Клетка является основной структурной единицей организма. В середине XIX века Т. Шванн создал клеточную теорию. ее основные положения утверждали, что все ткани состоят из клеток, а клетки животных и растений по принципу строения сходны между собой. Деятельность организмов - это совокупность жизнедеятельности всех клеток.
Большое влияние на дальнейшее развитие клеточной теории сделал Р. Вирхов. Он не только свел воедино многочисленные разрозненные факты, но и убедительно показал, что клетки является постоянной структурой и возникают только путем размножения, порождая себе подобные.
Клетка является элементарной единицей всего живого, так как ей присущи все свойства живых организмов: высокая упорядоченность ее структурных элементов, использование внешней энергии для обеспечения жизнедеятельности и поддержания упорядоченности (преодоление энтропии), обмен веществ, рост, размножение, передача биологической информации потомкам, реакция на раздражение, регенерация (восстановление), адаптация (приспособление) к окружающей среде.
Современная клеточная теория включает следующие принципиальные положения:
- Клетки является универсальной элементарной единицей живого;
- Клетки всех организмов сходны по строению, функцией и химическим составом; клетки сохраняют, превращают и реализуют генетическую информацию;
- Клетки размножаются только путем деления исходной (материнской) клетки;
- Многоклеточные организмы являются сложными целостными системами;
- Благодаря деятельности клеток происходит рост, развитие, обмен веществ и энергии в организме.
- Химическая организация клетки. В состав веществ, обеспечивающих жизнедеятельность клетки, входят почти все известные химические элементы, но четыре из них составляют 98% массы клетки. Это - кислород (65-75%), углерод (15-18%), водород (8-10%) и азот (1,5-3%). Другие элементы делятся на макроэлементы (около 1,9%) и микроэлементы (около 0,1%). К макроэлементов относятся: сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций и железо, к микроэлементов - цинк, медь, йод, фтор, марганец, селен, кобальт и т.д. Несмотря на очень малое содержание, микроэлементы играют важную биологическую роль. Они влияют на обмен веществ, без них невозможна нормальная жизнедеятельность каждой клетки и организма в целом.
- Клетка состоит из неорганических и органических веществ. Из неорганических веществ в клетке преобладает вода (до 80%).Вещества, растворяются в воде (соли, щелочи, кислоты, белки, углеводы, спирты и др.), называются гидрофильными.
Гидрофобные вещества (жиры и жироподобные вещества) не растворяются в воде. Есть органические вещества с удлиненными молекулами, у которых один конец гидрофильный, а другой гидрофобный: их называют амфипатичнимы. Примером амфипатичних веществ являются фосфолипиды, которые являются составной частью биологических мембран.
- Неорганические вещества (соли, кислоты, щелочи, положительные и отрицательные ионы) составляют от 1,0 до 1,5% массы клетки. Среди органических веществ преобладают белки (10-20%), жиры или липиды (1-5%), углеводы (0,2-2,0%), нуклеиновые кислоты (1-2%). Содержание низкомолекулярных веществ в клетке не превышает 0,5%.
- Молекула белка является полимером, она состоит из многочисленных единиц (мономеров), которые повторяются.
Мономеры белка - аминокислоты (их 20), которые соединяются между собой пептидными связями и образуют полипептидные цепи (первичную структуру белка). Цепь закручивается в спираль - вторичная структура белка.
Белки выполняют важнейшие жизненные функции. В частности, белками являются ферменты (биологические катализаторы), что значительно увеличивают скорость химических реакций в клетке. Белки, входя в состав всех клеточных структур, выполняют пластическую (строительную) функцию. Они образуют клеточный каркас. Движение клеток осуществляют специальные белки (актин, миозин, динеин). Белки обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану и внутри клетки.
Антитела, выполняющие защитную функцию, также являются белками. Наконец, белки являются одним из источников энергии.
Углеводы делятся на моносахариды и полисахариды. Полисахариды также построены из мономеров - моносахаридов. Среди моносахаридов в клетке важнейшими являются глюкоза (содержит 6 атомов углерода) и пентозы (5 атомов углерода).
Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде, полисахарид малорастворимые. В животных клетках полисахариды представлены гликогеном. Углеводы являются источником энергии. Сложные углеводы, соединенные с белками (гликопротеины) и с жирами (гликолипиды), являются составными клеточных мембран и играют важную роль во взаимодействиях клеток.
К липидов относятся жиры и жироподобные вещества. Молекулы жиров построены из глицерина и жирных кислот. Жироподобные веществами являются холестерин, некоторые гормоны, лецитин. Липиды являются основным компонентом клеточных мембран (описаны ниже), а также важнейшим источником энергии. Например, если при полном окислении 1 г белка или углеводов выделяется 17,6 кДж энергии, то при полном окислении 1 г жира - 38,9 кДж.
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами, что образованные из мономеров - нуклеотидов, каждый из которых состоит из пуриновых или пиримидиновых оснований, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Во всех клетках есть два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), отличающиеся между собой по составу азотистых оснований и сахаров.
Молекула ДНК состоит из двух разнонаправленных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.
Азотистые основания расположены внутри двойной спирали. Азотистые основания обеих цепей соединены между собой комплементарно водородными связями, при этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином (А - Т, G - С).
Количество гуанина всегда равно количеству цитозина, а количество тимина - количества гуанина Одно кольцо спирали имеет длину 3,4 нм и содержит 10 пар азотистых оснований, а диаметр спирали составляет около 2 нм. ДНК хранит в себе генетическую информацию, которая закодирована последовательностью расположения азотистых оснований. Она определяет специфичность синтезированных клеткой белков, то есть последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Вместе с ДНК дочерним клеткам передается генетическая информация, определяющая все свойства клетки во взаимодействии с условиями среды. ДНК содержится в ядре и митохондриях клеток. Молекула РНК образована только одним полинуклеотидных цепью.
Организм человека состоит примерно из 6 х 1013 клеток. Размеры клеток человека колеблются от нескольких микрометров (например, малые лимфоциты имеют диаметр примерно 7 мкм) до 200 мкм (яйцеклетка). Напомним, что 1 микрометр (мкм) =- 10_6 м, 1 нанометр (нм) = 109 г. Форма клеток разнообразна. Они могут быть шаровидными, овоиднимы, грушевидными, веретенообразных, плоскими, кубическими, призматическими, полигональных, пирамидальными, звездчатыми т.д.
Основными функциональными структурами клетки являются ее поверхностный комплекс, цитоплазма и ядро. Поверхностный комплекс состоит из гликокаликса, клеточной мембраны (плазмолемы) и кортикального слоя цитоплазмы. В цитоплазме выделяют гиало-плазму (матрикс, цитозоле), органеллы и включения (рис. 1 Таблицу 2).
Основными структурными компонентами ядра является кариолема (кариотека), кариоплазма и хромосомы. Петли некоторых хромосом могут переплетаться, и в этом участке образуется ядрышко.
Плазмолема, кариолема и ряд органелл образованные из биологических мембран.