Issuu on Google+

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ ФАКУЛЬТЕТ БІОТЕХНОЛОГІЇ Кафедра фізіології, біохімії рослин та енергетики “ЗАТВЕРДЖУЮ” Декан факультету біотехнології _______________Коломієць Ю.В. “______”_______________2013 р. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ РОБОЧА ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ БІОЛОГІЯ КЛІТИНИ __________________________________________________________________ (назва навчальної дисципліни) напрям підготовки__________0514 «Біотехнологія» _ (шифр і назва напряму підготовки) спеціальність_________________6.051401 – «Екобіотехнологія»_________ (шифр і назва спеціальності) спеціалізація__________________________________________________ ____________ (назва спеціалізації) факультет _______________________ Біотехнології _________________________ (назва факультету)

Київ – 2013 р.

1


Лекційні завдання денна форма навчання (17 год.). Тема лекційного заняття 1. Модельні об'єкти. Сучасні методи досліджень – 4 год. /0,12 кредит. Одноклітинні

мікроорганізми

Escherichia

coli,

Saccharomyces

cerevisiae їхня будова. Фундаментальні процеси в клітині, які вивчені за домогою цих об'єктів. Кишкова паличка ( лат. Escherichia coli , Теодора Ешерихії ) - грам паличкоподібна бактерія , широко зустрічається в нижній частині кишечника теплокровних організмів . Більшість штамів E. coli є нешкідливими , проте серотип O157 : H7 може викликати важкі харчові отруєння у людей. Нешкідливі штами є частиною нормальної флори кишечника людини і тварин. Кишкова паличка приносить користь організму хазяїна, наприклад , синтезуючи

вітамін

K,

а

також

запобігаючи

розвитку

патогенних

мікроорганізмів у кишечнику. E. coli не завжди живуть тільки в шлунково -кишковому тракті , здатність деякий час виживати в навколишньому середовищі робить їх важливим індикатором для дослідження зразків на наявність фекальних забруднень . Бактерії легко можуть бути вирощені в лабораторних умовах, тому кишкова паличка грає важливу роль в генетичних дослідженнях . E. coli є одним з найбільш вивчених прокариотических мікроорганізмів і одним з найбільш важливих об'єктів біотехнології та мікробіології. E. coli була описана німецьким педіатром і бактериологом Теодором Ешерихії в 1885 році. В даний час кишкову паличку відносять до роду Escherichia , сімейству Enterobacteriaceae , порядку Enterobacteriales. E.coli

часто

використовують

як

модельного

організму

в

мікробіологічних дослідженнях . Культивовані штами , наприклад , E. coli K12 добре пристосовані до зростання в лабораторних умовах , і , на відміну від штамів дикого типу , нездатні заселяти кишечник. Багато лабораторні 2


штами загубили здатність утворювати біологічні плівки. Описані особливості оберігають штами дикого типу від антитіл і хімічних агентів , але вимагають великих витрат речовини і енергії. Кишкова паличка, як модельний об’єкт. У 1946 році Джошуа Ледербергом і Едуард Тейтем описали явище кон'югації бактерій , використовуючи кишкову паличку в якості модельного організму. E. coli залишається одним з найбільш затребуваних бактерій при вивченні кон'югації і в даний час. E. coli була важливим компонентом перших експериментів з генетики бактеріофагів, ранні дослідники , наприклад , Сеймор Бензер , використовували E. coli і фаг T4 для вивчення структури генів . До досліджень Бензера не було відомо , має ген лінійну або розгалужену структуру. Кишкова паличка E. coli була одним з перших організмів , чий геном був повністю секвенований . Послідовність нуклеотидів в геномі штаму К12 E. coli була опублікована в журналі Science в 1997 році. Довготривалий експеримент по еволюції E. coli був початий Річардом Ленскі в 1988 році і дозволив безпосередньо спостерігати еволюційні зміни в лабораторних умовах. У даному експерименті одна популяція E. coli отримала можливість аеробно метаболизировать цитрат . Така здатність зустрічається у E. coli в нормі вкрай рідко. Нездатність до зростання в аеробних умовах використовують для того , щоб відрізнити E. coli від інших , споріднених бактерій , наприклад , Salmonella . У ході даного експерименту в лабораторних умовах вдалося спостерігати процес видоутворення . Біотехнологія E. coli відіграє важливу роль у сучасній промислової мікробіології та біологічної інженерії. Робота Стенлі Нормана Коена і Герберта Бойєра на E. coli , з використанням плазмід і ендонуклеаз рестрикції для створення рекомбінантної ДНК , знаходиться біля витоків сучасної біотехнології .

3


Кишкову паличку вважають універсальним організмом для синтезу чужорідних білків . У E. coli дослідники вводять гени за допомогою плазмід , що дозволяє здійснювати біосинтез білків для промислової ферментації. Також розроблені системи для синтезу в E. coli рекомбінантних білків. Одним з перших прикладів використання технології рекомбінантних ДНК є синтез аналога інсуліну людини. Модифіковані E. coli використовують при розробці вакцин , синтезу іммобілізованих ферментів і вирішення інших завдань. Однак , в організмі E. coli неможливо отримувати деякі великі білкові комплекси, що містять дисульфідні зв'язку, зокрема , білки , для прояву біологічної активності яких потрібно Посттрансляційна модифікація Дріжджі Термін “дріжджі” не має таксономічного значення, оскільки дріжджі є одноклітинними міцеліальними грибами. Дріжджі – одноклітинні еукаріотичні мікроорганізми, не здатні до фотосинтезу, гетеротрофи, аероби, але в анаеробних умовах здатні отримувати енергію за рахунок спиртового бродіння. Форма клітин Найрозповсюдженіші округлі та еліпсоподібні дріжджі (Saccharomyces, Rhodotorula).

Існують

неправильної

форми

(Schizoblastosporion),

також

паличкоподібні

(лимоноподібні трикутні

(Schizosaccharomyces),

(Saccharomycodes),

(Trigonopsis)

грушеподібні

місяцеподібні

(Selenotila),

стрілоподібні (Brettanomyces) тощо). Для деяких видів форма клітин настільки характерна, що може бути використана

для

визначення

їх

родової

приналежності

(Selenotila,

Trigonopsis). Але є й такі, що змінюють форму клітин та утворюють псевдоміцелій під впливом зовнішніх факторів (Candida, Trichosporon). Розмір клітин Діаметр дріжджових клітин становить 1 – 2 до 10 мкм (у середньому – 5 – 6 мкм); довжина 1 – 2 до 20 мкм (у середньому – 7 – 8 мкм). 4


Екологія дріжджів Дріжджі поширені у соках та нектарах плодів, квітів, ґрунті, на поверхні тіла – всюди, де є джерела розчинних вуглеводів та спирти. У промисловості використовують спонтанні дріжджові культури (виноробство), чисті культури та асоціації (два та більше види чистих культур разом). Практичне значення дріжджів Дріжджі використовуються у харчовій промисловості (виноробство, хлібопечення, спиртова промисловість тощо). Дріжджі є продуцентами біологічно активних речовин (білка, ліпідів, вітамінів, гормонів тощо). У медицині дріжджі використовують як лікувальний засіб проти анемії, фурункульозів, карбункульозів. Дріжджі підсилюють дії прищеплювального матеріалу. Дріжджову РНК застосовують для лікування катаракти, трофічних виразок. Дріжджові клітини – зручний об’єкт досліджень у генетиці, цитології, біохімії. Проміжний організм між одноклітинними та багатоклітинними організмами Dictyostelium discoideum. Структура слизньових грибів та застосування в генетичних та цитологічних дослідженнях. Слизовики - одна з найбільш своєрідних і унікальних за своєю природою груп ор - ганизмов . Цілий ряд притаманних їм властивостей відображає ранні стадії еволюції еукаріотів , що робить їх вивчення не просто захоплюючим хобі , а й серйозною науковою задачею . Вони широко розповсюджені в природі і стали відомі науці більше двох століть тому. При цьому , аж до теперішнього часу , слизевики залишалися загадкової групою , сис - тематичне положення і родинні зв'язки якої не були повністю ясні. Подвійна природа слизевиков

5


З точки зору класичної систематики , ці організми володіють подвійною природою, тобто поєднують у собі риси тварин і грибів. Їх життєвий цикл включає як типово « тварини » , так і типово « грибні » стадії . Слизовики володіють фаго - трофним типом харчування і амебоидной морфологією , що характерно для тварин , але з іншого боку , утворюють плодові тіла зі спорами , що властиво грибам . Слизовики були відкриті в середині 18 століття (Battara, 1755; Haller, 1768) і класифіковані як гриби на основі таких спільних рис як розмноження і поширення спорами та утворення плодових тіл. 1859 року Антуан де Барі вилучив міксоміцети із царства грибів, через те що вони мають амебоподібні клітини без клітинних стінок і живляться шляхом фагоцитозу. Він запропонував для них назву Mycetozoa (гриби-тварини), що відображала подвійну природу цих організмів, і відніс до тварин, вказавши на спорідненість із саркодовими. Місце міксоміцетів у системі живого довго залишалось невизначеним, у різних класифікаціях вони належали як до тварин, так і до грибів (наприклад, у класифікації Роберта Віттакера), а інколи деяких з них відносили навіть до царства рослини. Зараз відомо, що міксоміцети філогенетично не споріднені з грибами, а наявність плодових тіл в обидвох груп організмів є прикладом конвергентної еволюції. На основі даних молекулярних досліджень, а також того факту, що слизовики мають мітохондрії із трубчастими кристами, їх відносять до групи Amoebozoa. У складі Mycetozoa виділяють три основні групи організмів, що відрізняються особливостями життєвого цикл: справжні або плазмодіальні слизовики (міксомікоти, Myxogastria, наприклад Physarum polycephalum) — мають життєву стадію плазмодію, що є однією великою багатоядерною (до мільйонів ядер) клітиною; клітинні слизовики (диктіостеліди, Dictyostelia, наприклад Dictyostelium discoideum) — амебоїдні одноклітинні організми, що за несприятливих умов можуть збиратись у багатоклітинні псевдоплазмодії 6


слизовики

із

односпоровими

плодовими

тілами

(протостеліди,

Protostelia), які можуть бути проміжною еволюційною ланкою між першими двома групами та типовими амебами. Раніше до цієї групи також відносили акразієвих слизовиків, проте структурні та молекулярні свідчать про їх неспорідненість із рештою слизовиків, а також лабіринтуломікотові, які зараз відносять до гетероконт, і плазмодіофорові, що належать до Cercozoa. Особливості будови Міксомікотові

або

справжні

слизовики

на

вегетативній

стадії

представлені багатоядерним плазмодієм, який утворюється внаслідок серії послідовних мітозів без цитокінезу. Вони часто мають яскраве забарвлення, переважно жовте або оранжеве. Цитоплазма всередині плазмодію постійно рухається і пульсує, це сприяє транспорту поживних речовин та кисню. Плазмодій міксомікотових має досить незвичний вигляд, через що інколи виникають непорозуміння. Наприклад, 1973 року житель Далласу виявив у себе на подвір'ї пульсуючу червону масу діаметром у півметра, про що сповістив пресу. Служби новин стали повідомляти про відкриття «нової форми життя», яка багато кому нагадала про фільм 1958 року Крапля en. Згодом біологи ідентифікували масу як плазмодіальний слизовик. Трофічна стадія розвитку диктіостелід представлена поодинокими амебоподібіними клітинами, які за несприятливих умов можуть збиратись у псевдоплазмодій, зовнішньо схожий на плазмодій міксомікотових, проте відмінний від нього багатоклітинністю. Живлення Слизовики переважно сапротрофи, живуть у вологому ґрунті, на гнилій деревині та листі. Живляться дрібними грибами, бактеріями, органічними рештками шляхом фагоцитозу

7


Життєвий цикл плазмодіального слизовика Вегетативна стадія міксомікотових слизовиків є диплоїдною. Коли плазмодій дозріває, або потрапляє в умови нестачі їжі або/і вологи, він перетворюється на плодові тіла (спорангії), в яких після дозрівання шляхом мейозу утворюються спори, вкриті целюлозними оболонками. У присутності води спори проростають і з них виходять безджгутикові клітини (міксамеби) або джгутикові (зооспори), які можуть перетворюватись одні на одних. Ці клітини гаплоїдні, вони деякий час активно живляться, після чого попарно зливаються (міксамеби з міксамебами, джгутикові клітини із джгутиковими клітинами), внаслідок чого утворюються диплоїдна зигота. Зигота живиться й росте, її ядро багаторазово ділиться шляхом мітозу, при цьому не відбувається цитокінезу; таким чином з'являється молодий плазмодій. Клітинні слизовики На відміну від плазмодіальних слизовиків у клітинних вегетативна стадія — одноклітинні міксамеби — гаплоїдна. За певних умов міксамеби можуть зливатись між собою, формуючи зиготу, яка покривається товстою оболонкою, після чого проходить мейотичний та кілька мітотичних поділів. Утворені гаплоїдні міксамеби вивільняються у середовище внаслідок розриву оболонки. У випадку нестачі їжі диктіостеліди розмножуються нестатево. Клітини виділяють цАМФ, який приваблює інші міксамеби, що в свою чергу також починають синтезувати цю сигнальну сполуку. Таким чином вони агрегують і утворюють багатоклітинний псевдоплазмодій, що деякий час рухається, залишаючи за собою слизовий слід. Згодом розпочинається диференціація клітин, частина з них формує стерильну ніжку плодового тіла (сорокарпа, відрізняється від спорангія тим, що спори формуються екзогенно (зовнішньо), інша частина утворює спори. Спори гаплоїдні і оточені захисними оболонками, проростають за сприятливих умов. Слизовики як модельні об'єкти Багато видів слизовиків легко культивувати, їх життєвий цикл недовгий і проходить за кілька днів, це зробило їх зручним модельним об'єктом. 8


Зокрема

вони

були

функціонування

використані

при

дослідженні

кальцій-кальмодулінового

цитоскелету,

комплексу,

еволюції

багатоклітинності та статевого процесу, ієрархії ядер в багатоклітинних структурах та багатьох інших процесів. Dictyostelium discoideum використовували для вивчення сигнальної молекули цАМФ (яку інколи називають акразином, через те, що D. discoideum раніше відносили до акразієвих), яку клітини цього слизовика використовують для агрегації. Також дослідження цього виду слизовиків дозволили пролити світло на деякі питання еволюції багатоклітинності. Життєвий цикл диктіостелуму передбачає «добровільну самопожертву» із сторони частини міксамеб, через те, що при формуванні плодового тіла (сорокарпа)

репродуктивний

потенціал

мають

тільки

клітини,

що

диференціюються у спори, ті ж, що входять до складу стерильної ніжки виконують тільки допоміжну функцію і гинуть так і не передавши спадкову інформацію нащадкам. У деяких представників спостерігається мутація, внаслідок якої вони стають «шахраями» і ніколи не беруть участі в утворенні ніжки. Така особливість, очевидно, надає клітинам значної репродуктивної переваги проте не поширюється у популяції, це пов'язано із тим, що «чесні» міксамеби можуть розпізнавати мутантів за відсутністю певного білка на поверхні і переважно з ними не агрегувати. Схожі системи розпізнавання могли бути важливими для еволюції багатоклітинних еукаріот Нематода Caenorhabditis elegans. Будова її організму та переваги як модельного об'єкту в цитологічних дослідженнях. Caenorhabditis elegans - вільноживучі нематода (круглий хробак) довжиною близько 1 мм. Дослідження цього виду в молекулярної біології та біології розвитку почалися в 1974 роботами Сіднея Бреннера Широко використовується як модельний організм у дослідженнях з генетики, нейрофізіології, біології розвитку, обчислювальної біології У 1986 році був повністю

описаний

коннектом.

Геном

повністю

просеквенірован

і 9


опублікований

в

1998

році

(доповнений

у

2002).

Мартін

Чалфі

використовував C. elegans при дослідженні зеленого флуоресцентного білка. Маленький черв'ячок , нематода C. elegans приніс п'ятьом своїм дослідникам три Нобелівські премії. Найсвіжішу , в 2008 році, один з лауреатів , а саме Мартін Челфі , отримав за те , що запропонував причіплювати ген білка, що світиться медузи до якого-небудь гену нематоди : всі клітини , де цей ген активується , будуть світитися (див. « Хімію і життя » , 2008 , № 12). А коли незабаром нематода прозора , це легко побачити. Саме на нематодах відкрили явище інтерференції РНК лауреати Нобелівської премії з медицини 2006 Ендрю Фаєр і Крейг Мело ( див. « Хімію і життя» , 2006 , № 11 ) . А першими були Сідней Бреннер , Джон Сальстон і Роберт Горвіц їм премію з медицини за відкриття апоптозу присудили в 2002 році (див. « Хімію і життя» , 2003 , № 1). Лідирував тут , безперечно , Бреннер - все-таки батько-засновник молекулярної біології . Втім , аж ніяк не маніпуляціями з зеленим білком або інтерференцією РНК знаменита нематода : її дослідження внесли живий струмінь в класичну геронтологию , яка протягом тривалого часу була схожа в біологічній науці на тиху заводь . Нова жива модель виявилася дуже зручною для спостереження за тим , як тривалість життя пов'язана зі спадковістю і з умовами середовища проживання. Наш огляд покликаний відобразити місце черв'ячка у цих дослідженнях. Групі вчених з арканзаська медичного університету ( Літтл- Рок , США ) під керівництвом Роберта Шмуклера Райса вдалося досягти десятикратного рекордного на сьогоднішній день - збільшення тривалості життя хробака нематоди. За рахунок всього одного зміни гена age - 1 їм вдалося отримати особин , які давали довгоживуче , стійке до різних отрут , але при цьому зовсім стерильне потомство. Нематода ( круглий хробак ) Caenorhabditis elegans - улюблений модельний організм біологів. Якщо на прикладі бактерії E. coli біологи досліджують прокаріот , на прикладі дріжджів Saccharomyces cerevisiae 10


одноклітинні організми , то C. elegans , поряд з мушкою дрозофилой та лабораторної мишею , - незамінний об'єкт для дослідження багатоклітинних тварин. Любов біологів викликана ого прозорістю і швидкістю розмноження ( повний цикл розвитку C. elegans становить близько трьох діб). І хоча C. elegans ледь помітний людським оком ( він досягає в довжину лише 1 мм) , за кілька десятиліть досліджень , частина яких присвячена проблемам старіння організмів , цей крихітний черв'як приніс вже чимало користі людству - з ним працювали і продовжують працювати молекулярні біологи , ембріологи і навіть нейробіологи ( черв'як має нервову систему з трьохсот нейронів) . На сьогоднішній день у C. elegans відомо близько 80 мутацій , що впливають на тривалість життя. Зокрема, раніше було відмічено , що порушення молекулярних каскадів , пов'язаних з важливим гормоном ( присутнім і у людини ) - інсуліноподібний фактор росту ІФР - 1 ( insulin - like growth factor , IGF- 1 ) , приводили до трикратного перевищення природного двотижневого терміну життя нематод C. elegans (і давали трохи менший ефект при роботі з іншими видами , наприклад мишами ) . Проте в роботі , опублікованій нещодавно в журналі Aging Cell , цей рекорд був перевершений більш ніж у т��и рази. « Вибивання » одного з ферментів в каскаді інсуліноподібного фактору росту дало вже не трьох - , а десятикратне збільшення тривалості життя : деякі з піддослідних нематод прожили дев'ять місяців. У будь-якому організмі - навіть одноклітинному - є цілий ряд молекулярних каскадів , покликаних передавати інформацію про зовнішні дії або зміни внутрішнього середовища до складного механізму регуляції експресії генів. Прийшовши на рецептори клітинної мембрани сигнал (наприклад , якщо молекула рецептора провзаємодіяти з сигнальною молекулою гормону , нейромедіатора або ліки) запускає ланцюжок з складних перетворень , таких як зміна конформацій білків , додавання і видалення фосфатних груп , каталіз і інгібування різних біохімічних реакцій). 11


На кожній стадії перетворення відбувається як посилення сигналу , так і передача його в необхідну сторону - до ядра і транскрипційним факторам , регулюючим транскрипцію ДНК з тих чи інших генів Drosophila melanogaster — фруктова муха. Умови культивування та використання в генетичних програмах досліджень. Рід нараховує близько 1500 описаних видів (передбачуване реальне різноманітність - кілька тисяч видів). Багато видів синантропних . У природі харчуються соком рослин , що гниють рослинними залишками . Личинки живляться також і мікроорганізмами. Drosophila melanogaster Невеликі розміри , короткий життєвий цикл і простота культивування дозволили використовувати низку видів дрозофіл як модельні об'єкти генетичних досліджень ( D. melanogaster , D. simulans , D. mercatorum , та інші). У даний час повністю прочитані геноми 12 видів дрозофіл . Drosophila melanogaster - найбільш важливий для наукових досліджень вид дрозофіл . Широко використовується в наукових цілях починаючи з робіт Томаса Ханта Моргана з генетики статі та хромосомної теорії спадковості. Важливими характеристиками D. melanogaster як модельного об'єкта є мале число хромосом ( 2n = 8 ), наявність політенних хромосом у ряді органів (наприклад , слинних залозах личинки ) і велика різноманітність видимих проявів мутацій . В даний час D. melanogaster - один з найбільш вивчених видів

живих

організмів

.

Її

геном

повністю

відсеквенований

використовується для дослідження взаємодії генів , генетики розвитку , оцінки негативних ефектів медичних препаратів та поллютантов Хребетні організми Xenopus laevis та Brachydanio rerio. Будова та використання в біологічних дослідженнях. ( Xenopus laevis ) шпорцева жаба - вид південноафриканської водної жаби роду шпорцевие жаби. Має довжину до 12 см , плоску голову і тіло. 12


Цей вид живе тільки в Африці , але інтродукований в Північній Америці , Південній Америці та Європі. Ці жаби водяться повсюдно в ставках і річках на північному сході Африки. Це водні , зеленувато -сірі тварини . Альбіноси продаються як домашні вихованці . Розмножуються яйцями. Такі жаби живуть від 5 до 15 років, кожен сезон вони линяють і з'їдають скинуту шкуру. Плавають дуже швидко і можуть споживати в їжу маленьку рибу. На сушу ніколи не виходять. Модельний об'єкт в біології розвитку Хоча X. laevis має досить довгий період розвитку , даний вид широко використовується як модельний об'єкт в біології розвитку . X. laevis потрібно від одного до двох років для досягнення статевої зрілості. Як і більшість представників свого роду , X. laevis - тетраплоїдів . Простота маніпуляцій з ембріонами амфібій зробила їх важливим об'єктом ембріології і біології розвитку . Споріднений диплоїдний вид Xenopus tropicalis є більш підходящим організмом для генетичних досліджень . Xenopus laevis , альбінос Роджер Сперрі використовував X. laevis для своїх знаменитих експериментів з розвитку зорової системи , які привели вчених до формулювання хемоаффінной гіпотези . Ооцит ксенопуса - зручна система для експресії генів в молекулярній біології . Введення ДНК або мРНК в ооцит або розвивається зародок дозволяє дослідникам вивчити їх білкові продукти. Також цей об'єкт використовується в електрофізіології , для вивчення мембранних білків ооцита . Виявилося , що очна паличка гладкою шпорцевой жаби ( Xenopus laevis ) , може бути ще й визначником когерентності слабких імпульсів світла , що дозволяє сподіватися на її використання у квантовій оптиці.

13


Палички людського ока можуть зареєструвати одиночний фотон . Штучні детектори такий же чутливості вважаються найдосконалішими з усього, що було створено людиною , а тому ви здогадуєтеся про їх ціну . Леонід Кривицький і його колеги з сінгапурського Агентства з науки, технологій та досліджень (A * STAR ) спробували замінити їх паличками гладкою шпорцевой жаби , одного з типових лабораторних тварин , застосовуваних біонаук . Кожна така паличка має зовнішній сегмент , що містить мембранні диски з родопсином , основним зоровим пігментом майже всіх тварин. Саме родопсину відведена головна роль в електричній поляризації клітини очної палички , що відповідає за надходження сигналу від нього в мозок. Після вилучення ( мікропіпеткою ) окремої палички (довжиною 50 мкм , діаметром 5 мкм) клітку занурюють у спеціальний розчин , подібний з вмістом очі і підтримуючий її в живому стані . Одночасно піпетка функціонує як електрод , що дозволяє за допомогою підсилювача з низьким рівнем шуму реєструвати потік іонів від що отримала фотон палички. У дослідах використовувався лазер, що працює в зеленій частині видимого спектру ( 532 нм). Щоб виміряти когерентність світлового потоку , що прибуває до клітки , одна частина лазерного імпульсу прямувала на стандартний лавинний світлодіод , а друга - на клітку палички очі земноводного . Кількість фотонів при кожному імпульсі варіювалася від 30 до 16 000. При цьому реакція палички росла до приблизно 1000 фотонів в арифметичній прогресії , після чого зростання різко сповільнилося . Що ще більш цікаво , паличка виявилася чутливою до когерентності імпульсу світла . Вона змогла розрізнити когерентні імпульси лазерного випромінювання і спеціально розсіяний імпульс , одержуваний за допомогою відображення лазерного імпульсу від обертового круга ( поверхня якого була попередньо відшліфована ) . Ці два види імпульсів мають різну статистику розподілу фотонів - а значить , відзначають дослідники , гібридні біомеханічні світлові 14


детектори на базі жаб'ячих паличок можна використовувати і як сенсори для аналізу статистики фотонів у вхідному випромінюванні. Кожна така паличка має зовнішній сегмент , что містіть Мембранні диски з родопсином , основним Зоров пігментом почти всех тварин . Саме родопсину відведена головна роль в електрічній полярізації Клітини очної палички , что відповідає за надходження сигналу від нього в мозок . После вилучення ( мікропіпеткою ) окремої палички ( довжина 50 мкм , діаметром 5 мкм) клітку занурюють у Спеціальний розчин , подібний з вмістом очі и підтрімуючій ее в живому стані. Одночасно піпетка функціонує як електрод , что дозволяє помощью підсілювача з низько рівнем шуму реєструваті Потік іонів від что Отримала фотон палички . У дослідах вікорістовувався лазер , что працює в зеленій частіні видимого спектру ( 532 нм). Щоб віміряті когерентність світлового потоку , что прібуває до кліткі , одна частина лазерного імпульсу прямувала на стандартний лавинний світлодіод , а друга - на клітку палички очі земноводного . Кількість фотонів при шкірному імпульсі варіювалася від 30 до 16 000. При цьом Реакція палички росла до пріблізно 1000 фотонів в аріфметічній прогресії , после чего ЗРОСТАННЯ різко сповільнілося . Що ще більш цікаво , паличка виявило чутлівою до когерентності імпульсу світла . Вона змогла розрізніті когерентні імпульсі лазерного віпромінювання и спеціально розсіяній імпульс , одержуваній помощью відображення лазерного імпульсу від обертового кола (поверхня Якого булу Попередньо відшліфована ) . ЦІ два види імпульсів мают різну статистику розподілу фотонів - а значити , відзначають досліднікі , гібрідні біомеханічні світлові детектори на базі жаб'ячіх палічок можна використовуват и як сенсори для АНАЛІЗУ статистики фотонів у вхідному віпромінюванні . В середньому кожен фотон взаємодіяв всього з однією молекулою родопсину, що є дуже високим показником. Ця «економність» паличок укупі з їх здатністю розрізняти когерентний і розсіяне світло дозволяє сподіватися 15


на використання таких гібридних фотодетекторов в квантовий оптиці і квантової зв'язку. Щоб визначити ступінь такої придатності, в найближчому майбутньому дослідники проаналізують реакцію палички на кероване двухфотонную поглинання. Даніо-реріо «Дамський панчоха», або брахіданіо-реріо (лат. Danio rerio) - вид прісноводних риб сімейства коропових (лат. Cyprinidae). Популярна акваріумна рибка. Є модельним організмом в біології розвитку і відома в англомовній літературі як zebrafish. Даніо-реріо є першим домашнім тваринам, генетично модифікованим генами біолюмінесценції в 2003 році. Це акваріумна рибка розміром до 7 сантіметрів з Довгим, прогоністім тілом, основний тон сріблястий з Яскрава-сінімі Смуга. У молодих риб плавці Короткі, з годиною смороду відростають и утворюють вуаль. Краї плавців могут буті пофарбовані у жовтий колір. Відмінною рісою самки є черевце, у самки воно однозначно товщі. Danio rerio - модельний організм , який використовують для вивчення розвитку хребетних і функцій генів хребетних. Перші роботи Джорджа Стрейсінгера ( George Streisinger ) в університеті Орегона показали потенційну можливість використання D. rerio як модельного організму; важливість даної моделі була підтверджена багатьма генетичними дослідженнями. D. rerio - це один з небагатьох видів риби , які побували на орбітальної космічної станції. Як об'єкт біології розвитку D. rerio має деякі переваги над іншими хребетними . Ембріон розвивається швидко , і проходить стадії від яйця до личинки всього за три дні . Ембріони великі , витривалі , міцні , прозорі і розвиваються поза матері , що полегшує маніпуляції з ними і спостереження . Для виключення генів або зміни сплайсингу в Danio rerio часто використовують технологію антисмислових Морфолін. Такі олігонуклеотиди є синтетичними макромолекулами , що містять ДНК - або РНК- нуклеотиди , які зв'язуються з комплементарними послідовностями РНК і знижують активність генів. Олігонуклеотиди Морфолін можуть бути введені в клітини зародка після стадії 32 клітин , при цьому утворюється організм , в якому 16


активність генів знижена тільки в тих клітинах , які походять від модифікованої клітини. Хоча клітини раннього зародка (менше 32 клітин) непроникні для великих молекул , вони дозволяють проникати молекулам Морфолін між клітинами. 23 січня 2013 іспанські вчені провели експеримент з впровадження в генотип риби гена hoxd13 , запозиченого у чотириногих мишей. У риб є подібний ген, але не проявляє достатню активність. В результаті експерименту, риби отримали зачатки кінцівок , відповідних для пересування по суші Danio rerio з мутантної забарвленням (bleached blond) був отриманий инсерционно мутагенезу. Мутант втрачає чорний пігмент в меланоцитах, так як не здатний синтезувати меланін. Тварині на фотографії чотири дні. У верхній частині фотографії - тварина дикого тіпа.Хроматофори Danio rerio, які забезпечують зверхньо забарвлення, є модельним об'єктом вивчення молекулярної біології та біології розвитку Arabidopsis thaliana - найпоширеніший рослинний об'єкт в біотехнології і генетиці квіткових рослин. Арабідопсис невеликий квітуча рослина , яке широко використовується в якості модельного організму в біології рослин. Arabidopsis є членом гірчицею ( Brassicaceae ) сім'ї , яка включає в себе культивованих видів , таких як капуста і редис . Хоча це і не велика агрономічної значення , Arabidopsis пропонує важливі переваги для фундаментальних досліджень в галузі генетики та молекулярної біології : Приблизно 115 Мбайт Мб генома 125 була послідовність і анотований ( Природа , 408:796-815 ; 2000). Обширні генетичні та фізичні карти всіх 5 хромосом є. Життєвий цикл короткий - близько 6 тижнів від сходів до дозрівання насіння Насінництво є плідним і завод легко культивується в обмеженому просторі. Трансформація є ефективним використанням Agrobacterium tumefaciens . 17


Велика кількість мутантних ліній і геномних ресурсів доступні. А. THALIANA вивчається багатонаціональної науково- дослідницького співтовариства в академічних , урядових та промисловості. Такі переваги зробили Arabidopsis модельний організм для вивчення клітинної та молекулярної біології квіткових рослин . Мікроскопія.

Методи

Виготовлення

фіксування

парафінових

зрізів.

та

забарвлення

Флуоресцентна

препаратів. мікроскопія.

Виявлення специфічних молекул в клітинах. Фазово-контрастний і інтерференційний мікроскоп.

мікроскопи,

Обробка

принципи

дослідного

їхньої

матеріалу.

дії.

Електронний

Сканувальний

та

трансмісійний електронні мікроскопи та галузі їхнього використання. Методи відтінення. Мікроскопія Мікроскопія

(рос.

микроскопия,

англ.

microscopy,

нім.

Mikroskopie f) – сукупність методів застосування мікроскопа і способи виготовлення мікроскопічних препаратів. Розрізняють: оптичну мікроскопію, електронну

мікроскопію,

багатофотонну

мікроскопію,

рентгенівську

мікроскопію, рентгенівську лазерну мікроскопію. Методи фіксування та забарвлення препаратів. Фіксація. При фіксації мазок закріплюється на поверхні скла, і тому при подальшому фарбуванні препарату клітини не змиваються. Крім того, убиті мікробні клітини забарвлюються краще, ніж живі. Розрізняють фізичний спосіб фіксації, в основу якого покладена дія високої температури на клітину, і хімічні способи, що передбачають застосування хімічних засобів, що викликають коагуляцію білків цитоплазми. Фізичний спосіб фіксації: Скло з препаратом беруть пінцетом і плавним рухом проводять 2-3 рази над верхньою частиною полум'я пальника. Весь процес фіксації повинен займати не більше, ніж 2 с. Надійність фіксації перевіряють наступним прийомом: вільну від мазка поверхню скла

18


прикладають до тильної поверхні лівої кисті. При правильній фіксації скло повинне бути гарячим, але не викликати відчуття опіку (70—80 °С). Хімічний спосіб фіксації: Для фіксації мазків застосовують метиловий спирт, ацетон, суміш Никіфорова (суміш етилового спирту 96% і наркозного ефіру в співвідношенні 1:1), рідина Карнуа (етилового спирту 96% — 60%, хлороформу 30%, крижаної оцетової кислоти 10%). Скло з висушеним мазком занурюють в склянку з фіксуючою речовиною на 10-15 хвилин і потім висушують на повітрі. Фарбування за Грамом (або метод Грама) — емпірично виведений метод розрізнення бактерій за допомогою фарбування їх певним методом на дві великі групи: Грам-позитивні і Грам-негативні), що розрізняються хімічними та фізичними властивостями їх клітинної стінки. Фарбування за Грамом — одна з найкорисніших фарбувальних процедур у лабораторних дослідженнях в мікробіології. Процедура широко використовується як інструмент для розрізнення Грам-негативних і Грам-позитивних бактерій, що звичайно є першим кроком у визначенні ідентичності специфічного бактерійного зразка. У медицині фарбування за Грамом виконується при аналізі крові або біопсії, коли підозрюється інфекція. Цей метод набагато швидший, ніж культура, і особливо важливий, коли визначення типу інфекції необхідно для прогнозу та вибору методу лікування. Наприклад, при діагностиці цереброспінальної рідини на менінгіт і рідини суглобів на септичний артрит. При аналізі, наприклад, Коки і спороносні форми бактерій, а також дріжджі — грам-позитивні і забарвлюються в синяво-чорний (темно-синій) колір, більшість інших бактерій — грам-негативні і забарвлюються в червоний колір, ядра клітин еукаріот набувають яскравочервоного кольору, а цитоплазма — рожевого. Техніка проведення фарбування.

19


Техніка проведення фарбування Фарбування за Грамом відноситься до складного способу фарбування, коли на мазок впливають двома фарбниками, з яких один є основним, а інший — додатковим. Окрім фарбувальних речовин при складних способах забарвлення застосовують обезбарвлюючі речовини: спирт, кислоти та ін. Для фарбування за Грамом частіше використовують барвники трифенілметанової групи: генціановий, метиловий фіолетовий або кристал віолет. Грам-позитивні (Грам (+)) мікроорганізми дають міцне з'єднання з вказаними барвниками і йодом. При цьому вони не обезбарвлюються при дії на них спиртом, унаслідок чого при додатковому забарвленні фуксином Грам (+) мікроорганізми не змінюють спочатку приєднаний фіолетовий колір. Грам-негативні (Грам (-)) мікроорганізми утворюють з основними барвниками і йодом з'єднання, що легко руйнується під дією спирту. В результаті мікроби обезбарвлюються і потім забарвлюються фуксином, набуваючи червоного кольору. Матеріал, що досліджується, розподіляють тонким шаром по поверхні добре знежиреного скла. Приготований мазок висушують на повітрі і після повного висихання фіксують. Виготовлення парафінових зрізів. Після ущільнення матеріалу виготовляють зрізи, проводять це на спеціальних апаратах – мікротомах, а процес називають мікротомування. Готують зрізи за допомогою мікротомних ножів. Це стальні клинки однакової ширини, але різні за формою та довжиною. Залежно від якості сталі мікротомні ножі бувають трьох марок – А, В, С. Ножі марки А мають плоско-вгнуту форму з великою кривизною, вони виготовлені із м’якої сталі та використовуються для зрізів, що залиті в целоїдин. Ножі марки В виготовлені із більш твердої сталі, вони також мають плоско-вгнуту форму, але з меншою кривизною. Ножі марки В використовуються для виготовлення зрізів, що залиті в целоїдин. Ножі марки С виготовляють з найтвердішої сталі, вони мають плоску поверхню і застосовуються для виготовлення 20


парафінових і заморожуючих зрізів. Мікротомні ножі фіксуються на мікротомах. Усі мікротоми незалежно від виду мають: Станину, яка служить для кріплення і монтажу деталей мікротома. Тримач ножа, що дозволяє регулювати нахил ножа Предметний столик або об’єкт отримач, що призначений для фіксації блоків Механізм мікроподачі, який служить для автоматичної подачі об’єкта до ножа, що дозволяє корегувати товщину зріза. Мікротоми бувають санні, заморожувальні, ротаційні та кріостати. Санний мікротом отримав свою назву завдяки конструкції, у нього ніж і об’єктотримач знаходяться на санях або вільно ковзають по рейках. Вони бувають двох конструкцій, в одних мікротомах підйом об’єкта здійснюється по похилій площині, в ��нших – подача блоку по вертикалі. Заморожувальні мікротоми використовуються для готування зрізів методом заморожування. Вони мають спеціальний столик для заморожування, це термоелектричний

столик

або

металевий

столик,

який

заповнений

вуглекислотою. Ротаційні мікротоми призначені для різання об’єктів, що залиті в органічні наповнювачі. У них об’єкт за допомогою спеціального механізму рухається горизонтально або вертикально і насуває на укріплений нерухомо ніж. Мікротом-кріостат

використовують

для

отримання

зрізів

із

свіжозаморожених тканин і органів при експрес біопсії. Це термоізоляційна камера з мікротомом та охолоджуючою системою. Така камера має подвійні стінки, між якими знаходиться термоізоляційний матеріал. Передня стінка є дверима, в які вмонтовано оглядове скло та закриті діафрагмою отвори для рук. Отримані зрізи на мікротомі необхідно наклеювати на предметні або накривні скельця, які повинні бути цілком чистими і добре знежиреними. Скельця миють у розчині мила, потім промивають у дистильованій воді, висушують та знежирюють у етанол-ефірі.

21


На висушені предметні скельця приклеюють зріз. Для цього одну поверхню предметного скельця вкривають тонким шаром суміші білка з гліцерином. Зрізи з мікротомного ножа переносять у теплу воду, де вони розправляються, потім їх виловлюють на поверхню скла, дають стекти воді та предметні скельця поміщають у термостат на 6 годин. Перед

фарбуванням

зріза

необхідно

видалити

парафін.

Для

депарафінування готують «батарею» з баночок, у які наливають один з розчинників парафіну (ксилол, бензол, толуол) та етаноли зменшуючої концентрації. Остання баночка з водою, після якої проводять фарбування. Флуоресцентна мікроскопія Флуоресцентна мікроскопія — метод отримання збільшеного зображення з використанням люмінесценції збуджених атомів та молекул зразка. В флуоресцентному мікроскопі зразок опромінюється світлом із більшою частотою,

а

зображення

отримують

на

іншій,

меншій

частоті.

Випромінювання зразка, відповідно, пропускається через фільтр, що відсікає світло на частоті збудження. Одним із видів флуоресцентної мікроскопії є конфокальна мікроскопія, метод, що дозволяє отримати зображення із певної глибини в середині зразка. Простіший метод, за допомогою якого можна досліджувати поверхню, називають епіфлуоресцентною мікроскопією. Різниця між звичайним світловим і флуоресцентним мікроскопом полягає в тому, що в ньому пренарат розглядається у світлі, випромінюваному самим препаратом під час опромінення його ультрафіолетовими променями. У той час як збуджуючі флуоресценцію ультрафіолетові промені невидимі для ока, вдруге виникають в об'єкті промені мають довшу хвилю і відносяться до видимої частини спектру. Тому при спостереженні в флуоресцентному мікроскопі видно на темному полі різноманітне світіння частин об'єкта. Після припинення опромінення

препарат

у

мікроскопі

невидимий.

Препарати,

що

розглядаються в флуоресцентний мікроскоп, представляються різноманітно і живописно забарвленими. Окремі ділянки препарату, окремі волокна і 22


клітини в залежності від їх хімічного складу флуоресцируют різному. Колір н інтенсивність флуоресценції дозволяють відрізнити один від одного деталі різної природи. За допомогою флуоресцентного мікроскопа вдається виявити нові

деталі

структури,

невидимі

при

звичайному

освітленні,

і

диференціювати елементи тканин різної природи. У ряді ж випадків безпосередньо за кольором флуоресценції можна визначити природу речовини. Флуоресцентний мікроскоп по суті являє собою звичайний мікроскоп, до якого додається дугова лампа, яка служить джерелом ультрафіолетових променів. Лампа забезпечена колектором і фільтротримачем. Бо частину ультрафіолетових променів, які висвітлюють об'єкт, що не абсорбується останнім і може заважати мікроскопії, то для усунення цього явища в окуляр вставляється особливий фільтр, який поглинає ультрафіолетові промені. У фільтродержатель поміщається «фільтр Вуда» – чорне скло, яке пропускає ультрафіолетові промені (4000-3200А) і затримує майже всі промені видимого спектру, однак пропускає червоний колір з довжиною хвилі більше 6500А. Ці промені є в деякій кількості в спектрі випромінювання ртутної дуги, але їх значно більше в спектрі випромінювання вугільної дуги. Для усунення довгохвильового випромінювання застосовують другий фільтр – 2,5-5-процептний розчин сірчанокислої міді. Об'єктиви і окуляр флуоресцентного мікроскопа можуть бути зроблені зі звичайного оптичного скла, оскільки тут спостереження ведеться вже у видимому світлі. Можна користуватися сухими і імерсійними об'єктивами. Роботи з мікроскопом ведуться в затемненій кімнаті з вентилятором для усунення шкідливих газів від джерела освітлення. Лампа, застосовувана при флуоресцентної мікроскопії, дає порівняно довгі ультрафіолетові промені (300-400 ту.), Які відносно слабо абсорбуються склом. Це дозволяє користуватися звичайним конденсором і звичайними предметними і покривними стеклами, не вдаючись до кварцового конденсорі і кварцовим предметним і покривним стеклам. В якості середовища для 23


укладення препаратів застосовують воду, фізіологічний розчин кухонної солі, гліцерин, нефлуоресцірующіх парафінова олія. Для іммерсіі слід вживати нефлуоресцірующіх іммерсійне масло. За допомогою флуоресцентної мікроскопії можна досліджувати також об'єкти, що володіють власною флуоресценцією, тобто випромінюють видимі світлові промені під впливом ультрафіолетових без будь-якої спеціальної обробки. Такий власної флуоресценцією володіє ряд речовин, наприклад, А і ВГ канцерогенні речовини і т. п. Вторинною флуоресценцією називають світіння, що виникає в об'єкті, зазвичай флуоресціюючому тільки після обробки його речовинами, що володіють інтенсивної флуоресценцією, наприклад, особливими барвниками. Фазово-контрастний і інтерференційний мікроскопи, принципи їхньої дії. Можливість втрати або порушення зразків у процесі їх приготування завжди турбувала мікроскопію. Єдиний спосіб вирішити цю проблему полягає у вивченні живих клітин без фіксації або заморожування. Для цієї мети дуже корисні мікроскопи зі спеціальними оптичними системами. При проходженні світла через живу клітину фаза світлової хвилі змінюється згідно з коефіцієнтом рефракції клітини: світло, що проходить через відносно тонкі або відносно товсті ділянки клітини, такі, як ядро, затримується, і його фаза відповідно зсувається по відношенню до фази світла, що проходить через відносно тонкі ділянки цитоплазми. Як у фазовоконтрастному, так і в інтерференційному мікроскопі використовуються ефекти інтерференції, що виникають при рекомбінації двох наборів хвиль, які і створюють зображення клітинних структур. Обидва типи мікроскопії широко використовуються для спостереження живих клітин. Найпростіший спосіб побачити деталі клітинної структури - спостерігати світло, яке розсіюється різними компонентами клітини. У темнопольному мікроскопі промені від освітлювача направляються збоку і при цьому в лінзи мікроскопа потрапляють тільки розсіяні промені. Відповідно клітина виглядає як освітлений об'єкт на темному полі. 24


Одним

з

основних

переваг

фазовоконтрастної,

інтерференційної

і

мікроскопії темного поля є можливість спостерігати рух клітин в процесі мітозу та міграції. Відеокамери і відповідні технології обробки зображення значно збільшили можливості у світловій мікроскопії. Це дозволило спостерігати клітини протягом тривалого часу при низькій освітленості, виключаючи тривалий вплив яскравого світла (або тепла). Оскільки зображення створюється відеокамерою у формі електронних сигналів, його можна відповідним чином перетворити в числові сигнали, направити на комп'ютер і потім піддати додатковій обробці для вилучення прихованої інформації. Ці та подібні методи обробки зображення дозволяють компенсувати оптичні недоліки мікроскопів. Електронний мікроскоп - Електронний мікроскоп завдяки високій роздільній здатності (більш ніж на два порядки вище у порівнянні зі світловим мікроскопом) дозволяє

спостерігати

тонкі

особливості

і

деталі

структури

мікрооб’єктів на атомно-молекулярному рівні. Ці прилади за своїм призначенням розділяють на трансмісійні і скануюючі електронні мікроскопи. Трансмісійна електронна мікроскопія (Просвічуючий електронний мікроскоп)вид електронного мікроскопа який дозволяє отримувати пряме зображення об'єкта за допомогою електронного променя. Техніка просвічення електронами (трансмісії) тонких об'єктів дозволяє отримувати розділення до 0,08 нм, а при використанні техніки електронного коректування і отримувати розділення до 0,05 нм. Скануюча електронна мікроскопія - науковий прилад, що дозволяє одержувати зображення поверхні зразка з великою роздільною здатністю (менше мікрометра). Зображення, одержані за допомогою растрового електронного мікроскопа, є тривимірними і зручними для вивчення структури сканованої поверхні. Ряд додаткових методів

25


(EDX, WDX- методи), дозволяє отримув��ти інформацію про хімічний склад приповерхневих шарів. Методи

електронної

мікроскопії:

замороження-скалування

і

замороження. Методи негативного контрастування і кріоелектронної мікроскопії. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР). Розмноження клітин і їхнє

культивування.

Вирощування

клітин

в

культуральному

середовищі. Вивчення клітинних макромолекул за допомогою антитіл і радіоактивних ізотопів. Гібридизація. Методи

електронної

мікроскопії:

замороження-скалування

і

замороження. У клітинній біології особливо успішно використовуються два методи, засновані на одержанні механічних реплік. Один з них - метод електронної мікроскопії «заморожуваннясколювання» - дає можливість вивчати внутрішню будову клітинних мембран. Клітки заморожують при температурі рідкого азоту. Заморожений блок потім розколюють лезом ножа. Відкол часто проходить через гідрофобну середину подвійного шару ліпідів, оголюючи внутрішню поверхню клітинних мембран. Утворену поверхню відколу, яка утвориться відтіняють платиною, органічний матеріал видаляють і вивчають отримані репліки в електронному мікроскопі. Метод «заморожування - травлення» використовується для вивчення зовнішньої

поверхні кліток

і мембран.

У даному

випадку

клітки

заморожують при дуже низькій температурі і замороженому блоці розколюють лезом ножа. Вміст льоду навколо кліток (і в меншому ступені усередині кліток) знижують сублімацією води у вакуумі при підвищенні температури (процес називають вакуумним сушінням). Ділянки клітини, піддані такому травленню, потім відтіняють для готування платинової репліки. 26


Методи негативного контрастування і кріоелектронної мікроскопії Використовуючи для контрастування відтінення солями важких металів, можна спостерігати в електронний мікроскоп ізольовані макромолекули, наприклад, ДНК або великі білки, а після негативного контрастування можна розгледіти навіть дрібні деталі. При готуванні зразків для негативного контрастування досліджувані молекули наносять на тонку плівку вуглецю (практично прозору для електронів), потім її змочують концентрованим розчином

солей

важких

металів,

наприклад,

уранілацетата.

Після

висушування зразка тонка плівка солей важких металів рівномірно покриває вуглецеву підкладку, за винятком

ділянок, зайнятих адсорбованими

макромолекулами. Речовина макромолекул більш проникна для електронів у порівнянні з ближніми ділянками, покритими солями важких металів; за рахунок цього виникає звернене або негативне зображення молекули. В даний час можна спостерігати з високим дозволом навіть внутрішні деталі тривимірних структур, таких, як віруси. Для цього використовують метод кріоелектроної мікроскопії, де дуже тонкий (приблизно 100 нм), швидко заморожений шар вологого зразка поміщають на мікроскопічні ґрати. За допомогою спеціального пристосування гідратований зразок утримують при - 160сС у вакуумі мікроскопа. Таким способом можна спостерігати матеріал практично безпосередньо: без фіксації, фарбування і сушіння. Кріоелектрона мікроскопія— підвид електронної мікроскопі (ЕМ), де зразок, що досліджується, охолоджують до кріогенних температур (зазвичай, температури рідкого азоту). Кріо-ЕМ дуже популярна в галузі структурної біології. Різновидом кріо-ЕМ є кріоелектронна томографія (КЕТ), в якій отримується тривимірна структура зразку за допомогою обчислювального аналізу серії двовимірних проекцій, знову отриманих за кріогенними температурами. Я́дерний магні́тний резона́ нс— це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль деякими ядрами атомів, що розміщені у зовнішньому магнітному полі. Найчастіше ЯМР досліди проводять на ядрах атомів водню, 27


тобто на протонах, або на ядрах ізотопу вуглецю 13С. На базі ЯМР була розвинута ЯМР-спектроскопія, що дозволяє з великою точністю розрізняти ядра елемента за їхніми властивостями в різному оточенні в молекулі. Ядерний магнітний резонанс також знайшов широке застосування в фізиці, біології, медицині, неруйнівному контролі та індустрії. За допомогою ЯМР можна вивчати взаємодію між ядерними магнітними моментами, а також магнітну взаємодію ядер з електронними спінами і орбітальними магнітними

моментами.

Аналіз

ЯМР-спектрів

використовується

для

визначення структури і складу хімічних сполук. Відкриття ЯМР спричинило революцію в методах ідентифікації органічних сполук. Поряд з методом дифракції рентгенівських променів ЯМР використовують для встановлення структури біологічних макромолекул. Цей метод стає особливо важливим коли досліджувана речовина знаходиться в розчині і її не можливо кристалізувати. Побудована на базі ЯМР магнітно-резонансна томографія широко використовується в медицині для дослідження внутрішніх органів і біологічних тканин. За допомогою сучасної ЯМР техніки, що працює в магнітних полях розсіяння, проводяться підповерхневі дослідження. Це дає змогу контролювати процеси виготовлення бетону, сушіння деревини, перевіряти якість автомобільних шин. ЯМР також використовується для дослідження геологічних порід і пошуку нафти та природного газу. Розмноження клітин і їхнє культивування. Культивування клітин рослин Використання

меристемних

тканин

є

найпростішим

способом

вирощування нових рослин з використанням культур тканин рис. Калус – це недеференційована клітинна маса, здатна до росту і розмноження. Клонуванням називають створення численних генетичних копій одного індивідуума за допомогою безстатевого розмноження. Процес цей може відбуватися природним шляхом, однак були також розроблені методи, що дозволяють проводити його штучно. 28


Клонування клітин з наступним їх скринінгом та регенерацією рослин з відібраних клонів розглядають як важливий метод збереження і поліпшення деревних порід помірних широт, зокрема хвойних дерев. Рослинирегенеранти, вирощені з клітин або тканин меристеми, використовують нині для розведення спаржі, суниці, брюссельської і кольорової капусти, гвоздик, папороті, персиків, ананасів, бананів тощо. З клонуванням клітин пов'язують надії на усунення вірусних захворювань рослин. Розроблено методи, що дозволяють одержувати регенеранти з тканин верхівкових бруньок рослин (апікальної меристеми).

29


Рис. Використання меристем для утворення калусних культур: 1 – вихідна рослина з бажаними ознаками; 2 – меристема з верхівкової бруньки; 3 – меристема з пазушної бруньки; 4 – ріст пагона; 5, 11 – стимулювання

утворення

коренів;

6

невелика

рослина;

7

немеристематична тканина; 8 – калус; 9 – ріст зародків; 10 – стимулювання утворення пагонів та коренів 30


Серед регенерованих рослин проводять відбір особин, вирощених з незаражених клітин, і вилучення хворих рослин, виявлених методом імунодіагностики. Клонування клітин – перспективний метод одержання не тільки нових сортів, але і промислово важливих продуктів. За правильного підбору умов культивування,

зокрема

оптимального

співвідношення

фітогормонів,

ізольовані клітини більш продуктивні, ніж цілі рослини. Іммобілізація рослинних клітин чи протопластів нерідко веде до підвищення їхньої синтетичної активності. Найперспективніші для промислового впровадження біотехнологічні процеси з використанням культур рослинних клітин наведено у табл. Комерційне значення в основному має промислове виробництво шиконіну. Застосування рослинних клітин, що є високоефективними продуцентами алкалоїдів, терпенів, різних пігментів і олій, харчових ароматичних добавок (суничної, виноградної, ванільної, томатної, селерової, спаржевої), наштовхується на певні труднощі, пов'язані з дорожнечею використовуваних технологій,

низьким

виходом

цільових продуктів,

тривалістю виробничого процесу. Таблиця Приклади клітинних культур — високоефективних продуцентів цінних сполук (за О. Sahai, М. Knuth, К. Hahlbrock) Вид рослини Lithospermum erithrorhizon (горобейник)

Nicotiana tabacum

Цільовий Передбачуване застосування продукт Шиконін та Червоний пігмент, використовуваний у його похідні косметиці як «біологічна губна помада», антибактеріальний агент, використовуваний при лікуванні ран, опіків, геморою Важливий компонент дихального і Убіхінон-10 фотосинтетичного ланцюгів переносу електронів, застосовуваний як вітамін і в аналітичних цілях 31


(тютюн)

Глутатіон

Morinda citrifolia

Антрахінони

CoIeus blumei

Розмаринова кислота

Berberis stolonifera (барбарис)

Ятроризин

Учасник багатьох окисно-відновних реакцій у клітині, прирівнюється до вітаміну Сировина для лакофарбової промисловості Жарознижувальний засіб

Спазмолітичний лікарський засіб

Вирощування клітин в культуральному середовищі. Клітинні культури — це генетично однорідні популяції клітин, що ростуть у постійних умовах оточуючого середовища. Це можуть бути штами нормальних клітин людини, тварин, рослин або тканин злоякісних пухлин. Клітини звичайно поміщають у скляні посудини, звідси і дослідження отримали назву вивчення in vitro (від лат. in — в, vitro — скло), хоча тепер частіше культури вирощують у пластмасових посудинах. Виділені з тканин клітини інкубують при температурі +38 °C +39 °C (для клітин тваринного і людського організмів) та при +22 °C +28 °C (для рослинних клітин) у живильному середовищі відповідного складу. Клітини тоді ростуть у вигляді суспензії або моношару. Суспензійна культура — це вирощування окремих клітин або невеликих їх груп у завислому стані у рідкому живильному середовищі з використанням апаратури, що забезпечує їх аерацію і перемішування. Характерною особливістю суспензійних культур є їх морфологічна та біохімічна гетерогенність. Клітинна популяція містить клітини, які відрізняються за розміром і формою. Застосування у цитології У цитології даний метод зручний тим, що клітини в культурі легко доступні для різних біохімічних маніпуляцій. При роботі з ними радіоактивні речовини, отрути, гормони та ін. можуть бути введені у потрібній концентрації протягом необхідного періоду часу. Кількість цих речовин 32


може бути на порядок менше, ніж при експерименті на тварині. Зникає загроза того, що речовина буде метаболізована печінкою, екскретована нирками або відкладеться у м'язах. Це забезпечує отримання реальних значень швидкості дії речовини на клітину або її засвоєння клітиною. Для дослідження живих рослинних клітин використовують культуру ізольованих протопластів. Ізольовані протопласти можна визначити як «голі» клітини рослин, оскільки клітинна стінка видаляється механічним або ферментативним

способом.

Система

ізольованих

протопластів

дає

можливість вести селекцію на клітинному рівні, працювати у малому об'ємі з великою кількістю індивідуальних клітин, отримувати нові форми рослин шляхом прямого перенесення генів, отримувати соматичні гібриди між віддаленими у систематичному відношенні видами. Оскільки в ізольованих протопластах одразу починається регенерація клітинної оболонки, то вони є зручним об'єктом для вивчення формування целюлозних мікрофібрил. Застосування у вірусології У вірусології культури клітин використовуються дуже широко, оскільки з ними порівняно легко працювати у лабораторії, на відміну від інших методів — вирощування вірусів на курячих ембріонах або у організмі живих тварин. Крім того на моношарі клітинної культури можна добре вивчити цитопатичну дію вірусів, за утворенням внутрішньо-клітинних включень, бляшок, у реакціях гемадсорбції й гемаглютинації та за кольоровою пробою. При роботі з культурами клітин суттєві результати можуть бути отримані при роботі з невеликою кількістю культур. Експерименти, які потребують для підтвердження того чи іншого факту сотні або тисячі лабораторних тварин можуть бути з рівною статистичною достовірністю поставлені на такій же кількості культур клітин. Таким чином при лабораторії не треба тримати віварій і відсутні етичні аспекти поводження з хворими тваринами. Також вивчається трансформація клітин вірусами, механізм якої подібний до механізму виникнення злоякісних пухлин.

33


Застосування у фармакології Культури клітин широко застосовуються для тестування дії речовин, які можуть бути використані в якості лікарських препаратів. Попри те, що результати, отримані на культурах клітин не можна екстраполювати на весь організм, не викликає сумніву, що якщо та чи інша речовина порушує діяльність клітин з кількох різних лініях культур, то необхідно очікувати негативного ефекту і при введенні цієї речовини у організм. Застосування у біотехнології Специфічні культури клітин є цінним джерелом гормонів та інших біологічно

активних

речовин.

Вже

зараз

вони

застосовуються

для

виробництва противірусного білку інтерферону. Застосування у генетиці У генетиці здатність клітин до росту у культурі використовується у наступних напрямках: Клонування Зберігання клітин Отримання мутантних клітин та робота з ними Типи культур клітин 1. Первинно-трипсинізовані — отримують із подрібнених тканин людини та тварин шляхом їх обробки трипсином чи іншими ферментами. Витримують лише 5-10 поділів (пасажів). 2. Перещеплювані — клітини, які набули здатності до безмежного розмноження, оскільки є похідними пухлин людини та тварин. 3. Напівперещеплювані (диплоїдні) — можуть витримувати до 100 пасажів, зберігаючи при цьому вихідний диплоїдний набір хромосом. Вивчення

клітинних

макромолекул

за

допомогою

антитіл

і

радіоактивних ізотопів. Гібридизація. Гібридизація

— схрещування різнорідних організмів,

отримання

гібридів. Гібридиза́ ція — процес отримання гібридів, в основі якого лежить об'єднання генетичного матеріалу різних клітин в одній клітині. 34


Може

здійснюватися

гібридизація)

і

між

в

межах

різними

одного

виду

систематичними

(внутрішньовидова групами

(віддалена

гібридизація, при якій відбувається об'єднання різних геномів). Для першого покоління гібридів часто характерний гетерозис, що виражається в кращій пристосованості, більшій плодючості і життєздатності організмів. При віддаленій гібридизації гібриди часто стерильні. Гібридизація — процес, на основі якого виникає і реалізується комбінативна мінливість — один з факторів еволюції. У молекулярній біології застосовують поняття молекулярна гібридизація — гібридизація між різними молекулами ДНК або між молекулами ДНК і РНК. Міжвидове схрещування Організми одного виду можуть схрещуватися один з одним. Хоча сумісність у межах одного виду і визначає можливість схрещування, ці кордони не є абсолютно суворими. Це стало очевидно на прикладі безлічі гібридів, які існують між різними видами (міжвидових гібридів). У селекції рослин і в сільському господарстві, здатність рослин до видового та міжвидового схрещування визначає переміщення генів серед культур і між культурами та їх дикими родичами. У деяких випадках, культурні рослини можуть взаємодіяти з відповідними дикими та формувати комплекси бур'ян — культура (цукровий буряк і дикий буряк). Популяції цих бур'янів можуть виступати як сховища чужорідних генів, в тому числі генів, введених за допомогою генної інженерії. Ці бур'яни можуть також виступати в якості містка, по якому гени переміщаються від культури до дикої рослини та навпаки.

35


Тема лекційного заняття 2. Загальна характеристика клітин різних форм живих організмів. Еволюційний розвиток клітин – 4 год. /0,12 кредит. Особливості

будови

прокаріотів.

Морфологічні

типи

бактеріальних клітин. Грампозитивні і грамнегативні бактерії. Будова бактеріальної

клітини.

Особливості

організації

ядерного апарату

бактерій. Органи руху. Історія. Вперше бактерії спостерігав Антоні ван Левенгук в 1674 році, використовуючи мікроскоп, сконструйований ним самим. Назва «бактерія» з'явилася пізніше, вона була запропонована Крістіаном Ернбергом в 1828, виведене з грецького слова βακτηριον, яке означало «маленька паличка» . Луї Пастер продемонстрував в 1859 році, що процес бродіння викликається ростом мікроорганізмів, і що цей ріст не може бути зародженим мимовільно (хоча слід відмітити, що дріжджі, які зазвичай пов'язані з бродінням — не бактерії, а гриби). Разом з його сучасником, Робертом Кохом, Пастер був одним з авторів і перших захисників бактеріальної теорії виникнення хвороб. Роберт Кох був піонером медичної мікробіології, працюючи з такими хворобами, як холера, сибірська виразка і туберкульоз. У своєму дослідженні туберкульозу Кох остаточно довів бактеріологічну теорію, за що і був нагороджений Нобелівською премією 1905 року. У своїх «Постулатах Коха» він встановив критерії перевірки, чи хвороба

викликається

мікроорганізмом;

ці

постулати

все

ще

використовуються сьогодні. Хоча в 19 столітті вже було відомо, що бактерії — причина багатьох хвороб, не існувало ніяких ефективних засобів антибактеріального лікування. У 1910 році Пауль Ерліх створив перший антибіотик, модифікувавши фарбник, який вибірково фарбував бактерію Treponema pallidum — спірохету, що викликає сифіліс — у речовину, яка вибірково вбиває патоген . Ерліх був також нагороджений Нобелівською премією за свою роботу з 36


імунології та відкриття використання

фарбників для

виявлення

та

ідентифікації бактерій, його робота стала основою для створення фарбування за Грамом і фарбування за Зіль-Нельсеном. В кінці 19 — на початку 20 століття завдяки працям Мартінуса Бейєрінка і Сергія Миколайовича Виноградського були закладені основи загальної та екологічної мікробіології. Важливий крок вперед у вивченні бактерій був зроблений в 1977 році Карлом Воузом, який встановив, що археї — окрема від бактерій лінія еволюційного розвитку. Ця нова філогенетична таксономія була заснована на встановленні послідовності 16S рибосомної РНК і поділила прокаріоти на два окремих домени, як частину системи трьох доменів Будова прокаріотичних (доядерних) організмів значно простіша, ніж еукаріотичних. Прокаріоти – бактерії, синьо-зелені водорості (ціанобактерії). Клітини прокаріотів не мають сформованого ядра – його замінює особлива ядерна зона в цитоплазмі. У прокаріотів немає типових хромосом, їхній спадковий матеріал представлений лише молекулою ДНК, яка не має зв’язку з білками. Прокаріоти позбавлені деяких органел, характерних для клітин еукаріотів: ендоплазматичної сітки, мітохондрій, пластид, ап��рата Гольджі, лізосом та ін. Рибосоми прокаріотів дрібніші, ніж у еукаріот. Функціональну роль мітохондрій та пластид у клітинах прокаріотів виконують досить просто побудовані мембранні структури. Порівняння основних ознак прокаріотів та еукаріотів наведено у таблиці. Ознака Організми

Прокаріоти

Еукаріоти

Бактерії

Протоктисти,

гриби,

рослини, тварини Розміри клітин

Середній

діаметр

складає 0,5 – 10 мкм

Діаметр складає 10 – 100 мкм; об’єм клітини у 1000 – 10 000

разів більший,

ніж

у

прокаріотів

37


Форма

В

основному

В основному багатоклітинні

одноклітинні Виникнення у

3,5 млрд. років назад

1,2 млрд. років назад

В основному простий

Мітоз, мейоз або сполучення

процесі еволюції Клітинний поділ

поділ навпіл; веретено не цих способів поділу; веретено утворюється

Генетичний матеріал

утворюється

Нуклеоїд – закільцована ДНК,

не

ДНК лінійна, локалізована у

оточена ядрі, зв’язана з РНК та білком;

мембраною, не зв’язана з наявні хромосоми білками

або

РНК;

хромосом немає Синтез білків

70S - рибосоми (дрібні).

80S - рибосоми (великі).

Ендоплазматичного

Рибосоми

ретікулуму

можуть

бути

нема прикріплені

до

(розбіжності й у багатьох ендоплазматичного інших деталях білкового ретікулуму синтезу,

включаючи

чутливість

до

антибіотиків) Органели

Органел мало. Жодна не

Органел багато. Органели

має оболонки (подвійної оточені мембрани). Внутрішні зустрічаються разі,

якщо

мембранами

(ядро,

мітохондрії, хлоропласти) мембрани рідко; вони

є,

Велика

у оточених

кількість

органел,

одинарною

– мембраною (апарат Гольджі,

ассоційовані з процесами лізосоми, вакуолі, мікротільця, дихання та фотосинтезу Клітинна

Жорстка,

містить

ендоплазматичний ретікулум) Клітинні

стінки

зелених 38


стінка

полісахариди

і рослин

амінокислоти;

і

грибів

основний містять

жорсткі,

полісахариди;

опорний матеріал – муреїн основний опорний матеріал у рослин – целюлоза, у грибів – хітин

клітинах

тварин

клітинна стінка відсутня) Джгутики

Прості,

мікротрубочок

немає;

Складні, з розташуванням

розташовані мікротрубочок “9+2”; оточені

позаклітинно (не оточені плазматичною плазматичною

мембраною;

діаметр 200 нм

мембраною); діаметр 20 нм Дихання

У бактерій відбувається у

мезосомах,

ціанобактерій

Аеробне

дихання

у відбувається у мітохондріях на

цитоплазматичних мембранах Фотосинтез

Хлоропластів

нема;

У хлоропластах, які містять

відбувається на мембранах мембрани,

упаковані

у

ламелли або грани Фіксація азоту

Деякі здатність

мають

таку

Жоден організм не здатний до фіксації азоту

За формою клітин бактерії поділяються на чотири основні групи: - кулясті (кокові); - паличкоподібні; - звивисті; - нитчасті. Кокові бактерії (від лат. сoccus – кулька) можуть бути суто кулястої, злегка подовженої (еліпсоїдної) або увігнутої форми. Характеризуються нерухливістю та нездатністю до спороутворення. 39


Залежно від характеру поділу та розташування клітин після нього коки поділяються на кілька морфологічних груп: - 1)

мікрококи

(від

характеризуються розташуванням

лат.

micros

поодиноким

клітин.

малий)

невпорядкованим

Більшість

сапрофіти,

розповсюджені у воді, ґрунті, харчових продуктах. Рідко

зустрічаються

патогенні

форми;

Представники: Micrococcus luteus, M. roseus, M. lysodeikticus, M. varians. - 2) диплококи (від лат. diplos – подвійний) – характеризуються розташуванням клітин попарно. В основному – патогенні форми (збудники пневмонії, менінгіту, гонореї). Представники: Azotobacter chroococcum, Neisseria gonorrhoeae, N. meningitidis. N. gonorrhoeae – збудник гонореї та бленореї. Розташовується в організмі хазяїна як внутрішньоклітинно, так і позаклітинно. Джерелом захворювання є хвора людина. Збудник передається статевим шляхом, іноді через предмети туалету (мочалки, рушник та ін.). Шлях проникнення – крізь слизові оболонки статевих органів. Супроводжується гострим гнійним запаленням уретри, шийки матки у жінок, кон'юнктиви. N. meningitidis – збудник менінгіту. Джерелом захворювання є хворі та носії. Інфекція передається повітряно-крапельним шляхом. Первинно збудник локалізується у носоглотці, звідти потрапляє у лімфатичні судини та кров; потім менінгококи проникають у мозкові оболонки.

- 3) стрептококи (від грецьк. streptos – ланцюг) утворюють ланцюжки, які складаються з окремих кулеподібних клітин. В основному – сапрофіти. Представники: Streptococcus pyogenes, S. faecalis, S. lactis. S. lactis – приймає участь у молочнокислому бродінні. 40


S. faecalis – живуть у кишечнику людини та тварин. Відносяться до представників нормальної мікрофлори. Має антагоністичну активність по відношенню до дизентерійної, черевнотифозної, паратифозної та кишкової паличок. S. pneumoniae – викликають крупозну пневмонію, яка характеризується гострим перебігом та циклічністю. Можуть викликати септицемію, менінгіт, ураження суглобів, отит, ангіни та інші інфекційні процеси. S. pyogenes – виділено із тканин при бешисі та нагноюванні ран.

- 4)тетракоки (від грецьк. tetra – чотири) поділ клітини можливий у двох взаємно

перпендикулярних площинах,

у результаті чого

утворюються сполучення по чотири клітини. В основному – сапрофіти, зустрічаються досить рідко; Представники: Deinococcus proteolyticus, D. radiodurans, Stomatococcus mucilaginosus. S. mucilaginosus – коменсали ротової порожнини та верхніх дихальних шляхів людини, можуть бути пов’язані з інфекційними процесами.

- 5) сарцини (лат. sarcio – зв‘язувати) утворюють сполучення з 8, 16 та більше клітин в результаті поділу у трьох взаємно перпендикулярних площинах (пакетні коки). Сапрофіти. Дуже поширені. Хвороботворних видів серед сарцин не встановлено. Представник: S. ventriculi. 6) Стафілококи (від грецьк. staphylos – гроно) – утворюють сполучення неправильної форми, які нагадують виноградні грона. Більшість – патогенні (збудники нежіті, ангіни, отруєнь, гнійних уражень). - Діаметр кокових бактерій дорівнює 0,5…4 мкм. Серед стафілококів зустрічаються

вільноживучі

сапрофіти

(на

молочних,

м‘ясних 41


продуктах, у ґрунті, повітрі, на поверхні рослин), а також патогенні для людини форми. Представники: Staphylococcus aureus, S. epidermidis, S. saprophyticus, S. haemolyticus. Стафілококи проникають в організм людини крізь шкіряні покриви і слизові оболонки повітряно-крапельним та повітряно-пиловим шляхом. Практично всі органи й тканини людського організму можуть бути уражені запальними процесами, зумовленими стафілококами. Патогенні стафілококи викликають у людини абсцеси, перетоніти, фурункульози, остеомієліти, екземи, панаріціі, менінгіти, апендицити, пневмонії та ін. Паличкоподібні (цилідричні) бактерії Паличкоподібні

бактерії

мають

форму

паличок.

Розрізняються

різноманітністю розмірів, форм, розташуванням клітин. Розміри варіюють від 2 – 5 до 10 – 12 мкм. Кінці клітин можуть бути рівними, заокругленими, потовщеними або загостреними. Взаємне розташування клітин: монобактерії, дипло- та стрептобактерії. Можуть бути грампозитивні або грамнегативними. Рухливість залежить від видової приналежності, а також від віку культури та умов вирощування. Рухливі паличкоподібні бактерії пересуваються за допомогою джгутиків, які здійснюють обертові рухи і по-різному розташовані на мікробній клітині. За здатністю утворювати спори паличкоподібні бактерії поділяються на три великі групи : - бактерії (Bacterium) – безспорові, - бацили (Bacillus) – утворюють ендоспори без зміни форми клітини; - клостридії (Clostridium) – у процесі спороутворення спостерігається зміна форми клітини і з паличкоподібної вона стає веретеноподібної або подібною до барабанної палички. Паличкоподібні бактерії:

42


1 – Bacterium; 2 – Bacillus; 3 – Clostridium: (а – термінальне розташування спори; б – субтермінальне) До спороутворюючих відносять такі види бактерій: Amphibacillus, Bacillus, Clostridium,

Desulfotomaculum,

Oscillospira,

Sporohalobacter,

Sporolactobacillus, Sporosarcina, Syntrophospora, Sulfobacillus. Рід Amphibacillus – єдиний вид A. xylanus (0,3-0,5 х 0,9-1,9 мкм). Виділені із гнійного компосту, трави, рисової соломи. Грампозитивні. Ендоспори розміщуються центрально. Рід Bacillus – прямі палички (0,5-2,5 х 1,2-10 мкм) із закругленими або “обрубленими”

кінцями,

часто

утворюють

пари,

або

ланцюжки.

Грампозитивні. Ендоспори розташовуються в центрі, клітин не деформують. B. subtilis – типовий мешканець ґрунтів, м’ясних, молочних продуктів, а також відноситься до нормальної мікрофлори травного тракту людини. B. thuringiensis – містить пароспоральні тільця, які проявляють патогенні властивості по відношенню до личинок комарів. B. anthracis – збудник сибірської виразки. Люди заражуються від хворих тварин, а також через вироби з інфікованої сировини (шуби, шапки, хутряні рукавиці та інші), можливе зараження через комах. Сибірська виразка проявляється у трьох клінічних формах: шкіряній, легеневій та кишковій. При шкіряній формі утворюються карбункули. При легеневій – хвороба має вигляд тяжкої бронхопневмонії. При кишковій – уражуються слизові оболонки кишок із крововиливами та некрозами. Рід Clostridium – (0,3-2,0 х 1,5-20,0 мкм). Утворюють овальні або сферичні спори, які зазвичай деформують клітину. Грампозитивні. Анаеробна інфекція (збудник газової гангрени) є захворюванням полімікробного характеру. Воно зумовлюється дією декількох видів із роду Clostridium в асоціації з різними аеробними мікроорганізмами (патогенними 43


стафілококами та стрептококами). До збудників анаеробної інфекції належать C. novyi, C. septicum, C. perfingens та інші. C. botulinum (від лат. botulus – ковбаса) – збудник ботулізму. Причиною захворювання є вживання ковбасних виробів, консервів, консервованих грибів та інших продуктів, які інфіковані збудником ботулізму. Патологічний процес, зумовлений екзотоксином, який всмоктується крізь кишечник, надходить у кров, уражує мозок, серцево-судинну систему та м’язи. При ботулізмі з’являється сухість у роті, головний біль, блювота, параліч очних м’язів, порушення акомодації, глухота. Летальність – 40-60%. С. tetani – збудник правцю. Джерелом зараження є тварини та людина, які виділяють клостридії з випорожненнями у ґрунт. Захворювання правцем пов’язане

із

травматизмом.

Захворювання

починається

із

судомних

скорочень м’язів ділянок тіла куди потрапив збудник, потім відбувається тонічне скорочення жуйних м’язів, м’язів обличчя, потиличних м’язів, потім м’язів спини та кінцівок. Тіло хворого приймає вигляд дуги, хворий лежить, впираючись потилицею та тазом. Летальність – 35-70%. Рід Desulfotomaculum (0,3-1,5 х 3-9 мкм). Грамнегативні, хоча мають клітинну стінку грампозитивного типу. Утворюють овальні або сферичні спори,

термінальні

або

субтермінальні,

злегка

розтягують

клітину.

Розповсюджені в ґрунті. D. nigrificans, D. ruminis. Рід Sporosarcina – клітини овальні або сферичні, оточені джгутиками. Утворюють диплококи або тетради. Широко розповсюджені в ґрунті. S.urea, S. halophila. Рід Sulfobacillus (0,6-0,8 x 1,0-6,0 мкм). Палички поодинокі, у парах або коротких ланцюжках. Грампозитивні. Ендоспори сферичні або злегка витягнуті, субтермінальні чи термінальні, розтягують клітину. Оптимальна температура для росту – 500 С, рН – 1,9-2,4. Виділені з покладів піриту. Єдиний вид S. thermosulfidooxidans.

44


Неспороутворюючі палички. Хоча вважають, що спороутворюючі бактерії є більш пристосованими до переживання несприятливих умов оточуючого

середовища,

розповсюдженою групою.

аспорогенні

форми

бактерій

є

більш

Найбільш відомими представниками серед

неспороутворючих паличок є : - Esherichia coli, завжди виділяється із вмісту кишок та фекалій людини, тому її називають “кишкова паличка”. Мікроорганізм було виділено Т.Ешеріхом у 1885 році з випорожнень ссавців. За кількістю E.coli в 1 літрі води (колііндекс) визначають біологічну забрудненість водойм. - Serratia marcescens – раніше мала назву Bacterium prodigiosum (чудесна паличка). Поява цього абсолютно безпечного для людини мікроорганізму на продуктах харчування, іконах, вівтарях супроводжувалась панікою. Справа в тому, що цей мікроб має криваво-червоний пігмент, і поява ікон, що плачуть кривавими сльозами, або хліба з такими плямами, сприймалося людьми як страшне знамення. Так існує давній переказ, що під час осаду Тіру у війську А.Македонського виникла паніка через те, що на хлібі з’явились “криваві” плями. Але мудрець заспокоїв солдат, пояснивши “криваві” плями тим, що їх чекає кривава розправа над ворогом. Серед неспороутворюючих паличок також досить відомими є бактерії, які викликають такі розповсюджені захворювання, як дизентерія, черевний тиф, сальмонельоз. Збудником черевного тифу та паратифу є Salmonella typhi та S. paratyphy. Збудник дизентерії Shigella sonnei, S. dysenteriae, S. flexneri. Мікроорганізми роду Proteus (P. vulgaris, P.rettgeri) виділяються при харчових токсикоінфекціях, нагноюванні ран. Звивисті бактерії До звивистих форм належать вібріони, спірили та спірохети. Вібріони (від лат. vibrio – той, що вигинається) – злегка вигнуті клітини у вигляді коми; рухливість – за рахунок джгутика; діаметр дорівнює становить 0,5 – 0,8 мкм; довжина 45


– 1 – 3 мкм. В основному – сапрофіти, але зустрічаються і патогенні форми (холерний вібріон). Найбільш відомі збудники захворювань людини – Vibrio cholerae, збудник холери,V. parahaemolyticus – збудник харчових отруєнь, які викликані вживанням зараженої риби або молюсків, та V. vulnificans, який викликає септицемію з високим відсотком летальності.

Спіріли (від лат. spira – вигин) відрізняються спіральною будовою клітини з одним або кількома обертами спіралі і жорсткою (ригідною) клітинною стінкою; здатні до руху за допомогою біполярно розташованих джгутиків. Розрізняються за довжиною (5 – 30 мкм) та товщиною клітини, кількістю і характером вигинів. В основному це сапрофіти, які мешкають у стоячих, забруднених водоймищах, а також гниючих рештках рослинного та тваринного походження. Spirillum pleomorphum – виділені з арктичного ґрунту. Оптимальна температура для росту 90 С, максимальна 200 С, мінімальна – нижче 00 С. S. volutans – зустрічається у стоячій прісній воді. S. minus – єдиний патогенний для людини вид. Хвороба “содока” пов’язана з укусом щурів. Відмічають підвищення температури тіла до 39-410 С – лихоманку. Згодом з’являється висип, артрити, запалення слизових рота та очей.

Спірохети (від лат. spira, chaetae – вигнута волосинка) мають тонкі, гнучкі, спіралеподібні клітини завдовжки 5 – 500 діаметром 0,1 – 0,6 мкм. Більшість – рухливі, можуть вигинатися, пересуватися у рідкому середовищі обертовими та легкими хвилеподібними рухами. Більшість – патогенні (збудники сифілісу, тифу, лихоманок). Серед спірохет є вільноживучі форми, які зустрічаються у прісних та солоних озерах, донних відкладеннях 46


(Spirochaeta plicatilis, S. isovalerica). Деякі спірохети є патогенними для людини. Treponema pallidum – збудник сифілісу. Leptospira interrogans – збудник інфекційної жовтухи. Зараження людини лептоспірозом відбувається через інфіковану хворими тваринами воду. Захворювання починається миттєво після інкубаційного періоду 5-6 діб і

характеризується

підвищенням

температури,

загальною

слабкістю,

сильними головними та м’язовими болями. Наприкінці тижня лептоспіри концентруються у печінці, селезінці, лімфатичних вузлах. Захворювання зазвичай закінчується одужанням. Borrelia duttoni, B. persica – збудник зворотного тифу. Нитчасті

бактерії

являють

собою

нитки

з

циліндричних

та

дископодібних клітин, оточених загальним чохлом. Довжина ниток може досягати 500 мкм. Вони можуть бути прямими, скрученими у спіралі, плоскими, схожими на стрічки. Можуть мати розгалужену форму. Це – багатоклітинні колоніальні організми, які не мають функціонального розподілу між клітинами. Нитчасті бактерії – водні мікроорганізми. Розмножуються фрагментацією або гонідіями. В окрему морфологічну групу можуть бути виділені мікобактерії. Прямі, або зігнуті палички, іноді можуть галузитись, можливе утворення ниток, або міцелієподібних утворень. Але ці структури легко розпадаються на палички або коки. Представники: Mycobacterium tuberculosis. M. leprae. Крім перерахованих форм бактерій зустрічаються й унікальні у вигляді кілець, шестикутних зірок, нирок, серпоподібні та інші (рис. 14). Деяким

родам

бактерій

властиве

також

поняття

плеоморфізм

(морфологічна мінливість). У процесі росту форма клітин може суттєво змінюватись від коків до паличок (і навпаки), неправильних форм, розгалужених ниток. Плеоморофізм властивий таким видам бактерій як: Corynebacterium diphtheriae, Arthrobacter globiformis. 47


До плеоморфних бактерій також належать мікоплазми (або моллікути). Цю групу складають дуже мілкі прокаріотичні клітини, які зовсім не мають клітинної стінки. Клітини мають лише цитоплазматичну мембрану і не здатні до синтезу попередників пептидоглікану. Представники: Acholeplasma 2

laidlawii, Mycoplasma mycoides. 1

3 4 Рис. 14. Незвичні форми бактерій: 1 – тороїди; 2 – бактерії, які утворюють вирости (простеки); 3 – бактерія червоподібної форми; 4 – бактеріальна клітина у формі правильної шестипроменевої зірки

Грампозитивні і грамнегативні бактерії Різниця у хімічному складі клітинної стінки бактерій проявляється у забарвленні за Грамом. Клітинна

стінка

грампозитивних

бактерій

щільно

прилягає

до

цитоплазматичної мембрани (ЦПМ), містить 30-50 % (до 90 %) муреїну від вмісту сухих речовин. У грампозитивних бактерій муреїновий мішок – багатошаровий. Нитки шарів перпендикулярні одні до одних і зв’язані між собою

пентагліциновими

містками.

В

результаті

такого

поєднання

утворюються комірки, заповнені тейхоєвими кислотами. Компоненти клітинної стінки грамнегативних видів (пептидоглікановий шар і зовнішня мембрана) розділені електронно-прозорим проміжком й чітко відокремлені аналогічним чином від

ЦПМ.

Простір

цитоплазматичною зовнішньою

між та

мембранами

називається периплазматичним. 48


Він характерний лише для грамнегативних форм (рис. 5). Вміст мурену у клітинній стінці грамнегативних бактерій складає 1-10 % сухих речовин. Клітинна стінка грам-позитивних бактерій. Клітинна

стінка

грампозитивних

бактерій

характеризується

присутністю дуже товстого шару пептидоглікану, який відповідає за утримянні фарбника генціанового фіолетового під час процедури фарбування за Грамом. Така стінка знайдена винятково в організмах, що належать до типів Actinobacteria (або грам-позитивні бактерії з високим вмістом %G+C) і Firmicutes (або грам-позитивні бактерії з низьким вмістом %G+C). Бактерії в межах групи Deinococcus-Thermus також можуть позитивно фарбуватися за Грамом, але містять деякі структури клітинної стінки, типові для грамнегативних організмів. В клітинну стінку грам-позитивних бактерій вбудовані поліспирти, що називаються техоєвою кислотою, деякі з яких зв'язані з ліпідами, формуючи ліпотехоєв�� кислоти. Оскільки ліпотехоєві кислоти ковалентно зв'язуються з ліпідами в межах цитоплазматичної мембрани, вони відповідають за з'єднання пептидоглікану з мембраною. Техоєва кислота надає грам-позитивним бактеріям позитивний електричний зарад завдяки фосфодіестерним зв'язкам між мономерами техоєвої кислоти. Клітинна стінка грамнегативних бактерій На відміну від грам-позитивних бактерій, грам-негативні бактерії містять дуже тонкий шар пептидоглікану, що відповідає за нездатність клітинних стінок утримувати фарбник крістал-віолет протягом процедури фарбування за Грамом. На додаток до шару пептидогліканів, грам-негативні бактерій мають другу, так звану зовнішню мембрану, що знаходиться назовні від клітинної стінки та компонує фосфоліпіди та ліпополісахаріди на своїй зовнішній стороні. Негативно заряджені ліпополісахаріди також надають клітині негативний електричний заряд. Хімічна структура ліпополісахарідів

49


зовнішньої мембрани часто унікальна для окремих штамів бактерій і часто відповідає за реакцію антигенів з представниками цих штамів.

Будова бактеріальної клітини.

1 – цитоплазматична мембрана; 2 – периплазматична зона; 3 – пептидоглікан; 4 – ліпопротеїни; 5 – поріни; 6 – ліпіди Всі структурні елементи клітини поділяються на постійні та тимчасові (необов’язкові). Клітинна стінка – обов’язковий структурний елемент клітини (виняток – мікоплазми), що являє собою еластичний, міцний, пружний полісахаридний шар із зовнішнього боку плазматичної мембрани. Надає клітині певної форми та регулює водний обмін; витримує внутрішньоклітинний тиск 20 – 30 атм. Клітинна

стінка

наявна

тільки

у

мікроорганізмів та рослин. Хімічний клітинної

стінки.

склад Основний

компонент – пептидоглікан муреїн. 50


Муреїн є сполукою, що побудована із залишків ацетиглюкозаміну та ацетилмурамової кислоти, поєднаних b-1,4 зв’язками (рис. 4). У молекулі муреїну таких залишків міститься від 50 до 500. Муреїн за своєю будовою схожий на хітин, в його молекулі також міститься азот. У клітинній стінці муреїн розташований у вигляді мішка, на який інкрустуються (накладаються) інші хімічні сполуки. Рис. еубактерій,

Схематичне який

перспективне

складається

з

зображення

структури

N-ацетиглюкозаміну

(G)

муреїну та

N-

ацетилмурамової кислоти (М). Ф у н к ц і ї к л і т и н н о ї с т і н к и . Клітинна стінка визначає форму бактерії, відтворює зв’язок з оточуючим середовищем. Вона захищає клітину від зовнішніх пошкоджень і дає можливість клітині існувати в гіпотонічних розчинах. Сферопласти і протопласти. За допомогою ферменту під назвою лізоцим клітинну стінку можна розчинити (частково або повністю). Частково розчинена клітинна стінка притаманна сферопластам (із грамнегативних бактерій), повністю – протопластам (із грампозитивних бактерій). Всі вони мають округлу форму. У сферопластах та протопластах тривають обмін речовин, дихання, ріст; вони тільки не розмножуються. У деяких випадках клітинну стінку можна відновити (реверсувати), підібравши відповідні компоненти поживного середовища. З сферопластів та протопластів відновлюються нормальні клітини або L-форми бактерій, які спричиняють хронічні захворювання людини. Цитоплазматична мембрана. ЦПМ – обов’язковий елемент клітини. Будь-яке її порушення призводить до загибелі клітини. ЦПМ – не просто механічна перегородка. Вона служить також надвибірковим фільтром, який підтримує різницю концентрацій іонів по обидва її боки і дає можливість поживним речовинам проникати в середину клітини, а продуктам виділення виходити назовні.

51


Усі

біологічні

мембрани,

зокрема

ЦПМ,

а

також

мембрани

еукаріотичних клітин, мають спільні структурні особливості: це – ансамблі ліпідних

та

білкових

молекул

,

утримувані

разом

за

допомогою

нековалентних зв’язків. При цьому білки становлять 50 – 70 % сухих речовин, ліпіди – до 30 %, наявні РНК та невелика кількість полісахаридів. Молекули ліпідів розташовані в два ряди

і

утворюють

суцільні

шари.

Молекули білків суцільного шару не утворюють – вони або заглиблені у біліпідний шар, або розташовані назовні чи усередині біліпідного шару (рис.). Рис. Модель будови елементарної біологічної мембрани: 1 – молекули ліпідів: а – гідрофільна "голова"; б – гідрофобний "хвіст"; 2 – молекули білків: в – інтегральна; г – периферічна; д – поверхнева Ф у н к ц і ї Ц П М . ЦПМ є основним осмотичним бар’єром клітини. Вона призначена для регулювання потрапляння поживних речовин до клітини та екскреції непотрібних речовин. ЦПМ має АТФ-азну активність. ЦПМ синтезує клітинну стінку та капсулу, на ній відбуваються всі ферментативні реакції, ЦПМ бере участь у реплікації і наступному поділі нуклеоїда прокаріотичної клітини. Внутрішньоцитоплазматичні мембрани. Особливість ЦПМ полягає в тому, що вона росте швидше, ніж клітинна стінка, утворюючи внутрішні вип’ячування (інвагінації): мезосоми, хроматофори, тилакоїди тощо. Відсутність у прокаріот типових органелл, тобто

структур, цілком

відмежованих від цитоплазми елементарними мембранами, – принципова особливість

їхньої

клітинної

організації.

Серед

внутрішньоцитоплазматичних мембран виділяють кілька видів М е з о с о м и – вип’ячування (інвагінації) цитоплазматичної мембрани. Добре розвинуті і складно організовані мезосоми характерні для грампозитивних еубактерій. У 52


грамнегативних видів вони зустрічаються значно рідше і відносно просто організовані. Мезосоми розрізняються розмірами, формою і локалізацією в клітині. Виділяють три основних типи мезосом: ламеллярні (пластинчасті), везикулярні (мають форму пухирців) і тубулярні (трубчасті). Часто можна спостерігати мезосоми змішаного типу: складаються з ламелл, трубочок і пухирців. За розташуванням в клітині розрізняють мезосоми, що утворюються в зоні клітинного поділу (утворюються під час поділу клітини в тому місці, де формується клітинна перетинка, до них кріпиться ген-реплікатор ДНК), мезосоми, до яких прикріплений нуклеоїд, і мезосоми, сформовані в результаті інвагінації периферичних ділянок ЦПМ (збільшують мембранну поверхню та покращують процес живлення). Хроматофори

та

тілакоїди

є

різновидом

мезосом.

Характерні для фотосинтезуючих організмів. У них – ферменти та пігменти (бактеріохлорофіл, каротиноїди), які беруть участь у процесі фотосинтезу. Рибосоми складаються з двох субодиниць, з’єднаних Mg2+ До їх складу входить р-РНК та білок. Менша субодиниця складається з однієї молекули РНК (16S) та 21 молекули специфічних білків; більша – з двох молекул РНК (23S та 5,5S) та 34 молекул специфічних білків. Коефіцієнт седиментації більшої субодиниці 50S, меншої 30S, але сумарний коефіцієнт седиментації становить 70S. Кількість рибосом у клітині залежить від віку і дорівнює 50 – 55 тис. Рибосоми активні в агрегатах, тобто об’єднані в полісоми. За участю рибосом відбувається біосинтез білка. Цитоплазма – обов¢язкова частина клітини, її внутрішнє напіврідке середовище (88 – 90 % води та 10 – 12 % сухих речовин). Фракція цитоплазми, що має гомогенну консистенцію і містить набір розчинних РНК, ферментних білків, продуктів і субстратів метаболітичних реакцій, одержала назву цитозоля. Інша частина цитоплазми представлена різноманітними структурними

елементами:

внутрішньоцитоплазматичними

мембранами 53


(якщо вони є), генетичним апаратом, рибосомами і включеннями різної хімічної природи і функціонального призначення. Цитоплазма об’єднує в одне ціле всі органели, забезпечує їх взаємодію, а також діяльність клітини як єдиної цілісної живої системи. Запасні поживні речовини. До запасних поживних речовин належать полісахариди, гранули полі-b-оксимасляної кислоти, жирові краплини, поліфосфати, гранули сірки тощо (табл. 4). Вони накопичуються в клітині, якщо

поживне

середовище

багате

на

вуглеводи,

азотні,

фосфорні

компоненти, але існує певний ліміт (наприклад недостатня кількість незамінних амінокислот, вітамінів, кисню тощо) або присутні інші інгібітори росту. При цьому розмноження бактерій не відбувається. Утворюються запасні поживні речовини, які переходять у осмотично інертну (нерозчинну у воді) форму. Якщо зовнішні умови стають сприятливими, такі поживні речовини знову можуть бути використані на внутрішні потреби клітини (енергія, будівельні блоки). Полісахариди, які запасаються в клітині: 1) крохмалеподібна речовина, яка нагадує амілозу (виявляється реакцією на розчин Люголя – синє забарвлення); 2) крохмалеподібна речовина, яка нагадує амілопектин (виявляється реакцією на розчин Люголя – червоно-буре забарвлення); 3) гранульоза (іоген) – виявляється реакцією на розчин Люголя – сіре забарвлення. Жироподібні речовини: 1) полі-b-оксимасляна кислота – частіше у аеробів; 2) нейтральні жири, високомолекулярні жирні кислоти, віск – у облігатних та факультативних анаеробів. Виявляються барвниками судан (ІІІ) та осмієва кислота; часто можна побачити під мікроскопом без додаткового забарвлення. В основному, виконують функції джерела енергії.

54


П о л і ф о с ф а т и : волютин (метахроматин) можуть мати линійну або циклічну структуру і виконувати функції джерела фо��фору, а також запасання енергії у вигляді макроергічних зв’язків (за типом АТФ). Г р а н у л и с і р к и . Присутні у бактерій, які живуть у джерелах з сірководнем і необхідні для перетворення сірководню на сірчану кислоту. Використовуються клітиною як джерело електронів або енергії. Пігменти. Окрім фотосинтетичних, у бактеріальній клітині можуть накопичуватись інші пігменти, які виявляють у колоніях: жовтих (ксантин), фіолетових (віолавин), синьо-зелених (піаціомін), червоних (продигіозин), пурпурних (іодинін). Включення. У цитоплазмі прокаріотів виявляються різні включення. Одні з них варто розглядати як активно функціонуючі структури, інші – як продукти

клітинного

метаболізму,

що

не

виділяються

назовні,

а

відкладаються усередині клітини. Деякі цитоплазматичні включення мають пристосувальне значення. А е р о с о м и – сотоподібні агрегати, усередині яких є повітря або газ. Вони дають можливість клітинам бути у завислому стані. Зустрічаються у бактерій, які мешкають у воді або інших рідинах. К а р б о к с і с о м и – багатогранники, які мають одношарову білкову оболонку і ферменти цикла Кальвіна всередині. Магнітосоми

кристали

заліза,

які

зумовлюють

магнітні

властивості клітини. Пілі (фімбрії) – численні тонкі паличкоподібні вирости на клітинній стінці

грамнегативних (в основному) бактерій ; не є органами руху. Їх

функції: живильна – збільшення поверхні контакту бактерії з поживними речовинами; утворення плівок; прикріплення до щільного субстрату; захист від інших бактерій, бактеріофагів; 55


статеве розмноження (F-пілі – у деяких бактерій ). Капсули та слиз. Ззовні клітинної стінки бактерії часто відкладають слизуватий шар (вміст сухих речовин 2 %), який не є обов’язковим структурним елементом клітини. Хімічний

склад

капсул.

Капсули

складаються

з

гомополісахаридів, гетерополісахаридів, поліпепдидів, рідше – з їхньої суміші. Гомополісахаридні капсули (частіше – поліглюкозидні), наприклад – декстран. Молекулярна маса 1,2 – 600 млн. Да. В основі – глюкоза, поєднана a–1,6 зв’язками (96 %) та глюкоза поєднана a–1,3 та a–1,4 зв’язками (0-4%). Гетерополісахаридні капсули характерні для патогенних бактерій: для пневмококів (глюкоза+глюкуронова кислота). Поліпептидні капсули характерні для деяких стрептококів та бацил. Залежно від розміру розрізняють: мікрокапсули (товщина h>0,2 мкм); мікрокапсули (h<0,2 мкм); слизовий шар – капсульна речовина не має чітких меж; розчинний слиз – виділяється у навколишній простір, не огортаючи клітину. Функції

к а п с у л и . До функцій капсул належать: захист від

висихання та механічних ушкоджень; підвищення термостійкості (у деяких); запасання деяких поживних речовин; орган руху (у деяких); підвищення фагостійкості і вірулентності; організація деяких структурних елементів. Капсули зумовлюють деякі культуральні ознаки бактерій. Якщо капсули наявні, то бактерії утворюють S-колонії (слизуваті); якщо бактерії не капсульні, – то колонії R-типу. Капсули виявляють за допомогою негативного контрастування. Особливості організації ядерного апарату бактерій. Нуклеоїд – бактеріальна ДНК, геном клітини. Майже уся генетична інформація прокаріотів міститься в одній молекулі ДНК, що має форму ковалентно замкнутого кільця і одержала назву бактеріальної хромосоми. Довжина молекули у розгорнутому вигляді може складати більше 1 мм, 56


тобто майже у 1000 разів перевищувати довжину бактеріальної клітини. Хромосоми більшості прокаріотів мають молекулярну масу в межах (1 – 3) ×109 Да. Дослідження дали змогу сформулювати три постулати: - у бактеріальної клітини є ДНК; - ДНК не розподілена у цитоплазмі, а сконцентрована у ядерній зоні – зоні, не оточеній оболонкою; - поділу клітини передує реплікація (самоподвоєння) ДНК. Функції

нуклеоїду.

Нуклеоїд є основним носієм генетичної

інформації. За його допомогою відбувається передача спадкової інформації від покоління до покоління бактерій. Він керує всіма фізолого-біохімічними процесами у клітині. Нуклеоїд прокаріотичних клітин розташований усередині клітини й містить кільцеву молекулу ДНК. Він не відокремлений мембраною від умісту клітини, а ДНК нуклеоїда утворює комплекс із позитивно зарядженими молекулами та іонами. Разом ДНК і приєднані до неї молекули утворюють так звану «прокаріотичну хромосому», яка суттєво відрізняється від хромосом ядер еукаріотів. Бактеріальна хромосома завжди зв’язана із зовнішньою мембраною. Головна функція нуклеоїда — відтворення ДНК під час розмноження клітини й забезпечення процесів транскрипції в ході синтезу білка. Плазміди. Окрім нуклеоїду, в бактеріальній клітині наявні також позахромосомні генетичні елементи – плазміди. Це – низькомолекулярні ДНК, які містять від 1,5 до 4 тис. пар нуклеотидів. Плазміди – закільцьовані, в цитоплазмі знаходяться поза нуклеоїдом. Вони виявлені у 135 видів бактерій, які належать до 40 родів. Плазміди розмножуються незалежно від нуклеоїду і визначають деякі властивості бактерій. Типи плазмід: F-форма (від англ. fertility – фертильність, родючість). Тільки такі бактерії мають здатність розмножуватися статевим способом;

57


R-форма (від англ. resistance – резистентність, стійкість) – мають стійкість до дії антибіотиків. Col-форма. Бактерії, які мають таку плазміду, здатні до синтезу особливих речовин білкової природи (бактеріоцинів), що можуть спричинити загибель близькорідних видів. Органи руху. Бактерії поділяються на нерухливі та рухливі. Рухатися бактерії можуть ковзанням або плаванням. Ковзні бактерії повинні мати тверду або напівтверду поверхню для опори. Їхній рух може бути: реактивним; хвилеподібним (ритмічним скороченням спеціальних білків). Плаваючі бактерії можуть рухатися за допомогою джгутиків або зворотньо-поступально (спірохети). Джгутики являють собою спірально закручені нитки, які складаються з білка фрагеліну. Бактерії рухаються за допомогою обертового руху джгутиків. Якщо джгутики знаходяться у полюсів або у полярній області клітини, говорять про їхнє полярне чи субполярне розташування, якщо – уздовж бічної поверхні, говорять про латеральне розташування. У залежності від числа джгутиків і їхньої локалізації на поверхні клітини розрізняють монополярні монотріхи (один джгутик прикріплений до одного полюса клітини,

монополярні

політріхи

або

лофотріхи

(пучок

джгутиків

розташований на одному полюсі клітини), біполярні політріхи або амфітріхи (на кожнім полюсі – пучок джгутиків) і перитріхи (численні джгутики розташовані по всій поверхні клітини уздовж її бічної поверхні). В останньому випадку число джгутиків може досягати 1000 на клітину. Рухомі бактерії Vibrio, Proteus, Sphaerotilus, Leptothrix, Spirochaeta) і нерухомі (наприклад, види родів Staphylococcus, Shigella, Klebsiella). До руху здатні бактерії, що мають джгутики (плаваючий рух) і бактерії, позбавлені джгутиків, але здатні пересуватися іншим способом, наприклад, при контакті 58


зі щільним субстратом (ковзний тип руху). Здатність бактерій до активного руху була описана у 1676 р. А. Левенгуком, а у 1876 р. Р. Кох сфотографував джгутики та запропонував метод їх фарбування. Джгутиковий апарат бактерій складається з білкових структур – нитки, крюка та базального тільця. Нитка джгутика виступає над поверхнею бактеріальної клітини, далі біля поверхні клітини вона приєднується до крюка, який з’єднується з базальним тільцем, що повністю занурене в клітинні покриви та частково – у цитоплазму. До складу базального тільця входить вісь із нанизаними на неї кільцями – у грамнегативних бактерій це кільце L (вбудоване у зовнішню мембрану), кільце P (знаходиться в муреїновому шарі), MS-кільце (інтегроване в ЦПМ) і кільце С (частково інтегроване в ЦПМ, частково – занурене в цитоплазму). Також базальна структура має секреторну систему, по якій експортуються білкові субодиниці для збірки джгутикового апарату. Функцією перших двох кілець є підтримка осі базальної структури. Кільце MS є елементом, до якого прикріплюються субодиниці осі, ротора, перемикача напрямку оберту та компоненти експортного апарату. С-кільце виконує функцію перемикача напрямку оберту клітини. У грампозитивних бактерій відсутні L і Р кільця. Рух джгутиків виконується завдяки “мотору”, що входить до складу базального тільця, а саме завдяки його основному компоненту – ротору, який локалізований в MS-кільці. Оберт ротора “мотора” забезпечується трансмембранною протонрушійною силою (або, як виключення, енергією градієнта катіонів натрію), енергія АТФ при цьому не витрачається. Але енергія АТФ витрачається на побудову компонентів джгутикового апарату та на роботу регуляторних систем клітини, які забезпечують оберти джгутика – за годинниковою стрілкою або проти

59


Особливості еукаріот.

будови

Відмінності

еукаріотів.

будови

Відмінності

тваринних

і

прокаріот

рослинних

від

клітин.

Гаплоїдні і диплоїдні клітини. Всі організми, які мають справжнє ядро, мають назву еукаріоти. З мікроорганізмів до еукаріотів належать гриби, водорості й найпростіші. На відміну від прокаріотів, еукаріотичні організми мають складну структуру клітин. їх поверхневий апарат крім плазматичної мембрани (плазмалеми) містить надмембранний і підмембранний комплекси. Деякі групи еукаріотів мають клітинні стінки. В еукаріотичних організмів також є поверхневі структури, які забезпечують рух клітин (джгутики й війки). Але вони мають складну внутрішню будову й не є результатом розвитку прокаріотичних джгутиків. Крім того, еукаріотичні клітини можуть рухатися завдяки випинанням мембрани клітини (амебоїдний рух). Внутрішня складова клітини еукаріотів містить три важливі групи органел, відсутні у прокаріотичних організмів: неклітинні органели (цитоскелет), одномембранні органели (лізосома, комплекс Гольджи) та двомембранні органели (мітохондрії, пластиди). Складна внутрішня структура клітини, наявність цитоскелета, ядра й мембранних органел дозволяють еукаріотичним клітинам досягати набагато більших розмірів. Середній розмір клітин еукаріотів — близько 100 мкм. Крім того, вони набули здатності утворювати стійкі комплекси клітин з розподілом функціональних обов’язків між окремими клітинами. Це призвело до виникнення справжньої багатоклітинності й появи великих за розмірами організмів — тварин, рослин і грибів. Ядерний апарат. Ядра еукаріотичних клітин виконують фактично ті самі функції, що й нуклеоїд. Але робота їх набагато складніша, і її ефективність забезпечується особливостями будови ядер. Частіше за все в клітинах еукаріотів розташоване одне ядро, проте трапляються і двоядерні (наприклад, у багатьох грибів та інфузорій) і багатоядерні (у ряду грибів і деяких найпростіших) клітини. Форма ядра 60


частіше за все сферична або еліпсоподібна, але трапляються і ядра неправильної форми. Ядерна оболонка складається з двох мембран. У багатьох місцях вона пронизана порами, на краях яких внутрішня мембрана переходить у зовнішню. Залежно від функціонального стану клітини кількість пор на поверхні ядра може змінюватися. Кожна пора закрита спеціальною структурою — поросомою, яка регулює обмін речовин між ядром і цитоплазмою. До внутрішньої мембрани ядра прикріплена білкова ядерна пластинка, яка забезпечує форму ядра і є місцем прикріплення хромосом. Важливою функцією оболонки є недопущення до ДНК всередині ядра речовин, які можуть її пошкодити. До того ж, у ядрі існує система репарації,

яка

дозволяє

за

вцілілим

ланцюгом

ДНК

відтворювати

пошкоджений ланцюг. Під час поділу клітини її оболонка розбирається на окремі молекули і знову збирається після завершення поділу. Усередині ядра розташовані каріоплазма, хроматин, ядерця, різні фібрили і гранули. Ядро керує синтезом білків і фізіологічними й морфологічними процесами, які відбуваються у клітині. Воно забезпечує зберігання і відтворення-спадкової інформації. Каріоплазма є напівпрозорим внутрішнім середовищем клітини, в якому відбуваються всі біохімічні реакції. У ній розташовані комплекси ДНК з білками, впорядковане розташування яких досягається за рахунок ядерного матриксу (ниткоподібних структур білкових фібрил товщиною 2-3 нм, які розподілені по всьому ядру й утворюють його внутрішній каркас). Крім опорної ядерний матрикс виконує ще й регуляторну функцію завдяки ферментам, що розташовані на ньому. Каріоплазма об’єднує в одне ціле всі структури ядра. Під час поділу клітини в ній легко помітити паличкоподібні структури — хромосоми. Хромосоми є складним і високовпорядкованим комплексом ДНК

і

спеціальних

деспіралізуються

і

білків. мають

У

період

вигляд

між

довгих

поділами ниток

з

хромосоми окремими

неспіралізованими ділянками у формі гранул. Такі гранули називаються 61


хроматином. Кінці хромосом завжди конденсовані та приєднуються до ядерної пластинки. Хромосоми розташовані в ядрі дуже впорядковано, бо довжина ниток ДНК дуже велика й без упорядкованого розміщення вона не зможе функціонувати. Унаслідок транскрипції в ядрі з

РНК

і білків утворюються

рибонуклеопротеїдні комплекси (РНП-комплекси). Найбільшими такими комплексами є ядерця. Зазвичай у ядрі розташоване одне ядерце. Але інколи їх може бути й кілька. Ззовні ядерце має вигляд щільного пружного тільця округлої форми. Більшу його частину складають попередники рибосом. Ядерця формуються на певних ділянках окремих хромосом (ядерцевих організаторах). Функція ядерця — формування основних компонентів для створення рибосом. Інші РНП-комплекси містять у своєму складі різні види РНК (і-РНК, т-РНК тощо).

Відмінності еукаріот від прокаріот. Ознака Організми

Прокаріоти

Еукаріоти

Бактерії

Протоктисти,

гриби,

рослини, тварини Розміри клітин

Середній

діаметр

складає 0,5 – 10 мкм

Діаметр складає 10 – 100 мкм; об’єм клітини у 1000 – 10 000

разів більший,

ніж

у

прокаріотів Форма

В

основному

В основному багатоклітинні

одноклітинні Виникнення у

3,5 млрд. років назад

1,2 млрд. років назад

В основному простий

Мітоз, мейоз або сполучення

процесі еволюції Клітинний поділ

поділ навпіл; веретено не цих способів поділу; веретено 62


утворюється Генетичний матеріал

утворюється

Нуклеоїд – закільцована ДНК,

не

ДНК лінійна, локалізована у

оточена ядрі, зв’язана з РНК та білком;

мембраною, не зв’язана з наявні хромосоми білками

або

РНК;

хромосом немає Синтез білків

70S - рибосоми (дрібні).

80S - рибосоми (великі).

Ендоплазматичного

Рибосоми

ретікулуму

можуть

бути

нема прикріплені

до

(розбіжності й у багатьох ендоплазматичного інших деталях білкового ретікулуму синтезу,

включаючи

чутливість

до

антибіотиків) Органели

Органел мало. Жодна не

Органел багато. Органели

має оболонки (подвійної оточені мембрани).

(ядро,

мітохондрії, хлоропласти)

Внутрішні зустрічаються разі,

мембранами

якщо

мембрани рідко; вони

є,

Велика

кількість

у оточених

органел,

одинарною

– мембраною (апарат Гольджі,

ассоційовані з процесами лізосоми, вакуолі, мікротільця, дихання та фотосинтезу Клітинна стінка

Жорстка,

ендоплазматичний ретікулум)

містить

полісахариди амінокислоти;

Клітинні

і рослин

і

основний містять

стінки

зелених

грибів

жорсткі,

полісахариди;

опорний матеріал – муреїн основний опорний матеріал у рослин – целюлоза, у грибів – хітин

клітинах

тварин

клітинна стінка відсутня) Джгутики

Прості,

мікротрубочок

Складні, з розташуванням 63


немає;

розташовані мікротрубочок “9+2”; оточені

позаклітинно (не оточені плазматичною плазматичною

мембраною;

діаметр 200 нм

мембраною); діаметр 20 нм Дихання

У бактерій відбувається у

мезосомах,

ціанобактерій

Аеробне

дихання

у відбувається у мітохондріях на

цитоплазматичних мембранах Фотосинтез

Хлоропластів

нема;

У хлоропластах, які містять

відбувається на мембранах мембрани,

упаковані

у

ламелли або грани Фіксація азоту

Деякі здатність

мають

таку

Жоден організм не здатний до фіксації азоту

Відмінності будови тваринних і рослинних клітин. Гаплоїдні і диплоїдні клітини. Відмінність рослинної клітини від клітини тварин. Рослинні клітини відрізняються від тваринних за такими основними ознаками: 1. Рослинні клітини вкриті твердою, мійною целюлозною оболонкою, а тваринні — плазмалемою 2. Рослинні клітини містять такі органели як пластиди (хлоропласти, хромопласти, лейкопласти), а в тваринних клітинах вони відсутні. 3. В рослинних клітинах добре розвинена система вакуолей (вакуом), а в тваринних клітинах вони відсутні або недорозвинуті. 4. Через пори оболонки рослинних клітин проходять плазмодесми — тонкі цитоплазматичні тяжі, які з’єднують протопласти суміжних клітин, а в тваринних вони відсутні. 64


5. За способом живлення рослинна клітина — автотрофна система, а тваринна — гетеротрофна. Гаплоїдні і диплоїдні клітини. Диплоїдний В ядрах соматичних клітин (тобто клітин тіла) міститься повний подвійний набір хромосом. В ньому кожна хромосома має свого гомологічного «партнера». Такий набір хромосом називають диплоїдним і позначають «2n» Гаплоїдний В ядрах гамет (статевих клітин) на відміну від соматичних, є лише по одній хромосомі з кожної гомологічної пари. Всі вони різні. негомологічні. Такий одинарний набір хромосом називають гаплоїдним і позначають як «n». При заплідненні відбувається злиття гамет, кожна з яких вносить в зиготу гаплоїдний набір хромосом, і відновлюється диплоїдний набір: n + n = 2n. В деяких організмів може внаслідок мутацій змінюватись диплоїдний набір хромосом — поліплоїдія або анеуплоїдія. Ультраструктура рослинної клітини Тонка структура клітини, яка виявляється за допомогою електронної мікроскопії, має наву ультраструктура.

65


1 – серединна пластинка; 2 – клітинні стінки сусідніх клітин; 3 – вільні рибосоми; 4 – гранульований ендоплазматичний ретікулум; 5 – рибосоми, зв¢язані з ендоплазматичним ретікулумом; 6 – хлоропласти; 7 – оболонка хлоропласта (дві мембрани); 8 – грана; 9 – мітохондрія; 10 – апарат Гольджі; 11 – клітинний сік; 12 – тонопласт; 13 – пухирець Гольджі; 14 – апарат Гольджі; 15 – мікротрубочки (часто по периферії клітини); 16 – цитоплазма; 17 – плазматична мембрана; 18 – гладенький ендоплазматичний ретікулум; 19 – еухроматин; 20 – гетерохроматин; 21 – хроматин; 22 – ядерце; 23 ядерна пора; 24 - ядерна оболонка; 25 – ядро; 26 – клітинна стінка; 27 – плазмодесма. Клітинна стінка – жорстка складається з

целюлозних

мі��рофібріл,

занурених

у

матрикс (рис.), до складу якого входять інші полісахариди. Забезпечує механічну опору і захист. Завдяки їй виникає тургорний тиск, який сприяє посиленню опорної функції. Попереджує осмотичний розрив клітини. Клітинною стінкою відбувається пересування води і мінеральних солей. Різні модифікації, наприклад

просочування

забезпечують

виконання

лігніном,

спеціалізованих

функцій. Рис. Будова клітинної стінки рослинної клітини Серединна пластинка - тонкий шар пектинових речовин (пектатів кальцію і магнію). Скріплює сусідні клітини між собою. Плазмодесма – тонка цитоплазматична нитка, що зв¢язує цитоплазму сусідніх клітин через тонку пору в клітинній стінці (рис. 41). Пора вистелена плазматичною мембраною. Крізь пору проходить десмотубула, часто з¢єднана на

66


обох кінцях з ЕР. Поєднує протопласти сусідніх клітин у єдину нерозривну систему – симпласт, якою здійснюється транспорт речовин між цими клітинами. Рис. Будова плазмодесми Хлоропласт – велика хлорофіловмісна пластида, у якій проходить фотосинтез. Хлоропласт оточений оболонкою з подвійної мембрани і заповнений драглистою стромою (рис. 42). У стромі знаходиться система мембран, зібраних у стопи чи грани. У ній же може відкладатися крохмаль. Крім того, строма містить рибосоми, кільцеву молекулу ДНК і капельки олії. У цій органелі відбувається фотосинтез, тобто синтез цукрів із СО2 і води за рахунок світлової енергії, що уловлюється хлорофілом. Світлова енергія перетворюється на хімічну

Рис. Будова хлоропласту Велика центральна вакуоль – мішок, утворений одинарною мембраною, що називається тонопластом. У вакуолі міститься клітинний сік – концентрований розчин різних речовин, таких як мінеральні солі, цукри, пігменти, органічні кислоти і ферменти. У зрілих клітин вакуолі бувають 67


великі. У вакуолі зберігаються різні речовини, в тому числі й кінцеві продукти обміну. Від вмісту вакуолі значною мірою залежать осмотичні властивості клітини. Іноді вакуоль виконує функцію лізосом. Ультраструктура тваринної клітини На рисунку представлено ультраструктуру узагальненої тваринної клітини.

Ультраструктура

узагальненої

тваринної

клітини,

виявлена

за

допомогою електронного мікроскопа: 1 – мікроворсинка; 2 – процес формування піноцитозного пухирця; 3 – піноцитозний пухирець; 4 – гладкий ендоплазматичний ретікулум; 5 – мікротрубочки (часто по периферії клітини); 6 – лізосоми; 7 – вільні рибосоми, розсіяні у цитоплазмі; 8 – дві центріолі, розташовані під прямим 68


кутом одна до одної; 9 – двомембранна ядерна оболонка; 10 – ядерна пора; 11 – ядерце; 12 – гетерохроматин; 13 – еухроматин; 14 – цитоплазма; 15 – плазматична мембрана; 16 – рибосоми, пов¢язані з ендоплазматичним ретікулумом; 17 – гранульований ендоплазматичний ретікулум; 18 – мітохондрія; 19 – апарат Гольджі; 20 – секреторна гранула; 21 – процес екзоцитозу; 22 – процес поглинання або секреції. Плазматична мембрана – тришарова структура («сандвіч») – один світлий шар між двома темними. Вибірково проникний бар'єр, що регулює обмін між клітиною і середовищем. Ядро – найбільша органела, оточена оболонкою з двох мембран, пронизаною ядерними порами (рис. 44). Містить у такій формі розкручені хромосоми, що перебувають у інтерфазі. Містить також структуру, яка має назву

ядерце.

містять

ДНК

Хромосоми –

речовину

спадковості. ДНК складається з генів, що регулюють усі види клітинної ядра

активності.

лежить

в

Поділ основі

розмноження клітин, а отже, процесу відтворення. У ядерці утворюються рибосоми. Рис. . Будова ядра тваринної клітини Ендоплазматичний ретикулум – система сплощених мембранних мішечків (цистерн) у вигляді трубочок і пластинок (рис. 45). Утворює єдине ціле

з

зовнішньою

мембраною

ядерної

оболонки.

Якщо

поверхня

ендоплазматичного ретикулуму вкрита рибосомами, то він називається гранулярним цистернах ретикулуму

(шорсткуватим).

такого

По

ендоплазматичного

транспортується

білок,

69


синтезований на рибосомах. Агранулярний (гладкий) ендоплазматичний ретикулум (без рибосом) служить місцем синтезу ліпідів, стероїдів та вуглеводів. Рибосоми – дуже дрібні органели, що складаються з двох субодиниць – великої та малої. Містять білок і РНК приблизно в рівних частках. Рибосоми, що виявляються в митохондріях (а також у хлоропластах – у рослин), ще дрібніші. Рибосоми - місце синтезу білка. Вони зв'язані з ендоплазматичним ретикулумом або вільно лежать у цитоплазмі. Багато рибосом можуть утворити полісому (полірибосому), у якій вони нанизані на єдину нитку матричної РНК. Мітохондрії оточені оболонкою з двох мембран; внутрішня мембрана утворює складки (кристи) (рис. 46). Містить матрикс, у якому міститься невелика кількість рибосом, одна кільцева молекула ДНК і фосфатні гранули. При

аеробному

диханні

в

кристах

відбуваються окисне фосфорилювання і перенос

електронів,

а

в

матриксі

працюють ферменти, що беруть участь у циклі Кребса Будова мітохондрії Апарат Гольджі – стопа сплющених мембранних мішечків – цистерн (рис. 47). На одному кінці стопи мішечки безупинно утворюються, а з іншого - відшнуровуються у вигляді бульбашок. Виконує функції системи, у якій відбувається

модифікація

(процесінг)

і

транспорт

різних

клітинних

матеріалів, наприклад білків, що надходять з ендоплазматичного ретикулуму. У

бульбашках

Гольджі

матеріали

транспортуються в інші частини клітини або до плазматичної мембрани для секреції. В апараті Гольджі утворюються лізосоми. Рис. 47. Будова апарату Гольджі. 70


Лізосома – простий сферичний мембранний мішечок (мембрана одинарна), заповнений травними (гідролітичними) ферментами. Вміст здається

гомогенним.

Лізосоми

виконують

багато

функцій,

завжди

пов'язаних з розпадом будь-яких структур або молекул. В них руйнуються старі органели і перетравлюються бактерії, захоплені фагоцитозом. Мікротільця – органели не зовсім правильної сферичної форми, оточена одинарною мембраною. Вміст має зернисту структуру, але іноді в ньому трапляється кристалоїд чи скупчення ниток. Усі мікротільця містять каталазу – фермент, який каталізує розщеплення пероксиду водню. Усі вони пов'язані з окисними реакціями. У рослин у мікротільцях проходить гліоксилатний цикл. Диплоїдний В ядрах соматичних клітин (тобто клітин тіла) міститься повний подвійний набір хромосом. В ньому кожна хромосома має свого гомологічного «партнера». Такий набір хромосом називають диплоїдним і позначають «2n» Гаплоїдний В ядрах гамет (статевих клітин) на відміну від соматичних, є лише по одній хромосомі з кожної гомологічної пари. Всі вони різні. негомологічні. Такий одинарний набір хромосом називають гаплоїдним і позначають як «n». При заплідненні відбувається злиття гамет, кожна з яких вносить в зиготу гаплоїдний набір хромосом, і відновлюється диплоїдний набір: n + n = 2n. В деяких організмів може внаслідок мутацій змінюватись диплоїдний набір хромосом — поліплоїдія або анеуплоїдія. Поліплоїдія (дав.-гр. πολύς — багаточиселтний, πλοῦς — спроба, εἶδος — вид) — геномна мутація, при якій відбувається кратне збільшення кількості хромосом у клітинах тваринних і рослинних організмів. Виникає внаслідок поділу хромосом, що не супроводиться поділом клітини; злиття 71


соматичних клітин або їхніх ядер; утворення гамет чи спор з нередукованим числом хромосом внаслідок аномалії мейозу. Це спричинюється впливом на клітину, що ділиться, високої або низької температри, іонізуючого випромінювання, хімічних речовин, що перешкоджають правильному розходженню хромосом тощо. До таких речовин належать алкалоїд рослинного походження колхіцин, аценафтен, закис азоту та інші. Поліплоїдія в природі виникає спонтанно, а також може бути спричинена штучно. Кратне збільшення в організмі кількості однакових наборів хромосом називається автополіплоїдією. Збільшення в клітині числа хромосомних наборів в три, чотири або більше разів порівняно з гаплоїдними клітинами приводить до появи триплоїдних, тетраплоїдних тощо клітин, з яких розвиваються відповідні організми або в цілому поліплоїди. Розрізняють

поліплоїдію

збалансовану,

яка

характеризується

утворенням клітин з парним числом хромосом, та незбалансовану, при якій виникають клітини з непарним числом хромосом. У збалансованих поліплоїдів мейоз відбувається нормально і утворюються розвинені статеві клітини; у незбалансованих — мейоз завжди порушується, оскільки внаслідок непарності хромосом порушується кон'югація; при цьому порушується закономірність розподілу хромосом між дочірніми клітинами. Це знижує життєздатність статевих клітин і плодючість організмів, що часто приводить до анеуплоїдії. Поліплоїди, що виникають у міжвидових гібридів і мають кілька повторів різних наборів хромосом, називають алополіплоїдами. Поліплоїдія ускладнює успадкування ознак і змінює характер розщеплення, внаслідок чого у нащадків гібридів переважають особини з домінантними ознаками. Поліплоїдія дуже поширена у рослин (30% всіх квіткових рослин — поліплоїди); у тварин спостерігається рідко (у деяких комах, земноводних, червів), переважно у видів, яким властивий партеногенетичний спосіб розмноження. Багато родів рослин складаються з видів, що мають 72


поліплоїдні ряди — наприклад злакові, пасльонові, розоцвіті та інші. Не зустрічається поліплоїдія у хвойних рослин і грибів, зрідка має місце у мохів і папоротеподібних. Поліплоїдія має велике значення в еволюції, наприклад

видоутворенні,

та

селекції

рослин,

зокрема

поліплоїдні

організми триваліше зберігають гетерозис. Особливості будови вірусів. Походження, будова, хімічний склад, розмноження. Фаги. Відкриття вірусів датується 1852 р. і належить російському ботаніку Д.І. Івановському. Термін «вірус» (від лат. virus – отрута) запропонував голландець М. Бейерінк у 1898 р. Властивості вірусів Віруси – дрібні живі організми, розміри яких варіюють у межах від 20 до 300 нм; у середньому вони раз у п'ятдесят менші за бактерій. Їх не можна побачити за допомогою світлового мікроскопа. Вони проходять крізь фільтри, непроникні для бактерій. Віруси не мають клітинної будови. Віруси

облігатні

ендопаразити

(здатні

відтворюватися,

лише

проникнувши у живу клітину). Більшість з них викликає хвороби. Віруси побудовані дуже просто. Вони складаються з невеликої молекули нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), оточеної білковою чи ліпопротеїновою оболонкою. Віруси мають ознаки живого і неживого. Віруси високоспецифічні щодо клітин-хазяїв. Походження вірусів Про походження вірусів існують три основні гіпотези: І — віруси походять від бактерій і є їхніми нащадками, що деградували; ІІ — віруси є нащадками первинних клітин – протобіонтів; ІІІ — віруси – нащадки про- та еукаріотичних клітин; це генетичний 73


матеріал, який зберіг здатність до відтворення при поверненні в клітинне оточення. Будова вірусів Віруси складаються з таких структур (рис. 33): серцевина

генетичний

матеріал, представлений або ДНК, або РНК; ДНК чи РНК може бути одноланцюговою

чи

дволанцюговою; капсид

захисна

білкова

оболонка, що оточує серцевину; нуклеокапсид

складна

структура, утворена серцевиною і капсидом;

Рис.33. Схематичне зображення вірусу у розрізі оболонка — у деяких вірусів, таких як ВІЛ і віруси грипу, є додатковий ліпопротеїновий шар, що походить з плазматичної мембрани клітини-хазяїна; капсомери — ідентичні повторювані субодиниці, з яких часто бувають побудовані капсиди. Для структури капсиду характерні певні типи симетрії, особливо поліедрична і спіральна. Наочною ілюстрацією спіральної симетрії може служити РНК-вмісний вірус тютюнової мозаїки (ВТМ) (рис. 34).

74


Рис.34. Схематичне зображення вірусу тютюнової мозаїки Життєвий цикл вірусу Життєвий цикл вірусу складається з таких стадій: стадія віроспори – нема жодних проявів життєдіяльності; адсорбція – прикріплення вірусу до клітини; ін’єкція – проникнення у клітину; латентна; утворення нового покоління вірусів; вихід віроспор. У латентній стадії вірус наче зникає, його не можна побачити або виділити з клітини, але в цей період клітина синтезує необхідні вірусові білки та нуклеїнові кислоти для утворення нового покоління віроспор.

Бактеріофаги Віруси,

які

атакують

бактерії, утворюють групу, що називається просто

бактеріофагами чи

фагами.

бактеріофагів

У

деяких

існують

чітко

виражені ікосаедрична голівка і хвіст,

що

мають

спіральну

симетрію

Життєвий

цикл

бактеріофага 75


Життєвий цикл типового бактеріофага показаний на прикладі фага Т-2, що

атакує

кишкову

паличку.

E.coli

є

типовою

клітиною-хазяїном

щонайменше для сімох штамів Т-фагів (від Т1 до Т7). Т-парний фаг (наприклад, Т2-фаг) показаний на рис. 35. Життєвий цикл бактеріофага складається з таких стадій (рис. 36): 1) фаг наближається до бактерії і нитки його хвостового відростка зв’язуються з рецепторними ділянками на поверхні бактеріальної клітини (рис. 36, а); 2) нитки хвостового відростка загинаються і прикріплюють шипи і базальну пластинку до поверхні клітинної стінки (“заякорюють”). Чохол хвостового відростка скорочується, проштовхуючи порожній стрижень до клітини. Цей процес іде за участю ферменту лізоциму, що міститься у базальній пластинці (рис. 36, б); 3) ДНК фага вводиться до клітини. У фаговій ДНК закодовані ферменти, для синтезу яких використовується білоксинтезуючий апарат клітини-хазяїна (рис. 36, в); Рис.Життєвий цикл бактеріофага: а – адсорбція; б - ін’єкція; в, г – латентна фаза; д, е - утворення нового покоління вірусів; є - вихід віроспор.

76


4) фаг інактивує ДНК клітини-хазяїна, а фагові фрагменти її руйнують. Фагова ДНК підпорядковує собі клітинний апарат (рис. 36, г); 5) фагова ДНК реплікується, утворюючи безліч своїх копій (рис. 36, д); 6) нові фагові частинки утворюються в результаті спонтанного самоскладання білкової оболонки навколо фагової ДНК; фагова ДНК детермінує синтез лізоциму (рис. 36, е); 7) лізис клітини. Клітинні мембрани розриваються під дією лізоциму. Вивільняється близько 200 – 1000 нових фагових частинок. Стадії перша – сьома тривають близько 30 хв.; цей період називаєься латентним періодом. Життєві цикли більшості фагів в основному схожі. Однак в одних з них життєвий цикл проходить без перерв; у такому разі йдеться про літичний цикл розвитку. Якщо ж фагова ДНК вбудовується у ДНК клітини-хазяїна, жодним чином себе не проявляє і копіюється разом з клітинною ДНК (фаг l), то такий цикл розвитку фага – лізогенний, фаг – профаг, клітина – лізогенна. Практичне значення бактеріофагів Бактеріофаги використовуються в медицині та ветеринарії як засіб боротьби з бактеріальними інфекціями. Наявність фагів у стічних водах розглядається як чинник самоочищення і одночасно може служити показником забруднення їх відповідним фагові мікроорганізмом. Бактеріофаги

можуть

завдати

великого

економічного

збитку

біотехнологічним виробництвам, що ґрунтуються на використанні бактерій (ацетонобутилове, молочнокисле, виробництво антибіотиків тощо). Віруси як збудники хвороб Віруси здатні вражати і еукаріотичні клітини. При цьому кожен вірус має свого специфічного хазяїна (рис. 37). Життєвий цикл вірусу імунодефіциту людини такий (рис. 38): 1) вірус наближається до Т4-лімфоцита; 2) вірусний глікопротеїн прикріплюється до рецепторного білка на плазматичній мембрані; 77


3) вірус потрапляє у клітину шляхом ендоцитозу;

Будова вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ), який належить до ретровірусів. Під дією ферменту зворотної транскриптази інформація, закодована у одноланцювих РНК, транскрібується у відповідні ДНК-нитки. 4) вірусна РНК вивільняється у цитоплазму разом з ферментом зворотною транскриптазою; 5) у результаті транскрипції одноланцюгової вірусної РНК за участю зворотної транскриптази утворюється дволанцюгова ДНК; ДНК, що утворилась, потрапляє у клітинне ядро та вбудовується у ДНК клітини-хазяїна. З кожним клітинним поділом одночасно копіюється вбудована вірусна ДНК. У результаті кількість інфікованих клітин збільшується; 6) після завершення латентного (неактивного) періоду (близько 5 років) вірус знову активується. Фактори активації не встановлено; 7) утворюється нова вірусна РНК і синтезуються нові білки; 8) складання вірусних частинок; 9) 10)

вірусні білки відокремлюються від клітини шляхом екзоцитозу; інфікування клітини вірусом призводить до її загибелі. 78


1

Життєвий цикл ВІЛ.

79


Принципові відмінності вірусів Віруси можуть існувати тільки як внутрішньоклітинні паразити. Вони містять лише один тип нуклеїнової кислоти. Мають дуже обмежений набір ферментів, використовують обмін речовин клітини-хазяїна.

Етапи розвитку організмів від окремих молекул — до першої клітини. Полінуклеотиди здатні спрямовувати власний синтез. Перша клітина оточує себе мембраною. Розвиток метаболічних реакцій. Для опису переходу неживої матерії в живу еволюціоністи користуються

поняттям

абіогенезу

або

хімічної

еволюції.

Еволюціоністи вважають, що “живі клітини, скоріше за все, виникли 33,5 млрд. років тому внаслідок спонтанної агрегації [об’єднання] молекул.”[1] Перші прості органічні молекули на Землі з’явилися у т.зв. первісному бульйоні за умов безкисневої атмосфери та електричних розрядів

(блискавок).

Первісний

бульйон

являв

собою

систему

несолоних водойм. Атмосфера над водоймою складалася з аміаку, метану та водяної пари. Блискавки, які проходили крізь цю газову суміш, продукували перші амінокислоти, нуклеотиди, цукри та жирні кислоти, що є конструктивними блоками для всіх форм життя. Атмосфера обов’язково не містила кисню, присутність якого негайно знищувала б усі амінокислоти. У певних частинах первісного бульйону досяглася висока щільність простих органічних молекул. Тут відбувався спонтанний

синтез

довголанцюгових

(полімерних)

молекул.

Для

синтезу таких молекул необхідна присутність спеціальних білківкаталізаторів (ферментів). Оскільки бульйон не міг їх містити, то замість них у ролі каталізаторів синтезу (дуже повільного) могли виступати кристали та іони металів. За умови існування серед цих довголанцюгових

молекул

(полінуклеотиди

і

поліпептиди)

“примітивного природного добору”, з них виокремлювалися дедалі 80


складніші молекулярні структури. Це, як вважають, створює всі необхідні умови для випадкової формації (самозбірки) перших клітин. Жива природа – цілісна, проте неоднорідна система, якій властива ієрархічна організація. Під системою, у науці розуміють єдність, чи цілісність, складену з безлічі елементів, що перебувають у закономірних відносинах і зв'язках один з одним. Ієрархічною називається система, у якій частини, чи елементи, розташовані в порядку від нижчого до вищого. Так, у живій природі біосфера

складається

з

біогеоценозів,

представлених

популяціями

організмів різних видів, а тіла організмів мають клітинну будову. Ієрархічний принцип організації дає змогу виділити у живій природі окремі рівні, що зручно з погляду вивчення життя як складного природного явища. Зазвичай

виділяють

п¢ять

рівнів

організації

живих

систем:

молекулярно-генетичний; клітинний; організмовий, або онтогенетичний; популяційно-видовий; біогеоценотичний. Рівень організації живої природи – функціональне місце біологічної структури певного ступеня складності в загальній системі живої матерії. Очевидний зв’язок цих рівнів із типовими розмірами досліджуваних біологічних об’єктів наведено у табл. 1. Таблиця Рівні організації (вивчення), що виділяються в багатоклітинному організмі (за Е. Дс. Робертсом ) Розміри об’єкта Об’єкт вивчення 0,1 мм (100 мкм) і Організм, органи

Рівень організації об’єкті Організмовий, органний

більше 100—10 мкм

Тканини

20—0,2 мкм (200 Клітини (еукаріотичні нм)

і прокаріотичні)

200—1 нм

Клітинні компоненти

Тканинний Клітинний

Субклітинний 81


Менше 1 нм

Молекули

Макромолекулярний

Особливість даної класифікації полягає в тому, що окремі рівні ієрархічної системи життя визначаються в ній на загальній основі виділення для кожного рівня елементарної одиниці та елементарного явища. Елементарна одиниця — це структура чи об’єкт, закономірні зміни яких, що позначаються як елементарне явище, і складають специфічний для відповідного рівня внесок у процес збереження і розвитку життя. Молекулярно-генетичний

рівень

це

специфічні

для

живих

організмів види біологічних сполук (білки, вуглеводи, нуклеїнові кислоти), їх взаємодія між собою і з неорганічними компонентами і роль в обміні речовин та енергії в організмі. Має окремі, хоча і істотні ознаки життя. Елементарною одиницею служить ген — фрагмент молекули нуклеїнової кислоти, у якому записаний певний об’єм біологічної (генетичної) інформації. Елементарне явище полягає насамперед у процесі конваріантної редуплікації – самовідтворенні з можливістю деяких змін у змісті закодованої в гені інформації, а також реакції матричного синтезу інформаційних макромолекул Клітинний рівень. Клітина, куди молекули входять як компоненти системи, доповнює розглянуті ознаки живого іншими, інтегрує та пов’язує їх. Елементарною одиницею служить клітина. Елементарне явище представлене реакціями клітинного метаболізму, що складають основу потоків енергії, речовин та інформації. Організмовий рівень визначається тим, що будь-який вид складається з окремих особин, відносно незалежних одна від одної. Елементарною одиницею є особина у її розвитку від моменту зародження до припинення існування як живої системи, що дає змогу також назвати цей рівень і онтогенетичним. Елементарне явище полягає у закономірних змінах організму в індивідуальному розвитку.

82


Популяційно-видовий

рівень

визначається

взаємовідносинами

організмів одного виду між собою всередині популяції. Тут діють закони внутрішньовидових та внутрішньопопуляційних відносин. Елементарною одиницею служить популяція — сукупність особин одного виду. Елементарне явище – еволюційно значущі зміни генофонду. Біоценотичний рівень. У процесі спільного історичного розвитку на певній території з організмів різних систематичних груп утворюються динамічні, стійкі в часі співтовариства — біогеоценози, що служать елементарною одиницею біогеоценотичного (екосистемного) рівня. Елементарне явище представлено потоками енергії та кругообігами речовин. Біогеоценози, розрізняючись за видовим складом і характеристиками абіотичної своєї частини, об’єднані на планеті в єдиний комплекс — простір поширення життя, або біосферу. Закони, які характерні для більш високих рівнів організації живого світу, не виключають дії законів, властивих більш низьким рівням. Походження життя Існують дві головні гіпотези, що по-різному пояснюють появу життя на Землі. 1. Гіпотеза панспермії - життя занесене з космосу у вигляді спор мікроорганізмів,

або

планета

навмисно

«заселена»

розумними

прибульцями з інших світів згідно з припущенням. 2. Абіогенне (таке, що відбувається без участі організмів) утворення органічних речовин з неорганічних – життя виникло на Землі у результаті сприятливої сукупності фізичних і хімічних умов. Головними етапами виникнення і розвитку життя були:

83


утворення атмосфери з газів (метану, оксиду і діоксиду вуглецю, аміаку, сірководню, ціаністих сполук), що могли служити «сировиною» для синтезу органічних речовин і пари води; абіогенне утворення простих органічних речовин, в тому числі мономерів

(амінокислот,

цукрів,

азотистих основ,

АТФ

та

інших

мононуклеотидів) біологічних полімерів ; полімеризація мономерів у біологічні полімери, насамперед білки (поліпептиди) і нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди); утворення передбіологічних форм складного хімічного складу — протобіонтів з деякими властивостями живих істот; виникнення найпростіших живих форм з усією сукупністю головних властивостей життя – примітивних клітин; біологічна еволюція виниклих живих істот. Походження еукаріотичної клітини Викопні рештки клітин еукаріотичного типу виявлені в породах, вік яких не перевищує 1,0—1,4 млрд. років. Більш пізніше виникнення, а також подібність загалом їх основних біохімічних процесів (самоподвоєння ДНК, ІІ еукаріотичні І синтез білка на рибосомах) змушують думати про те, що клітини пішли від предка, що мав прокаріотичну будову.

84


Рис. Походження еукаріотичної клітини згідно з симбіотичною (I) та інвагінаційною (II) гіпотезами: 1 – анаеробний прокаріот (клітина-хазяїн); 2 – прокаріоти, що мають мітохондрії; 3 – синьо-зелена водорость (майбутній хлоропласт); 4 – спірохетоподібна бактерія (майбутній джгутик); 5 – примітивний еукаріот із джгутиком; 6 – рослинна клітина; 7 – тваринна клітина з джгутиком; 8 – 85


аеробний прокаріот (майбутня мітохондрія); 9 – аеробний прокаріот (клітина - родоначальниця відповідно до інвагінаційної гіпотези); 10 – інвагінації клітинної оболонки, що дали ядро і мітохондрії; 11 – примітивний еукаріот; 12 – інвагінація клітинної оболонки, що дала хлоропласт; 13 – рослинна клітина; а – ДНК прокаріотичної клітини; б – мітохондрія; в – ядро еукаріотичної клітини; г – джгутик; д – хлоропласт Найпопулярніша нині симбіотична гіпотеза походження еукаріотичних клітин, відповідно до якої (рис. 1 (І)) основою, чи клітиною-хазяїном, в еволюції клітини еукаріотичного типу послужив анаеробний прокаріот, здатний лише до амебоїдного руху. Згідно з інвагінаційною гіпотезою, предковою формою еукаріотичної клітини був аеробний прокаріот. Еволюційні можливості клітин еукаріотичного типу незрівнянно вищі, ніж прокаріотичного. Це зумовлено такими особливостями еволюції еукаріотичної клітини: - ядерний геном еукаріотів у багато разів перевершує за розмірами геном прокаріотів; - складніший механізм регуляції життєдіяльності клітини; - використання біологічної інформації частинами; - наявність у еукаріотичних клітин еластичної оболонки; - аеробне дихання; - виникнення в еволюції мітозу як механізму відтворення в поколіннях генетично подібних клітин; - поява такого способу поділу клітин, як мейоз, що дає можливість зберегти сталість хромосом у ряді поколінь. Завдяки

названим

особливостям

еукаріотичний

тип

клітинної

організації за 1 млрд років еволюції дав широку розмаїтість живих форм – від одноклітинних найпростіших до ссавців і людини.

86


Ціанобактерії здатні фіксувати СО2 і N2. Бактерії можуть спричиняти аеробне

окиснення молекул. Ендосимбіотична

теорія

походження хлоропластів і мітохондрій. Утворення багатоклітинних організмів. Утворення колоній. Спеціалізація клітин вищих організмів. Розвиток метаболічних реакцій. Ціанобактерії, або синьо-зелені водорості (лат. Cyanobacteria) обширна група грамнегативних бактерій великих розмірів, відмітною особливістю яких є здатність до фотосинтезу. Ціанобактерії - це найбільш складно влаштовані і диференційовані прокаріоти. Так як ці організми по своїй фізіології мають багато спільних рис з еукаріотичними водоростями, то згідно з деякими класифікаціями, ціанобактерії розглядаються у складі рослин як синьо-зелені водорості. В даний час в альгології відомо більше 150 родів і близько 1000 видів ціанобактерій, бактеріологи налічують близько 400 штамів. Ціанобактерії поширені в морях і прісних водоймах, грунтовому покриві, можуть брати участь в симбіозі (лишайники). Вагому частину фітопланктону водойм складають водорості даної групи. Вони здатні утворювати товсті багатошарові покриви на субстраті. Рідкісні види токсичні та умовно-патогенні для людини. Синьо-зелені водорості - основні елементи, що викликають «цвітіння» води, яке призводить до масової загибелі риб, отруєнь тварин та людей. Для деяких видів характерна рідкісна комбінація властивостей: здатність до фотосинтезу і одночасно фіксації азоту з атмосферного повітря. Будова ціанобактерій Ці організми відрізняються різноманітною морфологією. Загальне в структурі будь-якого виду синьо-зелених водоростей - це слизова оболонка (глікокалікс із пептидогліканів) і відсутність джгутиків. Слизову оболонку покриває зовнішня мембрана. Розміри клітин ціанобактерій можуть бути від 1 мкм до 100 мкм. Колір різних видів міняється від салатового до темно-синього

у

зв'язку

зі

здатністю

змінювати

співвідношення 87


фотосинтетичних пігментів в клітці відповідно спектральному складу світла. Ціанобактерії - одноклітинні організми, можуть формувати колонії, відомі нитчасті форми. Розмноження здійснюється за допомогою бінарного поділу, можливий множинний розподіл. Тривалість життєвого циклу при сприятливих умовах становить 6-12 годин. Внутрішня будова ціанобактерій У клітці кожного організму є повноцінний апарат для здійснення фотосинтезу із виділенням кисню. Енергія, отримана за допомогою фотосинтезу, використовується для продукування органічних речовин з СО2. Переважна більшість синьо-зелених водоростей являються облігатними фототрофами. Але вони можуть протягом короткого періоду часу існувати за рахунок витрачання накопиченого на світлі глікогену. Значення ціанобактерій Ціанобактерії, за загальноприйнятою версією, є «творцями» сучасної кисневмісної атмосфери на Землі (згідно з іншою теорією, кисень атмосфери має геологічне походження), що привело до першої глобальної екологічної катастрофи в природній історії і драматичній зміні біосфери. Зараз, будучи значною складовою частиною океанічного планктону, ціанобактерії стоять на початку більшої частини харчових ланцюгів і виробляють більшу частина кисню (більш 90%, але ця цифра визнається не всіми дослідниками). Ціанобактерія Synechocystis стала першим фотосинтезуючим організмом, чий геном був повністю розшифрований (у 1996, Дослідницьким інститутом Казуси, Японія). В наш час ціанобактерії служать найважливішими модельними об'єктами досліджень в біології. У Південній Америці і Китаї бактерії родів Spirulina і Nostoc через нестачу інших видів продовольства використовують в їжу, висушуючи і готуючи муку. Їм приписують цілющі і оздоровлюючі властивості, які, проте, в наш час не знайшли підтвердження. Розглядається можливе застосування ціанобактерій в створенні замкнутих циклів життєзабезпечення або як масової кормової / харчової добавки. Певні цианобактерії виробляють ціанотоксини, наприклад, анатоксин-a, 88


анатоксин-as, аплізіатоксин, домоїву кислоту, мікроцистін LR, нодуралін R (від Nodularia), або сакситоксин. Як мінімум один вторинний метаболіт, циановірин, має активність проти ВІЛ. На думку вчених, саме ці організми спровокували на початку протерозойського періоду (приблизно 2,5 млрд років тому) глобальну перебудову атмосфери - «кисневу катастрофу». Це спричинило кардинальні зміни в біосфері і гуронське заледеніння. Вперше в лабораторних умовах геном фотосинтезуючого організму був розшифрований

саме

на

прикладі

ціанобактерії

Synechocystis.

До

теперішнього часу синьо-зелені водорості є цінними біологічними об'єктами досліджень. У Китаї та країнах Південної Америки синьо-зелені водорості родів спіруліна і носток використовують в їжу. Після висушування з них роблять борошно. Спіруліну використовують як харчову добавку, так як ця водорість має ряд корисних властивостей. Ендосимбітична теорія походження хлоропластів та мітохондрій Ендосимбіотична теорія (англ. Endosymbiotic theory), також теорія ендосимбіогенезу або теорія послідовних ендосимбіозів — одна із теорій походження еукаріотичної клітини, згідно з якою походження мітохондрій та пластид вважається симбіотичним. Тобто зазначені органели пішли від окремих внутрішньоклітинних бактерій-симбіонтів, що стали невід'ємною частиною клітини через збільшення ступеню взаємної залежності. За цією теорією, пращурами мітохондрій були альфа-протеобактерії (зокрема, Rickettsiales або їхні близькі родичі), а пращурами пластидів — ціанобактерії. Виникнення ядра залишається дискусійним, хоча припускають, що воно має автогенетичне походження. На сьогодні подібна позиція щодо походження пластид та мітохондрій приймається науковою спільнотою, визнається і той факт, що бактеріальні ендосимбіонти зробили внесок у формування метаболічних та сигнальнорегуляторних систем не тільки у органелах, але і у цитоплазмі. На исть 89


ендосимбіотичної гіпотези свідчать: 1) явища симбіозу у сучасному еукаріотичному світі, 2) явище використання паразитами геному хазяїна та явище горизонтального переносу генів та ін. Багатоклітинні організми виникли з одноклітинних і в порівнянні з ними є вищим етапом розвитку органічного світу. Найдавніші викопні багатоклітинні організми відомі з протерозою. Сучасні багатоклітинні організми в своєму індивідуальному розвитку проходять одноклітинну стадію (статеві клітини). Предки багатоклітинних організмів являли собою колонії — скупчення одноклітинних організмів, які не відокремилися один від одного. Всі члени такої колонії були спочатку рівнозначними; пізніше між ними відбувся розподіл функцій і виникла взаємна залежність, яка все більше поглиблювалася і кінець кінцем привела до виникнення багатоклітинних організмів. Спеціалізація клітин вищих організмів. Багатоклітинні організми складаються із клітин, що тією чи іншою мірою відрізняються за будовою і функціями, наприклад у дорослої людини близько 230 різних типів клітин. Всі вони є нащадками однієї — зиготи (у випадку статевого розмноження) — і набувають відмінностей внаслідок процесу диференціації. Диференціація у переважній більшості випадків не супроводжується зміною спадкової інформації клітини, а забезпечується лише шляхом регулювання активності генів, специфічний характер експресії генів успадковується під час поділу материнської клітини зазвичай завдяки епігенетичним механізмам. Проте є винятки: наприклад, при утворенні клітин специфічної імунної системи хребетних відбувається перебудовування деяких генів, еритроцити ссавців повністю втрачають всю спадкову інформацію, а статеві клітини — її половину. Відмінності між клітинами на перших етапах ембріонального розвитку з'являються, по-перше, внаслідок неоднорідності цитоплазми заплідненої яйцеклітини, через яку під час процесу дроблення утворюються клітини, що різняться за вмістом певних білків та РНК, по-друге, важливу роль відіграє 90


мікрооточення клітини — її контакти з іншими клітинами та середовищем. Диференціюючись, клітини втрачають свої потенції, тобто здатність давати початок клітинам інших типів. Із тотипотентих клітин, до яких належить зокрема зигота, може утворитись цілісний організм. Плюрипотентні клітини

(наприклад

клітини

бластоцисти)

мають

можливість

диференціюватись у будь-який тип клітин організму, але з них не можуть розвинутись позазародкові тканини, а отже і нова особина. Клітини, які здатні дати початок тільки обмеженій кількості інших тканин називаються мультипотентними (стовбурові клітини дорослої людини), а ті, які можуть відтворювати тільки собі подібні — уніпотентними. Багато із остаточно диференційованих клітин (наприклад нейрони, еритроцити) повністю втрачають здатність до поділу і виходять з клітинного циклу. У деяких випадках диференціація може бути зворотною, протилежний до неї процес називається дедиференціація. Він характерний для регенерації, але інколи може відбуватись патологічно, як етап злоякісної трансформації клітини. Розвиток метаболічних реакцій. Залежно від джерела вуглецю, який споживають живі організми, вони поділяються на автотрофів і гетеротрофів. Автотрофи (від грецьк. autos – сам; trophe – їжа, живлення) – живі організми, які використовують СО2 як едине або головне джерело вуглецю для синтезу органічних сполук власних клітин. Залежно від джерела енергії поділяються на: хемотрофи (хемолітоавтотрофи) – первинні живі істоти на нашій планеті. Джерело енергії – енергія хімічних перетворень неорганічних речовин (хемосинтезу). Це нітрифікуючі, тіонові, залізоокиснювальні, воденьокиснювальні бактерії та безбарвні сіркобактерії; фотосинтезуючі – використовують енергію сонячного світла.

91


Гетеротрофи (від грецьк. heteros – інший) – живі організми, які використовують органічні сполуки як джерело вуглецю. Поділяються на дві групи: метатрофи (сапрофіти) – використовують відмерлі залишки інших організмів – гнилісні бактерії, актиноміцети, гриби, дріжджі; паратрофи (паразити). До процесів, на які витрачається енергія живих організмів, належать: 1). синтез речовин для росту і репарації, наприклад синтез білків; 2). активний транспорт речовин до клітини та з неї проти градієнтів дифузії; 3). фагоцитоз, піноцитоз, екзоцитоз; 4). електрична передача нервових імпульсів; 5). механічне скорочення м’��зів, рух джгутиків та війок; 6). теплова енергія, що вивільняється під час дихання (підтримання постійної температури у птахів та ссавців); 7). біолюмінесценція – утворення світла живими організмами; 8). електричні розряди (деякі живі істоти). Не дивлячись на велике розмаїття форм енергії, лише дві з них можуть бути спожиті клітинами живих організмів: світлова та хімічна. Частина з живих організмів, називані фототрофами (від грецьк. рhotos – світло), здатні використовувати для росту енергію світла (зелені рослини, пурпурні й зелені бактерії, ціанобактерії, деякі галобактерії й водорості). Інші організми, що мають назву хемотрофів (від грецьк. chemeia – хімія), одержують енергію в результаті окиснювання різних хімічних речовин. Живі організми можна віднести до певної групи залежно від джерела енергії та вуглецю, які вони здатні споживати.

92


Можливі типи живлення організмів Джерело

Донори

енергії

електронів,

Джерело вуглецю органічні речовини неорганічні речовини

речовини Світло

Органічні

Фотоорганогетеро-

Фотоорганоавтотрофи

трофи

Органічні речовини Неорганічні

Неорганічні

Фотолітогетеротрофи

Фотолітоавтотрофи

Органічні

Хемоорганогете-

Хемоорганоавтотрофи

Неорганічні

ротрофи Хемолітогетеротрофи

Хемолітоавтотрофи

речовини Примітка.

Гетеротрофні

організми,

крім

органічних

речовин,

часто

використовують і вуглекислоту, але лише як додаткове джерело вуглецю. Рослини є фототрофними організмами, гриби і тварини – хемогетеротрофними.

Деякі мікроорганізми виявляють здатність до так званої міксотрофії, тобто змішаного типу живлення. Наприклад, одночасне використання в процесах біосинтезу органічних речовин і асиміляції вуглекислоти за тим же типом, як в автотрофних умовах. Відомі також випадки, коли мікроорганізми одночасно окиснюють органічні й неорганічні субстрати. Особливо чітко здатність

до

міксотрофії

виявляється

при

їхньому

промисловому

культивуванні у спеціально підібраних умовах.

93


Змістовий модуль 2. Будова клітини та функціонування. Клітинна регуляція. Тема лекційного заняття 1. Будова клітини та функціонування – 5 год. /0,14 кредит. Сучасні уявлення про будову плазматичної мембрани та їх становлення. Хімічний склад мембран. Мембранні ліпіди. Ліпідний бішар. Текучість ліпідного бішару. Асиметричність ліпідного бішару. Гліколіпіди, їх функція. Білковий склад мембран та їх функції. Сучасні уявлення про будову плазматичної мембрани та їх становлення. Мембрани відмежовують цитоплазму від довкілля, а також формують оболонки ядер, мітохондрій і пластид. Вони утворюють лабіринт ендрплазматичного ретикулума і сплощених бульбашок у вигляді стопки, що становлять комплекс Гольджи. Мембрани утворюють лізосоми, великі і дрібні вакуолі рослинних і грибних клітин, пульсуючі вакуолі простих. Усі ці структури складають з себе відсіки, призначені для тих або інших спеціалізованих процесів і циклів. Отже, без мембран існування клітини неможливе. Плазматична мембрана, або плазмалема, - найбільш постійна, основна, універсальна для усіх клітин мембрана. Вона є найтоншою (близько 10 нм) плівкою, що покриває усю клітину. Плазмалема

складається

з

молекул

білків

і

фосфоліпідівМолекули

фосфоліпідів розташовані в два ряди - гідрофобними кінцями всередину, гідрофільними голівками до внутрішнього і зовнішнього водного середовища. В окремих місцях біслой (подвійний шар) фосфоліпідів наскрізь пронизаний білковими молекулами (інтегральні білки). Усередині таких білкових молекул є канали - пори, через які проходять водорозчинні речовини. Друзі, подивімося на малюнок 3, щоб зрозуміти, як виглядають ліпіди.

94


Інші білкові молекули пронизують біслой ліпідів наполовину з однією або з іншого боку (напівінтегральні білки). На поверхні мембран еукаріотичних клітин є періферичні білки. Молекули ліпідів і білків утримуються завдяки гідрофільно-гідрофобним взаємодіям. До складу плазматичної мембрани еукаріотичних клітин входять також полісахариди. Їх короткі, сильно розгалужені молекули пов'язані з білками, утворюючи глікопротеїни, або з ліпідами (гліколіпіди). Зміст полісахаридів в мембранах складає 2-10% по масі. Полісахаридний шар завтовшки 10-20 нм, що покриває згори плазмалему тваринних клітин, дістав назву глікокаликс. Текучість ліпідного бішару Транспортування

речовин

через

мембрани.

Іонні

канали.

Перенесення малих молекул крізь мембрану. Активний транспорт, (Na+ К+) - насос плазматичної мембрани, (Na+ - K+) АТФ-аза. Деякі Са2+ насоси. Мембранний потенціал. МЕМБРÁННИЙ ТРÁНСПОРТ (лат. transporto — переношу, перевожу, переміщаю) — перенесення різноманітних речовин через плазматичну мембрану (див. Мембрана біологічна). Механізм транспорту речовин до клітини та з неї залежить від розмірів частинок, що транспортуються. Малі молекули та іони проходять крізь мембрани шляхом пасивного чи активного транспорту. Перенесення макромолекул та великих частинок здійснюється за рахунок ендоцитозу та екзоцитозу. Пасивний транспорт відбувається мимовільно без затрати енергії шляхом дифузії, осмосу та полегшеної дифузії. Дифузія — це транспорт молекул та іонів через мембрану з ділянки з високою концентрацією до ділянки з низькою концентрацією, тобто речовини надходять за градієнтом концентрації. Дифузія може бути простою та полегшеною. Якщо речовини добре розчинні в ліпідах, то вони проникають до клітини шляхом простої 95


дифузії. Напр. оксиген, потрібний клітині при диханні, та вуглекислий газ у розчині швидко дифундують крізь мембрани. Таким способом проникають до клітини також деякі фармацевтичні препарати, які є ліпідорозчинними. Вода також здатна проходити крізь мембранні пори, що утворені білками, і переносити молекули та іони речовин, які в ній розчинені. Дифузію води крізь напівпроникну мембрану називають осмосом. Вода переходить з ділянки з низькою концентрацією солей до ділянки, де їхня концентрація вища. Тиск на мембрану, що виникає при цьому, називають осмотичним. Усі живі клітини здатні регулювати осмотичний тиск, змінюючи концентрацію речовин поза клітиною та всередині клітини. Речовини, які не є розчинними у ліпідах, транспортуються через іонні канали, утворені в мембрані білками, чи за допомогою білків-переносників. Це полегшена дифузія, шляхом якої, напр. здійснюється надходження глюкози до еритроцитів. Серед систем пасивного транспорту важливу роль відіграють іонні канали, які забезпечують проникність мембрани для Na+, K+, Ca2+. Na+-канали активуються вератрадином, батрахотоксином, блокуються амілоридом, тріамтереном; K+канали блокуються місцевими анестетиками (лідокаїном, дикаїном), деякими протисудомними (дифеніл, карбамазепін, вальпроати, фенобарбітал та ін.) і протиаритмічними засобами (аміодарон); Ca2+-канали чутливі до цілої низки хімічних речовин, зокрема верапамілу, дилтіазему, ніфедипіну та інших похідних

дигідропіридинів.

Трансмембранний

обмін

(антипорт)

чи

односпрямований транспорт (симпорт) іонів здійснюється спеціальними білками-переносниками.

Система

односпрямованого

транспорту

(котранспорту) представлена (Na++K++Cl–)-переносником, що є чутливим до дії діуретиків (фуросеміду, амілориду, туметаніду). Виключення або різка зміна властивостей переносників і каналів лежить в основі дії багатьох токсичних і фармацевтичних речовин. Деякі речовини — іонофори, до яких належать різні антибіотики (валіноміцин, амфотерицин В, нонактин, енніатини, аламетицин та ін.), синтетичні циклополіефіри самостійно здатні утворювати канали у ліпідному бішарі мембрани. Дія деяких ЛП заснована на 96


зміні властивостей каналів і переносників, що дозволяє регулювати транспорт речовин у клітинах і організмі в цілому. Активний транспорт речовин крізь мембрану здійснюється проти градієнта їхньої концентрації із затратою енергії АТФ та за участю спеціальних мембранних білків — транспортних АТФаз, які також називаються іонними насосами. Найбільш поширеними в клітині тварин є Н+АТФаза, Na+,K+-АТФаза і Са2+-АТФаза, що являють собою цілі мембранні комплекси із складною структурою. Функціональне значення біологічних насосів полягає у підтримці всередині клітини постійного іонного складу. Na+,K+-АТФаза сприяє виведенню Na+ з клітини та надходженню К+ до клітини за допомогою енергії АТФ і є прикладом антипортного транспорту. Із впливом на натрієвий насос пов’язаний механізм дії деяких фармацевтичних препаратів. Так, напр. серцеві глікозиди (дигоксин, уабаїн, строфантин К) пригнічують Na+,K+-АТФазу; деякі діуретики (тіазиди) інгібують активний транспорт Na+ та/або Cl– в епітелії канальців нирок; омепразол знижує кислотність шлункового соку, незворотно пригнічуючи протонний насос Н+АТФазу парієтальних клітин шлунка. Са2+-АТФаза високочутлива до дії різноманітних тіолових отрут та ін. Крім вищенаведених видів активного транспорту, виділяють специфічні механізми переміщення речовин, пов’язані з порушенням цілісності мембрани, ендоцитоз та екзоцитоз. При ендоцитозі плазматична мембрана утворює вирости, які потім перетворюються на внутрішньоклітинні пухирці, що містять захоплений клітиною матеріал. Ці процеси відбуваються із витратою енергії АТФ. Розрізняють два види ендоцитозу: фагоцитоз і піноцитоз. Фагоцитоз (грец. phagos — пожирати, cytos — клітина) — це захоплення і поглинання клітиною великих часток (іноді цілих клітин та їхніх частин). Ендоцитоз рідини та розчинених в ній речовин називається піноцитозом (грец. pyno — пити, cytos — клітина). Шляхом ендоцитозу, напр. відбувається всмоктування жиру клітинами кишкового епітелію. Екзоцитоз — це процес виведення з клітини різноманітних речовин крізь мембрану, фактично зворотний ендоцитозу 97


механізм. Шляхом екзоцитозу вивільнюються гормони, жирові краплини, а також медіатори в синапсах при збудженні. Таким чином, знання про особливості М.т. є дуже важливими для фармації,

оскільки

визначають

не

лише

шляхи

проникнення

всіх

фармацевтичних препаратів до певних клітин, але й безпосередню дію багатьох з них. Мембранний потенціал. Мембра́ нний потенціал — це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани в умовах, коли клітина не збуджена. Цитоплазма клітини заряджена негативно по відношенню до позаклітинної рідини через нерівномірний розподіл аніонів та катіонів по дві сторони мембрани. Різниця потенціалів (напруга) для різних клітин має значення від −50 до −200 мВ (мінус означає, що всередині клітина більш негативно заряджена ніж зовні). Мембранний потенціал спокою виникає на мембранах всіх клітин і збудливих (нервів, м'язів, секреторних клітин) і незбудливих. МПС необхідний для підтримання збудливості таких клітин, як м'язові та нервовоі. Також він впливає на транспорт всіх заряджених частинок у будьякому типі клітин: він сприяє пасивному транспорту аніонів із клітини та катіонів у клітину. Утворення та підтримання мембранного потенціалу забезпечують різні типи іонних насосів (зокрема натрій-калієвий насос або натрій-калієва АТФаза) та іонних каналів (калієві, натрієві, хлорні іонні канали). Цитозоль. Хімічний склад і процеси, що функціонують. Цитоскелет та його структура. Функції та хімічний склад мікротрубочок і мікрофіламентів. Цитозоль – це частина цитоплазми, що займає простір між мембранними органелами. Зазвичай на нього припадає близько половини загального обсягу клітини. До складу цитозолі входить безліч ферментів проміжного обміну і рибосоми. Близько половини всіх білків, що

98


утворюються на рибосомах, залишаються в цитозолі в якості його постійних компонентів. Цитозоль містить безліч білкових філаментів, зібраних в фібрилярний цитоскелет. Він визначає форму клітини, забезпечує рух цитоплазми і утворює загальну мережу, яка організовує ферментативні реакції. Оскільки білки складають близько 20% маси цитозолі, правильніше буде представляти його собі як високоорганізований гель, а не як розчин ферментів. Дослідження швидкості дифузії, однак показують, що малі молекули і деякі невеликі білки дифундують в цитозолі майже з тією ж швидкістю, що і у воді. З іншого боку великі частинки, такі, як транспортні пухирці і органели, рухаються дуже повільно, почасти тому, що часто стикаються з компонентами цитоскелету. Щоб вони пересувалися з прийнятною швидкістю, спеціальні білкові “мотори” гідролізують AТР і використовують звільнену при цьому енергію для переносу великих часток уздовж мікротрубочок або актинових філаментів. Цитоскелет — це клітинний каркас або скелет, що знаходиться в цитоплазмі живої клітини. Він присутній у всіх клітинах, як еукаріот (тварин, рослин, грибів та найпростіших), так і прокаріот. Це динамічна структура, що постійно змінюється, до функцій якої входить підтримка і адаптація форми клітки до зовнішніх дій, екзо- і ендоцитоз, забезпечення руху клітини як цілого, активний внутрішньоклітинний транспорт і клітинне ділення. Цитоскелет утворений білками. У цитоскелеті виділяють декілька основних систем, званих або за основними структурними елементами, помітними при електронно-мікроскопічних

дослідженнях

(мікрофіламенти,

проміжні

філаменти, мікротрубочки), або за основними білками, що входять в їхній склад (актин-міозинова система, кератинова система, тубулін-дінеїнова система).

99


Мікротрубочки і мікрофіламенти. Мікротрубочки побудовані з протофіламентів, які мають вигляд волоконець з потовщеннями. Вони мають відношення до переміщення мітохондрій, лізосом і вакуолей у клітині. Мікрофіламенти — білкові нитки діаметром 5-7 нм, розміщені в цитоплазмі поодиноко у вигляді’сітки або впорядкованими пучками. Основним білком мікрофіламенл’в є актин, який може виступати в мономерній формі (глобулярний актин) або полімеризуватися в довгі ланцюги (фібрилярний актин). Зазвичай актин має вигляд двох спірально скручених ниток. У нем’язових клітинах на актин припадає 5—10 % усієї маси білка, а лише половина з нього організована в філаменти. У м’язових клітинах актин входить до складу міофібрил. По периферії цитоплазми мікрофіламенти формують згущену зону — кортикальну сітку, яку відносять до субмембранної опорно- скоротливої системи плазмолеми. Прикріплюються мікрофіламенти до плазмолеми завдяки їх зв’язку з інтегральними білками мембрани (інтегринами, або якірними білками). Кортикальна сітка перешкоджає різкій деформації клітини і забезпечує плавну зміну її форми завдяки актинрозчинним ферментам. Деякі з філаментів — тонофіламенти — пов’язані з десмосомами. Філаменти різного типу можуть міститися в левних ділянках клітини в такій концентрації, що іншим органелам у цих ділянках місця немає, тому таку частину цитоплазми називають термінальною сіткою, наприклад, в епітелії тонкої кишки під щітковою облямівкою. Функції мікрофіламентів. 1. Участь у функціях плазмолеми: екзо- і ендоцитоз, рух псевдо- подій і переміщення клітин (наприклад, лейкоцитів). 2.

Внутрішньоклітинні

переміщення

цитоплазматичних

структур

(органел, транспортних міхурців та ін.) завдяки взаємодії з особливими білками (мініміозином) на поверхні цих структур. 3. Підтримання форми клітини і забезпечення її зміни. 100


4. Формування скоротливої перетяжки при цитотомії на завершальному етапі мітозу. 5. Участь в утворенні деяких спеціальних органел — міо- V1 фібрил, мікроворсинок. б. Участь у формуванні деяких міжклітинних зв’язків (наприклад, опоясуючих десмосом). Проміжні філаменти названі так тому, що їх товщина середня між товщиною мікрофіламентів і мікротубул (приблизно 10 нм). Вони утворені білковими нитками, сплетеними подібно до каната, трапляються в різних типах клітин і розміщуються у вигляді тривимірних сіток в різних ділянках цитоплазми— навколо ядра, по периферії цитоплазми, уздовж відростків нейронів-і клітин нейроглії, формують десмосоми і гемідесмосоми. Залежно від їх хімічної природи розрізняють 6 основних класів проміжних філаментів, а саме: — ламіни — характерні для всіх видів клітин, вони утворюють скелет ядра (каріоскелет); — кератинові (тонофіламенти) містяться в епітеліальних клітинах; — десмінові— містяться в гладких і поперечно-смугастих м’язах; —

віментинові — містяться в клітинах мезенхімного походження

(фібробластах, макрофагах, хондробластах, остеобластах, ендотеліо- цитах); — нейрофіламенти — містяться в нейронах; —

гліальні — містяться в гліальних клітинах (астроцитах, оліго-

дендроцитах). Функції проміжних філаментів недостатньо вивчені, однак встановлено, що вони не впливають на рух і поділ клітин. їх основними функціями є: а)

структурна — внутрішньоклітинна опора і розподіл органел у

цитоплазмі; б) забезпечення рівномірного розподілу сил деформації в клітині, що оберігає останню від пошкодження її окремих частин (разом з іншими білками); 101


в) участь в утворенні кератинових лусочок в епітелії шкіри, формуванні нігтів і волосся; г) підтримання форми відростків нейронів і клітин нейроглії; д) участь у прикріпленні міофібрил м’язової тканини до плазмолеми, що забезпечує їх скоротливу функцію. Склад вакуолярної системи. Синтез, перебудова та експорт біополімерів,

синтез

Ендоплазматичний

мембран.

ретикулум.

Схема

Види,

функціонування.

будова

та

функції.

Котрансляційний транспорт розчинних білків. Синтез нерозчинних білків. Метаболізм ліпідів в гладкому ендоплазматичному ретикулумі. Апарат Гольджі. Будова та функції. Секреторна діяльність. Екзоцитоз. Модифікація білків в апараті Гольджі. Види ендоцитозу: піноцитоз і фагоцитоз. Трансцитоз. Комплекс Ґольджі (також званий як Апарат Ґольджі, тільце Ґольджі та інші) — одномембранна органела, що є переважно в еукаріотів. Була відкрита у 1898 році італійським лікарем Камілом Ґольджі і була названа в честь нього. Основна функція комплексу Ґольджі — це гліколізація та фосфоризація речовин з ендоплазматичного ретикулуму. Це система паралельно розташованих та сплющених цистерн і трубочок, до яких прикріплюються мембранні міхурці, що транспортують речовини від ендоплазматичної сітки. Будова Ця

мембранна

дископодібними

органела

представлена

мембранними мішечками

трьома

видами

(цистернами),

утворів:

розміщеними

пучками щільно на відстані 14-25 нм з внутрішнім простором 5-20 нм (частіше по 5-6 мішечків у комплексі); системою трубочок діаметром 20-50 нм; і міхурців різних розмірів. Мішечки сполучаються між собою і мають трубочкове з'єднання з іншими такими ж апаратами. У рослинних клітинах 102


виявляється ряд окремих стопок, який називають диктіосомою. Диктіосоми можуть бути відділені одна від одної прошарками цитоплазми або з'єднаними у комплекс. В тваринних клітинах часто міститься одна велика або кілька з'єднаних трубками стопок. Функції Сортує утворені в клітині молекули, упаковує їх у пухирці, оточені мембраною. Секреція Практично всі секретуються клітиною речовини (як білкової, так і небілкової природи) проходять через апарат Гольджі і там упаковуються в секреторні бульбашки. Так, у рослин за участю діктіосом секретується матеріал клітинної стінки. У комплексі Гольджі відбувається остаточне формування

клітинних

секретів,

що

містять

глікопротеїди

і

глікозаміноглікани. Таким чином, у комплексі Гольджі відбувається дозрівання секреторних гранул, які переходять у міхурці, і переміщення цих міхурців у напрямку плазмолеми. Остаточний етап секреції — це виштовхування сформованих (зрілих) міхурців за межі клітини. Виведення секреторних включень з клітини здійснюється шляхом вмонтовування мембран міхурця в плазмолему і виділення секреторних продуктів поза клітину. У процесі переміщення секреторних міхурців до апікального полюса клітини мембрани їх потовщуються з початкових 5-7 нм досягають товщини плазмолеми 7-10 нм. Необхідно відзначити, що існує взаємозалежність між активністю клітини і розмірами комплексу Гольджі. Так, секреторні клітини мають більші стовпчики комплексу Гольджі, тоді коли несекреторні містять малу кількість мішечків комплексу. Транспорт речовин з ендоплазматичної сітки Апарат Гольджі асиметричний — цистерни, розташовані ближче до ядра клітини (цис-Гольджі) містять найменш зрілі білки, до цих цистерн безперервно

приєднуються

мембранні

пухирці

везикули,

відокремлюються від шорсткого ЕПР (ЕПР), На мембранах якого і 103


відбувається

синтез

білків

рибосомами.

Переміщення

білків

з

ендоплазматичної мережі (ЕРС) в апарат Гольджі відбувається невибіркову, однак не повністю або неправильно згорнуті білки залишаються при цьому в ЕПС. Повернення білків з апарату Гольджі в ЕПС вимагає наявності специфічної сигнальної послідовності (лізин — аспарагін-глутамін-лейцин) і відбувається завдяки зв'язування цих білків з мембранними рецепторами в цис-Гольджі. Модифікація білків в апараті Гольджі У цистернах апарату Гольджі дозрівають білки призначені для секреції, трансмембранні білки плазматичної мембрани, білки лізосом і т. д. Що достигають білки послідовно переміщуються по цистерн органели, в яких відбувається їх модифікації — глікозилювання і фосфорилювання. При Оглікозилювання до білків приєднуються складні цукру через атом кисню. При

фосфорилювання

відбувається

приєднання

до

білків

залишку

ортофосфорної кислоти. Різні цистерни апарату Гольджі містять різні резидентні каталітичні ферменти і, отже, з дозріваючим білками в них послідовно відбуваються різні процеси. Зрозуміло, що такий ступінчастий процес повинен якось контролюватися. Дійсно, що дозрівають білки «маркуються»

спеціальними

полісахаридних

залишками

(переважно

маннознимі), очевидно, що грають роль своєрідного «знаку якості». Не до кінця зрозуміло, яким чином дозрівають білки переміщаються по цистерн апарату Гольджі, у той час як резидентні білки залишаються в більшій чи меншій мірі асоційовані з однією цистерною. Існують два взаємновиключні гіпотези, що пояснюють цей механізм: • згідно з першою, транспорт білків здійснюється за допомогою таких самих механізмів везикулярного транспорту, як і шлях транспорту з ЕПР, причому резидентні білки не включаються до відбруньковувалися везикул; • згідно з другого, відбувається безперервне пересування (дозрівання) самих цистерн, Їх збирання з бульбашок з одного кінця і розбирання з іншого

104


кінця органели,

а

резидентні білки

переміщаються

ретроградно

зворотному напрямку) за допомогою везикулярного транспорту. Транспорт білків з апарату Гольджі. Зрештою від транс-Гольджі відокремлюються бульбашки, що містять повністю зрілі білки. Головна функція апарату Гольджі — сортування що проходять через нього білків. В апараті Гольджі відбувається формування «трехнаправленного білкового потоку»: • дозрівання і транспорт білків плазматичної мембрани; • дозрівання і транспорт секретів; • дозрівання і транспорт ферментів лізосом. За допомогою везикулярного транспорту пройшли через апарат Гольджі білки доставляються «за адресою» в залежності від отриманих ними в апараті Гольджі «міток». Механізми цього процесу також не до кінця зрозумілі. Відомо, що транспорт білків з апарату Гольджі вимагає участі специфічних мембранних рецепторів, які пізнають «вантаж» і забезпечують виборчу стикування бульбашки з тією чи іншою органел. Види ендоцитозу: піноцитоз і фагоцитоз. Трансцитоз. Ендоцитоз (англ. endocytosis) - процес захоплення (інтерналізації) зовнішнього

матеріалу

кліткою,

здійснюваний

шляхом

утворення

мембранних везикул. В результаті ендоцитозу клітина отримує для своєї життєдіяльності гідрофільний матеріал, який інакше не проникає через ліпідний бішар клітинної мембрани. Розрізняють фагоцитоз, пиноцитоз і рецептор-опосередкований ендоцитоз. Термін був запропонований в 1963 році бельгійським цитологом Крістіаном де Дювом для опису безлічі процесів інтерналізації, що розвинулися в клітці ссавців. Піноцитоз - процес поглинання клітиною рідкої фази з навколишнього середовища, що містить розчинні речовини , включаючи великі молекули ( білки , полісахариди та ін.) При Піноцитоз від мембрани отшнуровиваются всередину клітини невеликі пухирці - ендосоми . Вони менше фагосом (їх розмір до 150 нм ) і зазвичай не містять великих часток. Після утворення 105


ендосоми до неї підходить первинна лизосома , і ці два мембранних бульбашки зливаються. Новоутворена органела носить назву вторинної лізосоми . Процес пиноцитоза постійно здійснюють всі еукаріотичні клітини. Фагоцитоз - процес поглинання клітиною твердих об'єктів , таких як клітини еукаріот , бактерії , віруси , залишки мертвих клітин і т. п. Навколо поглощаемого об'єкта утворюється велика внутрішньоклітинна вакуоль ( фагосома ) . Розмір фагосом - від 250 нм і більше. Шляхом злиття фагосоми з первинною лизосомой утворюється вторинна лизосома . У кислому середовищі гідролітичні ферменти розщеплюють макромолекули , що опинилися у вторинній лізосоми . Продукти розщеплення (амінокислоти , моносахариди та інші корисні речовини) транспортуються потім через лізосомну мембрану в цитоплазму клітини. Фагоцитоз поширений дуже широко . У високоорганізованих тварин і людини процес фагоцитозу відіграє захисну роль. Фагоцитарна діяльність лейкоцитів і макрофагів має величезне значення в захисті організму від потрапляють в нього патогенних мікробів та інших небажаних частинок. Фагоцитоз вперше описав російський вчений І. І. Мечников. Трансцитоз- (лат. trans - крізь , через і грец. сytos - клітина ) - процес , який характерний для деяких типів клітин , об'єднуючий ознаки екзоцитозу і ендоцитозу . На одній поверхні клітини формується ендоцітозного пухирець , який переноситься до протилежного кінця клітини і стає екзоцітозним бульбашкою , виділяє свій вміст в позаклітинний простір (напр. судини). Процеси трансцитозу протікають активно в цитоплазмі плоских клітин, що вистилають судини ( ендотеліоцитах ), особливо в капілярах. У цих клітинах бульбашки , зливаючись , здатні утворювати тимчасові трансцеллюлярной канали , через які можуть транспортуватися водорозчинні молекули.

106


Тема лекційного заняття 2. Клітинна регуляція. – 4 год. / 0,12 кредит. Складові будови ядра. Ядерце і його функції. Ядерцеві організатори. Хромосоми і хроматин. Кількість і форма хромосом. Гетерохроматин. Будова ДНК і генів. Складові будови ядра. Ядро - обов'язкова складова будь-якої еукаріотичної клітини. Деякі типи клітин еукаріотів позбавлені ядра. Прикладом можуть бути тромбоцити та еритроцити більшості ссавців, ситоподібні трубки вищих рослин. У таких клітинах ядро формується на початкових етапах розвитку, а потім руйнується. Втрата ядра супроводжується нездатністю клітини до розмноження (поділу). У багатьох клітин є лише одне ядро, але є клітини, які містять декілька або багато ядер (інфузорії, форамініфери, деякі водорості, гриби, посмуговані м'язові волоконця тощо). Кожному типу клітин властиве певне стале співвідношення між об'ємами ядра та цитоплазми (ядерно-цитоплазматичне співвідношення). Ядро певного об'єму може забезпечувати процеси біосинтезу білків лише у відповідному об'ємі цитоплазми. Тому в клітинах великих розмірів або зпосиленою інтенсивністю обміну речовин часто від двох до кількох тисяч ядер. Форма ядра достатньо різноманітна. Найчастіше воно кулясте або еліпсоподібне, рідше – неправильної форми (нприклад, у деяких типів лейкоцитів ядра мають відростки). Розміри ядер варіюють від 1 мкм (деякі одноклітинні тварини, водорості) до 1 мм (яйцеклітини д��яких риб і земноводних). Ядро складається з поверхневого апарату і внутрішнього середовища (матриксу). Поверхневий апарат ядра утворений двома мембранами – зовнішньою

та

внутрішньою,

між

якими

є

заповнений

рідиною

щілиноподібний простір від 20 до 60 нм завширшки. Але в деяких місцях зовнішня мембрана сполучена з внутрішньою навколо мікроскопічних отворів – ядерних пор діаметром близько 100 нм. Отвір пори заповнений особливими глобулярними (кулястими) чи 107


фібрилярними (нитчастими) білковими структурами. Зокрема, до складу цього комплексу входить білок pецептор, здатний реагувати на речовини, які проходять через пору. Сукупність пор та цих білків називають комплексом ядерної пори. Поверхневий апарат ядра забезпечує регуляцію транспорту речовин, які проходять через нього. Із цитоплазми всередину ядра надходять синтезовані в ній білки. Натомість з ядра до цитоплазми транспортуються різні типи молекул РНК. Комплекс ядерної пори забезпечує транспорт цих сполук, здійснює їхнє впізнавання та сортування. Ядерний матрикс – внутрішнє середовище ядра – складається з ядерного соку, ядерець і ниток хроматину. Хроматин (від грец. хрома тос – фарба) – ниткоподібні структури ядра, утворені здебільшого з білків та нуклеїнових кислот. Ядерний

сік

(каріоплазма,

або

нуклеоплазма)

за

будовою

та

властивостями нагадує цитоплазму. У каріоплазмі є білкові фібрили (нитки) завтовшки 2–3 нм. Вони утворюють особливий внутрішній скелет ядра, що сполучає різні структури: ядерця, нитки хроматину, ядерні пори тощо. Білки матриксу забезпечують просторове розташування хромосом, а також впливають на їхню активність. Ядерце і його функції. Ядерця – щільні структури, які складаються з комплексів РНК з білками, хроматину і гранул, які слугують попередниками складових рибосом. У ядрі може бути від одного до багатьох ядерець (наприклад, у яйцеклітинах риб), які формуються на особливих ділянках хромосом. Ядерце — це сферичне тільце діаметром 1-5 мкм в живій клітині. Формування ядерця, як зазначалось відбувається на специфічній ділянці хромосоми — ядерцевому організаторі. Найчастіше це буває на вторинних перетяжках

хромосом,

де

розташовані

гени,

які

кодують

синтез

рибосомальних РНК. Ядерце є найщільнішою частиною ядра, яка добре фарбується основними фарбниками. 108


Функції ядерець: 1). синтез рРНК; 2). утворення субодиниць рибосом; 3). синтез ядерних білків (гістонів). Основною функцією ядерця є синтез рибосом. У геномі клітини є спеціальні ділянки, так звані ядерцеві організатори, що містять гени РНК (рРНК), навколо яких і формуються ядерця. У ядерці відбувається синтез рРНК РНК полімеразою I, її дозрівання, збірка рибосомних субчастинок. У ядерце локалізуються білки, які беруть участь у цих процесах. Деякі з цих білків мають спеціальну послідовність — сигнал ядерцевої локалізації (NoLS, від англ. Nucleolus Localization Signal). Слід зазначити, найвища концентрація білка в клітині спостерігається саме в ядерці. У цих структурах було локалізовано близько 600 видів різних білків, причому вважається, що лише невелика їх частина дійсно необхідна для здійснення ядерцевих функцій, а інші потрапляють туди не специфічно. Рибосома (ribosome) є немембранною органелою клітини, що складається з рРНК та рибосомних білків (протеїнів). Рибосома здійснює біосинтез білків транслюючи мРНК поліпептидний ланцюг. Таким чином, рибосому можна вважати фабрикою, що виготовляє білки, базуючись на наявній генетичній інформації. В клітині дозрілі рибосоми знаходяться переважно в компартментах, для активного білкового синтезу. Вони можуть вільно плавати в цитоплазмі або бути прикріпленими до цитоплазматичного боку мембран ендоплазматичного ретикулуму чи ядра. Активні (ті що є в процесі трансляції) рибосоми знаходяться переважно у вигляді полісом. Існує ряд свідчень, які вказують на те, що рибосома є рибозимом. Рибосоми— органели білкового синтезу, складаються з рРНК і білка. Більша субодиниця рибосоми має вигляд трикутника, трапеції чи ковша з поперечником в 15–18 нм, менша — нагадує телефонну трубку з поперечником 14–16 нм. Приєднуються обидві субодиниці поперечними 109


сторонами за допомогою іонів магнію (Mg2+), а між ними залишається вузька щілина. Хімічна організація рибосом. Рибосоми містять виcокополімерну рибосомальну РНК (рРНК) і білок: 40–60% рРНК і 60–40% білка. У рибосомах знаходиться близько 80–90% всієї РНК клітини. Кожна субодиниця містить по одній або дві молекулі рРНК у вигляді клубка чи тяжа, щільно упакованого білками, створюючи рибонуклеопротеїд (РНП). При зниженні концентрації іонів магнію в розчині може наступити зміна конформації РНК і розгортання тяжа. Крім цього, в рибосомах виявлені катіони кальцію. Рибосомальні РНК мають характерну вторинну структуру, яка створюється за рахунок особливих ділянок — шпильок, утворених комплементарно зв'язаними нуклеотидами. До складу рибосом входять поліаміни (діамінопропан, кадаверин, путресцин). Структурні білки рРНК

мають лужні властивості,

містять оснóвні

амінокислоти, а ферментативні — кислі. Полірибосоми скорочено, полісоми, від грец. poli — багато і soma — тіло) — це комплекс, утворений з іРНК і рибосом (від 5 до 70), нанизаних на нитку інформаційної РНК (іРНК) завтовшки 1,5 нм, яка забезпечує передачу генетичної інформації з ДНК на синтез білка. Нетранслюючі, непрацюючі рибосоми постійно обмінюються субодиницями. Збираються лише в момент роботи і формують полісоми. Отже, полісоми — це структури тимчасового характеру, зв'язані з періодичністю процесів синтезу білка. Локалізація рибосом (полісом) Рибосоми можуть розміщуватися в цитоплазмі клітини поодиноко, тоді вони функціонально неактивні. Збирання рибосом на іРНК відбувається на початку синтезу білка. Полісоми можуть бути вільно розміщеними в цитоплазмі або прикріпленими до 110


зовнішньої поверхні ендоплазматичної сітки і каріолеми. Тоді мала субодиниця рибосоми з’єднується з іРНК, а велика може приєднуватися до мембран ендоплазматичної сітки. Після завершення синтезу одного поліпептиду рибосоми можуть знов дисоціювати. Полісоми не агреговані з мембраною в клітинах з недостатньо розвиненою ендоплазматичною сіткою (овоцити), розміщуються в один ряд або утворюють розетки чи спіралі. Ядерні рибосоми знаходяться у поєднанні з ниткоподібними структурами, з яких складаються остаточні хромосоми в інтерфазному ядрі. Рибосоми виявлені також в мітохондріях і пластидах. Кількість рибосом (полісом) залежить від метаболічної активності клітини. Особливо багато полісом є в клітинах, які швидко діляться, та в таких, що продукують велику кількість білків на експорт. Кількість рибосом у таких клітинах може досягти 50 тисяч, що становить близько 25% маси всієї клітини (наприклад, у печінковій клітині). Функції рибосом трансляція, тобто зчитування коду матричної (інфоромаційної) РНК і збирання поліпептиду. Шляхом введення мічених амінокислот виявлено, що в рибосомах відбувається синтез білків. Поліпептидні молекули білка синтезуються таким чином, що певні амінокислоти в рибосомі з’єднуються одна з одною у відповідній послідовності. Тому інформаційна РНК, яка у вигляді кодонів (триплетів), кодує порядок розміщення амінокислот, повинна переміщатися по рибосомі по мірі приєднання чергової амінокислоти до попередньої. Чим більше рибосом містить полісома, тим більше молекул поліпептидів буде синтезуватися на ній одночасно. На малій субодиниці рибосоми в місці її контакту з великою знаходиться іРНК-зв’язуюча ділянка, а також ділянка, яка утримує аміноацил-тРНК. Між двома ділянками рибосоми знаходиться центр, який каталізує утворення пептидних зв’язків. Важливу роль в синтезі білка відіграє транспортна РНК (синоніми: тРНК, розчинна РНК, або РНК-переносник), функція якої полягає в тому, щоби з фонду амінокислот, утворених клітиною, вибрати “потрібну” і разом 111


з нею направитися до рибосоми. Транспортна РНК має вигляд листочка (рис. 2.20), черешок якого у кожній тРНК має такий же самий триплет нуклеотидів —ЦЦА. Ця ділянка служить для прикріплення амінокислоти, утворення аміноацил-тРНК. Друга ділянка “пізнає” “свою” амінокислоту, яка і прикріплюється до першої ділянки тРНК. Третя ділянка — це антикодон (триплет

нуклеотидів),

за

допомогою

якого

тРНК,

навантажена

амінокислотою, поміщає її на відповідне місце — кодон в іРНК, спарюючись з ним, за принципом комплементарності. Четверта ділянка тРНК пізнає рибосому на іРНК і прикріпляється до неї. Синтез білка на рибосомах починається з прикріплення рибосоми (її малої субодиниці) до певної ділянки іРНК. Дальше в рибосому вступає тРНК з амінокислотою (аміноацил-тРНК) і своїм антикодоном (триплетом нуклеодитів) контактує з комплементарним йому кодоном на іРНК. Тоді тРНК від’єднується і рибосома разом з амінокислотою переміщується на наступну позицію (рух іРНК і рибосоми є зустрічним). У рибосомі до попередньої амінокислоти приєднується наступна в складі аміноацил-тРНК шляхом утворення пептидного зв’язку. На кожному етапі відбувається приєднання до рибосоми аміноацил-тРНК знову ж таки за принципом комплементарності — антикодон тРНК до відповідного кодону іРНК. Як тільки амінокислоти з’єднуються між собою, тРНК відпадає. І так процес синтезу білкового ланцюжка продовжується і завершується звільненням оліго- чи поліпептиду від рибосоми. Рибосома, яка закінчила збирання пептидного ланцюжка дисоціює (роз’єднується) на субодиниці і може знов приєднуватися на звільнене місце в іРНК. Вважають, що розміщені вільно в гіалоплазмі полісоми синтезують білок для потреб самої клітини. Прикріплені до мембран гранулярної ендоплазматичної сітки полісоми синтезують білок на експорт для екзоцитозу, тобто виведення його за межі клітини (клітина печінки синтезує білки плазми крові, В-лімфоцити і плазмоцити — g-глобуліни). При рості молодих клітин кількість рибосом збільшується. У процесі метаболізму білки 112


цитоплазми постійно обновлюються, синтезуючись на полісомах. Рибосоми здійснюють також синтез спеціальних білків, таких як гемоглобін у попередників еритроцитів. Утворення рибосом. Рибосоми в еукаріот синтезуються в ядерці. Матрицею для рРНК є ділянки ДНК. Виділяють декілька етапів утворення рибосом з відповідними назвами: (1) еосоми (з грец— рання зірка, початок) утворюються на початковому етапі, коли в ядерці на ДНК синтезується лише рРНК; (2) неосоми (з грец. новий) — це комплекси рРНК-білок, які піддаються кількаступеневій процедурі дозрівання і як готові субодиниці потрапляють у цитоплазму і там за участю Mg2+ на іРНК з'єднуються в (3) рибосоми. Нанизуючись на нитку іРНК, утворюють полірибосоми (полісоми). У прокаріот рибосоми утворюються в цитоплазмі внаслідок простої агрегації компонентів. Таким чином, формування полісом відбувається за участю іРНК, яка синтезується в ядрі на еухроматинових ділянках хромосом і через порові комплекси потрапляє в цитоплазму. На ній і нанизуються рибосоми з участю іонів магнію. Так формуються комплекси, які синтезують білок. Будова Під

електронним

мікроскопом

у

ядерці

виділяють

кілька

субкомпартментів. Так звані фібрилярні центри оточені ділянками щільного фібрилярного компонента, де і відбувається синтез рРНК. Зовні від щільного фібрилярного компонента розташований гранулярний компонент, що представляє собою скупчення дозріваючих рибосомних субчастинок. Ядерце знаходиться всередині ядра клітини, і не має власної мембранної оболонки, однак добре помітно під світловим і електронним мікроскопом. У ядрах різних клітин, а також і в ядрі однієї і тієї ж клітини в різні моменти її життєдіяльності кількість ядерець, їх форма і розміри можуть бути різними. Часто в ядрах міститься лише 1-2 ядерця, але їх може бути 5-7 і більше. 113


Хромосоми і хроматин. Хромосоми — це одна з форм зберігання та передачі спадкової інформації. Саме в них зосереджено спадкову інформацію. Вони регулярно виявляються під час поділу клітини. Їх було названо хромосомами за здатність забарвлюватися основними барвниками (від грец. chroma — колір). Під час поділу клітини нові хромосоми утворюються лише як копії наявних хромосом, причому відбувається це за матричним принципом. Утрачені фрагменти хромосом не відновлюються. Хромосоми

утворюються

під

час

метафази

мітозу

внаслідок

суперспіралізації хроматину. Один гаплоїдний хромосомний набір людини містить 3∙109 пар нуклеотидів завдовжки близько . В одній хромосомі міститься приблизно 4–4,5 см ДНК, але довжина власне хромосоми практично ніколи не перевищує 4 мкм. довжина ДНК у найбільшій хромосомі дрозофіли становить . Водночас розміри мітотичних хромосом дуже малі: завдовжки декілька мікрометрів і заввишки 0,5–1 мкм. Рівень компактизації ДНК у мітотичній хромосомі становить 10 000. Звідси стає зрозумілим, що ДНК у складі метафазних хромосом є надзвичайно щільно компактизованою. У складі хроматину виявлено фракції ДНК, гістонів, негістонових білків, РНК і ліпідів, кількісне співвідношення яких становить 1 : 1 : (0,2–0,5) : (0,1– 0,15) : (0,01–0,03) відповідно. ДНК і білок є компонентами однієї структури — дезоксирибонуклеопротеїду (ДНП). Відносно РНК немає однозначної думки. Вона може бути фракцією РНК, що синтезується та частково пов’язана з ДНК. Проте можливо також, що це особливий вид РНК, що є компонентом хроматину. Гістони — основні білки хроматину. Їх лужні властивості зумовлені наявністю в їхньому складі великої кількості основних амінокислот, переважно лізину й аргініну. Ці амінокислоти становлять 20–30 % молекулярної маси гістонів. У складі гістонових білків виявлено 5 фракцій: Н1, Н2а, H2b, Н3, Н4. У 114


молярних співвідношеннях 4 фракції — H2b, Н2а, Н3 і Н4 — містяться в хроматині приблизно в рівних кількостях. Вміст гістону Н1 приблизно у 2 рази менший, але його молекулярна маса у два рази більша, ніж у решти гістонів, тому їх масові відношення однакові. На відміну від хромосом еукариотів, у складі бактеріальних хромосом немає сильноосновних білків, аналогічних гістонам. Функціональна роль гістонів пов’язана із забезпеченням структури хроматину, специфічним

укладанням

хромосомної ДНК, зміни якої

відіграють важливу роль у регуляції транскрипції генів. Негістонові білки хроматину становлять близько 20 % від маси гістонів. Цю фракцію хроматину вивчено недостатньо. Відомо, що це дуже різноманітні (декілька сотень) кислі білки. Серед них виявлено структурні компоненти хроматину, що забезпечують вищі рівні упаковки генетичного матеріалу; ряд ферментів, відповідальних за реплікацію, транскрипцію, репарацію та модифікації ДНК; ферменти модифікації гістонів, а також багато інших білків. Очевидно, деякі з негістонових білків є регуляторними білками, що зв’язуються з певними нуклеотидними послідовностями в молекулі ДНК. У фракції РНК хроматину виявлено всі відомі види клітинної РНК, що синтезуються або дозрівають і пов’язані з ДНК. Роль ліпідів у складі та функціонуванні хромосом поки що не з’ясовано. Отже, довжина молекули ДНК в одній еукаріотичній хромосомі становить кілька сантиметрів, а розміри самої хромосоми значно менші. Це досягається завдяки взаємодії ДНК з білками хроматину та утворенню структури, у якій можна виділити декілька рівнів організації. Перший рівень — це 100 Å-нуклеосомна фібрила, або нуклеосома. Кожна нуклеосома є комплексом, що складається з відрізка ДНК завдовжки 200 пар нуклеотидів і восьми молекул гістонів (по дві молекули гістонів Н2a, Н2b, Н3 і Н4). Її діаметр становить ≈10 нм, або 100 Å, що й покладено в основу назви цього рівня організації хроматину. ДНК у складі нуклеосоми 115


намотується на поверхню білкового октамеру, утворюючи при цьому 1,5 витка. Другий рівень організації хроматину — соленоїд, або нуклеомер. Річ у тім, що в ядрах ДНК входить до складу фібрил діаметром до 300 Å. Один з видів гістонів (Н1) викликає згортання 100 Å-нуклеосомної фібрили в 300 Åнуклеосомну, причому в одному нуклеомері міститься по 7–8 нуклеосом. Третій рівень організації хроматину — петлі — виникає в процесі подальшого згортання 300 Å- нуклеосомної фібрили. Метафазні хромосоми мають деякий білковий остов, від якого 300 Å-нуклеосомні фібрили відходять, утворюючи петлі. І нарешті, четвертий рівень організації хроматину — це вкладання його вметафазну хромосому. Ультратонку будову хромосом до кінця ще не вивчено, але припускають, що найімовірнішим є спіральне вкладання ниток з утворенням соленоїда. Діаметр такого соленоїда має становити близько 2 мкм, а на кожен його виток припадає приблизно 10 петель. Отже, формування хромосом у метафазі мітозу відбувається за рахунок спіралізації білкового остову хромосом. Процес цієї спіралізації є нерівномірним за довжиною та несинхронним у часі для різних ділянок хромосом. Через це деякі ділянки хромосом виявляються більшою мірою компактизованими: під час забарвлювання вони мають вигляд темніших. Ці ділянки називають гетерохроматичними, тобто такими, що складаються з гетерохроматину. Водночас інші ділянки мають більш рихлу структуру, оскільки є менш компактизованими, тому вони забарвлюються значно менше. Ці ділянки називають еухроматичними (вони складаються з еухроматину). Розподіл гетерохроматичних і еухроматичних ділянок є найважливішою характеристикою хромосом. Гетерохроматичні ділянки залишаються щільнішими не тільки під час поділу клітини й виявляються навіть у світловий мікроскоп в інтерфазному ядрі. Часто саме як ділянку гетерохроматину в ядрі видно одну з хромосом, за якою розрізняються особини різної статі (наприклад, Y-хромосома у самців XY). Припускають, що гетерохроматичні ділянки виконують структурну функцію. 116


Інколи деякі ділянки еухроматину можуть спіралізуватися й виявляти властивості гетерохроматину. Саме так у самиць ссавців виявляється спіралізованою одна з Х-хромосом. Її спостерігають у світловий мікроскоп як ділянку гетерохроматину й називають тільце Барра. Мабуть, еухроматичні ділянки містять гени. У

макроскопічній

будові

хромосом

виділяють

кілька

ділянок.

Насамперед це первинна перетяжка — центромера, яка ділить хромосому на два плечі. За відносними розмірами плечей хромосоми ділять на метацентричні (з рівними плечима), субметацентричні (з різними плечима) й акроцентричні (хромосоми пал��чкоподібної форми з дуже коротким другим плечем). У ділянці первинної перетяжки з’єднуються дві хроматиди — подовжні частини хромосоми (до складу кожної хромосоми входить дві хроматиди). Тут же розташовано кінетохор — пластинчасте утворення, до якого приєднуються нитки веретена поділу. Цю структуру хромосоми ще вивчено недостатньо . Відомо, що кінетохор може ініціювати полімеризацію тубулінів та утворення мікротрубочок веретена поділу. Ділянки хромосом, що

прилягають

до

центромери,

містять

фракції

ДНК

сателіта

з

послідовностями нуклеотидів, що часто повторюються. Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. У місці вторинної перетяжки розташовані гени, що відповідають за утворення ядерця, і гени рибосомних РНК. Хромосоми, що мають вторинні перетяжки, можуть об’єднуватися між собою цими ділянками. Саме тут утворюються ядерця, тому

ділянку

організатора.

вторинної Дистальну

перетяжки ділянку

називають

плеча,

зоною

ядерцевого

відокремлювану

вторинною

перетяжкою, називають супутником (сателітом). Ділянки хромосом, що прилягають до зони вторинної перетяжки та розташовані на кінцях плечей (у зоні теломер), складаються, як правило, з гетерохроматину. Теломери мають бути дуже щільними, оскільки перешкоджають з’єднанню хромосом між собою. Хромосоми без теломер називають «липкими»: вони можуть легко приєднуватися одна до одної. Таким чином, функція теломер полягає в 117


підтримуванні цілісності та індивідуальності хромосом. Особини кожного виду мають постійну кількість хромосом, але вона варіює від одного виду до іншого. Згідно з теорією індивідуальності хромосом Бовері, окремі хромосоми в клітинному ядрі розрізняються за формою, розмірами та функціональним значенням. Статеві клітини містять один набір хромосом, їхні ядра гаплоїдні. Унаслідок злиття статевих клітин (запліднення) кількість хромосом подвоюється. Ядра зиготи й усіх клітин, які з неї утворюються, диплоїдні. Диплоїдний набір хромосом, їх будова та індивідуальні особливості становлять зміст терміна каріотип. Кількість і форма хромосом Диплоїдний В ядрах соматичних клітин (тобто клітин тіла) міститься повний подвійний набір хромосом. В ньому кожна хромосома має свого гомологічного «партнера». Такий набір хромосом називають диплоїдним і позначають «2n» Гаплоїдний В ядрах гамет (статевих клітин) на відміну від соматичних, є лише по одній хромосомі з кожної гомологічної пари. Всі вони різні. негомологічні. Такий одинарний набір хромосом називають гаплоїдним і позначають як «n». При заплідненні відбувається злиття гамет, кожна з яких вносить в зиготу гаплоїдний набір хромосом, і відновлюється диплоїдний набір: n + n = 2n. В деяких організмів може внаслідок мутацій змінюватись диплоїдний набір хромосом — див. поліплоїдія або анеуплоїдія. Мітотична суперкомпактізація хроматину уможливлює вивчення зовнішнього вигляду хромосом за допомогою світлової мікроскопії. У першій половині мітозу вони складаються з двох хроматид , з'єднаних між собою в області первинної перетяжки ( центромери або кінетохора ) особливим чином організованого ділянки хромосоми , спільного для обох 118


сестринських

хроматид

.

У другій

половині мітозу

відбувається

відділення хроматид один від одного. З них утворюються однонитчатим дочірні хромосоми , що розподіляються між дочірніми клітинами. Залежно від місця положення центромери і довжини плечей , розташованих по обидві сторони від неї , розрізняють кілька форм хромосом : Рівноплечі неравноплечіе

або (з

метацентричні

центромерой,

центромерой

зрушеної

до

одного

посередині), з

кінців)

,

паличкоподібні (з центромерой , розташованої практично на кінці хромосоми), точкові - дуже невеликі , форму яких важко визначити. При рутинних методах забарвлення хромосом вони розрізняються за формою

і

співвідносних

розмірами.

При

використанні

методик

диференціальної забарвлення виявляється неоднакова флуоресценція або розподіл барвника по довжині хромосоми , суворо специфічні для кожної окремої хромосоми і її гомолога. Таким чином, кожна хромосома індивідуальна не тільки за укладеним в ній набору генів, а й по морфології і характером диференціального фарбування .

I - телоцентрична, II - акроцентрична, III-субметацентрична, IV-метацентрична; 1 - центромера, 2 - супутник, 3 - коротке плече, 4 - довге плече, 5 – хроматини.

Гетерохроматин

конденсований

(компактизований)

стан

хроматину, що утворює хромоцентри в ядрі на стадії інтерфази, а також ділянки

інтенсивного

забарвлення

на

метафазних

хромосомах.

Особливістю гетерохроматину є транскрипційна інертність ДНК, що входить до його складу. На початку ХХ століття дослідниками в галузі 119


цитології були помічені особливості забарвлення ядра та хромосом. Як в інтерфазному ядрі, так і в хромосомах були знайдені ділянки більш інтенсивно забарвлені специфічним до ДНК барвником. Німецький дослідник

Еміль

Хайц

вперше

висунув

гіпотезу,

що

інтенсивно

зафарбовані частини ядра і хромосом відповідають більш щільно компактизованому «гетерохроматин»

хроматину. для

даних

Ним

було

районів

і

введено

терміни

«еухроматин»

для

деконденсованого генетично активного хроматину. Більшість дослідників розрізняють поняття конститутивний і факультативний гетерохроматин. Конститутивний

(структурний)

гетерохроматин

залишається

висококомпактизованим протягом всього клітинного циклу, фактично не має генів, ДНК-компонент структурного гетерохроматину представлений сателітними ДНК. Факультативний гетерохроматин найчастіше є формою існування інактивованих в ході індивідуального розвитку локусів хромосом. Його особливістю є здатність переходити в активний стан, деконденсуватися. Будова ДНК і генів. Дезоксирибонуклеї́ нова кислота́ (ДНК) — один із двох типів природних нуклеїнових кислот, що забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку й функціонування живих організмів. Основна роль ДНК в клітинах — довготривале зберігання інформації про структуру РНК і білків. У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК міститься в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, міститься в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріотів (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одноабо дволанцюгові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів. 120


З хімічної точки зору, ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі». У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів,

наприклад

метилювання).

Азотисті

основи

одного

з

ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з

тиміном,

гуанін

тільки з

цитозином.

Послідовність

нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими

з

яких

є

інформаційні,

або

матричні

(мРНК),

рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і трансляції). Крім кодівних послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують

регуляторні

і

структурні

функції.

Ділянки

кодівної

послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами. У геномах еукаріотів містяться також довгі послідовності без очевидної функції (некодівні послідовності, інтрони). Також у складі геному досить поширені генетичні паразити — транспозони і вірусні або схожі на них послідовності. Розшифровка структури ДНК (виконана в 1953 році) стала одним з 121


поворотних моментів в історії біології. За видатний внесок у це відкриття Френсісу Кріку, Джеймсу Ватсону і Морісу Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини 1962 року. Дезоксирибонуклеїнова

кислота

є

біополімером

(поліаніоном),

мономерами якого є нуклеотиди[8][9]. Кожен нуклеотид складається із залишку фосфорної кислоти, приєднаного за 5'-положенням до цукру дезоксирибози, до якого також через глікозидний зв'язок (C—N) за 1'положенням приєднана одна з чотирьох азотистих основ. Саме наявність характерного цукру і складає одну з головних відмінностей між ДНК і РНК, зафіксовану в назвах цих нуклеїнових кислот (до складу РНК входить цукор рибоза)[10]. Приклад нуклеотиду — аденозинмонофосфат — де основа, приєднана до фосфату і рибози, це аденін, показаний на малюнку. Виходячи із структури молекул, основи, що входять до складу нуклеотидів, розділяють на дві групи: пуринові (аденін [A] і гуанін [G]), утворені

сполученими

п'яти-

і

шестичленним

гетероциклами

і

піримідинові (цитозин [C] і тимін [T]) — утворені одним шестичленним гетероциклом. Як виняток, наприклад, у бактеріофага PBS1, в ДНК зустрічається п'ятий тип основ — урацил (U), піримідинова основа, що зазвичай входить до складу РНК замість тиміну і відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи на кільці[12]. Слід зазначити, що тимін і урацил не так строго приурочені до ДНК і РНК відповідно, як це вважалося раніше. Так, після синтезу деяких молекул РНК значне число урацилів у цих молекулах метилюєтся за допомогою спеціальних ферментів, перетворюючись на тимін. Це відбувається в транспортних і рибосомних РНК. Полімер ДНК має досить складну структуру. Нуклеотиди ковалентно сполучені між собою в довгі полінуклеотидні ланцюжки. Ці ланцюжки в 122


переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що мають одноланцюжковий ДНК-геном), у свою чергу, попарно об'єднуються за допомогою водневих зв'язків у структуру, що отримала назву подвійної спіралі[3][10]. Фосфатні групи формують фосфодіестерні зв'язки між третім і п'ятим атомами вуглецю сусідніх молекул дезоксирибози, в результаті взаємодії між 3-гідроксильною (3 —ОН) групою однієї молекули дезоксирибози і 5-фосфатною групою (5 —РО3) іншої. Асиметричні кінці ланцюжка ДНК називаються 3' (три-прайм) і 5' (п'ятьпрайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль при синтезі ДНК (подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3' кінцю). Як вже було сказано вище, у переважної більшості живих організмів ДНК складається не з одного, а з двох полінуклеотидних ланцюжків. Ці два довгі ланцюжки закручені один навколо іншого у вигляді подвійної спіралі, що стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між повернутими один до одного азотистими основами ланцюжків, що входять до неї. У природі ця спіраль, зазвичай, правозакручена. Напрями від 3' кінця до 5' кінця в двох ланцюжках, з яких складається молекула ДНК, протилежні (ланцюжки «антипаралельні» один одному). Ширина подвійної спіралі в її найпоширенішій B-формі становить від 22 до 24 Å, або 2,2 — 2,4 нм, а довжина кожного нуклеотида 3,3 Å (0,33 нм)[15]. Довжина всієї молекули залежить від виду організму, та може складати від десятків мікрон у деяких вірусів до кількох метрів (в одній хромосомі) у деяких рослин. Подібно до того, як в гвинтових сходах збоку можна побачити сходинки, на подвійній спіралі ДНК в проміжках між фосфатним остовом молекули можна бачити ребра основ, кільця яких розташовані

в

площині,

перпендикулярній

до

подовжньої

осі

макромолекули. У подвійній спіралі розрізняють малу (12 Å) і велику (22 Å) борозенки. Білки, наприклад, фактори транскрипції, які приєднуються до 123


певних послідовностей в дволанцюжковій ДНК, зазвичай взаємодіють з краями основ у великій борозенці, де вони доступніші Кожна основа на одному з ланцюжків зв'язується з однією певною основою на іншому ланцюжку. Таке специфічне зв'язування називається комплементарним. Пуринові основи комплементарні піримідиновим (тобто, здатні до утворення водневих зв'язків з ними): аденін утворює зв'язки тільки з тиміном, а цитозин — з гуаніном. У подвійній спіралі ланцюжки також зв'язані за допомогою гідрофобної взаємодії і стекінгу, які не залежать від послідовності основ ДНК[18]. Комплементарність подвійної спіралі означає, що інформація, що міститься в одному ланцюжку, міститься і в іншому ланцюжку. Оборотність і специфічність взаємодій між комплементарними парами основ важлива для реплікації ДНК і решти всіх функцій ДНК в живих організмах. Оскільки водневі зв'язки нековалентні, вони легко розриваються і відновлюються. Ланцюжки подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією ферментів (гелікази) або при високій температурі. Різні пари основ утворюють різну кількість водневих зв'язків. A-T зв'язані двома, G-C — трьома водневими зв'язками, тому на розрив GC потрібно більше енергії. Відсоток GC пар і довжина молекули ДНК визначають кількість енергії, необхідної для дисоціації ланцюжків: довгі молекули ДНК з великим вмістом GC більш «тугоплавкі». Якщо узятися за кінці мотузки і почати скручувати їх у різні боки, вона стає коротшою і на мотузці утворюються великі «супервитки». Також може бути суперскручена й ДНК. У звичайному стані ланцюжок ДНК робить один оберт на кожні 10,4 основ, але в суперскрученому стані спіраль може бути згорнута

тугіше

або

розплетена[33].

Виділяють

два

типи

суперскрученості: позитивну — у напрямі нормальних витків, при якому основи розташовані ближче одна до одної; і негативну — в протилежному напрямку. У природі молекули ДНК зазвичай перебувають в стані 124


негативної

суперскрученості,

який

вноситься

ферментами,

топоізомеразами. Ці ферменти вилучають додаткову скрученість, що виникає в ДНК в результаті транскрипції та реплікації. ДНК може пошкоджуватись окислюючі

й

електромагнітна

різноманітними алкілюючі радіація

мутагенами,

речовини, —

а

також

ультрафіолетове

до

яких

належать

високоенергетична й

рентгенівське

випромінювання. Тип пошкодження ДНК залежить від типу мутагена. Наприклад, ультрафіолет пошкоджує ДНК шляхом появи в ній димерів тиміну, які утворюються при формуванні ковалентних зв'язків між сусідніми основами. Активні форми кисню, наприклад «вільні» радикали або перекис водню призводять до кількох типів пошкодження ДНК, включаючи модифікації основ, особливо гуанозину, а також дволанцюжкові розриви в ДНК. За деякими оцінками у кожній клітині людини близько 500 основ пошкоджуються окислюючими сполуками щодня[. Серед різних типів пошкоджень найнебезпечніші — дволанцюжкові розриви, тому що вони важко репаруються і можуть призвести до втрат ділянок хромосом (делецій) і транслокацій. Багато молекул мутагенів вставляються (інтеркалюються) між двома сусідніми парами основ. Більшість цих сполук, наприклад, бромистий етидій,

дауноміцин,

доксорубіцин

і талідомід,

мають ароматичну

структуру. Для того, щоб ароматична сполука могла вміститися між основами, вони повинні розійтися, розплітаючи й порушуючи структуру подвійної спіралі. Ці зміни в структурі ДНК перешкоджують транскрипції і реплікації, викликаючи мутації. Тому інтеркалюючі речовини часто є канцерогенами, найвідоміші з яких — бензопірен, акридини, афлатоксини і бромистий етидій. Попри ці негативні властивості, в силу своєї здатності пригнічувати транскрипцію і реплікацію ДНК, деякі речовини, що інтеркалюють до ДНК, використовуються в хіміотерапії для пригнічення швидкого росту ракових клітин. 125


Біологічна роль ДНК ДНК

є

нуклеотидної

носієм

генетичної

послідовності

за

інформації, допомогою

записаної генетичного

у

вигляді коду.

З

молекулами ДНК зв'язані дві основоположні властивості живих організмів — спадковість і мінливість. У ході процесу, що називається реплікацією ДНК, утворюються дві копії початкового ланцюжка, які успадковуються дочірніми клітинами при поділі. Клітини, що утворилися таким чином, будуть генетично ідентичними. Генетична інформація, потрібна для життєдіяльності клітини, зчитується при експресії генів. У більшості випадків вона використовується для біосинтезу білків у процесах транскрипції (синтезу молекул РНК на матриці ДНК) і трансляції (синтезу білків на матриці РНК). Послідовність нуклеотидів «кодує» інформацію про різні типи РНК: кодівні — матричні або інформаційні (мРНК) — та некодівні — рибосомальні (рРНК), транспортні (тРНК), каталітичні та інші. Всі ці типи РНК синтезуються на основі ДНК у процесі транскрипції. Їхня роль у біосинтезі білків та інших процесах життєдіяльності клітини різна. Матрична РНК містить інформацію про послідовність амінокислот у білку, рибосомальні РНК служать основою для рибосом (складних нуклеопротеїнових комплексів, основна функція яких — збірка білка з окремих амінокислот на основі мРНК), транспортні РНК доставляють амінокислоти до місця збірки білків — в активний центр рибосоми, що рухається по мРНК. Клітинні РНК утворюються в ході процесу , званого транскрипцією , тобто синтезу РНК на матриці ДНК , здійснюваного спеціальними ферментами - РНК- полімерази . Транскрііпція (від лат. Transcriptio - переписування ) - процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриці , що відбувається в усіх живих клітинах. Іншими словами , це перенесення генетичної інформації з ДНК на 126


РНК. Транскрипція

каталізується

ферментом

ДНК

-залежної

РНК-

полімеразою . Процес синтезу РНК протікає в напрямку від 5'- до 3' кінця , тобто по матричної ланцюга ДНК РНК- полімераза рухається в напрямку 3'- > 5 ' Транскрипція складається з 3 стадій: 1). ініціації ; 2). елонгації ; 3). термінації . Ініціація

транскрипції

послідовності ДНК

-

складний

процес,

що

залежить

від

поблизу транскрібіруемих послідовності і від

наявності або відсутності різних білкових факторів. Фактори

транскрипції

(

транскрипційні

фактори)

-

білки

,

контролюючі процес синтезу мРНК на матриці ДНК ( транскрипцію ) шляхом зв'язування зі специфічними ділянками ДНК. Транскрипційні фактори виконують свою функцію або самостійно, або в комплексі з іншими білками. Вони забезпечують зниження ( репрессори ) або підвищення ( активатори ) константи зв'язування РНК- полімерази з регуляторними послідовностями регульованого гена. На стадії елонгації в ДНК розплетіть приблизно 18 пар нуклеотидів. Приблизно 12 нуклеотидів матричної нитки ДНК утворює гібридну спіраль із зростаючим кінцем ланцюга РНК. У міру руху РНК- полімерази по матриці попереду неї відбувається розплітання , а позаду - відновлення подвійної спіралі ДНК. Одночасно звільняється чергова ланка зростаючої ланцюга РНК з комплексу з матрицею і РНК- полімеразою . Ці переміщення повинні супроводжуватися відносним обертанням РНКполімерази і ДНК. Не виключено , що для запобігання такого обертання рухався по ДНК РНК- полімеразу супроводжують топоізомерази . У бактерій є два механізму термінації транскрипції : ро - залежний механізм , при якому білок Rho (ро) дестабілізує 127


водневі зв'язки між матрицею ДНК і мРНК , вивільняючи молекулу РНК. ро - незалежний , при якому транскрипція зупиняється , коли тільки що синтезована молекула РНК формує стебло - петлю , за якої розташовано кілька урацілом (... УУУУ ) , що призводить до від'єднання молекули РНК від матриці ДНК. Трансляция (от лат. translatio — перевод) — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК),

осуществляемый

рибосомой.

Синтез

білка

є

основою

життєдіяльності клітини. Для здійснення цього процесу в клітинах всіх без винятку організмів є спеціальні органели - рибосоми. Рибосоми являють собою рібонуклеопротєїдниє комплекси , побудовані з 2 субодиниць : великої і малої . Функція рибосом полягає у впізнавання трибуквених ( трехнуклеотідних ) кодонів мРНК , зіставленні їм відповідних антикодон тРНК , несучих амінокислоти, і приєднання цих амінокислот до зростаючої білкової ланцюга. Рухаючись уздовж молекули мРНК , рибосома синтезує білок відповідно до інформації , закладеної в молекулі мРНК. Для впізнавання амінокислот в клітці є спеціальні « адаптери» , молекули транспортної РНК ( тРНК) . Ці молекули, що мають форму листа конюшини , мають ділянку ( антикодон ) , комплементарний кодону мРНК , а також іншу ділянку , до якого приєднується амінокислота , що відповідає цьому кодону . Приєднання амінокислот до тРНК здійснюється в енерго -залежної реакції ферментами аміноацил -тРНК - синтетазами , а вийшла молекула називається аміноацил -тРНК . Таким чином , специфічність трансляції визначається взаємодією між кодоном мРНК і антикодоном тРНК , а також специфічністю аміноацил -тРНК - синтетаз , що приєднують амінокислоти строго до відповідних їм тРНК (наприклад , кодону GGU відповідатиме тРНК , що містить антикодон CCA , а до цієї тРНК приєднуватиметься тільки амінокислота гліцин ) . Структура геному. 128


Більшість природних ДНК має двухцепочечную структуру , лінійну ( еукаріоти , деякі віруси і окремі роди бактерій) або кільцеву ( прокаріоти , хлоропласти і мітохондрії ) . Лінійну одноцепочечную ДНК містять деякі віруси і бактеріофаги . Молекули ДНК знаходяться in vivo в щільно упакованому , конденсованому

стані.

У

клітинах

еукаріот

ДНК

розташовується

головним чином в ядрі у вигляді набору хромосом. Бактеріальна ( прокаріоти ) ДНК зазвичай представлена однією кільцевою молекулою ДНК , розташованої в неправильної форми освіті в цитоплазмі , званим нуклеоидом . Генетична інформація геному складається з генів. Ген (др.-греч. Γένος - рід) - структурна і функціональна одиниця спадковості живих організмів. Ген являє собою ділянку ДНК, що задає послідовність певного поліпептиду або функціональної РНК. Гени визначають спадкові ознаки організмів, що передаються від батьків

потомству

при

розмноженні.

При

цьому

деякі

органели

(мітохондрії, пластиди) мають власну, визначальну їх ознаки, ДНК, що не входить в геном організму.

Клітинний цикл. Мітотичний індекс. Тривалість клітинного циклу. Регуляція клітинного циклу. Поняття мітозу і характеристика його етапів. Мейоз. Значення кросинговеру. Онтогенез – процес індивідуального розвитку особини від моменту утворення зиготи до кінця життя організму. 129


Клітинний цикл – це період життя клітини від одного поділу до іншого.

Клітинний цикл складається з інтерфази і процесу поділу клітини (рис. 60). Характеристику основних подій, які відбуваються у клітині впродовж клітинного циклу наведено у табл. Таблиця Фази клітинного циклу Фаза G1

Події, що відбуваються в клітині Інтенсивні процеси синтезу в клітині. Утворення клітинних органел.

Інтенсивний

клітинний

метаболізм.

Ріст

клітини.

Утворення речовин, що пригнічують чи стимулюють початок наступної фази S

Реплікація ДНК. Синтезуються білкові молекули гістони, що покривають

кожний

ланцюг

ДНК.

Кожна

хромосома

перетворюється на дві хроматиди. На цій стадії клітина містить чотири копії кожної молекули ДНК, по дві у кожній з гомологічних хромосом (4n) 130


G2

Інтенсивні процеси синтезу в клітині. Поділ мітохондрій і хлоропластів. Збільшення запасів енергії. Починається утворення веретена поділу. Поділ ядра, що складається з чотирьох стадій

М С

Рівномірний поділ органел і цитоплазми між дочірніми клітинами У період інтерфази відбувається біосинтез білка, нуклеїнових кислот,

ліпідів

тощо;

подвоюються

всі

найважливіші

структури

клітини,

подвоюється ДНК (процес займає не всю інтерфазу, а тільки s-період), росте ядро та цитоплазма. Тривалість інтерфази неоднакова. У середньому у рослин, тварини вона дорівнює 10 – 20 годин, але є клітини, які не діляться, інтерфаза в них – кілька років (нервові клітини). Мітоз Мітоз (від грецьк. мitos – нитка) – основний спосіб поділу еукаріотичних клітин. У результаті кожна з дочірніх клітин отримує такий само набір хромосом, який був у материнській клітині. Фази мітозу такі: профаза, метафаза, анафаза, тілофаза. Мітотичний індекс - кількість клітин, що знаходяться у фазі мітозу. Застосовується для оцінки мітотичної активності тканин У профазі (рис. ) стають помітні центріолі (у вищих рослин немає). Вони відходять до полюсів клітини, утворюються нитки веретена поділу. В кінці профази відбувається руйнування ядерної оболонки, зникнення ядерця, спіралізація хромосом (стає помітним, що кожна з них складається з двох хроматид).

131


Рис..

Профаза

мітозу У

метафазі хромосоми

розміщені по центру екваторіальної пластинки;

стають

помітні центромери хромосом, до яких прикріплюються нитки веретена поділу.

Рис.

Метафаза

мітозу У

анафазі

центромери поділяються, хроматиди хромосоми)

(рис.)

хромосом і (дочірні за 132


допомогою ниток веретена поділу розходяться до полюсів клітини.

Тілофаза (рис.) починається після того, як дочірні хромосоми досягають полюсів клітини. Хромосоми знов деспіралізуються і набувають вигляду довгих тонких ниток. Тілофаза мітозу Навколо хромосом виникає ядерна оболонка, формується ядерце, в якому синтезуються рибосоми. Відбувається поділ цитоплазми, під час якого всі органоїди більш-менш рівномірно розподіляються між дочірніми клітинами. Значення мітозу Генетична стабільність. У результаті мітозу виникають два ядра, кожне з яких містить стільки ж хромосом, скільки їх було в батьківському ядрі. Оскільки хромосоми походять він батьківських хромосом точною реплікацією ДНК, їхні гени містять однакову генетичну інформацію. Дочірні клітини ідентичні батьківській клітині, так що ніяких змін у генетичну інформацію мітоз внести не може. Тому популяції клітин (клони), що походять від тих самих батьківських клітин, генетично стабільні. Ріст. У результаті мітозів кількість клітин у даному організмі зростає, і це лежить в основі росту багатоклітинних організмів.

133


Заміщення клітин. Заміщення клітин і тканин також пов’язано з мітозом. Клітини постійно гинуть і заміщаються новими — наочним прикладом служать клітини шкіри. Регенерація. Деякі тварини здатні до регенерації втрачених частин тіла, наприклад ніг (ракоподібні) чи променів (морські зірки). Необхідні для цього клітини утворюються в результаті мітозів. Безстатеве

розмноження.

Мітоз

лежить

в

основі

безстатевого

розмноження – продукування нових організмів даного виду однією батьківською особиною. Безстатеве розмноження властиве багатьом видам.

Мейоз

Мейоз (від грецьк. meiosis — зменшення) — форма поділу ядра, що супроводжується зменшенням кількості хромосом від диплоїдного (2n) до гаплоїдного (n), тому мейоз називається ще редукційним поділом . Як і при мітозі, під час інтерфази відбувається реплікація ДНК у батьківській клітині, однак за цим відбуваються два цикли поділу ядра і поділу клітин, відомі як перший поділ мейозу (мейоз I) і другий поділ мейозу (мейоз II). Отже, одна диплоїдна клітина дає початок чотирьом гаплоїдним клітинам. Мейоз відбувається при утворенні сперміїв і яйцеклітин (гаметогенез) у тварин і при утворенні спор у рослин та деяких мікроорганізмів. Подібно до 134


мітозу, мейоз — безупинний процес, але його теж можна заради зручності поділити на профазу, метафазу, анафазу і тілофазу. Ці стадії відбуваються у процесі першого поділу мейозу і ще раз повторюються у другому. У результаті мейозу з однієї батьківської клітини утворюються чотири дочірні клітини, кожна з яких містить половину кількості хромосом батьківської клітині. Звичайно батьківська клітина буває диплоїдною, а тому дочірні клітини гаплоідні. Фази мейозу І Профаза I Найтриваліша фаза.

Рання профаза І мейозу Під час ранньої профази І хромосоми коротшають і стають видимі як дискретні структури (рис. 66).

135


Профаза І мейозу Під час профази І гомологічні хромосоми спаровуються (рис. 67). Цей процес називається синапсісом, а кожна пара хромосом — бівалентом; одна хромосома походить від батьківської клітини, інша — від материнської. Обидві хромосоми бівалента мають однакову довжину, їхні центромери займають однакове положення і вони, як правило, складаються з однакової кількості генів, розташованих у тому самому порядку. Біваленти коротшають і товщають, частково за рахунок скручування. Хромосоми і центромери на цій стадії чітко помітні. Гомологічні хромосоми як би відштовхуються одна від одної і частково розділяються. Стає видно, що кожна з них складається з двох хроматид. Хромосоми усе ще з'єднані між собою у декількох місцях. Ці місця називаються хіазмами (від грецьк. chiasma

перехрест). У кожній з хіазм відбувається обмін хроматидами,

між який

здійснюється в результаті розриву. Кросінговер під час профази І. відновлення між кожними двома з чотирьох ниток, які є в кожної хіазмі. У результаті гени однієї хромосоми (наприклад, батьківської А, В, С виявляються зв’язаними з генами з іншої хромосоми (материнської а, Ь, с), що приводить до нових генних комбінацій у хроматидах, що утворюються . Цей процес називають кросінговером (рис.68).

136


Хроматиди гомологічних хромосом продовжують відштовхуватися одна від

одної,

конфігурації

і біваленти залежно

від

набувають

певної

кількості

хіазм.

(Біваленти з однієї хіазмою утворюють хрести (рис.

69),

із

двома

хіазмами

набувають

кільцевоподібної форми, а з трьома і більше хіазмами утворюють петлі, розташовані під прямими кутом одна до одної.) Бівалент з одиночною хіазмою: у результаті повороту хроматид утворилась хрестоподібна структура До кінця профази I усі хромосоми цілком скорочуються та інтенсивно забарвлююються; центріолі (якщо вони є) мігрують до полюсів; ядерця і ядерні оболонки дезінтегруються; утворюються нитки веретена. Метафаза І Біваленти “шикуються” біля екватора веретена, прикріплюючись до ниток центромерами (рис. ).

. Метафаза І 137


Анафаза І. Нитки

веретена

тягнуть

гомологічні

хромосоми,

починаючи

з

центромер, до протилежних полюсів веретена. У результаті хромосоми розділяються на два гаплоїдних набори, по одному на кожнім полюсі веретена (рис.). Тілофаза І Розходження

гомологічних

хромосом

до

протилежних

полюсів

відповідає закінченню мейозу I. Кількість хромосом зменшилася вдвічі, але вони усе ще складаються з двох хроматид кожна. Якщо відбувся кросінговер, то ці хроматиди генетично неідентичні і при другому мейотичному розподілі повинні будуть розійтися. Веретена і їхні нитки звичайно зникають. У тварин і деяких рослин хроматиди, як правило, розкручуються, на кожному полюсі знову утворюється ядерна оболонка, і ядро вступає

в

інтерфазу.

Потім

відбувається

дроблення (у тварин) чи формування клітинної стінки (у рослин) як при мітозі. У багатьох рослин не спостерігається ні тілофази, ні утворення клітинної стінки, ні інтерфази, і клітина з анафази I прямо переходить у профазу другого мейотичного поділу. Інтерфаза II Ця стадія, як правило, є тільки у тваринних клітин. Її тривалість варіює. Подальшої реплікації ДНК не відбувається. Мейоз II подібний до мітозу Фази мейозу II .Профаза II 138


У разі відсутності інтерфази II ця стадія також відсутня. Ядерця і ядерні мембрани руйнуються, а хроматиди коротшають і товщають. Центріолі, якщо вони є, переміщаються до протилежних полюсів клітини, і до кінця профази II з'являються нові нитки веретена. Вони розташовані під прямими кутами до веретена мейозу I рис.

Профаза

ІІ

Метафаза II Хромосоми “шикуються” кожна окремо навколо екватора веретена поділу

Рис. Метафаза ІІ Анафаза II

139


Центромери поділяються, і нитки веретена розтаскують їх, а за

ними і хроматиди, до протилежних полюсів (рис. 75, а).

Рис. Анафаза ІІ (а) та тілофаза ІІ й розподіл цитоплазми у тваринній клітині (б) Тілофаза II Відбувається так само, як тілофаза мітозу з тієї лише різницею, що утворюються чотири гаплоїдні дочірні клітини. Хромосоми розкручуються, подовжуються і стають ледве помітними. Нитки веретена зникають, а центріолі реплікуються. Навколо кожного ядра знову утворюється ядерна оболонка, але ядро отримує тепер половину кількості хромосом вихідної батьківської клітини (воно гаплоїдне). При наступному дробленні (у тварин) чи утворенні клітинної стінки (у рослин) з єдиної батьківської клітини виходить чотири дочірніх клітини (рис. 75, б). Значення мейозу Статеве розмноження. Мейоз відбувається у всіх організмів, що розмножуються статевим шляхом. Під час запліднення ядра двох гамет зливаються. Мейоз приводить до підтримання постійного диплоїдного набору хромосом для кожного виду (інакше при злитті ядер яйцеклітини та сперматозоїда їх було б кожного разу вдвічі більше). 140


Генетична мінливість. Мейоз створює можливість для виникнення в гаметах нових комбінацій генів, що веде до генетичних змін у нащадків. Це досягається: незалежним розподілом хромосом – в анафазі І хромосоми, які складають один бівалент розподіляються незалажно від хромосом інших бівалентів; кросінговером – у результаті утворення хіазм між гомологічними хромосомами у профазі І відбувається кросінговер, який веде до утворення нових комбінацій генів у хромосомах гамет.

141


%d0%9a%d0%be%d0%bd%d1%81%d0%bf%d0%b5%d0%ba%d1%82%20%d0%bb%d0%b5%d0%ba%d1%86%d1%96%d0%b9%20%d0%b7%20%