Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

         В конце  XIX в,  то есть, в период расцвета микроскопического периода развития морфологии, ученые-цитологи высказывали мысль, что клетка НЕ является НЕделимым образованием организма, а представляет собой сложно организованную живую систему.  Известный  патоморфолог  С.М. Лукъянов   писал: «Мы знаем – и притом это не предположение, а прямая действительность, что клетка есть сложное целое. Клетка живет не как одно сплошное  целое;  она, подобно организму многоклеточному, живет не единою, а объединенною жизнью – в своих многочисленных и многоразличных частях». Это предположение подтверждалось великими открытиями.  Итальянский гистолог Камилло Гольджи в 1898 г. открыл в цитоплазме нервных клеток органоид,  впоследствии названный его именем, – комплекс (устар. аппарат) Гольджи. (В 1906 году Камилло Гольджи,  получил Нобелевскую премию вместе с Сантьяго Рамон-и-Кахаль, который изобрел методику окрашивания тканей мозга для исследования их тонкой структуры.)   В 1890 г. Р. Альтман обнаружил митохондрии с помощью специального метода фиксации ткани и окрашивания препаратов.

         Крупным шагом в развитии учения о клетке оказалось изобретение в 30-40-х гг. электронного микроскопа В. Зворыкиным. Увеличение в десятки и сотни тыс. раз, которое обеспечивает электронный микроскоп, позволило изучать самые мелкие детали клеточных органелл. Бурное развитие электронной микроскопии положило начало треьему, ультрамикроскопическому,  периоду развития морфологии. С помощью электронно-микроскопического метода  были открыты и изучены многочисленные органеллы ядра и цитоплазмы клетки, что послужило основанием сделать важнейшее заключение о том, что  неструктурированных компонентов в клетке не существует. Эти открытия опровергли представление о возможности функциональных изменений без структурных нарушений. Электронная микроскопия клетки в сочетании с биохимическими методами исследования позволила выявить ранее не известные  митохондриальные болезни, болезни накопления, связанные с патологией лизосом и многие другие болезни, обусловленные нарушением структуры органелл.         

         Прорывным  открытием в цитологии стало  обнаружение  стволовых клеток. Стволовые клетки – недифференцированные, способные делиться и дифференцироваться в клетки разных типов, они отвечают за рост организма, его обновление и ремонт повреждений. Не все стволовые клетки одинаковы. Оплодотворенная яйцеклетка обладает тотипотентностью (totus – целый, potentia – возможность) – она дает начало всем клеткам будущего организма, а также клеткам внешних эмбриональных тканей, например плаценты. Бластомеры, образующиеся при первых делениях яйцеклетки человека и большинства животных, еще сохраняют тотипотентность (именно поэтому на свет иногда появляются идентичные близнецы, потомки одной клетки). (У лягушки первые 16 клеток-бластомеров обладают тотипотентностью, и при их разделении из каждого может развиться организм.)

           Плюрипотентная (лат. pluralis – множественный) стволовая эмбриональная клетка может давать начало практически всем органам и тканям, за исключением плаценты. Эмбриональными их назвали  в связи с тем, что они образуются в первые две недели развития зиготы, когда формируется бластоциста (бластула человеческого эмбриона). К ним относятся клетки из внутренней части эмбриона на ранней стадии развития. (В 1981г. американскому ученому Мартину Эвансу впервые удалось выделить  стволовую эмбриональную клетку из зародыша мыши, а в 1998 г.  Джеймс Томпсон и Джон Беккер получили несколько линий человеческих эмбриональных стволовых клеток.)

            Самое главное свойство эмбриональной стволовой клетки (ЭСК)  состоит в том, что генетическая информация, заключенная в ее ядре, находится как бы в “нулевой точке”, то есть, еще не “включила” механизмы, определяющие ее специализацию. В определенное время по специальному сигналу ЭСК может превратиться в один из возможных типов  клеток.                                                             

              Мультипотентная (лат. multum  – много) клетка порождает клетки разных тканей, являющихся производными одного зародышевого листка. В теле зародыша на более поздних стадиях развития различают три зародышевых листка, или клеточных слоя — эктодерму, мезодерму и энтодерму. Из эктодермы получаются кожные покровы и нервная система, а также органы чувств. Из мезодермы — скелет, кровеносные сосуды, почки и мышцы. Энтодерма — это органы дыхания и пищеварения, применительно к человеку и млекопитающим – легкие, слизистая оболочка кишечника, печень, поджелудочная железа. Таким образом, из мультипотентной клетки, производящей клетки кожи, можно получить и нейроны, но не слизистую оболочку и не клетки сосудов.

            Во взрослом организме есть стволовые клетки с еще более низким дифференцирующим потенциалом – олигопотентные и унипотентные, то есть, производящие ограниченный набор близких типов клеток или только один тип (овальные клетки печени, клетки-сателлиты скелетных мышц). Есть и плюрипотентные, но их очень мало и не во всех органах человека.

        Интерес ученых и медиков к стволовым клеткам объясняется тем, что – это и лечение заболеваний и возрастных изменений, связанных с гибелью клеток, и репродуктивная медицина.

            В настоящее время патологические  процессы при различных болезнях  изучаются на всех  уровнях  организации организма – организменном, органном, тканевом, клеточном, внутриклеточном (органоидном), молекулярно-генетическом. Отсутствие сведений о стуктурных  изменениях, на каком-либо одном  из этих уровней лишает исследователя (врача) возможности получить цельное  представление о болезни, делает  его фрагментарным – или самым  общим, или, наоборот, самым узким (акад. Д.С. Саркисов).

           Клеточная теория, как одно из наиболее важных фундаментальных обобщений в биологии, и в наши дни имеет первостепенное значение для разработки целого ряда актуальных медико-биологических проблем (воспаление, иммунитет, опухолевый рост, регенерация, наследственные болезни и др.), поскольку клетки и взаимодействие между ними являются первоосновой всех нормальных и патологических реакций целостного организма. Кроме этого, рост, развитие, обмен веществ во всех его аспектах, наследственность,  болезни, старение и смерть – лишь разные аспекты жизнедеятельности клеток, несмотря на то, что каждое из этих явлений можно рассматривать также на более высоких и более низких уровнях биологической организации. Жизнь поколения организмов и эволюция их во времени – это также непрерывная последовательность клеток. 

 

 

Важнейшие характеристики понятия клетка (теория клетки)

 

        Клетка – сложнейшая иерархическая биологическая система, элементами которой являются молекулы, макромолекулы и органеллы клетки. У многоклеточных она является элементом (компонентом) системы более высокого ранга – организма.

      ● – целостная система, неделимая на части, способная к самостоятельному существованию. Целостность клетки обеспечивается биологическими мембранами, взаимосвязями ее частей и органоидов.

      ●  – функциональная система, поскольку каждый органоид в ней выполняет определенные функции, например, в митохондриях органические вещества окисляются, а в каналах эндоплазматической сети — синтезируются. Клетки многоклеточного организма различаются по своему строению в зависимости от выполняемых функций.

       ●  – открытая система, связанная с окружающей средой обменом веществ и превращениями энергии.

       ● – устойчивая система, способная сохранять особенности своего строения и функционирования. Ей свойственно самообновление, связанное с заменой молекул, она способна к саморегуляции и самовоспроизведению. Биохимические процессы в клетке регулируются условиями внешней среды, генетической системой клетки, ферментами.

       ●  – самоуправляемая система. Ее управляющую генетическую систему составляют ДНК, РНК и ферменты.

 

Современная клеточная теория утверждает:

 

● все живые организмы – животные, растения и бактерии состоят из клеток, (и продуктов жизнедеятельности клеток у многоклеточных);

 

● новые клетки образуются только путем деления предшествующих клеток;

 

● Многоклеточные организмы представляют ансамбли клеток, объединенные в системы тканей и органов, подчиненные и связанные между собой множеством форм межклеточных, гуморальных и нервных механизмов регуляций.

 

 

Отличие эукариотической клетки от бактериальной

 

        Многие виды  бактерий являются патогенными  и  могут вызывать у человека  болезни. Для успешной борьбы  с возбудителями инфекционных  болезней  необходимо  знать морфологические, биохимические и другие особенности  бактериальных клеток и использовать их для профилактики и лечения болезней. Знания о специфических особенностях биосинтеза белка у прокариот и эукариот врачи широко используют при лечении больных антибиотиками, воздействуя на тот или иной этап биосинтеза белка или синтез клеточной оболочки у бактерий.     

            Клетки эукариот отличаются от клеток бактерий и архей во многих отношениях. Эукариотическая клетка  устроена значительно сложнее, чем бактериальная. Они в десятки раз крупнее, содержат ядро, отделяющее геном и его транскрипцию от процессов цитоплазмы. Главное отличие состоит в том, что она разделена мембранами на отсеки – компартменты. В клетках эукариот имеются сложные системы мембранных цистерн и пузырьков – эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и другие вакуоли. Пузырьки управляемо отшнуровываются от мембран в одних местах и сливаются с ними в других. Белки цитоскелета – актин и тубулин – поддерживают форму клетки, а связанные с ними моторные белки – миозин, динеин, кинезин – перемещают органеллы внутри клетки и обеспечивают движение всей клетки.

         Рибосомы эукариотической клетки крупнее, чем бактериальные, содержат больше белков и узнают матричные РНК по наличию кэпа — специальной модификации 5’-конца мРНК. Кроме кэпа эукариотические мРНК имеют полиадениловый хвост на 3’-конце, и, в отличие от бактериальных, каждая из них кодирует только один белок.

          Геном эукариот состоит из многих линейных молекул ДНК — хромосом, намотанных для компактности на специальные белковые «катушки» — гистоны. Размер генома может достигать десятков миллиардов пар нуклеотидов, что на четыре порядка (четыре десятка раз) больше, чем у бактерий. Геном часто переполнен некодирующими последовательностями разных типов, из которых шире всего распространены так называемые сплайсеосомные интроны.

Наконец, в жизненном цикле многих эукариот есть половой процесс, собирающий гены двух родителей в одной клетке, и мейоз – специальное деление, при котором хромосомы, происходящие от разных родителей, обмениваются отдельными участками, после чего диплоидная клетка делится на четыре гаплоидных (с одиночным хромосомным набором). Благодаря мейозу образуются половые клетки.

Таким образом, эукариотическая клетка гораздо сложнее организована, чем бактериальная, и ее появление было таким же крупным эволюционным событием, как переход от РНК- мира к первым клеткам.

 

 

 

 

 

 

 

Первым шагом к пониманию происхождения эукариотической клетки стало обнаружение сходства между митохондриями и свободноживущими аэробными бактериями, а также между пластидами и цианобактериями. Первые работы в этом направлении появились еще в концеXIX века, а в современном виде теорию симбиогенеза сформулировала Линн Маргулис в 1970-х годах. К тому времени уже было обнаружено, что пластиды и митохондрии имеют собственную миниатюрную генетическую систему, включающую в себя кольцевую молекулу ДНК, атакже особые рибосомы — мельче, чем в цитоплазме эукариот, и похожие на бактериальные. Органеллы никогда не образуются «с нуля», а только путем роста и деления существующих. Все это указывает на происхождение пластид

• митохондрий от бактериальных симбионтов, когда-то поселившихся в цитоплазме эукариотической клетки.

л

Тоща же, в 1970-е, предпринимались попытки расширить творию симбиогенеза и на другие системы эукариотической «летчи. Несколько раз сообщалось об обнаружении собственной ДНК в центриолях — центрах организации тубулинового м^оскелета, в гидрогеносомах и пероксисомах, — специаль- *♦»:« вакуолях, осуществляющих реакции с выделением водо- асла и утилизацию перекиси водорода. С применением более совершенных методов эти открытия пришлось «закрыть»,

• сказалось, что пероксисомы и гидрогеносомы почему-то получают новые липиды для мембран по одной молекуле через специальную систему транспортных белков — ту же, что доставляет липиды в митохондрии. В то же время обычные вакуоли получают новые липиды в виде целых мембранных пузырьков. Эта особенность пероксисом может означать, что они произошли от митохондрий путем крайнего упрощения и полной потери генома.

Гораздо сложнее было установить природу ядерно-ци- топлазматического компонента (ЯЦК) эукариотической клетки — то есть «хозяина» митохондрий и пластид, или всей остальной части клетки, кроме них. Сегодня, когда прочитаны последовательности геномов более чем тысячи видов бактерий и архей, появилась возможность методами сравнительной геномики искать прокариотные гомологи каждого из тысяч эукариотических белков (см., например, А.Марков, А.Куликов, «Происхождение эвкариот: выводы из анализа белковых гомологий», в сборнике «Происхождение и эволюция биосферы», 2005, Новосибирск: ИК РАН, http:// evolbiol.ru/markov_kulikov.htm). Краткие результаты такого поиска представлены на рисунке. (Домены — относительно независимые части белковой молекулы. Новые белки могут возникать путем комбинирования старых доменов, и общие домены бывают в очень разных белках. Поскольку перестановки и новые комбинации доменов происходили многстраз в эволюции эукариот, прослеживать эволюционную судьбу доменов проще, чем судьбу целых белков.)