Клеточная теория
Клеточная теория — это базовая теория цитологии и, как следствие, многих других разделов биологических наук. Естественно, как и многие теории, клеточная теория появилась не вдруг, как озарение. Этому предшествовало множество исследований многих ученых.
Начало изучению клеток положил Э. Левенгук — человек впервые наблюдавший одноклеточные организмы, далее были исследования Р. Гука, впервые наблюдавшего клетки в составе многоклеточного организма. Затем были наблюдения М. Мальпиги, Н Грю, Ф. Фонтана, Я Пуркинье, Р Броун и др. И все это позволило М. Шлейдену и Т. Шванну в 1838 году сформулировать обобщающие положения о строении и функционировании клетки. Эти положения были дополнены и исправлены в 1858 году Р. Вирховым. Собственно, тогда впервые появилась клеточная теория в современном звучании.
Эта теория проходила проверку временем, дополнялась, положения получали более современное звучание с учетом дополнительных знаний, но несмотря на все изменения, ее основная суть не менялась, и теория не была отвергнута или полностью пересмотрена.
Ниже представлены положения клеточной теории из учебника Ю. С. Ченцова «Введение в клеточную биологию» Москва издательство «Акдемкнига» 2004 год. Сами положения выделены подчеркиванием. А после каждого положения располагается, можно сказать, попытка расшифровать и дать более полную трактовку, облегчающую понимание (хотелось бы на это надеяться).
1. Клетка — элементарная единица живого: вне клетки нет жизни.
Для живого характерны такие признаки как метаболизм (взаимное превращение молекул и построение из них клеточных компонентов), размножение (образование следующих поколений), рост (увеличение веса и размера) и развитие (изменения в ходе жизненного цикла). Клетки состоят из молекул, которые в свою очередь образуют комплексы и органеллы. Главным доказательством этого положения клеточной теории является существование одноклеточных организмов: бактерий, простейших, одноклеточных грибов и водорослей. Вирусы, как вариант формы жизни, существуют только внутри клеток, и без клетки хозяина погибают.
Клетку можно разрушить, не повредив органеллы, и отделить интересующие органеллы для дальнейшего исследования, для этого существуют специальные методы. Но отдельные органеллы не растут и не могут себя воспроизвести, и реакции в них происходят только характерные для данной органеллы, метаболизм в полном объеме не происходит. А когда в среде, в которую помещены органеллы, истощается запас необходимых молекул, метаболизм тоже прекращается, и органелла начинает распадаться можно сказать гибнет. По моим наблюдениям за отдельными митохондриями, гибель начинается через полчаса после выделения митохондрий из клеток.
2. Клетка — единая система, включающая множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование, состоящее из сопряженных функциональных единиц - органелл или органоидов.
Все эукариотические клетки состоят из трех основных компонентов: клеточной оболочки, ядра и цитоплазмы. Клеточная оболочка состоит из цитоплазматической мембраны, строение которой будет рассмотрено в одной из следующих статей, и которая характерна для всех клеток, у растений и грибов в состав клеточной оболочки кроме цитоплазматической мембраны входит клеточная стенка. В ядре различают хроматин (хромосомы), ядрышки, ядерную оболочку, нуклеоплазму (кариоплазму) и ядерный белковый остов (матрикс) Цитоплазма неоднородна по своему составу и строению и включает в себя гиалоплазму (матрикс), в которой находятся органеллы; каждая из них выполняет обязательную функцию. Часть органелл имеет мембранное строение, то есть ограничены мембраной: эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии. Немембранные органеллы цитоплазмы представлены рибосомами, клеточным центром, ресничками, жгутиками и цитоскелетом Кроме того, в гиалоплазме могут встретиться и иные структуры или включения (жировые капли, пигментные гранулы и др.).
Каждый компонент клетки выполняет свою функцию, и может функционировать вне клетки только в определенных условиях и ограниченное время.
Органеллы взаимодействуют между собой. Например, ферменты нуклеплазмы синтезируют на ДНК хромосом матричную РНК, которая поступает в гиалоплазму, где соединяется с рибосомами, которые начинают на ней синтезировать белок, часть рибосом присоединяется к мембране гранулярного эндоплазматического ретикулума (грЭПС), и белок попадает в просвет грЭПС, где его ферменты присоединяют к белку полисахариды, затем белок внутри мембранных пузырьков переносится от грЭПС в комплекс Гольджи, где полисахарид модифицируется ферментами комплекса Гольджи, а затем в составе уже других мембранных пузырьков перемещается к цитоплазматической мембране и встраивается в нее, обеспечивая рост клетки. Перемещение пузырьков происходит по элементам цитоскелета.
3. Клетки сходны (гомологичны) по строению и по основным свойствам.
Несмотря на то, что растения, грибы и животные отличаются по множеству параметров. Строение их клеток имеет общий план, описанный выше. Растения могут иметь дополнительные органеллы такие как пластиды и вакуоль, а также клеточную стенку, зато в клетках растений слабо развит цитоскелет и отсутствует центриоль. Грибы также имеют клеточную стенку, но не все имеют вакуоли. Но обязательно присутствуют цитоплазматическая мембрана, ядро и цитоплазма. Могут отличаться по строению и белковому составу базовые органеллы типа митохондрий, но они всегда присутствуют в клетке.
4. Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала (ДНК): клетка от клетки.
Т Шванн в своих обобщениях подчеркивал одинаковость принципа развития клеток как у животных, так и у растений. Однако следует заметить, что первоначальная разработка этого принципа основывалась на ложном тезисе о развитии клеток из неклеточной «бластемы».
Сформулированное позднее Р Вирховым положение «всякая клетка от клетки» можно считать биологическим законом. Размножение клеток, прокариотических и эукариотических, происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала (репродукция ДНК). У эукариотических клеток единственно полноценным способом деления является митоз, или непрямое деление. То есть появление новых клеток это результат деления родительских клеток и дифференцировки клеток потомков.
5. Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).
Как мы знаем многоклеточные организмы, например человек, состоят из из органов сердце, мозг желудок и другие. Каждый орган состоит из тканей. Например, стенка желудка включает в себя 4 слоя. Внутренний слой — слизистая, образован железистой эпителиальной тканью, выстилающей желудок (клетки, секретирующие слизь), а также образующей железы желудка, кроме эпителиальной ткани в состав слизистой входит рыхлая волокнистая соединительная и гладкомышечная ткани. Под слоем слизистой располагается слой подслизистой, образованный рыхлой волокнистой соединительной тканью. Под подслизистой располагается мышечная оболочка образованная гладкой мышечной тканью. Снаружи располагается 4 слой — серозная оболочка, состоящая из рыхлой волокнистой соединительной и однослойной плоской эпителиальной тканей. Так же в стенке желудка располагаются нервы и нервные узлы образованные нервной тканью, кровеносные сосуды содержащие кровь.
Согласно определению ткань — это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, строением и выполняемыми функциями.
Клетки каждой ткани имеют свою морфологию (строение) и функцию. В мышечных клетках развиты митохондрии и цитоскелет. В клетках железистого эпителия развиты грЭПР и комплекс Гольджи. Мышечные клетки сокращаются, измельчая и перемешивая содержимое желудка, это как раз и обеспечивает развитый и содержащий миофибриллы, цитоскелет, а энергию для этого поставляют митохондрии в молекулах АТФ. Железистый эпителий синтезирует и секретирует ферменты желудка, которые являются белками, и для их синтеза нужно много рибосом, развитые грЭПР и комплекс Гольджи.
Клетки тканей также синтезируют волокна и аморфное вещество, которые секретируются в окружающую среду и формируют межклеточное вещество. Аморфное вещество образует структуры, напоминающие гель на разной степени застывания (как пример холодец или желе находившиеся разный период времени в холодильнике, их состояние варьирует от полужидкой до очень плотной консистенции). Основой аморфного вещества являются протеогликаны (комплекс белков и полисахаридов, более подробно можно посмотреть в учебнике биохимии). Второй компонент межклеточного вещества — волокна. Это белковые фибриллы, образованные разными белками. Выявляют толстые, прочные плохо растяжимые коллагеновые волокна, которые придают ткани прочность и плохую эластичность. Второй тип волокон — эластические, как понятно из названия они обеспечивают растяжимость или эластичность ткани.
У животных организмов, кроме отдельных клеток, встречаются неклеточные структуры — так называемые симпласты и синцитии.
Симпласты — это крупные образования, состоящие из цитоплазмы (протоплазмы) с множеством ядер. Примерами симпластов могут быть мышечные волокна позвоночных, наружный слой трофобласта плаценты и др. Они возникают вторично в результате слияния отдельных клеток или же при делении одних ядер без разделения цитоплазмы (цитотомии).
Синцитии характеризуются тем, что после деления исходной клетки дочерние остаются связанными друг с другом с помощью тонких цитоплазматических перемычек. Такие синцитии можно наблюдать при развитии сперматогониев, или в ретикулярной ткани, формирующая основу лимфатических узлов.
6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т. е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - к дифференцировке.
Тотипотентность клеток подтверждается тем фактом, что многоклеточный организм образуется из одной клетки зиготы, обладающей полной тотипотентностью, тотипотентность сохраняется у бластомеров на первых деления зиготы на стадии дробления, именно из разделившихся бластомеров могут образоваться однояйцевые близнецы, максимальное количество родившихся у одной матери однояйцевых близнецов — 5. Также тотипотентность характерна для растительных клеток. Кусочек листа или клубня можно перевести в массу не дифференцированных клеток — каллус, из которого затем можно вырастить целое растение. Метод получил название микроклонирование и используется для получения элитных сортовых растений.
Так же тотипотентностью обладают дифференцированные клетки некоторых позвоночных. Например, в одном из своих опытов эмбриолог Дриш уничтожил ядро оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) лягушки и перенес в нее ядро из кожного эпителия, в результате из такой «гибридной» зиготы развился полноценный организм. У млекопитающих такой эксперимент также проводился (так получили овечку Долли), но переход дифференцированной клетки в истинное тотипотентное состояние требует особых условий.
В ходе развития из зиготы клетки начинают синтезировать определенные белки, что приводит к развитию разных органелл и приобретению клеткой определенного строения и функций, этот процесс называется дифференцировкой, но клетки утрачивают способность к синтезу других белков, сохраняя одно или несколько направлений для дифференцировки, но генетический материал сохраняется во всех клетках в полном объеме, поэтому можно создать искусственные условия для перехода клетки в состояние тотипотентности.
Итак, в данной статье рассмотрены история и положения клеточной теории. Надеюсь, она поможет понять эту теорию и рассказать о ней в полном объеме.