6. Хоменко б.Г., Дідков о.М. Анатомія і фізіологія дитячого організму: Навчальний посібник. – к.: нпу ім. Драгоманова, 2004.

7. Хрипкова А.Г. и др. Возрастная физиология и школьная гигиена. – М: Просвещение, 1990.

Поняття про клітину

Клітина — елементарна структурна, функціональна і генетична одиниця багатоклітинного організму. У тілі людини налічують приблизно 10¹⁴ клітин.

Клітини складного організму спеціалізовані. Залежно від виконуваної функції вони мають різну форму і особливості будови. М'язові клітини мають подовжену форму, залозисті — кулясту, нервові мають довгі відростки.

Клітини будь-якого організму, від одноклітинних і до найскладніших багатоклітинних, мають єдиний план будови і функціональну організацію.

Будова клітини. Кожна клітина має оболонку (клітинна мембрана), цитоплазму і ядро.

Цитоплазма. Власне цитоплазма клітини — напіврідке середовище. В ній міститься ядро і всі органоїди клітини.

Серед органоїдів клітини є універсальні органоїди, вони характерні для клітин всіх організмів, і спеціальні органоїди, які зустрічаються лише в деяких клітинах.

До універсальних органоїдів відносять мітохондрії, внутрішній сітчастий апарат (апарат Гольджі), ендоплазматичну сітку, рибосоми, лізосоми, клітинний центр.

До органоїдів спеціального призначення належать міофібрили — скоротливі елементи м'язових клітин, нейрофібрили нервових клітин, війки і джгутики — органоїди руху. У ссавців і людини війками забезпечені клітини дихального епітелію. За допомогою джгутиків рухаються сперматозоїди — чоловічі статеві клітини.

Ядро. Ядро — обов'язкова частина будь-якої клітини, яка має здатність ділитися. Форма ядра часто повторює форму клітини. Ядро відокремлене від цитоплазми оболонкою, яка складається із зовнішньої та внутрішньої ядерних мембран. Оболонка ядра містить мікроскопічних розмірів пори, крізь які досить легко проходять молекули білків, нуклеотидів, амінокислот, і таким чином здійснюється активний обмін між цитоплазмою і ядром.

Внутрішня частина ядра заповнена ядерним соком. Тут розташовані хромосоми і ядерця (одне або два).

За допомогою електронного мікроскопа вдалося встановити, що мембрани клітин тришарові. Зовнішній і внутрішній шари складаються із молекул білків, які розташовані в один ряд. Середній шар утворений двома рядами молекул ліпідів. Білки і ліпіди мембрани утворюють своєрідні білково-ліпідні комплекси.

Через мембрану в клітину надходять вода, амінокислоти, глюкоза, мінеральні та інші речовини, які беруть участь в обміні речовин клітини.

Молекули води вільно проходять через мембрани. На поглинання або виведення води клітина енергії не витрачає.

Транспорт амінокислот, глюкози та інших речовин здійснюється через мембрану вибірково, із затратою енергії і використанням спеціальних переносників. Це активний процес, який пов'язаний з вибірковою проникністю клітинних мембран.

Лізосоми відносять до універсальних органоїдів цитоплазми. Це мембранний мішок, заповнений травними ферментами. Лізосоми округлої форми, їхня мембрана має типову тришарову будову. Ферменти, які містяться в лізосомах, здатні розщеплювати білки, нуклеїнові кислоти, кислоти, полісахариди. Крім того, за рахунок ферментів лізосом можуть перетравлюватися при відмиранні окремі структури клітини, а також цілі відмерлі клітини.

Особливо багаті на лізосоми зернисті лейкоцити (їхня зернистість не що інше, як скупчення лізосом).

У лізосомах великі молекули білків, нуклеїнових кислот, ліпідів під дією ферментів розщеплюються на «будівельні блоки» (амінокислоти, глюкозу, нуклеотиди), гліцерин і жирні кислоти. Ці речовини переміщаються по цитоплазмі, найчастіше по каналах ендоплазматичної сітки.

Ендоплазматичну сітку було відкрито порівняно недавно (1945—1946) за допомогою електронного мікроскопа. Вона являє собою складну систему канальців і цистерн, які обмежені мембранами. Мембрани ендоплазматичної сітки мають типову тришарову структуру.

В багатьох клітинах на зовнішній поверхні мембрани ендоплазматичної сітки розташовані численні гранули. Це — рибосоми. Є ділянки ендоплазматичної сітки, де рибосом немає. У зв'язку з цим розрізняють два типи ендоплазматичної сітки: гладеньку і шорстку, або гранулярну.

Шорстка ендоплазматична сітка особливого розвитку досягає в клітинах організму, що росте, в нервових клітинах, клітинах, які синтезують гормони, травні ферменти. Встановлено, що гранулярна ендоплазматична сітка бере активну участь у синтезі білків.

Гладенька ендоплазматична сітка особливо розвинена в клітинах, які синтезують глікоген і ліпіди (клітини сальних залоз, клітини печінки).

Рибосоми клітин дуже маленькі, їх можна побачити тільки в електронний мікроскоп.

Більшість рибосом розташовується, як зазначено вище, на мембранах шорсткої ендоплазматичної сітки (клітини печінки, підшлункової залози). В клітинах, де шорстка ендоплазматична сітка розвинена слабко, рибосоми вільно розташовуються в основній речовині цитоплазми. Є рибосоми і в клітинному ядрі.

До складу рибосом входять білок і рибосомальна РНК. До рибосом із основної речовини цитоплазми безперервно надходять за допомогою транспортної РНК амінокислоти, із яких синтезуються білкові молекули.

У рибосомах, які містяться в ядрі, відбувається синтез ядерних білків.

Найбільш активна роль у синтезі білка належить рибосомам, які пов'язані з мембранами ендоплазматичної сітки.

Внутрішній сітчастий апарат. Важливу роль у секреторній і синтезуючій діяльності клітин виконує один з найважливіших органоїдів — внутрішній сітчастий апарат, який зустрічається в усіх тваринних і рослинних клітинах. У багатьох клітинах цей апарат має форму складної сітки, яка розташована навколо ядра (нервові клітини). Взагалі будова внутрішнього сітчастого апарата дуже варіює не тільки в окремих клітинах, а й навіть в тій самій клітині.

У сітчастому апараті утворюються речовини, із яких складаються включення цитоплазми. Вони можуть бути у вигляді краплин жиру чи вуглеводів, які становлять запас живильного чи пластичного матеріалу клітин.

Вважають, що із білків і ліпідів, які надходять у порожнини внутрішнього сітчастого апарата, формуються білково-ліпідні комплекси, які клітина використовує для заміни старіючих клітинних мембран, мембранних структур самого апарата, шорсткої і гладенької ендоплазматичних сіток та інших мембранних структур клітини.

Мітохондрії — силові станції клітини, що заслуговують на особливу увагу. Кількість їх у клітині різна: від 2...3 до кількох тисяч. Це залежить від функціонального стану клітини. Так, при відносному спокої у печінковій клітині нараховують близько 900 мітохондрій. Споживання їжі, яка зумовлює посилення жовчоутворення і жовчовиділення, веде до збільшення кількості мітохондрій у клітинах печінки в 1,5...2 рази.

За формою мітохондрії можуть бути округлі, овальні, подовжені, паличкоподібні чи ниткоподібні. Зміни форми мітохондрій відбуваються при зміні осмотичного тиску, температури, рН середовища та інших впливів на клітину.

Електронний мікроскоп дав змогу побачити складну структуру мітохондрій. Виявилось, що мітохондрія має двошарову білково-ліпоїдну мембрану, яка має таку саму будову, як і клітинна мембрана. Під зовнішньою мембраною мітохондрій міститься внутрішня, яка також має типову будову .Внутрішня мембрана утворює вирости, спрямовані всередину мітохондрій. Ці вирости називають гребенями, або кристами. Кристи збільшують поверхню мітохондрій. Внутрішній простір мітохондрій, в якому розташовуються кристи, заповнений матриксом.

У складі мітохондрій виявлені білки, ліпіди і нуклеїнові кислоти. В них міститься також велика кількість ферментів, які беруть активну участь в енергетичному обміні клітини.

У мітохондріях відбувається утворення АТФ (аденозинтри-фосфорної кислоти).

АТФ — універсальний акумулятор енергії у клітині. Під впливом фермента АТФ-ази в молекулі АТФ розриваються внутрішньомолекулярні зв'язки між Р і 0₂, при цьому вивільняється значна кількість енергії. Завдяки багатим на енергію фосфатним зв'язкам в АТФ жива клітина має зручну форму зберігання енергії, і в разі потреби ця енергія швидко вивільнюється і використовується для життєдіяльності клітини. Енергія, що знаходиться в АТФ клітини, використовується для всіх процесів обміну, які відбуваються в клітині (синтез білків, жирів, самої АТФ, вуглеводів, скорочення, проведення збудження, секреція і т. п.). АТФ утворюється в результаті анаеробного розпаду глюкози на мембранах гладенької ендоплазматичної сітки. Всередину мітохондрії безперервно надходять продукти біологічного окислення. Спеціальні ферменти-переносники здійснюють пересування через мітохондріальну мембрану синтезованих молекул АТФ.

Мітохондрії розташовані в клітині поблизу джерел «метаболічного палива» або по сусідству від структур, яким необхідна АТФ. Так, в епітеліальних клітинах мітохондрії розташовуються за напрямом руху секрета, для утворення якого потрібна АТФ. В активно функціонуючих м'язових клітинах вони орієнтовані вздовж міофібрил. Разом з тим вони іноді накопичуються біля жирових включень, що використовуються як «метаболічне паливо».

Спадковий апарат клітини. В 1863 р. швейцарський вчений Фрідріх Мішер виділив із ядер клітин гною, який витікав із ран, незвичайну речовину, що має у своєму складі фосфор, яку він назвав нуклеїном (від лат. nucleus — ядро). Хоча дуже швидко було встановлено, що нуклеїнові кислоти не тільки входять до складу клітинних ядер, а й розподілені по всій клітині, їх назва збереглась і до нашого часу.

Є два типи нуклеїнових кислот — дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). Нуклеїнові кислоти знаходяться в клітинах у зв'язаному з білками вигляді. Комплекси нуклеїнових кислот з білками називають нуклеопротеїдами.

ДНК. Американський хімік Джеймс Уотсон і англійський біохімік Френсіс Крік в 1953 р. розшифрували структуру ДНК, за що були удостоєні Нобелевської премії. Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених один навколо другого і навколо якоїсь загальної для обох ланцюгів осі. Довжина такої спіралі в 50 разів і більше перевищує найбільшу білкову молекулу.

Молекулярна маса ДНК досягає десятків мільйонів.

Молекула ДНК — полімер, що складається з багатьох мономерних ланцюгів — нуклеотидів. Кожний нуклеотид являє собою продукт сполучення трьох компонентів: 1) органічної азотистої основи; 2) простого вуглевода—пентози; 3) фосфорної кислоти.

До складу ДНК входять 4 різних види нуклеотидів. Нуклеотиди розрізняються тільки за структурою першого компонента, тобто за азотистою основою, решта частин молекули в усіх чотирьох нуклеотидах однакові.

Кістяк спіралі ДНК становлять залишки фосфорної кислоти і пентози. До кожного радикалу цукру — дезоксирибози — приєднується одна з чотирьох азотистих основ: тимін (Т), цитозин (Ц), гуанін (Г) і аденін (А).

Між азотистими основами двох ланцюгів існують нетривкі водневі зв'язки. Вони утримують два ланцюги разом. Характерно, що кожна азотиста основа одного ланцюга специфічно приєднується до свого «партнера» іншого ланцюга: аденін (А) з'єднується тільки з тиміном (Т), а гуанін (Г) — з цитозином (Ц) потрійним водневим зв'язком.

Було встановлено, що в подвійній спіралі ДНК проти аденіну одного ланцюга розташований тимін другого, проти цитозину — гуанін. Отже, два ланцюги ДНК доповнюють один одного. В цих парах нуклеотиди комплементарні один одному (від лат. complementum — доповнення).

Завдяки принципу комплементарності в структурі ДНК зрозуміло, як синтезуються нові молекули ДНК при поділі клітини. Це пов'язано із здатністю молекули ДНК до редуплікації (самоподвоєння), що і лежить в основі передачі спадкових властивостей від материнської клітини до дочірніх.

Редуплікація молекул ДНК відбувається у клітині перед її поділом. При цьому спіраль ДНК, що складається з двох ланцюгів, починає з одного кінця розходитись, і на кожному ланцюгу, як на матриці, збирається новий ланцюг із мономерів, які містяться у цитоплазмі. При цьому до аденіну приєднується тимін, а до гуаніну — цитозин. В кінцевому результаті утворюються дві нові подвійні спіралі, тотожні початковій. Один ланцюг у кожній новоутвореній молекулі ДНК походить із початкової молекули, а другий синтезується знову.

РНК. В структурі РНК немає подвійної спіралі. Молекули РНК нагадують фрагмент одного з ланцюгів ДНК. РНК теж, полімер, до складу якого в різних комбінаціях входять 4 нуклеотиди. Нуклеотиди РНК також складаються із азотистих основ, цукру і фосфорної кислоти. Три азотисті основи, що входять до складу РНК, такі ж, як і у ДНК — аденін, гуанін, цитозин. Четвертою азотистою основою в молекулі ДНК є тимін, а в РНК замість тиміну міститься дуже близький до нього структурно урацил (У). Тимін відрізняється від урацилу метильною групою.

РНК від ДНК відрізняється і характером вуглеводів у нуклеотидах: у ДНК вуглевод дезоксирибоза, у РНК — рибоза. Дезоксирибоза відрізняється від рибози відсутністю одного атома кисню.

Існує кілька видів РНК. Транспортні РНК (тРНК) містяться у цитоплазмі. Вони доставляють амінокислоти до місця синтезу білків — рибосом. Кожній із 20 амінокислот, які входять до складу білків, відповідає особлива транспортна РНК.

Рибосомна РНК (рРНК) входить до складу рибосом і становить до 50% їхньої маси.

Інформаційні РНК (іРНК) містяться і в ядрі, і в цитоплазмі. Вони утворюються в ядрі на хромосомах і точно копіюють послідовність нуклеотидів ядерної ДНК. Інформаційна РНК потрапляє із ядра в цитоплазму до місця синтезу білка в рибосоми.

Спадковий апарат клітини. Спадковим апаратом будь-яких клітин, в тому числі і клітин організму людини, є ДНК. ДНК локалізується в ядрі клітини, де вона утворює структури, що називаються хромосомами. ДНК хромосом містить у зашифрованому вигляді спадкову інформацію. Саме ДНК передає спадкову інформацію від батьківської клітини до дочірньої.

Запис інформації можливий тільки при наявності коду, що складається із окремих «символів». Такими «символами» в молекулі ДНК є нуклеотиди. У гігантській молекулі ДНК, яка складається із кількох тисяч послідовно розташованих нуклеотидів, закодований, «зашифрований» запис структур ряду молекул білка. Довга ниткоподібна молекула ДНК складається із ряду ділянок, які ідуть одна за одною. Кожна з них містить інформацію про структуру будь-якого одного білка.

Роль кодових знаків, або символів, виконують чотири види нуклеотидів, які багаторазово повторюються в полінуклеотидному ланцюгу ДНК. Нуклеотиди, як уже говорилося, позначають початковими буквами назв азотистих основ: аденіну — А, тиміну — Т, гуаніну — Г, цитозину — Ц.

У білках виявлено 20 амінокислот, і кожна з них закодована в молекулі ДНК певним сполученням послідовно розташованих нуклеотидів. Кожній амінокислоті відповідає ділянка ДНК із трьох нуклеотидів, що стоять поруч. Так, фрагмент А—Ц—Ц відповідає амінокислоті триптофану, ділянка Ц—А— —Ц — метіоніну і т. д. Таким чином, кодова група для кожної із 20 амінокислот складається із трьох нуклеотидів (триплет) (AAA, ГЦГ, ТГА і т. п.). Послідовність розташування амінокислот у структурі білка кодується на ДНК послідовністю розташування триплетів.

Ділянки молекул ДНК, у послідовності нуклеотидів яких закодована програма про будову певного, необхідного для життя клітини білка, називають генами.

Отже, ядерна ДНК, яка виникла в ході тривалої еволюції, е носієм спадкової інформації клітин.

Але ДНК міститься в клітинному ядрі, а синтез білка, специфічного для даної клітини, відбувається в основному у цитоплазмі, в дрібних її органоїдах — рибосомах.

Яким же чином інформація передається рибосомам? Це здійснюється за допомогою інформаційної РНК. Послідовність нуклеотидів в іРНК відображує структуру однієї з ділянок ДНК. В цьому разі говорять, що інформація про структуру білків, яка міститься в молекулі ДНК, ніби переписується на іРНК. Цей процес називають транскрипцією (від лат. transcriptio — переписування).

Молекули іРНК транспортуються в рибосоми, де, як на матриці, відбувається складання білкової молекули з амінокислот, які містяться у цитоплазмі. Амінокислоти, що йдуть на будову білків, спочатку активуються, взаємодіючи з АТФ, за участю специфічних ферментів.

Активовані амінокислоти переносяться на молекули транспортних РНК. Для різних амінокислот існують свої тРНК. Амінокислота приєднується до тРНК за допомогою багатого на енергію фосфатного зв'язку. В рибосомах тРНК звільняється від зв'язку із амінокислотою; тРНК працюють подібно човнику,, приносячи активовані амінокислоти в рибосоми і потім покидаючи їх.

Таким чином, спадкова інформація, яка міститься в ДНК, реалізується в структурах білків і визначає їхню специфічність.

Поділ клітин. Ріст і розвиток багатоклітинних організмів пов'язані з поділом клітин. За 24 год у людини гине і знову виникає 5-10¹¹ клітин. Клітини крові, епітелію, кісткової тканини заміняються повністю за рік. Оскільки в будь-якій клітині, яка не ділиться, в хромосомах один набір ДНК, то, утворюючи собі подібну, клітина подвоює на початку число молекул ДНК в кожній хромосомі, що й відбувається в період підготовки клітини до поділу.

Перед поділом клітина (а цей період продовжується в різних клітинах від 10—12 год до 20 діб) у клітині відбувається подвоєння числа хромосом, утворюється запас енергії, накопичуються структурні білки.

Число хромосом — одна з найбільш постійних видових ознак.

В клітинах гороху міститься 14 хромосом, у річкового рака - 116. В клітинах людини— 46 хромосом.

Найбільш схожі між собою хромосоми, які мають однакову будову, називають гомологічними. Кожна хромосома має «двійника» (гомолога), а вся сукупність хромосом являє собою подвійний, чи, як прийнято говорити, диплоїдний, набір. 46 хромосом у клітинах людини становлять 23 пари.

Із 23 пар хромосом людини 22 пари (з 1-ї до 22-ї) однакові у чоловіків і жінок. В 23-й парі хромосом наявне виразне статеве диференціювання: в клітинах тіла жінок знаходяться дві великі, цілком ідентичні одна одній Х-хромосоми; у чоловіків є тільки одна Х-хромосома, її партнером у чоловіків є маленька Y-хромосома. X- і Y-хромосоми називають статевими хромосомами.

В результаті поділу клітини утворюються дві дочірні, які містять кількість хромосом, однакову з початковою клітиною. При цьому між дочірніми клітинами рівномірно розподіляються цитоплазма і органоїди клітини.