Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
37 Розділ 1. БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ хімічні сполуки, вірусні, бактеріальні та грибкові інфекції, нестача поживних речовин або окремих фізіологічно активних сполук (незамінні амінокис- лоти і жирні кислоти, вітаміни і мікроелементи), не- стача кисню тощо. Негативного впливу завдають і внутрішні чинники, такі як мутації спадкового ма- теріалу, що призводять до природжених дефектів синтезу білків, ліпідів, надлишкової продукції гор- монів, порушення утилізації токсичних метаболітів. Серед патологічних змін клітини можна відзна- чити порушення структури і проникності мембран мітохондрій, лізосом та інших внутрішньоклітинних утворень. Внаслідок несприятливих впливів міто хондрії набрякають і набувають вигляду пухирців, обмежених тільки зовнішньою мембраною. Деге- нерація і набряк супроводжуються порушенням окисно відновних реакцій у мітохондріях, недос- татнім утворенням високоенергетичних сполук, що негативно позначається і на гомеостазі всієї клітини. Подібні явища зустрічаються при цукро- вому діабеті й голодуванні у клітинах печінки, при захворюваннях серця, нирок. Патологічні зміни мембрани ендоплазматичного ретикулуму призво- дять до порушення синтезу білків клітини. Ці по- рушення зустрічаються і при нестачі в їжі незамін- них амінокислот. Підвищення проникності мембран лізосом, що спостерігається, наприклад, при авітамінозі Е, або під впливом іонізуючого опромінення може посили- ти вихід гідролітичних ферментів у цитоплазму з лізосом, призвести до часткового або навіть повно- го зруйнування клітин. При багатьох інтоксикаціях ушкоджуються клітини печінки або нирок, а пору- шення функціонування цих органів викликає зміну інших клітин організму через продукти метаболізму Широко розповсюдженою причиною патології клітини є проникнення й розмноження в ній вірусів. При цьому обмінні процеси у клітині порушуються вірус змушує клітину працювати винятково "на себе. Після масового утворення і виходу вірус- них часток із клітини вона гине. Деякі патогенні віруси не вбивають клітину, а викликають її пере- родження. Якщо чинник не цілком ушкодив клітину, то після припинення його дії клітина може відновити свою структуру і функції. Цей процес називається внут- рішньоклітинною репарацією. Пять царств живих організмів утворені двома типами клітин: прокаріотичними, що не мають типових ядер (бактерії і синьозелені водорості), й еукаріотичними, яким властиві ядра (більшість од- ноклітинних організмів, рослини, гриби і тварини). Прокаріоти. У прокаріотів, до яких належать бактерії і синьозелені водорості, клітини невеликих розмірів (0,5 3 мкм. Ці клітини позбавлені ядер- ної мембрани і не містять чітко оформлених, обме- жених мембраною органел. У прокаріотичних кліти- нах відсутнє ядро і хромосоми. Генетичний матер- іал представлений однією довгою кільцевою молекулою ДНК. Гістонових білків не виявлено, у них відсутня нуклеосомна організація хроматину. Кільце- ва молекула ДНК упакована в клітині у вигляді петель. Прокаріотичні клітини, оточені клітинною стін- кою, що складається головним чином із вуглеводів і амінокислот. Плазматична або клітинна мембрана часто утворює випинання в цитоплазму, які нази- ваються мезосомами. Вони виконують функцію утворення АТФ багатої на енергію сполуки. У прокаріотів рух цитоплазми й амебоїдний рух відсутні; переміщуються вони найчастіше за допомогою джгу- тиків, організованих значно простіше від джгутиків еукаріотів. Прокаріоти поширені практично всюди. Вони відрізняються величезною різноманітністю, швидким ростом, коротким часом генерації. Про каріотична клітина може зазнавати поділу через кож- них 20 хв. і таким чином утворювати за 10 год до 5 млрд. клітин. Деякі представники прокаріотів: • Мікоплазми найпростіші з клітин, діаметром близько 0,1 0,3 мкм. Вони є внутрішньоклітин- ними паразитами. • Рикетсії збудники епідемічного висипного тифу. Середні розміри їх 0,3 0,6 мкм. Коки невеликі округлі бактерії (стафілококи, гонококи та ін.) Діаметр їх 0,8 10 мкм. • Бацили паличкоподібні бактерії (кишкова па- личка, сальмонела та ін.) • Вібріони за формою нагадують кому, завдов- жки 1,5 3,0 мкм, завтовшки 0,3 мкм (холерний вібріон). 38 1.2.1.3 Прокаріотичні та еукаріотичні клітини Параметр Розміри клітин Форма Генетичний матеріал Синтез білків Органели Клітинні стінки Цитоплазма Джгутики Дихання клітин Поділ клітин Фотосинтез Фіксація азоту Вакуолі Капсула Прокаріоти Діаметр від 1 до 10 мкм, у середньому складає 0,5 2,0 мкм Одноклітинні або нитчасті Кільцева ДНК знаходиться в цитоплазмі, не зв'язана з білками, нічим не відділена від цитоплазми. Немає ядра та ядерця. Хромосома кільцева Рибосоми дрібні, чутливі до антибіотиків. Ендоплазматичного ретикулуму немає Органел мало або вони відсутні. Жодна з них не має мембранної оболонки. Внутрішні мембрани зустрічаються рідко; на них перебігають процеси дихання або фотосинтезу Жорсткі, містять полісахариди й амінокислоти. Основний компонент, що їх зміцнює, муреїн Немає цитоскелета, руху цитоплазми, ендо й екзоцитозу Прості, мікротрубочки відсутні. Знахо- дяться поза клітиною (не оточені плаз- матичною мембраною. Діаметр 20 нм У бактерій дихання анаеробне або аеробне, відбувається в мезосомах; у синьо зелених водоростей на цитоплазматичних мембранах Простий поділ клітин, немає мітозу Хлоропластів немає. Відбувається на мембранах, що не мають специфічної упаковки Деякі мають цю здатність Відсутні Може бути Букаріоти Діаметр від 8 до 100 мкм, у середньому 40 60 мкм Одноклітинні, нитчасті або багатоклітинні з диференціюванням Довгі, лінійні молекули ДНК, зв'язані з білками. Ядро відділене від цитоплазми оболонкою, усередині ядра знаходиться ядерце. Хромосоми всередині ядра, оточені ядерною мембраною Рибосоми більші, можуть бути прикріплені до ендоплазматичного ретикулуму Органел багато. Деякі з них оточені подвійною мембраною, наприклад, ядро, мітохондрії, хлоропласти. Багато органел, обмежених одинарною мембраною, наприклад, комплекс Гольджі, лізосоми, вакуолі, мікротільця, ендоплазматичний ретикулум тощо. У рослин і грибів клітинні стінки жорсткі і містять полісахариди. Основний компонент клітинної стінки, що зміцнює її, у рослин целюлоза, у грибів хітин. Клітини тварин не мають стінок Добре розвинений цитоскелет, рух цитоплазми, ендо й екзоцитоз Складні, із розташуванням мікротрубочок типу 9 2. Розміщуються всередині клітини (оточені плазматичною мембраною. Діаметр 200 нм Аеробне дихання відбувається в мітохондріях Мітоз (або мейоз) Хлоропласти є в рослинних клітинах, що містять спеціальні мембрани, які упаковані в ламели або грани Жодний організм не здатний до фіксації азоту Присутні Відсутня 39 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя ТАБЛИЦЯ 1.1. ОСНОВНІ ВІДМІННОСТІ МІЖ ПРОКАРІОТАМИ И ЕУКАРЮТАМИ Клітини тварин Не мають жорсткої клітинної оболонки Можуть змінювати форму і рухатися Центросоми є у всіх клітинах Ядро локалізується переважно в центрі клітини Можуть містити дрібні вакуолі Пластиди відсутні Багато мітохондрій Кристи мітохондрій пластинчасті Не можуть синтезувати всі амінокислоти, коензими і вітаміни Живлення гетеротрофне Запасають вуглеводи у вигляді глікогену Клітини рослин Мають жорстку целюлозну оболонку Не можуть змінювати форми і рухатися Центросоми відсутні Ядро здебільшого зміщене до оболонки Звичайно присутня одна велика вакуоля Є пластиди (здатні до фотосинтезу) Мало мітохондрій Кристи мітохондрій трубчасті Можуть синтезувати всі амінокислоти, коензими, вітаміни Живлення автотрофне Запасають вуглеводи у вигляді крохмалю Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини ТАБЛИЦЯ 1.2. ВІДМІННОСТІ МІЖ КЛІТИНАМИ ТВАРИН І РОСЛИН • Спірили видовжені, спіралеподібні бактерії зав- довжки 3,0 5,0 мкм (збудник содоку). • Ціанобактерії синьозелені водорості. Еукаріоти. Еукаріоти організми, клітини яких мають ядро (від грец. κάρυον), оточене мембранною оболонкою. До еукаріотів належать най- простіші, гриби, рослини і тварини. Генетичний ма- теріал зосереджений переважно у хромосомах, що мають складну будову й утворені нитками ДНК і гістоновими білковими молекулами. Поділ клітин мітотичний. У цитоплазмі розрізняють багато ха- рактерних органел: центріолі, мітохондрії, пластиди та інші. Основні відмінності між прокаріотичними й еукаріотичними типами клітин наведено в табл. 1.1. Серед еукаріот існують як одноклітинні, так і багатоклітинні організми, яким властивий складний принцип структурної організації. Форми клітин мо- жуть бути різноманітними, розміри коливаються в межах від 5 до 100 мкм. Клітини мають подібний хімічний склад і обмін речовин. Вони розподілені системою мембран на компартменти. Усі клітини мають єдину систему збереження та реалізації спад- кової інформації. Однак клітини організмів, що на- лежать до різних царств (тварин, рослин, грибів і найпростіших), мають ряд істотних особливостей. Це продемонстровано в табл. 1.2, де наведені відмінності еукаріотичних клітин рослин і тварин. Клітина складається з великої кількості чітко упо- рядкованих різноманітних молекул. Молекулярні комп- лекси утворюють органели, які є складовою части- ною клітинної системи. Внутрішній простір клітини поділено мембранами на відсіки (компартменти), де відбуваються тільки специфічні для цього простору реакції. Таким чином, клітина є складною системою макромолекул кількох рівнів організації. Це цілісна не- подільна система, в якій можна виділити ряд підсис- тем, відповідальних за специфічні функції: мембра- ни, цитозоль, ядро, мітохондрії тощо. Клітинні орга- нели структурно і функціонально зв'язані між собою. Життєдіяльність клітин може здійснюватися тільки за умов скоординованого зв'язку між ними. Клітина є відкритою системою, тому що вона не ізольована від зовнішнього середовища. Для життя та функціонування клітинам необхідно постійно взаємодіяти з навколишнім середовищем. Зокрема, між середови- щем і клітинами постійно відбувається обмін речови- ною, енергією й інформацією. Ці процеси забезпечу- ють упорядкований у часі та просторі, координований перебіг усіх метаболічних і фізіологічних процесів. 1.2.1.4 Функціональні властивості клітини як відкритої системи 40 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Обмін речовиною. Між середовищем і клітина- ми (як відкритими системами) відбувається обмін молекулами. Клітина вибірково поглинає необхідні і виводить непотрібні їй речовини (рис. 1.17). Потік речовин зв'язаний насамперед із метаболізмом клітин, що являє собою єдність асиміляції і дисимі- ляції. Асиміляція процес "уподібнення" речовин, що надходять у клітину, специфічним речовинам, які характерні для неї. Це ендотермічний процес, тобто процес, що вимагає витрати енергії. Встанов- лено, що синтез речовин у клітинах відбувається за рахунок метаболічного фонду, який включає: про- дукти перетравленої їжі та продукти дисиміляції, які утворюються в клітинах. Потік речовин у клітині підтримує стабільний молекулярний склад її цито- плазми, що включає в себе неорганічні й органічні сполуки. У травному тракті їжа переводиться в суміш низькомолекулярних органічних речовин: амі- нокислот, нуклеотидів, вуглеводів неспецифічних і однакових для всієї живої природи. У такому вигляді вони і надходять у клітину та утворюють метаболіч- ний фонд. За рахунок процесів асиміляції виконують- ся дві дуже важливі функції: підтримується структура клітини і вона забезпечується енергією, що над- ходить з органічними речовинами. Дисиміляція являє собою екзотермічний процес, тобто процес звільнення енергії за рахунок розпаду речовин кліти- ни. Речовини, що утворюються при дисиміляції, та- кож підлягають подальшому перетворенню і вико- ристовуються клітиною. Обмін енергією. У клітину разом з органічними речовинами надходить енергія, акумульована в хімічних зв'язках між молекулами й атомами, яка потім звільняється і перетворюється в АТФ. Енер- гія необхідна для підтримки стабільності клітинної системи: забезпечення структури, гомеостазу, ме- таболізму і функцій. Усі функції, які виконує клітина, вимагають енергії, що звільняється в процесі диси- міляції. Обмін енергією в групах організмів забез- печується різними процесами: гліколізом, фотосинтезом, хемосинтезом, диханням. Для тварин основним є процес дихання. Це сукупність біохіміч- них реакцій розщеплення (окиснення) органічних ре- човин (глюкози, жирних кислот, амінокислот) до С 2 і Н і використання енергії розірваних хімічних зв'язків для утворення висококалорійного клітинно- го "палива" у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ. Рис. 1.17 Організація потоку речовин клітиною. Як відомо, енергетичним матеріалом у клітині є молекула АТФ. Вона накопичує енергію, вільно пе- реміщується в клітині й віддає енергію для здійснен- ня ендотермічних процесів. АТФ утворюється в ре- зультаті приєднання до АДФ третьої фосфатної гру- пи. Процеси утворення АТФ відбуваються на внутрішній мембрані мітохондрій, яка містить спе- ціальні ферменти АТФ синтетази. Обмін інформацією. 1. Клітина сприймає зміни в навколишньому се- редовищі (сигнали) і здатна на них адекватно реа- гувати. Завдяки цьому клітина може пристосову- ватися до мінливих умов існування. Це забезпе- чується утворенням нових, потрібних у даних умо- вах ферментів та інших макромолекул. Пристосу- вальні внутрішньоклітинні процеси призводять до змін форми, розмірів і функціонування клітин. В ре- зультаті підсумку адекватна реакція на сигнали зов- нішнього середовища дозволяє клітині вижити в умо- вах, що змінюються. 2. Певна організація живого зв'язана зі збере- женням і використанням потоку інформації для підтримки структурно функціональної організації клітини та її тривалого стабільного існування як сис- теми. Спадкова інформація зберігається в молекулах ДНК у вигляді генетичного коду послідовності триплетів нуклеотидів. Інформація переписується з ДНК на молекули РНК, що забезпечують синтез необхідних структурних білків і ферментів. Утво- рені білки причетні до появи певних властивостей 41 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Багатоклітинні організми складаються з клітин, що мають принципово однакову будову. Проте форма, розміри і структура клітин залежать від функцій, які вони виконують (рис. 1.18). Наприклад, м'язові клітини видовжені, клітини епітеліальної тканини роз- ташовані на базальній мембрані, щільно приляга- ють одна до одної, міжклітинна речовина майже відсутня. Нервові клітини завдяки великій кількості відростків набули зірчастої форми. Лейкоцити рух- ливі, округлої форми, можуть набувати амебоїдної форми і т.д. Причому функціонально спеціалізовані клітини різних типів і видів тварин мають подібні структуру, форму і розміри. Таким чином, клітини тварин дуже різноманітні за розмірами, структурою і функціями, які вони ви- конують. Однак всі клітини обов'язково мають ос- новні компоненти: цитоплазматичну мембрану, цитоплазму і ядро (за винятком еритроцитів і тромбо- цитів, у яких ядро відсутнє). Основні типи клітин людини. Клітини людини — мікроскопічних розмірів. Діаметр клітин коливаєть- ся від 0,01 до 0,1 мм (або від 10 до 100 мкм. Об'єм більшості клітин людини знаходиться в межах 200 15000 мкм. Діаметр найдрібніших клітин люди- ни (еритроцити, тромбоцити) дорівнює 4 5 мкм рис. 1.18 г Однак відомі й досить великі клітини, які можна побачити неозброєним оком. Величина клітин залежить від функцій, які вони виконують. Так, яйцеклітини завдяки нагромадженню в них пожив- них речовин досягають розмірів до 150 200 мкм. Розміри клітин прямо не пов'язані з розміром організму. Так, клітини печінки і нирок у людини, коня, великої рогатої худоби і миші мають приблизно од- наковий розмір. Розміри органів, як і розміри цілого організму тварин і рослин, залежать від кількості клітин. Кількість клітин, що складають організм, є різною: від однієї (в одноклітинних) або невеликої кількості (у коловерток і круглих червів) до бага- тьох мільярдів, яку більшості багатоклітинних. Но- вонароджена людина містить приблизно 2 трильйо- ни клітин, доросла 60 100 трильйонів. Донор, що здає кров, втрачає 5 6 млрд. клітин. Щодня наш організм втрачає і відновлює один відсоток своїх клітин, тобто приблизно 600 мільярдів. В організмі людини є різноманітні клітини, що різняться розмірами, структурою і функціями. Подібні за структурою і функціями клітини, зв'язані єдністю походження, утворюють тканини. Спеціалі- зовані клітини утворюють чотири типи тканин: епі- теліальну, сполучну, м 'язову, нервову. Клітини, що зберігають характерні риси кожного типу тканини, можуть у широких межах змінюватися як за структурою, так і за функціями. Причому характер роз- ходжень змінюється в процесі індивідуального роз- витку організму. Важливим фактором структурно функціональних особливостей є взаємодія клітини з іншими клітинами, тканинами або віддаленими клітинними системами через нервову систему або гуморальний зв'язок. У кожній тканині є клітини, що зберігають здатність до поділу. Частина з них після поділу починає диференціюватися і заміщує кліти- ни тканини, які відмирають. Друга частина клітин залишається недиференційованою, спроможною до наступних поділів {стовбурові клітини). Стовбурові клітини та їх використання у медицині Вивчення тонких механізмів ембріонального розвитку організму ссавців із єдиної клітини і про клітини. Іншими словами, потік інформації в клітині спрямований від ДНК до ознаки: ДНК => РНК => білок => ознака 3. Ще один інформаційний потік направлений від ДНК однієї клітини до ДНК дочірньої клітини. Цей потік пов'язаний із процесом розмноження. Він ре- алізується реплікацією молекул ДНК материнської клітини, утворенням хромосом, процесом рівномір- ного розподілу спадкового матеріалу між дочірніми клітинами (мітозом): ДНК => 2 дочірні ДНК => |