Живая клетка и ее структура

Итак, живая клетка — это хотя и элементарная, но уже достаточно сложная ячейка жизни, которой присущи все характерные черты живой материи. В природе, как известно, существует громадное количество одноклеточных организмов; предполагается, что одноклеточными были и самые первые организмы на Земле, из которых в ходе эволюции впоследствии развились многоклеточные организмы.

Всем живым организмам, в том числе и одноклеточным, для жизнедеятельности необходима энергия, которая поставляется «пищей» и светом. Живой организм использует химическую энергию, которая по своей способности переходить в тепло занимает промежуточное положение между механической и тепловой энергиями. Кроме того, химическую энергию легко превратить в механическую, электрическую, лучистую и тепловую энергии или, наоборот, получить ее из них.

Существенным является то, что химическая энергия способна производить работу в системе с постоянной температурой, а живой организм можно в целом рассматривать приближенно как именно такую систему. Причем все живые организмы действуют подобно энергопреобразователям, в которых посредством специальных веществ — катализаторов (называемых в биологии ферментами или энзимами) химическая энергия превращается в работу: химическую (биосинтез), осмотическую (противостоящую диффузии вещества через полупроницаемую перегородку между растворами), электрическую и механическую.

Чтобы живой организм функционировал нормально, он должен вначале высвободить химическую энергию из молекул «пищи» (или поглотить световую энергию), а затем с помощью этой энергии связать между собой (сопрячь, в терминах биологии) энерговыделяющие и энергопотребляющие процессы. Это сопряжение энерговыделяющих процессов с энергопотребляющими предотвращает накопление тепла в организме. В результате функционирующая живая клетка теряет лишь незначительное количество химической энергии, переходящей в тепло, и это сохраняет в ней условия, характеризующиеся практическим постоянством температуры.

Функции живых клеток, подобно автоматическим химическим машинам, главным образом заключаются в том, чтобы наиболее экономным способом использовать имеющуюся химическую энергию для производства необходимых продуктов жизнедеятельности посредством последовательных химических реакций, а также для воспроизведения себе подобных клеток. Химическая работа (биосинтез) непрерывно осуществляется не только во время роста, но и для поддержания жизнедеятельности взрослого организма. Однако следует подчеркнуть, что проведенная нами аналогия между живым организмом и машиной является в знач ительной степени условной.

Живая клетка — это молекулярная система, состоящая из двух несмешивающихся фазовых состояний: внутриклеточной водной структуры и границ клетки — мембраны. Мембрана служит как бы клеточной «кожей». Регулируя процессы движения вещества вовнутрь клетки и из нее, она позволяет ей сохранять структуру и функции постоянными, невзирая на изменение условий в околоклеточной среде. С одной стороны, мембрана обеспечивает избирательную проницаемость многих типов молекул вовнутрь клетки, используя различные виды «транспорта»: например, перенос ионов калия и натрия или осмотическое всасывание воды вовнутрь клетки. С другой стороны, мембрана служит и эффектным барьером для неконтролируемого обмена веществ между внутриклеточной и внеклеточной средами.

Мембрана состоит из двойного слоя жироподобных веществ (фосфолипидов), ограниченных с обеих сторон белками (толщина мембраны порядка 10^-8 м или 10 нм). В этом слое длинные концы линейных молекул («хвосты») расположены внутри слоя («хвостом» к «хвосту»), а «головки» молекул торчат наружу (рис. 11). Таким образом, через гидрофильные (легкосмачиваемые) «головки» фосфолипиды соприкасаются с гидрофильной внеклеточной средой (белками, водой). При возникновении некоторого избытка воды в клетке последняя благодаря осмотическому давлению набухает и быстро увеличивается в размере. Это увеличение размеров клетки не может продолжаться долго, в какой-то из моментов мембрана рвется вследствие своей весьма низкой прочности.

В мембране имеются каналы (микропоры) диаметром 0,4 — 0,5 нм, через которые молекулы некоторых веществ (например, молекулы воды, имеющие размеры 0,25 нм) легко проходят в оба направления. Поверхности многих из этих каналов, по-видимому, обладают электрическими зарядами, что обусловливает наблюдаемые различия в скоростях переноса положительных и отрицательных ионов веществ через мембрану и служит одной из причин возникновения так называемых мембранных потенциалов, т. е. электрических зарядов разного знака по обеим сторонам мембраны. Область, прилегающая к наружному слою, называется цитоплазматической мембраной.

Основные носители наследственной информации в клетках всех без исключения живых организмов на Земле — это молекулы дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот. В них «химическим языком» записаны программы синтеза белков, второго по содержанию (после воды) внутриклеточного вещества, которое управляет всей жизнедеятельностью клетки.

По своей структуре молекула ДНК представляет собой двуниточную спираль, состоящую из двух химически идентичных нитей (скрученных подобно жгуту из двух проводов), в которых последовательно чередуются в определенном порядке четыре химических соединения -нуклеотиды. Программа синтеза каждого конкретного внутриклеточного белка, записанная «химическим языком» (ген), заложена в определенной части каждой нити молекулы ДНК (и молекулы РНК).

Клетки живого организма постоянно претерпевают деление, и при этом происходит передача наследственной (генетической) информации от материнской клетки к дочерним. Из каждой двуниточной молекулы ДНК с помощью ферментов синтезируются две дочерние молекулы ДНК, полностью идентичные материнской. Далее, в соответствии с программой, «записанной» в молекуле ДНК, и с помощью линейных молекул РНК и ферментов происходит синтез внутриклеточных белков.

Так, в результате всего этого процесса, называемого редупликацией, из одной материнской клетки образуются две дочерние, каждая из которых содержит генетическую информацию, аналогичную информации, содержавшейся в материнской клетке. Таким образом, в основе жизнедеятельности клетки лежат биохимические процессы, осуществляемые посредством химических веществ, которые непрерывно поступают вовнутрь клетки с водой из околоклеточной среды. С водой же из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности.

У всех без исключения живых организмов каждая клетка почти на 80% состоит из химически связанной и (в меньшем количестве) свободной воды. Даже в наиболее «сухих» образцах живой материи — спорах микроорганизмов, пребывающих как бы в дремотном (анабиотическом) состоянии, сохраняется до 25 — 40% воды. Таким образом, жидкая вода — один из главных компонентов живой клетки. Вода служит универсальным растворителем и средой внутриклеточных взаимодействий.

Важнейшая роль воды в биологических системах обусловлена ее способностью легко образовывать водородные связи, которые, хотя и слабее химических (ковалентных), однако сильнее межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых), действующих в коллоидно-химических системах. Для образования и для разрыва водородных связей достаточно простого теплового воздействия, и нет необходимости в каких-либо катализаторах.

Способность легко образовывать такие водородные связи объясняется особыми физическими и химическими свойствами воды, которые делают ее незаменимым участником всех внутриклеточных взаимодействий. В результате этих взаимодействий возникают специфические насыщенные водой желеобразные внутриклеточные структуры, в которых быстро устанавливается существенно неравновесное динамическое состояние, характерное для жизнедеятельности всех живых систем.

Отдельные участки внутриклеточного пространства также разделены полупроницаемыми мембранами. Их свойства и служат причиной неравномерного распределения веществ, растворенных внутри клетки, и образования внутриклеточных перепадов их концентраций. Жидкая вода свободно движется между этими пространствами в направлении действия осмотического давления, тогда как движение растворенных в ней веществ строго регулируется.

Таким образом, жидкая вода занимает весьма специфическое положение в биологических объектах и вовлечена во все биологические превращения. Как отмечает известный американский биохимик А. Сент-Дьёрди, вода является материальной и матричной основой жизни. Материальной, поскольку живое вещество в значительной степени состоит из воды, матричной, поскольку жизнь зародилась на Земле в жидкой воде и «эта ситуация не изменилась и после того, как жизнь распространилась на сушу и возникли земные виды жизни».

Последнее произошло после того, как жизнь, по образному выражению А. Сент-Дьёрди, научилась брать океан с собой. Интересно отметить, что в своем выражении американский ученый, по-видимому, усматривает не только обилие воды в живых организмах, в частности в человеческом. Дело в том, что имеется определенное сходство между химическим составом крови человека и морской (океанской) воды.