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.
Комментарии (40)
fivehouse
22.09.2018 01:00всю абсурдность споров на тему ГМО
Это вопрос скорее социальный, чем биологический. В спорах его часто относят к биологическим исходя из здравого смысла и названия (и это ошибка в случае с ГМО), а на самом деле это так называемый социальный артефакт с «фальшивым обоснованием». То есть «фальшивое обоснование» — опасность генетической модификации, но фактически делается правильный вывод об опасности/вредности продуктов с ГМО никак не относящийся собственно к самой модификации. Последовательность превращений следующая: оказалось, что часто генной модификации подвергалась соя. А сою часто применяют недобросовестные производители как суррогат мяса. И выкидывают на рынок опасную «мясную» продукцию с избытком подмешанной сои. Помимо просто обмана с содержанием мяса в продукте при избытке добавленной сои, соя дает растительные женские гормоны ведущие к феминизму, импотенции и лишнему весу. Возникают сосики, сардели, колбаса, где часто подмешивают сою подвергшуюся ГМО. Вот и появляются опасные продукты содержащие ГМО, опасность которых совсем не в модификации генов.
А еще есть факты злоупотребления технологией ГМО. Например, вечнонедозрелые твердые томаты со вкусом травы, которые вытеснили во всех магазиных и ресторанах в российских городах нормальные томаты. Это и есть последствия неконтролируемого рынками (скрытого) применения ГМО. То есть снова это проблема как бы не самого ГМО, но оказалась прочно переплетена с ГМО на недоразвитых рынках. Нечто похожее происходит в этой стране и с прививками.DaneSoul
22.09.2018 01:23Возникают сосики, сардели, колбаса, где часто подмешивают сою подвергшуюся ГМО. Вот и появляются опасные продукты содержащие ГМО, опасность которых совсем не в модификации генов.
А без ГМО в эти мясные продукты меньше сои что-ли будут добавлять?
ClearAirTurbulence
22.09.2018 10:01Мда, то-то в азиатских культурах, где сою потребляют исторически в огромных количествах, столько феминисток.
Rikkitik
22.09.2018 11:54Заступлюсь за томаты. Сейчас биологи уже выяснили, что «лёжкость» (твёрдость кожуры и мякоти, увеличивающая срок хранения) и «сочность» (утоньшение клеточных стенок, рост процента сахаров и что-то-там ещё) обусловлены разными аллелями одного и того же гена. То есть обычная селекция имеет вариант «или-или». А вот генная модификация могла бы обе нужные мутации совместить в одном аллеле. Увы, пока противники ГМО запрещают подобные вещи, а традиционные селекционеры массово сделали ставку на лёжкость.
Sychuan
22.09.2018 13:28опасную «мясную» продукцию с избытком подмешанной сои
Ничего в сое нет опасного. Очень классная штука. Ясное дело, что ее применение должно быть явным. Но в нормальных странах никто не продает котлеты из сои, как из мяса. Да и России я уверен такого особо нет.
Например, вечнонедозрелые твердые томаты со вкусом травы, которые вытеснили во всех магазиных и ресторанах в российских городах нормальные томаты
ГМ-томатов не существует в продаже. Ваши вечнозеленые томаты самая натуральная селекция.Rikkitik
22.09.2018 15:21Стоит также отметить, что соя является самым ценным источником гистидина — аминокислоты, являющейся незаменимой для детей. В половозрелом организме она синтезируется, а дети нуждаются в БАДах или пище с ней. Помните советские соевые батончики, которые рядом с гематогеном и аскорбинкой в аптеках лежали? Это вот оно.
ClearAirTurbulence
22.09.2018 18:04Никто не мешает покупать помидоры на рынках, там такая проблема не стоит, по крайней мере в Москве. Томаты из магазина несъедобны, но, как отмечено выше, это вина реакционеров.
Gryphon88
22.09.2018 18:37На рынках часто превышена ПДК по фосфатам или нитратам. Многие бездумно фигачат навоз, не задумываясь, что им тоже можно превысить нормы.
oam2oam
22.09.2018 08:01Хорошая образовательная статья. Однако это тот случай, когда лучше один раз увидеть — то есть посмотреть фильм ВВС «Тайная жизнь клетки», он смотрится как фантастика! Правда, к нему бы еще подборку для дальнейшего изучения… Вот этого-то и не хватает.
Gryphon88
22.09.2018 14:53Смотря чему Вы хотите научиться. У меня в дипломе написано «Клеточная биология и гистология», могу помочь со списком литературы и поделиться конспектами.
«Тайная жизнь клетки» — прекрасный фильм, там даже почти не врут, а моторные белки получились вообще исключительно. Но, чтобы понять, что там вообще происходит и почему скорее всего так, надо вспомнить школьную биологию и прослушать пару-тройку спецкурсов.
Biga
22.09.2018 10:46Всегда было интересно, как происходит исследование процессов на таком мелком уровне. Ведь эту биохимию не так просто разглядеть в микроскоп?
При помощи каких технологий это делается? Это было бы ближе к формату Хабра, чем учебник биологии.DaneSoul
22.09.2018 14:59Структуру клетки исследют электронным микроскопом, в зависимости от задачи или просвечивающим или сканирующим методом.
А биохимию исследуют химическими методами, но там все очень не просто из-за того, что очень много веществ и очень много реакций происходит одновременно.
Широко используется электрофорез и хромотография для разделения смеси молекул.
lukdiman
22.09.2018 12:25Написали, что статья для обычных людей, а потом засыпали словами, специфичными для этой области и без пояснения что эти слова означают.
ClearAirTurbulence
23.09.2018 00:42Это какими? Митохондрии? Лизосомы? АТФ? Все это в школьном курсе биологии…
lukdiman
23.09.2018 01:12Не все помнят школьный курс биологии особенно если с биологией после школы не имели дело.
Gryphon88
22.09.2018 14:55+1Как-то совсем простенько и неоригинально. Кстати, а в чём предмет изучения биоинформатики?
potan
22.09.2018 19:08Анализ данных, накопленных мокрыми биологами.
Gryphon88
22.09.2018 19:13+1Дык самим приходится, иначе статьи не получаются :(
potan
22.09.2018 20:32Так не справляетесь же. Вам бы все кап-кап-кап. На помошь приходит разделение труда.
Gryphon88
22.09.2018 21:10Cells must flow! А если чуть серьёзнее: время от времени случаются затыки в работе, они у всех есть. Тогда мы идёт за советом к эмбриологам, вирусологам, бифизикам или ещё к кому. Но ни разу не случалось такого затыка, чтобы кто-то сказал «нам нужен биоинформатик!». Вот с какими проблемами идут к биоинформатикам?
potan
22.09.2018 21:49Насеквенировали кучу геномов, померили экспессию кучи генов и концентрацию кучи белков. Биоинформатик должен из этого извлечь осмысленную информацию и связать с ранее опубликованными данными.
Gryphon88
22.09.2018 21:55Т.е. что-то типа системной биологии? Вообще, такое положение указывает на безобразное планирование работы. «Научный вопрос» должен быть в идеале бинарным, но можно количественным, тогда и эксперимент будет несложным, и контроли довольно очевидными. А сделать кучу работы, пытаясь «открыть что угодно» — это уподобляться хорьку, надёргавшему страниц из книг и свившему из них гнездо.
potan
22.09.2018 22:00Это инженерный вопрос должен быть «бинарным». Научные должны открывать новые поля для исследований.
Gryphon88
22.09.2018 22:19Видимо, мы друг друга не поняли. Допустим, у нас есть большой вопрос про какой-то из типов рака, он большой и фундаментальный. Чтобы получить воспроизводимый ответ, мы дробим его на много мелких, ответ на каждый из которых выражается одной цифрой: уровни экспрессии генов, наличие определенных колокализаций белков, митохондриальный потенциал, митотическая активность, whatever. Да, куча получается большая, но содержательное утверждение в рамках исходного вопроса из неё собирается довольно просто.
Arxitektor
22.09.2018 19:57Очуметь конечно.
Рибосома 30 нм…
Я правильно понимаю что на таких размерах уже начинают действовать квантовые эффекты?
Веди по сути это молекулярный сборщик РНК программа (типа такая перфолента) и из аминокислот собирает белки.
Как как это вообще работает? Ученые только мечтают о молекулярных ассемблерах )TheCellMan Автор
23.09.2018 03:17Маленькая, но для квантовых эффектов великовата. Из примеров квантовых эффектов в биологии на ум сразу приходит фотосинтез.
Есть специальные антенны, состоящие из молекул пигментов, которые поглощают свет. Энергия поглощенных фотонов вызывает электронное возбуждение, которое передается в реакционный центр. Так вот, молекулы пигментов находятся на крайне малом расстоянии, 1-3 нм и вот тут, при передаче энергии от пигментов к реакционным центрам начинают действовать квантовые эффекты.
По сути да, как работает я постараюсь написать, простым языком (с фокусом на регуляции процесса)
Emulyator
23.09.2018 14:24В давние времена мне случалось участвовать в околонаучных и околорелигиозных дискуссиях на всяких форумах. Споры были хоть и бытового уровня, но однажды пришлось искать и до какой-то степени глубины ознакомится с одним из томов «Молекулярной биология клетки» Брюса Альбертса и большой группы авторов. Припоминаю, что школьного учебника не хватило из-за того, что регулярно встречающийся термин «энергия» в нем не был раскрыт до приемлемого уровня описания вкладываемого смысла и физических механизмов процессов в этом контексте. Молодой пытливый мозг в те времена хотел знать, как устроен мир живого в рамках одного длинного последовательно уточняющего всю иерархию процессов объяснения, свойственного физике, но в популярной биологии объяснения, как правило, останавливались на фразе «они отвечают за энергетические процессы».
С одной стороны понятно, что для понимания неплохо бы ознакомится и с физикой и с химией и может еще с чем, и на каждом этапе детализации черпать знания из соответствующей дисциплины, но как же хочется найти популяризатора, способного ответить на твои обывательские «как и почему?» вплоть до глубины «а на это наука пока не может дать четкого ответа». Примером такого объяснения служит ролик на ютубе «Ричард Фейнман — Магниты и вопросы почему?»
У меня, наверное, глупый вопрос, но как обывателю интересно знать, как так получается, что из одной зародышевой клетки в результате многократного деления вроде бы как на одинаковые клетки, возникают руки ноги органы? Ведь интуитивно напрашивается возникновения некой простой группы одинаковых клеток. И если это так, то как каждая клетка «решает» дифференцироваться в тот или иной тип, чтобы в результате руки ноги были на месте, а сердце слева?Rikkitik
23.09.2018 15:23На «Элементах» есть несколько статей, с разной степенью упрощения отвечающих на ваш вопрос.
В разделе «Детские вопросы»: «Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра подается команда?»
В новостном разделе для взрослых: «Эмбриональные клетки вычисляют свои координаты математически оптимальным способом»
Красивые показательные фото про градиенты экспрессии генов зародыша есть в статье «Составлена самая подробная карта экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы»
Что любопытно, статья на эту тему есть даже на Хабре: «Генные сети, управляющие строением тела животных»Emulyator
23.09.2018 16:09Искреннее спасибо за ссылки! Сам бы наверное никогда не нашел времени закрыть вопрос, по которому у меня были некоторые догадки. Реальные же исследования — это то, на что можно опираться, пусть не делая вклад в науку, но хотя бы объясняя своим детям устройство мира.
navissur
24.09.2018 16:34Отличная тема, только нужно больше подробностей.
Поверхностный обзор это хорошо, но давайте глубже погрузимся в тему.
Интересует детальное описание органелл — их структура, функции, реакции в них проходящие и т.д.Gryphon88
24.09.2018 18:17Гляньте свежего англоязычного Альбертса, он простой (рекомендуется для подготовки в вузы по специальности) и не очень толстый.
walker
А к чему вся эта глава из школьного учебника по биологии?
TheCellMan Автор
Глава не совсем из учебника. Она сжата так, что ее можно прочесть за 4 минуты, и при этом уловить связь между отдельными клеточными элементами. Я бы хотел постепенно перейти к более сложным моментам. А для этого нужно понимание базовых вещей.
P.S. Не все тут читали школьный учебник биологии, и я в том числе)