Как и зачем осуществляется движение клеток?

Классификация организмов на основе клеточной теории

При изучении органического мира Земли было установлено, что организмы по их строению можно разделить на две большие группы: клеточные и неклеточные формы. Большинство организмов имеют клеточное строение и только организмы, образующие царство Вирусы, имеют неклеточное строение.

Вирусы были открыты Д. И. Ивановским в 1892 г., а в 1917 г. Ф. Д’Эрелль открыл бактериофаг — вирус, поражающий бактерии. Вирусы образуют царство Предклеточные, или Вирусы. Это организмы, имеющие очень малые размеры (от 20 до 3000 нм (нанометров)). Вирусы не способны к росту и их жизнедеятельность может осуществляться только внутри клетки организма хозяина. Тело вируса образовано нуклеиновой кислотой (или ДНК, или РНК), которая содержится в белковой оболочке — капсиде (разновидность капсулы), иногда капсид покрыт мембраной.

Вирусы являются паразитическими организмами, и большинство из них (кроме бактериофагов) вредны для человека, животных и растений из-за того, что вызывают различные заболевания. Известны вирусы табачной мозаики табака, огурцов, вирусы гепатита, гриппа, иммунодефицита. Последние вирусы вызывают СПИД — «чуму XX века». Из-за легкой распространяемости вирусы вызывают пандемии (заболевания охватывают большие территории и значительное количество людей или других организмов). Молодым людям (и не только им) следует соблюдать правила профилактики относительно заболеваний, вызываемых вирусами. Это особенно относится к вирусу иммунодефицита, так как современная медицина пока не владеет надежными методами его излечения. Соблюдение элементарных норм межполовых отношений, использование средств механической контрацепции являются достаточно надежными способами борьбы со СПИДом.

Биолого-экологическая роль вирусов состоит в том, что они являются фактором эволюции, вызывая гибель ослабленных особей и способствуя выживанию более приспособленных к данной среде обитания организмов.

Воздействие вирусов на организм хозяина состоит в том, что они воздействуют на обмен веществ, нарушая его за счет усиления тех процессов, которые способствуют реализации жизнедеятельности данного вируса.

Типы движения цитоплазмы

В качестве основных типов циклоза рассматриваются три типа, а именно: круговое движение (его ещё называют вращательным или ротационным), струйчатое движение и колебательное движение. Но помимо этих видов также выделают и другие типы наподобие спонтанного движения, постоянного движения и движения, индуцированного внешними факторами.

В качестве таковых выделяются освещённость, механическое воздействие, температура, содержание и концентрация химических соединений и веществ, а также их изменения. Также дополнительно выделяют фонтанирующее (которое является промежуточным между круговым и струйчатым) и прерывистое движение (осуществляется толчками, подобно пульсу).

Что такое движение цитоплазмы

Цитоплазма является неотъемлемой частью любой эукариотической клетки. В этой полужидкой прозрачной субстанции содержатся все важнейшие органеллы (органоиды) клетки, а также ядро, в котором содержится генетическая информация. Но в ходе жизнедеятельности клетки цитоплазма не может пребывать в статичном состоянии. На протяжении всего жизненного цикла клетки цитоплазма находится в постоянном движении. Это называется эндоплазматическим (цитоплазматическим) потоком, или циклозом.

Цитоплазма движется вместе с находящимися внутри клетки органоидами. За счёт циклоза они меняют своё местоположение. При этом циклоз происходит во всех клетках эукариот. То есть, в животных, растительных и даже в грибных клетках. И, если упрощать, у движения цитоплазмы важнейшая роль в обменных процессах в клетке и в процессах распределения веществ внутри неё. Иными словами, доставляет воздух, те или иные микроэлементы и вещества конкретным органоидам, а другие вещества от этих органоидов уносит, и даже участвует в выведении из клетки вредных веществ и формировании запасов энергии, необходимой для работоспособности клетки. Также цитоплазматический поток позволяет определять состояние клеточных структур.

Интересно, что циклоз является одним из самых чувствительных показателей клеточной жизнедеятельности, поскольку многие воздействия, даже самые, на первый взгляд, незначительные, могут или ускорить движение цитоплазмы, или замедлить его, а то и остановить. В одноклеточных же организмах (как пример – амёба) движение цитоплазмы также позволяет этим организмам двигаться.

Важно знать, что открытие циклоза в 30-х годах XIX века имело поистине колоссальное значение в биологии. Ведь именно это явление и позволило учёным начать считать в качестве элементарной единицы строения всех живых организмов на Земле клетку

Циклоз может осуществляться с разной скоростью, а также имеет разные типы, к примеру, цитоплазма может двигаться по круговому, или вращательному (ротационному) типу, по струйному, по колебательному типу. Но он свойственен всем видам клеток эукариот. И тем не менее, учёным и лаборантам привычнее изучать вопросы движения цитоплазмы именно на примере растительных клеток, причём, как у одноклеточных растений, так и у многоклеточных.

Ядро

Ядро, возможно, является наиболее важной частью животной клетки, потому что оно не только содержит «инструкцию» о том, какие молекулы нужно синтезировать для создания и восстановления определенных частей клетки, но также является стратегическим планом того, как это сделать. работает

и поддержание организма, частью которого является клетка.

Другими словами, ядро содержит всю информацию о том, что нужно делать внутри клетки и за ее пределами. Это потому, что внутри этой структуры, которая состоит из покрывающей ее мембраны, генетический материал защищен, то есть ДНК, содержащаяся в виде спирали и свернутая в разные хромосомы.

Таким образом, ядро действует как фильтр для того, что входит и выходит из области, где остается ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота, так что она не рассеивается и не теряется, и пытается минимизировать определенные молекулы, вступающие в контакт с клетками. Хромосомы и дестабилизируют или изменяют содержащуюся в них генетическую информацию.

Конечно, как мы увидим, в клетках животных есть еще одна клеточная структура, которая содержит генетический материал и не находится в ядре.

Развитие знаний о клетке

Развитие знаний о клетке начинается с семнадцатого века.

Предпосылкой ее открытия стало изобретение микроскопа и использование его для исследования биологических объектов. В 1665 году англичанин Роберт Гук изучал под микроскопом срез пробки и обнаружил, что она состоит из ячеек. Внешне они напоминали пчелиные соты, и учёный дал им название клетки. Такое же строение Гук отметил в сердцевине бузины, камыша и некоторых других растений.

Во второй половине 17 века клеточное строение растений было подтверждено М.Мальпиги (1675) и Н.Грю (1682). Значительный вклад в изучение клеток внес голландский ученый А.Левенгук, открывший в 1674 г. одноклеточные организмы – бактерии. Он же впервые увидел клетки животного – эритроциты.

Первая половина 19 века ознаменовалась открытием яйцеклетки млекопитающих Карлом Бэром. Он доказал, что все организмы развиваются из одной клетки. Ученым были сформулированы основные закономерности эмбриологии, которые получили название закон Бэра.

Соответственно, в 19 веке происходило активное развитие знаний о клетке, что стало предпосылками для разработки клеточной теории. К этому времени сложилось представление о клетке как элементарной микроскопической структуре всех живых существ.

Важнейшим толчком для разработки положений клеточной теории явилось доказательство наличия ядра в растительной клетке,сделанное Маттиасом Шлейденом.

В 1838г выходит в свет труд «Материалы к филогенезу», в котором Шлейден излагает свою теорию происхождения клеток. Он утверждал, что любая клеточная структура происходит от материнской клетки. Однако ученый не предполагал, что животные также состоят из клеток.

Намного дальше продвинулся ученый Теодор Шванн, который и сформулировал теорию клеточного строения, основываясь на выводах Шлейдона.

В 1839г он опубликовал книгу, в которой обобщил накопленные знания о клетке. Этот труд отражал главную идею теории Шванна: жизнь сосредоточена в клеточных структурах.

Выделим основные положения первой клеточной теории созданной Шванном и Шлейденом.

Теория была существенно дополнена Рудольфом Вирховым. В 1858г вышел в свет основной труд немецкого ученого «Целлюлярная (клеточная) патология». Эта книга положила начало новой науке – патологии, но помимо этого, была описана роль частей клетки в организме. Также Вирхов разработал еще одно положение клеточной теории: «Клетка способна возникнуть преимущественно из предыдущей клетки вследствие ее деления».

Открытия Вирхова легли в основу современной клеточной теории, пополнявшейся с помощью новых методов исследования.

К 20 веку сформировалась самостоятельная ветвь биологии, изучающая клетки – цитология.

Остановимся подробнее на методах цитологии, с помощью которых клеточная теория в наше время дополняется новыми положениями.

Митохондрии

Митохондрии — одна из самых интересных частей животной клетки, потому что они содержат собственную ДНК, отличную от ДНК ядра. Считается, что эта структура на самом деле является остатком соединения между клеткой и бактерией. (Будучи митохондриями, бактерии, вставленные в клетку, слились в симбиотических отношениях).

Когда происходит воспроизведение, копии митохондриальной ДНК также передаются потомству.

Основная функция митохондрий — производство АТФ., молекула, из которой клетки животных извлекают энергию, поэтому митохондрии очень важны для метаболических процессов.

Включения животных клеток

В цитоплазме животного содержатся как трофические, так и пигметные включения. В некоторых клетках присутствуют и секреторные.

Трофическими в клетках животных являются включения гликогена. Они обладают формой гранулы размером около 70 нм.

Гликоген является основным резервным веществом животного. В виде данного вещества организм запасает глюкозу. Существует два гормона, которые регулируют обмен глюкозы и глюкогена: инсулин и глюкагон. Они оба вырабатываются поджелудочной железой. Инсулин отвечает за формирование гликогена из глюкозы, а глюкагон, наоборот, участвует в синтезе глюкозы.

Больше всего включений гликогена находится в клетках печени. Также они в большом количестве присутствуют в составе мышц, в том числе и сердечной. Гликогеновые включения клеток печени имеют форму гранул размером около 70 нм. Они собираются в небольшие гроздья. Гликогеновые включения миоцитов (мышечных клеток) обладают округлой формой. Они одиночные, размером чуть больше рибосом.

Также для животных клеток характерны липидные включения. Это тоже трофические включения, благодаря которым организм может получить энергию в экстренном случае. Они состоят из жиров и имеют каплевидную форму. В основном такие включения содержатся в клетках жировой соединительной ткани — липоцитах. Существует два вида жировой ткани: белая и бурая. Липоциты белой содержат одну большую каплю жира, клетки бурой — многочисленные мелкие.

Что касается пигментных включений, то для животных клеток характерны те, которые состоят из меланина. Благодаря этому веществу радужка глаза, кожа и другие части организма имеют определенную окраску. Чем больше в клетках меланиновых включений, тем темнее то, что из этих клеток состоит.

Еще один пигмент, который может содержаться в клетках животных, — липофусцин. Это вещество желто-коричневого цвета. Оно накапливается в сердечной мышце и печени по мере старения органов.

Резидентные Т-клетки в старении тканей человека

Карта соотношений присутствия отдельных субпопуляций Т-клеток в разных органах человека, как ни странно, была составлена только в 2014 году. Команда Донны Фарбер из медицинского центра Колумбийского Университета Нью-Йорка провела сравнение фенотипов Т-клеток, выделенных из крови и тканей доноров органов всех возрастных групп от 3 до 73 лет, всего по 56 донорам . Анализ субпопуляций Т-клеток при помощи проточной цитофлуориметрии подтвердил многие данные, полученные методами с меньшим разрешением и меньшей статистикой, и некоторые черты описания иммунной системы, перенесенные с иммунологии мыши на человека, к примеру, снижение содержания наивных Т-лимфоцитов при старении во всех органах.

Уменьшение числа наивных Т-клеток с возрастом связано с быстрым старением тимуса (вилочковой железы), в котором будущие Т-клетки проходят этапы сборки Т-клеточного рецептора, проверку работоспособности рецептора и селекцию на отсутствие аутоиммунного потенциала

Важно не только снижение абсолютной численности наивных Т-клеток, но и уменьшение разнообразия репертуара Т-клеточных рецепторов, а значит, и возможности сформировать адаптивный иммунный ответ на ранее незнакомую инфекцию. Для наивных Т-киллеров подтвердилось прогрессирующее падение численности в крови и лимфоузлах, хотя для наивных Т-хелперов отрицательная корреляция численности с возрастом в данном исследовании оказалась значительной только во вторичных лимфоидных органах, но не в крови

Выделение Т-лимфоцитов памяти, эффекторных клеток памяти и короткоживущих эффекторных клеток из слизистых легких, тонкого и толстого кишечника, паховых и мезентериальных лимфоузлов доноров органов позволило впервые оценить динамику данных популяций в тканях человека при старении. Доля центральных клеток памяти ожидаемо растет с течением жизни, в соответствии с ростом числа инфекций, которые успели встретиться организму и попасть в библиотеку памяти иммунной системы. Растет и процент терминально дифференцированных эффекторных Т-киллеров (T_EMRA), но только в лимфоузлах и в селезенке; в нелимфоидных тканях численность T_EMRA падает. Эффекторные клетки памяти T_EM стремительно заполняют нишу для Т-клеток в тканях ребенка, быстро, примерно к 12 годам вытесняя наивные Т-клетки. Короткоживущие терминально дифференцированные Т-киллеры чаще всего встречаются в крови, селезенке и слизистых легких в любом возрасте, а вот среди Т-хелперов эта субпопуляция представлена исчезающе малым числом клеток. Аналогично мало центральных клеток памяти среди Т-киллеров, преимущественно они находятся в слизистых двух барьерных тканей: легких и кишечника.

Широкими мазками карту распределения Т-лимфоцитов человека можно обрисовать так: наивные Т-клетки путешествуют по крови и периодически заходят во вторичные лимфоидные органы, киллеры-T_EMRA находятся в крови, селезенке и легких. Для центральных клеток памяти, судя по всему, характерно более индивидуальное распределение по тканям, чем для других субпопуляций: во всяком случае, закономерностей динамики при старении разных тканей выявить не удалось. Эффекторные клетки памяти, включающие в себя и T_RM субпопуляцию, доминируют среди Т-клеток слизистых барьерных тканей. В целом, при старении Т-клеточного иммунитета нелимфоидные ткани большую возрастную динамику типов Т-клеток . Стабильность тканевых клеток проще объяснить, если разобраться, какие из эффекторных клеток T_EM остаются в ткани, становятся резидентными T_RM, и из каких событий состоит их жизнь после отказа от путешествий по организму.

Рисунок 4. Пути циркуляции Т-лимфоцитов различных субпопуляций. Tnaive — наивные Т-клетки, вместе с субпопуляцией T_CM перемещаются по крови и заходят в Т-клеточную зону различных лимфоузлов, в капиллярах тканей встречаются, но в ткань не выходят (красная траектория). Эффекторные Т-клетки (голубой цвет) перемещаются по лимфе и кровотоку, при попадании в лимфоузел не заходят в Т-клеточные зоны (центр лимфоузла) — траектория лилового цвета. Резидентные Т-клетки тканей (показаны зеленым в коже и различными цветами в слизистых) перемещаются только внутри ткани — траектория зеленого цвета. Рисунок из , с изменениями.

Клеточное перемещение: как происходит и основные функции

Движение клеток является важной функцией в живых организмах. Без способности двигаться клетки не могли бы расти, делиться и мигрировать в те области, где они необходимы

Цитоскелет является компонентом клетки, обеспечивающий перемещение клеток. Он представляет собой сеть волокон распространенных по всей цитоплазме клетки и удерживающих органеллы в надлежащем месте.

Волокна цитоскелета также перемещают клетки из одного места в другое.

Почему клетки перемещаются?

Мобильность клеток требуется для ряд важных процессов внутри тела организма.

Белые клетки крови, такие как нейтрофилы и макрофаги, должны быстро мигрировать в места заражения или травм для борьбы с бактериями и другими патогенными организмами.

Мобильность клеток является фундаментальным аспектом обеспечения формы (морфогенез) при построении тканей, органов и определении структуры клеток.

В случаях, связанных с раневой травмой и восстановлением, клетки соединительной ткани должны перемещаться на поврежденный участок для восстановления ткани.

В клеточном цикле движение необходимо для процесса деления – цитокинеза и образование дочерних клеток.

Что помогает клеткам двигаться?

Движение клеток осуществляется за счет активности волокон цитоскелета. Эти волокна включают микротрубочки, микрофиламенты или актиновые нити и промежуточные волокна. Микротрубочки представляют собой полые стержнеобразные волокна, которые помогают поддерживать и структурировать клетки.

Актиновые нити представляют собой твердые стержни, необходимые для движения и сокращения мышц. Промежуточные нити помогают стабилизировать микротрубочки и микрофиламенты, удерживая их на месте.

АТФ представляет собой молекулу высокой энергии, вырабатываемую при клеточном дыхании.

Как происходит клеточное передвижение?

Молекулы клеточной адгезии на клеточных поверхностях удерживают клетки на месте, чтобы предотвратить неориентированную миграцию.

Эти молекулы удерживают клетки, связывая их с другими клетками и внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс представляет собой сеть белков, углеводов и жидкостей, которые окружают клетки.

Движение клеток вызвано химическими или физическими сигналами, которые улавливаются белками, присутствующими на клеточных мембранах. После обнаружения и приема этих сигналов клетка начинает двигаться. Существует три фазы движения клеток:

На первой фазе клетка отделяется от внеклеточного матрикса в своем верхнем положении и продвигается вперед.
На втором этапе отсоединенная часть клетки перемещается вперед и снова прикрепляется в новом положении. Задняя часть клетки также отсоединяется от внеклеточного матрикса.
В третьей фазе клетка выталкивается вперед моторным белком миозином. Миозин использует энергию, полученную из АТФ, для перемещения вдоль актиновых филаментов, заставляя волокна цитоскелета скользить друг над другом. Это действие заставляет всю клетку двигаться вперед.

Клетка перемещается в направлении обнаруженного сигнала. Если она реагирует на химический сигнал, то будет двигаться в направлении максимальной концентрации молекул сигнала. Этот тип движения известен как хемотаксис.

Движение внутри клеток

Движение также происходит внутри клеток. Транспортировка везикул в клетки и из нее, миграция органелл и движение хромосом в митозе являются примерами внутриклеточного движения. Внутриклеточное движение активирует моторные белки, которые перемещаются вдоль волокон цитоскелета. Поскольку моторные белки движутся вдоль микротрубочек, они несут с собой органеллы и везикулы.

Реснички и жгутики

Некоторые клетки обладают клеточными придаточными выступами, называемыми ресничками и жгутиками.

Они формируются из специализированных групп микротрубочек, скользящих друг против друга, что позволяет им двигаться и сгибаться. Реснички и жгутики встречаются как в растительных, так и в животных клетках.

Например, клетки спермы движутся одним жгутиком. Реснички встречаются в легких и женском репродуктивном тракте.

Митохондрии и хлоропласты

Все клетки нуждаются в питании, которое они получают при помощи митохондрий и хлоропластов.

Митохондрии производят аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Это своеобразный аналог батарейки, которая вырабатывает, хранит и распределяет между органоидами энергию. Активные клетки расходуют большое количество энергии, и митохондрий в них много. Если внутренние процессы в клетке протекают вяло, избыток энергии ни к чему. В такой клетке митохондрий мало. Митохондрии могут иметь спиралевидную, округлую, чашевидную и нитевидную формы и даже способны трансформироваться. Они передвигаются внутри клетки. Эти частички словно чувствуют, какая часть клетки остро нуждается в энергии, и спешат именно туда.

Хлоропласты — такие же «энергетические фабрики» в клетках зеленых растений. Они достигают в ширину 2-4 микрометров, в длину — 5-10 микрометров. У зеленых водорослей встречаются хроматофоры — гигантские хлоропласты длиной 50 микрометров. Таких хроматофоров может содержаться всего по одному на клетку.

В хлоропластах содержится пигмент хлорофилл, который окрашивает растения в зеленый цвет и участвует в важнейшем процессе — фотосинтезе. При помощи хлорофилла зеленые растения поглощают солнечный свет и перерабатывают его в органические вещества.

Взаимосвязь строения и функций клеток

Функции клеток обусловлены их строением. Все ткани являются ярким примером этому. Так, миофибриллы способны к сокращению. Это клетки мышечной ткани, которые осуществляют передвижение отдельных частей и всего тела в пространстве. А вот у соединительной — другой принцип строения. Данный вид ткани состоит из крупных клеток. Именно они являются основой всего организма. Соединительная ткань также содержит большое количество межклеточного вещества. Такое строение обеспечивает ее достаточный объем. Этот вид ткани представлен такими разновидностями, как кровь, хрящевая, костная ткани.

Говорят, что нервные клетки не восстанавливаются… На этот факт существует много разных взглядов. Однако никто не сомневается, что нейроны связывают весь организм в единое целое. Это достигается другой особенностью строения. Нейроны состоят из тела и отростков — аксонов и дендритов. По ним информация и поступает последовательно от нервных окончаний к головному мозгу, а оттуда — обратно к рабочим органам. В результате работы нейронов весь организм связан единой сетью.

Итак, большинство живых организмов имеют клеточное строение. Эти структуры являются единицами строения растений, животных, грибов и бактерий. Общие функции клеток — это способность к делению, восприятие к факторам окружающей среды и обмен веществ.

Симбиогенез. История о том, как съеденная жертва стала звеном эволюции

Между живой клеткой и большинством высокоупорядоченных небиологических систем, таких как кристалл или снежинка, существует пропасть настолько обширная и абсолютная, как только можно представить»

Майкл Дентон, британско-австралийский биохимик

Миллионы лет назад, когда начала зарождаться жизнь, Землю населяли одноклеточные безъядерные создания. Они жили, питались и размножались. Крупные особи пожирали мелких. Однажды кроха, проглоченная «хищником», выжила внутри его организма и поселилась там. Поскольку внутри одноклеточного прокариота была лишь цитоплазма, кроха прижилась в ней. Спустя годы эволюции съеденные микроскопические организмы превратились в митохондрии и хлоропласты. На самом деле все происходило не так быстро, как может показаться.

Происхождение резидентных Т-клеток тканей

Откуда впервые появляются резидентные клетки ткани? Это потомки эффекторных клеток, которые потеряли способность рециркулировать. Некоторые периферические для иммунной системы ткани, например, слизистая тонкого кишечника, брюшная полость, — позволяют эффекторным Т-лимфоцитам проникать внутрь свободно; другие — очень ограниченно, большой поток эффекторных Т-клеток в эти ткани наблюдается только при реакции воспаления. К тканям второго типа относятся отделенные барьером от иммунной системы, к примеру, головной и спинной мозг, а также многие другие: периферические ганглии, слизистые половых органов, легкие, эпидермис, глаза. Разница между двумя типами тканей — в экспрессии дополнительных молекул хоуминга для эффекторных Т-клеток, например, молекулы адгезии для проникновения в эпителий MadCAM-1 .

Рисунок 3. «To home or not to home?» — сложный выбор эффекторной клетки. To home — процесс хоминга, или миграции Т-клеток, например, в наиболее привычное для наивных клеток место — лимфоузел. Альтернатива — не отправляться в путешествие по организму и превратиться в резидентную клетку ткани.