Фізіологічні властивості клітини.

Клітині, як одній із форм живої матерії, притаманні такі основні властивості: обмін речовин та енергії, розмноження, мінливість і спадковість, рух, подразливість, ріст і розвиток, старіння та відмирання.

Обмін речовин і енергії (метаболізм) — це основна умова підтримання життєді­яльності клітини, основа її функціонування й розвитку.

Взагалі обмін речовин та енергії — це закономірний процес перетворення пожив­них речовин та енергії в живих системах, спрямований на їх збереження та самовідт­ворення. Обмін речовин — це цілісна, чітко відрегульована система хімічних реакцій у клітині, в організмі тварини в цілому, що склалася в результаті тривалого еволюційного розвитку.

Обмін речовин і енергії між клітиною та навколишнім середовищем складається з двох нерозривних, взаємозумовлених процесів — асиміляції (анаболізму) та дисиміляції (катаболізму). У процесах перетворення речовин у клітинах організму тварини беруть участь ферменти, вітаміни, кисень, вода і мінеральні сполуки. При асиміляції, або плас­тичному обміні, із зовнішнього середовища в клітину надходять поживні речовини кор­му (їжі), які після внутрішньоклітинного травлення використовуються нею як будівельний та енергетичний матеріал. Надходження поживних речовин крізь клітинну мембрану здійснюється за законами осмосу і дифузії. При піноцитозі клітина активно поглинає краплини рідини, а при фагоци­тозі — тверді частинки. Поживні речовини після надходження їх у цитоплазму клітини за допомогою ферментів лізосом перетравлюються, внаслідок чого утворюються простіші поживні речовини, які потім використовуються клітиною для синтезу власних речовин.

При дисиміляції, або енергетичному обміні, органічні речовини клітини зазнають постійного розщеплення з виділенням енергії, яка частково використовується клітиною для життєвих функцій, а частково акумулюється в АТФ, та утворенням кінцевих продук­тів (води, вуглекислого газу, аміаку тощо), які потім виводяться з клітини у навколишнє середовище.

Біосинтез білків. Універсальним для всіх живих організмів видом пластичного обміну є постійний процес біосинтезу білка. Це пов'язано з тим, що в процесі життєді­яльності в клітинах регулярно відбувається розпад білків, які необхідно поновлювати. Процес біосинтезу білка особливо інтенсивно відбувається в періоди росту й розвитку клітин та організму в цілому, коли в них синтезуються ферменти, гормони та інші біл­кові речовини.

Мал. 1. Схема синтезу білка: А — утворення молекули І-РНК на право­му ланцюзі розгорнутої спіралі ДНК, що є для неї матрицею; Б — синтез білка в полірибосомі: 1 — рибосома, що надійшла на молекулу м -РНК (рибосоми переміщу­ються зліва направо); 2 — м-РНК з азо­тистими основами (А — аденін, Ц — ци­тозин, Г — гуанін, У — урацил); 3 — рибо­сома, що відокремилася від полірибосоми після закінчення синтезу білкової мо­лекули; 4 — новоутворена білкова моле­кула; 5 — амінокислоти; 6 — т-РНК з амі­нокислотами

Найважливішу роль у процесі біосинтезу білка відіграють нуклеїнові кис­лоти — ДНК і РНК. ДНК прямої участі в синтезі білка не бере, оскільки вона знаходить­ся в хромосомах ядра, а основним місцем синтезу білка є рибосоми на ендоплазма­тичній сітці цитоплазми. На довгому ланцюзі молекули ДНК закодована інформація про безпосередню структуру різноманітних білків. Ділянка молекули ДНК, що містить інфор­мацію про структуру певного виду білка, називається геном.

У біосинтезі білків беруть участь три види РНК: р -РНК (рибосомальна), т -РНК (транспортна), і -РНК (інформаційна) або м -РНК (матрична). У цьому процесі можна виділити чотири етапи: І етап — транскрипція — передавання інформації про структуру певного білка з гена ДНК на молекулу І-РНК, при цьому певна ділянка ДНК (ген) стає матрицею для синтезу молекули відповідної І-РНК, або м -РНК (мал.).

Переписування інформації з гена молекули ДНК на молекулу і -РНК здійснюється в тому разі, коли подвійна спіраль ДНК на певному відрізку роз'єднується і ланцюги від­даляються один від одного. Цей процес відбувається за допомогою специфічних фер­ментів, що розривають водневі зв'язки між азотистими основами окремих ланцюгів ДНК. Після цього за участю ферменту РНК- полімерази за принципом комплементар-ності вздовж одного з ланцюгів молекули ДНК розпочинається синтез молекули І-РНК. Як у друкарні з матриці можуть бути віддруковані сотні тисяч примірників книг чи газет, так і з гена молекули ДНК можна отримати безліч точних копій у вигляді молекул І-РНК.

Синтезовані молекули і -РНК за участю інших спеціальних ферментів відокремлю­ються від ланцюга ДНК і переходять з ядра в цитоплазму на рибосоми, де прикріплю­ються до малої субодиниці, а молекула ДНК знову відновлює свою структуру.

II етап — активація амінокислот — відбувається в цитоплазмі клітини шляхом при­єднання різноманітних амінокислот, що утворюються внаслідок розщеплення білків, за участю специфічних ферментів і молекул АТФ. Активовані молекули амінокислот сполу­чаються з молекулами т -РНК. Кожній із 20 амінокислот відповідає певна т -РНК. Транс­портні РНК з амінокислотами приєднуються до великих субодиниць рибосом.

У молекулах т -РНК є дві важливі ділянки: до однієї з них прикріплюється відповід­на амінокислота, а інша містить триплет нуклеотидів (антикодон), який відповідає коду даної амінокислоти в гені молекули ДНК.

Активовані амінокислоти, сполучені з т -РНК, надходять до рибосом, де й почина­ється III етап синтезу білка — трансляція. Внаслідок протягування І-РНК між двома суб-одиницями рибосом відбувається процес трансляції — зчитування інформації, закодо­ваної на і -РНК, за допомогою т -РНК. При цьому антикодон т -РНК на короткий час при­єднується до кодона і -РНК за принципом комплементарності. Послідовність приєднан­ня амінокислот однієї до другої визначається порядком чергування триплетів у молеку­лі І-РНК. Опинившись поряд, амінокислоти утворюють пептидні зв'язки одна з одною, використовуючи енергію АТФ. У результаті цього з рибосоми, як з конвеєра, сходить поліпептидний ланцюг (первинна структура білка). Т -РНК, звільнившись від зв'язку з ри­босомою, амінокислотою та І-РНК, знову потрапляє в гіалоплазму і може приєднувати наступну молекулу амінокислоти.

IV етап синтезу білка полягає в утворенні вторинної і третинної структур білкової молекули. Цей етап відбувається в цитоплазмі шляхом скручування, згортання поліпеп-тидного ланцюга.

Розмноження — одна з основних властивостей усіх живих організмів, що забез­печує безперервність і спадковість життя на Землі. Розмножуються клітини поділом. Під час поділу в клітині відбуваються істотні морфологічні й фізико-хімічні зміни.

Розрізняють прямий, непрямий та редукційний поділи клітини. Для соматичних клі­тин організму тварини характерними є прямий — амітоз непрямий — мітоз, або карі­окінез, поділи. Статеві клітини розмножуються редукційним поділом — мейозом.

У життєвому циклі клітини, крім її поділу, є ще інтерфаза — період між двома поді­лами, під час якого відбувається ріст клітини, синтез білків і ДНК, подвоєння хромосом, центріолей, центросоми, накопичення АТФ. Триває інтерфаза 6—10 год, а іноді в стані інтерфази клітини існують усе своє життя (еритроцити, нервові клітини тощо). Склада­ється інтерфаза з трьох періодів: пресинтетичного, синтетичного та постсинтетичного.

Пресинтетичний період (G,) починається відразу після завершення поділу клітини й триває до подвоєння (редуплікації) ДНК. У цей період клітина інтенсивно росте, в ній збільшується кількість органел, подвоюються центріолі, центросоми, синтезуються РНК, ферменти та інші речовини.

Синтетичний період (S) характеризується подвоєнням молекули ДНК. В кінці цього періоду кількість ДНК у клітині збільшується вдвічі, набір хромосом стає диплоїдним, кожна хромосома містить дві молекули ДНК і називається хроматидою, збільшується синтез РНК і білків-гістонів.

Постсинтетичний період (G₂) нетривалий і характеризується ростом ядра й цитоплаз­ми, накопиченням енергії, синтезом спеціальних скоротливих білків — тубулінів, необхід­них для утворення мітотичного апарату. В кінці цього періоду клітина починає ділитися.

Мітоз — складний поділ соматичних клітин, внаслідок якого з однієї материнської клітини утворюється дві дочірні клітини з диплоїдним набором хромосом (рис. 2). У мі­тозі розрізняють чотири послідовні фази: профазу, метафазу, анафазу й телофазу. Під час профази з органели центросоми утворюється веретено поділу, в ядрі спостерігається спіралізація хромосом: спочатку з речо­вини ядра хроматину утворюється клубок ниток,

Мал. Схема мітотичного поділу клітини тварини:

1 — клітина в період інтерфази (період між поділами клітини); 2, 3 — рання і пізня стадії профази; 4, 5 — рання і пізня стадії метафази; 6 — анафаза; 7, 8 — рання і пізня стадії телофази; 9 — дочірні клітини

а потім з них — хромосоми у вигляді шпильок. У кінці профази ядерця зникають, ядерна оболонка фрагментується і каріоплазма зливається з цитоплазмою, хромосоми поділяються на дві хроматиди.

У метафазі хромосоми розміщуються в екваторіальній площині клітини, їх хрома­тиди прикріплюються до ниток веретена поділу, таку фігуру називають материнською зіркою. В анафазі хроматиди хромосом внаслідок скорочення ниток веретена поділу пе­реміщуються до полюсів клітини, утворюючи дочірні зірки. У телофазі відбувається де-спіралізація хромосом, на полюсах материнської клітини утворюються дочірні ядра, ци­топлазма поділяється навпіл і утворюються дві дочірні клітини з повним (диплоїдним) набором хромосом.

Амітоз— прямий поділ клітини, при якому не відбувається конденсація хромосом і утворення веретена поділу. При амітозі спочатку перешнуровується ядро, а за ним по­діляється й цитоплазма клітини. В результаті утворюються дві дочірні клітини, які нада­лі ростуть до розмірів материнської клітини. Прямий поділ клітин в організмі тварини відбувається досить рідко. Ним розмножуються старі клітини, клітини плаценти, пухлин у місцях запалення.

Мейоз — це поділ статевих клітин (яйцеклітин і сперматозоонів), складається з двох поділів і характеризується складними змінами в ядрі, що призводять до зменшен­ня (редукції) кількості хромосом. Внаслідок поділу мейозом з материнської клітини утво­рюються дочірні клітини з половинним (гаплоїдним) набором хромосом. Перший і дру­гий поділи мейозу роз'єднані короткою інтерфазою, в якій відсутній S-період, тобто пе­ред другим поділом не відбувається редуплікація ДНК. Кожний поділ при мейозі також складається з чотирьох фаз: профази, метафази, анафази й телофази. Найважливіші процеси відбуваються в профазі першого поділу, який має найбільшу тривалість. На по­чатку профази І кожна хромосома складається з двох спіралізованих хроматид, потім гомологічні хромосоми наближаються одна до одної і з'єднуються між со­бою. У результаті кон'югації в клітині утворюються тетради — комплекси з чотирьох хро­матид. Число тетрад дорівнює гаплоїдному набору хромосом.

Потім настає метафаза, коли тетради розміщуються в площині екватора. В ана­фазі кожна тетрада ділиться навпіл, і до полюсів відходять цілі хромосоми, що мають по дві хроматиди.

У телофазі при поділі цитоплазми на дві дочірні клітини в кожну з них потрапляє лише по одній з кожної пари гомологічних хромосом. Отже, в результаті першого поді­лу утворюється дві клітини, кількість хромосом у яких зменшена вдвічі, але кожна з них містить подвійну кількість ДНК.

Під час другого поділу відбуваються процеси, характерні для мітозу. Внаслідок цьо­го з кожної статевої клітини утворюється чотири нові клітини з гаплоїдним набором хромосом.

Подразливість — властивість клітини активно змінювати свою життєдіяльність під впливом чинників зовнішнього середовища (подразників): температури, світла, хімічних речовин, радіації тощо. Характер відповідної реакції на подразнення залежить від фун­кціональної властивості клітин: м'язові клітини скорочуються, залозисті — виділяють певний секрет, нервові — збуджуються тощо.

Рухливість клітини — одна з форм відповіді на її подразнення. Здебільшого зуст­річаються такі рухи клітини: амебоїдний, миготливий і м'язовий. Амебоїдний рух власти­вий клітинам крові (лейкоцитам), які мігрують з кровоносних судин в осередки запален­ня, а також деяким клітинам інших видів сполучних тканин. Органом руху у таких клітин є тимчасові випинання цитоплазми — псевдоподії. Миготливий рух відбувається за допомо­гою війок та джгутиків клітини. М'язовий рух властивий м'язовим клітинам, що входять до складу м'язової тканини, і здійснюється спеціальними органелами — міофібрилами.