2. Будова клітин прокаріотів та еукаріотів
Всі живі організми складаються із клітин. Рослини, тварини, людина, бактерії мають різноманітні типи клітин. Наприклад, у невеликій калюжі є значна кількість клітинних організмів (одноклітинних і багатоклітинних), тіло тварин має клітини, які відрізняються від клітин рослин, а клітини ссавців відрізняються від клітин комах.
У живій природі можна виділити два види клітин, з яких побудовано організми всіх живих істот. Ознакою, за якою можна виділити ці два види клітин, є наявність оформленого ядра. Прокаріоти (від лат. pro – перед і грец. karyon – ядро) – це організми, клітини яких не мають оформленого ядра. До них належать бактерії, ціанобактерії (синьозелені водорості) і архебактерії. За розмірами клітини прокаріотів значно менші за еукаріотичні клітини, характерною рисою яких є наявність оформленого ядра. Діаметр бактерії становить близько 1 мкм; в одній клітині еукаріотів може вміститися понад 10000 бактерій. Крім розмірів і відсутності оформленого ядра про- та еукаріоти розрізняються ще за низкою ознак. Клітини прокаріотів не мають мембранних органел. Увесь спадковий матеріал міститься в одній кільцевій молекулі ДНК, що розташована в цитоплазмі. Прокаріотична ДНК практично не зв’язана з білками й обов’язково прикріплена до плазмолеми. Така структура отримала назву нуклеоїд.
Докладніше будову прокаріотичної клітини розглянемо на прикладі бактерій. Бактеріальна клітина вкрита клітинною стінкою, а досить часто – слизистою капсулою. Під клітинною стінкою міститься плазматична мембрана, що має таку саму будову, як і еукаріоти (див. далі). Вона може утворювати численні впинання – так звані мезосоми, які виконують функції мембранних органел еукаріотів (фотосинтез, окиснювальне фосфорилування та ін.). Рибосоми прокаріотичних клітин за будовою схожі з рибосомами еукаріотів, але дещо менші (рис. 1).
Рисунок 1 – Рибосоми прокаріотичних та еукаріотичні клітин
Прокаріотичні та еукаріотичні клітини різних живих організмів характеризуються своєю різноманітністю, тобто мають свої особливості будови та функцій; в той же час вони мають ознаки подібності, що доводить єдність усього живого світу.
3. Клітинні мембрани
З винайденням мікроскопу було вивчено будову клітини, але безпосередньо, чим вкрита клітина стало відомо набагато пізніше, коли було винайдено електронний мікроскоп.
Клітини обмежені плазматичною мембраною – плазмолемою. Вона забезпечує обмін речовин із зовнішнім середовищем, а в багатоклітинних – ще й взаємодію клітин між собою. Тому у біологічних мембранах відбуваються процеси, пов’язані зі сприйняттям інформації, що надходить із навколишнього середовища, перетворення енергії, захист від проникнення хвороботворних мікроорганізмів.
Товщина плазматичної мембрани – 2-10 нм.
До загальних принципів організації мембран належать:
неоднорідність;
лабільність – частина мембранних складових знаходиться у стані безперервного руху;
високий рівень асиметричності - зовнішній та внутрішній шари мембрани відрізняються за якісним та кількісним їхнім складом,тобто асиметричні.
Складаються клітинні мембрани з ліпідів, білків та вуглеводів, але у різних співвідношеннях:
а) мембранні ліпіди становлять близько 30% сухої маси, більшість яких є фосфоліпідами. Розташовані подвійним шаром так, щоб гідрофільні «головки» були назовні, а неполярні хвостики створювали всередині гідрофобний шар. Таке унікальне розміщення забезпечує напівпроникність мембрани;
б) мембранні білки становлять близько 50% від маси більшості клітинних мембран і об’єднані в дві групи. Першу групу становлять периферійні білки, не занурені в ліпідний шар та не з’єднані з ним ковалентно, а зв’язані з мембраною лише іонними взаємодіями. Білки другого типу – інтегральні – занурюються в товщу ліпідного шару на різну глибину або пронизують його наскрізь (рецептори та транспортні білки);
в) мембранні вуглеводи локалізовані переважно на протилежному від цитозолю боці мембран: у плазмолемі вони обернені в позаклітинне середовище, у внутрішньоклітинних мембранах – всередину оточеного мембраною компартменту. Представлені вони глікопротеїнами та гліколіпідами. На сьогоднішній день – це найприйнятніша модель структури мембран, запропонована С.Сінгером та Дж.Ніколсоном у 1972 р.
Рисунок 2 – Рідинно-мазаїчна модель Сінгера та Ніколсона
Молекули ліпідів розташовуються у два шари: їхні гідрофільні частинки обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембрани, а гідрофобні «хвости», які складаються із ланцюжків жирних кислот, обернені всередину. Але основним компонентом біологічних мембран є білки. Одні з молекул білків розташовані або на зовнішній, або на внутрішній поверхні мембран, тому їх називають поверхневими. Інші молекули білків заглиблені в товщу мембрани на різну глибину, тому їх називають внутрішніми. Особливі білкові молекули перетинають мембрану наскрізь, зв’язуючи зовнішню та внутрішню її поверхні. Назва цієї моделі пояснюється тим, що лише 30% ліпідів міцно пов’язані з внутрішніми білками в комплексні сполуки, а решта перебувають у рідкому стані.
Різноманітність мембран.
Різні види мембран мають різний якісний та кількісний склад ліпідних, білкових та вуглеводних компонентів:
мембрани, з домінуючими бар’єрною та ізоляційною функціями (мієлінові волокна) мають вищий вміст ліпідів (80%);
функціонально активні мембрани (мембрани ЕПС, мітохондрій) містять більше білків (70%).
Функції плазматичної мембрани:
захисна – оберігає внутрішнє середовище клітини від несприятливих впливів;
рецепторна – для регуляції поділу, росту, розвитку, організації й обміну інформацією, координації функцій клітини взаємодіють між собою. На мембранах розташовані сигнальні молекули – білки-рецептори, які мають спеціальну ділянку для зв’язування фізіологічно активних молекул:гормонів та нейромедіаторів;
транспортна – гідрофобність внутрішнього шару мембрани робить її майже непроникним бар’єром для більшості полярних молекул. Ця властивість зумовлена необхідністю «утримання» всередині водорозчинного вмісту клітини. Вибіркова проникність плазмалеми разом із механізмами активного транспорту через неї створюють суттєву відмінність між речовинами по обидва боки мембрани;
компартментація – це просторове розмежування клітини внутрішніми мамбранами на відсіки, що дає змогу здійснювати перебіг багатьох біохімічних реакцій одночасно й незалежно одна від одної; кожен відсік має у своєму складі специфічні білки, що визначають його унікальні функції;
утворення міжклітинних контактів – тканина, орган, система органів і сам організм функціонують за умови їх взаємного впізнання, утворення контактів між ними та численних процесів – міжклітинних взаємодій: десмосоми, щільні та прості контакти, синапси.
Такі міжклітинні контакти забезпечують обмін речовин з навколишнім середовищем. Одні сполуки можуть швидко проходити через мембрану, інші – повільніше, а деякі взагалі не можуть пройти. Тому обмін речовин здійснюється за допомогою пасивного та активного транспорту.
Пасивний транспорт забезпечує вибіркове проникнення речовин через мембрани. При ньому молекули переміщаються завдяки різниці концентрації речовин по обидва боки мембрани: з ділянки, де їхня концентрація висока, у ділянку, де їхня концентрація нижча. Він триває до тих пір, поки не вирівняються концентрації речовин по обидва боки мембрани. При пасивному транспорті витрачається невелика кількість енергії. Найкращим прикладом пасивного транспорту є дифузія.
Активний транспорт здійснюється за участю спеціального білка-переносника – транслокази. Характерно те, що він відбувається проти градієнта концентрації і потребує затрат енергії. Один із механізмів активного транспорту назвали калій-натрієвим насосом.
Цитоз – це механізм транспорту, який поділяється на ендоцитоз та екзоцитоз. За допомогою ендоцитозу до клітини потрапляють речовини, а за допомогою екзоцитозу виводяться з нього.
Ендоцитоз може відбуватися у вигляді:
а) фагоцитоз – активне захоплення твердих мікроскопічних об’єктів;
б) піноцитоз – процес поглинання клітиною рідини разом з розчиненими в ній сполуками.