_{М.Д. НАРІЙЧУК, Т.А. РЕШЕТНЯК}

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

За редакцією професора А.Д. Тимченка

ЗАТВЕРДЖЕНО Департаментом кадрової політики, освіти і науки МОЗ України як підручник для студентів вищих медичних навчальних закладів І—III рівнів акредитації

Бібліотека Бердянською медичного коледжу

КИЇВ «МЕДИЦИНА» 2009

Резензенти: ВД. Кірсей, директор, ОМ.Андрющенко, голова циклової комісії фундаментальних та професійно-орієнтованих дисциплін Білгород-Дністровського медичного училища ГД. Бердишев, проф. Київського Національного університету

імені Тараса Шевченка

Н38 Медична біологія: підручник / М.Д. Нарійчук, Т.А. Решетняк; за ред. проф. А.Д. Тимченка. — К.: Медицина, 2009. — 264 с.

І8ВК 978-966-10-0069-7

Підручник підготовлено відповідно до програми з медичної біології. Вмі­щено інформацію, необхідну для практичної діяльності сучасного працівни­ка охорони здоров'я. Зокрема розглянуто основи генетики людини, методи вивчення спадковості, спадкові хвороби людини. В окремих розділах висвіт­лено питання медичної протозоології, медичної гельмінтології та арахноен-томології.

Для студентів вищих медичних навчальних закладів І—III рівнів акре­дитації.

ББК 56.13я73

© М.Д. Нарійчук, Т.А. Решетняк, 2009

I8ВN 978-966-10-0069-7 ©Видавництво «Медицина» 2009

_ЗМІСТ

вступ

РОЗДІЛ 1. Структурно-функціональна організація клітини.

Розмноження на клітинному рівні .9

Структурно-функціональна організація еукаріотичної клітини .9

Морфологія клітини. Органели загального і спеціального призначення..............................................15

Хімічний склад клітини . ..22

Життєвий цикл клітини. Поділ клітини ..........39

РОЗДІЛ 2. Молекулярні основи спадковості. Реалізація спадкової інформації ................................47

Характеристика нуклеїнових кислот: ДНК і РНК, просторова організація, видова специфічність, роль у зберіганні та передачі спадкової інформації ............................................................................47

Реплікація ДНК ..53

Підтримування генетичної стабільності клітин: самокорекція і репарація ДНК.................................57

Будова гена прокаріотів та еукаріотів ..60

Генетичний код, його властивості ..64

Біосинтез білків ..67

Екзонно-інтронна організація генома еукаріотів ..73

Генна інженерія. Біотехнологія ..74

РОЗДІЛ 3. Закономірності успадкування менделівських ознак

у людини. Взаємодія генів .81

Генетика: предмет і завдання, етапи розвитку, основні

терміни і поняття .81

Моногібридне схрещування: закон одноманітності

гібридів першого покоління, закон розщеплення .87

Взаємодія генів .91

Полігенне успадкування ознак у людини .94

^{Плейотропна дія гена .96}

РОЗДІЛ 4. Хромосомна теорія спадковості. Генетика статі .97

Зчеплене успадковування. Механізм кросинговеру .97

Хромосомна теорія спадковості .99

Генетичні карти хромосом .100

Генетика статі .....100

Успадковування захворювань людини, зчеплених зі статтю .........102

РОЗДІЛ 5. Мінливість у людини як властивість життя

і генетичне явище ..105

Мінливість, її форми та прояви на рівні організму: фенотипова,

генотипова мінливість. Модифікації та норма реакції .105

Роль генотипу і навколишнього середовища в мінливості ознак .106

Комбінативна мінливість. Мутаційна мінливість .107

Класифікація мутацій .107

Мутагени: фізичні, хімічні, біологічні .109

Генетична небезпека забруднення середовища .110

Закон гомологічних рядів спадкової мінливості, його

практичне значення .112

РОЗДІЛ 6. Основи генетики людини.

Методи вивчення спадковості .114

Основи медичної генетики. Людина як специфічний об'єкт

генетичного аналізу. Методи вивчення спадковості людини 114

Генеалогічний метод. Правила побудови родоводів. Генетичний

аналіз родоводів 116

Близнюковий метод 124

Визначення взаємодії генотипу та довкілля в прояві

патологічних ознак людини 126

Цитогенетичний, біохімічний методи та ДНК-діагностика 127

^ Метод дерматогліфіки ....133

Метод гібридизації соматичних клітин 135

РОЗДІЛ 7. Спадкові хвороби людини .137

Класифікація спадкових хвороб людини 137

Хромосомні хвороби, спричинені порушенням кількості

або структури хромосом 138

Моногенні (молекулярні) спадкові захворювання 145

Молекулярні хвороби вуглеводного, амінокислотного,

ліпідного та мінерального обміну 146

Пренатальна діагностика спадкової патології 155

РОЗДІЛ 8. Біологія індивідуального розвитку. Молекулярно-генетичні механізми онтогенезу.

Патологічні порушення онтогенезу людини 158

Гаметогенез................. 158

За п л ід нення........................................................................................................................................161

Онтогенез: типи, періоди, етапи 161

Етапи ембріонального розвитку людини 163

Диференціювання на молекулярно-генетичному, клітинному

та тканинному рівнях 165

Природжені вади розвитку 166

Ембріональна індукція 170

Регуляція в процесі дроблення та її порушення (близнюки,

вади розвитку, виродливість) 173

Періоди постембріонального розвитку людини 175

Особливості постнатального періоду індивідуального розвитку

людини у зв'язку з її біосоціальною суттю ....179

Біополе, біологічні ритми та їхнє медичне значення ....181

Види та шляхи регенерації ....183

Види трансплантації тканин у людини ....187

Старість як завершальний етап онтогенезу людини.

Теорія старіння ....188

РОЗДІЛ 9. Медико-біологічні основи паразитизму. Медична

протозоологія. Найпростіші паразити людини 191

Вступ до медичної паразитології. Походження та еволюція

паразитизму 191

Принципи класифікації паразитів 193

Принципи взаємодії паразита і хазяїна 194

Характерні риси і класифікація підцарства Найпростіші (Ргоіогоа)............................ ...196

РОЗДІЛ 10. Медична гельмінтологія. Плоскі та Круглі черви —

паразити людини 209

Тип Плоскі черви (Ріаіпеїтіпіпев) 209

Тип Круглі черви (№таІпе1тіпІЇіе8) 220

РОЗДІЛ 11. Медична арахноентомологія 228

Клас павукоподібні (АгасЬпоіаеа) 229

Клас Комахи (Іпзесіа) 232

РОЗДІЛ 12. Взаємозв'язок індивідуального та історичного

розвитку. Біосфера та людина 238

Структура та функції біосфери 238

Основні положення вчення В.І. Вернадського про

організацію біосфери 241

Сучасні концепції біосфери 242

Ноосфера 244

Екологія людини 245

Фактори середовища 246

Єдність організму та середовища 247

Класифікація симбіологічних відносин за природою

взаємовідносин 248

Види екосистем 250

Проникнення людини в біогеоценози 251

Формування антропоценозів 251

Екологічне прогнозування 252

Адаптація людей до екстремальних умов середовища 253

Вплив антропогенних факторів забруднення довкілля

на здоров'я населення 257

Характеристика отруйних для людини рослин і тварин 259

_ВСТУП

Біологія (від грец. bios — життя, Іоgos — вчення) — наука про життя. Цей термін уперше вживає в 1794 р. німецький професор анатомії Т. Руз. У 1802 р. Ж. Ламарк і Г. Тревірантус (незалежно один від одного) запропонували його як науковий термін.

Сучасна біологія — це система наук про живу природу, мор­фологію та функцію живих істот, їх походження, розвиток, по­ширення, взаємозв'язок між собою та неживою природою.

Медична біологія — це галузь біології, яка вивчає людину як біосоціальний об'єкт, а також різні організми і процеси, які впливають на людину, її життєдіяльність, фізичний та інтелекту­альний розвиток. Медична біологія слугує збереженню здоров'я людини, її генофонду. Для цього медична біологія вивчає законо­мірності спадковості, індивідуального та еволюційного розвитку, морфологічної і соціальної адаптації людини до умов навколиш­нього середовища.

Знання медичної біології необхідні для вивчення нормальної і патологічної анатомії, фізіології, гістології, мікробіології, медич­ної генетики, екології та всіх клінічних дисциплін, які потребу­ють медико-біологічної підготовки. Медична біологія дає студен­там теоретичну підготовку, необхідну для практичної діяльності сучасного працівника охорони здоров'я.

Медична біологія як самостійна галузь біології вивчає най­складніший життєвий об'єкт на Землі — людину. Ця складність пов'язана з тим, що в людини крім загально біологічних власти­востей, притаманних усім живим організмам, є чимало того, що вважається результатом належності її до людського суспільства.

Суспільство створено людиною для можливості виконання певної праці, а співіснування у суспільстві змінило людину як біологічну істоту. Якщо вважати середовищем існування людини суспільство, крім зовнішнього середовища, яке об'єднує всі живі

організми на Землі, людина є біосоціальною істотою. Тому в ре­зультаті розвитку суспільства людина має складні психофізіоло­гічні реакції, які безумовно впливають на фізіологічні процеси. Наприклад, добре відомо, що сміх покращує стан людини, а сльо­зи навпаки — погіршують його.

Рівні організації живого

Однією з основних властивостей життя є впорядкованість. До­слідження ступеня вираження впорядкованості є результатом роз­витку різних наук (фізики, хімії, біології). Поступово з'являються поняття про рівні організації живого. Рівні організації живого та ступені організації живого наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Рівні та ступені організації живого

Ступінь організації живого	Рівень організації живого
Біологічні мікросистеми *	Молекулярний
	Субклітинний
	Клітинний
Біологічні мезосистеми	Тканинний
	Органний
	Організмовий
Біологічні макросистеми	Популяційно-видовий
	Біогеоценозний
	Біосферний

Виділяють три типи зв'язку між системами: ієрархічний, функціональний, сітковий.

Молекулярний рівень — доводить існування різновидів (за молекулярним складом) різних клітин. Але значна частина їх по­вторюється у багатьох організмів (наприклад, однакові в усіх клі­тин молекули амінокислот, гліцерину та ін.). Слід вважати, що саме на цьому рівні посилюється диференціація та спеціалізація клітин, а також забезпечується здійснення всіх найважливіших процесів життєдіяльності: обмін речовин, кодування і передаван­ня спадкової інформації.

Клітинний рівень — об'єднує всіх живих істот, для яких клі­тина — це елементарно-генетична і структурно-функціональна одиниця. Клітина здатна до саморегуляції, самооновлення, роз­витку, поділу. Клітина еволюціонувала від прокаріотичної до еу­каріотичної. Складні взаємозв'язки між про- та еукаріотичною клітиною збережені і простежуються, наприклад при інфекцій­них захворюваннях (туберкульоз, черевний тиф та ін.), спричи­нених певними бактеріями, тобто прокаріотичними клітинами. Якщо організм одноклітинний, то у нього клітинний рівень збіга­ється з організмовим. Це характерно для: туберкульозної палич­ки, пневмокока, пневмотифозної палички та ін.

Тканинний рівень — дає змогу виділити та характеризувати основні типи тканин у рослин і тварин. Тканина — це сукупність клітин, що мають спільне походження, морфологію, функції, та міжклітинної речовини, яка характеризується високою спеціалі­зацією. Клітини кожної тканини мають певну форму, розміри. На тканинному рівні прослідковується подібність між усіма організ­мами. Більшість авторів виділяють 5 основних типів тканин рос­лин: твірна, основна, провідна, покривна, механічна. У тварин 4 основних типи: епітеліальна, сполучна, м'язова, нервова. Морфо-функціональна цілісність рослинного або тваринного організму досягається під час взаємодії та узгодженого розвитку всіх тка­нин.

Органний рівень — супроводжується функціональною вза­ємодією кількох типів тканин.

Організмовий (або онтогенетичний) рівень супроводжується взаємодією різних систем органів. На цьому рівні вивчають адап­тивні зміни та поведінку організмів у різних екологічних умовах. Крім того, визначено, що вид складається з особин, які при зна­чній подібності мають багато різновидів.

Популяційно-видовий рівень — вивчає популяцію, в якій здійснюються елементарні еволюційні перетворення. Вивчення складу, динаміки популяції є предметом генетики, морфології, фенології, екології та ін.

Біогеоценозний рівень — взаємодіюча сукупність організмів різного рангу з різними чинниками середовища існування.

Біосферний рівень — забезпечує речовинно-енергетичні кру-гообіги. Біосфера як одна з географічних оболонок Землі є єдиним цілим і має свої закономірності. Саме наш співвітчизник акаде­мік В.І. Вернадський є автором вчення про біосферу.

^{РОЗДІЛ 1}

Структурно-функціональна організація клі­тини. Розмноження на клітинному рівні

Структурно-функціональна організація еукаріотичної клітини

Клітина — основна структурно-функціональна одиниця жи­вих організмів. Клітина найпростіших (амеби, інфузорії, балан-тидії та ін.) перебуває в безпосередній взаємодії з навколишнім середовищем. Клітина найпростіших — це самостійний організм. Клітини рослинних і тваринних організмів мають схожу будову (мал. 1—3).

Вони складаються з плазматичної мембрани, цитоплазми, ядра та органел загального призначення і спеціальних органел.

Клітинні органели поділяють на мембранні та немембранні: мембранні органели мають одну або дві мембрани. До одномемб-ранних органел належать:

1) ендоплазматична сітка:

а) шорстка (гранулярна);

б) гладенька (агранулярна);

2. пластинчастий комплекс (комплекс Гольджі);

3. лізосоми;

4. вакуолі.

До двомембранних:

1) ядро;

2) имітохондрії;

3) пластиди.

А до немембранних органел:

1. рибосоми;

2. центріолі;

3. мікротрубочки;

4. мікрофіламенти.

Клітинна плазматична мембрана — постійний універсальний компонент поверхневого апарату всіх клітин. Ще в 1925 р. Пор­тер і Грендель, вивчаючи ліпіди оболонок еритроцитів, довели,

Мал. 1. Електронограми тва­ринних клітин: А — фрагмент тваринної клітини: 1 — ядро; 2 — ядерна оболонка; 3 — ендо­плазматичний ретикулум; 4 — мітохондрія; 5 — лізосома. Б — комплекс Гольджі. В — гра­нулярна ендоплазматична сітка.

в

що вони розташовані в цих оболонках двома шарами. При цьому ліпідні молекули повернуті одна до одної гідрофобними ланцюга­ми жирних кислот. На зовнішній та внутрішній поверхнях мемб­рани розміщені полярні гідрофільні головки ліпідних молекул. Основою мембрани є подвійний шар ліпідних молекул. Зовнішня та внутрішня поверхні біліпідного шару утворені гідрофільними частинами і вкриті суцільними шарами білка.

Ще в 50-х роках xx ст. цю модель досліджували електронно-мікроскопічним способом. у подальшому Робертсон запропо­нував гіпотезу про єдину унітарну біологічну мембрану. Однак численні морфологічні і функціональні дослідження клітинних мембран не підтвердили цієї гіпотези. Найімовірнішою вважа­ється рідинно-мозаїчна модель. Тут в основі мембрани той самий біліпідний шар. Білки, які входять до складу мембрани, не утво-

рюють суцільного шару. їх можна розподілити на три групи: пе­риферійні, інтегральні та напівінтегральні.

Периферійні білки розташовані на зовнішній та внутрішній по­верхнях біліпідного шару і з'єднуються з його полярними головка­ми електростатичними силами. Вони пов'язують мембрану з над- і субмембранними структурами поверхневого апарату клітини.

Інтегральні та напівінтегральні білки мають глобулярну структуру. Вони пов'язані з ліпідами гідрофільно-гідрофобними взаємодіями. Інтегральні білки пронизують усю товщу біліпідно­го шару. Напівінтегральні білки занурені в мембрану лише част­ково: вони виступають на її зовнішній або внутрішній поверхні.

Глобули можуть зміщуватися латерально і вертикально, тоб­то мембрана є лабільною, динамічною, має термодинамічну стій­кість. Для підтримки не потрібні затрати енергії.

Нові морфобіохімічні дослідження підтвердили можливість такої будови мембран.

Серед ліпідних мембран виділяють дві основні групи: струк­турні та регуляторні. Перші є основою мембрани, а другі беруть участь у функціях глобулярних білків.

Мембранні білки здійснюють рецепторні функції. Білки — ак­тивні та пасивні переносники сполук.

До внутрішньої поверхні клітинної мембрани прилягає зов­нішній шар цитоплазми — субмембранна система гіалоплазми.

у клітині є два види транспортних процесів:

• пасивний транспорт, або полегшена дифузія, за градієнтом концентрації;

• активний транспорт з пересуванням речовин проти градієн­та концентрації.

Перенесення речовин здійснюють дві групи мембранних тран­спортних білків: білки-канали та білки-переносники.

Білки-канали переносять йони значно швидше, ніж білки-переносники.

Мембранний транспорт різних оформлених частинок у кліти­ні відбувається шляхом ендоцитозу (фаго- і піноцитозу) та екзо-цитозу.

Екзоцитоз — це вихід речовин з клітини у вигляді гранул се­крету або вакуоль з клітинною рідиною.

У рослинній і бактеріальній клітинах із зовнішнього боку мембрани є товста стінка, яка здійснює функцію опори. Ця клі­тинна стінка у рослин містить целюлозу, а в бактерій — муреїн.

Головна функція клітинної мембрани — забезпечити надхо­дження в клітину речовин і зберегти постійність її складу (клі­тинний гомеостаз). Вона є захисним молекулярним бар'єром, тобто здійснює контроль за вибірною проникністю в клітину та з клітини певних речовин, забезпечує здатність до фаго- та піноци-тозу, а також зв'язок між клітинами в тканинах багатоклітинно­го організму.

Цитоплазма становить основну масу клітини. У світловому мікроскопі цитоплазма представлена гомогенною, безбарвною, прозорою слизистою рідиною. В убитих фіксованих клітинах ци­топлазма має ниткоподібну зернисту або пінисту структуру.

Електронномікроскопічними дослідженнями встановлено, що складові живої клітини знаходяться в стані безперервного руху і взаємодії, унаслідок чого її внутрішня структура часто змінюєть­ся.

У цитоплазмі розрізняють гіалоплазму — цитоплазматичний матрикс, гомогенне середовище, де розміщені клітинні органе-ли, яким властивий єдиний життєвий саморегулювальний про­цес. З гіалоплазмою зв'язані колоїдні властивості цитоплазми, її в'язкість, скоротність, внутрішній рух. Гіалоплазма складається з білкових ниток та зернистих утворень, багатих на рибонуклеї­нові кислоти. До її складу входять також різноманітні ферменти. Різні ділянки гіалоплазми мають неоднакову макромолекулярну структуру.

Для гіалоплазми характерна також наявність цитоскелета, який складається зі спаяних між собою міцел.

Ядро — центральний інформаційно-генетичний апарат клі­тин. Воно являє собою колоїдні системи, до складу яких входять вода, органічні сполуки, особливо нуклеїнові кислоти, білки та мінеральні солі. Як правило, у клітині ядро одне, проте деякі клі­тини (наприклад, кісткового мозку та ін.) можуть мати двоє або більше ядер.

Ядро — обов'язковий компонент усіх клітин, за винятком лише деяких високоспеціалізованих, які втратили здатність до поділу і мають нетривалий період життя (наприклад, зрілі ери­троцити; незрілі — мають ядра). Ядро відділене від цитоплазми ядерною мембраною (оболонкою). Мембрана двошарова, у ній є пори, крізь які вміст ядра сполучається з цитоплазмою, але ніко­ли не змішується. Між цитоплазмою і ядром обмін речовин від­бувається крізь пори.

Розміри і форма ядра залежать від форми, розмірів і функції клітини. Найчастіше ядро округле, паличкоподібне. Деякі кліти­ни мають двоє ядер і більше (наприклад, клітини печінки, м'язів людини).

До складу ядра входять ДНК, РНК, білки. У ядрі зосереджено 99 % ДНК клітини. В ядрі ДНК разом з білками утворює комп­лекси дезоксирибонуклеопротеїдів (ДНП).

Зовнішня мембрана ядра переходить в ендоплазматичну сітку (ЕІІС). Ядерна оболонка виконує захисну функцію і регулює об­мін речовин.

Ядро заповнене ядерною речовиною (каріоплазмою). До її складу входять різні види РНК, білки, нуклеотиди, амінокислоти, ферменти. Крім того, у ній містяться одне або два ядерця (в ядер­ці, у свою чергу, виявлено РНК та білки; воно виконує функцію синтезу субодиниць рибосом), а також глибки і гранули хромати­ну. Хроматин (забарвлений) — це комплекс ядерної ДНК, РНК зі структурними білками — гістонами та негістоновими білками. Із хроматину в період поділу клітини формуються інтенсивно за­барвлені структури — хромосоми (мал. 4).

Основні функції ядра:

1. зберігає, відтворює і передає спадкову інформацію;

2. реалізує спадкову інформацію;

3. керує всіма процесами життєдіяльності клітини;

4. бере участь у розмноженні;

5. регулює обмін речовин у клітині.

К ожний вид рос­лин і тварин має пев­ну і постійну кіль­кість хромосом. Для хромосом характерні правила парності, ін­дивідуальності, без­перервності.

Соматичні клітини тіла мають повний, подвійний (диплоїдний) набір хромосом (2п), а статеві – одинарний (гаплоїдний) набір

Мал. 4. Метафазні хромосоми (1) у рослинній клітині

хромосом (n). Хромосомні набори соматичних клітин чоловічої та жіночої статей одного виду відрізняються між собою за однією парою хромосом. Ця пара називається статевими хромосомами. Решта пар хромосом відносно однакової морфології в обох статей називається аутосомами. Так, у людини 22 пари аутосом та 23-я пара статевих, або гетерохромосом.

Диплоїдний набір хромосом, виділений із клітин (у метафазі мітозу), який характеризується формою, розміром і кількістю, називається каріотипом (мал. 5), а попарне розташування хромо­сом клітини в порядку зменшення їх розмірів — ідеограмою.

Основа хромосоми — довга молекула ДНК, завжди в комплексі з білками, частіше — з гістонами, утворює нуклеопротеїди. Поряд з ними є й інші (кислі) білки, а також РНК. У молекулах ДНК записа­на спадкова інформація клітини.

Ядерця — утворення в інтерфазних ядрах більшої частини рослинних та тваринних клітин.

Кількість ядерець дорівнює від 2—3 до кількох десятків. Ти­пова форма — округла, однак можуть бути різні варіанти. Згідно з даними електронної мікроскопії, ядерця не мають обмежуваль­ної мембрани і є сіткою ниток — нуклеонем. Останні складаються з субмікроскопічних гранул, вміщуючи рибосомну РНК.

У період мітозу ядерця зникають, а після його закінчення ви­никають знову. Вони утворюються на спеціальних ділянках хро­мосом, які звуться ядерцевими організаторами. Нитки ДНК ядер-цевого організатора наскрізь пронизують ядерця і є його головним функціональним компонентом. На них синтезується рибосомна РНК, яка тут-таки, в ядерцях, включається до складу утворених рибосом. Крім того, синтезуються основні білки.

Морфологія клітини

Органели загального і спеціального призначення

Основна частина цитоплазми, в якій розміщені органели та включення, — це гіалоплазма.

Органели це постійні високодиференційовані внутрішньо­клітинні утворення, які виконують певні функції. Органели по­діляють на групи загального (ендоплазматична сітка, рибосоми, лізосоми, мітохондрії, пластинчастий комплекс, внутрішньоклі­тинний апарат, центросоми, мікротрубочки та мікротільця, плас­тиди) і спеціального (війки та джгутики, міофібрили, мікровор-синки, кореневі волоски) призначення.

Органели малих розмірів відкрито за допомогою електронного мікроскопа. Це система внутрішньоклітинних мембран, які про­низують клітинний вміст в усіх напрямках. Мембрани у серед­ньому завдовжки 5—10 нм.

Ендоплазматична сітка є в цитоплазмі всіх клітин тварин і рослин, за винятком яйцеклітин деяких груп тварин, в яких ця органела недостатньо розвинена або не виявляється, а також в одноклітинних організмів. Вона буває двох типів: гранулярна (шорстка) і агранулярна (гладка). На мембранах каналів шор­сткої (гранулярної) ендоплазматичної сітки, або ергастоплазми, розміщуються рибосоми. Канали гранулярної сітки можуть бути зв'язані із зовнішньою плазматичною мембраною клітини, а та­кож з оболонкою ядра і найбільш розвинуті в клітинах спеціалі­зованих тканин (підшлункової та слинних залоз, печінки та ін,). Основна функція гранулярної ендоплазматичної сітки — участь у синтезі білка з подальшим проникненням його в різні ділянки клітини. Вона утворює систему мембран і каналів, зв'язаних з основним шаром цитоплазматичної мембрани. Діаметр каналів досягає 10—20 нм. Добре розвинута гранулярна сітка в клітинах, які виробляють речовини ліпідного характеру. На її мембранах відбувається синтез жирів, вуглеводів і гормонів. Роль ендоплаз­матичної сітки в житті клітини дуже важлива, тому що вона озна­чає циркуляційну течію цитоплазми і бере участь в обмінних про­цесах унаслідок наявності на її мембранах численних фермент­них систем.

Розмір, форма, взаєморозміщення структурних компонентів ендоплазматичної сітки в кожного виду клітин специфічні. Од­нак названі параметри можуть досить сильно варіювати залежно від функціонального стану клітини. Ендоплазматична сітка до­сить швидко реагує на ушкодження, що діються в клітині.

Рибосоми (рибо — від назви РНК, яота — тіло) виявлені за до­помогою електронної мікроскопії в клітинах усіх організмів, по­чинаючи від бактерій і закінчуючи ссавцями. Це маленькі елек-троннощільні сферичні утворення завбільшки 8—35 нм, прилеглі до зовнішньої поверхні мембран ендоплазматичної сітки. Анало­гічні гранули можна спостерігати вільно лежачими в основному цитоплазматичному матриксі і прилеглими до зовнішнього шару оболонки ядра. Цих гранул немає ні на мітохондріях, ні на плаз­матичній мембрані. У великій кількості розміщені в клітинах, які активно синтезують білки.

Складовою частиною рибосом є білки, РНК. За допомогою уль­трацентрифугування встановлено, що рибосоми можуть розпада­тися на дві нерівні субодиниці. У меншу субодиницю молекулами РНК транспортуються амінокислоти, а в більшій локалізується поліпептидний ланцюжок, що зростає.

Рибосоми можуть скупчуватися у вигляді розеток або кружа­лець. Виявлені численні групи, які складаються, наприклад, з 5—7 рибосом, а інколи чітко видно найтоншу нитку іРНК, яка об'єднує рибосомальні одиниці. Таке об'єднання рибосом у групи утворює полірибосоми (полісоми). Синтез білка (основна функція цих органел) відбувається не на ізольованих рибосомах, а на їхніх комплексах.

Лізосоми (від грец. lysis — розчинення, soma — тіло) — органели, виявлені майже в усіх тваринних клітинах, включаючи найпростіших. Найбільш визначеним типом первинних лізосом є гранули сегментноядерних нейтрофілів. Лізосоми — це округлі електромагнітні утворення діаметром 0,2—0,8 мкм.

Лізосоми багаті на ферменти (їх описано понад 400 видів). Унаслідок дії ферментів лізосом складні органічні сполуки роз­щеплюються на прості. Наприклад, білки розпадаються до аміно­кислот.

Первинні лізосоми походять від внутрішнього сітчастого апа­рату, який є важливим джерелом утворення пухирців у клітині. Лізосоми, як фагосоми або піносоми, також являють собою мікро-пухирці, але, на відміну від первинних не містять у собі фермен­ти, необхідні для внутрішньоклітинного травлення.

Вторинні лізосоми виникають унаслідок злиття первинних лі­зосом із фагосомами. У результаті формуються травні вакуолі, в яких здійснюється внутрішньоклітинне травлення.

Після закінчення процесів травлення і всмоктування пожив­них речовин травні вакуолі перетворюються на залишкові тіль­ця, їхній вміст — залишки поглинутих і неутилізованих речовин. Утворені залишкові тільця підходять до цитоплазматичної мемб­рани і виводяться назовні. Виникає процес, прямо протилежний фагоцитозу, — екзоцитоз. Лізосоми можуть виникати внаслідок відторгнення мембрани від уражених ділянок клітини. Ці струк­тури близькі до травних вакуоль, але функція у них інша. Вона спрямована на захист клітини від її уражених елементів. При цьому перетравлюються непотрібні ділянки клітини. Тоді лізосоми відокремлюють ділянки, які підлягають перетравлюванню, і виділя­ють туди свої ферменти. Описано випадки самоперетравлювання клітини внаслідок дії власних лізосом.

Смерть клітин і дегенерація їхніх субстанцій — неминуче явище під час розмноження та утворення нової клітини. У цьому зв'язку лізосоми також беруть участь у процесах морфологічної еволюції метаморфозу, дегенерації і регенерації тканин. Велика роль лізосом і в клітинній патології. Вони є одночасно і компонен­том імунологічних процесів, які відбуваються в організмі.

Мітохондрії виявлені за допомогою мікроскопа в усіх клітинах (за винятком еритроцитів) рослин, тварин і бактерій. Це ліпопро-теїнові утворення різної величини (0,5—0,6 мкм), дуже різнома­нітні за своєю будовою. На фіксованих препаратах вони помітні як нитки або зерна. Від цього й походить їхня назва.

Зовнішня оболонка мітохондрій складається з двох твердих щільних мембран завтовшки 6 нм, розміщених на відстані 6— 8 нм одна від одної. Від внутрішньої мембрани оболонки відходять внутрішні складки-кристи, гребені. Останні в середині мітохон­дрій утворюють поперечні або навкісні перегородки. Мінливість мітохондрій стосується не тільки форми, а й внутрішньої струк­тури. Велика кількість поперечних гребенів виявляється в міто-хондріях м'язових клітин. В окремих видів найпростіших гребені трубчастої форми. Утворена цими структурами порожнина запо­внена основною речовиною — матриксом. Поверхня внутрішньої мембрани і крист має елементарні частинки, розміщені на ніж­ках, величиною 8—10 нм. Вважають, що вони беруть участь у перенесенні електронів. Кількість мітохондрій залежить також від фізіологічного стану клітини. У період голодування кількість крист мітохондрій клітин печінки зменшується, мітохондрії на­брякають, а їхній матрикс світлішає.

Мітохондрії здатні до розмноження. Вони мають у своєму складі мітохондріальну ДНК, яка несе спадкову інформацію про будову і функцію цих органел. У зиготу мітохондрії потрапляють із цитоплазмою яйцеклітини.

У мітохондріях синтезується АТФ, яка є основним джерелом енергії в клітині. Органічні речовини (продукти розпаду вугле­водів, білків, жирів) надходять у мітохондрії з цитоплазми і про­ходять там кілька окисних реакцій, кінцевим результатом яких є утворення вуглекислого газу і води. Процес (цикл Кребса, або трикарбонових кислот, або фосфорилювання в дихальному лан­цюгу) здійснюється за участю груп ферментів, а також особливих речовин — переносників електронів. Цей процес є фосфорилюван-ням АДФ і здійснюється з деякими окисно-відновними реакція­ми аеробної фази метаболізму. Унаслідок окиснення органічних речовин у мітохондріях вивільнюється велика кількість енергії, яка перетворюється на теплову, але близько 50 % її акумулюєть­ся і зберігається у вигляді хімічної енергії. Це зумовлено тим, що паралельно циклу Кребса в мітохондріях відбуваються процеси, результатом яких є створення АТФ, АДФ та фосфату.

АТФ бере участь в усіх внутрішньоклітинних процесах, які здійснюються з використанням енергії. При цьому вона розпада­ється на АДФ і фосфат, розривається макроергічний зв'язок, тоді як акумульована в ньому енергія використовується клітиною. Отже, АТФ є акумулятором, зарядження якого відбувається в мі­тохондріях, а розрядження — в інших ділянках клітини в період метаболічного процесу. Утворення АТФ у мітохондріях унаслідок використання енергії описаних реакцій називають окисним фос-форилюванням.

Поряд зі своєю основною енергетичною функцією мітохондрії виконують і інші. Наприклад, вони накопичують деякі речовини, які надходять до неї в підвищених кількостях. У них синтезують­ся жирні кислоти. Мітохондрії регулюють концентрацію солей у цитоплазмі. Крім того, їм властива і генетична функція, яка зу­мовлена наявністю в них молекул ДНК, котрі є носіями спадкової інформації. У мітохондріях синтезується багато власних білків. З експериментальних даних відомо, що явище цитоплазматичної спадковості значною мірою пов'язане з генетичною діяльністю мітохондрій.

Мітохондрії беруть участь у секреції, накопиченні жиру, глі­когену, хлорофілу, а також у змінах, зумовлених впливом їжі (в печінці), у реабсорбції (в нирці) або в загальному метаболізмі. Вони зазнають змін у процесі розвитку і в патологічних чи перед-патологічних умовах.

Комплекс Гольджі — внутрішній пластинчастий апарат — наявний в усіх клітинах рослинних і тваринних організмів. Він складається зі сплющених цистерн (мішечків, розміщенних па­ралельно у вигляді штабелів), наповнених системами з подвійни­ми стінками (мембранами). Цистерни розміщені комплексно по 4—8 пар, просвіток однієї цистерни сягає 15—ЗО нм. Комплекс Гольджі також містить різної величини вакуолі і маленькі пу­хирці. Великі вакуолі, створені внаслідок розширення деяких цистерн, легко відрізнити від дрібних пухирців. Великі вакуолі розташовані на периферії комплексу Гольджі, на його зовнішній, дистальній поверхні і здатні гіпертрофуватися. Вміст великих ва-куолей складається з води, на підставі всього цього деякі цито­логи вважають, що вони беруть участь у водному обміні. Дрібні пухирці обмежені тонкою мембраною. Вони згруповані по сусід­ству зі сплющеними цистернами, з їх продовженням, утвореним унаслідок відбруньковування.

У хімічному відношенні значне місце у внутрішньому сітчас­тому апараті належить ліпідам, особливо фосфоліпідам, а також білкам. Існують кислі і лужні фосфатази: нуклеодифосфатаза, ті-амінпрофосфотаза та інші ферменти.

Функція комплексу Гольджі пов'язана з основними процеса­ми обміну, які стосуються її секреторної активності. Є дані про зв'язок комплексу Гольджі із загальним обміном. Так, при наси­ченому клітинному метаболізмі комплекс Гольджі досить сильно розвинутий і добре помітний. Це явище характерне не тільки для нормальних клітин, а й для клітин у період генезису, перед пато­логічним підвищенням метаболізму. Під впливом окремих фарма­кологічних або гормональних препаратів нарівні з підвищенням загального обміну клітини виявляються ознаки, які характеризу-ютьстимуляціюфункції комплексу Гольджі. Комплекс Гольджі — місце синтезу різних складних вуглеводів, які виконують різні фізіологічні функції. Ці вуглеводи утворюють слиз, що захищає кишки від впливу бактеріальної флори. Вони входять до складу продуктів, які виробляють підшлункова залоза, прищитоподіб-ні та слинні залози, до складу зубної емалі та основної речовини хряща.

Повідомлення про фізіологічний зв'язок комплексу Гольджі з ядром або лізосомами потребують підтверджень.

Клітинний центр (центросому) виявлено в усіх клітинах, за винятком нервових, яйцеклітин та клітин вищих рослин. Орга-нела складається з одного або двох твердих тілець — центріолей, які добре сприймають барвники, та навколишньої світлої зони — центросфери. Згідно з даними електронномікроскопічних дослі­джень, центріоль має вигляд циліндра діаметром до 160 нм, стін­ки якого складаються з 9 трубочок або паличок завтовшки 300— 500 нм; центріоль має відносно тверду субстанцію. Зазначена кількість паличок постійна в усіх клітинах усіх видів організмів.

З трубочками пов'язані округлі тільця — сателіти, або перицен-тріолярні тільця, які не завжди виявляються. Центріолі беруть участь у мітозі і нагадують структури, розміщені біля основи ві­йок та джгутиків, які є в клітинах. Відомо, що центріолі містять у собі фермент, під дією якого відбувається розпад аденозинтри-фосфорної (АТФ) кислоти — основного акумулятора енергії клі­тини. В інтерфазі центріолі завжди мають стандартний вигляд, позбавлені функціонального значення і наявні лише як резерв.

Мікротрубочки та мікротільця. Мікротрубочки виявлені в клітинах усіх тваринних та рослинних організмів. Це циліндричні, ниткоподібні утворення завдовжки 20—ЗО мнм, діаметром близько 23 нм. Оболонка мікротрубочок тришарова, завтовшки близько 5 нм. Розташовуючись у цитоплазмі, вони надають клітині відповідної форми і забезпечують стійкість та стабільність локалізації органел, а також беруть участь у транспортуванні води, йонів та деяких молекул.

Мікротільця — дрібні овальні утворення розміром близько 0,5 мнм з одношаровою мембраною і стрижнеподібною кристаліч­ною структурою. Виявлено мікротільця в одноклітинних, багато­клітинних організмах, а також у клітинах дріжджів та в людини.

Ці утворення, як і інші компоненти клітин, містять у собі фер­менти. Універсальним ферментом для всіх клітин є каталаза, але вони містять у собі також уротоксидазу, оксидази амінокислот.

Пластиди виявлені тільки в клітинах рослинних організмах. У світловому мікроскопі пластиди виявляються у вигляді паличок, лусочок, зерен завбільшки 1 —12 мкм, а при електронномікро-скопічному дослідженні установлено, що, наприклад, хлоропласт має подвійну зовнішню мембрану. Внутрішня структура також представлена мембранами, між якими розташовані грані у вигля­ді зерен, утворених мішечками з подвійних мембран, які щільно прилягають один до одного. Виникають пластиди пропластид — округлих тілець розміром 1—2 мкм, які мають подвійну мембра­ну. Кількість пластид збільшується шляхом їх поділу.

Розрізняють такі види пластид: зелені (хлоропласти), жов­ті, оранжеві, червоні (хромопласти) та безбарвні (лейкопласти). Пластиди можуть перетворюватися з одного виду на інший: лей­копласти — на хлоропласти, а потім — на хромопласти. Найбіль­ший інтерес становлять хлоропласти, оскільки вони забезпечу­ють явище фотосинтезу, за допомогою якого синтезуються АТФ та глюкоза.

Спільність у структурі хлоропластів і мітохондрій зумовлює і спільність їхніх функцій. Якщо в мітохондріях відбувається трансформація енергії, яка збільшується в процесі дисиміляції, то в хлоропластах здійснюється фотосинтез. У результаті сонячна енергія трансформується в хімічну.

Хромопласти містять у собі каротиноїди, білки, ліпіди, віта­міни Е, К, Б, а також до 4 % РНК. Отже, у них здійснюються різні синтетичні процеси і крім глюкози утворюються білки, ліпіди та деякі вітаміни.

Органели спеціального призначення — це кореневі волоски, війки, джгутики. Наприклад, війки миготливого епітелію, джгу­тики сперматозоонів та деяких вільноживучих і паразитичних найпростіших класу Р1а£е11аІа, а також бактерій — джгутиконос­ців.

Клітинні включення. Нарівні з органелами в протоплазмі клі­тин можна знайти включення трофічного, секреторного та спе­ціального призначення. Вони являють собою продукти внутріш­ньоклітинного обміну або запасні живильні речовини. Залежно від хімічної природи розрізняють білкові, жирові та вуглеводні включення.

Хімічний склад клітини

У клітині виявлено понад 70 із 110 елементів періодичної сис­теми Д.І. Менделєєва. Клітина живої істоти складається з тих са­мих елементів, що й об'єкти неживої природи. Це вказує на спіль­ність живої та неживої природи. Елементи періодичної системи, які беруть участь у метаболізмі і мають виразну біологічну актив­ність, називаються біогенними.

До хімічного складу цитоплазми рослинних і тваринних клі­тин входять близько 70 % кисню, 18 % вуглецю, 10 % водню, що в сумі становить 98 % загальної живої маси клітини.

На частку азоту, кальцію, кремнію, натрію в клітинах орга­нізму припадають десяті частки відсотка, а фосфору, магнію, сірки, хлору, алюмінію, заліза — соті частки відсотка. Названі елементи періодичної системи разом із киснем, вуглецем і воднем становлять 99,99 % маси клітини.

Марганець, бор, мідь, цинк, фтор, барій, нікель, літій, йод, кобальт, хром становлять тисячні, десятитисячні, стотисячні частки відсотка загальної маси клітини; вони називаються мі­кроелементами. Мільйонні частки відсотка в клітині становлять ртуть, золото, радій тощо — це ультрамікроелементи. Вони ма­ють велику біологічну активність, беручи участь в основних мета­болічних процесах. Мікроелементи є складовою частиною мета-лоферментів, гормонів, вітамінів та інших біополімерів. Вони є також стимуляторами імуногенезу, виявляючи при цьому вира­жену активність, що впливає на систему неспецифічного імуні­тету, процеси антитілоутворення. Завдяки цьому мікроелементи використовують у профілактиці й терапії певних захворювань (хвороб дитячого віку, атеросклерозу, анемії, ендемічного зоба та ін.). Наприклад, додаткове введення експериментальним твари­нам мікроелементів міді, марганцю, кобальту посилює антитіла утворювальної системи лімфоїдної тканини, що змінює реактив­ність організму щодо реакційного агента. Отже, значення того чи іншого елемента полягає не тільки в його кількості.

Як і мікроелементи, ультрамікроелементи, виявлені в живих істотах, необхідні для життя. Відсоткове співвідношення макро-та ультрамікроелементів різних організмів варіабельне, що зале­жить від виду організму.

Типи хімічних зв'язків та їх значення. Ионний, або електро­статичний, зв'язок виникає в результаті притягання частинок з позитивними і негативними зарядами. Наприклад, Na+, Cl, NaCl. Йонний зв'язок в організмах притаманний в основному не­органічним сполукам.

Ковалентний зв'язок утворюється внаслідок узагальнення електронної пари двох різних атомів, які відзначаються міцніс­тю, і потребує для свого утворення енергії. Виникнення і розрив цього зв'язку здійснюється в перебігу ферментативних реакцій. Прикладом ковалентного зв'язку може бути пептидний:

Н₂N-СН₂-СООН + Н₂N—СН₂—СООН =

= Н₂NCН₂—СОNH—СН₂—СООН + Н₂О.

Водневий зв'язок — це, за суттю, також йонний зв'язок, або електростатичний, але більш слабкий і виникає між двома силь­но негативними атомами. Наприклад, при асоціації спирту або при міжмолекулярній взаємодії спиртів з амінами:

CH₂-O –H....N H₂C₆H₅

Ці типи хімічних зв'язків зумовлюють виникнення нових мо­лекул з молекул, здатних реагувати. Унаслідок цього в клітині здійснюються найскладніші процеси метаболізму. Усі виявлені в живих істотах хімічні елементи є складовою частиною хімічних сполук. Одні з них неорганічні, інші — органічні.

Із неорганічних речовин до складу живих істот входять вода, мінеральні солі і деякі неорганічні кислоти. Вода має виключно важливе значення в життєвих процесах. Речовини цитоплазми утворюють з водою справжні або колоїдні розчини. У цих водних розчинах проходять усі хімічні та фізико-хімічні реакції. Вода — це не просто розчин, а активний учасник багатьох процесів метабо­лізму клітини. За кількісним вмістом у цитоплазмі (у середньому 70—80 %) вона стоїть на першому місці. Тіло дорослої людини міс­тить у собі 60 % води, а людський ембріон — у межах 97 %.

У цитоплазмі вода перебуває у вільному і зв'язаному станах як складова частина різних сполук. Основна маса (близько 95 %) води в клітинах знаходиться у вільному стані і відіграє роль роз­чинника хімічних речовин і середовища, де відбуваються важли­ві хімічні реакції (ферментативні, окисні, виведення різних ре­човин з клітини та ін.). У зв'язаному стані перебуває 4—5 % всієї маси води. Зв'язана вода складається з трьох молекул, які водне­вими та іншими зв'язками неміцно з'єднані з білками. Разом з тим зв'язана вода міцно утримується колоїдними часточками, не розчиняє солей і замерзає за температури -40 С.

Найважливіші фізичні властивості води — теплоємність, те­плопровідність, великий обсяг тепла пароутворення. Завдяки цим властивостям вода добре охороняє протоплазму від різних змін температури, забезпечує рівномірний розподіл тепла і захи­щає організм від перегрівання. Вона також є мастилом у процесі тертя внутрішніх органів.

Взаємозв'язок інтенсивності обміну і кількості води вказує на її велике біологічне значення. Так, води в сірій мозковій речовині міститься в межах 86 %, у нирках — 70 %, тоді як у кістках — 22 %, а в емалі зубів — близько 10 %. Зменшення інтенсивності процесів метаболізму веде за собою і зменшення кількості води. Без води хід життєвих процесів неможливий. З цієї причини кількість води, яка зменшується в результаті випаровування, обов'язково має поповнюватися, інакше гине життя, жива істота. Разом з тим деякі найпростіші організми тривалий час зберігають життєдіяльність у висушеному стані (явище анабіозу).

Мінеральні солі відіграють важливу роль у життєдіяльнос­ті організму. На них припадає 2—8 % сухої речовини клітини.

Солі натрію, калію, кальцію, магнію, хлорної, сульфатної, фос­форної та інших кислот, незважаючи на порівняно невеликий відсотковий вміст їх у клітині, впливають на рівень осмотично­го тиску, забезпечують сталість кислотності та лужності цито­плазми. Виступаючи як електроліти, розчини солей впливають на колоїдний стан білків. Нормальний хід життєдіяльності ор­ганізму потребує абсолютного і повного співвідношення різних солей у цитоплазмі; зрушення в бік зменшення або збільшення веде до загибелі організму.

Органічні речовини. Вуглеводи. Складовими частинками мо­лекул вуглеводів є С, Н, О. Вуглеводи поділяють на три основних класи:

1. Моносахариди (глюкоза, або виноградний цукор, С_бН₁₂0₆) — первинний енергетичний матеріал клітини.

2. Дисахариди (сахароза С₁₂Н₂₂О_п, мальтоза у рослин, лактоза у тварин). При гідролізі кбжна молекула дисахариду розщеплю­ється на дві молекули моносахариду.

3. Полісахариди — утворюються в результаті сполучення зна­чної кількості ділянок молекул моносахаридів. Загальна формула полісахаридів — (С₆Н₁₀О₅)_п, де п - кількість молекул моносахари­дів. У період гідролізу полісахариди розпадаються на моносаха­риди. До полісахаридів належать крохмаль, глікоген (тваринний крохмаль), целюлоза, клітковина.

Вуглеводи є складовою частиною цитоплазми. Вони відкла­даються в цитоплазмі у вільному стані як джерело енергії орга­нізму. При окисненні 1 г вуглеводів утворюється 27,6 кДж тепло­вої енергії. Вуглеводи входять до складу мембранних структур клітини, беруть участь у двох бар'єрних функціях. Утворюючи складні комплекси з білками, входять до багатьох видів сполуч­ної тканини, хряща, кісткової тканини, а також до складу обо­лонок яйцеклітини, тканини тестикули, склистого тіла ока та ін. Моносахариди, дисахариди, полісахариди, вступаючи в сполуки з іншими речовинами клітини, зумовлюють її колоїдні та осмо­тичні властивості.

Ліпіди (жири та жироподібні розчини — ліпоїди). Жири, як і вуглеводи, безазотисті органічні речовини. До їх складу також входять С, Н, О, але в інших співвідношеннях. Жири — це спо­луки гліцерину з жирними кислотами (олеїновою, стеариновою та ін.). У воді жири не розчиняються, а утворюють емульсії. Продукти гідролізу жиру — гліцерин і жирні кислоти. Організ­ми здатні переводити вуглеводи в жири і накопичувати енерге­тичний запас.

У період окиснення жирів, унаслідок утворення вуглекисло­го газу і води, вивільнюється велика кількість теплової енергії (40 кДж на 1 г жиру). У цьому відношенні жири посідають перше місце серед органічних сполук і є важливим джерелом енергії, по­трібної для життєдіяльності організму; виконують також функ­цію термоізоляції та ін.

Ліпоїди — жироподібні речовини, до складу молекул яких крім С, Н, О входять азот, фосфор та інші елементи. Ліпоїди у вигляді сполук з білками утворюють ліпопротеїди, які входять до складу клітинних мембран та органел, що мають мембранний принцип будови. Вони зумовлюють проникність клітинних мембран.

Нервова тканина, яєчний жовток, сперма — також багаті на ліпопротеїди.

Білки називають також протеїнами (від грец. ргоіе — пер­ший). Основна роль в організмі належить білкам, з якими завжди пов'язані всі прояви життя. Безліч хімічних реакцій метаболіз­му, реакцій синтезу одних сполук і розпаду інших здійснюється в організмі внаслідок каталітичної функції білків.

До складу білків входять атоми С, Н, О, N та незначна кіль­кість 8, Р, Ге і деяких інших елементів. Складаються білки з амінокислот, які характеризуються наявністю в їхній молекулі аміногрупи — 1*Ш₂ і карбоксильних груп — СООН, унаслідок чого амінокислоти мають властивості і лугів, і кислот (амфотерність). Завдяки цим особливостям амінокислоти легко з'єднуються одна з іншою через СООН і МН₂. Утворений при цьому зв'язок СО—N11 називається пептидним. Поєднання двох амінокислот — це ди­пептид, трьох — це трипептид. Пептид, який складається з не­великої кількості амінокислот, називається олігоиептидом, а з багатьох — поліпептидом.

До складу білкових молекул входить 20 різних амінокислот, які є найнеобхіднішими для організму. Наприклад: тирозин, ала­нін, лейцин, аргінін, лізин та ін. Загальна кількість їх у молекулі різних білків неоднакова (до 300 і більше). У різних білків також неоднаковий якісний склад амінокислот.

За хімічною структурою білки — біологічні полімери, в яких амінокислоти йдуть послідовно у вигляді намистинок на нитці. Вільні амінокислоти клітини утворюються внаслідок розщеплен­ня білків або надходять з міжклітинної рідини і становлять амі­нокислотний фонд, який є будівельним матеріалом для синтезу нових білків. Заміна або переставлення лише однієї амінокислоти призводить до значних змін у структурі білка. На будову білків впливає і просторове розміщення білкових ланцюжків. Розрізня­ють декілька рівнів організації молекули білків:

1. Первинна структура білкової молекули: поліпептидний ланцюг побудований із амінокислот.

2. Вторинна структура: молекула включає декілька сотень амінокислот, і поліпептидний ланцюг зрідка буває витягнутим повністю. Як правило, він зігнутий.

3. Третинна (глобулярна) структура, в якій поліпептидні лан­цюги скорочуються відповідним чином, створюючи компактну структуру. Розміщення ланцюгів у просторі за цієї структури білка дуже складне і вивчається методом рентгеноструктурного аналізу. Глобулярна структура виявлена в усіх найважливіших білках. Вона зумовлює в білковій молекулі тривимірну просто­рову конформацію. Експериментальними дослідженнями вста­новлено, що білок здатний виконувати свої функції тільки в тому випадку, коли збережена специфічна конформація. Наприклад, якщо в молекулі білка розірвати зв'язок, який утворює його тре­тинну структуру, то ферментативні властивості білка повністю втрачаються. У визначенні конформації білкової молекули ве­лике значення має співвідношення гідрофільних і гідрофобних амінокислот. Гідрофільні сполуки характеризуються наявністю водневого зв'язку в молекулі води. Ці сполуки легко вступають у реакції з водою. Гідрофобні ж сполуки, навпаки, погано всту­пають у реакції з водою через наявність вуглеводистих груп СН_Я, С_дН_б та ін. Отже, конформація білкової молекули, її вторинна і третинна структури визначаються її первинною структурою.

4. Четвертинна структура: два абобільше ланцюгів, які можуть бути однаковими або різними, але в обох випадках вони пов'язані слабкими зв'язками (нековалентними). Наприклад, молекула гемоглобіну складається з чотирьох поліпептидних субодиниць (двох Ь- і В-ланцюгів), поділ і асоціація яких можуть відбуватися спонтанно. Багато ферментів та інших білків з молекулярною ма­сою понад 50 000 характеризуються четвертинною структурою. Існують складні білки, до молекул яких входять прості білки та небілкова частина, — це протеїди. До них належать нуклеопро-теїди (білки, зв'язані з нуклеїновими кислотами), ліпопротеїди (наприклад, ліпопротеїди крові), хромопротеїди (гемоглобін).

гемоціанин і цитогарми), в яких білок зв'язаний з ферментом, та ін. Особлива роль належить нуклеопро- теїдам, які є в усіх клітинах.

Білки в клітині виконують різні функції (структурну, сигнальну, рушійну, ферментативну та ін.).

Для кожного виду організмів характерний

свій видовий специфічний білок. Існує не тільки видова, а й індивідуальна

специфічність білків.

Навіть у різних тканинах одного й того

самого організму

виявляється тканинна специ­фічність білків. Виявлення специфічності білків здійснюється за допомогою біологічних (імунологічних) методів. Уведення в орга­нізм стороннього білка (антигену) стимулює утворення специфіч­них білків-антитіл, які вступають у взаємодію саме з цим білком. Звідси можна зробити висновок, що утворення в організмі анти­тіл у результаті введення стороннього білка — явище біологічне і корисне. Разом з тим воно є суттєвою перешкодою в транспланта­ції органів і тканин.

Нуклеїнові кислоти (від лат. писіеиз — ядро) — хімічні речо­вини, які мають важливе біологічне значення, відіграють провід­ну роль у біосинтезі білка, спадковості та інших життєво важли­вих процесах. Нуклеїнові кислоти — високоспецифічні полімери, їх макромолекули — це довгий одинарний або подвійний ланцюг, утворений безліччю ділянок (мономерів), які в нуклеїнових кис­лотах називаються нуклеотидами.

Відомо дві групи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнові (ДНК) і рибонуклеїнові (РНК). ДНК розміщуються головним чи­ном у ядрі клітини і є основною речовиною хромосоми; РНК — у ядрі, цитоплазмі, частково в хромосомах. ДНК складається з двох спірально закручених один біля одного ланцюгів нуклеоти-дів. Нуклеотидів у молекулі ДНК — тисячі, їх молекулярна маса сягає десятків, мільйонів і більше. Послідовність нуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі ДНК теж різна. Це зумовлює висо­ку видову специфічність білка. Нуклеотид складається із залиш-ка фосфорної кислоти і цукру (дезоксирибози в ДНК і рибози в РНК). До складу нуклеотиду входить також по одній з чотирьох азотистих основ — пуринових (аденін, гуанін) або піримідинових (цитозин, тимін). Нуклеотиди (мононуклеотиди) являють собою мономери, з яких побудовані нуклеїнові кислоти (полінуклеоти-ди). В останніх мононуклеотиди сполучені між собою через зали­шок фосфорної кислоти, яка відіграє роль зв'язувальної ланки.

Комплементарне сполучення азотних основ подвійної спіра­лі ДНК таке: аденін — тимін, гуанін — цитозин. Разом з тим ці відношення АТ/ГЦ у ДНК різних видів значно варіюють. Так, у вищих рослин і тварин вміст А—Т перевищує Г—Ц. У вірусів, бактерій і нижчих організмів описані великі коливання величи­ни відношень А—Т/Г—Ц. У людини відношення А—Т/Г—Ц до­рівнює 1,4/1. На підставі иритохімічних та інших даних у деяких ділянках хромосоми вміст А—Т або Г—Ц може бути значно під­вищеним.

Просторову модель ДНК на підставі рентгеноструктурного аналізу запропонували в 1953 р. Джеймс Уотсон і Френсіс Крик. Ця модель добре пояснює фізико-хімічні і біологічні властивості ДНК, особливо механізм її репродукції в клітині. Основні прин­ципи побудови моделі:

1. кожна молекула ДНК включає два довгі антипаралельні по-лінуклеотидні ланцюги, утворюючи подвійну спіраль, закручену спірально навколо центральної осі, а кожний нуклеотид розташо­ваний у площині, перпендикулярній до осі спіралі;

2. два ланцюги з'єднані водневими зв'язками, які утворюють­ся між основними частинами молекул, котрі належать різним ланцюгам;

3) спіралізація та спарювання основ високо специфічне, оскільки відстань між вуглеводними компонентами двох спаре- них нуклеотидів постійна (1,1 нм); пуринові основи з'єднуються тільки з піримідиновими;

4) послідовність основ в одному ланцюгу визначає суворо комп- лементарну (відповідну) їй послідовність в іншій. Цими компле- ментарними парами, як зазначалось, є А—Т і Г—Ц (жал. б).

Властивість ДНК подвоюватися реалізується так: два ланцю­ги розділяються, і кожний з них слугує матрицею для синтезу

двох комплементарних (відповід­них) ланцюгів. У результаті цього утворюються дві молекули ДНК, які мають цілком ідентичну мо­лекулярну структуру. Генетична інформація закодована в послі­довності основ ДНК. У зв'язку з тим, що молекула ДНК це до­вгий полімер, в якому можлива величезна кількість варіантів у розміщенні нуклеотидів, то за до­помогою наявних чотирьох основ можна кодувати різну спадкову

інформацію.

Мал. 6. Фрагмент молекули ДНК Конструкція ДНК краще при- (схема)

Конструкція ДНК пристосована для здійснення її основної функції: зберігання постійно­го самовідновлення, самовідтворення (реплікацїї) та передачі на генетичному рівні інформації в клітині. Первинна структура РНК нагадує структуру ДНК, за винятком того, що РНК містить ри­бозу та урацил замість дезоксирибози та тиміну. Молекули РНК бувають односпіральними або, як і ДНК, двоспіральними. Є три типи РНК, які відрізняються за масою та іншими властивостями: рибосом на (рРНК), інформаційна, або матрична (ІРНК), розчине­на, або транспортна (тРНК). Усі вони синтезуються в ядрі клітини і беруть участь у синтезі білків та ферментів.

Фізико-хімічні властивості цитоплазми. Фізико-хімічний стан цитоплазми залежить від різних станів навколишнього се­редовища. Під час дії різних чинників (хімічних, механічних, термічних та ін.) цитоплазма клітин переходить у стан паране-крозу (від грец. para — біля, песros — смерть).

Різні процеси метаболізму клітини здійснюються за участю ферментів, або ензимів. Ферменти (від лат. еп — усередині, zут-те —дріжджі, закваска) це біологічні каталізатори, тобто спе­цифічні білкові речовини, які зумовлюють біохімічні перетво­рювання в процесі обміну речовин. За хімічною будовою ензими поділяють на прості (однокомпонентні) та складні (двокомпо­нентні). Прості ензими складаються з білка, а складні — з білка (апофермента) та небілкової частини (простатичної групи, або ко­ферменте; від лат. со — разом, fermentum — закваска), яка вклю­чає вітаміни або атоми металів як реактивний центр ензимів. Дія ферментів специфічна: вони каталізують певні реакції.

Молекула будь-якого ферменту має один або декілька актив­них центрів, до яких прикріплюється молекула субстрату. Вони підходять один до одного подібно до того, як ключ підходить до замка. Тому кожний фермент діє лише на відповідний субстрат.

Багато ферментів добре вивчені, виділені, одержані в крис­талічному вигляді та широко використовуються в біології, клі­нічній медицині, харчовій промисловості тощо. Характерним є те, що біологічні мембрани клітини являють собою своєрідні ма­триці, на яких розташовані ферментативні системи. Ці системи сприяють перетворенню хімічної енергії клітини на електричну і навпаки.

У клітину як структурну і функціональну одиницю живого проникають речовини. Закономірності надходження речовин у клітину зумовлюють явища проникливості клітинних мембран. Проникливість — здатність клітини поглинати і затримувати ре­човини, розчинені в середовищі, яка оточує клітинну мембрану, а також виділяти в це середовище речовини, вироблені в процесі життєдіяльності клітини. Проникливість здійснюється за раху­нок наявності активного транспорту речовин, дифузії крізь біо­логічні мембрани, здатності білків цитоплазми адсорбувати речо­вини тощо. Проникливість клітинних мембран має важливе зна­чення для обміну речовин, транспорту йонів, органічних речовин, води. З нею пов'язане також надходження в клітину лікарських препаратів, наркотичних засобів. Характерно, що проникливість стосовно одних речовин виражена досить пасивно, а стосовно ін­ших — активно. Що вища розчинність, то швидше проникають речовини. Пасивне перенесення здійснюється проникненням крізь клітинну мембрану. Так найкраще проникають органічні молекули, що добре розчиняються в жирах.

Для клітин характерним є також явище дифузії (від лат. diffusio— поширення) — взаємопроникнення речовин та розпо­діл частинок унаслідок теплового руху. Дифузія здійснюється в результаті різниці концентрацій, у напрямку зменшеної концен­трації речовин, і триває до моменту рівномірного їхнього розпо­ділу. Дифузія відіграє важливу роль у процесі життєдіяльності клітини. Так, різна швидкість дифузії йонів крізь клітинні мемб­рани є одним із фізіологічних факторів, які впливають на вибірне накопичення елементів.

Поряд із дифузією велике значення для клітин має осмос (від грец. osmos — тиск) — одностороннє проникнення води крізь на­півпроникну оболонку. Тиск, який виник на цій оболонці (мемб­рані), називається осмотичним. У хребетних і людини осмотич­ний тиск — постійний унаслідок регуляції.

Залежно від осмотичного тиску розчини поділяють на ізото­нічні (у них тиск аналогічний тиску в клітині; ізотонічні розчини солей називають фізіологічними) та гіпертонічні (де осмотичний тиск вищий, ніж у клітинах).

Ріст і розвиток будь-якої клітини зумовлюються утворенням нової живої субстанції — білка. У процесі життєдіяльності кліти­ни молекули білка зношуються і в ній синтезуються нові білки. Здатність до біосинтезу білків — одна з найважливіших особли­востей клітини.

Біосинтез білка в клітині відбувається за принципом матрич­ного синтезу за участю нуклеїнових кислот. Матричний шлях синтезу білка перебуває у взаємозв'язку з нуклеїновими кисло­тами, а саме — із ДНК, котра є матрицею (штампом), формою, де закодована первинна структура білка, яка синтезується під впли­вом цієї ДНК. Спочатку на структурі ДНК синтезуються молеку­ли інформаційної, або матричної, РНК (ІРНК), які надалі пере­ходять з ядра до цитоплазми, де вони з'єднуються з рибосомами і беруть участь у синтезі відповідних білків.

Генетична інформація, укладена в молекулі ДНК, спрямовує синтез того чи іншого білка. Так, білок крові — гемоглобін, син­тезується клітинами печінки, інсулін — клітинами підшлункової залози тощо. Різні ділянки ДНК несуть відповідальність за син­тез певних білків. Кожному білку відповідає визначений аміно­кислотний склад і їх точне послідовне розміщення.

Утворення білків з амінокислот починається з ферментативної активізації останніх. Під впливом комплексу ферментів аміно­кислоти перетворюються на їх активну стадію внаслідок взаємо­дії АТФ з нуклеїновими кислотами. АТФ, а в деяких випадках — і подібні їй макроергічні кислоти ЦТФ (цитидинтрифосфорна) і ГТФ (гуанінтрифосфорна) є тими акумуляторами, які безпосеред­ньо забезпечують енергію як для активізації амінокислот, так і для інших етапів біосинтезу білка.

Біосинтез білка в клітині — складний хімічний багатосту­пінчастий процес, який відбувається у відповідному порядку на окремих структурних елементах клітини за участю різних систем ферментів. Особливість білкового синтезу клітин полягає в його винятково високій точності (безпомилковості). Генетично про­грамована структура білкових молекул зберігається з покоління в покоління. При цьому молекули синтезуються безліч разів у ме­жах одного організму без виражених (у нормі) відхилень від за­даної послідовності амінокислот.

У біосинтезі білка виділяють такі стадії:

1. активізація амінокислот, тобто перетворення їх на активні або реактивні форми;

2. з'єднання амінокислот з тРНК з утворенням складних комп­лексів між активними центрами амінокислот і тРНК;

3. транспортування комплексів амінокислот з тРНК до рибо­сом;

4. утворення поліпептидних ланцюгів на рибосомах;

5. від'єднання поліпептидного ланцюга від рибосом і утворен­ня просторової структури білкової молекули.

Суть першої стадії полягає в тому, що під впливом відповідних ферментів (кожній амінокислоті відповідає специфічний фер­мент) амінокислоти вступають у взаємодію з донором енергії — АТФ. Реакція забезпечується наявністю деяких йонів — магнію, марганцю, кобальту. Утворюється продукт конденсації залишку амінокислоти із залишком аденілової кислоти (АМФ) — аміно-ациладенілат. Виділяється молекула пірофосфату. Амінокис­лота з'єднується із залишком аденілової кислоти за допомогою карбоксилфосфатного зв'язку. Цей зв'язок макроергічний, вна­слідок якого енергія амінокислоти стає активною і переходить у подальші реакції утворення поліпептидного ланцюга в процесах біосинтезу білка. На початковій стадії процесу фермент утворює комплексне сполучення з АТФ, У результаті в молекулі АТФ від­бувається послаблення зв'язку між залишками фосфатної кисло­ти. Потім комплекс взаємодіє з амінокислотою, унаслідок чого утворюється комплекс ферменту з аміноациладенілатом і віль­ний пірофосфат. Ферменти, які активізують амінокислоти, дуже поширені в природі. Для них характерна висока специфічність. Кількість ферментів дорівнює кількості амінокислот, які входять до складу білків.

Друга стадії полягає в перенесенні активних амінокислот і сполученні їх з ферментами та тРНК. Утворений при цьому комп­лекс амінокислот з відповідною специфічною для них тРНК має макроергічний зв'язок між залишком амінокислоти та тРНК.

Саме за рахунок енергії цього зв'язку і здійснюються подальші реакції. Сполучення активних амінокислот з тРНК відбувається за допомогою тих самих ферментних систем, які беруть участь і в активізації амінокислот. У вигляді комплексу з ферментом амі-ноациладенілат реагує з тРНК. Ця група ферментів, відповідно до їхньої функції, називається аміноацил-тРНК-синтетаза. Акти­візована амінокислота приєднується до кінцевої ділянки тРНК. Кінцева частина є структурою ЦЦА.

Третьою стадією біосинтезу білка є перенесення активованих амінокислот у комплексах з відповідними тРНК на нуклеопроте-їди рибосом клітини. Цей процес здійснюється також під впли­вом специфічних ферментів, кількість яких, мабуть, перевищує 20—60. Деякі амінокислоти транспортуються декількома тРНК. Так, для перенесення амінокислот валіну та лейцину існує по три різних тРНК, для процесу переносу амінокислот на рибосоми по­трібна гуанозинтрифосфорна кислота (ГТФ) і система, яка синте­зується АТФ.

На четвертій стадії на рибосомах синтезується специфічний білок. Вважають, що комплекс тРНК з активованими амінокис­лотами на поверхні рибосоми з'єднується водневими зв'язками з певною ділянкою інформаційної (матричної) РНК. Це відбува­ється за рахунок пуринових та піримідинових основ іРНК. На ри­босомах клітини унаслідок дії відповідних ферментів, за участю нуклеопротеїдів цих клітинних структур, а також ІРНК та тРНК синтез білків здійснюється з використанням енергії.

Поліпептидний ланцюг відривається від рибосоми, утворю­ється на п'ятій стадії біосинтезу, після закінчення її синтезу. Заново утворений білок, відділений від рибосоми, переходить у цитоплазму і відповідно первинній структурі здобуває певну про­сторову конфігурацію, або макроструктуру.

Молекулярні основи механізму біосинтезу білка. Вони ґрун­туються на тому, що ДНК, сконцентрована переважно в хромосо­мах, безпосередньої участі в синтезі білка не бере.

Кодована в ДНК інформація про первинну структуру білка передається до рибосом, де здійснюється їх синтез. Незважаючи на те що рибосоми є апаратом синтезу білка, вони здатні забез­печувати цей процес (мал. 7). Утворення поліпептидного ланцюга з амінокислот потребує участі матричних (ІРНК) і транспортних (тРНК), а також АТФ і спеціалізованих ферментів та інших ре­човин. Отже, рибосоми можна назвати макромолекулярною ма-

Мал. 7. Рибосома, на якій відбувається процес трансляції: 1 — пепти-дильний центр — Р-ділянка; 2 — аміноацильний центр — А-ділянка

шиною, що складається з багатьох підігнаних деталей і здатна до відбору компонентів, бере участь у трансляції та керує нею.

На поверхні ДНК унаслідок законів комплементарності може синтезуватися декілька молекул іРНК. Ділянки ДНК у функці­ональному відношенні неоднакові. Кожна з них складається з різної кількості триплетів і програмує синтез відповідного біл­ка. Ці ділянки називають структурними генами. Деякі автори для поняття гена як функціональної одиниці пропонують тер­мін "цитрон". Цитрон складається з триплетів, які називають кодонами. Відповідно кодонам ДНК на основі комплементарнос­ті формуються кодони іРНК. Тому й послідовність нуклеотидів цитрона ДНК відображається в послідовності нуклеотидів іРНК. Різниця лише в азотистих основах, де в іРНК замість тиміну, як у ДНК, міститься урацил. Саме комплементарність структур дає матриці змогу визначити нуклеотид і встановити його в належне місце.

Інформація про специфічність будови білкової молекули за­кладена в послідовності нуклеотидів молекули ДНК, яку можна назвати кодом. У зв'язку з тим, що спадкоємність пов'язана з біосинтезом специфічних білків, цей код іменується генетичним.

Отже, ДНК являє собою своєрідну матрицю, на основі якої син­тезуються такі біополімери, як нуклеїнові кислоти і білки. Це матричний, або програмований, синтез. Зважаючи на те що коду­вання передається через іРНК, воно також є безпосередньою ма­трицею для білкового синтезу.

іРНК має з'єднуватися з рРНК та тРНК, яка транспортує від­повідні амінокислоти. Унаслідок дії такого складального комп­лексу, під час каталізуючої дії багатьох ферментів, утворюється поліпептидний ланцюг.

Як відзначалося, рибосоми з іРНК утворюють ланцюг. Тут ри­босоми, подібні до намиста, нанизаного на ниткоподібну молекулу іРНК, рухаються по ній, зчитуючи інформацію, закодовану в по­слідовності її нуклеотидів. У цей самий період іРНК з'єднується з тРНК, котра постачає відповідну амінокислоту. У результаті утворюється єдина система контакту між ІРНК, рРНК та тРНК, завантаженими амінокислотами. Тут кодон ІРНК з'єднується водневим зв'язком з кодоном (антикодоном) тРНК за принципом комплементарності (наприклад, А—Г, Ц—У). Отже, шляхи пере­дачі інформації включають декілька етапів:

1) транскрипція — передача (переписування) інформації про послідовність нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів ІРНК;

2) транспортування іРНК від місця утворення до рибосом;

3) трансляція — перенесення інформації, закодованої в нукле- отидій структурі іРНК, на первинну структуру поліпептидного ланцюга білка.

Шляхи передачі інформації ґрунтуються на нуклеотидних кодонах. До складу молекули ДНК входять десятки тисяч ком­бінацій чотирьох різних нуклеотидів, які відрізняються один від одного своїми азотистими основами. Положення в молекулі ДНК однієї окремо взятої азотистої основи не може визначати положен­ня окремої амінокислоти в молекулі білка. Азотистих основ у мо­лекулі ДНК усього чотири, а амінокислот у молекулі білка — 20. Тому лише комбінації з трьох основ відповідають необхідним ви­могам. Кількість можливих комбінацій по три з чотирьох дорівнює 4³, тобто 64. Положення в молекулі білка кожної з 20 амінокислот визначається групою з трьох азотистих основ молекули ДНК.

Таким чином, виникає можливість кодування однієї аміно­кислоти декількома кодонами. Це явище має визначне біологічне значення. Саме наявність декількох кодонів для однієї амінокис­лоти підвищує динамічну гармонійність усього процесу біосинте­зу білка внаслідок дії різних факторів на організм. Наприклад, якщо певна амінокислота включається в поліпептидний ланцюг тільки одним кодоном, то в результаті зміни або порушення цього триплету змінюється і біосинтез визначених білків. Якщо ж два, три і більше триплетів кодують включення певної амінокислоти, то якщо й буде порушений один або навіть два кодони, включення відповідної амінокислоти забезпечать збережені кодони. Не ви­ключена можливість, що різні кодони з неоднаковою швидкістю можуть включати амінокислоти в поліпептидний ланцюг і таким чином регулювати динаміку синтезу.

Існують кодони (їх називають безглузді), які ніяких амінокис­лот не кодують (УАА, УАГ, УГА), а виступають у вигляді стоп-сигналів для закінчення синтезу. Є й такі кодони, які визначають початок синтезу (АУГ, ГУГ, УУГ). Кожний з них кодує відповідну амінокислоту і не відрізняється від інших кодонів. їхня роль зале­жить від положення їх у молекулі іРНК. Якщо вони розташовані на початку або в кінці молекули, то з ними тРНК не з'єднується, а відбувається зв'язок з тією тРНК, яка несе амінокислоту, з якої розпочинається синтез.

Уже розкрито не тільки склад кодонів, а й порядок чергуван­ня мононуклеотидів у них. Послідовне розміщення таких кодонів у іРНК або в їхніх комплексах з рибосомними нуклеотидами віді­грає важливу роль в утворенні в процесі біосинтезу певного білко­вого ланцюга.

Отже, початком біосинтезу білка є гетеросинтетична функція гена, транскрипція — синтез іРНК — і перехід ІРНК у цитоплаз­му до рибосом (мал. 8).

У наслідок активізації амінокислот встановлю- ється їх зв'язок з тРНК і утворюється склад- ний біологічний комп- лекс: амінокислота — АТФ — специфічний фермент — тРНК. Потім відбувається перенесен- ня амінокислот за допомогою тРНК на рибосому.- Мал. 8. Фрагмент молекули

ДНК під час транскрипції

Амінокислоти за допомогою відповідних ферментів з'єднуються між собою. Виникає первинна структура білка з наступним за­вершенням формування вторинної, третинної та четвертинної структур. Таким чином, проблема біосинтезу білків як процесу самооновлення на молекулярному рівні може бути представлена так: ДНК (ген) — ІРНК — поліпептид — специфічний білок — ознака.

Спадкова інформація може передаватися не тільки від ДНК до РНК, а й у зворотному порядку за допомогою спеціального фер­менту зворотної транскриптази. Ця особливість клітини розкрита на моделі онкогенних вірусів і може відігравати важливу роль у процесах онтогенезу та явищах імунітету.

Біологічний процес синтезу білка досить складний і здійсню­ється внаслідок реалізації ауто- та гетеросинтетичної функції гена. У результаті аутосинтетичної функції інформація, власти­ва даному виду, може передаватися з покоління в покоління. На підставі ауто- та гетеросинтетичної функції і відбувається само­оновлення клітини, забезпечується реалізація записаної в ній ін­формації. Самооновлення здійснюється завдяки обміну речовин клітини із зовнішнім середовищем у процесі саморегуляції та са­мовідтворення. Клітина, здійснюючи саморегуляцію, підтримує певну стабільність внутрішньо-клітинного середовища. В основі цього явища лежать фізико-хімічні процеси, що відбуваються на молекулярному рівні саморегуляції.

У вищих організмів генетичний контроль і саморегуляція складніші, ніж у мікроорганізмів. Незважаючи на те що геном у різних клітинах і тканинах одного організму однаковий, у них синтезуються різні білки (наприклад, пепсин — у слизовій обо­лонці шлунка, гемоглобін — в еритроцитах та ретикулоцитах тощо). Це можна пояснити блокуванням більшої частини генів у результаті диференціювання, яке відбувається за участю гістонів та інших білків хроматину.

Проте з гістонами пов'язана особлива, раніше невідома різно­видність РНК. На підставі цього запропоновано гіпотезу, за якою саме ІРНК, а не гістонам належить специфічна дія. Саме така РНК блокує оператор, вступаючи з ним у комплементарні взаємовід­носини. Існують й інші механізми саморегуляції діяльності, що здійснюються в клітині. Усе ж таки провідна роль у саморегуля­ції діяльності клітини належить, як зазначалось, її генетичному апарату.

І

Життєвий цикл клітини. Поділ клітини

Поділ клітини відбувається після подвоєння власного генетич­ного матеріалу, маси клітини та її компонентів. Ці передумови поділу в свою чергу відбуваються в інтерфазі клітинного циклу. Клітинний (життєвий) цикл включає народження, поділ і смерть клітини.

Нова клітина, згідно із клітинною теорією, утворюється лише за допомогою поділу. У амеби ротової та інших одноклітинних організмів клітинний цикл триває впродовж усього життя, тобто у них клітинний цикл збігається з життєвим. Наприклад, трива­лість клітинного циклу амеби-протей — 25—35 год — тобто жит­тя становить також цей час.

Клітини багатоклітинних організмів протягом життя розмно­жуються певну генетично зумовлену кількість разів. Клітинний цикл таких організмів повторюється відповідну кількість разів. Кожний цикл складається з чотирьох періодів: пресинтетично-го, або постмітотичного (О,), синтетичного (8), постсинтетично-го, або премітотичного (С₂)» і мітозу. Перший, пресинтетичний, період клітинного циклу проходять усі клітини. Різні клітини перебувають у цьому періоді різний час, водночас для нервових еоіітин це єдиний період. Клітини ростуть, накопичують різні біл­ки. Гени виконують гетеросинтетичну функцію. У клітині нагро­маджуються багаті на енергію речовини, нуклеотиди, амінокис­лоти, ферменти. На цьому етапі клітина готується до подвоєння генетичного матеріалу. До наступного, синтетичного, періоду пе­реходять лише ті клітини, що минули точку рестрикції, яка су­проводжується наявністю в клітині нестабільного білка у певній концентрації. Відбувається реплікація ДНК і подвоєння матеріа­лу хромосом; синтез білка та РНК.

У синтетичному періоді підвищується активність ферменту ДНК-полімерази, а внаслідок аутосинтетичної функції гена від­бувається подвоєння генетичного матеріалу — реплікація моле­кули ДНК. Синтез ДНК починається одночасно в кількох місцях хромосоми. Можливо, ці "стартові" точки реплікації з'єднані вну­трішньою поверхнею ядерної мембрани. Ділянка хромосоми, роз­міщена між двома сусідніми "стартовими" точками, є одиницею реплікації ДНК; вона називається репліконом. У кінці синтетич­ного періоду кожна хромосома стає двохроматидною. Наприклад, у клітинах людини буде 92 молекули ДНК та 46 двохроматидних хромосом.

Третій, постсинтетичний, період супроводжується синтезом білків веретена поділу та підготовкою клітини до мітозу. Ядра збільшуються. Центросома перетяжкою ділиться навпіл.

Четвертий період — мітоз. Непрямий поділ, або мітоз, харак­теризується процесами, які відбуваються в ядрі і клітині в ціло­му (мал. 9). Генетичний матеріал клітини, що подвоївся в синте­тичному періоді інтерфази, завдяки мітозу рівномірно розподі­ляється між двома новими дочірніми клітинами. Материнська і дочірня клітини мають однакову кількість хромосом та ідентичні

генетичні програми. Якщо мітоз відбувся без порушень, то со­матична клітина людини має 46 однохроматидних хромосом і 46 молекул ДНК. Для мітозу характерні послідовні морфологічні та фізіологічні зміни, які втягують у процес ядро, цитоплазму та її органели.

Перша фаза мітозу — профаза (мал. 10, Б). Клітина округлю­ється, цитоплазма стає більш в'язкою, тургор її підвищується, збільшується поверхневий натяг клітини. Центросоми, які роз­ділилися, розходяться все далі по довгій осі клітини до її полю­сів. Між центросомами відбувається формування ахроматинового веретена, яке складається з пружних білкових ниток. Ці нитки за своїм розміщенням нагадують силові лінії магнітного поля. У період профази хромосоми помітно ущільнюються, потовщують­ся, укорочуються. У такому стані вони добре проглядаються в світловому мікроскопі. Відбувається розчинення ядерців. Розпіз­навальною ознакою закінчення профази є розчинення оболонки ядра, у результаті чого хромосоми опиняються в загальній масі цитоплазми та каріоплазми.

Друга фаза — метафаза (мал. 10, В). Хромосоми розміщуються в одній площині по екватору. Таке характерне розміщення їх на­зивають екваторіальною, або метафазною, платівкою. На цій ста­дії визначається кількість і форма хромосом, особливо при роз­гляданні метафазної платівки з полюсів поділу клітини.

Метафазну платівку використовують для визначення каріоти­пу. Сформоване ахроматинове веретено, на відміну від хромосом, не забарвлюється барвниками. Нитки ахроматину являють собою пучки мікротрубочок, які складаються головним чином з білка, який нагадує скорочувальний білок м'язових волокон. Розташо­вані ахроматинові нитки так, що в сукупності утворюють фігуру, подібну до веретена. Сумісно з центріолями ахроматинове верете­но утворює мітотичний апарат клітини. Для цитоплазми в цей пе­ріод характерна найменша в'язкість. Хромосоми своїми нерозді-леними центромерами розміщуються в екваторіальній площині, перпендикулярно до осі веретена. Центромера кожної хромосоми перебуває точно в екваторіальній площині, решта ж тіла хромосо­ми може бути і поза нею.

Третя фаза — анафаза {мал. 10, Г). Хромосоми розчіплюються, і сестринські хромосоми (хроматиди) розходяться до різних по­люсів. На цій стадії скорочуються тягнучі нитки веретена за раху­нок енергії АТФ та відштовхуються дочірні хромосоми. Відштов­хуються одна від одної насамперед центромерні ділянки, а потім розходяться до полюсів центромерами вперед і самі сестринські хромосоми. Розходження хроматид в анафазі починається одно­часно і закінчується дуже швидко.

Четверта фаза — телофаза (мал. 10, Д). Відбувається деспіра-лізація дочірніх хромосом, і вони втрачають видиму індивідуаль­ність. Утворюється оболонка ядра, а потім і ядро. Реконструкція ядра здійснюється в зворотному порядку. Відновлюються ядерця в тій кількості, яка була у вихідній формі. Формується мембрана, відокремлюючи дочірні клітини одну від одної. Відбувається роз­поділ органел між новими клітинами. У період телофази повністю відокремлюються дочірні клітини шляхом поділу цитоплазми — цитокінезу.

Є випадки множинної реплікації молекул ДНК без наступного поділу клітин (цитотомії). Таке явище називається ендомітозом. Ендомітоз є джерелом утворення поліплоїдних клітин, в яких на­бір хромосом збільшений у кратну кількість разів. Таке явище ха­рактерне, наприклад, для печінки, де виявляються клітини, які

мають десятки і сотні ядер. Нарівні з ендомітозом спостерігається і явище політенії (від грец.роіу — багато, іаепіа — нитка). Це ви­падок ендомітозної поліплоїдії, коли кількість хромонем у хромо­сомах збільшується, але хромосоми не розчіплюються, а значно стовщуються, досягаючи величезних розмірів (політенні хромо­соми). У випадках політенії випадають усі фази мітотичного ци­клу, крім основної — репродукції первинних ниток-хромосом.

Загальна тривалість життєвого циклу, включаючи і період мі­тозу, різна — від 24 до 72 год і більше, залежно від типу тканин, умов життя клітини і віку організму. Найкоротший мітотичний цикл (11 год) спостерігається в епітеліальних клітинах дванад­цятипалої кишки. В епітелії рогівки ока тривалість циклу стано­вить 72 год.

З усього клітинного циклу найтривалішим є пресинтетичний період, на який припадає близько половини всього часу. Пост-синтетичний період і мітрз порівняно короткочасні, тривалість їх 1—4 год, а синтетичного — 8—9 год. При цьому зазначений тер­мін характерний для клітин як з коротким (24 год), так і з трива­лим (72—114 год) мітотичним циклом. Фізичний ріст людини зу­мовлений нормальним процесом ділення клітин. Майже 50 послі­довних поділів утворюють величезну кількість клітин, які скла­дають тіло дорослої людини. Клітинний цикл — саморегулівний процес. Кожний подальший його етап здійснюється за рахунок попередньої стадії і, у свою чергу, зумовлює початок нової стадії. Мітотична активність залежить не тільки від самих клітин, а й від умов життя, які впливають на хід циклу.

В організмі спостерігається добова ритмічність мітозу. Якщо орган функціонує напружено, то мітотична активність його клітин значно знижується. На мітотичну активність впливають гормони: наприклад, гормон надниркової залози гальмує мітоз; гормони яєчника підвищують мітоз клітин грудної залози та матки, а гор­мон гіпофіза — мітоз клітин щитоподібної залози. Установлено, що у відмерлих клітин виділяються особливі речовини (ракові гор­мони), які стимулюють клітинний цикл живих клітин. Що більше клітин відмирає, то інтенсивніше відбувається поділ залишених. Мітотична активність клітин може змінюватися під впливом нер­вової системи. Після денервації якого-небудь органа порушується добова ритмічність мітозу. У період мітозу синтетичні процеси в клітині різко скорочуються, і протягом більшої частини клітинно­го циклу клітина зайнята підготовкою до самовідтворення.

Порушення мітозу призводить до появи поліплоїдів. Цей термін запропонував у 1916 р. Г. Венклер, який розумів під по­ліплоїдією змінену кількість хромосом. Згідно з цитологічними дослідженнями, більшість видів покритонасінних рослин — це поліплоїди. Гаплоїдне число хромосом виду генетики називають основним числом. У процесі еволюції і експериментальних дослі­джень поліплоїди виникають переважно в результаті порушення мітозу, а інколи мейозу.

Анеуплоїди — це поліплоїди, диплоїдні клітини яких мають в основному наборі збільшену або зменшену кількість хромосом на одну або декілька. Моносоміки — це анеуплоїди, у яких з пари го­мологічних хромосом недостатня одна з гомологічних хромосом будь-якої пари (2л-1). Трисоміки —- це анеуплоїди, у яких одна гомологічна пара має три хромосоми (2л+1). Більшість анеупло-їдних зигот гинуть на ранніх стадіях ембріогенезу. Прикладами життєздатних анеуплоїдій у людини є хромосомні хвороби: хво­роба Дауна — у 94 % випадків це трисомія 21-ї пари; синдром Патау — трисомія 13-ї пари хромосом; синдром Едвардса — три­сомія 18-ї пари хромосом; синдром Шерешевського—Тернера — моносомія 23-ї пари хромосом.

Амітоз — прямий поділ клітини. Особливістю амітозу є те, що ДНК перед поділом подвоюється, але хромосоми не стають поміт­ними, ахроматинове веретено не утворюється. Відсутність вере­тена поділу призводить до нерівномірного розподілу хромосом. Ядро клітини ділиться навпіл перетяжкою. Амітоз відбувається при поділі патологічно змінених клітин, а також у спеціалізова­них клітинах печінки.

Мейоз — поділ ядра клітини, який призводить до зменшення вдвічі кількості хромосом диплоїдної клітини. Мейоз властивий організмам, які розмножуються статево. Завдяки мейозу статеві клітини, або гамети, завжди гаплоїдні. Мейоз складається з двох послідовних поділів клітини. Під час першого — редукційного періоду кількість хромосом зменшується вдвічі; після другого по­ділу кількість хромосом залишається гаплоїдним, а хромосоми з двохроматидних стають однохроматидними. У результаті цього кількість молекул ДНК відповідає кількості однохроматидних хромосом, або сестринських хромосом.

Перший і другий мейотичні поділи складаються з чотирьох фаз: профази, метафази, анафази і телофази. Редуплікація ДНК відбувається тільки перед першим поділом.

Профаза І мейотичного редукційного поділу має п'ять стадій: лептонему, зигонему, пахінему, диплонему і діакінез. У лептоне-мі ядро збільшується, хромосоми двохроматидні і мають вигляд тонких деспіралізованих ниток. У зигонемі парні гомологічні хромосоми наближуються і всіма ділянками зливаються. Утворю­ються біваленти, кожний бівалент складається з чотирьох хрома-тид. Злиття двох гомологічних хромосом називають кон'югацією. У пахінемі біваленти вкорочуються і стовщуються. На цій стадії між ідентичними ділянками гомологічної пари хромосом відбу­вається перехрест і обмін — кросинговер. У диплонемі продовжу­ється вкорочення і стовщення, яке призводить до відштовхуван­ня сестринських хроматид. У діакінезі хромосоми спіралізовані, оболонка ядра руйнується, починається наступна фаза.

Метафаза І: гомологічні хромосоми розташовані попарно в екваторіальній площині клітини. Кожна хромосома двохрома-тидна.

Анафаза І: з кожної пари гомологічних хромосом до проти­лежних полюсів клітини розходиться по одній хромосомі. Так відбувається редукція (зменшення вдвічі) кількості хромосом. Розподіл хромосом — явище випадкове і зумовлює появу різних гамет.

Телофаза І: навколо хромосом на полюсах клітини формуєть­ся ядерна оболонка, потім відбувається цитокінез. Кожна з двох дочірніх клітин має гаплоїдний набір хромосом (п) та подвоєну кількість ДНК, тому що хромосоми мають дві хроматиди.

Після короткого періоду — інтеркінеза (проміжку між кінцем першого і початком другого мейотичного поділу) — починається другий мейотичний поділ.

Другий мейотичний поділ подібний до мітозу. Профаза II су­проводжується: спіралізацією двохроматидних хромосом, руй­нацією ядерної оболонки і зникненням ядерця, формуванням ахроматинового веретена поділу. Метафаза II характеризується наявністю сформованого веретена поділу; центромери хромосом розміщуються в один ряд по екватору. До хромосом приєднують­ся нитки ахроматинового веретена.

Анафаза II супроводжується поділом центромер кожної хро­мосоми і розходженням хроматид до полюсів клітини. Телофаза II характеризується деспіралізацією хромосом, розчиненням ве­ретена поділу і формуванням ядерця та ядерної оболонки. Потім відбувається цитокінез.

Після II мейотичного поділу утворюється чотири гаплоїдні клітини; усі хромосоми однохроматидні. У людини мейоз закін­чується утворенням гамет, що мають 23 хромосоми і 23 молекули ДНК(ІпІС).

Генетичне значення мейозу полягає у тому, що завдяки йому:

• підтримується сталість диплоїдного набору хромосом у кожного виду організму. У людини соматична клітина має 46 хромосом;

• незалежно розходяться хромосоми в анафазі І та хроматиди в анафазі II. Це один із механізмів забезпечення генетичної перекомбінації хромосом матері і батька. Випадкова пере-комбінація забезпечує генетичну різноманітність гамет;

• обмін генами між хроматидами гомологічних хромосом, або кросинговер, забезпечує генетичну перекомбінацію. Тому кожна гамета організму є генетично унікальною і не­повторною.

^{РОЗДІЛ 2}

Молекулярні основи спадковості. Реалізація спадкової інформації

Характеристика нуклеїнових кислот: ДНК і РНК, про­сторова організація, видова специфічність, роль у зберіганні та передачі спадкової інформації

Уперше нуклеїнові кислоти виявив Ф. Мішер у 1869 р.

Переконливі докази того, що саме з ДНК пов'язана передача спадкової інформації, отримані при вивченні вірусів. Проникаю­чи в клітину, вони вносять у неї лише нуклеїнову кислоту з дуже невеликою кількістю білка, а вся білкова оболонка залишається поза клітиною. Отже, введена в клітину ДНК передає генетичну інформацію, необхідну для утворення такого самого біологічного виду. Виявлено, що чиста нуклеїнова кислота вірусу тютюнової мозаїки може заразити рослину і спричинити типову картину за­хворювання. Більше того, вдалося штучно створити вегетативні "гібриди" з вірусів, у яких білковий футляр належить одному виду, а нуклеїнова кислота — іншому. У таких випадках генетич­на інформація "гібридів" завжди з точністю відповідала тому ві­русу, нуклеїнова кислота якого входила до складу "гібриду".

Вагомі докази ролі ДНК у передачі спадкової інформації отри­мані також в експериментах на мікроорганізмах завдяки явищам трансформації, трансдукції і кон'югації.

Трансформація (від лат. transformatiо — перетворення) — включення чужорідної ДНК у геном клітини-хазяїна, що при­зводить до зміни її структурних і функціональних властивостей. Спадкова інформація від однієї клітини до іншої передається за допомогою ДНК клітини-донора. Явище трансформації було ви­явлено в дослідах англійського мікробіолога Гріффітса (1928).

Трансдукція (від лат. transductio — переміщення) полягає в тому, що віруси, залишивши бактеріальні клітини, в яких вони паразитували, можуть захоплювати частину її ДНК і, потрапив­

ши в нові клітини, передають новим хазяїнам властивості попе­редніх. Це явище вперше було відкрито в дослідженнях щодо за­раження бактерій вірусами.

Кон'югація (від лат. сопіjugatіо — з'єднання) — це передача генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої шляхом утво­рення цитоплазматичного містка, переміщення частини ДНК та її інтеграція з геномом клітини-реципієнта.

Будова молекули ДНК. Згідно з моделлю Уотсона і Крика, ма­кромолекула ДНК — це два довгі полімерні ланцюги, що склада­ються з мономерів дезоксирибонуклеотидів, тісно з'єднаних між собою. Нитки ДНК з'єднуються водневими зв'язками між азо­тистими основами двох ланцюгів і утворюють подвійну спіраль ДНК. Пуринові та піримідинові основи взаємодіють одна з одною. Аденін одного ланцюга двома водневими зв'язками з'єднується з тиміном іншого ланцюга, а гуанін — трьома водневими зв'язками з цитозином. Таке сполучення азотистих основ забезпечує міц­ний зв'язок обох ланцюгів. Два полінуклеотидні ланцюги ДНК антипаралельні. Тобто, 5'-кінець одного ланцюга з'єднаний із 3'-кінцем іншого, і навпаки. Генетична інформація записана послі­довністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до З'-кіиця. Така нитка називається "змістовною", саме тут розташовані гени (ма­тричний ланцюг). Другий ланцюг у напрямку 3'—5' вважається "антизмістовним". Він необхідний як "еталон" збереження гене­тичної інформації і набуває значення в процесах реплікації та ре­парації.

Два довгі антипаралельні полімерні ланцюги, що складаються із дезоксирибонуклеотидів, міцно з'єднані між собою водневими зв'язками. У результаті цього утворюється подвійна спіраль, за­кручена навколо центральної осі.

Діаметр подвійної спіралі ДНК становить 2 нм, відстань між двома завершеними витками — 3,4 нм. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів. Відстань між сусідніми основами — 0,34 нм.

ДНК — це полімер, мономерами якого є нуклеотиди. Нуклео-тид складається з: 1) азотистої основи; 2) моносахаридів дезокси­рибози; 3) залишку фосфорної кислоти.

Азотисті основи бувають двох типів: пуринові — аденін (А) і гуанін (Г) та піримідинові — тимін (Т) і цитозин (Ц).

До складу молекули ДНК входять чотири типи нуклеотидів: аденінові, гуанінові, тимінові, цитозинові. З'єднання нуклео­тидів одного ланцюга в молекулі ДНК відбувається в результаті взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксильною групою дезоксирибози іншого. У результаті утворюється фосфодіефір-иий зв'язок, що об'єднує нуклеотиди в довгий ланцюг. Скелет ланцюга складається з молекул фосфату і пентоз, які чергують­ся між собою. Полінуклеотидний ланцюг синтезується за учас­тю ферменту ДНК-полімерази. Цей фермент приєднує фосфатну групу одного нуклеотиду до гідроксильної групи дезоксирибози наступного.

Комплементарність пар основ. Два полінуклеотиднї ланцю­ги ДНК не ідентичні, але вони комплементарні один одному. Це пов'язано зі строгою відповідністю основ одного ланцюга осно­вам іншого. Відстань між двома ланцюгами ДНК становить 2 нм, тому вміщується тільки одна пара комплементарних нуклеотидів (А—Т або Г—Ц). Тільки аденін і тимін, а також гуанін і цитозин мають відповідні просторові структури для утворення водневих зв'язків. Концепція специфічзого зв'язування пар основ свід­чить, що аденін в одному ланцюгу відповідає тиміну в іншому, а гуанін має навпроти себе цитозин в іншому ланцюгу. Таким чи­ном, два ланцюги ДНК комплементарні один одному.

Колінеарність— властивість, що зумовлює відповідність між послідовностями триплетів нуклеотидів (кодонів) нуклеїнових кислот і амінокис­лот поліпептидних ланцюгів. Тобто послідовність амінокислот білка, в якій відповідні кодони розташовуються в гені. Це озна­чає, що положення кожної амінокислоти в поліиептидному лан­цюгу білка залежить від положення відповідного триплету в гені. Генетичний код вважається колінеарним, тобто кодони нуклеїно­вих кислот і відповідні їм амінокислоти білка розташовані в одна­ковому лінійному порядку.

Явище колінеарності доведено експериментально. Так, уста­новлено, що серпоподібноклітинна анемія, за якої порушена бу­дова молекули гемоглобіну, зумовлена зміною одного нуклеотиду в його гені, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу. Гіпотезу про те, що послідовність нуклеотидів у гені визначає по­слідовність амінокислот білка, висунув Г.А. Гамов (1954). Дані про колінеарність поліпептидів підтвердили її. Завдяки концепції колінеарності можна визначити порядок нуклеотидів усередині гена і в ІРНК, якщо відомий амінокислотний склад поліпептидів, і навпаки, визначивши склад нуклеотидів ДНК, можна передба­чити амінокислотний склад білка. Цей принцип використовуєть­ся в методах молекулярної біології. Із цієї концепції видно, що зміна порядку нуклеотидів усередині гена (його мутація) призво­дить до зміни амінокислотного складу білка.

Видова специфічність ДНК. За співвідношенням А+Т і Г+Ц представники різних видів відрізняються між собою, причому у тварин переважає пара А+Т, а в мікроорганізмів співвідношення А+Т і Г+Ц однакове. Ці явища використовують як один із гене­тичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає видова спе­цифічність ДНК.

Просторова організація ДНК. Молекула ДНК може існувати в різній конфігурації залежно від навколишніх умов. Відомо де­кілька форм ДНК:

а) В-форма — має стандартну структуру відповідно до моделі молекули Уотсона і Крика, у нормальних фізіологічних умовах є основним структурним типом;

б) А-форма — виявлена у зневодненому середовищі, при висо- кому вмісті калію і натрію. Така ДНК має дещо змінену спіралі- зацію;

в) с-форма — має менше основ на один виток, а отже, інші — фізичні характеристики;

г) Z-форма — на відміну від інших форм закручена вліво. Дея- кі форми при зміні фізіологічних умов можуть переходити одна в одну, що додатково регулює роботу генів.

Знаючи структуру ДНК, можна зрозуміти суть багатьох молекулярно-генетичних процесів. Так, у молекулі ДНК виділя­ють структури: первинну — послідовність нуклеотидів у ланцю­гу; вторинну — два комплементарні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками; третинну — тривимірну спіраль.

Зазначимо, що: а) геометрія спіралі ДНК залежить від послі­довності нуклеотидів; б) значна частина ДНК не кодує білків або РНК; в) кожний ген — це складова функціонально-активна оди­ниця, призначена для регульованого синтезу РНК.

Рибонуклеїнові кислоти. Уся спадкова інформація зберіга­ється в молекулі ДНК. Передачу спадкової інформації від ДНК у цитоплазму здійснюють рибонуклеїнові кислоти як посередники. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можна представити у вигляді схеми: ДНК — РНК — білок.

У цьому випадку один з ланцюгів ДНК є матрицею для моле­кул РНК, які, зокрема, є матрицями синтезу білків або входять до складу рибосом чи переносять амінокислоти.

РНК складаються з одного ланцюга і мають вигляд довгих перозгалужених полімерних молекул. Одноланцюгові РНК мо­жуть утворювати подвійні спіралі, якщо різні частини ланцюга мають антипаралельні комплементарні сегменти, пов'язані один і одним. У деяких вірусів РНК є носієм спадкової інформації за відсутності ДНК. Частина РНК мають каталітичну активність на певні клітинні процеси. РНК — це полімер рибонуклеоти-дів, які складаються з фосфорної кислоти, рибози та азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину, урацилу). Рибоза разом із за­лишками фосфорної кислоти утворює скелет молекули, на якому розміщені азотисті основи. Усі різновиди РНК синтезуються на молекулах ДНК за участю ферментів РНК-полімераз за принци­пом комплементарності. При цьому в синтезованій молекулі РНК аденін ДНК комплементарний урацилу РНК, а гуанін — цитози­ну. Якщо вміст ДНК у клітинах постійний, то вміст РНК дуже ко­ливається залежно від типуклітини, інтенсивності метаболізму і синтезу білків.

Що стосується молекул РНК, то вони мають багато спільного зі структурою ДНК, але відрізняються низкою ознак: а) вуглево­дом РНК є рибоза; б) РНК не містить тиміну, його місце в молеку­лі займає урацил; в) РНК — одноланцюгова молекула; г) правила Чаргаффа не діють.

Типи РНК. Розрізняють три типи РНК залежно від розміру, структури і функції молекул, характерних як для прокаріотів, так і для еукаріотів.

Інформаційна РНК (іРНК). На певних ділянках ДНК утво­рюються її молекули (вони називаються структурними генами) у вигляді комплементарної копії ділянки одного з її ланцюгів. Вони несуть закодовану інформацію первинної структури білків у цитоплазму, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю ін­формацію.

Під час синтезу поліпептидів (білків) роль матриці виконує ін­формаційна РНК, тому її називають також матричною. Матрична РНК є шаблоном, на якому будуються поліпептиди відповідно до закладеної генетичної інформації. Зазвичай, вона несе інформа­цію про синтез тільки однієї молекули білка — це моноцистронна іРНК. Іноді вона містить декілька цистронів, розташованих по­ряд, для різних білків і відома під назвою поліцистронна ІРНК.

Інформаційна РНК містить інформацію про порядок розмі­щення амінокислот у синтезованому білку. Розміщення амінокислот кодується чіткою послідовністю нуклеотидів у молеку­лі ІРНК (генетичний код). Кожній амінокислоті відповідає свій триплет нуклеотидів (кодон). Молекули ІРНК складаються з 300—3000 нуклеотидів. Вони становлять 0,5—3,0 % маси всіх РНК клітини. Інформаційна РНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про-іРНК, яка містить і неінформативні послідовності нуклеотидів (інтрони). У результаті процесингу (вирізання ін-тронних ділянок) вона "дозріває" і надходить у цитоплазму, де відразу приєднується до рибосом. Проте іноді ІРНК може накопи­чуватися в клітинах, зв'язуватися зі спеціальними білками, що "консервують" її, утворюючи інформосоми. У такому вигляді ін­формація може тривалий час зберігатися в клітинах. Поштовхом для її використання є фізіологічні зміни в клітині, що призводять до активації синтезу білка. Наприклад, в овоциті накопичується багато інформосом, а їхня ІРНК починає функціонувати тільки після запліднення.

Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка конюшини завдяки комплементарному спо­лученню основ на різних ділянках ланцюга, складаються з неве­ликої кількості нуклеотидів (75—90). Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 10—15 %. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з ци­топлазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК унаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової струк­тури. Молекули тРНК мають чотири важливі ділянки: а) тран­спортну; б) антикодон; в) ділянку приєднання ферменту; г) ділян­ку зв'язування з рибосомою.

До транспортної ділянки приєднується специфічна аміно­кислота. Вона утворена двома комплементарними кінцевими ді­лянками РНК, З'-кінець якої складається із семи пар основ. Він довгий і формує одноланцюгову ділянку, шо закінчується послі­довністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується.

Антикодон складається з п'яти нуклеотидів. У центрі — три специфічні рибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи анти-кодона мають комплементарний триплет на ланцюгу ІРНК. Цей триплет називається кодоном. У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на ІРНК і тимчасово приєдну­ється до нього водневими зв'язками.

Розділ 2

53

Ділянка приєднання ферменту — це спеціальна частина моле­кули тРНК для специфічного зв'язування з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, що каталізує приєднання амінокислоти до ри­босоми.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Це велика одноланцюгова розгалужена молекула, що включає 3000—5000 нуклеотидів. Із ІагальноІ маси РНК на її частку припадає до 90 % . У каріоплазмі і»ГІІК і різні білки об'єднуються у співвідношенні 1:1 для утво­рення малих і великих субодиниць рибосом.

Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК .шбезпечуе зв'язування іРНК з рибосомами за допомогою певних по­слідовностей нуклеотидів. Таким чином, установлюються початок і рамка зчитування інформації з ІРНК. Багато білків рибосом викону­ють не тільки структурну, а й ферментативну функцію.

Отже, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але виконують різні функції.

Реплікація ДНК

Унікальна властивість молекули ДНК подвоюватися перед поділом клітини називається реплікацією. Ця властивість зумов­лена особливістю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбувається в ядрі в 8-період інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікро­скопом не виявляються.

Реплікація ДНК — найважливіший молекулярний процес, що лежить в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів роз­множення, а отже, в основі забезпечення тривалого існування окремих індивідів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожного виду дуже важливо підтримувати сталість свого геноти­пу, тобто зберігати незмінність нуклеотидної послідовності гено­типу. Для цього необхідно абсолютно точно відтворювати моле­кули ДНК перед кожним поділом клітини, тобто основне функці­ональне значення реплікації — забезпечити нащадка стабільною генетичною інформацією розвитку, функціонування і поведінки.

Напівконсервативний шлях реплікації ДНК. Установлено (М. Мезельсон, Ф. Сталь), що в процесі реплікації дві нитки ДНК розділяються. Кожна з них є шаблоном (матрицею) для синтезу

вздовж неї нової нитки. Послідовність основ, які мають бути в нових нитках, можна легко передбачити, тому що вони компле­ментарні основам, наявним у старих нитках. Таким чином, утво­рюються дві дочірні молекули, ідентичні материнській. Кожна дочірня молекула складається з однієї старої (материнської) та однієї нової нитки. Оскільки тільки одна материнська нитка збе­режена в кожній дочірній молекулі, то такий тип реплікації має назву напівконсервативного.

Кожен з двох ланцюгів материнської молекули ДНК викорис­товується як матриця для синтезу нових комплементарних лан­цюгів.

Механізм реплікації ДНК. Реплікація ДНК — складний, бага­тоступінчастий процес, що потребує залучення великої кількос­ті спеціальних білків і ферментів. Наприклад, ініціаторні білки утворюють реплікаційну вилку, ДНК-топоізомерази розкручують ланцюги, ДНК-гелікази і дестабілізаційний білок розщеплюють ДНК на два окремі ланцюги, ДНК-полімераза і ДНК-приймаза каталізують полімеризацію нуклеотидтрифосфатів і утворення нового ланцюга, ДНК-лігази руйнують РНК-затравки на лан­цюгах ДНК, що відстають, та ін. Процес відбувається аналогіч­но як у прокаріотів, так і в еукаріотів, хоча дещо відрізняється за швидкістю, спрямованістю, кількістю точок реплікації тощо. Швидкість реплікації в еукаріотів дуже велика — 50 нуклеотидів за 1 с, а в прокаріотів ще вища — до 2000 нуклеотидів за 1 с.

Точність реплікації забезпечується комплементарною взаємо­дією азотистих основ матричного ланцюга і ланцюга, що будуєть­ся. Крім цього, весь процес контролюється ДНК-полімеразою, що самостійно коригує та усуває помилки синтезу.

Основні етапи реплікації

1. Ініціація (від лат. іпіtialis — первинний, початковий). Це активація дезоксирибонуклеотидів. Монофосфати дезоксири-бонуклеотидів (АМФ, ГМФ, ЦМФ, ТМФ) перебувають у стані "вільного плавання" в ядрі і є "сировиною" для синтезу ДНК. Для включення в ДНК вони активуються в результаті взаємодії з АТФ. Ця реакція називається фосфорилюванням і каталізується ферментом фосфорилазою. При цьому утворюються трифосфати дезоксирибонуклеотидів, такі як АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ. У тако­му вигляді вони багаті на енергію й здатні до полімеризації.

Розпізнавання точки ініціації. ДНК починає розкручуватися з певної точки. Така особлива точка називається точкою ініціації реплікації (спеціальна послідовність нуклеотидів). Щоб визна­чити цю точку, потрібні специфічні білки-ініціатори. У вірусів і прокаріотів є тільки одна точка ініціації, а в еукаріотів, у яких ве­ні кі молекули ДНК, може бути багато точок ініціації реплікації, що зрештою зливаються одна з одною при повному роз'єднанні ланцюгів ДНК. Реплікація обох ланцюгів ДНК відбувається од­ночасно і беззупинно.

Подвійна спіраль ДНК розкручується і розгортається на окре-мі нитки ДНК шляхом розриву слабких водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами. Цей процес забезпечують ферменти — гелікази. Оголені основи А, Т, Г і Ц обох ланцюгів проектуються в каріоплазму.

Ферменти, які називаються топоізомеразами, розривають і за­ново зшивають окремі нитки ДНК, допомагають розкручуванню спіралі. Завдяки роз'єднанню ланцюгів ДНК виникають репліка-цінні вилки. Нові нитки ДНК утворюються на кожному зі звіль-нених ланцюгів. їх ріст відбувається в протилежних напрямках.

2. Елонгація. Вільні трифосфати дезоксирибонуклеотидів сво­їми азотистими основами приєднуються водневими зв'язками до азотистих основ обох ланцюгів ДНК, відповідно до правила комп-лементарності, тобто А—Т, Ц—Г.

Елонгація — це додавання дезоксирибонуклеотиду до 3 -кінця ланцюга, що росте. Процес каталізується ДНК-полімеразою.

Трифосфати дезоксирибонуклеотидів (тринуклеотиди), при­єднуючись до кожного ланцюга ДНК, розривають свої внутрішні високоенергетичні зв'язки й утворюють монофосфати дезоксири­бонуклеотидів (мононуклеотиди), що є звичайними компонента­ми ДНК. При цьому в нуклеоплазму надходять пірофосфатні мо­лекули, що звільнилися (Р—Р).

Утворення нових ланцюгів ДНК. Воно здійснюється в подаль­шому приєднанні сусідніх нуклеотидів, які зв'язуються між со­бою фосфорними залишками та утворюють новий ланцюг ДНК. Процес каталізується ферментом ДНК-полімеразою. При цьому необхідна наявність йонів металів Мп²⁺ або М£²\ ДНК-полімераза може полімеризувати дезоксирибонуклеотиди в напрямку 5'—З', тобто від вуглецевого З'-кінця молекул ДНК. Оскільки дві нитки ДНК антипаралельні, то нові нитки мають утворюватися на ста­рих (материнських) у протилежних напрямках. Одна нова нитка виникає в напрямку 5'—3'. Ця нитка називається провідною. На другій материнській нитці формуються короткі сегменти ДНК у напрямку 3'—5'. Згодом вони об'єднуються і утворюють довгу відстаючу нитку.

Утворення праймерів. На відстаючій нитці спочатку форму­ється короткий ланцюг РНК за шаблоном ДНК. Вона називаєть­ся РНК-праймером і містить послідовність із 10—60 нуклеоти-дів. Фермент праймаза каталізує полімеризацію блоків РНК (А, У, Г, Ц) у праймері. РНК-праймер утворюється тому, що ДНК-полімераза не може ініціювати синтезу нової нитки ДНК у від­стаючому ланцюгу в напрямку 3'—5', вона тільки може каталі­зувати її ріст. Праймери пізніше видаляються, а порожнини, які утворилися, заповнюються дезоксирибонуклеотидами ДНК у на­прямку 5'—3', що завершує побудову другого ланцюга. На місці праймерів утворюються фрагменти нового ланцюга ДНК, які на­зиваються фрагментами Оказакі; вони складаються зі 100—200 нуклеотидів. Ці фрагменти зшиваються полінуклеотидлігазами, у результаті чого утворюється другий повноцінний ланцюг. Цей процес називається дозріванням.

Редагування. Завдяки чіткій комплементарності пар основ редагування забезпечує точну реплікацію ДНК. Проте іноді ви­никають помилки в приєднанні основ, вони видаляються ДНК-полімеразою, яка для цього знову зв'язується з молекулами ДНК (репарація).

3. Термінація (від лат. terminaton — кінцевий). Коли завершив­ся процес реплікації, молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом із материнською в подвійну спіраль. Завдяки цьому утворюються дві молекули ДНК, ідентичні материнській. Вони формуються окремими фраг­ментами по довжині хромосоми. Такий окремий фрагмент ДНК, що подвоюється на одній хромосомі, називається репліконом. Ви­никає відразу декілька репліконів, причому асинхронно й у різ­них її ділянках. Процес реплікації стосується всієї хромосоми й перебігає практично одночасно, з однаковою швидкістю. Після завершення реплікації в репліконах вони зшиваються фермента­ми в одну молекулу ДНК. У людській клітині, що ділиться, утво­рюється понад 50 000 репліконів одночасно. Довжина кожного з них — 30 мкм. Завдяки великій кількості репліконів швидкість реплікації збільшується в тисячі разів. Процес подвоєння гене­тичного матеріалу триває майже 10 год. Ділянки хромосом, де по­чинається реплікація, називаються точками ініціації. Вважають, що це, ймовірно, місця прикріплення інтерфазних хромосом до

Розділ 2

57

кілків ламели ядерної оболонки. Процес включається цитоплаз­матичним фактором невідомої природи, що надходить у ядро.

Реплікація перебігає в строго визначеному порядку, тобто спо-• 11 ггку починають реплікуватись одні ділянки хромосом, а пізніше — інші. У синтетичному періоді інтерфази подвоюється також і кіль­кість гістонових білків, що асоціюються із синтезованими ДНК і утворюють класичну структуру хроматину. Порушення точності реплікації призводить до порушення синтезу білків і розвитку па­тологічних змін клітин і органів.

Реплікація має велике значення, а саме:

• є важливим молекулярним механізмом, який лежить в основі всіх різновидів поділу клітин прокаріотів та еукаріо-тів;

• забезпечує всі типи розмноження одноклітинних та багато­клітинних організмів;

• підтримує сталість клітинного складу органів, тканин і ор­ганізму внаслідок фізіологічної регенерації;

• забезпечує тривале існування окремих індивідів;

• забезпечує тривале існування видів організмів;

• процес сприяє точному подвоєнню інформації;

• у процесі реплікації можливі помилки (мутації), що може призводити до порушень синтезу білків з розвитком пато­логічних змін.