Глава 1. Цитологические основы наследственности

1.1. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

Как известно, все живые организмы благодаря присущему им первичному свойству наследственности сохраняют в ряду поколений характерные для них черты, то есть воспроизводят себе подобных и передают эту преемственность из поколения в поколение в процессе размножения.

Клетка является основой строения любого организма, а при размножении — связующим звеном двух поколений. Клетки разных организмов и в разных тканях очень разнообразны по размеру, форме, строению и функции, однако общая схема строения клетки одинаковая. Все клетки имеют оболочку, ее еще называют клеточной мембраной. Она состоит из двойного слоя липидных молекул между двумя слоями белка. Через клеточную мембрану осуществляется активный и пассивный перенос различных веществ внутрь и наружу. Каждая клетка состоит из ядра, одного или нескольких ядрышек и цитоплазмы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Строение клетки эукариот

Цитоплазма животной клетки — сложно организованная система. В ней имеются органоиды: митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы. Цитоплазма составляет основную массу клетки. Она состоит из коллоидного раствора белков и других органических веществ: 85% — вода, 10% — белки и 5% — другие соединения. По своей структуре цитоплазма неоднородна. В ней расположены пластинчатые структуры или мембраны, которые образуют сложную систему плоских разветвленных каналов. Их называют эндоплазматической сетью или ретикулумом. По каналам ретикулума различные вещества проходят от наружной мембраны клетки к цитоплазме, органоидам и ядру.

Митохондрии — это сферические или палочковидные образования сложной структуры. Они состоят из матрикса, окруженного внутренней мембраной, межмембранного пространства и наружных мембран. В матриксе содержатся кольцевые молекулы ДНК, специфические РНК (см. гл. 2), гранулы солей кальция и магния. Мембраны состоят из белков и фосфолипидов. Митохондрии способны к самовоспроизведению. В митохондриях за счет окислительно-восстановительных процессов вырабатывается энергия, которая накапливается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата). Клеточное дыхание (использование клеткой кислорода) происходит при участии митохондрий.

Рибосомы — сложно организованные субмикроскопические гранулы, расположенные на мембранах эндоплазматической сети или свободно в цитоплазме. Рибосомы могут быть единичными или объединенными в комплексы — полирибосомы. В их состав входят белки и высокомолекулярные РНК примерно в равном количестве. Функцией рибосом является синтез белков.

В аппарате Гольджи накапливаются различные продукты клеточного обмена и поступающие извне вещества. В его петлях происходит концентрация веществ в капли или гранулы, которые затем выводятся за пределы клетки.

В цитоплазме клетки содержатся лизосомы. Они имеют вид мешочков, покрытых мембраной, содержат ферменты, расщепляющие нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды. Лизосомы являются «пищеварительной системой» клетки. В случае разрушения мембраны лизосомы могут переваривать и содержимое цитоплазмы клетки — автолизис (самопереваривание).

Пероксисомы клетки представляют собой тельца овальной формы, ограниченные мембраной и расположенные на обеих сторонах ретикулума. Внутри пероксисом содержится гранулярный матрикс, в центре которого находятся кристаллоподобные структуры, состоящие из фибрилл и трубок. Содержимое пероксисом — ферменты окисления аминокислот и каталаза. При метаболизме аминокислот образуется перекись водорода, которая разрушается каталазой. Таким образом, каталаза пероксисом выполняет защитную функцию, так как Н2О2 является токсичным для клетки соединением.

Центросома, или «клеточный центр», обычно располагается в центре клетки или рядом с ядром. Она состоит из двух центриолей, расположенных в участке цитоплазмы, организованном особым образом. Центросома участвует в процессе деления клетки, создавая веретено деления.

Иногда в цитоплазме клетки выявляются включения. Они не являются обязательным компонентом, поскольку представляют различные продукты метаболизма (кристаллы солей мочевой кислоты, пигментные зерна, жиры, белки и т.д.), и в случае необходимости могут быть использованы организмом.

В цитоплазме клетки непрерывно происходит обмен веществ, приводящий к самообновлению белков и других химических веществ. Это достаточно быстрый процесс. Например, в клетках печени за 3–5 суток половина белковых молекул может заменяться новыми.

Биохимическими методами показано, что если отделить ядро и все органоиды клетки от цитоплазмы, то в ней останутся ферменты, которые ускоряют реакции обмена. Но все же полный обмен веществ происходит только в случае взаимодействия цитоплазмы с другими компонентами клетки. С генетической точки зрения, биохимию цитоплазмы и ее строение необходимо рассматривать в свете ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, т. е. взаимовлияния компонентов цитоплазмы и ядра.

Как правило, в клетке содержится одно ядро, реже — несколько. Ядро состоит из хроматина («хроматин» — от греческого chroma — цвет, краска) — вещества, способного хорошо воспринимать красители. Хроматин состоит из ДНК и белков. В интерфазных клетках хроматин может быть рассеян по всему ядру или располагаться в виде отдельных глыбок. Интерфазные клетки — клетки, находящиеся в состоянии между двумя последовательными митозами в фазе покоя или же в стадии от последнего митоза до гибели клетки. В интерфазных ядрах хромосомы разрыхлены и деконденсированы. Они и составляют нити хроматина, максимальная конденсация которых происходит во время митотического деления клеток с образованием хромосом.