Все типы клеток

В середине 19-го века было сделано одно из великих открытий биологии: все живые существа и растения и животные построены из однотипных структур, из клеток. Это единицы живого, подобно тому, как отдельные люди — единицы общества. В многоклеточных организмах, будь это человек или дерево, каждая клетка несет весь объем информации о всем организме, особенно наглядно это используется при работе с деревьями. В отличии от животных любая растительная клетка способна стать клоном, т. е. точной генетической копией организма, у которого она была взята. Для клонирования животных необходимо пересадить в яйцеклетку с удаленным ядром ядро любой тканевой (соматической) клетки. В случае удачи начинается эмбриональное развитие клетки донора ядра. Клонирование вовсе не означает бессмертие донора ядра, как не означает оно и полной идентичности однояйцовых близнецов, об этом будет далее (основы генетики). Для клонирования растений можно использовать их клетки из любых тканей (соматические). Особенно удобным это оказалось для лесоводов, определив в лесах наиболее совершенные деревья они используют их клетки для клонирования на огромных территориях.

 Начнем с самой природы живой клетки, это открытая система, т. е. она существует в самом тесном контакте с окружающей средой, она воспроизводит себя и, разумеется, на нее распространяются основные законы природы, ничего магического в явлениях жизни нет. Специфика живого в природе зависит от образующих его молекул, их организации. Это не мешает использовать для живой клетки удобные аналогии с техникой, клетка сравнима с машиной, скорее с большим заводом, это химическое производство, а все его детали — молекулы. Энергию наш завод — клетка использует химическую, т. е. энергию определенных химических связей, его продукция — определенные виды молекул, которые надо синтезировать с огромной скоростью и точностью. Среда обитания клеток — жидкость, в которой они находятся, будь это океан или система кровообращения в нашем организме.

 Здесь необходимы базовые знания химии, физики, информация о биологических молекулах изложенная в предыдущих текстах и логическое мышление, прежде всего опора на достоверные данные, умение находить которые, увы, подавляющее большинство из нас не выносят из школы, но к Вашим услугам школьные учебники, энциклопедии для школьников. Необходимая справка — Интернет, к сожалению, не всегда является источником достоверной информации, там можно найти любые тексты, к сожалению, преобладает там безграмотная ерунда и вранье, это издержки свободы слова. Там же есть и достоверная информация, но ее нужно уметь находить, ее понимание требует определенных знаний. Еще нужен здравый смысл, он позволяет избегать самой ходовой ошибки, не объявлять свои предположения фактами реального мира или как это назвала одна дама “думанью просто так”, попросту использования своих фантазий вместо достоверных фактов. Почему-то обычно у людей хватает здравого смысла, чтобы не пытаться чинить неизвестную им технику, но не хватает его при столкновениях с неизвестными им явлениями, терминами. После долгого фигурирования рекламы сделанной неизвестными жуликами я стал во всех сомнительных случаях использовать ее в качестве теста. Реклама отрицала закон сохранения энергии, кроме того она требовала знания нехитрого термина “жесткая вода” из школьного курса химии и, конечно, здравого смысла, в данном случае не делать утверждений о неизвестном. ”Жесткая” вода означает высокое содержание в ней ионов кальция и/или магния, они повреждают почки. Опросы показали, что большинство американцев не знают значения этих терминов. Но именно на таких фокусах, на нашем желании ничего не зная о сути дела получать любую информацию в форме инструкций, а это попросту невозможно, построено огромное количество бизнесов в Америке и России. Жаловаться на них бесполезно, в выше названных великих странах нет запретов на распространение информации, которая не противоречит конституционным гарантиям, а невежественное вранье легко укладывается в право на свободу слова и мнений. Пожалуй, избегание таких проделок коммерции и развитие логического мышления — это самое полезное, что может вынести обычный человек даже при самом поверхностном изучении естественных наук в обычной школе. В своем мышлении мы всегда опираемся на какие-то данные, беда в том, что у большинства людей нет ни малейшего представления об основных законах природы, в итоге опорными точками для них становится мнение случайных людей. К несчастью, в обыденной жизни чаще всего мы имеем дело с обманщиками, делающими прибыль на невежестве широкой публики. Достоверную информацию искать в Интернете крайне рискованно, там есть все, преобладает ерунда и нелепости. Искать ее надо в учебниках, научных журналах, монографиях, государственных изданиях, но учтем, что все они рассчитаны на подготовленного читателя.

 О композитных материалах сейчас знают все люди, интересующиеся даже на минимальном уровне техникой, по этому же принципу построены живые клетки. Обычно в учебниках описываются четыре группы биополимеров, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Но нет достаточно полного рассказа о том, как они представлены в телах живых существ. Начнем с полимерных углеводов, это самые распространенные органические вещества на нашей планете, в обыденной жизни мы называем их древесиной. Это клеточные стенки растительных клеток, они значительно превосходят по массе сами клетки. На языке химии эти вещества называют гетерополисхаридами, это полимеры сахаров и их производных, в этом суть громадной по масштабам гидролизной промышленности. Химическая промышленность потребляет необъятные объемы метанола, его иной раз называют “органической водой” и этанола, сейчас они успешно стали замещать автомобильное горючее, не говоря уже об их огромном потреблении химической промышленностью. Получают их путем гидролиза (нагревание обычно в присутствии кислоты) древесины с последующей дрожжевой ферментацией. Целлюлоза и другие гетерополисахариды - опорный материал клеток зеленых растений. Они составляют основную массу высших, иначе зеленых или фотосинтезирующих растений. Полимеры глюкозы: крахмал у растений, гликоген у животных — запасы питания, соответственно в зернах, корневищах растений, ”хлеб наш насущный” и гликоген в печени, мышцах. Их ферментативный гидролиз — распад на мономеры, т. е. глюкозу, дает клеткам тела источник энергии.

 Белки (протеины) — ключевая группа биополимеров. Значительная часть из них являются ферментами (энзимами), они катализируют, т. е. направляют и ускоряют строго определенные реакции в клетке. Механизмом действия, локализацией и другими особенностями энзимов занимается раздел биохимии энзимология. Все, что мы называем явлениями жизни так или иначе связано с работой ферментов или белков-переносчиков, осуществляющих направленный в сторону больших концентраций перенос молекул (активный транспорт), это работа белков мембран клетки. Определенные ферменты могут быть представлены в клетке в крохотных количествах, но есть исключение, это мышцы, они состоят из белков — ферментов и составляют при этом до половины веса тела. Клетки не обязательно бывают маленькими, мои ученики лучше усваивали что такое яйцеклетка после рассказа о том, как я с тремя друзьями позавтракал одной клеткой. Это было яйцо новогвинейского страуса казуара, в яйцах птиц и пресмыкающихся само яйцо, клетка из которой развивается зародыш, составляет ничтожную часть, все прочее — запас питания для зародыша (желток) и защита от микроорганизмов — белок.

 Большинство структур клетки (органоидов или органелл) вполне можно сравнить с цехами, службами завода; мембранные структуры — это комплексы из липидов и белков, для части из них добавляются углеводы. Здесь мы говорим исключительно об ядерных (эукариотических) клетках, от безъядерных (в основном бактериальных) клеток они отличаются сложностью устройства, есть и очень существенные качественные отличия. Мембранные структуры ядерных клеток исключительно разнообразны, их можно сравнить с цехами завода. Их общее свойство — активный транспорт молекул, тут имеется ввиду их перенос в сторону больших концентраций, это делает его основой основ жизни клетки и всего многоклеточного организма. Здесь нам придется рассказать о мембранных структурах ядерных или, как их называют биологи эукариотических клеток. Все виды биологических мембран можно назвать композитными материалами жизни, потому что их основу составляют двойные липидные мембраны. Это самособирающиеся структуры. Молекула липида наполовину гидрофобна («ненавидит» воду), эту ее часть называют “хвостом”, они в мембране обращены друг к другу, поскольку стремятся уйти от контакта с водой,  а гидрофильные “головы” липида (любящие воду) обращены к молекулам воды. В эту липидную пленку вмонтированы молекулы белков, а у некоторых — и углеводов. Биологические свойства белков биологических мембран зависят от окружающих молекул липидов. Короткие веточки полимерных углеводов необходимы для узнавания сигнальных молекул (гормонов), — весьма сложная и совершенная конструкция.

 Плазматическая (клеточная) мембрана, окружающая клетку — страж гомеостаза, т. е. постоянства состава внутри клетки, речь идет прежде всего о концентрации ионов калия и натрия, внутри клетки, там поддерживается повышенная концентрация калия сравнительно со средой обитания клеток, на этом свойстве базируется нервная проводимость. В зависимости от типа клеток их клеточные мембраны работают как избирательные молекулярные насосы, они переносят внутрь клетки одни молекулы и удаляют другие. Так из тонкого кишечника переносятся в оплетающие его кровеносные сосуды глюкоза и иные метаболиты. Главный очиститель крови — почки, они удаляют из крови конечный продукт белкового обмена — мочевину, а каже избыток ионов натрия, хлора и массу других нежелательных веществ, те же ионы кальция, магния. Это молекулярный страж организма, на них приходится наряду с печенью наибольший удар при отравлениях (интоксикациях). Для медиков это предельно жесткий вопрос, лекарство в эффективных дозах может убить почки больного. Через определенные участки на клеточной мембране идет регуляция ее ключевых ферментов, это участки, которые распознают гомоны, связываясь с ними они регулируют их активность.

 Мне поневоле приходится давать очень большой объем информации, хотя все это теоретически входит в школьную программу. Почему же теоретически? Чисто практическим путем я выяснил, что труднее всего людям определить свое незнание, признаться себе в этом. Тут я “открыл Америку”. Разумеется, это было давно установлено психологами, стали понятны и истоки открытий выдающихся ученых, им были непонятны вещи, которые не застревали в мозгах обычных людей, не вызывали у них вопросов. Приходится давать информацию и по терминологии, без нее не обойтись. Но главное — вопрос самому себе, отчего, каким образом это происходит, знаменитый инстинкт «что такое», который развит у всех высокоразвитых животных. Честно признаюсь, его дефицит нередко доводил меня почти до слез, — отчего здоровые, нормальные люди ставят себя на уровень низших животных?

 Как и на настоящем заводе в клетке сырье и готовые изделия, разумеется, молекулы транспортируются. Эту работу осуществляют системы мембранных трубок: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи. Отдельно надо рассматривать структуры клеточного ядра, это своего рода государство в государстве. Функции ядра — хранение и считывание генетической информации, т. е. информации обо всех белках данного организма. Кроме того, у клетки есть “сумка самоубийцы” — мембранные пузырьки лизосомы, содержащие ферменты, разрушающие все типы биополимеров. Название лизосомы придумал открывший ее ученый, это аппарат для борьбы с врагами и ликвидации поврежденных частей клетки или для самоликвидации, вроде кинжала самурая для харакири. Энергетические станции клетки — митохондрии, их работу на языке химии называют окислительным фосфорилированием, там за счет окисления, т. е. дегидрогенизации, что в данном случае означает отделение водорода от атомов углерода, освобождается энергия, идущая на фосфорилирование — создание макроэргических фосфатных связей, чаще всего знаменитой АТФ. Митохондрии, как сейчас считает большинство биологов, появились в результате симбиоза, взаимовыгодного сожительства древних ядерных клеток и безъядерных. Они во многом сходны с бактериями, тот же тип ДНК, белок синтезирующих центров рибосом и полное отсутствие иных органоидов. Такая же гипотеза существует и о происхождении фотосинтезирующих центров зеленых растений — хлоропластов. Такой же крохотный геном из одной кольцевой молекулы, рибосомы бактериального типа в хлоропластах, где происходит ключевой для всех обитателей нашей планеты синтез первых органических молекул, некоторых простых сахаров и органических кислот из углекислого газа и воды.

 Сразу отметим, что растения используют для синтеза своих биополимеров неорганические вещества почвы, воды, что абсолютно невозможно для животных. Заодно обратим внимание на важный факт: все незаменимые компоненты пищи, т. е. несинтезируемые в организме человека мы усваиваем только в виде органических веществ. Обратите внимание на определения органических и неорганических веществ, принцип, ”а я так думаю” тут непригоден, еще раз напоминаем, что любая профессиональная терминология условна, знаменитое российское выражение “мочить” вовсе не означает поливать водой. Основное отличие растений от животных состоит в их способности использовать неорганические вещества для синтеза органических. Посмотрите в ближайшей аптеке на названия т. наз. “минералов”, чаще всего это соли жирных кислот и металлов, т. е. это органические вещества, название минералы тут чисто условное. Взаимоотношения растений с минеральными веществами почвы или воды в которых они живут исключительно важный момент, как его символ можно взять сценку из жизни в винодельческих краях. Компания почтенных виноделов следит, как один из них с завязанными глазами дегустирует вино и с идеальной точностью определяет его происхождение. Еще важнее способы очистки почвы от техногенных загрязнений, обычно свинца, с помощью определенных растений.

 Выше мы упомянули о лизосомах, они ответственны за известные всем чудеса: превращение малосимпатичной гусеницы в великолепную бабочку, исчезновение хвоста головастика и многое иное. На них же базируется действие многих противоопухолевых препаратов, они же — основной источник трудностей при клонировании млекопитающих.

 Бытовые привычки загоняют нас в тупик, без знания основ естественных наук человек обречен быть легкой добычей бесчисленных жуликов. Он не способен распознать обман и не может использовать самый мощный инструмент житейских баталий — логическое мышление. Научное или логическое мышление означает наличие практических доказательств, они необходимы во всех житейских ситуациях.

 Растительные и животные клетки обычно создают запасы питательных веществ. Они могут быть по объему больше самой клетки, как таковой. Выше речь шла о яйцах птиц, это далеко не единственный случай, точно так же запасаются жиры в клетках жировой ткани животных и человека, крахмал и белки, липиды служащие запасом пищи для зародыша семени растений. Даже яркая раскраска цветов есть результат существования в их тканях вакуолей — емкостей с пигментами. Лучший пример такой тактики живых существ — верблюд. Животные жиры или на языке химии нейтральные триглицериды при распаде дают большое количество воды. У всех животных засушливых районов есть запасы жиров, они-то и позволяют им обходится долгое время без воды и пищи.

 Мы уже говорили о самых больших по весу клетках, сейчас это яйца страусов, а когда-то — динозавров. Добавим рассказ о самых сложно устроенных клетках и самых длинных, самых специализированных. Самые сложно устроенные — одноклеточные животные, тип Простейшие, класс Инфузории, строение их клеток самое сложное, что делает их интереснейшим объектом изучения. Самые длинные клетки — клетки скелетной мускулатуры, они многоядерные и представляют собой длинные волокна, их длина — длина мышц, в которые они входят, поинтересуйтесь длиной мышц синего кита и ответ готов. Самые специализированные клетки — красные тельца крови — эритроциты млекопитающих, они утратили ядра. Но есть и полная им противоположность. Здесь мы имеем дело со сложнейшим и интереснейшим явлением, с полипотентными или стволовыми клетками, сейчас они стали одним из ключевых пунктов науки о клетках, прогресс в этой области — одна из самых многообещающих областей биологии и медицины. Прогресс в изучении полипотентных клеток обещает нам чудеса в клинической медицине.

 Наш рассказ об ядерных (эукариотических) клетках поневоле был предельно сжат и упрощен, это гигантская область, где каждый день совершаются открытия.