Какие из следующих структур клетки ответственны за движение

Обновлено: 02.07.2024

• Органеллы и везикулы движутся по клетке за счет текучести цитоплазмы, которая обеспечивается взаимодействием актина с миозином

• В клетках растений присутствует два уникальных типа миозинов

По мере роста клеток за счет вакуолизации, они сталкиваются с проблемой внутреннего распределения материалов. У растений клетки могут достигать очень больших размеров, и по мере их увеличения цитоплазма очень тонким слоем распределяется по растущим поверхностям.

Большие размеры клеток и соответствующие площади поверхности требуют эффективных способов гарантии включения клеточных компонентов в любое необходимое место, а также обеспечивающих возможность внутриклеточного распределения материалов. В клетках растений эти вопросы решаются за счет тока цитоплазмы, которая представляет собой специальный механизм, связанный с актиновыми филаментами и обеспечивающий постоянное продвижение материала по клетке.

В клетках растений актиновые филаменты образуют сетеобразные структуры различной организации. Показано, что они связаны со всеми структурами микротрубочек, к которым они прикреплены. Мы уже знаем, что во фрагмопласте актиновые филаменты расположены параллельно микротрубочкам, и они также находятся среди микротрубочек препрофазного кольца. Аналогичным образом при растяжении клеток тонкие актиновые филаменты располагаются вдоль кортикальных микротрубочек. Поскольку эти филаменты ориентированы перпендикулярно направлению элонгации клетки, транспорт по ним не может служить эффективным способом доставки материалов на концы элонгирующей клетки, которые по длине могут достигать сотен микрометров. Такая доставка на дальние расстояния, вероятно, выполняется толстыми пучками актиновых волокон, которые расположены в глубине цитоплазмы и обычно не связаны с микротрубочками.

Эти пучки, поддерживающие тонкие тяжи цитоплазмы, проходящие поперек вакуоли, исходят от ядра и направляются к краю клетки, часто вдоль всего пути к концам элонгирующей клетки.

Микрофотография вакуолизированной клетки во флуоресцентном микроскопе.
Видны крупные флуоресцирующие актиновые нити, распространяющиеся от ядра к периферии клетки.
Они проходят через узкие участки цитоплазмы,
пересекающие вакуоль и соединяющие ядро с тонким слоем цитоплазмы,
примыкающим к плазматической мембране.

Внутри клетки, представленной на рисунке ниже, можно видеть несколько таких тяжей. Часто заметные пучки направляются к концам растущих клеток, параллельно направлению расширения. В световом микроскопе хорошо видно быстрое движение цитоплазматического содержимого в двух направлениях вдоль этих цитоплазматических тяжей. Этот постоянный поток частиц внутри клетки отражает процесс тока цитоплазмы. Таким способом по клетке движутся везикулы и такие органеллы, как хлоропласта, ЭПР, аппарат Гольджи и клеточные ядра.

Движение органелл вдоль актиновых нитей отличает клетки растений от клеток животных, в которых миграция органелл на относительно длинные расстояния обычно происходит вдоль микротрубочек. В общем, два этих типа клеток организуют и используют актиновый цитоскелет по-разному. Вместо формирования таких актиновых структур, как ламеллиподии и фи-лоподии, определяющих подвижность клеток животных, у растений актин используется для обеспечения внутриклеточного движения.

Однако у растений отсутствует миозин II, образующий филаменты, которые одновременно тянут две актиновых нити, вызывая сокращение, как это происходит в мышце. Для перемещения клетки или изменения ее формы у животных используется миозин II, поэтому отсутствие этого типа миозина у растений, вероятно, отражает неподвижный характер их существования.

Вдоль актиновых путей движутся не только частицы, но и сами актиновые филаменты проявляют высокую степень подвижности. Во многих растительных структурах актиновые филаменты находятся в состоянии постоянной деполимеризации и полимеризации, что позволяет, по необходимости, изменять форму структур. Динамика таких актиновых структур, вероятно, обеспечивается многими из тех же белков, которые контролируют динамику актина в клетках млекопитающих. Несмотря на различные способы организации актомиозиновых систем в клетках растений и животных, они содержат много одинаковых белков, связывающихся с актином.

В растениях обнаружено присутствие таких эволюционно консервативных белков, как профилин и фактор деполимеризации актина (ADF). Эти белки влияют на динамику процесса сборки и разборки филаментов. В растениях также найден вилин, основной белок микроворсинок энтероцитов. Возможно, что он участвует в упаковке актиновых филаментов в связки одинаковой полярности. Тем самым вилин непрямым образом контролирует направление движения частиц вдоль этих динамических путей, поскольку каждый тип миозинового мотора движется по актиновому филаменту только в одну сторону. Функционирование подобных консервативных белков подчеркивает факт, что, хотя клетки растений неподвижны, их содержимое далеко не статично.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Бактерии, многие виды грибов, водорослей, простейшие животные — одноклеточные существа. Гораздо больше на Земле видов многоклеточных живых организмов. Вирусы не имеют клеточного строения, поэтому не могут быть отнесены ни к одной из названых групп. Однако для жизнедеятельности и размножения вирионы должны попасть в живые клетки.

Длительная эволюция жизни привела в далеком геологическом прошлом к появлению одноклеточных организмов. Многоклеточные возникли позже в истории Земли. Клетки у таких живых организмов преимущественно специализированные, имеют разнообразные формы, размеры и другие морфологические особенности. Они выполняют определенные функции в составе тканей и органов.

Цитологические знания появлялись, накапливались и дополнялись в течение нескольких веков. К середине XIX века исследователи сформулировали основные положения клеточной теории. Выдающийся вклад в развитие учения внесли М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов и другие ученые.

Согласно результатам исследований, для клеток характерны:

общие черты строения;
наследственный аппарат, цитоплазма, мембрана (оболочка), органоиды;
способность поглощать вещества, использовать заключенную в них энергию;
реакции на внешние и внутренние раздражители;
возникновение в результате деления материнских клеток.

Органоиды клеток

Микроскопические автономные системы содержат много компонентов. Органоиды — постоянные части клетки (рис. 1). Включения возникают и исчезают в зависимости от возраста и процессов жизнедеятельности. Компоненты тесно взаимодействуют в микроскопически маленьком пространстве.

Плазматическая мембрана

Общая толщина составляет 6–10 нм. Плазматическая мембрана содержит двойной слой липидов и два слоя белков. Белковые молекулы расположены на поверхности и в толщине липидного слоя. Растительные клетки, помимо плазматической мембраны, имеют плотную клеточную стенку.

Цитоплазма

Под оболочкой клетки находится полужидкая масса, коллоид (промежуточное состояние между истинным раствором и взвесью). Цитоплазма содержит белки, липиды, углеводы, РНК, ионы. Имеются протеиновые структуры в виде микронитей и микротрубочек — цитоскелет. В цитоплазму погружены все компоненты клетки.

Ядро

Митохондрии

Матрикс содержит рибосомы, молекулы ДНК и РНК, ферменты. Часть вырабатываемой энергии расходуется в рибосомах, где из аминокислот синтезируются белки.

Пластиды

Крупные полуавтономные органоиды клетки, обладающие собственным геномом. Пластиды покрыты 2–4 белково-липидными оболочками. Внутри имеются строма, пузырьки, кольцевая молекула ДНК, рибосомы.

Хлоропласты — пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, различные каротиноиды.
Хромопласты — оранжевые и желтые; состоят из каротиноидов.
Лейкопласты — бесцветные или белые; содержат крахмал.
Пропластиды могут превращаться в другие виды.
Протеинопласты накапливают белки.
Амилопласты запасают крахмал
Элайопласты хранят липиды.

Получены веские доказательства происхождения пластид в результате симбиоза древней прокариотической клетки и цианобактерий.

Эндоплазматическая сеть или ретикулум (ЭР)

Система мешочков и каналов между ними диаметром 25–30 нм, образует единое целое с плазматической мембраной и оболочкой ядра. Различают гладкий и шероховатый ЭР. Сеть предназначена для транспортировки веществ в клетке к месту использования.

Комплекс Гольджи

Органоид в виде системы мешочков и пузырьков размером 20–30 нм. Комплекс Гольджи находится вблизи ядра, необходим для образования лизосом. Последние нужны для удаления продуктов распада.

Лизосомы

Мешочки сферической формы, покрытые одной мембраной. Внутреннее содержимое богато ферментами.

Вакуоли

Мешочки и пузырьки, покрытые одной мембраной. Крупные вакуоли характерны для растительных клеток, мелкие — для животных. Содержат пигменты, питательные вещества, минеральные растворы. Различают пищеварительные, фагоцитарные и сократительные вакуоли.

Клеточный центр

Органоид, не имеющий собственной мембраны. Клеточный центр образован центросферой и двумя центриолями, содержит белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Рибосомы

Мелкие немембранные органоиды клетки. Состоят из большой и малой субъединиц. Рибосомы расположены в цитоплазме свободно или связаны с мембранами. Богаты РНК и белками.

Включения клетки могут быть жидкими и твердыми. Первые — это гранулы различных веществ. Капли жира — жидкие включения.

Если ядра нет, то организмы относятся к прокариотам (доядерным). В эволюционном плане они более древние и примитивные. Генетический материал таких клеток не отделен мембраной от цитоплазмы. Внутри расположены рибосомы. Почти не встречаются мембранные органоиды. Многие одноклеточные организмы относятся к прокариотам. Клетки, в которых хотя бы на одной стадии развития появляется ядро, — эукариотические.

Функции клеточных структур

Плазматическая мембрана ограничивает и препятствует вытеканию цитоплазмы, защищает находящиеся в ней органоиды. Оболочка клетки обладает избирательной проницаемостью. Происходит пассивный и активный транспорт веществ через микроотверстия.

Другие функции плазматической мембраны:

обеспечение реагирования на раздражители (раздражимость);
осуществление межклеточных контактов;
фагоцитоз;
пиноцитоз.

Пассивный транспорт через мембрану протекает без затрат энергии, в направлении от большей концентрации к меньшей. Так происходит осмотический перенос молекул воды. Активный транспорт протекает с затратами энергии, в направлении от меньшей концентрации к большей. Пример — диффузия питательных, минеральных веществ.

Клетка активно поглощает различные соединения. Если это твердые частицы, то процесс называется фагоцитоз. Поглощение капелек жидкости — пиноцитоз. Наружу через мембрану выводятся остатки веществ.

Цитоплазма объединяет органоиды и включения. Благодаря коллоидным и прочим свойствам внутреннего содержимого клетки осуществляется взаимодействие всех частей. Цитоскелет выполняет опорную функцию, способствует сохранению определенного положения органоидов в цитоплазме.

В ядре хранится наследственная информация, зашифрованная в структуре ДНК. Хроматин нужен для создания специфических для данного организма нуклеиновых кислот. Благодаря транскрипции РНК и поступлению данных в рибосомы происходит синтез белка. Ферменты нуклеоплазмы регулируют обмен аминокислот, белков, нуклеотидов. Ядро осуществляет контроль процессов жизнедеятельности клетки. Функции ядрышка — синтез одного из видов РНК.

Внутренняя мембрана митохондрии — место прикрепления ферментов для синтеза АТФ. Макроэргическое вещество необходимо для процессов жизнедеятельности. В митохондрии протекает аэробный этап дыхания, который сопровождается образованием АТФ.

Зеленая окраска хлоропластов обусловлена основным пигментом фотосинтеза. Осуществление этого процесса — основная задача пластид зеленого цвета. Световые реакции протекают на мембранах, содержащих молекулы хлорофилла. Темновые реакции фотосинтеза происходят в строме, богатой ферментами.

Хромопласты придают окраску цветкам, содержатся в плодах. Этот тип пластид обеспечивает привлечение опылителей и распространителей семян растений. Лейкопласты служат для запасания питательных веществ — крахмала, белка, масла.

В рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума происходит синтез белков. Гладкий ЭР содержит ферменты для синтеза, преобразований липидов и углеводов. Этот же тип трубочек и мешочков служит для образования лизосом, транспорта и обезвреживания токсических веществ. Растворение крупных молекул, переваривание старых клеточных структур происходит в лизосомах. Они принимают активное участие в фагоцитозе, гибели клеток.

Пищеварительные вакуоли участвуют в фагоцитозе, выделяют ненужные вещества в окружающую среду. Сократительные — обеспечивают поддержание водно-солевого баланса.

Рибосомы участвуют в сборке белковых молекул. Клеточный центр нужен для правильного распределения генетического материала при митотическом делении. Этот органоид служит для образования выростов клеток — жгутиков и ресничек (органоидов движения).

Включениями называют непостоянные компоненты клеток. Одни вещества в их составе являются запасом питания, другие — отходами жизнедеятельности.

Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности

Органоиды — относительно обособленные компоненты, обладающие специфическими функциями и особенностями строения. Основная часть генетического материала эукариотической клетки сосредоточена в ядре. Центральный органоид в одиночку не в состоянии обеспечить реализацию наследственной информации. Принимают участие цитоплазма и рибосомы. Они расположены в основном на шероховатой эндоплазматической сети.

Митохондрии вырабатывают энергию, необходимую для осуществления процессов в клетке. Хлоропласты у растений служат для получения исходного материала, участвующего в энергетических превращениях.

Условно все органоиды клетки делят на три группы по характеру выполняемых функций. Митохондрии и хлоропласты осуществляют превращения энергии. Рибосомы, их скопления осуществляют синтез белков. Другие образования принимают участие в синтезе и обмене веществ.

Несмотря на существующие различия, все части клетки тесно взаимодействуют. Органоиды взаимосвязаны не только в пространстве, но и химически. Связывает все части клетки цитоплазма, в ней же происходят многочисленные реакции. В результате формируется единая структурная и функциональная система.

Строение растительной клетки

Рис.1 Растительная клетка

Отличие клеточного строения растений от животных — наличие стенки, состоящей из целлюлозы, пектина, лигнина.

Под прочной оболочкой находится плазматическая мембрана, имеющей типичное строение. Есть поры, через которые осуществляется связь между соседними клетками посредством плазмодесм, цитоплазматических мостиков. Нет центриолей, характерных для животных.

Важное отличие растительных организмов — наличие пластид. Крупные хлоропласты придают частям растений зеленый цвет. Фотосинтез в зеленых пластидах — процесс автотрофного питания. Растения создают органическое вещество из воды и углекислого газа при участии солнечного света.

Оранжевая и желтая окраска обусловлена присутствием других типов пластид, красная и синяя — возникает благодаря антоцианам. Лейкопласты и хромопласты специализируются на хранении веществ.

Крупная центральная вакуоль в растительной клетке заполнена клеточным соком. Органоиду принадлежит ведущая роль в поддержании тургора, хранении полезных веществ и разрушении старых белков, отживших свое органоидов.

Строение животной клетки

Это типичные эукариотические клетки. Под плазматической мембраной находятся цитоплазма и органоиды. Клеточной стенки нет. ДНК локализована в ядре и митохондриях.

Рис.2 Животная клетка

Вакуоли в клетках животных выполняют пищеварительные и сократительные функции. Центриоли состоят из пучков микротрубочек, принимающих участие в процессе деления. В качестве органелл движения могут присутствовать реснички и жгутики. Они важны для перемещения одноклеточных животных. В организме многоклеточных создают движение жидкостей или молекул твердых веществ вдоль неподвижных клеток.

Клетка — мельчайшая единица строения многоклеточных организмов. У одноклеточных это и есть тело. Любая клетка представляет собой сложную биохимическую систему. Части или органоиды действуют как единое целое, обеспечивают жизнедеятельность, а при размножении — передачу наследственных признаков.

Органоиды движения — небольшие наросты на клеточной мембране, состоящие из системы микротрубочек. Они позволяют клеткам свободно перемещаться, что способствует росту живых организмов. Реснички, жгутики, псевдоподии и миофибриллы являются основными представителями органоидов движения. Строение и функции этих органелл изучаются на уроках биологии в 6 классе.

Краткая информация

Органоиды движения содержатся в растительных и животных клетках, входящих в состав многоклеточных организмов. Структура этих органелл формируется из молекул белков и фосфолипидов. Их средний размер составляет 0,25—100 мкм. В таблице перечислены основные особенности органоидов движения.

Наименование органоида движения	Строение	Функции органоидов движения	Название одноклеточного организма
Жгутики	Цитоплазматические наросты, расположенные на поверхности мембраны	Передвижение клеток	Жгутиковые инфузории
Реснички	Тонкие выросты на эластичной структуре клетки	Очистка органов от пыли	Ресничные инфузории
Псевдоподии (ложноножки)	Выступы в цитоплазме клетки	Питание и передвижение организма	Саркодовые
Миофибриллы	Нити малой толщины	Сокращение мышц	Корненожки

В человеческом организме присутствует большое количество ресничек и жгутиков. Они предназначены для очищения легких, защиты эпителия и стабильного функционирования репродуктивной системы. Принцип работы этих органоидов движения заключается в установлении прочных связей с клеточной мембраной.

Жгутики бактерий и архей

Жгутик — органоид движения эукариотов, обеспечивающий передвижение клеточных организмов в жидкой среде. Они содержатся в протистах, зооспорах и половых клетках. Эти органеллы представляют собой небольшие наросты, окруженные эластичной пленкой. Жгутики имеют цитоскелет, где осуществляется процесс гидролиза АТФ. Второстепенные функции жгутиков:

формирование биологических пленок;
обеспечение контакта клеточных организмов с субстратами;
облегчение проникания симбиотических бактерий в клетки;
включение защитных механизмов иммунной системы;
предотвращение заражения клетки инфекционными вирусами.

Жгутик эукариотических клеток представляет собой комплексный структурный элемент. Он включает в себя 9 пар микротрубочек, соединенных нексиновыми мостиками. Между ними присутствует переходная зона эксонемы. В центральной части жгутика располагается ось с центриолями. На следующем рисунке описано строение органоида в разрезе.

80% бактерий состоят из жгутиков. Они находятся на противоположных полюсах клеточного организма. Отличительной чертой жгутиков бактерий является их расположение в клетке. Они вмонтированы в оболочку клеточного организма. Вращение жгутика осуществляется при помощи энергии, получаемой при гидролизе АТФ. Органоид перемещается по часовой стрелке. Частотный диапазон вращения органеллы составляет от 200 до 1850 Гц. Бактериальный жгутик состоит из следующих компонентов:

Основным рабочим элементом жгутика бактерий является филамент. Этот компонент объединяет несколько тысяч субъединиц фосфолипидов и белка. При вращении органоида филамент приобретает форму спирали, закрученной в левую сторону.

Базальное тело бактериального жгутика состоит из следующих частей:

оси клеточного центра;
L-кольца;
P-кольца;
MS-кольца;
ротора;
C-кольца.

Для определения характера передвижения жгутика требуется знать количество ресурсов, поставляемых основными компонентами базального тела.

Жгутики архей состоят из археллума, включающего в себя 7—13 различных генов. Структура этого органоида формируется едиными оперонами. Функцией жгутиков архей является перемещение клеточных организмов во влажной среде, но они не принимают участия в формировании биологических пленок.

Механизм работы ресничек

Реснички представляют собой тонкие органеллы в форме волоса. Находясь в неподвижном состоянии, эти органоиды выполняют роль рецепторов. Поверхность ресничек покрыта плотной цитоплазматической мембраной. В состав органеллы входит большое количество микротрубочек. В центральной части ресничек расположено базальтовое тело с центриолями.

В микротрубочках присутствуют белковые структуры, обеспечивающие стабильное скольжение ресничек. Во время передвижения органоиды совершают удары. Они предназначены для деполяризации клеточной мембраны. Характер и направление ударов зависят от процентного содержания ионов кальция в структуре ресничек.

Псевдоподии и миофибриллы

Псевдоподии представляют собой цитоплазматические выросты без плотной клеточной оболочки. В школьных учебниках эти органеллы также могут называться ложноножками. Псевдоподии сдержат простейшие организмы:

амебы;
арцеллы;
фораминиферы.

Ложноножки предназначены для всасывания питательных веществ. Также к их функциям относится перемещение клеточных организмов. Скорость движения клеток составляет не более 0,2 мм/мин. Во время перемещения псевдоподии закрепляются в субстрате и захватывают частицы пищи. В результате этого процесса формируется пищеварительная вакуоль.

Миофибриллы представляют собой органоиды, состоящие из тонких белковых филаментов. Они располагаются в мышечном волокне и не имеют клеточной оболочки. Миофибриллы окружены саркоплазматическим ретикулумом, состоящим из саркомеров. Связь этих органелл с мышцами обеспечивается при помощи белковых нитей.

Миофибриллы обеспечивают стабильное сокращение мышечных волокон. При воздействии нервных импульсов эти органоиды начинают уменьшаться. В результате сокращения числа органоидов образуется энергия, определяющая силу мышцы. Во время силовых тренировок количество миофибрилл увеличивается. Этот процесс называется гипертрофией. Большие органоиды начинают делиться на несколько маленьких, иначе мышцы не смогут получать достаточное количество энергии.

После травмирования мышечных волокон число миофибрилл уменьшается. Этот процесс ускоряется при наличии гипса, фиксирующего мышцы в определенном положении. Это обусловлено разрушением саркомеров. В результате сокращения количества миофибрилл мышцы получают меньше энергии.

Изучение динамических процессов, происходящих в клетке во время жизни, является по-прежнему одной из наиболее трудных и увлекательных областей исследований современной науки. Она содержит множество тайн, и каждая раскрытая тайна спасает сотни тысяч жизней, поскольку дает ключ к созданию уникальных способов сохранения здоровья и улучшения самочувствия человека. Именно поэтому над раскрытием тайн природы, заложенных в клетке, сегодня трудятся не только биологи и генетики, но и биофизики, биохимики, системные аналитики, специалисты в области информатики, лингвистики и других областей знаний.

Клетка является сложной физической системой. В один и тот же момент времени в ней происходят десятки тысяч разнообразных динамических процессов. Для их изучения ученые используют модели. Модель клетки должна отражать свойства и функции живой клетки. Например, свойство клетки приспосабливаться при изменении параметров внешней среды (температуры, давления, влажности воздуха и других). Однако ни в какой модели нельзя учесть все свойства реальной клетки. Даже если бы нам и удалось встроить в модель значительную часть этих свойств, то задача получилась бы столь сложной, что решение ее было бы чрезвычайно затруднено или даже вовсе невозможно.

Тем не менее, ученые постоянно трудятся над созданием различных моделей, обладающих свойствами живой системы. По совокупности процессов, происходящих в клетке, ее можно сравнить с биороботом, наделенным, с точки зрения современной науки, фантастически совершенными свойствами: самовоспроизведения, самообучения и самонастройки.

В технике робот представляет собой информационно-вычислительный комплекс. Систему его функционирования можно разделить условно на пять основных подсистем: техническую, программную, лингвистическую, информационную и организационную. В свою очередь данные подсистемы можно разделить на два класса. Первый класс включает техническую подсистему, представляющую собой материальные средства комплекса (специалисты называют их “железом”), и второй класс – остальные четыре подсистемы, отвечающие за организацию информационного процесса.

Аналогом технической подсистемы в клетке являются ее биологическая субстанция, имеющая определенную форму и строение. В качестве строительного материала в ней используются органические вещества (биополимеры). Подробно об этом написано в разделе 1.3.2. Второй класс объединяет подсистемы, отвечающие за организацию динамических процессов – информационную жизнь клетки. Устройство клетки является настолько сложным, что воспроизвести искусственно подобную ей систему не по силам ни одной лаборатории мира.

В последние полвека ученые создали немало моделей разных искусственных систем: самолетов, ядерных реакторов, роботов. Более сложным оказалось моделирование природных явлений. Одним из таких примеров является моделирование процессов, позволяющее предсказывать погоду. Опыт, накопленный при проведении таких работ, позволил разработать общую теорию систем, обобщающую и раскрывающую фундаментальные свойства сложных объектов.

Для упрощения понимания протекания внутриклеточных процессов используем разные подходы к рассмотрению динамических процессов (биофизических, биохимических, энергетических, информационных). При этом мы будем вынуждены в большей или меньшей степени идеализировать свойства описываемой системы, учитывая только те решающие факторы, которые определяют черты поведения, обусловленные конкретным видом динамических процессов. Данный подход к рассмотрению вопроса позволит представить нам общие свойства клеток, тканей, органов или систем органов, организма в целом как системы.

Клетка является сложной открытой динамической системой, содержащей множество входов и выходов (смотри рисунок 1.4.1).

Рисунок 1.4.1. Системная модель клетки. Общие входы и выходы

В процессе жизнедеятельности клетка выполняет две основные задачи: обеспечивает поддержание стабильности жизнеобеспечения клеточной системы и реализует специфические функции, присущие определенному виду клеток (смотри рисунок 1.4.2).

Рисунок 1.4.2. Системная модель клетки. Разделение функций клетки

Основные функции клетки =
поддержание стабильности
подсистемы жизнеобеспечения +
выполнение специфических функций

Поддержание стабильности подсистемы жизнеобеспечения происходит за счет выработки энергии, трансмембранного переноса вещества, синтеза клеточных и тканевых структур, размножения клеток.

Выработка необходимой для жизни клетки и организма в целом энергии происходит в процессе протекания процессов распада клеточных и тканевых структур (катаболизма), а также сложных соединений, содержащих энергию.

Трансмембранный перенос веществ обеспечивает поступление на входы клетки необходимых веществ и выведение через ее выходы продуктов обмена и веществ, используемых другими клетками организма.

В процессе синтеза тканевых и клеточных структур, а также необходимых для жизнедеятельности соединений (анаболизма) энергия расходуется и накапливается. С пищей питательные вещества поступают, как правило, в виде продуктов, образующихся в результате гидролиза белков, жиров и углеводов. К ним относятся моносахара, аминокислоты, жирные кислоты и моноглицериды. Процесс синтеза обеспечивает восстановление структур клетки, подвергающихся распаду.

Размножение клеток в организме обеспечивает его рост и развитие, восстановление клеточных структур, способствует сохранению целостной структуры и нормальному функционированию организма.

Жизнедеятельность самой клетки обеспечивается взаимодействием всех ее органелл и клеточной мембраны. Как было сказано ранее в разделе 1.3.2, клеточные органеллы находятся в гиалоплазме, состоящей из воды и находящихся в ней различных ионов и органических веществ (глюкозы, аминокислот, белков, фосфолипидов и других). Гиалоплазма составляет внутреннюю среду клетки, обеспечивающую взаимодействие всех клеточных структур посредством транспорта веществ, потребляемых и синтезируемых клеткой. Гиалоплазма также хранит гликоген, липиды, пигменты. Большинство внутренних органелл имеют свои мембраны (ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы). Они построены по тому же принципу, что и клеточные мембраны. Некоторые внутриклеточные органеллы не имеют собственной мембраны (рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты). Каждая органелла выполняет свои специфические функции (таблица 1.4.1).

Таблица 1.4.1. Структура и функции основных клеточных элементов

Специфические функции характеризуются выполнением каждой клеткой определенной задачи, которая, в свою очередь, определяется генетически запрограммированным алгоритмом. Например, работа нервных клеток заключается в восприятии сигнала, его передаче, переработке и хранении информации. Возбуждение мембраны нейрона заканчивается выбросом медиатора в синаптическую щель. Таким образом, путем трансформации электрического импульса в химический сигнал происходит передача информации по всем звеньям нервной системы. Каждая секреторная клетка осуществляет синтез и выделение специфических веществ, важных для функционирования организма. В результате секреции выделяются слюна, желудочный и кишечный сок, желчь, молоко, гормоны и другие биологически активные соединения. Секреторные клетки участвуют в работе и регулировании функций многих органов: желудка, поджелудочной железы, щитовидной железы и других. Мышечные клетки в организме выполняют сократительную функцию: сокращения клеток поперечнополосатой мускулатуры обеспечивают работу опорно-двигательного аппарата, гладкой мускулатуры – работу внутренних органов.

В реальности организм человека существует, постоянно подвергаясь воздействию самых разнообразных и изменчивых внешних факторов. К ним могут быть отнесены температура окружающей среды, давление и влажность воздуха, концентрация в атмосфере вредных для организма веществ и так далее. Они могут меняться во времени как закономерным, так и случайным образом. На клеточном уровне схема внешних воздействий приведена на рисунке 1.4.3.

Рисунок 1.4.3. Системная модель клетки. Воздействие внешних факторов

Работа подсистемы жизнеобеспечения характеризуется поддержанием на генетически определенном уровне набора параметров: температура, концентрация белков, содержания воды, уровень кислотно-щелочного равновесия внутри клетки, ее мембранный потенциал и множество других. В процессе эволюции клетка научилась сохранять благоприятную внутреннюю среду, несмотря на изменение внешних условий. Главный механизм клетки как самоорганизующейся системы, способствующий поддержанию определенных величин в физиологически допустимых границах и заложенный в основу подсистемы жизнеобеспечения, называется гомеостатом. Само свойство клетки поддерживать постоянство внутренней среды на генетически заданном уровне называется гомеостазом. Клетка хранит информацию о значениях всех параметров, обеспечивающих ее жизнедеятельность и выполнение свойственных ей функций. Гомеостаз реализуется за счет использования механизма обратной связи (смотри рисунок 1.4.4). Более подробно об этом будет рассказано в разделе “Принципы и алгоритмы регуляции функций организма (информационный подход)”.

Рисунок 1.4.4. Системная модель клетки. Механизм обратной связи

Каждое мгновение жизни клетки характеризуется набором значений текущих параметров (показателей): температурой внутри клетки, концентрацией питательных веществ и других. Совокупность значений этих параметров в некоторый момент времени определяет состояние клетки как системы. Одни из данных параметров поддерживаются на неизменном уровне, другие могут меняться без потери устойчивости системы в целом.

Сам по себе известен и хорошо понятен принцип работы механизма обратной связи. Схема регулирования параметров клетки изображена на рисунке 1.4.4. Но, как внутри клетки одновременно и слаженно (синхронно) работают тысячи таких механизмов, и при этом происходит сравнение их текущих параметров с генетически заданными? Это остается загадкой природы.

Благодаря приспособительным (адаптационным) механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность клетки, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий.

Зоны устойчивости характеризуются пределами изменений значений параметров входных сигналов подсистемы жизнеобеспечения, при которых процессы в клетке протекают нормально. В качестве входных сигналов можно рассматривать количество питательных веществ, содержание кислорода, углекислого газа, гормонов в крови и другие. Внутриклеточные параметры, например показатель кислотно-щелочного равновесия (рН), поддерживаются на заданном относительно постоянном уровне.

В цитоплазме клеток рН составляет 6,7-7,3 (разница, определяющая зону устойчивости, составляет 0,6). Более строгими являются требования к изменению этого показателя со стороны крови: рН крови может изменяться только в пределах 7,35-7,45 (зона устойчивости составляет 0,1, что в 6 раз меньше, чем для рН цитоплазмы клеток).

При отклонении значений этих параметров за пределы зон устойчивости изменяется скорость протекания биохимических реакций, вплоть до торможения. Активность большинства клеточных ферментов зависит от показателя рН, так как при его повышении внутри клеток нарушается структура белка и, в частности, ферментов. Считается, что увеличение рН внутри клеток поджелудочной железы служит одним из сигналов начала реакций запрограммированной их гибели (апоптоза).

Постоянство температуры внутри клетки также способствует оптимальному течению в ней химических реакций. Организм человека удерживает температуру тела на определенном уровне. Жизненные процессы в организме протекают в узких температурных границах: при температуре от 22 °C до 43 °C. Повышение температуры живых тканей выше 45-47 °С сопровождается необратимыми изменениями и прекращением жизни из-за свертывания белков и инактивации ферментов. При температуре ниже 22 °C наступает торможение работы клетки, обусловленное значительным замедлением обмена веществ и энергии.

Функционирование подсистемы, обеспечивающей выполнение специальных функций, также невозможно без механизма обратной связи, поддерживающего гомеостаз в клетке. Например, в системе гормональной регуляции постоянный уровень, в частности, кортикостероидов поддерживается благодаря такому механизму. Гипофиз отслеживает концентрацию данных гормонов в крови и при ее уменьшении выделяет в кровь адренкортикотропный гормон (АКТГ). АКТГ стимулирует образование кортикостероидов в корковом веществе надпочечников, концентрация гормонов увеличивается. При повышенном уровне гормонов, наоборот, идет сигнал на прекращение выработки АКТГ.

Существуют диапазоны колебаний внешних воздействий (температуры окружающей среды, уровня электромагнитных излучений и других), в пределах которых клетка остается устойчивой и работоспособной независимо от времени их воздействия. Приведем несколько примеров зон устойчивости при внешних воздействиях. Зимой и летом, при температуре окружающего воздуха в диапазоне от –70 до +50 °С температура тела человека остается практически постоянной, изменяясь всего на несколько долей градуса. В жаркий день даже небольшое повышение температуры тела дает сигнал к усилению активности потовых желез, кожа становится влажной, испарение воды с ее поверхности способствует охлаждению тела. И напротив, в холодную погоду поверхностные сосуды сужаются, потеря тепла уменьшается, а выработка – увеличивается, возникает защитная реакция – дрожь, “мурашки”.

Внутренние параметры клетки остаются в норме после прекращения действия возмущающего фактора, если он не превысил допустимые пределы. Таким образом, можно выделить допустимые интервалы внешних параметров (температуры, влажности, атмосферного давления, ионизирующего излучения и других), при которых система клеточного гомеостаза поддерживает относительное постоянство внутренней среды то есть возвращает параметры в нормальное состояние, при условии, что внешние воздействия не выводят их значения за пределы зон устойчивости.

Устойчивость в малом, но неустойчивость в большом. Будем говорить, что система устойчива в малом, но неустойчива в большом, если ограниченное изменение входного сигнала (набора входных сигналов) ведет к изменению в ограниченном диапазоне значений выходного сигнала (набора выходных сигналов).

Существование клетки в определенном диапазоне значений параметров хорошо прослеживается при воздействии радиации, или радиоактивного облучения. Учитывая, что каждый человек подвергается воздействию природной радиации, можно проследить, как ионизирующее излучение оказывает воздействие на клетку. Основу этого воздействия составляет передача энергии радиации клеткам организма.

На Земле всегда есть природный радиоактивный фон, который создают космическое излучение и радионуклиды, рассеянные в окружающей среде и всегда находящиеся в живых организмах. Радиация непрерывно воздействует на все живые организмы, в том числе на каждую клетку. Но ее уровень чрезвычайно мал, в среднем 0,2 сГрэй в год для человека, что в миллион раз меньше вредной для организма дозы облучения. Данный природный радиоактивный фон необходим для нормального существования клеточной системы.

Однако случайное облучение радиацией большой мощности способно привести к разрушению, повреждению и изменению определенных клеточных структур (белков, ДНК, РНК и их комплексов), гибели клеток. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления клеток.

К примеру, доказано, что кожа не выдерживает радиоактивного облучения или длительного и интенсивного облучения солнечным светом, так как разрушаются соединительнотканные структуры (коллаген и эластин), обеспечивающие плотность и упругость кожи, появляются признаки преждевременного старения.

Таким образом, если действует внешнее воздействие, при котором клетка теряет устойчивость, и нарушаются допустимые параметры ее существования, то возникает ряд патологических процессов, приводящих к гибели системы клетки в целом.

Управляемость клеточной системы. Каждая система, в том числе и система клетки, в любой момент времени находится в определенном состоянии, характеризуемом набором конкретных значений ряда параметров. Например, на мембранах нервных клеток существует определенная разность потенциалов, изменение которой приводит к возникновению и распространению нервного импульса по аксону. Переход из одного состояния системы в другое осуществляется за счет изменения значений параметров входных сигналов с учетом внешних воздействий. Так поступление внешнего стимула (света, шума) на рецепторную клетку приводит к изменению ее состояния (возбуждению), активации различных биохимических процессов. Будем говорить о том, что система управляема, если за счет изменения значений входных сигналов мы можем перевести ее состояние из начального в заранее определенное. Например, при избыточном поступлении кислорода в организм, происходит увеличение содержания кислорода в крови и соответствующая активация некоторых процессов в клетке (например, дыхания). Клетка начинает усиленно работать. Таким образом, управляемость системы – это способность перевода из текущего состояния в другие запланированные.

В данном разделе были отмечены и рассмотрены общие характеристики клетки как системы. Жизнедеятельность клетки связана с биофизическими, биохимическими, информационными и энергетическими процессами.

Читайте также: