[Из песочницы] Краткое введение в Клеточную биологию

Последние пару лет я занимаюсь исследованиями в области биологии растительной клетки, в частности, я занимаюсь вопросом сигналинга и регуляции клеточных процессов. В свободное время балуюсь биоинформатикой, классическими ML задачами, и спортивной биомеханикой. Этой весной я, по счастливой случайности выплыл в реальный мир и пообщался с реальными людьми, что позволило мне понять, как мало обычный человек знает о том, как устроен его организм и мир вокруг. Это и натолкнуло меня на мысль написать цикл статей о том как устроен наш организм, как работают клетки и как наконец хранится информация в ДНК (подробные описания встречаются, увы, крайне редко, а ведь для понимания работы ДНК не хватает знания о 4 нуклеотидах). Но начну я пожалуй с самого простого, с состава клеток (для начала в очень упрощенной форме).

Ни для кого не секрет, что почти все живое в этом мире состоит из клеток, будь то мы с вами, любимый кот, водоросли, или бактерии помогающие переваривать все то, чем современный человек загружает свой желудок. Однако большинство людей почти ничего не знает о том, как устроены клетки и как они работают. Многие из вас могут возразить, что их работа не связанна с биологией и эти знания им не нужны, и это ваше право. Однако в большинстве насущных проблем биологическое знание может нам помочь (например понять абсурдность рекламы большинства омолаживающих кремов, важности антибиотиков и их правильного приема, всю абсурдность споров на тему ГМО и т.д.).

Для начала, в каких пределах варьируют размеры клеток? Одной из самых маленьких клеток является Mycoplasma genitalium. По сути это мелкий паразит, живущий на слизистой приматов (половые + дыхательные путей). И она по-настоящему маленькая, примерно 300 нанометров в диаметре (кто забыл, нанометр это 0.000000001 метра). Самой большой клеткой является страусовое яйцо. Да! Это всего одна клетка, просто непривычно большая. Средняя же клетка нашего тела примерно 5-20 мкм в диаметре. Что бы было понятней, сравним с простым листом A4.

Собственно клеток в нашем организме довольно много, и по разным оценкам много это от 1 до 100 триллионов. Последнее время я сталкивался с цифрой в 37 триллионов, остановимся на ней. Клетка состоит из мембраны, различных «органов», называемых органоидами. Все остальное пространство в ней заполнено цитоплазмой.

Клеточное ядро

Мы привыкли, что в одной клетке одно ядро, максимум 2. На самом деле существуют заметные выбросы из этих данных. Так у инфузории туфельки 2 ядра, а в некрофагах их может быть до сотни. Ядро относится к двумембранным органоидам, то есть окружена двумя мембранами, контролирующими транспорт веществ в него и наружу. Именно в нем хранится почти 99,9% всей ДНК клетки и именно оно содержит всю необходимую клетке наследственную информацию. Хранение ДНК не единственная задача ядра, в нем так же осуществляется синтез рибосом, о которых я расскажу чуть позже.

Митохондрия

В клетках эукариот именно они отвечают за производство энергии (помимо еще парочки путей производства энергии о которых мы пока говорить не будем). Обычно в клетке несколько митохондрий и их совокупность называется митохондрионом. Как и ядро, митохондрия так же является двумембранным органоидом. Однако структура мембран отличается от ядерной, но не будем усложнять. Митохондрии часто называют полуавтономными органоидами. Почему? Потому что внутри митохондрии содержится собственная ДНК, кодирующая часть собственных ферментов и участвующая в регуляции работы органоида. Также у них имеется собственная система синтеза белка. По своим размерам митохондрии напоминают бактерии. И стоит отметить, что существует теория их бактериального происхождения. Предполагается, что древние предки современных эукариотических клеток вступили в симбиоз с древними бактериями, «переехавшими» жить внутрь клеток. Клетки обеспечивали им постоянную среду и приток всех необходимых элементов, в связи с чем бактериальные клетки, в процессе эволюции, утратили уже ненужные гены для выживания в суровых условиях окружающей среды. В свою очередь они стали своего рода фабриками по трансформации соединений вроде глюкозы в АТФ (форму энергии, в основном используемую клеткой).

Лизосомы

В отличие от ранее описанных органоидов лизосомы имеют лишь одну мембрану, да и как можно заметить они намного меньше чем ядро, или митохондрии. Под липидной оболочкой лизосомы содержится пуль гидролитических ферментов. Не смотря на свой размер она участвует в целом ряде процессов. Так она переваривает крупные полимеры белков и углеводов, попавших в клетку; может также переваривать старые (сломавшиеся) клеточные органеллы; участвует в иммунных ответах (с их помощью макрофаги переваривают вредные бактерии); регулирует процессы роста и наконец участвует в ряде сигнальных путей. Но мы пока запомним, что они участвуют в переваривании различных веществ, попавших в клетку, для дальнейшего их использования при биосинтезе клеточных структур, или выработке энергии митохондриями.

Рибосомы

На них я сегодня планирую закончить свой рассказ. Данные органеллы являются безмембранными. Да и сами по себе они самые маленькие (если не считать отдельных элементов клеточного скелета и одиночных ферментов). Созданные в ядре и питаемые АТФ произведенной митохондриями они усиленно синтезируют клеточные белки (начиная от мелких сигнальных белков, заканчивая ферментами и крупными клеточными структурами типа ионных каналов и т.д.). В клетке их огромное множество, по разным оценкам от 1 до 5 миллионов. Так же стоит отметить, что существует два типа рибосом, первый, более крупный располагается в цитоплазме клеток, второй же характерен для внутреннего содержимого митохондрий.

Я все еще не рассказал о таких важных компонентах, как комплекс Гольджи и эндоплазматический ретикулум. Но об этом потом.

Давайте подытожим и сформируем логическую цепочку происходящего.

Ядро содержит информацию, регулирующую работу всей клетки. Поступающие извне вещества, при необходимости, перевариваются в лизосомах, а продукты распада используются для синтеза компонентов клетки и производства энергии, за которое отвечают митохондрии. Потраченная энергия используется для синтеза белков рибосомами, находящимися как внутри митохондрий, так и в клеточной цитоплазме.