Прежде чем отправиться в путешествие по клетке, взглянем на ее карту, чтобы разобраться, куда следует держать путь, что нас ожидает и как лучше организовать само путешествие. Сейчас мы только назовем основные части клетки и их функции. Со временем, в ходе путешествия мы познакомимся с ними поближе.
Наиболее типичным свойством любой эукариотической клетки, известным уже ранним цитологам, было различие между находящимся в центральной части клетки ядром и окружающей его цитоплазмой. Эти две части соотносятся друг с другом примерно так же, как косточка вишни с ее мякотью (слово «ядро» произошло от латинского пис1еиз — орех). Подобно вишне, клетка покрыта кожицей, или мембраной — плазмалеммой или плазматической мембраной.
Ядро — это хранилище генетической информации клетки, размещенной в химически закодированном виде в определенных единицах -(структурах), хромосомах. Как правило, они настолько тесно переплетены, что кажется, будто они образуют, единую массу — хроматин, неравномерно разделенный на более плотные (гетерохроматин) и менее плотные (эухроматин) участки. В хроматине имеются одна или несколько структур специального назначения — ядрышки. Вся эта масса полностью заключена в мембрану и пропитана жидкостью — нуклеоплазмой.
Основные функции ядра имеют прямое отношение к переработке информации. Сюда входит хранение или, в случае необходимости, восстановление генетической информации и особенно ее транскрипция. Этим термином обозначается крайне сложный, высоко-избирательный процесс, с помощью которого специфические инструкции считываются с хранящейся информации и передаются в цитоплазму для экспрессии. Посредством этих механизмов гены передают свои команды клетке. При подготовке клетки к делению ядро должно выполнить еще одну работу: подготовить полный и точный дубликат генетической информации. Затем ядро подвергается сложному процессу реорганизации, называемому митозом, в ходе которого хромосомы становятся временно различимыми в виде отдельных палочек. В-результате этих изменений образуются два ядра.
Цитоплазма состоит из бесформенного геля — цитозоля, поддерживаемого цитоскелетом и содержащего ряд погруженных в него органелл. Последние осуществляют разнообразные функции, связанные с работой клетки «на экспорт» («внешние дела»), и «для себя» («внутренние дела»),
«Внутренние дела» живой клетки в основном связаны с биосинтезом и производством энергии. Биосинтез — процесс, продолжающийся непрерывно, даже в клетке, которая не растет, ибо клетки химически не статичны. Они постоянно и с высокой скоростью разрушают и восстанавливают большую часть своих компонентов. При этом расходуется много энергии. Энергия нужна также для других видов деятельности клеток, связанных с передвижением, молекулярным транспортом, производством электричества, передачей информации и в некоторых случаях с излучением света. Клетки покрывают эти расходы энергии, разрушая богатые энергией питательные вещества, получаемые из окружающей среды или из собственных запасов. Клетки зеленых растений и фотосинтезирующие бактерии получают необходимую энергию за счет поглощения и утилизации солнечного света. Совокупность всех этих реакций составляет процесс, который ученые называют метаболизмом и который в свою очередь подразделяется на анаболизм (процессы биосинтеза) и катаболизм (реакции распада).
Системы, выполняющие столь разнообразную деятельность, размещены в цитозоле и в ряде тесно связанных с ним органелл. Среди последних следует выделить митохондрии (называемые часто силовыми станциями клетки), где протекают основные окислительные реакции — осуществляются механизмы, благодаря которым энергия, высвобождаемая в ходе окислительных реакций, вновь улавливается и приобретает форму, необходимую для утилизации клеткой; хлоропласты, в которых происходит фотосинтез в клетках зеленых растений; микротельца, гетерогенное семейство метаболических органелл, из которых важнейшими являются пероксисомы. Необходимо также упомянуть о различных структурах, связанных с клеточным движением; о рибосомах, являющихся центрами синтеза белка и, следовательно, основными исполнителями указаний генетических команд, исходящих из ядра. И наконец, назовем разнообразные цитомембраны, которые не только участвуют во «внешних делах» клетки (см. ниже), но и содержат целый ряд важных метаболических систем.Под словами «внешние дела» мы подразумеваем различные способы взаимодействия клетки с внешним миром и обменные процессы между ними. Помимо плазматической мембраны, которая по сути дела является границей клетки, эта активность присуща также сложнейшей се™ внутриклеточных мембран, связанных с плазматической мембраной и образующих множество замкнутых мешковидных структур. Эти структуры способны устанавливать — прямо или косвенно — временные связи друг с другом или с плазматической мембраной. Они предназначены для хранения, переработки и внутриклеточной транспортировки веществ, получаемых извне и расщепляемых на составные части внутри клетки, или веществ, образуемых внутри клетки для экс-порта. Чрезвычайно важно, что в ходе всех этих обменов никогда не происходит ни малейшего повреждения или разрыва мембран. Таким образом содержимое «мешочков» всегда отграничено мембранами от цитозоля. Подобно плазматической мембране при обмене веществ между клеткой и окружающей средой, эти мембраны выступают в качестве посредников, пропуская вещества в сегрегированные участки (мешочки) клетки и из них.
Система цитомембран (ранние цитологи называли ее ныне почти забытым, но достойным восстановления термином «ва- куом») состоит из двух раздельных, однако тесно связанных между собой отделов, служащих соответственно для импорта и экспорта. Они в свою очередь подразделяются на функционально различные подотделы, компартменты. В отдел импорта входят: специализированные участки плазматической мембраны, служащие для захвата внеклеточного материала посредством эндоцитоза, компартмент хранения, образованный эндосомами, занятыми в основном сортировкой и перемещением захваченных в клетку веществ, и комплекс пищеварительных вакуолей, или лизосом, в которых захваченные вещества расщепляются на составные части. Экспортная система начинается с шероховатого (гранулярного) эндоплазматического ретикулума (сети), который собирает и дорабатывает вновь синтезированные и предназначенные для экспорта белки. Белки синтезируются в рибосомах, прикрепленных к пограничным мембранам ретикулума. Посредством эндоплазматического ретикулума с гладкой поверхностью (к нему рибосомы не прикрепляются) эта структура связана со сложной системой аппарата Гольджи. В этих двух компартментах протекает дальнейший процесс переработки и сортировки экспортируемого материала. Из аппарата Гольджи после накопления и концентрации в секреторных гранулах продукты направляются к периферии клетки, откуда они выводятся посредством экзоцитоза. Специальный набор везикул переносит вещества из аппарата Гольджи к лизосомам. Другие везикулы вовлечены в рециркулирование мембран, принимающих участие в описанных процессах.
