Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow БИОТЕХНОЛОГИЯ
Посмотреть оригинал

Клетка как основа жизни биологических объектов

Основной формой существования жизни является клетка. В ней протекают все физиологические процессы как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Рост и размножение организмов также связаны с образованием новых клеток, которое зависит от происходящих в них биохимических процессов, называемых обменом веществ или метаболизмом.

Клетка является элементарной единицей жизни: в ней имеется все необходимое для поддержания обмена веществ и размножения. Соматические и половые клетки многоклеточных животных и растений, а также одноклеточные организмы в основном сходны по строению.

Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток — это клетки, относящиеся к прокариотической и эукариотической группам. Переход от маленьких клеток — прокариот — со сравнительно простой внутренней структурой (клетки бактерий и синезеленых водорослей) к большим по размеру и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам, подобным клеткам высших животных и растений, произошел приблизительно 1,5 млрд лет назад.

Основные структурные различия про- и эукариот:

  • — наличие или отсутствие ядра, содержащего хромосомную ДНК;
  • — строение и химический состав клеточной стенки;
  • — наличие или отсутствие цитоплазматических орга- нелл.

Наиболее простое строение имеют клетки прокариотических организмов. В них нет морфологически выраженного ядра, хромосомная ДНК находится непосредственно в цитоплазме и нет субклеточных цитоплазматических органелл. Клетка окружена ригидной клеточной стенкой. В оптимальных условиях прокариотическая клетка может делиться каждые 20 мин и таким образом менее чем за сутки давать жизнь более 10 млрд клеток.

Клетки всех остальных представителей живого мира относятся к эукариотической группе, потому что их обязательной структурой является клеточное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой. Кроме ядра и вакуолей, в цитоплазме существует целый набор специальных структур, или органелл, выполняющих специфические жизненно важные функции.

Ядро — центр, управляющий и координирующий жизнедеятельность всей эукариотической клетки. Оно имеет сложное строение, изменяющееся на разных этапах жизненного цикла клетки. Ядро окружено ядерной оболочкой (с двумя мембранами), пронизанной порами, через которые осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра находятся хроматин, одно или несколько ядрышек и ядерный сок — кариолимфа, или нуклеоплаз- ма. Ядрышки — тельца, связанные с хромосомами. Они содержат большое количество рибонуклеиновой кислоты (РНК), в них происходит синтез рибосомной РНК.

Энергия в клетке вырабатывается митохондриями — особыми сферическими или палочковидными образованиями разнообразной величины и сложной структуры.

При исследовании цитоплазмы с помощью электронной микроскопии была открыта система мембран и канальцев, служащих продолжением клеточной мембраны и связанных с внешней мембраной ядерной оболочки. Эта система получила название эндоплазматической сети или ретикулума. По эндоплазматической сети канальцев, образуемых мембранами, передвигаются вещества внутри клетки. Здесь же имеются субмикроскопические частицы — рибосомы, состоящие из белков и РНК.

Важнейшими структурными элементами клетки являются пластиды — хлоропласты, лейкопласты, хромопласты и др., которые характерны для цитоплазмы растительных клеток. Хлоропласты содержат пигмент хлорофилл и участвуют в процессе фотосинтеза; бесцветные пластиды — лейкопласты — накапливают крахмал; хромопласты содержат пигменты каротиноиды, эупласты — жиры и пластид- ные нуклеиновые кислоты.

В цитоплазме клетки имеются также специфические органоиды: комплекс Гольджи (производное эндоплазматической сети), обеспечивающий выделительную и секреторную функции клетки; лизосомы — тела, содержащие ряд ферментов и выполняющие функцию внутренного пищеварения клетки; центросомы, клеточный центр которых состоит из небольших телец (центриолей) и центросферы — особым образом дифференцированного участка цитоплазмы.

Клеточная мембрана имеет сложное строение, приспособленное к выполнению определенных функций: защитной, избирательной проницаемости и активного транспорта частиц и молекул. Активный транспорт молекул через клеточную мембрану происходит с помощью ионных каналов.

Передача наследственных признаков потомству как при вегетативном, так и при половом размножении осуществляется делением клеток. Изучение процессов деления эукариотических клеток показало, что из всех клеточных компонентов только хромосомы распределяются поровну между дочерними клетками. Это указывает на участие хромосом в передаче наследственных признаков. В результате деления ядра каждая дочерняя клетка получает точно такой же набор хромосом, как у исходной родительской клетки. В этом «уравнительном» распределении хромосом ядра заключается генетическое значение митоза. Пластиды и митохондрии также размножаются путем деления, но их распределение по дочерним клеткам не подчиняется строгой закономерности.

Деление клетки состоит из двух основных этапов: первый — деление ядра — митоз (кариокинез), второй — деление цитоплазмы (цитокинез). Ядро клетки при делении проходит последовательные стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Между двумя последовательными делениями клетки ядро находится в стадии интерфазы. Хотя интерфазу и называют стадией покоящегося ядра, метаболические процессы в ядре в этот период протекают наиболее активно. В синтетический период интерфазы происходит репликация ДНК.

Продолжительность всего митотического цикла (от 30 мин до 3 ч) зависит от вида и физиологического состояния организма, типа ткани, внешних факторов — температуры, света и др. Скорость прохождения отдельных фаз митоза также различна.

Новый организм при половом размножении возникает из зиготы — оплодотворенной яйцеклетки, которая образуется при слиянии гамет, т. е. мужской и женской половых клеток. Если бы каждая гамета вносила в зиготу полный набор хромосом родительского организма, тогда их число увеличивалось бы вдвое за каждое поколение. Мейоз, предшествующий образованию как женских, так и мужских половых клеток, является регулирующим механизмом, позволяющим сохранять постоянное число хромосом.

Мейоз — процесс деления ядра клетки, при котором наблюдаются конъюгация (слияние) гомологичных хромосом попарно и редукция (уменьшение) их числа в дочерних клетках. При мейозе ядро делится дважды. В результате первого мейотического деления образуются два ядра с половинным (гаплоидным) числом хромосом. Во втором делении каждое вновь образовавшееся ядро делится еще раз, но уже митотическим путем: расходятся сестринские хроматиды. Таким образом, из каждой клетки, вступившей в мей- оз, после двух последовательных делений образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.

При мейозе не только уменьшается вдвое число хромосом, но и происходит перераспределение компонентов парных гомологичных хромосом по разным клеткам. При этом каждая пара ведет себя независимо. Редукции хромосом в мейозе предшествует слияние (конъюгация) гомологов, которое позволяет каждой паре гомологичных хромосом обмениваться участками. Это создает дополнительный резерв наследственных комбинаций при половом размножении организмов. Процесс обмена гомологичных хромосом своими частями получил название кроссинговера.

Таким образом, через комбинаторику гомологов из разных пар и кроссинговер мейоз резко увеличивает наследственную изменчивость нового поколения диплоидных организмов, возникающих после слияния гамет.

Возникшая после слияния отцовского и материнского ядер зигота содержит программу развития будущего организма, записанную в структурах молекул ДНК. Дочерние клетки развивающейся зиготы получают информацию, которая позволяет им во взаимодействии с условиями внешней среды формировать новый организм.

Вопрос о том, как возникла эукариотическая клетка, до сих пор является предметом многочисленных дискуссий. Отметим, что и прокариотическим, и эукариотическим клеткам растений присуще деление. Они также реагируют на раздражение и способны видоизменяться.

Первые прокариоты, по-видимому, были гетеротрофными организмами и использовали энергию восстановленных соединений, накопившихся в «добиологический» период. После того как запасы экзогенных восстановленных соединений были исчерпаны, для них наступил серьезный «энергетический кризис», который был преодолен с возникновением фотосинтеза и первых фотосинтезирующих бактерий (вероятно, это были цианобактерии).

В результате фотосинтеза на Земле существенно увеличилось содержание кислорода, появился озоновый слой и возникли аэробные формы прокариот (табл. 3).

Эволюция живых организмов на Земле

Время, млн лет до н. э.

Этап развития

3500-2000

Первые анаэробные бактерии (прокариоты); брожение; пентозофосфатный цикл; синтез АТФ

3400-1500

Цианобактерии (синезеленые прокариоты),

зеленые прокариоты;

биогенное образование кислорода

3000-2000

Аэробные прокариоты;

фотосинтез зеленых аэробных прокариот

1000-700

Клетки эукариот;

низшие растительные организмы

700-300

Высшие растительные организмы

В настоящее время нет единой теории возникновения эукариотической клетки; существует несколько гипотез на этот счет.

Первая гипотеза — симбиотическая — принадлежит Л. Маргулис. Согласно этой гипотезе, эукариотические клетки возникли в результате симбиоза двух (гетеротрофные эукариоты) или трех (фототрофные эукариоты) различных клеток. При этом произошел захват (слияние) большой ядерной клеткой одной или нескольких прокариотических клеток с дыхательной или фотосинтетической системами. Из этих прокариотических клеток в дальнейшем образовались соответственно митохондрии и хлоропласты. Ядро клетки-хозяина делится митозом и мейозом, тогда как митохондрии и хлоропласты размножаются простым делением.

Вторая гипотеза — мембранная, или инвагинацион- ная. Согласно этой гипотезе, эволюция одной из аэробных прокариотических клеток и превращение ее в эукариотическую происходили путем инвагинации мембран. Такая клетка должна была иметь многочисленные геномы, каждый из которых был прикреплен к наружной мембране. При инвагинации мембран геномы сегрегировались, и в процессе эволюции их функции разделились. Ядро эволюционировало и становилось все более сложным, тогда как органеллы сохраняли свои первичные функции, а некоторые из них либо передавали их ядру, либо теряли.

Третья гипотеза заключается в том, что прокариотические клетки образовывали скопления отдельных элементов генома. В ходе эволюции эти скопления клонировались, в результате чего функции некоторых клонов генома разделились. Отдельные клоны генома приняли участие в образовании и регуляции деятельности как органелл, так и ядра. Отбор будущих эукариот происходил при наиболее усложненной роли ядра.

Все эти гипотезы говорят о том, что процесс возникновения эукариотических клеток происходил разными путями и что на разных этапах естественного отбора эукариотические клетки получали возможность для эволюционных изменений ядра, митохондрий и хлоропластов. Есть также сведения о том, что почти 93 % всех ферментов, характерных для клеток эукариот, найдены и играют существенную роль и в жизни прокариот.

Симбиотическая гипотеза возникновения эукариот представляется наиболее простой и эффективной, недаром симбиоз у эукариотических и прокариотических растительных организмов существует и в наши дни. При этом митохондрии сохранили свою изначальную функцию — обеспечение аэробного дыхания. Хлоропласты хотя и подверглись изменениям пигментных систем, но также сохранили свою изначальную функцию — процесс фотосинтеза. Ядро сохранило двойную мембрану, как хлоропласты и митохондрии.

Представляет интерес сравнение культивируемых эукариотических клеток высших растений, существующих в условиях in vitro, с прокариотическими и эукариотическими клетками-организмами, существующими в природе. Это может оказаться полезным для выяснения происхождения и эволюции эукариотических клеток.

В эукариотической клетке in vitro возможно изменение состояния пластидного генома. В отдельных экспериментах можно получить фотосинтезирующие клетки и автотрофные суспензии, что позволит изучать развитие фотосинтетического аппарата. Представляет интерес изучение митохондрий в суспензионных культурах клеток. Установлено, что они могут сильно изменяться морфологически (менять форму). Существенно варьирует и геном митохондрий. Например, в культуре клеток Vicia faba изменялась популяция кольцевых ДНК митохондрий, в частности появлялись специфичные мини-кольцевые ДНК, по сравнению с проростками.

Выход растений на сушу был связан с приобретением ими многих новых функций, например появлением комплекса защитных покровов (эпидермис, кутикула), возникновением транспортных систем воды и веществ, а также синтезом специфических защитных веществ, в том числе и веществ вторичного метаболизма. В случае же культивируемых in vitro клеток растений рядом авторов отмечалось снижение их «эволюционного» уровня и проявление черт, свойственных более ранним ступеням развития. Так, в каллусной культуре чайного растения Camellia sinensis L. состав лигнина — основного компонента вторичных клеточных стенок — значительно отличался от такового исходных тканей и был близок к лигнину травянистых растений.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы