Основные факты жизнедеятельности клетки
Клетка является элементарной живой системой, состоящей из двух важнейших, неразрывно связанных между собой частей — цитоплазмы и ядра. Она представляет собой основу развития, строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют на разных уровнях организации живой материи. На уровне организменном они представлены одноклеточными животными и растениями. К суборганизменному уровню относятся тканевые клетки многоклеточных животных и растений[77].
3десь нас интересуют только одноклеточные организмы, как самые простые живые системы, обладающие самостоятельностью существования и всеми особенностями жизни, главнейшими из которых являются обмен веществ (метаболизм) и размножение (на уровне клетки — митотическое деление).
Основным частям клетки — цитоплазме и ядру — соответствуют ее основные вещества — белки и нуклеиновые кислоты. Если белки являются главным выразителем обмена веществ, то нуклеиновые кислоты ответственны за сохранение, передачу и реализацию наследственности.
Большая часть белков синтезируется в цитоплазме, в специальных органоидах, называемых рибосомами.
Главное местопребывание нуклеиновых кислот — в ядре. Существуют два типа этих кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). В молекулах ДНК хранится наследственная информация или, как говорят, в них заключен "основной план строения клетки". Через ДНК осуществляется также передача наследственной информации от клетки к клетке. В соединении с белками она образует хроматиновые нити (хроматин). В период деления клетки эти нити предельно скручиваются и свертываются, образуя видимые в оптический микроскоп палочкообразные тельца, которые называют хромосомами.
Кроме хроматиновых нитей в ядре имеются также ядрышки. В них синтезируется большая часть РНК. Эта кислота ответственна за реализацию наследственной информации; благодаря ей осуществляется синтез белка. Различают три вида РНК: 1) информационную РНК (и-РНК), 2) рибосомную РНК (эта РНК в соединении с белками образует рибосомы — фабрики белка) и 3) транспортную РНК. Информационная РНК синтезируется на ДНК-матрице, находящейся в хроматине. 3атем ее путь лежит через ядрышки в цитоплазму, к рибосомам. Чтобы происходил синтез белка, кроме РНК трех видов нужны еще исходные вещества для образования белка — аминокислоты — и энергия макроэргических (богатых энергией) соединений (главным образом, аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ). Транспортные РНК присоединяют к себе активированные аминокислоты и подводит их к месту сборки белка. В рибосоме посредством и-РНК, которая в данном случае является матрицей, аминокислоты соединяются в полипептидную цепь — первичную структуру белка. И-РНК задает нужную последовательность аминокислот в этой цепи, благодаря чему образуются высокоспецифичные белки, предназначенные для выполнения строго определенных функций в клетке. После синтезирования полипептидная цепь проходит стадии спирализации, скручивания и объединения скрученных цепочек. После каждой стадии образуются соответственно вторичная, третичная и четвертичная структуры белка.
Большинство белков являются ферментами (биокатализаторами). Работа в качестве ферментов — это их самая существенная функция, их основная профессия. Благодаря белкам в клетке совершается великое множество биохимических реакций.
Если белки непосредственно управляют отдельными биохимическими реакциями, то молекулы ДНК, определяя строение белков и их синтез, управляют этими процессами опосредованно, вторично. Образно говоря, белки — это младший комсостав клеточного метаболизма, а молекулы ДНК — его генералы.
Жизненный цикл клетки включает в себя два периода: интерфазный (метаболический) и митотический (период деления). Как и основные вещества клетки (белки и нуклеиновые кислоты), каждый из этих двух периодов имеет свой "центр тяжести". "Центром тяжести" метаболического периода являются превращения в цитоплазме (генерирование энергии, синтез белка, активный обмен веществ с окружающей средой). А "центром тяжести" митотического периода является распределение ядерных структур — хромосом — между дочерними клетками.
В метаболический период происходит рост клетки, ее количественное удвоение, которое осуществляется, главным образом, за счет цитоплазмы.
"Биологическое увеличение в своей основе представляет собой процесс, масштабы которого ограничиваются удвоением"[78]. Метаболизм ядра в этот период является лишь отражением метаболизма цитоплазмы. Причем, главное вещество ядра — ДНК — наименее способна к метаболическим превращениям (ведь каждое ее изменение влечет за собой изменение наследственности, а это в большинстве случаев катастрофично для клетки). Роль ядра в метаболический период состоит, главным образом, в управлении основными метаболическими процессами, к каковым прежде всего относится синтез белков в рибосомах.
В митотический период роли ядра и цитоплазмы меняются местами. Метаболизм клетки в значительной степени затухает. Главные превращения претерпевает уже не цитоплазма, а ядро. Увеличение живой массы сменяется в этот период делением клетки: вместо одного организма — материнской клетки — получаются два организма — дочерние клетки. И если метаболизмом в предыдущий период управляли в основном ядерные структуры, то митотическим делением заведует цитоплазменная структура — так называемый делительный аппарат.
Такие поочередные воздействия ядра и цитоплазмы друг на друга характеризуют самую суть ядерно-цитоплазменного взаимодействия. Последнее же и есть то, что мы называем жизнедеятельностью клетки.