Базовая анатомия клетки

Добрый день, уважаемые читатели. Темой моей сегодняшней статьи будет строение клетки. Я буду рассказывать о том, как устроена клетка и немного коснусь функций клетки.

Итак, наука о строении клетки называется цитологией, она относится к фундаментальным медицинским наукам наряду с нормальной анатомией, физиологией или гистологией.

Наверное, не существует школьника, который так или иначе не сталкивался бы со строением клетки в курсе общей биологии. К тому же, мимо цитологии никак не пройти студентам любых медицинских/биологических/естественнонаучных вузов и колледжей. Наконец, знать и понимать основы устройства клетки, как мне кажется, нужно любому интеллектуально развитому человеку. Поэтому, я надеюсь что мой гайд будет полезен многим.

PS – у науки цитологии существует также отрасль, которая изучает особенности строения клеток, поражённых какой – либо болезнью. Эта отрасль называется клинической цитологией. Основной метод клинической цитологии – цитологическое исследование, в ходе которого врач изучает образцы тканей пациента, рассматривает клеточные структуры и ставит диагноз. Как правило, врачи-цитологи решают вопрос о том, является ли ткань злокачественно изменённой или нет, но существуют и разные другие вероятные диагнозы. Часто в народе само цитологическое исследование называют “цитологией”.

Всё, теперь можно начинать.

Что такое клетка?

В учебниках по биологии вы встретите определение “структурная единица живого” или “структурная единица жизни”. Это хорошая фраза для ответа на уроке в старшей школе или на первых курсах ВУЗа, однако вы должны представлять, о чём идёт речь, когда её произносите.

Итак, клетка – это универсальная составная часть живых организмов, обладающая рядом уникальных свойств:

Способность обмениваться энергией и веществами с окружающей средой;
Способность воссоздавать новые клетки, то есть размножаться;
Отграниченность от окружающей среды;
Способность совместно с другими клетками формировать ткани. Ткань – это совокупность клеток, выполняющих общие функции и объединённые общим происхождением. Этот признак характерен только для многоклеточных организмов.

Пример ткани – рыхлая соединительная ткань, сформированная, преимущественно, тремя типами клеток клеток:

Фиброциты;
Фибробласты;
Фиброкласты.

Кроме клеток, в соединительных тканях (в том числе в рыхлой соединительной) отмечается большое количество межклеточного вещества, о котором речь пойдёт в разделе “рибосомы клетки”.

Как я уже говорил, из клеток состоят все бактерии, грибы, растения, животные и люди. При этом, существуют одноклеточные и многоклеточные организмы. Почти все бактерии, многие грибы (например, дрожжи) и некоторые водоросли, относящиеся к растениям (знакомые всем со школы хламидомонада и хлорелла) состоят только из одной клетки и, соответственно, являются одноклеточными. Ещё один домен живых организмов представлен одноклеточными созданиями – археями.

Все остальные грибы, растения и животные являются многоклеточными организмами со сложными органами и системами органов, состоящими из разнообразных клеток.

Из чего состоит клетка?

Часть клетки, которая выполняет особые, специфичные функции, называется “органеллой”. Ещё один вариант этого названия – “органоид“. Клетка состоит из множества органелл, которые устроены очень по-разному и выполняют различные функции. При этом, основной набор этих органелл поразительно схож во всех клетках живых существ.

Органеллы должны быть отграничены друг от друга, потому что в каждой из них происходят разные процессы. Вы можете встречать в научной литературе термин “компартменты” – это почти синоним слова “органеллы”. Если сказать точнее, компартмент клетки – это органелла, которая отграничена от остальной среды клетки и имеет свою внутреннюю среду. Например, органелла лизосома (о ней речь пойдёт во второй части этого гайда) имеет очень кислую среду. При разрыве лизосомы кислое её содержимое выливается в клетку, что приводит к повреждению и даже гибели клетки. Поэтому, лизосома – это типичный компартмент.

Мой преподаватель по физиологии сравнивала клетку с заводом, где различные специалисты (то есть, органеллы) в различных помещениях выполняют строго специализированные задачи.

Какие бывают клетки?

Самая главная классификация связана с наличием ядра. Я позже расскажу, что такое ядро клетки, сейчас главное запомнить, что существует две основные группы клеток – прокариоты и эукариоты.

Прокариоты – бактерии и археи

Давние читатели моего сайта знают, что я большой любитель этимологии (то есть, исследования происхождения слов). Мне кажется, что знание этимологии очень облегчает понимание и запоминание. Итак, термин “прокариоты” образован от латинского слова “pro” – “перед, предшествующее” и греческого “karios” – “ядро”. То есть, речь идёт о древних существах, примитивно устроенных, не имеющих ядра и нескольких других органелл.

Прокариоты – это, в подавляющем большинстве, бактерии. Однако, существует ещё одна группа живых существ, относящихся к прокариотам – я имею в виду археи. Это одноклеточные (то есть состоящие из одной клетки) организмы, которые очень похожи на бактерии, но с отличиями в обмене веществ и строении. Археи могут быть обитателями болот, водоёмов или почв, но наиболее всего они известны как существа, выживающие в экстремально низких или экстремально высоких температурах. Если вы когда-то слышали новости о том, что в вечных льдах или неподалёку от извергающегося вулкана, найдены живые существа – вероятно, речь шла именно о них.

На этом фото вы можете увидеть множество архей в горячем источнике Йеллоустонского парка. Археи окрашивают воду в разные оттенки зелёного и коричневого цветов.

Эукариоты

Эукариоты – это более сложные и высокоорганизованные клетки, эволюционно возникшие гораздо позже прокариот. Эукариоты содержат ядро и другие органеллы, отсутствующие в прокариотических клетках. Это клетки, из которых состоим мы с вами, кактус на моём подоконнике, собака у вас во дворе и почти все формы жизни сложнее бактерий и архей.

Далее я буду рассказывать о строении эукариотической животной клетки.

Органеллы животной клетки

Постарайтесь рисовать органеллы вместе со мной и подписывать самые важные факты о каждой. Тогда вы точно будете чувствовать себя уверенно всякий раз, когда на уроке/семинаре/зачёте/экзамене зайдёт речь о строении клетки.

Мембрана

Это важнейшая органелла, разрыв которой влечёт за собой гибель клетки.

Мембрана у клеток растений, грибов и бактерий не является единственным механическим барьером между содержимым клетки и внешней средой. У этих организмов мембрана с внешней стороны покрыта ещё одной оболочкой – клеточной стенкой, однако животные клетки ничем, кроме мембраны, не защищены. Я подробно разберу каждую органеллу животной клетки, которую вы можете увидеть на этом рисунке. Однако уже сейчас можно различить крупную, толстую клеточную стенку у растительной клетки, и тонкую мембрану клетки животной.

kletochnaya_stenka_i_kletochnaya_membrana

В клетках животных мембрана выглядит как тонкая оболочка, которая покрывает клетку со всех сторон, словно чехол или обёртка. В животной клетке мембрана – это единственная защитная структура, изолирующая клетку от внешней среды. Итак, давайте рассмотрим функции клеточной мембраны и особенности её строения.

Отграничительная функция

Клетка не может выполнять свои многочисленные функции, если внутренняя среда её не изолирована от окружающего мира. Поэтому отграничение клетки и защита внутренней среды – важнейшая из всех задач, которые выполняет клеточная мембрана. Для того, чтобы успешно сохранять внутреннюю целостность клетки, мембрана имеет ряд приспособлений.

Прежде всего, это двухслойное строение. Действительно, мембрана – это два слоя, а не один. Главные компоненты мембраны – фосфолипиды, которые представляют собой жиры, соединённые с остатками фосфорной кислоты. Молекулы фосфолипидов выглядят как головки и хвостики – и это не случайность. Головки гидрофильны, то есть проницаемы для воды. Хвостики же гидрофобны, то есть непроницаемы для воды, подобно жировой плёнке. Два фосфолипидных слоя располагаются плотно, очень близко друг к другу, смыкаясь “хвостиками”.

Именно такая конструкция позволяет защищать клетку, прежде всего, от веществ, растворённых в воде, и при этом не мешать транспорту необходимых молекул через мембрану.

Ещё один неочевидный плюс такого строения – это способность клеток крови скользить в русле даже самых узких и маленьких сосудов. Смоченные водой мембраны клеток крови помогают им попадать в необходимые места и предотвращают застревание в самых мелких сосудах – капиллярах.

Фосфолипиды делают структуру мембраны текуче-жидкой. Но в состав клеточной мембраны входят также молекулы холестерина – они делают мембрану более жесткой и стабильной.

Транспорт веществ

Один из важнейших признаков живого – способность обмениваться с окружающей средой веществами и энергией. Клетка, как и любой отдельно взятый организм, что-то выделяет во внешнюю среду, и что-то из неё поглощает, а также обменивается веществами с другими клетками. Это похоже на любой организм, даже на организм человека – мы также забираем из окружающей среды продукты питания выделяем в неё отходы нашей жизнедеятельности.

Мембрана клетки действительно отграничивает её от окружающего пространства, но при этом клетка не закрыта наглухо. В мембране существует множество отверстий, которые избирательно закрываются и открываются. Я нарисовал два таких канала, но в реальности подобных отверстий в мембране очень много.

Существует много способов транспорта веществ в клетку и из неё. Сразу оговорюсь, что “внешняя среда”, с которой клетка обменивается веществами – это, как правило, кровь. Некоторые вещества могут попасть в клетку из крови самостоятельно, для проникновения через мембрану им не требуется усилий или посторонней помощи. К таковым относят, например, газы – кислород попадает в клетку, углекислый газ из неё удаляется.

Но для многих (большинства) веществ, необходимых для жизни клетки, требуются уже отмеченные мной специальные каналы клеточных мембран. Например, глюкоза не может самостоятельно, как кислород, попасть из крови в клетку – ей требуется специальный канал, как те, что я отметил на иллюстрации сиреневым и зелёным.

Некоторые жизненно важные вещества не могут попасть в клетку даже через специальные каналы – в таком случае, требуется присоединение белков, которые выполняют роль переносчиков. Именно так работает фактор Касла – вещество, которое вырабатывается клетками желудка, присоединяется к витамину B12 и вместе с ним попадает в клетки тонкой кишки. В отсутствии фактора Касла, даже при наличии в желудке витамина В12 в огромном количестве, организм будет испытывать нарастающий его дефицит. Такое состояние называется анемией Аддисона – Бирмера.

Важнейшую роль также играет транспорт ионов через мембрану – прежде всего, калия (большее количество в клетке) и натрия (большее количество в крови). Физиологичная пропорция этих ионов необходима для того чтобы клетка сохраняла свой объём, а также для работы нервной и мышечной тканей.

Антигенная функция

На внешних поверхностях клеточных мембран располагаются также разветвлённые молекулы гликопротеинов (соединения белка и углевода), которые строго индивидуальны для клеток определённой ткани определённого организма. В учебнике “Анатомия и физиология” Тортора и Дерриксона эти участки называются маркерами клеточного распознавания.

Нетрудно догадаться, что по изменению таких маркеров или по их отсутствию, иммунные клетки могут распознавать чужаков (бактерии, паразиты, вирусы) и эффективно их уничтожать. Клетки и вообще организмы, не имеющие правильных, “родных” опознавательных знаков, называются антигенами.

Клетки бактерий или паразитов могут иметь антигены, которые очень отличаются от наших, и тогда иммунитету не составит труда их распознать. Клетки собственного организма, пораженные внутриклеточными паразитами, также имеют изменения в антигенных структурах, поэтому и они становятся мишенями иммунных клеток.

При этом, иммунитет не в 100% случаев идеально распознаёт антигены.

Нарушения функции распознавания антигенов в организме человека чревато двумя крайностями:

Иммунная система принимает ткани своего же организма за антигены и разворачивает массированную атаку. Болезни, развивающиеся в результате такой патологии, называются аутоиммунными. В случае, если мишенью становится миелин – вещество, покрывающее отростки нервных клеток, возникают демиелинизирующие заболевания, например, рассеянный склероз. Когда иммунитет атакует клубочки почек, возникает грозное, но очень малозаметное заболевание – хронический гломерулонефрит;
Иммунная система не распознаёт явный антиген и не может эффективно защищать организм. Только очень коварные и хитрые антигены способны маскироваться под здоровые клетки организма – например, раковые клетки.

Рецепторная функция и сигнальные пути

Эта функция связана с предыдущими двумя, однако, необходимо понимать их разницу. Рецепторы – это белки (реже – гликопротеины, то есть соединения белков и углеводов), которые располагаются на мембране подобно белкам – каналам для транспортировки веществ.

Однако, рецепторы играют совсем другую роль. Рецепторы – это участки клеточной мембраны, которые способны очень специфично реагировать на различные вещества, прежде всего – на гормоны. Это похоже на антенны, которые принимают сигналы только на определённой частоте.

Рассмотрим на примере. Гормон инсулин попадает в кровь из клеток поджелудочной железы. С током крови он проплывает мимо многих клеток, с разными участками их поверхностей. Однако, инсулин подействует только на крохотные участки мембран клеток, которые и будут являться рецепторами – в данном случае, это инсулиновые рецепторы.

Далее, если несколько упростить, активированный инсулином рецептор откроет канал (уже разобранная нами вторая функция), благодаря которому глюкоза сможет попасть из крови в клетку.

Обмен энергией и сигнальными молекулами между инсулиновым рецептором и каналами для глюкозы называются сигнальным путём. Сигнальные пути в клетке – это очень важная и перспективная часть современной клеточной биологии. Сигнальные пути связывают не только инсулиновые рецепторы и каналы для глюкозы – разные органеллы могут друг друга активировать или замедлять именно при помощи сигнальных путей. Влияние на сигнальные пути, стимулирование или прерывание их может стать ключевым факторов в создании лекарств против рака, аутоиммунных и нейродегенеративных болезней.

Отмечу, что рецепторы могут располагаться не только на поверхности клетки, но и внутри неё. Поэтому для некоторых гормонов требуется проникнуть сквозь мембрану, чтобы найти свой рецептор внутри клетки. Так работают жирорастворимые гормоны, например, кортизол и другие стероиды, потому что только они могут проникнуть через фосфолипидный бислой.

На самом деле, с рецепторами взаимодействуют не только гормоны, но и другие вещества, например, нейромедиаторы. Нейромедиатор передаёт возбуждение от одной нервной клетке к другой, а также с нервной клетки на мышечную. Если речь идёт о нейромедиаторе ацетилхолине, то у принимающей клетки должен быть ацетилхолиновый рецептор, для передачи сигнала с дофамином требуется дофаминовый рецептор – и так со всеми веществами, с которыми должна контактировать клетка.

На этой иллюстрации из википедии нарисован синапс – место контакта между нейроном (нервной клеткой) и другим нейроном либо клеткой другой ткани, принимающей возбуждение от нейрона. Обратите внимание на мембрану клетки принимающей стороны – там располагаются подкрашенные малиновым цветом рецепторы для нейромедиатора (который на этой схеме называется нейротрансмиттером).

Кстати, биохимики и физиологи любят слово “лиганд“. Многих студентов это вводит в ступор, но на самом деле этот термин лишь означает то вещество, которое распознаётся рецептором и реагирует с ним. Например, для инсулинового рецептора лигандом является гормон инсулин, а для ацетилхолинового рецептора – медиатор ацетилхолин.

Иногда наличие рецепторов на клетках или отсутствие их значит очень очень многое. Рецепторы могут быть не только полезными передатчиками сигналов, но и мишенью для лекарственных препаратов – такое часто бывает в онкологии. Самый известный пример – рак молочной железы, клетки которого имеют огромное количество рецепторов, но клинически важные из них три:

Рецепторы к гормону эстрогену;
Рецепторы к гормону прогестерону;
Рецепторы к эпидермальному фактору роста 2-го типа (Her-2).

Все эти три рецептора отвечают за поставку питания в раковую клетку и темп её роста. Раковая клетка, условно говоря, растёт как на дрожжах на этих трёх веществах. Поэтому, лекарственные препараты, которые блокируют эти рецепторы, спасают человеку жизнь и побеждают рак. Если у раковых клеток имеется хотя бы один из трёх рецепторов – это уже хорошо, это отличная мишень для онкологов.

Если ни одного из трёх рецепторов на клетках рака нет, значит мы имеем дело с трижды негативным раком молочной железы. Лечение такого заболевания – дело более дорогое, рискованное и сложное, но вовсе не безнадёжное.

Функция осуществления клеточных контактов

Когда клетки одного типа и происхождения соединены друг с другом в составе органов и тканей, они могут наиболее эффективно выполнять свои функции. Существует несколько способов для соединения клеток друг с другом – это тема для отдельного гайда на стыке цитологии и гистологии. Сейчас важно отметить, что среди многочисленных белков мембраны имеются ещё и белки, которые отвечают за связь с соседними клетками. Такие белки называются трансмембранными белками адгезии или молекулами клеточной адгезии.

Если трансмембранный белок соединяет клетку с соседней клеткой (как на моём рисунке выше) – это белок семейства кадгеринов. Если же белок связывает клетку с каким-либо участком межклеточного вещества – это белок семейства интегринов.

Клеточные контакты привлекают повышенный интерес учёных-онкологов и молекулярных биологов, потому что самая опасная особенность раковых опухолей – метастазирование – напрямую связана с изменениями в клеточных контактов. На определённом этапе развития клетки раковой опухоли разрывают контакты с соседними клетками, попадают в кровоток и фиксируются на каком-то новом месте, разрастаясь и формируя новую опухоль (метастаз) с новыми клеточными контактами.

Ядро

Эта часть будет очень насыщена терминами. Каждый из них очень важен для понимания всяких интересных и крутых процессов, таких как оплодотворение, развитие и рост организма, регенерация, воспаление или появление злокачественных опухолей. Пишите в комментариях, если не смогли понять какой-то термин.

А я продолжаю.

Ядро (на греческом – “karios”, на латинском – “nucleus”) – это не только важнейшая органелла клетки, но ещё и самая заметная. Даже самый старый и допотопный микроскоп при наличии хорошего препарата (здесь – клетки растения), позволит вам увидеть собственно клетки и тёмные овальные штуки внутри – это и есть ядра. Немного ниже вы узнаете о том, почему ядро имеет такой тёмный, контрастный цвет.

Ядра хорошо различимы и на препарате рыхлой соединительной ткани человека, которую я уже демонстрировал. Обратите внимание на контрастные тёмно-синие пятнышки:

Я изображу ядро схематично, но далее я буду добавлять детали и рассказывать, что они означают.

Хочу напомнить ещё один факт о важности ядра – классификация всех клеток живой природы на прокариот и эукариот основана именно на наличии ядра.

Ядро и ДНК

Ядро содержит в себе наследственный материал, в котором зашифрованы все функции клетки – как она должна выглядеть, где находиться, когда и как делиться/функционировать/умирать. Все эти события, начиная от появления клетки в результате деления до гибели называют клеточным циклом.

Вся информация о клеточном цикле полностью будет передана из ядра клетки – родителя в ядро клетки – потомка в процессе деления (это происходит со всеми клетками организма, кроме половых). Такое деление называется митозом и он принципиально важен тем, что наследственная информация в процессе митоза передаётся полностью, без изменений.

Клетки организма человека регулярно входят в митоз – например, кожный эпителий постоянно слущивается, а взамен утерянных клеток немедленно появляются новые. В ходе иммунной реакции клетки – лейкоциты делятся, чтобы атаковать врага с количественным преимуществом – это тоже митоз. Существует также деление половых клеток, оно называется мейозом.

В целом, ядро:

Содержит всю информацию о внешнем виде и функциях клетки;
Передаёт эту информацию по наследству потомкам клетки в ходе деления;
Управляет ключевыми событиями в жизни клетки от рождения до смерти.

Вернёмся к наследственному материалу в ядре. Вся эта информация закодирована в виде последовательностей участков особого вещества – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Термином “ген” называют участок ДНК, который несёт информацию о каком-либо признаке или функции клетки. Совокупность всех генов организма также имеет своё название – генотип.

Некоторые гены могут сообща отвечать за проявление какого-либо признака или функции клеток и, соотвественно, всего организма. Например, цвет глаз связан с синтезом и накоплением пигмента меланина, который кодируется несколькими генами. Эти гены активируются и запускают синтез меланина в клетках радужки.

Существует огромное количество генов. Например, ген TP53, который кодирует синтез белка p53. Белок p53 невероятно важен для всего организма – его называют “хранитель генома” или “страж-генома”. Этот белок запускает программируемую клеточную смерть – апоптоз, если в клетке имеются предпосылки стать раковой клеткой.

Подытожим:

Итак, в ядре имеется ДНК, которое кодирует жизнедеятельность клетки, все её функции и признаки. В ДНК можно выделить конкретные участки, отвечающие за кодирование какого-либо признака клетки или синтеза определённого белка. Такие участки называют генами.

Теперь далее.

ДНК в каждой клетке имеет огромную длину – более метра, если бы её возможно было бы расплести как запутавшуюся ёлочную гирлянду. Поэтому для компактности ДНК скручена в нити, которые нанизываются на белки, не имеющие прямого отношения к кодированию информации. Эти белки называют гистонами. Продолжая аналогию с ёлочной гирляндой, гистон – это скрученная картонная палочка, на которую оборачивают гирлянду чтобы она не запуталась.

В клетке, которая не находится в митозе или подготовке к нему, ДНК располагается в ядре виде множества нитей, накрученных на гистоны. Участок ДНК, который компактно располагается на одном гистоне в совокупности с этим гистоном называется нуклеосомой. В целом же вся масса нитей ДНК в ядре называется хроматином. Именно хроматин формирует тёмный, контрастный цвет ядра, из-за чего оно и заметно в любом микроскопе. С греческого языка “хромос” переводится как “цвет” – снова название органеллы создаёт хорошую основу для запоминания.

Чтобы показать хроматин, я “выпилил” участок ядра на нашем основном рисунке:

Если клетка вступает в митоз или мейоз, то ДНК упаковывается ещё более плотно в структуры, которые называются хромосомы (дословный перевод – “окрашенное тело”). Удивительно, но ДНК в виде хромосом можно увидеть в обычный световой микроскоп. Посмотрите на иллюстрацию, которая располагается в заголовке этой статьи. В этой ткани некоторые клетки вступили в фазу митоза – хромосомы там имеют свою типичную форму в виде буквы X и очень хорошо заметны:

Совокупность всех признаков, которые кодирует ДНК в полном наборе хромосом, называют кариотипом. В норме у человека имеется 23 пары хромосом.

Обратите внимание – у прокариотов не существует ядра, ДНК там скручено в одну-единственную нить, которая свободно перемещается в цитоплазме.

Кариоплазма

Как вы уже знаете, супертонкие нити внутри ядра кодируют каждый процесс в клетке, каждый белок, каждое событие в клеточном цикле. И всё это находится внутри ядра не в подвешенном или зафиксированном виде, а плавает в жидкой среде. Действительно, внутренняя среда ядра имеет жидко-вязкую структуру и называется кариоплазмой.

Основная функция кариоплазмы – это механическая защита ДНК, независимо от того, находится ли она в виде хроматина или в виде хромосом. Также кариоплазма должна сохранять свой химический состав в постоянном виде, потому что малейшие отклонения в нём опасны для ДНК. Помните, мы говорили про компартменты? Ядро – отличный пример компартмента.

На моём рисунке кариоплазма – это всё светло-розовое пространство внутри ядра, в котором находится хроматин.

Ядрышко и РНК

Внутри ядра, в кариоплазме, имеется ещё одна органелла (точнее, суборганелла – органелла внутри другой органеллы) – ядрышко.

Главная функция ядрышка – образование рибосом, чрезвычайно важных органелл, которые синтезируют (создают) белок на базе кода рибонуклеиновой кислоты – РНК. Что такое РНК и откуда она берётся, а также что такое рибосомы и как именно они работают, я расскажу во второй части этого гайда.

Итак, в ядрышке производятся рибосомы, которые ответственны за создание белков. Белки – это клеточные ферменты, некоторые гормоны, медиаторы и, в целом, огромный класс веществ, выполняющие огромное количество разных функций внутри клетки и за её пределами. Ваш организм поборол инфекцию – сработали белки (антитела). Вы делаете пробежку – работают мышечные белки (актин и миозин), а белок гемоглобин осуществляет газообмен. Вы съели бургер – работают пищеварительные белки – ферменты (пепсин, хемотрипсин, липаза, амилаза). Я упомянул лишь небольшую часть белков, которые работают при движении, пищеварении и любых других действиях организма.

Выделим главную мысль этого раздела: ядрышко – это то место, где производятся рибосомы – главные машины по сборке белка.

И ещё два факта, которые необходимо знать о ядрышке:

Ядрышко является одной из немногих немембранных органелл. Ядрышко не имеет выраженной мембраны, которая бы отграничивала его от внешней среды – в его случае, внешней средой является кариоплазма.
При митозе ядрышко вообще исчезает, и формируется заново в новой и старой клетках.

Ядерная мембрана – кариолемма

Ядрышко мембраны не имеет, а вот само ядро – очень даже имеет.

Ядро – это органелла, которая координирует работу всех остальных органелл, а также осуществляет деление и передачу потомкам всей генетической информации. Логично предположить, что такую важнейшую штуку нужно защищать.

Итак, ядерная мембрана (кариолемма) сформирована двумя липидными бислоями, каждый из который подобен бислою, формирующим уже изученную нами мембрану самой клетки. Но здесь есть особенность – внутренний слой кариолеммы окружает непосредственно кариоплазму, а внешний сформирован другой органеллой, о которой речь пойдёт сразу после кариолеммы. Речь идёт об эндоплазматической сети, которая обильно располагается внутри клетки, между ядром и клеточной мембраной.

Ядерная мембрана также, как и клеточная, не является полностью непроницаемой. Она пронизана огромным количеством пор, которые пропускают в сторону ядра огромное количество веществ для:

Синтеза и хранения ДНК и РНК;
Синтеза белков в других органеллах – для этого уже упомянутая мной РНК должна покидать ядро и выходить в цитоплазму (смотрите ниже);
Поддерживания оптимального состава кариоплазмы;
Синтеза и функционирования ядрышек;
Запуска митоза и других событий клеточного цикла;
Других функций.

Отмечу, что эти отверстия в кариолемме называются именно ядерными порами – не каналами и не интегральными белками.

Поры ядерной мембраны – вещь непостоянная. Наибольшее количество пор имеется у клеток с максимальной метаболической активностью (то есть, активно растущих и что-то производящих). У зрелых клеток с минимальными процессами синтеза пор практически нет. Классический для русской школы гистологии учебник Юрия Ивановича Афанасьева сравнивает усеянное порами ядро лимфобласта (предшественника лимфоцита) и зрелого сперматозоида, ядро которого не имеет пор.

На нашей схеме я привычными зелёным и сиреневым отметил поры, пронизывающие ядерную мембрану, а также дорисовал второй её слой – первый слоя я нарисовал в разделе “ядро и ДНК”. Как я и говорил, второй слой сформирован эндоплазматический сетью, о которой речь пойдет во второй части этого гайда.

Цитоплазма

Что такое цитоплазма клетки и из чего она состоит? Цитоплазма, как и кариоплазма – это жидкая, а точнее – вязко-гелеобразная среда. Цитоплазма заполняет всё пространство внутри клетки между органеллами, а кариоплазма точно также заполняет пространство внутри ядра.

Конечно, около 80% состава цитоплазмы приходится на воду. Остальные компоненты делятся на органические и неорганические вещества.

К органическим относят:

Углеводы – прежде всего, глюкоза;
Жиры – липопротеины, жирные кислоты, совсем немного холестерина;
Белки – множество белков и аминокислот постоянно курсируют в цитоплазме между различными органеллами, ферменты постоянно катализируют реакции;
Нуклеиновые кислоты – в основном, это уже упомянутая мной РНК, хотя в цитоплазме прокариотов располагается и ДНК, ибо нет ядра;
Витамины. Это органические вещества, прежде всего, работающие совместно с ферментами, жизненно необходимы. Про витамины существует множество различных научных и не очень концепций, я как-нибудь найду время и постараюсь рассказать про них поподробнее.

Неорганические вещества (кроме воды) цитоплазмы представлены:

Ионами – прежде всего, калием и натрием. Причём, в цитоплазме обязательно должно быть калия больше, а натрия – меньше, чем в крови или другой внеклеточной жидкости. Это необходимо для того чтобы вода поступала в клетку в регулируемых, дозированных количествах;
Солями – хлоридами, карбонатами, сульфатами. Очень условно выделять соли в отдельную категорию, так как они находятся в растворённом диссоциированном виде, фактически – в виде ионов;
Макроэлементам – кроме уже перечисленных натрия и калия, в цитоплазме имеются фосфор, калий, хлор и кальций;
Микроэлементами – йодом, медью, цинком и другими.

Каковы функции цитоплазмы при таком разношёрстном составе? На самом деле, критически важные:

Цитоплазма – это среда для протекания химических реакций. В цитоплазме происходит огромное количество превращений веществ одних в другие. Например, в цитоплазме клеток печени происходят завершающие этапы орнитинового цикла. Также, в цитоплазме аминокислоты и моносахариды превращаются в пируват (чтобы отправится в цикл Кребса).
Цитоплазма – это транспортная среда для множества молекул. Через цитоплазму перемещается множество ферментов, белков, жиров, углеводов, захваченных клеткой частиц, токсинов, метаболитов для вывода из клетки и множество других веществ;
Депонирующая функция. В цитоплазме, как на складе, могут хранится многие вещества, необходимые для жизнедеятельности клетки. Очень запоминающийся пример – адипоциты, клетки жировой ткани. В адипоцитах почти вся цитоплазма заполнена триглециридами, то есть жирами. Это выглядит как капелька жира в клеточной мембране и небольшое ядро. Там, конечно, есть и другие органеллы, но они не слишком хорошо видны. В цитоплазме клеток печени залегают углеводные запасы организма в виде гликогена.

Цитоплазма должна сохранять свой постоянный состав – концентрацию веществ, температуру и pH (кислотность). Малейшие изменения этих параметров в цитоплазме могут привести к невозможности протекания реакций в ней, разрушению запасённых веществ, деформации ядра и гибели всей клетки.

Ядерно-цитоплазматическое отношение

Одно только сравнение объёмов ядра и цитоплазмы может показать очень многое. Для этого был создан специальный параметр – ядерно-цитоплазматическое отношение (иногда его называют ядерно-цитоплазматическим индексом). Как нетрудно догадаться, этот параметр показывает, насколько размеры ядра исследуемой клетки соотносятся с нормой. Если ядро непропорционально крупное, то объём цитоплазмы становится меньше – и наоборот.

Частые спутники предраковый заболеваний и собственно самих раковых опухолей – клетки с крупными, насыщенно – тёмными , иногда – со сдвоенными ядрами, которые занимают почти весь объём клетки.

Однако, изменения ядерно-цитоплазматического отношения не всегда указывает на опухоли, для точного диагноза важны многие признаки. Увеличение ядра – это в целом признак более высокой активности клетки – как и уже изученное нами увеличение количества пор кариолеммы.

Итог

Каждая органелла клетки – это не только удивительно хрупкий, но и способный себя защитить механизм. У меня есть хорошая статья про повреждение клетки (патофизиологи называют повреждение клетки альтерацией). Там имеется разбор механизмов повреждения каждой отдельно взятой органеллы, а также краткое описанием способов защиты клетки. Очень рекомендую для закрепления сегодняшней темы.

Надеюсь, это было понятное руководство. Моей целью было создать гайд по цитологии для читателя, который совсем не знаком со строением клетки и смутно представляет себе, что это такое. Если у меня вышло создать что-то похожее, значит, я достиг цели. Пишите в комментариях абсолютные любые вопросы по этому гайду, попробую ответить.

В следующей части мы разберём другие клеточные органеллы:

Митохондрии;
Рибосомы;
Лизосомы;
Комплекс Гольджи;
Цитоскелет;
Клеточный центр.

До новых встреч!