериальные клетки, которые производят энергию за счет окислительных реакций (аэробные клетки) должны получать молекулярный кислород (0г) из окружающей среды посредством диффузии через плазматические мембраны. Клетка столь мала, а отношение площади ее поверхности к объему молекулы столь велико, что каждая часть цитоплазмы легко доступна молекулам 0г, диффундирующим в клетку. Когда размер клетки увеличивается, отношение поверхность/объем уменьшается до тех пор, пока кислород начнет потребляться быстрее, чем идет снабжение им в результате диффузии. Таким образом аэробный метаболизм становится невозможным, когда клетка достигает определенной величины.

Есть интересные исключения из обобщения, что клетки должны быть малы. Клетки гигантской морской водоросли Nitella имеют несколько сантиметров в длину. Активное течение цитоплазмы в клетке гарантирует доставку во все ее части питательных веществ, метаболитов и генетической информации (РНК). Форма клетки также может скомпенсировать ее большой относительно номинального размер. Многие крупные клетки грубо являясь сферическими, имеют сильно развитую извилистую поверхность. Другие большие клетки (например, нейроны) имеют большое отношение поверхность/объем, поскольку они очень длинные, тонкие, имеют звездообразную форму и сильно разветвлены.