Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с клеточной биологией .

Клетка
Wilson1900Fig2.jpg
Клетки корня лука ( Allium cepa ) в разных фазах клеточного цикла (нарисовано Э. Б. Уилсоном , 1900 г.)
Celltypes.svg
Эукариотической клетки (слева) и прокариотической клетки (справа)
Идентификаторы
MeSHD002477
THH1.00.01.0.00001
FMA686465
Анатомическая терминология

Клетки (от латинской целлы , что означает «небольшую комнату» [1] ) являются основной структурной, функциональной, и биологической единицей всех известных организмов. Клетка - это мельчайшая единица жизни. Клетки часто называют «кирпичиками жизни». Изучение клеток называется клеточной биологией , клеточной биологией или цитологией.

Клетки состоят из цитоплазмы, заключенной в мембрану , которая содержит множество биомолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты . [2] Большинство клеток растений и животных видны только под световым микроскопом , их размеры составляют от 1 до 100  микрометров . [3] Электронная микроскопия дает гораздо более высокое разрешение, показывая очень подробную структуру клеток. Организмы можно разделить на одноклеточные (состоящие из одной клетки, например бактерии ) или многоклеточные (включая растения и животных). [4] Большинствоодноклеточные организмы классифицируются как микроорганизмы .

Количество клеток у растений и животных варьируется от вида к виду; было подсчитано, что люди содержат около 40 триллионов (4 × 10 13 ) клеток. [a] [5] Человеческий мозг насчитывает около 80 миллиардов этих клеток. [6]

Клетки были обнаружены Робертом Гук в 1665 году, который назвал их из-за их сходства с кельями, в которых жили христианские монахи в монастыре. [7] [8] Клеточная теория , впервые разработанная в 1839 году Матиасом Якобом Шлейденом и Теодором Шванном , утверждает, что все организмы состоят из одной или нескольких клеток, что клетки являются фундаментальной единицей структуры и функций всех живых организмов и что все ячейки происходят из уже существующих ячеек. [9] Клетки появились на Земле по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. [10] [11] [12]

Типы клеток

Клетки бывают двух типов: эукариотические , которые содержат ядро , и прокариотические , которые не содержат . Прокариоты - это одноклеточные организмы , а эукариоты могут быть одноклеточными или многоклеточными .

Прокариотические клетки

Основная статья: Прокариот
Структура типичной прокариотической клетки

Прокариоты включают бактерии и археи , две из трех областей жизни . Прокариотические клетки были первой формой жизни на Земле, для которой характерны жизненно важные биологические процессы, включая передачу сигналов клетками . Они проще и меньше, чем эукариотические клетки, и лишены ядра и других мембраносвязанных органелл . ДНК из прокариотической клетки состоит из одной круговой хромосомы , которая находится в непосредственном контакте с цитоплазмой . Ядерная область в цитоплазме называется нуклеоидом.. Большинство прокариот - самые маленькие из всех организмов диаметром от 0,5 до 2,0 мкм. [13]

Прокариотическая клетка имеет три области:

  • Клетку окружает клеточная оболочка, обычно состоящая из плазматической мембраны, покрытой клеточной стенкой, которая для некоторых бактерий может быть дополнительно покрыта третьим слоем, называемым капсулой . Хотя у большинства прокариот есть как клеточная мембрана, так и клеточная стенка, есть исключения, такие как Mycoplasma (бактерии) и Thermoplasma (археи), которые обладают только слоем клеточной мембраны. Оболочка придает ячейке жесткость и отделяет внутреннюю часть ячейки от окружающей среды, служа защитным фильтром. Клеточная стенка состоит из пептидогликана.у бактерий и действует как дополнительный барьер против внешних сил. Это также предотвращает расширение и разрыв клетки ( цитолиз ) от осмотического давления из-за гипотонической среды. Некоторые эукариотические клетки ( растительные клетки и грибные клетки) также имеют клеточную стенку.
  • Внутри клетки находится цитоплазматическая область , содержащая геном (ДНК), рибосомы и различные виды включений. [4] Генетический материал свободно находится в цитоплазме. Прокариоты могут нести внехромосомные элементы ДНК, называемые плазмидами , которые обычно имеют круглую форму. Линейные бактериальные плазмиды были идентифицированы у нескольких видов спирохетных бактерий, включая представителей рода Borrelia, особенно Borrelia burgdorferi , вызывающего болезнь Лайма. [14] ДНК, хотя и не образует ядра, сконцентрирована в нуклеоиде.. Плазмиды кодируют дополнительные гены, например гены устойчивости к антибиотикам .
  • С внешней стороны из поверхности клетки выступают жгутики и пили . Это структуры (присутствующие не у всех прокариот), состоящие из белков, которые облегчают движение и связь между клетками.
Структура типичной животной клетки
Структура типичной растительной клетки

Эукариотические клетки

Основная статья: Эукариот

Растения , животные , грибы , слизистые , простейшие и водоросли - все это эукариоты . Эти клетки примерно в пятнадцать раз шире, чем у типичного прокариота, и могут быть в тысячу раз больше по объему. Основная отличительная черта эукариот по сравнению с прокариотами - это компартментализация : наличие мембраносвязанных органелл (компартментов), в которых происходит определенная активность. Наиболее важным из них является ядро клетки , [4] органелла, в которой находится ДНК клетки.. Это ядро ​​дает эукариоту свое имя, что означает «истинное ядро ​​(ядро)». Другие отличия включают:

  • Плазматическая мембрана по функциям похожа на таковую прокариот с небольшими отличиями в устройстве. Клеточные стенки могут присутствовать, а могут и не присутствовать.
  • Эукариотическая ДНК организована в виде одной или нескольких линейных молекул, называемых хромосомами , которые связаны с гистоновыми белками. Вся хромосомная ДНК хранится в ядре клетки , отделенном от цитоплазмы мембраной. [4] Некоторые эукариотические органеллы, такие как митохондрии, также содержат некоторое количество ДНК.
  • Многие эукариотические клетки мерцательного с первичной реснички . Первичные реснички играют важную роль в химиочувствительности, механочувствительности и термочувствительности. Таким образом, каждую ресничку можно «рассматривать как сенсорную клеточную антенну, которая координирует большое количество клеточных сигнальных путей, иногда связывая передачу сигналов с подвижностью ресничек или, альтернативно, с делением и дифференцировкой клеток». [15]
  • Подвижные эукариоты могут двигаться с помощью подвижных ресничек или жгутиков . Подвижные клетки отсутствуют у хвойных и цветковых растений . [16] Жгутики эукариот более сложны, чем у прокариот. [17]
Сравнение характеристик прокариотических и эукариотических клеток
ПрокариотыЭукариоты
Типичные организмыбактерии , археипростейшие , грибы , растения , животные
Типичный размер~ 1–5  мкм [18]~ 10–100 мкм [18]
Тип ядраобласть нуклеоида ; нет настоящего ядраистинное ядро ​​с двойной мембраной
ДНКкруговой (обычно)линейные молекулы ( хромосомы ) с гистоновыми белками
РНК / синтез белкасоединены в цитоплазмеСинтез РНК в ядре,
синтез белка в цитоплазме
Рибосомы50S и 30S60S и 40S
Цитоплазматическая структураочень мало структурвысоко структурирован эндомембранами и цитоскелетом
Движение клетокжгутики из флагеллинажгутики и реснички, содержащие микротрубочки ; ламеллиподии и филоподии, содержащие актин
Митохондрииниктоот одного до нескольких тысяч
Хлоропластыниктов водорослях и растениях
Организацияобычно одиночные клеткиодиночные клетки, колонии, высшие многоклеточные организмы со специализированными клетками
Деление клетокдвойное деление (простое деление)митоз (деление или почкование)
мейоз
Хромосомыодна хромосомаболее одной хромосомы
Мембраныклеточная мембранаКлеточная мембрана и мембраносвязанные органеллы

Субклеточные компоненты

Все клетки, будь то прокариотические или эукариотические , имеют мембрану, которая окружает клетку, регулирует то, что входит и выходит (избирательно проницаемая), и поддерживает электрический потенциал клетки . Внутри мембраны цитоплазма занимает большую часть объема клетки. Все клетки (за исключением красных кровяных телец, у которых отсутствует ядро ​​клетки и большинство органелл для размещения максимального пространства для гемоглобина ) обладают ДНК , наследственным материалом генов и РНК , содержащей информацию, необходимую для построения различных белков, таких какферменты , основной механизм клетки. В клетках есть и другие виды биомолекул . В этой статье перечислены эти основные клеточные компоненты , а затем кратко описаны их функции.

Мембрана

Основная статья: Клеточная мембрана
Подробная схема липидной двухслойной клеточной мембраны

Клеточная мембрана или плазматическая мембрана, представляет собой биологическую мембрану , которая окружает цитоплазму клетки. У животных плазматическая мембрана является внешней границей клетки, тогда как у растений и прокариот она обычно покрыта клеточной стенкой . Эта мембрана служит для отделения и защиты клетки от окружающей среды и состоит в основном из двойного слоя фосфолипидов , которые являются амфифильными (частично гидрофобными и частично гидрофильными ). Следовательно, этот слой называют бислоем фосфолипидов или иногда жидкой мозаичной мембраной. Внутри этой мембраны находится макромолекулярная структура, называемая поросомой.универсальный секреторный портал в клетках и множество белковых молекул, которые действуют как каналы и насосы, перемещающие различные молекулы в клетку и из нее. [4] Мембрана полупроницаема и избирательно проницаема в том смысле, что она может пропускать вещество ( молекулу или ион ) свободно, проходить через нее в ограниченной степени или не проходить вообще. Мембраны клеточной поверхности также содержат рецепторные белки, которые позволяют клеткам обнаруживать внешние сигнальные молекулы, такие как гормоны .

Цитоскелет

Основная статья: Цитоскелет
Флуоресцентное изображение эндотелиальной клетки. Ядра окрашены в синий цвет, митохондрии - в красный, а микрофиламенты - в зеленый.

Цитоскелет организовывает и поддерживает форму клетки; закрепляет органеллы на месте; помогает при эндоцитозе , поглощении клеткой внешних материалов, и цитокинезе , отделении дочерних клеток после деления клеток ; и перемещает части клетки в процессе роста и подвижности. Цитоскелет эукариот состоит из микротрубочек , промежуточных нитей и микрофиламентов . В цитоскелете нейрона промежуточные филаменты известны как нейрофиламенты . С ними связано большое количество белков, каждый из которых контролирует структуру клетки, направляя, связывая и выравнивая филаменты.[4] Прокариотический цитоскелет менее изучен, но он участвует в поддержании формы, полярности и цитокинезаклеток. [19] Субъединичный белок микрофиламентов - это небольшой мономерный белок, называемый актином . Субъединица микротрубочек - это димерная молекула, называемая тубулин . Промежуточные филаменты представляют собой гетерополимеры, субъединицы которых различаются для разных типов клеток в разных тканях. Но некоторые из субъединичных белков промежуточных филаментов включают виментин , десмин , ламин (ламины A, B и C), кератин (множественные кислотные и основные кератины), белки нейрофиламентов (NF – L, NF – M).

Генетический материал

Основные статьи: ДНК и РНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Существует два разных вида генетического материала: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Клетки используют ДНК для длительного хранения информации. Биологическая информация, содержащаяся в организме, закодирована в его последовательности ДНК. [4] РНК используется для передачи информации (например, мРНК ) и ферментативных функций (например, рибосомная РНК). Молекулы транспортной РНК (тРНК) используются для добавления аминокислот во время трансляции белка .

Генетический материал прокариот организован в виде простой кольцевой бактериальной хромосомы в нуклеоидной области цитоплазмы. Генетический материал эукариот делится на различные [4] линейные молекулы, называемые хромосомами, внутри дискретного ядра, обычно с дополнительным генетическим материалом в некоторых органеллах, таких как митохондрии и хлоропласты (см. Эндосимбиотическую теорию ).

Клетка человека имеет генетический материал , содержащийся в клеточном ядре (The ядерного генома ) и в митохондриях (The митохондриального генома ). У человека ядерный геном разделен на 46 линейных молекул ДНК, называемых хромосомами , включая 22 пары гомологичных хромосом и пару половых хромосом . Митохондриальный геном представляет собой кольцевую молекулу ДНК, отличную от ядерной ДНК. Хотя митохондриальная ДНК очень мала по сравнению с ядерными хромосомами [4], она кодирует 13 белков, участвующих в производстве митохондриальной энергии, и специфические тРНК.

Чужой генетический материал (чаще всего ДНК) также может быть искусственно введен в клетку с помощью процесса, называемого трансфекцией . Это может быть временным, если ДНК не вставлена ​​в геном клетки , или стабильным, если это так. Некоторые вирусы также вставляют свой генетический материал в геном.

Органеллы

Основная статья: Органелла

Органеллы - это части клетки, которые адаптированы и / или специализированы для выполнения одной или нескольких жизненно важных функций, аналогично органам человеческого тела (таким как сердце, легкие и почки, причем каждый орган выполняет свою функцию). [4] И эукариотические, и прокариотические клетки имеют органеллы, но прокариотические органеллы обычно проще и не связаны с мембраной.

В клетке есть несколько типов органелл. Некоторые из них (например, ядро и аппарат Гольджи ) обычно единичны, в то время как другие (например, митохондрии , хлоропласты , пероксисомы и лизосомы ) могут быть многочисленными (от сотен до тысяч). Цитозоле является студенистое жидкость , которая заполняет ячейку и окружает органеллы.

Эукариотический

Раковые клетки человека, в частности клетки HeLa , с ДНК, окрашенной в синий цвет. Центральная и самая правая клетки находятся в интерфазе , поэтому их ДНК диффузная, а все ядра помечены. Клетка слева проходит митоз, и ее хромосомы конденсируются.
3D визуализация эукариотической клетки
  • Ядро клетки: информационный центр клетки, ядро ​​клетки является наиболее заметной органеллой, обнаруженной в эукариотической клетке. Он содержит хромосомы клетки и является местом, где происходит почти вся репликация ДНК и синтез ( транскрипция ) РНК . Ядро имеет сферическую форму и отделено от цитоплазмы двойной мембраной, называемой ядерной оболочкой . Ядерная оболочка изолирует и защищает ДНК клетки от различных молекул, которые могут случайно повредить ее структуру или помешать ее обработке. Во время обработки ДНК является расшифрована , или скопирована в специальный РНК, называемая информационной РНК (мРНК). Эта мРНК затем транспортируется из ядра, где она транслируется в определенную молекулу белка. Ядрышко является специализированной областью внутри ядра , где собраны рибосомы субъединиц. У прокариот процессинг ДНК происходит в цитоплазме . [4]
  • Митохондрии и хлоропласты : генерируют энергию для клетки. Митохондрии - это самовоспроизводящиеся органеллы, которые встречаются в цитоплазме всех эукариотических клеток в различном количестве, форме и размере. [4] Дыхание происходит в митохондриях клетки, которые генерируют энергию клетки путем окислительного фосфорилирования , используя кислород для высвобождения энергии, хранящейся в клеточных питательных веществах (обычно относящихся к глюкозе ), для выработки АТФ . Митохондрии размножаются бинарным делением , как прокариоты. Хлоропласты можно найти только в растениях и водорослях, и они улавливают солнечную энергию, чтобы производить углеводы посредством фотосинтеза .
Схема эндомембранной системы
  • Эндоплазматический ретикулум : Эндоплазматический ретикулум (ЭР) представляет собой транспортную сеть для молекул, нацеленных на определенные модификации и определенные места назначения, по сравнению с молекулами, которые свободно плавают в цитоплазме. ER имеет две формы: грубый ER, на поверхности которого есть рибосомы, секретирующие белки в ER, и гладкий ER, в котором отсутствуют рибосомы. [4] Гладкий ER играет роль в секвестрации и высвобождении кальция.
  • Аппарат Гольджи : основная функция аппарата Гольджи - обрабатывать и упаковывать макромолекулы, такие как белки и липиды , которые синтезируются клеткой.
  • Лизосомы и пероксисомы : лизосомы содержат пищеварительные ферменты (кислотные гидролазы ). Они переваривают избыточные или изношенные органеллы , частицы пищи и зараженные вирусы или бактерии . Пероксисомы содержат ферменты, которые избавляют клетку от токсичных перекисей . Клетка не могла бы содержать эти деструктивные ферменты, если бы они не содержались в мембраносвязанной системе. [4]
  • Центросома : организатор цитоскелета: центросома производит микротрубочки клетки - ключевой компонент цитоскелета . Он направляет транспорт через ER и аппарат Гольджи . Центросомы состоят из двух центриолей , которые разделяются во время деления клеток и помогают в формировании митотического веретена . В клетках животных присутствует единственная центросома . Они также содержатся в некоторых клетках грибов и водорослей.
  • Вакуоли : Вакуоли изолируют продукты жизнедеятельности и в клетках растений накапливают воду. Их часто описывают как заполненные жидкостью пространства, окруженные мембраной. Некоторые клетки, особенно амебы , имеют сократительные вакуоли, которые могут откачивать воду из клетки, если воды слишком много. Вакуоли растительных и грибковых клеток обычно больше, чем у животных.

Эукариотические и прокариотические

  • Рибосомы : рибосома представляет собой большой комплекс молекул РНК и белка . [4] Каждая из них состоит из двух субъединиц и действует как сборочная линия, на которой РНК из ядра используется для синтеза белков из аминокислот. Рибосомы могут быть либо свободно плавающими, либо связанными с мембраной (шероховатый эндоплазматический ретикулум у эукариот или клеточная мембрана у прокариот). [20]

Структуры вне клеточной мембраны

Многие клетки также имеют структуры, которые полностью или частично существуют вне клеточной мембраны. Эти структуры примечательны тем, что они не защищены от внешней среды полупроницаемой клеточной мембраной . Чтобы собрать эти структуры, их компоненты должны переноситься через клеточную мембрану с помощью процессов экспорта.

Клеточная стенка

Дополнительная информация: клеточная стенка

Многие типы прокариотических и эукариотических клеток имеют клеточную стенку . Клеточная стенка защищает клетку механически и химически от окружающей среды и является дополнительным слоем защиты клеточной мембраны. Различные типы клеток имеют клеточные стенки, состоящие из разных материалов; Стенки клеток растений в основном состоят из целлюлозы , стенки клеток грибов состоят из хитина, а стенки клеток бактерий состоят из пептидогликана .

Прокариотический

Капсула

Желатиновая капсула присутствует у некоторых бактерий вне клеточной мембраны и клеточной стенки. Капсула может быть полисахаридом, как у пневмококков , менингококков, или полипептидом, как у Bacillus anthracis, или гиалуроновой кислотой, как у стрептококков . Капсулы не маркируются стандартными протоколами окрашивания и могут быть обнаружены индийскими чернилами или метиловым синим ; что позволяет увеличить контраст между ячейками для наблюдения. [21] : 87

Жгутики

Жгутики - органеллы для клеточной подвижности. Жгутик бактерий простирается из цитоплазмы через клеточную мембрану (мембраны) и выходит через клеточную стенку. Это длинные и толстые нитевидные придатки, белковые по своей природе. Другой тип жгутика встречается у архей, и другой тип - у эукариот.

Фимбрии

A бахромки (множественная фимбрия также известный как пилус , множественное пилей) является коротким, тонким, похожим на волосы нити , найденную на поверхности бактерий. Фимбрии состоят из белка, называемого пилином ( антигенный ), и отвечают за прикрепление бактерий к специфическим рецепторам на клетках человека ( клеточная адгезия ). В конъюгации бактерий участвуют особые виды пилей .

Клеточные процессы

Прокариоты делятся бинарным делением , а эукариоты делятся митозом или мейозом .

Репликация

Основная статья: деление клеток

При делении клетки одна клетка (называемая материнской клеткой ) делится на две дочерние клетки. Это приводит к росту многоклеточных организмов (росту тканей ) и размножению ( вегетативное размножение ) одноклеточных организмов . Прокариотические клетки делятся бинарным делением , в то время как эукариотические клетки обычно подвергаются процессу ядерного деления, называемого митозом , за которым следует деление клетки, называемое цитокинезом . Диплоидные клетки также могут пройти мейоз , чтобы произвести гаплоидные клетки, как правило , четыре. Гаплоидныйклетки служат гаметами в многоклеточных организмах, сливаясь с образованием новых диплоидных клеток.

Репликация ДНК или процесс дублирования генома клетки [4] всегда происходит, когда клетка делится посредством митоза или бинарного деления. Это происходит во время S-фазы клеточного цикла .

В мейозе ДНК реплицируется только один раз, а клетка делится дважды. Репликация ДНК происходит только до мейоза I . Репликация ДНК не происходит, когда клетки делятся второй раз, в мейозе II . [22] Репликация, как и любая клеточная деятельность, требует для выполнения своей работы специализированных белков. [4]

Контур катаболизма из белков , углеводов и жиров

Ремонт ДНК

Основная статья: восстановление ДНК

В целом, клетки всех организмов содержат ферментные системы, которые сканируют их ДНК на наличие повреждений и выполняют процессы восстановления при обнаружении повреждений. [23] Разнообразные процессы восстановления развивались в организмах, от бактерий до людей. Широкое распространение этих процессов репарации указывает на важность поддержания клеточной ДНК в неповрежденном состоянии, чтобы избежать гибели клеток или ошибок репликации из-за повреждений, которые могут привести к мутации . Бактерии E. coli - хорошо изученный пример клеточного организма с разнообразными четко определенными процессами восстановления ДНК . К ним относятся: (1) эксцизионная репарация нуклеотидов , (2) репарация несоответствия ДНК., (3) негомологичное соединение концов двухцепочечных разрывов, (4) рекомбинационная репарация и (5) светозависимая репарация ( фотореактивация ).

Рост и метаболизм

Обзор синтеза белка.
Внутри ядра клетки ( светло-синий ) гены (ДНК, темно-синий ) транскрибируются в РНК . Затем эта РНК подвергается посттранскрипционной модификации и контролю, в результате чего образуется зрелая мРНК ( красная ), которая затем транспортируется из ядра в цитоплазму ( персик ), где она подвергается трансляции в белок. мРНК транслируется рибосомами ( фиолетовый ), которые соответствуют трехосновным кодонаммРНК к трехосновным антикодонам соответствующей тРНК . Недавно синтезированные белки ( черный ) часто подвергаются дальнейшей модификации, например, путем связывания с эффекторной молекулой ( оранжевый ), чтобы стать полностью активными.
Основные статьи: Рост клеток и метаболизм

Между последовательными клеточными делениями клетки растут за счет функционирования клеточного метаболизма. Клеточный метаболизм - это процесс, с помощью которого отдельные клетки обрабатывают молекулы питательных веществ. Метаболизм имеет два различных подразделения: катаболизм , при котором клетка расщепляет сложные молекулы для производства энергии и снижения мощности , и анаболизм , при котором клетка использует энергию и снижающую способность для создания сложных молекул и выполнения других биологических функций. Сложные сахара, потребляемые организмом, могут быть расщеплены на более простые молекулы сахара, называемые моносахаридами, такими как глюкоза . Попадая внутрь клетки, глюкоза расщепляется с образованием аденозинтрифосфата ( АТФ ) [4]. молекула, которая обладает легкодоступной энергией двумя разными путями.

Синтез белка

Основная статья: Биосинтез белков

Клетки способны синтезировать новые белки, которые необходимы для модуляции и поддержания клеточной активности. Этот процесс включает образование новых белковых молекул из аминокислотных строительных блоков на основе информации, закодированной в ДНК / РНК. Синтез белка обычно состоит из двух основных этапов: транскрипции и трансляции .

Транскрипция - это процесс, при котором генетическая информация в ДНК используется для производства комплементарной цепи РНК. Затем эта цепь РНК обрабатывается с получением информационной РНК (мРНК), которая может свободно мигрировать через клетку. Молекулы мРНК связываются с комплексами белок-РНК, называемыми рибосомами, расположенными в цитозоле , где они транслируются в полипептидные последовательности. Рибосома опосредует образование полипептидной последовательности на основе последовательности мРНК. Последовательность мРНК непосредственно связана с последовательностью полипептида путем связывания с адапторными молекулами транспортной РНК (тРНК) в связывающих карманах внутри рибосомы. Затем новый полипептид сворачивается в функциональную трехмерную молекулу белка.

Подвижность

Основная статья: Подвижность

Одноклеточные организмы могут перемещаться в поисках пищи или спасаться от хищников. Общие механизмы движения включают жгутики и реснички .

В многоклеточных организмах клетки могут перемещаться во время таких процессов, как заживление ран, иммунный ответ и метастазирование рака . Например, при заживлении ран у животных белые кровяные тельца перемещаются к участку раны, чтобы убить микроорганизмы, вызывающие инфекцию. Подвижность клеток включает множество рецепторов, сшивание, связывание, связывание, адгезию, моторные и другие белки. [24] Процесс делится на три этапа - выступание переднего края клетки, адгезия переднего края и деадгезия на теле и задней части клетки, а также сокращение цитоскелета для вытягивания клетки вперед. Каждый шаг управляется физическими силами, создаваемыми уникальными сегментами цитоскелета. [25] [26]

Навигация, управление и связь

Смотрите также: Кибернетика § В биологии

В августе 2020 года ученые описали, как клетки - в частности, клетки слизистой плесени и клетки, полученные из рака поджелудочной железы мыши - могут эффективно перемещаться по телу и определять лучшие маршруты через сложные лабиринты: создание градиентов после разрушения диффузных хемоаттрактантов, которые дайте им возможность почувствовать приближающиеся перекрестки лабиринта, прежде чем добраться до них, в том числе за углами. [27] [28] [29]

Многоклеточность

Основная статья: Многоклеточный организм

Специализация / дифференциация клеток

Основная статья: Клеточная дифференциация
Окрашивание Caenorhabditis elegans, которое выделяет ядра его клеток.

Многоклеточные организмы - это организмы, которые состоят более чем из одной клетки, в отличие от одноклеточных организмов . [30]

В сложных многоклеточных организмах клетки специализируются на разных типах клеток , которые приспособлены к определенным функциям. У млекопитающих основные типы клеток включают клетки кожи , мышечные клетки , нейроны , клетки крови , фибробласты , стволовые клетки и другие. Типы клеток различаются по внешнему виду и функциям, но генетически идентичны. Клетки могут иметь один и тот же генотип, но разные типы клеток из-за разной экспрессии содержащихся в них генов .

Большинство различных типов клеток возникают из одной тотипотентной клетки, называемой зиготой , которая в процессе развития дифференцируется на сотни различных типов клеток . Дифференциация клеток управляется различными сигналами окружающей среды (такими как межклеточное взаимодействие) и внутренними различиями (например, вызванными неравномерным распределением молекул во время деления ).

Происхождение многоклеточности

Основная статья: Многоклеточный организм

Многоклеточность независимо развивалась по крайней мере 25 раз [31], в том числе у некоторых прокариот, таких как цианобактерии , миксобактерии , актиномицеты , Magnetoglobus multicellularis или Methanosarcina . Однако сложные многоклеточные организмы эволюционировали только в шести эукариотических группах: животные, грибы, бурые водоросли, красные водоросли, зеленые водоросли и растения. [32] Он неоднократно развивался для растений ( Chloroplastida ), один или два раза для животных , один раз для бурых водорослей и, возможно, несколько раз для грибов , слизистой плесени и красных водорослей .[33] Многоклеточность могла развиться из колоний взаимозависимых организмов, в результате клеточности или из организмов в симбиотических отношениях .

Первые доказательства многоклеточности получены от организмов, похожих на цианобактерии, которые жили от 3 до 3,5 миллиардов лет назад. [31] Другие ранние окаменелости многоклеточных организмов включают оспариваемую Grypania spiralis и окаменелости черных сланцев палеопротерозойской формации окаменелостей Франсвильской группы в Габоне . [34]

Эволюция многоклеточности от одноклеточных предков была воспроизведена в лаборатории в эволюционных экспериментах с использованием хищников в качестве давления отбора . [31]

Происхождение

Основная статья: Эволюционная история жизни

Происхождение клеток связано с происхождением жизни , с которой началась история жизни на Земле.

Происхождение первой клетки

Строматолиты оставлены цианобактериями , также называемыми сине-зелеными водорослями. Это самые старые известные окаменелости жизни на Земле. Эта окаменелость возрастом один миллиард лет находится в национальном парке Глейшер в США.
Дополнительная информация: Абиогенез и эволюция клеток

Существует несколько теорий происхождения малых молекул, которые привели к появлению жизни на ранней Земле . Они могли быть перенесены на Землю на метеоритах (см. Метеорит Мерчисон ), созданы в глубоководных жерлах или синтезированы молниями в восстановительной атмосфере (см. Эксперимент Миллера-Юри ). Мало экспериментальных данных, определяющих, какими были первые самовоспроизводящиеся формы. Считается, что РНК является самой ранней самовоспроизводящейся молекулой, так как она способна как хранить генетическую информацию, так и катализировать химические реакции (см. Гипотезу мира РНК ), но некоторая другая сущность, способная к самовоспроизведению, могла предшествовать РНК, например глина илипептидная нуклеиновая кислота . [35]

Клетки появились как минимум 3,5 миллиарда лет назад. [10] [11] [12] В настоящее время считается, что эти клетки были гетеротрофами . Ранние клеточные мембраны, вероятно, были более простыми и проницаемыми, чем современные, с одной цепочкой жирных кислот на липид. Известно, что липиды спонтанно образуют двухслойные везикулы в воде и могли предшествовать РНК, но первые клеточные мембраны также могли быть продуцированы каталитической РНК или даже требовали структурных белков, прежде чем они могли сформироваться. [36]

Происхождение эукариотических клеток

Дополнительная информация: Эволюция полового размножения.

Эукариотическая клетка, по-видимому, произошла от симбиотического сообщества прокариотических клеток. Органеллы, несущие ДНК, такие как митохондрии и хлоропласты , происходят от древних симбиотических протеобактерий и цианобактерий , дышащих кислородом , соответственно, которые были эндосимбиозированы предками архейских прокариотов.

До сих пор ведутся серьезные споры о том, предшествовали ли органеллы, подобные гидрогеносомам, возникновению митохондрий , или наоборот: см. Водородную гипотезу происхождения эукариотических клеток.

История исследования

Основная статья: Теория клеток
Рисунок Гука клеток в пробке , 1665 г.
  • 1632–1723: Антони ван Левенгук научился делать линзы , сконструировал основные оптические микроскопы и извлек из дождевой воды простейшие, такие как вортицеллы , и бактерии из собственного рта.
  • 1665: Роберт Гук обнаружил клетки в пробке , а затем в тканях живых растений, используя ранний составной микроскоп. Он ввел термин клетка (от латинского Cella , что означает «маленькая комната» [1] ) в своей книге « Микрография» (1665). [37]
  • 1839: Теодор Шванн и Матиас Якоб Шлейден разъяснили принцип, согласно которому растения и животные состоят из клеток, заключив, что клетки являются общей единицей структуры и развития, и, таким образом, основали клеточную теорию.
  • 1855: Рудольф Вирхов заявил, что новые клетки происходят из уже существующих клеток путем деления клеток ( omnis cellula ex cellula ).
  • 1859: Вера в то, что формы жизни могут возникать спонтанно ( generatio spontanea ), опровергалась Луи Пастером (1822–1895) (хотя Франческо Реди в 1668 году провел эксперимент, который дал такой же вывод).
  • 1931: Эрнст Руска построил первый просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) в Берлинском университете . К 1935 году он построил ЭМ с разрешением в два раза выше светового микроскопа, обнаружив ранее неразрешимые органеллы.
  • 1953: Основываясь на работе Розалинды Франклин , Уотсон и Крик сделали свое первое объявление о структуре двойной спирали ДНК.
  • 1981: Линн Маргулис опубликовала « Симбиоз в эволюции клеток», в которой подробно описывала эндосимбиотическую теорию .

Смотрите также

  • Клеточная кора
  • Культура клеток
  • Сотовая модель
  • Циториз
  • Цитонема
  • Цитотоксичность
  • Человеческая клетка
  • Липидный плот
  • Очерк клеточной биологии
  • Parakaryon myojinensis
  • Плазмолиз
  • Синцитий
  • Туннельная нанотрубка
  • Хранилище (органелла)

Рекомендации

  1. ^ a b "Клетка" . Интернет-словарь этимологии . Проверено 31 декабря 2012 года .
  2. ^ Клеточные движения и формирование позвоночного органа в главе 21 молекулярной биологии клетки четвертого издания,редакцией Брюса Альберта (2002)опубликованная Garland наукой.
    В тексте Альбертса обсуждается, как «клеточные строительные блоки» изменяют форму развивающихся эмбрионов . Также принято называть небольшие молекулы, такие как аминокислоты, « молекулярными строительными блоками ».
  3. Перейти ↑ Campbell NA, Williamson B, Heyden RJ (2006). Биология: изучение жизни . Бостон, Массачусетс: Пирсон Прентис Холл. ISBN 9780132508827.
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r  Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием из документа NCBI : "Что такое ячейка?" . Дата обращения 3 мая 2013 . 30 марта 2004 г.
  5. ^ а б в Бьянкони Э, Пиовезан А, Факчин Ф, Берауди А, Касадей Р, Фрабетти Ф и др. (Ноябрь 2013). «Оценка количества клеток в организме человека» . Анналы биологии человека . 40 (6): 463–71. DOI : 10.3109 / 03014460.2013.807878 . PMID 23829164 . S2CID 16247166 . Эти частичные данные соответствуют общему количеству 3,72 ± 0,81 × 10 13 [клеток].  
  6. ^ Азеведо Ф.А., Карвалью Л.Р., Гринберг Л.Т., Фарфель Дж.М., Ферретти Р.Э., Лейте RE и др. (Апрель 2009 г.). «Равное количество нейрональных и ненейрональных клеток делает человеческий мозг изометрически увеличенным мозгом приматов». Журнал сравнительной неврологии . 513 (5): 532–41. DOI : 10.1002 / cne.21974 . PMID 19226510 . S2CID 5200449 .  
  7. ↑ Karp G (19 октября 2009 г.). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты . Джон Вили и сыновья. п. 2. ISBN 9780470483374. Гук назвал поры клетками, потому что они напоминали ему кельи, в которых жили монахи, живущие в монастыре.
  8. Перейти ↑ Tero AC (1990). Биология Успешного . Союзные издатели. п. 36. ISBN 9788184243697. В 1665 году англичанин Роберт Гук наблюдал за тонким срезом «пробки» под простым микроскопом (простой микроскоп - это микроскоп только с одной двояковыпуклой линзой, похожей на увеличительное стекло). Он увидел множество маленьких коробчатых структур. Они напоминали ему небольшие комнаты, называемые «кельями», в которых христианские монахи жили и медитировали.
  9. ^ Maton A (1997). Клетки Строительные блоки жизни . Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 9780134234762.
  10. ^ a b Schopf JW, Кудрявцев AB, Czaja AD, Tripathi AB (2007). «Свидетельства архейской жизни: строматолиты и микрофоссилий». Докембрийские исследования . 158 (3–4): 141–55. Bibcode : 2007PreR..158..141S . DOI : 10.1016 / j.precamres.2007.04.009 .
  11. ^ a b Schopf JW (июнь 2006 г.). «Ископаемые свидетельства жизни архейцев» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 361 (1470): 869–85. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1834 . PMC 1578735 . PMID 16754604 .  
  12. ^ a b Raven PH, Джонсон GB (2002). Биология . McGraw-Hill Education. п. 68 . ISBN 9780071122610. Проверено 7 июля 2013 года .
  13. ^ Микробиология: принципы и исследования Жаклин Г. Блэк
  14. ^ Европейский институт биоинформатики, Геномы Карин: Borrelia burgdorferi , часть 2can в базе данных EBI-EMBL. Проверено 5 августа 2012 г.
  15. ^ Сатир P, Christensen ST (июнь 2008). «Строение и функции ресничек млекопитающих» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–93. DOI : 10.1007 / s00418-008-0416-9 . PMC 2386530 . PMID 18365235 . 1432-119Х.  
  16. ^ PH Raven, Evert RF, Eichhorm SE (1999) Биология растений, 6-е издание. WH Freeman, Нью-Йорк
  17. ↑ Blair DF, Dutcher SK (октябрь 1992 г.). «Жгутики прокариот и низших эукариот». Текущее мнение в области генетики и развития . 2 (5): 756–67. DOI : 10.1016 / S0959-437X (05) 80136-4 . PMID 1458024 . 
  18. ^ a b Биология Кэмпбелла - концепции и связи . Pearson Education. 2009. с. 320.
  19. ^ Мичи К.А., Лёв J (2006). «Динамические нити цитоскелета бактерий». Ежегодный обзор биохимии . 75 : 467–92. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.75.103004.142452 . PMID 16756499 . S2CID 4550126 .  
  20. ^ Ménétret JF, Schaletzky J, Clemons WM, Osborne AR, Skånland SS, Denison C, et al. (Декабрь 2007 г.). «Связывание рибосом одной копии комплекса SecY: последствия для транслокации белков» (PDF) . Молекулярная клетка . 28 (6): 1083–92. DOI : 10.1016 / j.molcel.2007.10.034 . PMID 18158904 .  
  21. ^ Прокариоты . Newnes. 11 апреля 1996 г. ISBN 9780080984735.
  22. ^ Биология Кэмпбелла - концепции и связи . Pearson Education. 2009. с. 138.
  23. ^ Д. Питер Снустад, Майкл Дж. Симмонс, Принципы генетики - 5-е изд. (Механизмы репарации ДНК) стр. 364-368
  24. ^ Ananthakrishnan R, Ehrlicher A (июнь 2007 г.). «Силы, стоящие за движением клеток» . Международный журнал биологических наук . Biolsci.org. 3 (5): 303–17. DOI : 10.7150 / ijbs.3.303 . PMC 1893118 . PMID 17589565 .  
  25. Перейти ↑ Alberts B (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Наука о гирляндах. С. 973–975. ISBN 0815340729.
  26. ^ Ananthakrishnan R, Ehrlicher A (июнь 2007 г.). «Силы, стоящие за движением клеток» . Международный журнал биологических наук . 3 (5): 303–17. DOI : 10.7150 / ijbs.3.303 . PMC 1893118 . PMID 17589565 .  
  27. ^ Уиллингем Э. "Клетки решают английский лабиринт изгороди с теми же навыками, которые они используют, чтобы пересечь тело" . Scientific American . Дата обращения 7 сентября 2020 .
  28. ^ «Как клетки могут найти свой путь в человеческом теле» . Phys.org . Дата обращения 7 сентября 2020 .
  29. ^ Твиди L, Томасон PA, Пашка PI, Martin K, Machesky LM, Zagnoni M, Insall RH (август 2020). «Заглядывать за угол: клетки решают лабиринты и реагируют на расстоянии, используя разрушение аттрактанта» . Наука . 369 (6507): eaay9792. DOI : 10.1126 / science.aay9792 . PMID 32855311 . S2CID 221342551 .  
  30. ^ Беккер WM и др. (2009). Мир клетки . Пирсон Бенджамин Каммингс . п. 480. ISBN 9780321554185.
  31. ^ a b c Гросберг Р.К., Стратманн Р.Р. (2007). "Эволюция многоклеточности: незначительный важный переход?" (PDF) . Annu Rev Ecol Evol Syst . 38 : 621–54. DOI : 10.1146 / annurev.ecolsys.36.102403.114735 .
  32. ^ Поппер З.А., Мишель Г., Эрве С., Домозич Д.С., Уиллатс В.Г., Туохи М.Г. и др. (2011). «Эволюция и разнообразие клеточных стенок растений: от водорослей до цветковых растений» (PDF) . Ежегодный обзор биологии растений . 62 : 567–90. DOI : 10,1146 / annurev-arplant-042110-103809 . hdl : 10379/6762 . PMID 21351878 .  
  33. ^ Боннер JT (1998). «Истоки многоклеточности» (PDF) . Интегративная биология: проблемы, новости и обзоры . 1 (1): 27–36. DOI : 10.1002 / (SICI) 1520-6602 (1998) 1: 1 <27 :: AID-INBI4> 3.0.CO; 2-6 . ISSN 1093-4391 . Архивировано из оригинала (PDF, 0,2 МБ) 8 марта 2012 г.  
  34. ^ Эль Альбани А. , Бенгтсон С., Кэнфилд Д.Е., Беккер А., Маккиарелли Р., Мазурье А. и др. (Июль 2010 г.). «Крупные колониальные организмы с координированным ростом в насыщенной кислородом среде 2,1 млрд лет назад». Природа . 466 (7302): 100–4. Bibcode : 2010Natur.466..100A . DOI : 10,1038 / природа09166 . PMID 20596019 . S2CID 4331375 .  
  35. ↑ Orgel LE (декабрь 1998 г.). «Происхождение жизни - обзор фактов и домыслов». Направления биохимических наук . 23 (12): 491–5. DOI : 10.1016 / S0968-0004 (98) 01300-0 . PMID 9868373 . 
  36. ↑ Griffiths G (декабрь 2007 г.). «Клеточная эволюция и проблема топологии мембраны». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 8 (12): 1018–24. DOI : 10.1038 / nrm2287 . PMID 17971839 . S2CID 31072778 .  
  37. ↑ Гук R (1665). Микрография: ... Лондон, Англия: Лондонское королевское общество. п. 113."... Я мог очень ясно представить, что он весь перфорированный и пористый, очень похожий на медовые соты, но что его поры не были правильными [...] эти поры или клетки, [...] были действительно, первые микроскопические поры, которые я когда-либо видел, и, возможно, которые когда-либо были замечены, поскольку я не встречал ни одного писателя или человека, который упоминал бы о них до этого ... »- Гук описывает свои наблюдения на тонком срезе из пробки. Смотрите также: Роберт Гук

Примечания

  1. ^ Примерно для 30-летнего человека, который весит 70 кг (150 фунтов) и имеет рост 172 см (5,64 фута). [5] Приближение не является точным, в этом исследовании подсчитано, что количество клеток составляет 3,72 ± 0,81 × 10 13 . [5]

дальнейшее чтение

  • Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Морган Д., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2015). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Наука о гирляндах. п. 2. ISBN 9780815344322.
  • Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2014). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гирлянда. ISBN 9780815344322.; Четвёртое издание находится в свободном доступе из Национального центра биотехнологической информации Книжной полки.
  • Лодиш Х, Берк А., Мацудаира П., Кайзер Калифорния, Кригер М., Скотт М. П., Зипуркси С. Л., Дарнелл Дж. (2004). Молекулярная клеточная биология (5-е изд.). WH Freeman: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9780716743668.
  • Купер GM (2000). Клетка: молекулярный подход (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 9780878931026.

внешняя ссылка

  • MBInfo - Описание функций и процессов сотовой связи
  • MBInfo - Сотовая организация
  • Inside the Cell - буклет по естественнонаучному образованию от Национальных институтов здравоохранения в форматах PDF и ePub .
  • Клетки живы!
  • Клеточная биология в «Биологическом проекте» Университета Аризоны .
  • Центр клетки онлайн
  • Библиотека изображений и видео Американского общества клеточной биологии , коллекция рецензируемых неподвижных изображений, видеоклипов и цифровых книг, которые иллюстрируют структуру, функции и биологию клетки.
  • Блог HighMag , неподвижные изображения клеток из недавних исследовательских статей.
  • Новый микроскоп позволяет снимать великолепные 3D-фильмы живых клеток , 4 марта 2011 г. - Медицинский институт Говарда Хьюза .
  • WormWeb.org: Интерактивная визуализация линии происхождения клеток C. elegans - Визуализируйте все дерево происхождения клеток нематоды C. elegans
  • Сотовые микрофотографии