Строение клеток

Фон

Клетки представляют собой самые основные биологические единицы всех организмов, будь то простые одноклеточные организмы, такие как бактерии, или большие многоклеточные организмы, такие как слоны и гигантские секвойи. В середине 19-го века была предложена клеточная теория для определения клетки, которая гласит:

• Каждый живой организм состоит из одной или нескольких клеток.
• Клетки являются функциональными единицами всех организмов.
• Все клетки возникают из уже существующих клеток.

Все клетки имеют общие черты, такие как наличие плазматической мембраны, цитоплазмы, ДНК и рибосом. Плазматическая мембрана — это фосфолипидный бислой, который окружает клетку. Этот тонкий и жидкий слой вокруг клеток служит для изоляции содержимого клетки от окружающей среды и регулирует обмен материалом с окружающей средой, а также способствует взаимодействию с другими клетками. Внутри плазматической мембраны клетка заполнена гелеобразной жидкостью, называемой цитоплазмой, которая содержит органические молекулы, соли и другие материалы, жизненно важные для функционирования клетки. Таким образом, внутри цитоплазмы протекают биохимические реакции, поддерживающие жизнь, которые известны как метаболические процессы. Типы метаболических процессов, которые может выполнять клетка, зависят от ее генетической информации. Все клетки используют ДНК в качестве генетического материала, который является наследственным планом для создания клеточных структур и продуктов. Наконец, все клетки используют рибосомы для синтеза своих белковых продуктов.

Существует два типа клеток в зависимости от расположения их генетического материала: прокариотические, что в переводе означает «до ядра», и эукариотические, что в переводе означают «истинное ядро». Таким образом, в то время как оба типа организмов имеют ДНК, прокариоты, как и бактерии, имеют нуклеоиды, или «ядерноподобные» компоненты вместо ядра, в то время как эукариоты обладают настоящими, связанными с мембраной ядрами, содержащими их ДНК. Кроме того, прокариоты относительно малы, около 0,1–5,0 микрометров (мкм), по сравнению с эукариотами, размер которых обычно колеблется от 10 до 100 мкм. Небольшой размер прокариот позволяет быстро и без усилий распределять материалы внутри клетки и выполнять метаболические процессы, а также быстро выводить отходы или другие продукты из клетки. Следовательно, эукариотические клетки обладают специализированными структурами, известными как органеллы, такими как митохондрии или аппарат Гольджи, чтобы обеспечить выполнение жизненно важных функций.

Эукариотическая клетка

Эукариотическая клетка является общим производным признаком всех эукариот, что означает, что она имеет единое происхождение, которое с тех пор наследуется всеми эукариотами. Самые ранние эукариотические клетки были обнаружены в окаменелостях около 2,4 миллиарда лет назад и узнаваемы, потому что они крупнее прокариотических клеток. Происхождение этого типа клеток стало результатом эндосимбиотического события, в котором одна амебоподобная клетка поглотила микрококковую бактерию и образовала^{устойчивое сосуществование}. Поглощенные бактерии превратились в первые энергопроизводящие органеллы, митохондрии, которые являются органеллами аэробного метаболизма в клетке. Митохондрии имеют свой отдельный геном и схожи по размеру с прокариотами. Они содержат два слоя мембран, которые заключают в себе два отдельных отсека. Некоторые из реакций, которые расщепляют высокоэнергетические биомолекулы, происходят во внутреннем компартменте, в то время как во внешнем компартменте происходят реакции, которые захватывают энергию, высвобождаемую этими соединениями, в молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые используются в качестве энергетической валюты клетки.

Ядра и митохондрии не являются единственными общими структурами эукариотических клеток. Другими вездесущими эукариотическими органеллами являются гладкий и шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли. Эндоплазматический ретикулум означает просто «сеть внутри плазмы» и, как следует из названия, представляет собой большую сеть мембран внутри клетки, особенно вокруг ядра. Части шероховатой ЭР отходят от ядерной мембраны и отличаются от гладкой ЭР своим шероховатым внешним видом из-за многочисленных рибосом на их поверхности. Грубая ЭР — это место синтеза белков, таких как белки, встроенные в плазматическую мембрану, или белки, секретируемые клеткой. В отличие от этого, гладкий ER производит продукты на основе липидов, но также содержит ферменты для детоксикации вредных химических веществ. Следовательно, клетки печени содержат большое количество гладкой ER. Кроме того, мышечные клетки содержат значительное количество гладкой ER из-за функции хранения кальция этой органеллы, которая необходима для сокращения мышц. Аппарат Гольджи сортирует, модифицирует и упаковывает клеточные продукты внутри везикул, которые сливаются с плазматической мембраной для высвобождения продуктов. Некоторые из белков, которые вырабатываются в грубой ЭР, являются внутриклеточными пищеварительными ферментами. Эти ферменты упакованы в аппарате Гольджи в специальные везикулы, называемые лизосомами. Основной функцией лизосом является переваривание частиц пищи, поглощенных клеткой, а также старых частей клетки. Вакуоли — это мешочки клеточной мембраны, которые служат хранилищами внутри клеток. Они могут служить для хранения воды для регулирования содержания воды в клетке, а также для хранения продуктов метаболизма или даже ядовитых молекул, в зависимости от типа клетки и организма.

Органеллы, специфичные для царства

Эукариотические клетки также развили отдельные органеллы, специфичные для каждого царства. Например, царство Plantae и Animalia являются эукариотами, однако органеллы растительных и животных клеток различаются по ключевым параметрам, которые позволяют им вести свою жизнь в качестве производителей и потребителей соответственно. Наземные растения должны расти высокими и иметь жесткие стебли для удержания листьев, которые они используют для фотосинтеза. Они также должны быть в состоянии удерживать воду, поглощаемую корнями. Их клетки отражают эти специфические потребности. В отличие от клеток животных, растительные клетки имеют хлоропласты, которые используются для фотосинтеза и часто содержат зеленый пигмент хлорофилл. Кроме того, они окружены клеточными стенками, которые представляют собой жесткие внешние слои из целлюлозы для поддержки роста и удержания воды. Поскольку им необходимо хранить большое количество воды для поддержания давления воды в клетке, они имеют более крупные вакуоли, чем клетки животных. Кроме того, растительные клетки также имеют другой тип специализированных накапливающих органелл, называемых пластидами, которые содержат пигменты, а также продукты фотосинтеза, такие как крахмал. Эти различия заметны и отличают растительные клетки от животных: растительные клетки обычно имеют правильную, прямоугольную форму из-за своих жестких клеточных стенок, в то время как животные клетки округлые и более неправильные.

Микроскопия

Некоторые клетки, такие как лягушачьи ооциты, достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, но большинство клеток невозможно увидеть без какой-либо визуальной помощи. Поэтому ученые используют методы микроскопии для изучения клеточных структур и различения типов клеток друг от друга. В то время как микроскопы способны увеличивать объекты, которые трудно или невозможно увидеть человеческим глазом, большинство тканей от природы лишены пигментации. Поэтому были созданы решения, которые могут избирательно окрашивать клетки на основе их молекулярного состава. Это позволяет исследователям различать органеллы в клетке, типы тканей в стебле растения и жировые прослойки у животных, и это лишь несколько примеров. Краситель метиленового синего окрашивает нуклеиновые кислоты мертвых клеток, связываясь с отрицательно заряженной ДНК. Раствор сафранина – еще один биологический краситель, который окрашивает ядра клеток в красный цвет. Элементы должны находиться в растворах для окрашивания только в течение короткого периода времени и могут быть установлены сразу после этапа окрашивания. Наиболее часто используемыми методами монтажа являются мокрое крепление и погружение в масло. Мокрое крепление создается путем сбора образца и помещения его на предметное стекло с жидкостью между предметным стеклом и покровным стеклом. Образцы клеток суспензируются в жидкостях, таких как вода или глицерин. Глицерин лучше использовать с живыми культурами, потому что он препятствует размножению бактерий³. Погружное масло может быть добавлено поверх покровного стекла для улучшения обзора образца при большом увеличении. Это достигается потому, что масло имеет тот же показатель преломления, что и стекло, а это означает, что оно пропускает свет через себя так же хорошо, как стекло. Интерфейс «стекло-воздух» рассеивает свет больше, чем масло или стекло, поэтому четкость изображения снижается, когда образцы монтируются «сухими» или без масла. После того, как клетки окрашены и установлены, они готовы к изучению под микроскопом.

Существуют различные методы микроскопии, от технологии электронного сканирования, которая позволяет исследователям рассматривать объекты на атомном уровне, до флуоресцентной визуализации живых клеток, которая позволяет в режиме реального времени отслеживать движение молекул внутри отдельных клеток. Светлопольная микроскопия является простейшим методом микроскопии, для которого требуется только галогеновый источник света, конденсорная линза для фокусировки света, окулярная линза для просмотра изображения и объективная линза для увеличения изображения. При использовании любого метода микроскопии важно понимать особенности микроскопа, прежде чем использовать его. Как правило, составные микроскопы, используемые для получения изображений в светлом поле, имеют окуляр в верхней части прицела, который крепится к головке и объективам. Окуляр имеет увеличение 10X, а линзы объектива настроены на определенное увеличение в диапазоне 4X-100X. В стандартном микроскопе от трех до пяти объективов. Цели указывают вниз на сцену, где образец помещается для просмотра. Сцена часто имеет механические части и зажимы для сцены, чтобы удерживать слайд и перемещать его во время просмотра. Отверстие — это отверстие в предметном столике, через которое проходит свет. Этот свет управляется регулируемой линзой конденсора над осветителем или источником света. Для управления зумом предметного столика для просматриваемого объекта микроскопы оснащены ручками грубой и тонкой регулировки фокусировки. Ручка грубой фокусировки движется в большем масштабе, чем тонкая фокусировка, но они находятся на одной оси. Тонкая фокусировка полезна, когда объект на сцене приблизился к целям. Важно не позволять линзе объектива касаться объекта на сцене, так как она может поцарапать линзу. Объекты всегда следует сначала просматривать на объективе с наименьшим увеличением и четко фокусироваться, прежде чем переключаться на объективы с большим увеличением.

Микроскопия является важным инструментом для многих аспектов медицины, включая исследования, диагностику и лечение. Это имеет применение нанотехнологий в медицине в качестве нового метода лечения вместо более инвазивной^{хирургии.} Хирурги также используют микроскопы, некоторые из которых были модифицированы для установки на голове хирурга и управляются ножными педалями. Они имеют гораздо меньшее увеличение, чем даже используемые сегодня световые микроскопы, но они способствуют безопасному выполнению деликатных процедур, таких как оптическая и нейрохирургия.

Ссылки

1. Бенгтсон С., Расмуссен Б., Иварссон М., Мюлинг Дж., Броман С., Мароне Ф., Стампанони М., Беккер А. Грибоподобные окаменелости мицелия в базальте везикулярного возрастом 2,4 миллиарда лет. Природа, экология и эволюция. 2017, Том 1, Артикульный номер: 0141.
2. Веллай Т., Вида Г. Происхождение эукариот: разница между прокариотическими и эукариотическими клетками. Proc. R. Soc. Lond. B. 1999, Vol. 266, 1571-1577.
3. Гуэ В., Роджер Г., Фонти С., Андре. Влияние глицерина на рост, адгезию и целлюлолитическую активность целлюлозолитических бактерий рубца и анаэробных грибов. Современная микробиология. 24, 1992, Том 4, 197-201.
4. Конье Л., Ледюк С., Лоунис Б. Достижения в отслеживании одиночных частиц живых клеток и динамической визуализации со сверхвысоким разрешением. Curr Opin Chem Biol. 2014, июнь; 20:78-85.
5. Асиянбола Б., Собойеджо В. Для хирурга: введение в нанотехнологии. J Surg Educ. 2008, Том 65, 2 (155-61).