Что определяет жизнь клетки
Жизнь наших клеток. Часть 1
Жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей, опасностей и, как и всякая жизнь, рано или поздно заканчивается. Полина Лосева решила разобраться в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. А начать эту повесть мы решили с самого общего для всего живого — смерти.
«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Это первый текст цикла. У него уже есть продолжение — рассказ о стрессе и том, как клетки с ним справляются.
Несчастный случай
От него не застрахован, увы, никто. Даже маленькую клетку можно случайно раздавить или проткнуть. Кроме этого, ее можно внезапно лишить еды. И если у клетки нет запасов на черный день, то энергия заканчивается моментально. Обычно значительную часть энергии клетка тратит на контроль за транспортом веществ через наружную мембрану. И если энергии нет, то транспорт нарушается и вещества могут фактически бесконтрольно сквозь нее проходить и ее повреждать, а это то же самое, как если бы мембрану проткнули.
Дальше ситуация развивается по стандартному сценарию: в мембране образуется дырка, сквозь нее вода течет в клетку, клетка разбухает и готовится лопнуть. Из дырки наружу выходят разные внутриклеточные вещества, их потихоньку поглощают соседние клетки. Но часть веществ соседи съесть не успевают, и они расплываются по ткани, нередко вызывая воспаление. Такой тип гибели называется некрозом (не путать с некрозом ткани — почернением и распадом, который возникает, например при гангрене).
Интересно, что иногда клетка может пожертвовать собой на благо родины, это назвали некроптозом (по аналогии с апоптозом, о котором речь пойдет дальше). Например, бывает так, что клетка-макрофаг самоотверженно съела бактерию, но не смогла ее переварить. Можно смириться с тем, что бактерия останется жить внутри, а можно проявить трагический героизм. Такая клетка-герой создает комплекс белков, который протыкает ее собственную мембрану изнутри. При этом соседи получают возможность добить бактерию и позвать на помощь другие клетки иммунитета.
Подобные смерти среди клеток учащаются, когда человек болен, например, нейродегенеративным заболеванием, таким как болезнь Паркинсона или Альцгеймера. Ученые полагают, что, блокируя некроптоз, смогут их остановить. В то же время можно применить некроптоз в мирных целях и организовывать несчастные случаи, например, для раковых клеток, устойчивых к другим механизмам гибели.
Профессиональное выгорание
Этим, например, занимаются клетки эпидермиса, верхнего слоя кожи. Они образуются в глубине эпидермиса и постепенно движутся наверх, по мере того как их предшественники отшелушиваются. Для того чтобы кожа получилась прочной, клеткам приходится укреплять себя изнутри, накапливая твердые белки и жестко держась друг за друга клеточными контактами. В такой конструкции нет места ни ядру, ни другим органеллам, поэтому они постепенно исчезают, пока клетка поднимается наружу. В конечном счете от клетки остается мешочек из жира, заполненный белками. Так происходит процесс ороговения — самой медленной и неотвратимой клеточной гибели.
Истинное самоубийство
Однако самым хорошо изученным остается механизм настоящего самоубийства клетки — апоптоза. Оно происходит, когда клетка по тем или иным причинам «решает», что ее дальнейшее существование небезопасно для организма. Эти причины могут быть самыми разными.
«Говорят, я не такой, как все». Если клетки иммунитета, например Т-лимфоциты, обнаруживают клетку с неправильными белками на поверхности, ей посылают сигнал смерти через рецепторы на мембране. Обычно после этого клетка послушно умирает. А если нет, то, возможно, перед нами бунтарь и правонарушитель — будущая опухоль.
«Освободим место другим». В развитии организма немало периодов, когда органы или ткани заменяются на другие или отмирают совсем. В таких случаях самоубийство абсолютно нормально, клетку на него могут уговорить соседи из других тканей. Если оно почему-то не произошло, то остаются рудименты: например, человек рождается со сросшимися пальцами.
«Меня никто не любит». Клетки в организме обмениваются сигналами поддержки, то есть сигнальными молекулами. Часто они выделяются нервными окончаниями. Если нервное окончание повреждено, то окружающие клетки не чувствуют поддержки и заключают, что они больше не находятся в организме. А вне организма жизни нет.
«Земля уходит из-под ног». Кроме общения с соседями, клетке важно закрепиться на межклеточном веществе (за исключением клеток крови). Иногда это помогает ей выполнять свои функции, например ползти, а иногда от этого вещества поступают сигналы выживания. Если клетка ни к чему не прикреплена, она считает себя неработоспособной и погибает.
«Распад личности». Центром клетки, как известно, является ядро с ДНК. Если в ДНК накапливаются ошибки, растет шанс опухолевой трансформации. Поэтому системы репарации, которые чинят ошибки в ДНК, параллельно стимулируют апоптоз. Когда таких сигналов становится много, чинить что-то уже бесполезно, проще умереть.
«Я неуравновешен». Иногда клетке не удается поделить свои хромосомы на две части, тогда наступает так называемая митотическая катастрофа. Опять же дисбаланс генетического материала приводит к образованию опухолей, поэтому такие неуравновешенные клетки должны погибнуть.
«Нечем дышать». Вторая ключевая органелла клетки после ядра — митохондрия. Там происходит клеточное дыхание с образованием энергии. Если митохондрия повреждена, то из ее внутреннего пространства в цитоплазму клетки выходят молекулы, запускающие апоптоз.
«Я слишком возбужден». Это случается с нервными клетками при избытке возбуждающих сигналов. На мембране клетки открывается много ионных каналов, в том числе для кальция, его концентрация в клетке сильно возрастает, от этого рушится мембрана митохондрий — и вот уже нечем дышать.
Чем бы ни запускался апоптоз, итог всегда один. Белки, стимулирующие гибель клетки, запускают ферменты каспазы, которые активируют друг друга и начинают расщеплять все клеточные молекулы подряд. В результате на клетке сначала образуются выпячивания, а потом она вся распадается на мембранные пузырьки — апоптотические тела, которые могут поглотить макрофаги.
(А) Здоровые клетки. (В) Клетки, которые распадаются на апоптотические тела. Изображение адаптировано. Фото: Edelweiss E, Balandin TG, Ivanova JL, Lutsenko GV, Leonova OG, Popenko VI, Sapozhnikov AM, Deyev SM.Edelweiss E, Balandin TG et al Barnase as a New Therapeutic Agent Triggering Apoptosis in Human Cancer Cells, PLoS One. 2008 Jun 18;3(6):e2434CC BY 2.5
Прелесть гибели клеток апоптозом заключается в том, что при этом они практически не вредят окружающим тканям. Из таких клеток выделяется совсем немного веществ, вызывающих воспаление и загрязняющих межклеточное пространство, — остальное поглощают макрофаги. Однако, чтобы так аккуратно уйти, клетке необходима энергия. Апоптоз — энергозависимая гибель, в отличие от некроза. Во многих из вышеперечисленных случаев клетка может погибнуть и некрозом, то есть просто лопнуть, если ей не хватает энергии.
Еще одно полезное свойство апоптоза — мы точно знаем, как он работает. И, к сожалению, знаем, что именно его нарушение является причиной большинства онкологических заболеваний. Поэтому сейчас многие исследования направлены на то, чтобы избирательно его заблокировать или активировать в тех или иных клетках.
Не все нарушения в работе клетки обязательно приводят к смерти. Самый выигрышный для клетки вариант — распознать повреждения на ранних стадиях и постараться их заблаговременно починить. Для этого существует аутофагия — процесс постепенного самопоедания, переваривания собственного содержимого. Умереть таким образом практически невозможно — среди клеток гибель такого типа удалось обнаружить в единичных случаях. Зато переваривание собственных испорченных белков или целых органелл позволяет избавиться от ошибок. Это скорее перезагрузка для клетки, похожая на очищение от лишних мыслей, которое испытывает человек, прыгнувший с парашютом и фактически побывавший на грани смерти.
Типы клеточной гибели, видоизменённая схема Jhayes21Wikimedia commonsCC BY-SA 3.0
Поэтому для большинства клеток организма аутофагия исключительно полезна. Она позволяет стволовым клеткам дольше оставаться стволовыми, замедляет старение клеток и помогаетпротивостоять внешним повреждениям, например, при атеросклерозе. А в клетках мозга, например, особенно важна митофагия — переваривание митохондрий. Если оно нарушено, могут развиваться нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона. Также митофагия препятствует росту опухоли на ранних стадиях (правда, к сожалению, способствует на поздних). В некоторых случаях аутофагия помогает и переваривать внутриклеточных патогенов (например, вирусные частицы). Но некоторые вирусы, например ВИЧ, научилисьподавлять аутофагию или размножаться прямо в пищеварительных вакуолях.
Изучение механизмов аутофагии находится сейчас на переднем крае клеточной биологии. Недаром в 2016 году за работу в этом направлении вручили Нобелевскую премию. Среди ближайших перспектив — борьба с инфекциями и нейродегенеративными заболеваниями и продление жизни. В любом случае уже стало понятно, что не во всех ситуациях клетке стоит сразу прыгать с моста. Возможно, иногда достаточно просто прыгнуть с парашютом и жизнь наладится.
Опубликовано в журнале «Чердак», 08.11.2017
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Те, кто мало знаком с биологией, генетикой интересуются, как клетки организма «понимают», что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? Органы образуются последовательно, некоторые продолжают формироваться на протяжении всей жизни, как-то должна подаваться команда «начать формирование» и «завершить формирование». И если эти команды будут формироваться не из единого центра — возникнет хаос.
А где тогда этот центр?
Этот вопрос — совсем не детский. Это на самом деле не один, а несколько вопросов, и они затрагивают все самые главные проблемы, решением которых занимается большая, очень сложная и быстро развивающаяся наука — биология развития. Хорошо и подробно ответить на эти вопросы в нескольких словах просто невозможно. Ответы на них содержатся в больших и толстых книгах и в тысячах научных статей. Многое в этой науке до сих пор остается неясным, и новые открытия совершаются чуть ли не каждый день.
Но некоторые общие принципы можно попытаться объяснить.
Начнем с «единого центра», без которого «возникнет хаос». Удивительно, но это не так. Множество делящихся клеток может вести себя вполне осмысленно и формировать сложные структуры, даже если у них нет единого управляющего центра. Такие процессы называют «самоорганизацией». К сожалению, человеческий разум так устроен, что ему ужасно трудно понять подобные процессы. Когда мы сталкиваемся с примерами самоорганизации, нам всегда это кажется каким-то необъяснимым чудом. Например, как из беспорядочно движущихся молекул водяного пара образуются красивые ледяные узоры на стекле или снежинки? Где хранится «программа создания снежинки» или ее «чертеж»? Чертежа нет нигде, а вот программа — существует, это те физические свойства молекулы воды, от которых зависит образование ледяных кристаллов.
Но вернемся к комочку клеток — крошечному зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном (набор генов). Геном определяет все свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако вскоре клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, и так далее. Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Сигналы могут быть и физическими: клетки могут «чувствовать» своих соседей, куда они ее тянут или толкают. Кроме того, кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Например, те клетки, у которых клетки-соседи есть только сверху, начинают превращаться в корень, а те, у которых соседи только снизу, — в стебель. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.
Программа поведения у всех клеток изначально одна и та же, но она может быть довольно сложной и состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из наборов правил данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное «правило» выглядит примерно так: «если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие». Основные действия, которые делают клетки, — это включение или выключение определенных генов. Включение или выключение гена меняет свойства клетки, и она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.
Как же получается, что клетки, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что клетки зародыша на самом деле находятся в разных условиях — это просто само собой так происходит в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества А высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества А мало.
Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества, запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.
Программа поведения клетки может содержать, например, такие команды:
«Если ты снаружи,
и если концентрация вещества А в тебе такая-то (находится в таких-то пределах),
и если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю,
и если с момента начала развития прошло уже 10 делений,
то начни выделять вещество Б».
К чему приведет выполнение такой команды? Оно приведет к тому, что на поверхности зародыша в определенный момент (после десяти делений) появится одна-единственная клетка, выделяющая вещество Б. Она будет расположена на строго определенном расстоянии от одного из полюсов зародыша, потому что в нашем примере вещество А служило для изначальной разметки яйцеклетки. Следовательно, по концентрации вещества А клетка может определить, на каком расстоянии от полюсов зародыша она находится. Почему такая клетка, выделяющая вещество Б, будет только одна? А потому, что была инструкция: «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю». Как только первая клетка, в которой выполнятся поставленные условия, начнет выделять вещество Б, концентрация этого вещества перестанет быть равна нулю, и поэтому другие клетки не начнут его выделять.
А что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю»? Тогда вещество Б начнет выделяться не одной-единственной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина пояска и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации вещества А указаны в инструкции «Если концентрация вещества А в тебе такая-то».
Теперь наш зародыш размечен уже гораздо сложнее и интереснее, чем раньше. У него есть «передняя часть», в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад; у него есть центральный поясок, где максимальна концентрация Б; и у него есть задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает спереди назад. Наш зародыш подразделился на резко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому будут выполнять разные подпрограммы своей исходной общей программы.
Мы подразделили зародыш на передний, средний и задний отделы. Они могут стать, например, головой, туловищем и хвостом. Но хотелось бы еще понять, где у него будет спина, а где живот. Как это сделать? А очень просто, мы уже это проходили. Нужна инструкция, приводящая к появлению только одной клетки или маленькой группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-нибудь посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу роста красивого зеленого спинного гребня там, где его много, и программу формирования мягкого розового животика там, где его мало.
Когда зародыш уже так хорошо и подробно «размечен», каждая группа клеток может без труда определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).
В ходе развития зародыша действительно то тут, то там появляются особые «управляющие центры» — группы клеток, выделяющие то или иное вещество, которое служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. Но при этом все клетки по-прежнему ведут себя в строгом соответствии с изначальной генетической программой, которая у всех одна и та же. Управляющие центры возникают сами, путем самоорганизации, никто их нарочно туда не вставляет. И никакого «единого централизованного руководства», тем более осмысленного, разумного, для этого не требуется.
В развитии настоящих животных всё сложнее, чем в нашем воображаемом примере, но, как ни странно, ненамного. Например, у большинства животных для «продольной разметки» зародыша используется около десятка сигнальных веществ (в нашем примере мы обошлись двумя — А и Б). За производство этих веществ отвечает особая группа генов — так называемые «хокс-гены». А для разделения зародыша на ткани (нервную, мышечную, эпителиальную и т. д.) используется еще три десятка других сигнальных веществ — они называются микроРНК. Но это — только самые главные регуляторы развития, а есть еще очень много вспомогательных, и ученые пока еще не выяснили все их свойства и функции.
Сигнальные вещества, управляющие поведением клеток зародыша, очень могущественны. Например, если отрезать головастику хвост и капнуть на рану одно из этих веществ, то вместо нового хвоста у головастика вырастет пучок маленьких ножек. Такие жестокие эксперименты проводились в начале XX века. Потом за дело взялись генетики, которые научились менять работу генов в отдельных частях зародыша. В том числе и тех генов, которые производят вещества — регуляторы развития. Одно из самых интересных открытий генетиков состоит в том, что гены, управляющие развитием, оказались очень похожими у всех животных. Их даже можно пересаживать от одного животного к другому, и они будут работать. Например, если взять мышиный ген, который включает подпрограмму образования глаза у мыши, и заставить его работать в зачатке ноги у мухи, то на мушиной ноге начинает формироваться глаз. Правда, не мышиный глаз, а мушиный.
Итак, мы поняли, что в геноме нет «чертежа» взрослого организма, а есть только программа поведения отдельной клетки. Взрослый организм «самоорганизуется» просто за счет того, что каждая клетка строго следует одной и той же программе поведения. Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж взрослого животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. А еще, если бы наше развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы гораздо труднее эволюционировать.
Лет сто назад, когда ученые еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось им непонятным. Например, некоторые ученые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно — ведь для этого, рассуждали они, нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж взрослого организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.
Жизнедеятельность клетки. Деление и рост клетки
Урок 2. Биология. Сложные вопросы. Ботаника
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Жизнедеятельность клетки. Деление и рост клетки»
Вы уже знаете, что всё пространство клетки заполнено бесцветным вязким веществом – цитоплазмой. Она находится в постоянном движении. Движение цитоплазмы способствует перемещению в клетках питательных веществ и воздуха. Чем активнее жизнедеятельность клетки, тем больше скорость движения цитоплазмы. Если клетку сильно нагреть или заморозить, то цитоплазма разрушается, и клетка погибает.
Цитоплазма одной живой клетки обычно не изолирована от цитоплазмы других живых клеток, расположенных рядом. Нити цитоплазмы (плазмодесмы) соединяют соседние клетки, проходя через клеточные стенки.
Растения имеют клеточное строение, так как их органы состоят из клеток. А каждая клетка – это микроскопически малая составная часть растения.
Каждая живая клетка дышит, питается, выделяет ненужные ей вещества, реагирует на воздействие внешней среды, в течение определённого времени растёт и размножается.
Клетки в процессе жизни потребляют различные вещества – воду, кислород, углекислый газ, органические и неорганические соединения. Они поступают в клетку в виде растворов и необходимы клетке для питания, дыхания и роста. А само растение получает необходимые вещества из воздуха и почвы.
Поступление веществ в клетку и их переработка называется питанием. В клетке из поступивших простых неорганических веществ образуются сложные вещества (белки, жиры и углеводы). Эти вещества идут на образование ядра, цитоплазмы и других частей клетки.
Фотосинтез – это сложный процесс, который происходит только в хлоропластах клеток растений только на свету. Более подробно мы рассмотрим этапы фотосинтеза при изучении отдельной темы. А сейчас запишем уравнение фотосинтеза – это процесс образования из двух неорганических веществ (углекислого газа и воды) органического вещества глюкозы. В результате фотосинтеза происходит выделение в окружающую среду кислорода. Фотосинтез происходит только на свету.
Часть образованных питательных веществ идёт на построение клетки, а другая часть расходуется на получение энергии.
Дыхание происходит в живых клетках в течение всей их жизни. Растения – аэробные организмы (аэробы) – они используют для клеточного дыхания кислород.
Внутри клетки кислород вступает в реакции с органическими веществами. При этом происходят химические реакции, в результате которых сложные органические вещества превращаются в неорганические (воду и углекислый газ) и выделяется энергия. Такой процесс называется дыханием. Высвобождаемая энергия запасается в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – сложного химического соединения. Энергия нужна для обеспечения процессов жизнедеятельности – движения цитоплазмы, превращения одних веществ в другие.
Заполним таблицу, в которой сравним процессы клеточного дыхания и фотосинтеза, используя следующие показатели: время суток, в которое происходит процесс; вещества, служащие исходным материалом; образующиеся вещества; тип используемой энергии. Клеточное дыхание происходит всегда, фотосинтез – только днём. Для клеточного дыхания необходимы органические вещества и кислород, для фотосинтеза – углекислый газ и вода. В результате дыхания образуются углекислый газ и вода, а в результате фотосинтеза – глюкоза и кислород. Для дыхания используется энергия химических связей, а при фотосинтезе – световая энергия.
В течение жизни в клетке образуются ненужные вещества (избыток воды и солей, конечные продукты обмена). Все они выделяются в окружающую среду. Процесс освобождения организма от данных веществ называется выделением или экскрецией.
Одно из главных свойств живых систем – постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой. В клетках непрерывно идут процессы синтеза (пластический обмен, ассимиляция), то есть из простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, минеральных солей) образуются сложные органические вещества (белки, жиры и углеводы). Все процессы синтеза идут с затратами энергии.
Примерно с такой же скоростью идёт энергетический обмен (диссимиляция). Это процесс расщепления сложных органических веществ до более простых соединений, сопровождающийся выделением энергии. Конечные продукты энергетического обмена: углекислый газ, вода и аммиак.
Совокупность реакций пластического и энергетического обмена, лежащих в основе жизнедеятельности и обуславливающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ (или метаболизмом).
Заполним схему взаимосвязи обмена веществ и превращения энергии в организме. В ходе энергетического обмена сложные органические вещества расщепляются до конечных продуктов обмена и высвобождается энергия.
В результате пластического обмена происходит образование сложных органических веществ. При этом происходит поглощение энергии, которая образована в результате реакций энергетического обмена. Часть энергии расходуется на процессы жизнедеятельности.
Получается, что пластический и энергетический обмены неразрывно связаны. Они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ.
Вещества, которые образуются в ходе энергетического обмена, могут использоваться в пластическом обмене для образования сложных органических соединений. И наоборот.
В молодых клетках преобладает процесс пластического обмена, в результате чего обеспечивается накопление веществ, рост и развитие. В старых клетках преобладает процесс энергетического обмена.
Жизнь клетки с момента её образования в процессе деления материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом. В течении этого цикла каждая клетка растёт и развивается таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме. В процессе жизни клетки растут и увеличиваются в размерах. Молодые растительные клетки содержат много мелких вакуолей, которые растут и в результате сливаются, заполняя практически весь объем клетки.
У разных видов живых организмов клеточный цикл, во время которого клетка выполняет свои функции, занимает разное время: например, у бактерий он длится около 20 минут, у инфузории-туфельки – от 10 до 20 часов. Клетки многоклеточных организмов на ранних стадиях развития делятся часто, а затем клеточные циклы удлиняются.
Жизнь клетки включает два периода: деление, в результате которого образуются две дочерние клетки, – митоз; период между двумя делениями, который носит название интерфазы. Рассмотрим поближе данные периоды.
Интерфаза – промежуток клеточного цикла между двумя делениями. Вспомним, что в ядре находятся тельца цилиндрической формы – хромосомы. Они передают наследственные признаки от клетки к клетке. В течение всей интерфазы хромосомы деспирализованы (раскручены), они находятся в ядре клетки в виде нитей. В этот период клетка растёт и выполняет свои функции. Происходит обмен веществ, синтез белков и АТФ. Происходит удвоение числа хромосом, соответственно и генетического материала в клетке. При этом образуются два набора хромосом, несущие одинаковую информацию о жизненных процессах.
Размножение клеток – это увеличение их количества. Новые клетки возникают в результате деления уже существующих клеток. Размножение является одним из обязательных свойств живого.
Для эукариотических клеток характерен митоз, в результате которого из одной материнской клетки образуются две дочерние с таким же набором хромосом. Сейчас мы с вами рассмотрим последовательные фазы митоза. Их четыре: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
В метафазе завершается формирования веретена деления. Хромосомы располагаются упорядоченно в экваториальной плоскости клетки. Образуется метафазная пластинка. В эту фазу можно легко посчитать количество хромосом в клетке и изучить их строение.
В анафазе нити веретена деления укорачиваются, в результате чего хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки.
В телофазе хромосомы оказываются у полюсов клетки и деспирализуются (раскручиваются). Вокруг ядерного материала каждого полюса формируются ядерные оболочки. В двух образовавшихся ядрах образуются ядрышки. Нити веретена деления разрушаются.
На этом деление ядра заканчивается, и начинается деление клетки надвое. В экваториальной плоскости клеток растений из содержимого пузырьков комплекса Гольджи образуется срединная пластинка, которая разделяет две дочерние клетки, являющиеся копиями друг друга и исходной материнской клетки. С момента разделения дочерних клеток каждая из них вступает в интерфазу нового клеточного цикла.
Биологическое значение митоза заключается в том, что он обеспечивает передачу наследственных признаков и свойств от клетки к клетке, что необходимо для нормального развития многоклеточного организма. Митоз обуславливает важнейшие процессы жизнедеятельности – рост, развитие, восстановление повреждённых частей растения. Митотическое деление лежит в основе бесполого размножения многих живых организмов.
Клеточная гибель бывает двух видов: некроз и апоптоз. Рассмотрим, в чём же их отличия.
Некроз – отмирание клеток, которое вызвано действием повреждающих факторов (низкие или высокие температуры, химические вещества, ионизирующие излучения). В повреждённых клетках нарушается проницаемость мембран, прекращается образование белков и другие процессы обмена веществ, происходит разрушение ядра, органоидов и, наконец, всей клетки.
Апоптоз – запрограммированная гибель клеток, которая регулируется организмом. От своего образования в результате деления до апоптоза клетки проходят определённое количество клеточных циклов.