ВСТУП ДО ПРЕДМЕТУ МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ КЛІТИН І ВІРУСІВ.
БІОЛОГІЯ ЯК НАУКА СУЧАСНОЇ МЕДИЦИНИ
Біологія – наука про живі організми (рослини і тварини), виникнення і розвиток живої природи, про загальні закономірності життя.
Назва походить від грецьких слів “βίος“ – життя і “λόγος“ – наука, вчення, знання. Термін “біологія” був вперше вжитий в 1797 році німецьким професором анатомії Теодором Рузом (1771-1803), пізніше в 1800 році термін застосував професор Дерптського університету К. Бурдах (1776-1847), а в 1802 році -Ж.Б.Ламарк (1744-1829) і Л.Тревіранус (1779-1864).
Біологія – фундамент сучасної медицини. Від неї очікують радикально нових підходів щодо профілактики і лікування різних захворювань.
Завдання біології як науки полягають у наступному:
1) розкриття основних проявів життя, принципів стабілізації і гнучкого керування життєвими процесами;
2) внесення необхідної програми в діяльність живої клітини за умов відхилення від норми (наприклад, при різних захворюваннях);
3) відтворення поза живим організмом синтетичних процесів, принципів, що використовуються в живій системі та запровадження їх у хімічне виробництво;
4) охорона навколишнього середовища, збереження генофонду живих істот.
Рівні організації живої матерії
Органічний світ на Землі являє собою складну біоценологічну систему життєвих форм, що складається з окремих комплексних утворень, біотичних угруповань різного рівня. Кожний рівень складає неперервну в розвитку, внутрішньо протилежну біотичну систему. Рівень – ступінь диференціації біологічного об’єкта.
Виділення рівнів організації біологічних систем має за мету розкриття сутності живої природи в її русі, в історичній взаємодії елементів, у пізнанні законів розвитку.
Виділяють нижчі і вищі рівні організації живої матерії. Кожна ланка нижчого рівня представлена відносно однорідними елементами (система молекул одного типу, клітини однієї тканини, особини одного виду). Вищі рівні утворені складними, метаболічно замкнутими (завершеними) високоінтегрованими системами, які складаються з різнорідних, але функціонально тісно пов’язаних складових.
Нижчі рівні організації життя (внутрішній, анатомічний, морфологічний):
· Клітинний (жива матерія існує тільки на рівні клітини. Атомний, субатомний, молекулярний, субмолекулярний і субклітинний (органоїдний) рівні не є організацією живої матерії, тут зникає різниця між живим і неживим).
· Тканинний.
· Органний.
· Системний.
Вищі рівні організації життя (глобальні, зовнішні):
· Організмовий.
· Популяційний.
· Видовий.
· Біогеоценотичний.
· Біосферний.
Вивчення того або іншого біологічного явища на різних рівнях сприяє розумінню системної організації живого.
Основні ознаки живої матерії
Основні відмінності біологічної системи від неживої природи:
– обмін речовин і енергії (нерозривний зв’язок організації та обміну, єдність процесів асиміляції і дисиміляції. Стан живого не може зберегтися без неперервного потоку речовин, енергії та інформації, без неперервного зруйнування молекулярних і надмолекулярних компонентів);
– подразливість (відповідь на дію зовнішніх чинників у вигляді таксисів, тропізмів, рефлексів);
– збудливість;
– ріст;
– розмноження (спосіб відтворення генетичної пам’яті);
– рух;
– спадковість;
– мінливість;
– адаптація;
– гомеостаз;
– взаємозв’язок між біологічними системами і з навколишнім середовищем;
– цілісність і дискретність.
В основі проявів життя, всіх фізіологічних процесів лежать хімічні і фізико-хімічні процеси. Вони зв’язані зі структурною організацією біологічної системи та її функціями:
– самовідтворення;
– самооновлення;
– саморегуляція;
– рух;
– збудливість;
– пам’ять клітини.
Основні методи біологічних досліджень
При виконанні біологічних досліджень користуються як загальновідомими, так і специфічними методами:
– метод спостереження;
– метод біологічного експерименту;
– історичний метод;
– описовий метод;
– мікроскопічний метод;
– рентгеноструктурний аналіз;
– ступінчасте центрифугування;
– електронної мікроскопії;
– скануючої електронної мікроскопії;
– електронномікроскопічної гістохімії;
– мікроспектральний аналіз;
– статистичні методи.
Оптичні системи в біологічних дослідженнях використовуються під час проведення практичних занять із медичної біології, генетики та паразитології. Застосовують різні прилади та інструменти, перш за все мікроскоп (від грец. μιχρός – малий і σχοπεω – спостерігаю, розглядаю). Сучасна промисловість випускає мікроскопи різних систем, будова яких у принципі аналогічна. Так, з допомогою стереоскопічних мікроскопів об’єкти вивчають водночас обома очима, що дає об’ємне уявлення і, крім того, значною мірою менше стомлює дослідника. При ультрафіолетовій мікроскопії спостереження провадять за допомогою ультрафіолетових променів. Фазово-контрастні мікроскопи дають можливість вивчати мікроскопічні об’єкти без попереднього спеціального забарвлення на основі різниці в коефіцієнтах заломлення світла. Останнім часом для глибокого вивчення мікроскопічних організмів дедалі ширше застосовують електронні мікроскопи, які збільшують об’єкт у 1000000 і більше разів. Принцип дії цього мікроскопа полягає в тому, що зображення об’єкта формується не світловими променями, а потоком електронів. Внаслідок цього за допомогою електронного мікроскопа можна розглянути ультрамікроскопічні структури клітини, великі молекули, а також віруси.
Для вивчення біологічних об’єктів найчастіше користуються світловими мікроскопами різних систем, в яких об’єкт освітлюється нормальним (нерозчленованим) світловим променем. У кожному світловому мікроскопі розрізняють три основні частини: механічну, освітлювальну та оптичну.
Механічна частина мікроскопа складається зі штатива, тубуса, револьвера, предметного столика, макрометричного гвинта (або кремальєри) і мікрометричного гвинта. Штатив складається з масивної ніжки – основи, на яку спирається весь мікроскоп, і тубусотримача. До тубусотримача прикріплено тубус (зорова труба), який пересувається вгору і вниз за допомогою макрометричного і мікрометричного гвинтів. Пересуваючи тубус за допомогою гвинтів, досліджуваний предмет попадає у фокус об’єктива. За допомогою макрогвинта тубус пересувається на відносно велику відстань, а мікрогвинт здійснює незначні переміщення. До штатива прикріплено предметний столик (круглий або прямокутний). У більшості сучасних мікроскопів частина штатива з предметним столиком і тубусом відгинається назад. У центрі столика є отвір, над яким кладуть предметне скельце з об’єктом, воно фіксується двома затискачами, або клемами. Знизу до тубуса рухомо прикріплено револьвер – пластинку з трьома-чотирма об’єктивами. Повертаючи револьвер, можна під нижній отвір тубуса поставити об’єктив, певної кратності збільшення.
Освітлювальна частина мікроскопа складається із дзеркала, конденсора та ірис-діафрагми. Дзеркало закріплене рухомо під предметним столиком. З одного боку воно плоске, а з другого – вигнуте; плоскою і вигнутою поверхнею користуються залежно від джерела світла і характеру об’єкта. Конденсор, що знаходиться між предметним столиком і дзеркалом, складається з кількох лінз. Ірис-діафрагма закріплена на нижній поверхні конденсора. Промені від джерела світла відбиваються дзеркалом і спрямовуються в конденсор. Лінзи конденсора концентрують світлові промені й спрямовують їх через отвір предметного столика на досліджуваний предмет та в об’єктив. Ірис-діафрагма регулює ширину світлового пучка, збільшує або зменшує освітлення предмета.
Оптична частина мікроскопа складається із систем лінз окуляра й об’єктивів. Окуляр вставлений у тубус зверху, на оправі окуляра є цифри, які показують його збільшення (наприклад, ×7, ×10, ×15). Об’єктив являє собою систему лінз, вправлених у трубку – гільзу. Об’єктиви закріплені у револьвері. Вони можуть давати мале збільшення (цифри на оправі ×7, ×8, ×10) і велике (цифри на оправі ×40, ×90). Щоб знати загальне збільшення мікроскопа, слід перемножити цифри окуляра й об’єктива. Якщо, наприклад, на окулярі цифра ×7, а на об’єктиві ×10, то мікроскоп дає збільшення в 70 разів. Крім об’єктивів малого і великого збільшення, в револьвері мікроскопа є ще так званий імерсійний (лат. іmmersio, від immergo – занурюю) об’єктив, який позначається буквами «ОІ» (об’єктив імерсійний) і призначений для розглядування предметів і об’єктів при великому збільшенні, коли вводять рідину (кедрову олію, вазелін, водний розчин гліцерину) між предметом і об’єктивом мікроскопа, щоб підвищити освітленість зображення.
Для вивчення об’єктів виготовляють тимчасові або постійні препарати, для чого треба мати предметні і покривні скельця. Предметне скельце являє собою скляну пластинку завтовшки до
Для виготовлення тимчасового препарату об’єкт розміщують на предметному скельці в краплі води або іншої рідини і вкривають накривним скельцем. Щоб під накривним скельцем не утворилися пухирці повітря, слід доторкнутися до краплі одним із країв скельця і поступово опускати його до горизонтального положення. Води або іншої рідини беруть стільки, щоб заповнити простір між предметним і накривним скельцями.
Якщо рідини багато і вона виступає за межі накривного скельця, її вбирають фільтрувальним папером. Коли ж рідини взято мало, її вводять під накривне скельце скляною паличкою або піпеткою.
Постійні препарати виготовляють за спеціальною методикою.
КЛІТИННА ТА НЕКЛІТИННА ФОРМИ ОРГАНІЧНОГО СВІТУ
У всьому розмаїтті органічного світу можна виділити дві форми – неклітинну і клітинну.
До неклітинних належать віруси, які утворюють групу Віра (Vira). Віруси проявляють життєдіяльність тільки у стадії внутрішньоклітинного паразитизму. Дуже малі розміри дозволяють їм легко проходити крізь будь-які фільтри, у тому числі каолінові, з найдрібнішими порами, тому спочатку їх називали фільтрівними вірусами. Існування вірусів було доведено в 1892 р. російським ботаніком Д.І.Івановським (1864-1920), але побачили їх багато пізніше. Більшість вірусів субмікроскопічних розмірів, тому для вивчення їхньої будови користуються електронним мікроскопом. Найдрібніші віруси – наприклад, збудник ящуру – ненабагато перевищують розміри молекули яєчного білка, проте зустрічаються і такі віруси (збудник віспи), які можна бачити у світловий мікроскоп.
Зрілі частинки вірусів – віріони, або віроспори, складаються з білкової оболонки і нуклеокапсиду, в якому зосереджений генетичний матеріал — нуклеїнова кислота. Одні віруси містять дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК), інші – рибонуклеїнову (РНК). На стадії віроспори ніяких проявів життя не спостерігається. Тому немає єдиної думки, чи можна віруси на цій стадії вважати живими. Деякі віруси можуть утворювати кристали подібно до неживих речовин, проте, коли вони проникають у клітини чутливих до них організмів, то виявляють всі ознаки живого. Таким чином, у формі вірусів проявляється ніби “перехідний міст”, що зв’язує в єдине ціле світ організмів і неживі органічні речовини. Вірус являє собою діалектичну єдність живого і неживого: поза клітиною це речовина, у клітині це істота, тобто він одночасно і нежива речовина, і жива істота. Віро-спора – лише одна із стадій існування вірусу. У житті вірусів можна виділити такі етапи: прикріплення вірусу до клітини, вторгнення в неї, латентну стадію, утворення нового покоління вірусів, вихід віроспор. У період латентної стадії вірус ніби зникає. Його не вдається побачити або виділити з клітини, але в цей період вся клітина синтезує необхідні для вірусу білки і нуклеїнові кислоти, в результаті чого утворюється нове покоління віроспор.
Описано сотні вірусів, які викликають захворювання у рослин, тварин і людини. До вірусних хвороб людини відносять сказ, віспу, тайговий енцефаліт, грип, епідемічний паротит, кір, СНІД та ін.
Віруси, які пристосувалися до паразитування у клітині бактерій, називаються фагами. За своєю будовою фаги складніші від вірусів, що паразитують у клітинах рослин і тварин. Багато фагів мають пуголовкоподібну форму, складаються з головки і хвоста. Внутрішній вміст фага — це переважно ДНК, а білковий компонент зосереджений в основному у так званій оболонці. Фаги проникаючи у певні види бактерій, розмножуються і викликають розчинення (лізис) бактеріальної клітини.
Іноді проникання фагів у клітину не супроводжується лізисом бактерії, а ДНК фага включається у спадкові структури бактерії і передається її нащадкам. Це може продовжуватися впродовж багатьох поколінь бактеріальної клітини, яка сприйняла фаг. Такі бактерії називають лізогенними. Під впливом зовнішніх факторів, особливо іонізуючого випромінювання, фаг у лізогенних бактеріях починає проявляти себе, і бактерії зазнають лізису, їх використовують для вивчення явищ спадковості на молекулярному рівні.
Походження вірусів не з’ясоване. Одні вважають їх первинно примітивними організмами, які є основою життя. Інші схиляються до думки, що віруси походять від організмів, які мали більш високий ступінь організації, але дуже спростилися у зв’язку з паразитичним способом життя. Очевидно, у їхній еволюції мала місце загальна дегенерація, що призвела до біологічного прогресу. Нарешті, існує і третя точка зору: віруси – група генів або фрагментів інших клітинних структур, які набули автономності.
Основну масу живих істот складають організми, які мають клітинну будову. У процесі еволюції органічного світу клітина набула властивостей елементарної системи, в якій можливий прояв усіх закономірностей, що характеризують життя.
Клітинні організми поділяють на дві категорії: ті, що не мають типового ядра – доядерні, або прокаріоти (Procaryota) , та ті, які мають ядро – ядерні, або еукаріоти (Eucaryota) . До прокаріотів належать бактерії та синьозелені водорості, до еукаріотів – більшість рослин, гриби і тварини. Встановлено, що різниця між одноклітинними прокаріотами й еукаріотами більш суттєва, ніж між одноклітинними еукаріотами та вищими рослинами і тваринами.
КЛІТИНА – СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОДИНИЦЯ ЖИВОГО
Клітина – одна з основних форм організації живого. У вищих організмів усі основні життєві функції здійснюються саме в клітинах.
Розміри клітин коливаються між десятими частинами мікрона і десятками, а то і сотнями сантиметрів. До клітин великого розміру, які можна бачити без оптичних приладів, належать, наприклад, клітини зрілого м’якуша кавуна, клітини деяких водоростей (ацетабулярія). Найбільшими клітинами є яйця птахів. Розміри клітин залежать насамперед від умов живлення. Ніякої закономірності між величиною тіла організму і розміром його клітин встановити не можна, за винятком високоспеціалізованих нервових і м’язових елементів – у великих за розміром тварин вони порівняно більшого розміру.
Форми клітин дуже різноманітні (кулясті – звичайно поодинокі клітини, багатокутні – сполучнотканинні, призматичні – епітеліальні, веретеноподібні – м’язові, зіркоподібні – нервові клітини та ін.).
Кількість клітин, що входить до складу організму, дуже велика (приблизно 150 млрд.), наприклад, у корі великих півкуль головного мозку людини їх нараховують 20-25 млрд.; еритроцитів у крові людини близько 23 більйонів. Проте лише 15-40% загальної маси живого тіла припадає на клітини, а решту становить неклітинна речовина.
Як тваринні, так і рослинні клітини являють собою гетерогенну систему.
Кожна еукаріотична клітина у своєму складі має три основні компоненти: 1) ядро;2) цитоплазму; 3) клітинну оболонку.
Клітинна оболонка (плазмалема, плазматична мембрана)– вибірково проникний бар’єр, який регулює обмін між клітиною і середовищем. займає в клітині межове положення та відіграє роль напівпроникного бар’єру, який, з однієї сторони, відділяє цитоплазму від середовища, що оточує клітину, а з другої – забезпечує її зв’язок з цим середовищем. Вона є клітинною мембраною товщиною 7,5-11 нм (1 нм – 10–9 м).
Основними складовими компонентами плазматичної мембрани є:
1. біологічна мембрана;
2. надмембранний шар (глікокалікс);
3. підмембранний (кортикальний) шар.
За молекулярною будовою біологічна мембрана – це подвійний шар фосфоліпідів (біліпідний шар) із зануреними в нього молекулами білка.
Особливістю ліпідів мембрани є розділення їх молекул на дві функціонально різноманітні частини: гідрофобні неполярні, які не несуть зарядів “хвостики”, що складаються з жирних кислот та гідрофільні, заряджені полярні “головки”. Ця особливість будови і визначає можливість ліпідів вільно утворювати біліпідні (двошарові) мембранні структури. Гідрофільні полюси ліпідів орієнтовані назовні, гідрофобні – всередину біліпідного шару.
Мембранні білки складають понад 50% маси мембрани й утримуються в біліпідному шарі за рахунок гідрофобних взаємодій з молекулами ліпідів.
Білки мають декілька варіантів розташування: а) на поверхні біліпідного шару; б) частково занурені в біліпідний шар; в) повністю просякають біліпідний шар. За положенням та функціями у мембрані виділяють два види білків: периферійні та інтегральні. Периферійні білки нетісно зв’язані з поверхнею мембрани і знаходяться поза біліпідним шаром. Інтегральні білки або повністю (власне інтегральні білки) або частково (напівінтегральні білки) занурені у ліпідний бішар.
Серед білків, які беруть участь у формуванні плазмолеми, є структурні, ферментативні, транспортні та рецепторні.
Властивості біологічних мембран:
– напівпроникливість;
– еластичність;
– асиметричність (зовнішня і внутрішня поверхні мембрани відрізняються білковим, вуглеводним та ліпідним складом);
– здатність до самовідновлення – процес “затягування” пошкоджень мембрани за рахунок рухливості ліпідних молекул, тому що мембрана напіврідка; якщо пошкодження велике – клітина гине.
Функції мембран:
– ізоляційна;
– транспортна (мембранні канали і переносники речовин);
– захисна (бере участь у фагоцитозі);
– електрична (створює трансмембранний електричний потенціал);
– різниця потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани, яка утворюється за рахунок розділення мембраною іонів;
– з’єднує клітини за рахунок: а) складчастих виростів; б) спеціальних білкових тілець – десмосом (м’язи серця, епітеліальні клітини);
– через мембрани з клітини виводяться: іони, продукти життєдіяльності, секрети (слина, травний сік, гормони);
– багато ферментів щільно зв’язані з мембранами, впорядковано на них розташовані, забезпечують ефективну трансформацію різних речовин;
– мембрани забезпечують роз’єднання продуктів, які каталізують різні реакції;
– розділяють різні за складом рідини в цитоплазмі (явище компартменту).
На зовнішній поверхні плазматичної мембрани тваринних клітин є полісахаридний шар – глікокалікс. Цей шар складається переважно з олігосахаридів, більша частина яких контактує з бімолекулярним ліпідним шаром плазмолеми, формуючи ГЛІКОЛІПІДИ. Інша частина олігосахаридів контактує із мембранними білками, утворюючи ГЛІКОПРОТЕЇНИ, що забезпечує міцний зв’язок глікокаліксу та розміщеною під ним біологічною мембраною.
Кортикальний підмембранний шар плазмолеми розташований з боку внутрішнього вмісту клітини. Це найбільш в’язка частина цитоплазми, яка формує своєрідну сітку з мікрофіламентів та мікротрубочок, що забезпечують міцність та здатність до скорочення плазмолеми.
Вуглеводи глікокаліксу утворюють довгі, розгалужені ланцюжки полісахаридів, які служать своєрідною “візитною карткою” клітини. За їхньою участю здійснюється взаєморозпізнавання клітин (наприклад, “пізнавання чужих клітин” при пересаджуванні органів) та взаємодія з мікрооточенням.
ФУНКЦІЇ КЛІТИННОЇ ОБОЛОНКИ:
• бар’єрна та захисна – розмежування внутрішнього вмісту клітини від її мікрооточення, захист від випадкового проникнення речовин у клітину;
• транспортна – транспорт метаболітів, у тому числі забезпечення асиметрії концентрації іонів натрію та калію в клітині та за її межами;
• рецепторна – рецепція сигналів з боку зовнішнього середовища та забезпечення розпізнавання клітин;
• взаємодія клітин з утворенням міжклітинних контактів різного ступеня складності.
Цитоплазма (від грец. χύτος – клітина і πλάσμα – утвір) – обов’язкова складова частина клітини, внутрішнє середовище клітини, оточене плазматичною мембраною, що забезпечує взаємодію органоїдів. Складається із цитоплазматичного матриксу (або гіалоплазми) і розміщених у ньому органоїдів та включень. Від зовнішнього середовища відокремлюється плазматичною мембраною (плазмолемою). Системою внутрішніх мембран поділяється на окремі “відсіки”, що різняться за формою, об’ємом, вмістом і функціональним призначенням.
У цитоплазмі розрізняють периферичний ущільнений шар – ектоплазму і внутрішній, що безпосередньо прилягає до ядра – ендоплазму. Функціонально цитоплазматичний матрикс – це місце здійснення внутрішньоклітинного обміну. У матриксі розташовані структури клітини – ядро, органоїди і включення. Матрикс забезпечує колоїдні властивості цитоплазми, її в’язкість, еластичність, скоротливість, внутрішній рух. Матрикс – це надзвичайно складна суміш великих і малих молекул, в якій міститься приблизно 70% води, 10-15% білків, решту складають ліпіди, вуглеводи, органічні й неорганічні сполуки.
Цитоплазма, що оточує органели, називається цитозолем. Він пронизаний густою сіткою білкових молекул, які складають цитоскелет. Це визначає форму клітин, їх здатність рухатися і переміщувати органоїди в клітині.
Органели – це постійні диференційовані ділянки цитоплазми, які мають певні функції і будову. В усіх процесах клітина існує як єдине ціле, оскільки всі органели клітини функціонально зв’язані між собою. Будь-яка органела не може існувати позаклітинно, навіть у поживному середовищі.
Розрізняють органели загального і спеціального призначення.
Органели спеціального призначення характерні для клітин, що виконують спеціалізовану функцію: міофібрили – скоротливі елементи м’язових клітин, нейрофібрили – провідні елементи нервових клітин, війки епітелію в трахеї та бронхах, мікроворсинки всмоктувальної поверхні епітелію тонкої кишки, джгутик тощо.
До органел загального призначення відносяться: мітохондрії, пластиди, ендоплазматична сітка, рибосоми, комплекс Гольджі, лізосоми, пероксисоми, клітинний центр, мікротрубочки, мікрофіламенти.
До складу багатьох органел входить елементарна біологічна мембрана, тому їх поділяють на мембранні та немембранні. До мембранних органел належать: мітохондрії, ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми, пероксисоми. До немембранних органел належать: рибосоми, клітинний центр, мікротрубочки, мікрофіламенти.
Розрізняють також мікроскопічні та субмікроскопічні органели. Органели, які видно під світловим мікроскопом, називають мікроскопічними, органели, які можна побачити лише за допомогою електронного мікроскопа, називають субмікроскопічними.
Ендоплазматична сітка (ЕПС) існує в усіх еукаріотичних клітинах (обов’язковий органоїд клітини). Це система каналів і порожнин, що відмежовані від цитоплазми цитоплазматичною мембраною.
Розрізняють два типи ЕПС:
1) зерниста (гранулярна) – містить багато рибосом;
2) гладенька (агранулярна) – не містить рибосом.
У гранулярній ЕПС відбувається синтез білка, в агранулярній – здійснюється обмін та накопичення жирів і вуглеводів. У м’язових клітинах гладенька ЕПС, депонуючи та викидаючи іони кальцію, регулює скорочення м’язів. ЕПС виконує транспортну функцію, у ній утворюються вакуолі.
Комплекс Гольджі – складна сітка порожнин, трубочок та міхурців навколо ядра. Будова однакова в рослинних та тваринних клітинах. Існує три основних структурних компоненти комплексу Гольджі:
• група мембранних порожнин (5-8);
• система трубочок, які відходять від порожнин;
• міхурці на кінцях трубочок.
Функції комплексу Гольджі:
– накопичує, дегідратує та виводить із клітини продукти обміну речовин;
– бере участь у синтезі лізосом;
– бере участь в утворенні акросоми сперматозоїда;
– синтезує зерна жовтка в яйцеклітинах;
– бере участь в утворенні клітинної перетяжки при цитокінезі.
Лізосоми (від грец. λύσις – розпад, розчинення і σώμα – тіло) – внутрішньоклітинні одномембранні органели вакуолярної системи клітини з високим вмістом гідролітичних ферментів. За формою нагадують міхурці, діаметром до 1 мкм. Відмежовані щільною мембраною. Кожна клітина містить декілька десятків лізосом. За функціями лізосоми поділяються на автофагосоми і гетерофагосоми: а) автофагосоми розщеплюють власні компоненти клітини; б) гетерофагосоми розщеплюють чужорідні речовини, які потрапили в клітину. Лізосоми містять комплекс ферментів для розщеплення жирів, вуглеводів та білків, беруть участь у виведенні органоїдів і частин клітини, які відмирають.
Рибосоми (від лат. ribes – потік, струмінь і грец. σώμα – тіло) – цитоплазматичні гранули, до складу яких входить 50-60% усієї РНК клітини. Вони відіграють важливу роль у синтезі білків. Частіше в цьому процесі беруть участь комплекси з 4-5 рибосом, які мають назву полірибосом. Рибосоми розміщуються на внутрішній поверхні мембран ендоплазматичної сітки.
Вакуолі (від лат. vacuus – порожній) – це невеликі, переважно кулясті одномембранні порожнини, заповнені клітинним соком. Вони не є лише рослинними органоїдами, а трапляються й у клітинах тварин (у фагоцитах). Вакуолі тваринних клітин за розмірами менші. У рослинних вакуолях нагромаджуються яскраві пігменти (вакуолі клітин плодів), поживні речовини, солі та інші сполуки. Вакуолі здатні осмотичним шляхом поглинати воду. У вакуолях рослин іноді містяться гідролітичні ферменти, і тоді вони можуть діяти як лізосоми. Функції вакуоль полягають у накопиченні поживних речовин, вони регулюють осмотичний тиск у клітині, виконують спеціалізовані функції: скоротливі вакуолі, травні вакуолі, сприяють живленню рослин, створюють пружний стан (тургор) у клітинах і тканинах.
Мітохондрії (від грец. μίτος – нитка і χόνδρος – зернятко, крупинка) – це двомембранні органоїди клітини у вигляді гранул, паличок, ниточок, які можна бачити у світловий мікроскоп. Розміри 0,2-7,0 мкм. Кількість мітохондрій залежить від типу клітин (у клітинах печінки близько 1000). Вони змінюють форму, розміри і можуть переміщуватися в клітині. Концентруються в тих ділянках клітини, де необхідна енергія. У будові мітохондрій розрізняють дві мембрани: зовнішню і внутрішню. Зовнішня мембрана гладенька без складок і виростів, має великі пори. Внутрішня мембрана напівпроникна, утворює складки – кристи (гребінь, виріст), на яких міститься багато ферментів. Кількість крист залежить від виду клітин (їх більше в активних клітинах). Внутрішня порожнина мітохондрій – матрикс, містить рибосоми, ДНК, РНК. Розмножуються мітохондрії поділом. Всі мітохондрії синтезують АТФ (дихальні ферменти і ферменти синтезу АТФ лежать на внутрішній мембрані мітохондрій; АТФ використовується в усіх процесах, які потребують енергії). У мітохондріях на рибосомах синтезується білок на матриці РНК, яка копіюється із мітохондріальної ДНК.
Пластиди (від грец. πλαστός – утворений) – двомембранні живі, забарвлені або безбарвні тільця (органоїди) рослинних клітин (крім грибів і водоростей).
Існує три види пластид: хлоропласти, хромопласти і лейкопласти.
Хлоропласти (зелені пластинки). Їх колір залежить від наявності хлорофілу. Містяться хлоропласти в зелених клітинах вищих рослин (по 40-60 в клітині), беруть участь у фотосинтезі. Форма овальна (діаметр 3-4 мкм). Хлоропласти вкриті двома мембранами: зовнішньою та внутрішньою: внутрішня мембрана утворює мембранні мішечки – тилакоїди, в яких міститься хлорофіл. Тилакоїди лежать один на одному, як стовпчик монет, утворюють грани (у гранах по 50 тилакоїдів). Грани об’єднані між собою внутрішньою мембраною, у проміжках між гранами знаходяться рибосоми, РНК, ДНК. Рибосоми синтезують білки хлоропластів, ДНК у хлоропласта визначає деякі ознаки рослин (наприклад, строкатий малюнок листя бегонії). Внутрішній вміст хлоропласта називається стромою.
Хромопласти (від грец. χρώμα – колір і πλαστός – утворений) забезпечують забарвлення листків. Це внутрішньоклітинні везикули (5-6 мкм), різноманітної форми (видовжені, лопатоподібні, кутасті, кулясті), забарвлені пігментами – каротиноїдами в жовтий, оранжевий, червоний, іноді коричневий колір, тилакоїдів майже не мають. Від їх присутності залежить колір різних органів рослин (червоний, жовтий, оранжевий). Містяться в забарвлених клітинах рослин (квіти, плоди, стебла, листки).
Лейкопласти (від грец. λευχός – білий і πλαστός – утворений) – безбарвні найдрібніші, різної форми пластиди більшості рослин, які не здатні до фотосинтезу. Розміри – 5-6 мкм. Кулясті, рідше веретеноподібні або ниткоподібні, часто містять крохмаль. Вони пристосовані до зберігання запасів поживних речовин, і тому їх особливо багато в підземних органах, насінні і твірних тканинах рослин. Лейкопласти можуть переходити в хлоропласти та в хромопласти, а хлоропласти – тільки в хромопласти.
Пластиди розмножуються поділом, розподіляються між дочірніми клітинами рівномірно.
Пластидам і мітохондріям властива певна генетична автономність: вони мають власну ДНК, РНК і рибосоми, здатні до синтезу білка.
Клітинний центр (центріолі) – це немембранні органели кулястої форми, які знаходяться поблизу ядра клітини тварин та деяких рослин. Клітинний центр складається з двох центріолей, які оточені зоною світлої цитоплазми – центросферою, від якої радіально відходять тонкі фібрили – астросфера. Кожна центріоль циліндричної форми, стінки її утворені 9 триплетами мікротрубочок, а всередині знаходиться один триплет мікротрубочок та однорідна речовина, яка містить ДНК. Розміщені центріолі перпендикулярно одна до одної.
Функції центріолей полягають у формуванні веретена поділу, вони беруть участь у формуванні джгутиків та війок.
Органелами руху є: війки, джгутики, міофібрили. Містяться в одноклітинних (евглена зелена, інфузорії) та багатоклітинних організмах (повітроносні дихальні шляхи ссавців вкриті війчастим епітелієм, що сприяє руху секретованої рідини назовні). Джгутики та війки – вирости цитоплазми клітини, оточені мембраною, здатні до руху; міофібрили – органели руху клітини м’яза, складаються з білків актину та міозину. Джгутики та війки однакові за будовою: в їх стінках по всій довжині проходить 9 пар, а в центрі – 1 пара мікротрубочок, що складаються з білка тубуліну.
Амебоїдний рух забезпечується спеціальними органоїдами руху – це тимчасові вирости клітини – п с е в д о п о д і ї. Так рухаються амеби, лейкоцити та великі клітини внутрішніх органів хребетних.
Клітинні включення – це продукти життєдіяльності клітини, які умовно поділяють на три групи: трофічного, спеціального і секреторного значення. Включення трофічного значення – це крапельки жиру, гранули крохмалю, глікогену, білка; включення спеціального значення трапляються в цитоплазмі високодиференційованих клітин, наприклад, гемоглобін в еритроцитах; включення секреторного значення утворюються і виділяються переважно в клітинах залоз зовнішньої секреції.
Рослинні і тваринні клітини за будовою мають певні відмінності:
1.Рослинним клітинам завжди властива клітинна оболонка, або мембрани; у тварин ембріональні клітини не мають оболонки, а в клітинах дорослих організмів оболонка дуже тоненька, слабко виявляється.
2.Форма рослинних клітин одноманітніша (заокруглена, прямокутна, призматична); форма тваринних клітин різноманітна, що зумовлено диференціюванням клітин і складнішими процесами, які відбуваються в них.
3.За розмірами рослинні клітини більші. Це пояснюється розвитком вакуолей, які зумовлюють тургор клітини і, як наслідок, механічну стійкість рослин. У тварин механічна стійкість досягається диференціюванням спеціальних опорних тканин.
4.У багатьох рослинних клітинах є пластиди, які мають здатність рости і розмножуватися.
Форма і розміри тваринних клітин різноманітні. Здебільшого тваринні клітини менші за рослинні, при цьому розмір клітини не залежить від розміру тварини. Кожна клітина складається з цитоплазми та одного ядра, проте трапляються клітини з великою кількістю ядер (лейкоцити, клітини кісткового мозку, лімфатичних вузлів та ін.). Як правило, ядро тим більше, чим більша сама клітина, проте в молодих клітинах і в сперматозоїдах ядра завжди великі. Оболонка тваринних клітин порівняно з оболонкою рослинних клітин дуже тонка, еластична, ледве розпізнається і являє собою поверхневий ущільнений шар цитоплазми. Вакуолі відсутні. До клітинних органоїдів належать хондріосоми (від грец. χονδρίον – зернятко і σώμα – тіло), центросоми (від лат. centrum – середина і грец. σώμα – тіло) – один з органоїдів усіх тваринних і деяких рослинних клітин та сітчастий апарат. До клітинних включень належить глікоген і жир.
Ядро – постійна складова частина клітин вищих рослин і тварин. Воно виникло на певному етапі розвитку живої речовини – протоплазми. У багатьох видів бактерій та синьозелених водоростей ядра немає. У них є гранули або дифузно розміщені речовини, які за хімічним складом близькі до речовин ядра вищих форм.
Ядро являє собою міхурець, густіший ніж цитоплазма, який розміщується в центрі клітини або на периферії. У живих клітинах ядро безбарвне і прозоре.
Майже всі клітини одноядерні, але існують також двоядерні (деякі клітини печінки і клітини хрящів) і багатоядерні (до 100 ядер в остеокластах кісткового мозку).
Численними дослідами доведено, що позбавлена ядра цитоплазма існує недовго (наприклад, еритроцити), а штучно відокремлена частина клітини, що має ядро, здатна до подальшого життя. Встановлено, що ядро не може “жити” поза цитоплазмою. Отже, як цитоплазма, так і ядро є необхідними складовими кожної повноцінної життєздатної клітини. Ядро відіграє істотну роль у процесах росту, розвитку і передачі спадкової інформації. Будова ядра клітин різна. Основними елементами його структури є: 1) ядерна оболонка; 2) ядерний сік; 3) хроматин у вигляді пластівців, покручених ниток, крапель; 4) ядерце.
Ядерна оболонка відокремлює генетичний матеріал і молекулярно-генетичні процеси від цитоплазми, забезпечує автономність і незалежність спадкових механізмів. Вона містить пори (діаметр – 100 нм), через які здійснюється обмін речовин із цитоплазмою. Пори становлять 0,1% поверхні ядра. Ядерна оболонка з’єднується з ендоплазматичною сіткою, через яку можливий прямий зв’язок із позаклітинним середовищем, має вибіркові властивості, а при поділі розпадається на дрібні фрагменти, які потрапляють у дочірні клітини.
В ядрах завжди є ядерця, або нуклеолі. Ядерце – найгустіша частина ядра. Воно складається із субмікроскопічних ниточок (н у к л е о л о н е м) і аморфної частини. Розмір і кількість ядерець залежить від величини ядра і фізіологічної активності ядра і клітини. Ядерця – це видозмінені супутники хромосом. Вони розташовані всередині ядра, не мають оболонки, і їх вміст знаходиться в безпосередньому контакті з каріоплазмою.
Ядерця виявляються тільки в інтерфазному ядрі, на період поділу клітини ці ядерні утвори тимчасово зникають, тому що хромосомні петлі, які їх утворюють, упаковуються в хромосоми. Ядерця можуть бути різних розмірів, вони більші в тих клітинах, де синтезується багато білків, утворюються спеціальними ділянками деяких хромосом, які називаються ядерцевими організаторами. Основна функція ядерець – утворення субодиниць рибосом.
Ядерця можуть бути різних розмірів, вони більші в тих клітинах, де синтезується багато білків, утворюються спеціальними ділянками деяких хромосом, які називаються ядерцевими організаторами. Основна функція ядерець – утворення субодиниць рибосом.
Каріоплазма (від грец. χάρυον – ядро і плазма) – внутрішнє середовище ядра, містить велику кількість води (75-80%), постачає матеріал, необхідний для редуплікації хромосом і росту ядра. З неї в ядро надходить енергія, яка накопичується в мітохондріях. Дія генів проявляється через цитоплазму. У каріоплазмі сконцентровані: хроматин (розкручені хромосоми), мікрофіламенти, ядерце, ферменти. Мікрофіламенти – довгі білкові нитки, що утворюють внутрішню “основу” ядра, підтримують форму, а також служать місцем прикріплення хроматину.
До складу сухої речовини ядер входить 80% білків, 12% ДНК, 5% РНК, 3% ліпідів і деяка кількість Мg2+ та Мn2+. Більшість ядерних білків – ферменти, що каталізують молекулярно-генетичні процеси. Кількість молекул ДНК в інтерфазній клітині відповідає числу хромосом: наприклад, в ядрах соматичних клітин тіла людини знаходиться по 46 молекул ДНК, а в клітинах мухи-дрозофіли – 8. В ядрі є три різновиди РНК: іРНК, тРНК, рРНК.
Хроматин – це основний структурний компонент інтерфазного ядра. Розрізняють два типи хроматину:
• еухроматин,
• гетерохроматин.
Еухроматин – це деконденсовані ділянки хромосом, які погано фарбуються і його не видно (функціонально активний).
Гетерохроматин – конденсовані ділянки хромосом, які добре забарвлюються (функціонально неактивний). Під час мітозу весь гетерохроматин конденсується і входить до складу хромосом.
Гетерохроматин поділяється на структурний та факультативний. Структурний гетерохроматин – це ділянки хромосом, що постійно конденсовані. Факультативний гетерохроматин за необхідності може конденсуватись та переходити в еухроматин.
Функції ядра:
– збереження спадкової інформації, яка міститься в молекулах ДНК;
– реалізація спадкової інформації шляхом синтезу білків, завдяки чому підтримується структурна упорядкованість клітин, регулюється її метаболізм, функції та процеси поділу;
– передача спадкової інформації наступним поколінням внаслідок реплікації ДНК шляхом подвоєння хромосом та їх поділу;
– ядерна речовина стимулює активність деяких ферментів;
– ядро виділяє в цитоплазму деякі коферменти (небілкові компоненти ферментів) і всі види РНК, необхідні для синтезу білка в клітині,
– ядро за участю ДНК визначає структуру і специфіку синтезованих речовин.
Хромосома (від грец. χρώμα – колір і σώμα – тіло) – структурний елемент клітинного ядра. Це ниткоподібні, видовжені, циліндричні, щільні тільця, певної форми і розмірів, видимі у світловий мікроскоп тільки впродовж поділу клітини. Кожна хромосома складається з ниток – хромонем. У світловому мікроскопі ядро має вигляд тонкої хроматинової сітки, в яку вкраплені окремі грудочки, так звані хромоцентри. Вважають, що в період розмноження клітин (в інтеркінезі) хромосоми мають вигляд слабкопокручених хромонем. Вони максимально витягнуті та досить тонкі. Інші автори заперечують безперервність існування хромосом у клітині.
Хромосоми еукаріотичних клітин складаються з ДНК, білків, РНК, іонів металів і ферментів. ДНК хромосоми – довга, лінійна, двониткова, закручена в спіраль молекула; вона містить генетичну інформацію. Білки бувають двох типів: основні гістонові білки і кислі негістонові білки. ДНК і гістони зв’язані разом у співвідношенні 1:1 й утворюють нуклеосоми, що забезпечує спіральну форму укладання молекули ДНК без порушення її структури. У хромосомах виявляються іони металів, включаючи Мg2+, Са2+ і Fе2+, які підтримують структурну організацію хромосом. На стадії спіралізації розрізняють такі структурні одиниці хромосом: первинну перетяжку, або центромеру – ділянку найменшої спіралізації, плечі хромосом (теломери), вторинну перетяжку.
Залежно від розташування первинної перетяжки розрізняють чотири морфологічні типи хромосом:
1. Метацентричні – центромера знаходиться посередині (медіанне розташування цетромери) і відділяє два однакових за довжиною плеча.
2. Субметацентричні – центромера дещо зміщена від середньої точки (субмедіанне розташування центромери) так, що її плечі нерівні за довжиною.
3. Акроцентричні – центромера розташована ближче до одного з кінців хромосоми, тобто вона має плечі, що суттєво відрізняються за розмірами.
4. Телоцентричні – центромера розташована на кінці хромосоми.
Диплоїдний набір хромосом клітини називається каріотипом (від грец. χάρυον – ядро і τύπος – образ, форма) (ядерним типом). Число хромосом у каріотипі, їх розмір і форма характерні для клітин даного виду тварин і рослин. Нормальний каріотип людини включає 46 хромосом, із них 22 пари – автосоми і одна пара – статеві хромосоми.
Функції хромосом:
1) збереження і реалізація спадкової інформації у вигляді суворої послідовності нуклеотидів ДНК;
2) контроль метаболізму шляхом регуляції утворення необхідних ферментів;
3) забезпечення росту клітин, підтримка їхньої структури і функцій шляхом керування синтезом структурних білків;
4) контроль клітинного диференціювання під час розвитку;
5) забезпечують умови подвоєння ДНК.
Правила хромосом
1. Правило сталого числа хромосом – соматичні клітини кожного виду мають постійно визначене число хромосом.
2. Правило парності хромосом – кожна хромосома в соматичних клітинах із диплоїдним набором має таку ж гомологічну (однакову) хромосому, ідентичну за розмірами, формою, але різною стосовно походження: одна – від батька, друга – від матері.
3. Правило індивідуальності хромосом – кожна пара хромосом відрізняється від іншої пари розмірами, формою, яка залежить від розташування центромери, чергуванням світлих і темних смуг, що виявляються при диференційному забарвленні.
4. Правило неперервності – перед поділом клітини ДНК подвоюється: до кожної з двох висхідних ниток добудовуються за принципом комплементарності нові нитки ДНК, внаслідок чого утворюються дві молекули ДНК, з яких формуються дві сестринські хроматиди. Після поділу в дочірні клітини потрапляє по одній хроматиді. Таким чином, хромосоми неперервні: хромосома від хромосоми.
