Клетка

Клетка (cytus) — основная структурно-функциональная единица, определяющая строение, жизнедеятельность, развитие и размножение животных и растительных организмов за исключением вирусов; элементарная живая система, способная к обмену веществ с окружающей средой и к самовоспроизведению. К. могут существовать как самостоятельные организмы (бактерии, одноклеточные водоросли, грибы, простейшие) или образуют ткани многоклеточных организмов. Наука о клетке — цитология — имеет ряд направлений, главными из которых являются цитоморфология, цитофизиология и цитопатология. В зависимости от уровня клеточной организации различают два типа К.: прокариоты, или доядерные, и эукариоты, или ядерные. Прокариотические К. типичны для синезеленых водорослей и бактерий, из эукариотических клеток состоят все другие растительные и животные организмы. Основными структурами эукариотической К. являются ядро, погруженное в цитоплазму, мембранная система, органоиды, а также специализированные структуры. Ядро К. состоит из кариоплазмы (нуклеоплазмы), одного или нескольких ядрышек и ядерной оболочки. Как правило, в К. имеется лишь одно ядро, но существуют и дву- и многоядерные клетки. Кариоплазма содержит всю хромосомную ДНК клетки, которая в ассоциации с основными белками — гистонами — образует нити хроматина (см. Нуклеиновые кислоты) — нуклеогистоны.

В этих нитях гистоны формируют дискообразные комплексы, вокруг которых обвиваются суперспирали ДНК. В результате возникают повторяющиеся структуры типа бус — нуклеосомы; последние, в свою очередь, складываются в виде спирали, благодаря чему достигается чрезвычайно компактная упаковка гигантских молекул ДНК, длина которой в каждой хромосоме в среднем равна 5 см. В зависимости от уровня конденсации ДНК различают эухроматин, т.е. зоны полной деконденсации, и гетерохроматин, где упаковка нуклеосом настолько плотна, что их комплексы видны в световой микроскоп как гранулы различных размеров (см. Хромосомы). В кариоплазме между нитями хроматина содержатся кислые (негистоновые) белки, многие из которых участвуют в регуляции матричной деятельности участков ДНК (генов), гранулы рибонуклеопротеинов (РНП), различные ферменты и др. Кроме того, здесь выявляется система белковых нитей диаметром 2 нм, которые объединяются в фибриллы высших порядков диаметром до 20—30 нм, формируя структурный матрикс ядра. Под оболочкой ядра матрикс сгущается в плотную пластинку, с которой связаны участки хромосом и поровые комплексы оболочки ядра. Вдоль хромосом друг за другом располагаются участки, в которых осуществляется самовоспроизведение (репликация) молекул ДНК; эти участки называют репликонами. В ядре находятся ядрышки, содержащие РНК; размеры ядрышек (1—5 мкм) могут варьировать в зависимости от состояния клетки.

Ядро окружено ядерной оболочкой, состоящей из внутренней и наружной мембран; пространство между ними называется перинуклеарным. Ядерная оболочка активно участвует в обмене веществ между ядром и цитоплазмой. В цитоплазме различают гиалоплазму, мембранную систему, органоиды и разнообразные включения. Гиалоплазма (цитозоль, матрикс цитоплазмы) — сложная биоколлоидная система, которая объединяет все структуры К. и служит средой для их химического взаимодействия. Важную роль в этих процессах играют растворенные в цитозоле ферменты и АТФ. Кроме того, гиалоплазма содержит субмикроскопическую трехмерную сеть белковых волоконец трех типов: микрофиламенты (актиновые филаменты) диаметром 4—7 нм, построенные из сократимых белков, промежуточные филаменты (микрофибриллы) диаметром около 10 нм и микротрубочки — неветвящиеся полые цилиндры диаметром около 25 нм. Ряд вспомогательных белков связывает эти волоконца в каркас К. — цитоскелет; по периферии К. сгущение филамент формирует терминальную сеть. Изменения в цитоскелете влияют на вязкость цитоплазмы; локальные изменения вязкости вместе с сокращениями микрофиламентов приводят к движению К.

Цитоскелет участвует также во внутриклеточном транспорте веществ и, возможно, в пространственной организации ферментных систем клетки. Покрывающая клетку оболочка (плазматическая мембрана, плазмолемма) представляет собой комплекс липидных и белковых молекул. Первые образуют непрерывный двойной слой толщиной 6—10 нм (липидный бислой), в который погружены молекулы структурных, транспортных, рецепторных и других белков; липидный бислой определяет структурные особенности мембраны, а белки — большинство ее функций (см. Мембраны биологические). На внешней поверхности К. выступают цепи углеводов, соединенных с белками (гликопротеины) или с липидами (гликолипиды) плазмолеммы; эта внешняя зона толщиной 3—4 нм называется гликокаликс. Специализированные участки плазматических мембран соприкасающихся К. образуют межклеточные контакты различного строения. На свободной поверхности ряда типов К. имеются микроворсинки, реснички, жгутики и др. Подобно цитоскелету, плазматическая мембрана — динамичная структура, регулирующая взаимодействие между К. и ее окружением, включая другие К. При прохождении частиц и макромолекул внутрь К. (эндоцитоз) или при выведении их из К. (экзоцитоз) от плазмолеммы непрерывно отрываются одни участки и в нее встраиваются другие (круговорот мембранных компонентов К.). Процесс эндоцитоза разделяют на фагоцитоз (захват корпускулярных частиц) и пиноцитоз (захват коллоидов). Участок мембраны, отрывающийся в цитоплазму вместе с захваченным материалом, образует фагосому; в дальнейшем переваривании содержимого фагосомы участвуют ферменты лизосом. Захват частиц и макромолекул на поверхности К. обеспечивается специальными рецепторными белками. После этого рецепторы собираются в маленьком участке мембраны, под которым скапливается белок клатрин, формирующий здесь кайму.

Погружаясь в К., такой участок образует окаймленную ямку, где концентрируются однородные, соответствующие рецептору макромолекулы, поглощаемые почти без внеклеточной жидкости (рецепторный эндоцитоз). С плазматической мембраной сходны по строению внутренние мембраны К. — цитомембраны. Они разделяют внутреннее пространство К. высших организмов на отсеки — компартменты, которые организуют процессы обмена и обеспечивают возможность одновременного течения в одной К. многих химических реакций, подчас несовместимых друг с другом. Эти отсеки называют мембранными органоидами. Органоиды (органеллы) цитоплазмы представляют собой постоянные структуры К., выполняющие определенные функции. К ним относятся эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, митохондрии, рибосомы и др. Эндоплазматический ретикулум (эндоплазматическая сеть) представляет собой систему цистерн, канальцев и вакуолей, ограниченных цитомембраной. Различают гранулярный (шероховатый) и агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум; в первом преобладают плоские мешочки — цистерны, во втором — канальцы. Мембраны шероховатого ретикулума со стороны гиалоплазмы покрыты рибосомами.

Степень развития этого органоида зависит от уровня метаболической активности и дифференцировки К.: он сильнее развит в клетках, активно синтезирующих белки. Комплекс Гольджи — система уплощенных цистерн и пузырьков, окруженных мембраной; обычно находится неподалеку от ядра. В секретирующих К. этот органоид располагается на обращенной к внешней среде стороне ядра. От структур комплекса Гольджи отделяются пузырьки, которые, сливаясь, формируют секреторные гранулы. Митохондрии окружены двойной оболочкой, состоящей из наружной и внутренней мембран; их размер 0,2—2,0 мкм, т.е. они видны в световой микроскоп. Внутренняя мембрана образует складки (кристы), вдающиеся в заполняющий внутреннюю камеру митохондрии матрикс; последний содержит кольцевые молекулы ДНК и митохондриальные рибосомы. В растительных К. этим органоидам соответствуют пластиды, осуществляющие фотосинтез. Главная функция митохондрии — участие в энергетическом обмене. Лизосомы — окруженные одинарной мембраной тельца размером 0,2—0,4 мкм. В них находятся ферменты (гидролазы), которые осуществляют расщепление макромолекул и частиц как захваченных К. извне, так и завершивших цикл своего существования в К. Первичные лизосомы развиваются в комплексе Гольджи. Сливаясь с фагосомами, они образуют вторичные лизосомы, в которых происходит переваривание и усвоение захваченных веществ. Часть лизосом (аутолизосомы, цитолизосомы) переваривают отмирающие структуры самой К.

Лизосомы с остатками непереваренных веществ называют телолизосомами (остаточные тельца). Рибосомы — немембранные органоиды, содержащиеся во всех живых К., это универсальный аппарат синтеза белковых молекул. Они построены из белков и РНК; в функционирующем состоянии слагаются из большой и малой субъединиц и имеют размеры 25*20*20 нм. Микротельца — общее название окруженных мембраной пузырьков диаметром 0,1—1,5 мкм. В их сердцевине находятся ферменты, катализирующие различные окислительные реакции. Например, ферменты пероксисом катализируют образование и разрушение Н2О2, что используется в ряде метаболических циклов. Клеточный центр (центросома) состоит из пары центриолей (диплосома), окруженных тонковолокнистой зоной (центросфера). Каждая центриоль имеет форму цилиндра размером около 0,3—0,5*1,5 мкм. Этот органоид — центр организации микротрубочек цитоплазмы; он связан с развитием ресничек и жгутиков, образованием веретена деления и в целом с координацией движений клетки. В некоторых К. (мышечных, нервных), помимо названных общеклеточных органоидов, имеются специальные органоиды (миофибриллы, синаптические пузырьки), связанные с выполнением К. ее специфических функций. Цитоплазма может содержать включения — относительно непостоянные компоненты, образующиеся и исчезающие в ходе клеточного метаболизма.

Они видны в световой микроскоп как плотные (гранулы) или жидкие (вакуоли) глыбки и капли. Различают трофические (белки, жиры, гликоген), секреторные, экскреторные и пигментные включения. Все разнообразие К. животного организма возникает путем их развития из одной оплодотворенной яйцеклетки В ходе разделения функций (специализации) К. приобретают одни и утрачивают другие структуры. В результате процесса дифференцировки у человека образуется около 1013 клеток, которые принято объединять в 4 тканевых типа: эпителиальные, соединительнотканные, мышечные и нервные. Размеры К. колеблются от 4—6 мкм (малые лимфоциты человека) до нескольких сантиметров (яйцеклетки птиц); протяженность отростков нервных К. достигает 1,5 м. Биосинтетические процессы в клетке. Генетическая информация молекул ДНК реализуется путем синтеза на матрице расплетенных нитей ДНК молекул РНК. Этот процесс называют транскрипцией. По мере образования нити РНК соединяются с белками в рибонуклеопротеиновые комплексы (РНК).

В транскрипции участвует очень малая часть клеточной ДНК эухроматина. Первоначально образуются длинные молекулы так называемой гетерогенной ядерной РНК; в ходе созревания (процессинга) из нее, как правило, вырезаются и удаляются значительные участки (интроны). Зрелую РНК, которая служит матрицей для синтеза белков в цитоплазме, называют информационной РНК (иРНК). Кроме нее на матрицах особых генов синтезируются РНК транспортные (тРНК) и рибосомные (рРНК). Выходя в цитоплазму, молекулы тРНК соединяются в цитозоле с аминокислотами, причем каждому виду тРНК соответствует своя аминокислота, а комплексы рРНК с белками формируют малые и большие субъединицы рибосом. Синтез белка на матрице иРНК (трансляция) протекает в цитоплазме (см. Белки). Белки, идущие в основном на нужды самой К., синтезируются на свободных рибосомах цитозоля; при синтезе мембранных или секреторных (подлежащих выделению) белков рибосомы прикрепляются к мембранам эндоплазматического ретикулума, составляя их гранулярный компонент. Липиды образуются на мембранах агранулярного ретикулума. Синтезированные вещества поступают в полости ретикулума и транспортируются в комплекс Гольджи; по мере продвижения они созревают и в конечном счете формируют секреторные пузырьки, направляющиеся к плазматической мембране. Перенос веществ между органоидами К. осуществляют окруженные мембраной транспортные пузырьки. Процессы биосинтеза идут с поглощением энергии, основным поставщиком которой служат митохондрии.

Здесь энергия, высвобождающаяся в ходе окислительных реакций, улавливается и накапливается в виде молекул АТФ; по мере надобности эти молекулы, расщепляясь, освобождают необходимую энергию. Некоторую роль в обмене энергии играет также АТФ цитозоля. Таким образом, информация, поступающая из ядра, определяет (детерминирует) синтез макромолекул в цитоплазме. Однако часть проектов биосинтеза поступает в ядро, осуществляя регуляцию по типу обратной связи или непосредственно, как, например, гистоны, включаясь в состав хромосом. Влияние микроокружения на жизнедеятельность и дифференцировку К. также передается через цитоплазму. Ядро и цитоплазма составляют неразрывное целое. Каждый из этих компонентов в отдельности может жить лишь ограниченное время и неспособен к самовоспроизведению, поэтому любое проявление жизнедеятельности К. — результат взаимодействия ее взаимосвязанных компонентов. Биосинтетические процессы идут в К. непрерывно, пока в ней сохраняется оформленное ядро (период интерфазы) и практически прекращаются во время деления К. (период митоза). Период времени от возникновения К. в результате деления материнской К. до ее собственного деления или гибели называют клеточным циклом.

Последовательные периоды цикла обозначают символами G1, S, G2 и М. В G1 (пресинтетический период) синтезируются и накапливаются вещества, необходимые для репликации ДНК. В позднем G1-периоде наступает момент (точка рестрикции, R-точка), когда К. может выйти из цикла и выполнять свои специфические функции, не связанные с делением. Такие «покоящиеся» К. называют клетками, находящимися в периоде G0 цикла. В этом состоянии К. могут пребывать неопределенно долго; при этом одни К. (например, нервные) утрачивают способность размножаться, другие (например, гепатоциты) ее сохраняют и после повреждения ткани возвращаются в цикл. Длительность цикла определяется в основном длиной периода G1. Период G1 заканчивается удвоением центриолей клеточного центра. Для S-периода характерно удвоение молекул ДНК в ядре К. В силу неодновременности репликации по длине ДНК этот период длится 6—10 ч.

Период G2 продолжается 2—5 ч; в это время К. готовится к митозу. В митозе (период М) происходят сложные преобразования ядра К., обеспечивающие преемственность хромосом в ряду клеточных поколений и появление генетически равнозначных дочерних клеток. В периоде М различают 4 фазы (рис. 6); его длительность 1—2 ч. Профаза начинается е расхождения пар центриолей к полюсам К.; между ними из микротрубочек формируется веретено деления. Сама К. округляется, в ее ядре конденсируются и становятся видимыми в световой микроскоп двойные нити хромосом. Ядрышки и оболочка ядра разрушаются. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости К. в виде метафазной пластинки. Каждая хромосома слагается из двух продольных нитей (хроматид), соединенных центромерой; последние прикреплены к нитям веретена деления специальными структурами — кинетохорами. Весь этот механизм, обеспечивающий точное распределение материала хромосом между дочерними клетками, называется митотическим аппаратом. В анафазе хроматиды расходятся к разным полюсам. К. вытягивается, принимает удлиненную форму. С момента разделения хроматиды получают махание дочерних хромосом; в каждое из дочерних ядер попадает по одной хроматиде каждой хромосомы. В телофазе фрагменты разрушенной ядерной мембраны связываются с дочерними хромосомами; по мере их деконденсации эти фрагменты сливаются в общую оболочку ядра. Происходит реконструкция дочерних ядер, синтез новых ядрышек, разрушение митотического аппарата. В поздней анафазе или в телофазе между дочерними ядрами появляется борозда деления, или поперечная перегородка, и тело К. разделяется на две дочерние К. (цитокинез цитотомия).

При нарушении цитотомии митоз может завершиться образованием дву- или многоядерных клеток. Особой формой деления К. является мейоз, при котором двум последовательным делениям К. предшествует лишь однократная репликация ДНК. В результате образуются половые клетки, содержащие вдвое меньше ДНК и хромосом, чем остальные (соматические) К. организма. При слиянии половых К. (оплодотворении) характерное для К. данного организма число хромосом восстанавливается (см. Размножение, Зародыш). Увеличение клеточной массы может протекать и без разделения К. путем последовательною, иногда многократного, удвоения молекул ДНК и, соответственно, числа хромосом в ядре. Эти процессы называют эндорепродукцией, а образующиеся в результате их К. — полиплоидными. В некоторых случаях полиплоидные или диплоидные К. (чаще их ядра) разделяются без нарушения целостности ядер и ядрышек путем прямого деления — амитоза. Различные формы амитоза нередко встречаются при патологических процессах (воспаление, злокачественный рост), а также в ходе регенерации и старения клетки. Старение К. сопровождается нарушениями биосинтетических процессов, включая транскрипцию и трансляцию генетической информации, а также репликацию и репарацию ДНК. Изменяются физико-химические свойства белков хроматина ядер К., увеличивается прочность связывания гистонов с ДНК.

Накопление дефектных макромолекул ведет к изменениям структуры цитозоля и органоидов и к нарушению функции К. Разные К. стареют по-разному. В нервных К., в элементах миокарда и скелетных мышц накапливаются так называемые пигменты износа, например липофусцин. Темп деления короткоживущих К. замедляется. Есть данные, что потомки каждой К. проходят определенное, генетически детерминированное число клеточных циклов. Для фибробластов (см. Соединительная ткань) это число равно 20—50. Наряду с деструктивными процессами в стареющих К. наблюдаются также приспособительные процессы, направленные на восстановление функций К. По мере нарастания деструкции и угасания восстановления наступает естественная смерть клетки. Деструкция и смерть К. могут наступить также вследствие действия различных повреждающих факторов. Эти процессы изучает цитопатология. На многие виды повреждений К. может отвечать однотипной реакцией в виде комплексных изменений цитоплазмы (изменения вязкости, способности воспринимать красители), ядра (конденсация хроматина, скопление его глыбок по периферии ядра — маргинация хроматина) и ядрышек (изменение числа и размеров, исчезновение). Число повреждающих факторов, как правило, превышает набор возможных морфологических изменений К., поэтому определить (диагностировать) причину повреждения удается лишь на основании анализа комплекса изменений совокупности (популяции) К. Но иногда в реакции К. выявляются и специфические черты. Так, повреждение отдельных хромосом половых К. может лежать в основе наследственных болезней. Структурные изменения К. сопровождаются нарушениями их жизнедеятельности. В зависимости от характера, интенсивности и продолжительности действия повреждающего агента патологические изменения К. могут быть обратимыми (см. Дистрофии клеток и тканей) или необратимыми (см. Некроз).

Выделение из ядра жидкости со сжатием хроматина в крупные глыбки или в единую массу и с исчезновением ядрышка называют пикнозом. К тяжелым необратимым изменениям ядра, сопряженным с гибелью К., относятся кариорексис (распад на отдельные глыбки) и кариолизис (выход содержимого ядра в цитоплазму). Изменения ядра часто сочетаются с расширением (отеком) перинуклеарного пространства. В цитоплазме наблюдаются признаки нарушения циркуляции внутриклеточной жидкости, изменения проницаемости мембранных структур К., гипертрофические и атрофические процессы и др. К частым морфологическим проявлениям патологии К. относятся набухание и разрушение митохондрий, распад одномембранных органоидов на мелкие пузырьки, разрушение элементов цитоскелета. Во всех этих процессах важную роль играют ферменты лизосом; в тяжелых случаях их мембрана разрывается, и высвободившиеся ферменты обусловливают разрушение (лизис) клетки. Среди разнообразных форм клеточной патологии особо выделяют вирусную цитопатологию. Проникая в К., вирусы вносят в нее чужеродную генетическую информацию, резко изменяющую ход биосинтетических процессов. В частности, вирусные иРНК связываются со многими рибосомами К., формируя вирусспецифические полисомы, на которых синтезируются белки не клетки, а вируса. Репликация вирусных нуклеиновых кислот и сборка вирусных частиц протекают в зависимости от свойств вируса в цитоплазме или в ядре К. Специфическими морфологическими признаками вирусной инфекции служат вирусные включения, видимые в световой микроскоп. Форма, расположение, структура и химические особенности включений характерны для каждого семейства вирусов, так что диагноз нередко можно поставить на основании изучения отдельной К. Ряд вирусов (кори, оспы) вызывает слияние К. с образованием многоядерных симпластов.

Комплекс изменений, предшествующих гибели К. при вирусной инфекции, называют цитопатическим эффектом; вирусы, вызывающие гибель зараженных ими К., называют цитопатогенными. Изменения зараженных вирусами К. лежат в основе патогенеза ряда вирусных заболеваний. Специфичность морфологических изменений К. используют в лабораторной диагностике вирусных инфекций для индикации вируса в клеточных культурах и выявления антител в сыворотке больных или перенесших заболевание Вирусы, имеющие липопротеидную оболочку, выходят из К. путем почкования по типу экзоцитоза; при этом К. погибает спустя некоторое время. Другие вирусы освобождаются путем «взрыва», вызывая быстрое разрушение К. Вирусные инфекции, ведущие К. к гибели, называют цитолитическими (цитоцидными). Некоторые семейства вирусов способны, не разрушая К., объединяться (интегрировать) с ее хромосомами. При такой интегративной форме инфекции вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть генома К. Геном или часть генома вируса в составе хромосом К. называют провирусом. Включаться в геном К. могут ДНК-содержащие онкогенные вирусы, аденовирусы, вирусы гепатита В и герпеса.

РНК-содержащие ретровирусы имеют в вирионе особый фермент — обратную транскриптазу, которая обеспечивает синтез ДНК на матрице вирусной РНК. Такой ДНК-транскрипт играет роль провируса. Опухолевая трансформация К. при ее заражении онковирусами обусловлена онкогенами — участками клеточного генома. захваченными онковирусом в ходе его образования в К. Вирус транспортирует онкоген в определенное место генома К., результатом чего является нарушение регуляции деления К. (см. Опухоли).

Библиогр.: Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки, пер. с англ., т. 1—5, М., 1986; Дин Р. Процессы распада в клетке, пер. с англ., М, 1981; Епифанова О.И., Терских В.В. и Полуновский В.А. Покоящиеся клетки: Свойства и функции в организме, М., 1983; Збарский И.Б. Организация клеточного ядра, М., 1988; Либерман Е.А. Живая клетка, М., 1982; Мецлер Дэвид Э. Биохимия: Химические реакции в живой клетке, пер. с англ., т. 1—3, М., 1980; Серов В.В. и Пауков В.С. Ультраструктурная патология, М., 1975; Ченцов Ю.С. Общая цитология, М., 1984.