І.6. Органоїди, властиві рослинним клітинам

Рослини мають органоїди, присутні лише в рослинній клітині. Існування цих структур та їх діяльність, пов’язані, в першу чергу, з автотрофним живленням рослин. Для кращого освітлення листкової поверхні її треба оптимально розташувати в просторі. Тому існують клітинні системи та механізми, які забезпечують оптимальне розміщення листків по відношенню до світла.

Вакуоль. Вакуоль – це обмежена мембраною ділянка клітини, заповнена клітинним соком. Клітинний сік - це концентрований розчин, що містить мінеральні солі, цукри, органічні кислоти, кисень, диоксид вуглецю, пігменти та деякі відходи життєдіяльності або “вторинні” продукти метаболізму. В дорослій клітині до 90% її об'єму може бути зайнято вакуолею. Заповнюючи більшу частину клітини “дешевим” вакуолярним вмістилищем, рослини економлять “дорогу” цитоплазму, яка потребує для свого функціювання великої кількості енергії та пластичних речовин. Вакуоль, обмежена вакуолярною мембраною - тонопластом. Вакуолі виконують у рослині декілька функцій.

1. Вода надходить до вакуолі з концентрованим клітинним соком шляхом осмосу. Вакуоль збільшується в об'ємі. Внаслідок цього в клітині підвищується тургорний тиск і цитоплазма притискається до клітинної стінки. Таким чином, підтримується пружність тканин, міцність та опора рослини в цілому.

2. За рахунок збільшення об’єму вакуолі відбувається збільшення розмірів клітини, т. зв. “ ріст розтягом ”.

3. Іноді у вакуолі присутні пігменти антоціани. Вони мають червоне, синє або пурпурове забарвлення і визначають забарвлення квітів (троянд, фіалок, жоржин), плодів, бруньок і листків. Це відіграє значну роль у привабленні комах, птахів і деяких інших тварин, для запилення та розповсюдження насіння.

4. Іноді у вакуолях містяться гідролітичні ферменти і тоді, вакуолі діють як лізосоми. Після загибелі клітини тонопласт, як і інші мембрани, втрачає свою вибіркову проникність, і ферменти, вивільнені із вакуолей, викликають автоліз клітини.

5. У вакуолях рослин можуть накопичуватись відходи життєдіяльності і деякі вторинні продукти метаболізму (оксолат кальцію та інші сполуки). Значення вторинних продуктів не завжди зрозуміле. Це стосується, наприклад, алкалоїдів. Можливо, вони, подібно танінам з їх в’яжучим смаком, відштовхують травоїдних тварин (захисна функція). У вакуолі може накопичуватися і латекс, молочний сік рослини, у вигляді молочно-білої емульсії (кульбаба). У деяких рослин існують навіть спеціалізовані молочні клітини, які виділяють молочний сік (гевея бразильська, мак снотворний).

6. Деякі із компонентів клітинного соку відіграють роль запасних поживних речовин, які при необхідності використовуються цитоплазмою. Серед них цукри, мінеральні солі та інулін.

Згідно загальноприйнятої точли зору, вакуолі виникають при розростанні порожнин ЕПР або пухірців АГ.

Клітинна стінка (клітинна оболонка). Наявність клітинної стінки більше, ніж всі інші ознаки відрізняє рослинну клітину від тваринної. Головне завдання клітинної стінки полягає в забезпеченні окремим клітинам і рослині в цілому механічної міцності і опори. Тому будова та хімічний склад клітинної стінки повністю відповідає виконанню цього завдання. Первинна клітинна стінка складається із целюлозних мікрофібріл, занурених в поліцукровий матрикс (рис. 4).

Целюлоза – полімер, який складається із молекул глюкози, що повторюються, має волокнисту будову і високу стійкість на розрив. Багато молекул целюлози, зшитих поперечними водневими зв’язками, утворюють стійкі пучки – мікрофібріли. Занурені в матрикс мікрофібріли утворюють каркас клітинної стінки.

Матрикс складається з декількох компонентів.

1. Геміцелюлоза – як і целюлоза – поліцукор з мономерами ксилозою, галактозою, маннозою та ін. Молекули геміцелюлози, як і целюлози, виглядають як ланцюг, але коротші, менш впорядковані та більш галуджені.

2. Пектини – кислі поліцукри, мономери арабіноза і галактоза, галактуронова кислота, метанол. Довгі молекули пектинових речовин можуть бути лінійними або галудженими.

3. Глікопротеїни, пов'язані з молекулами пектину поперечними зв'язками.

Спеціалізовані клітини провідної та механічної тканин, окрім первинної клітинної оболонки зображеної будови, функцій мають і вторинну клітинну оболонку, яка відкладається із внутрішнього боку первинної клітинної стінки. Протопласт таких клітин, як правило, відмирає. У вторинній оболонці більше целюлози, ніж у первинній, а пектинові речовини і глікопротеїни в них відсутні. Тому вона жорстка і практично не розтягується. Багато клітин, такі як трахеальні елементи ксилеми та клітини склеренхіми, лігніфікуються (дерев’яніють) – просичуються лігніном – складною полімерною речовиною не поліцукрової природи. Лігнін скріплює целюлозні волокна і утримує їх на місці, діє як дуже твердий і жорсткий матрикс. Він же забезпечує клітинам додатковий захист від несприятливих фізичних та хімічних факторів. Целюлоза та лігнін обумовлюють властивості деревини як незамінного будівельного матеріалу.

Рис. 4. Будова клітинної стінки

Клітинна стінка виконує декілька функцій.

1. Забезпечує окремим клітинам і рослині в цілому механічну міцність та опору.

2. Жорсткість клітинних стінок та опір розтягу обумовлюють тургесцентність клітин, коли в них за осмосом надходить вода. Це підсилює опорну функцію у всіх рослинах і є єдиним джерелом опору для трав’янистих рослин та органів, у яких відсутній вторинний ріст (листок), зберігає клітини від розриву в гіпотонічному середовищі.

3. Орієнтація целюлозних мікрофібріл обмежує і, до деякої міри, регулює ріст і форму клітин, так як від розташування мікрофібріл залежить здатність клітин до розтягу в певному напрямку.

4. Система зв’язаних одна з одною клітинних стінок – апопласт - слугує головним шляхом, по якому рухаються вода та мінеральні солі. Клітинні стінки, закріплені між собою за допомогою серединних пластинок, які складаються, головним чином, з пектинових речовин. У стінках є невеликі пори, скрізь які проходять цитоплазматичні тяжі, що називаються плазмодесмами. Плазмодесми зв’язують живий вміст окремих клітин – об’єднують всі протопласти в єдину систему – симпласт.

5. Зовнішні клітинні стінки епідермальних клітин покриваються особливою плівкою – кутикулою, що складається з воскоподібної речовини – кутину. Кутикула зменшує втрати води та можливість проникнення в рослину патогенних організмів.

6. У деяких клітин їх видозмінені стінки зберігають запаси поживних речовин (геміцелюлоза в деякому насінні).

7. У так званих передаточних клітин площа поверхні клітинних стінок збільшена й відповідно збільшена площа плазматичної мембрани, що підвищує ефективність перенесення речовин шляхом активного транспорту.

Пластиди. Пластиди – це органоїди, властиві тільки рослинним клітинам, вони утворюються із пропластид – дрібних тілець, знайдених у меристематичних зонах рослини. Пластиди – двомембранні органоїди. Класифікація пластид.

Хлоропласти. Містять хлорофіл та каротиноїди і здійснюють процес фотосинтезу. Знаходяться, головним чином, у листках. Детально будуть розглянуті в темі “Фотосинтез”.

Хромопласти. Нефотосинтезуючі забарвленні пластиди, що містять червоні, оранжеві та жовті пігменти (каротиноїди). Знаходяться в пелюстках квітів і збільшують ймовірність запилення та запліднення.

Лейкопласти. Це незабарвлені пластиди, які не містять пігментів. Вони пристосовані для зберігання запасів поживних речовин і том, їх найбільше в запасаючих органах – коренях, насінн,і а також у молодих листках. В залежності від природи запасних речовин, лейкопласти поділяють на амілопласти (крохмаль), ліпідопласти (ліпіди у вигляді масел та жирів) протеїнопласти (білок).

 

Мітоз

Коли клітина досягає певного критичного об’єму, вона починає ділиться. У багатоклітинних організмів мітотичний поділ клітин забезпечує ріст організму. Жива клітина проходить ряд послідовних стадій, що складають клітинний цикл. Тривалість циклу варіює в залежності від типу клітин та зовнішніх факторів (температури, забезпеченості поживними речовинами і т.і.). Звичайно клітинний цикл ділять на інтерфазу та фазу поділу (мітозу). Остання, в свою чергу, складається з двох стадій, які частково перекриваються: каріокінезу (поділу ядра) та цитокінезу (ділення цитоплазми). На молекулярному рівні початок мітозу ініціюється каскадом фосфорилювання білків. Таке фосфорилювання, очевидно, відповідає за морфологічні зміни, що супроводжують мітоз (конденсація хромосом, руйнування ядерної оболонки та зміни цитоскелета).

Фази мітозу.

Профаза. Хроматин, який в інтерфазі виглядає дифузним, конденсується в хромосоми. Для кожного виду характерне певне число хромосом. Кожна хромосома в попередній інтерфазі реплікувалась і в профазі складається із двох сестринських хроматид. У кожній із хроматид є специфічна ділянка - центроміра, котра необхідна для розходження хроматид у наступних етапах до знов створених клітин. В кінці профази утворюється веретено поділу або мітотичне веретено – двополюсна структура, яка складається із мікротрубочок і відповідає за рух хромосом під час мітозу. Мітотичне веретено прикріплюється до центроміри.

Метафаза. Ядерна оболонка розпадається на дрібні мембранні пухирці. Хромосоми за допомогою мітотичного веретена розташовуються в екваторіальній площині і утворюють так звану метафазну пластинку.

Анафаза. Хроматиди роз'єднуються і рухаються до полюсів. Відтепер вони називаються хромосомами. Анафаза триває декілька хвилин.

Телофаза. Навколо кожної групи полярних хромосом утворюється ядерна мембрана. Хроматин знову стає рихлим, з’являються ядерця, відновлюється клітинна стінка між утвореними клітинами і мітоз закінчується.

Мітоз у рослині відбувається в меристематичних тканинах, а у тварин - у всіх тканинах.

Значення мітозу.

1. Генетична стабільність. Внаслідок мітозу утворюється два ядра, які містять стільки ж хромосом, що і попереднє материнське. Ці хромосоми утворюються від материнських шляхом їх точної реплікації, тому вони містять однакову спадкову інформацію. Знов створені клітини генетично ідентичні материнській.

2. Ріст. Внаслідок мітозу кількість клітин в організмі збільшується (гіперплазія), що являє собою один із головних механізмів росту – ріст поділом.

3. Нестатеве розмноження, регенерація та заміщення клітин. Багато видів рослин здатні до нестатевого розмноження за допомогою мітотичного поділу. Це може бути як єдиний спосіб розмноження, так і додатковий до статевого. Мітоз забезпечує заміщення клітин при пораненнях.

 

І. 8. Мейоз

Розуміння того факту, що статеві клітини гаплоїдні і тому повинні формуватися за допомогою особливого механізму клітинного поділу практично вперше навело на думку, що хромосоми містять генетичну інформацію. Хромосомна теорія спадковості довела, що роль батька й матері у визначенні ознак спадкоємців є однаковою, хоча різниця в розмірах яйцеклітини та сперматозоїда вражаюча. І ще один важливий момент зазначеного відкриття полягає в тому, що статеві клітини повинні формуватися внаслідок ядерного поділу особливого типу, при якому весь набір хромосом ділиться точно навпіл. Тільки в цьому випадку можливе відновлення диплоїдного набору хромосом під час запліднення.

Механізм поділу при мейозі. Диплоїдні ядра містять по дві копії кожної хромосоми, одна з яких походить від чоловічого, а інша – від жіночого організму. Це не стосується лише статевих хромосом. Ці дві копії називаються гомологами і в більшості клітин вони ведуть себе як повністю незалежні хромосоми. Коли завдяки реплікації ДНК кожна хромосома подвоюється, дві її копії залишаються спочатку з’єднаними разом (їх називають сестринськими хроматидами). У цей час кожна хромосома здається неподвоєною, тому що сестринські хроматиди вже тісно зближені. При звичайному клітинному поділі, мітозі, сестринські хроматиди шикуються в екваторіальній площині і відокремлюються одна від одної (після цього вони вже називаються хромосомами), і кожна із дочірніх клітин успадковує по одній копії кожного гомолога. Гаплоїдні гамети, що утворилися при поділі диплоїдної клітини шляхом мейозу, містять по одній хромосомі кожної гомологічної пари (батьківську або материнську). Таким чином, гомологи «пізнають» один одного і об’єднуються в пари, перед тим як вишикуватися на екваторі веретена. Таке пізнавання, або кон’югація, спарювання гомологічних хромосом материнського та батьківського походження відбувається тільки в мейозі. Під час кон’югації відбувається кросинговер, або генетична рекомбінація між батьківською та материнською хроматидами - обмін ділянками між гомологічними хромосомами. Два гомологи залишаються зв’язаними в тих місцях, де відбувся кросинговер. Ця точка називається хіазмою.

Дві зближені гомологічні хромосоми називаються синаптоненальним комплексом. У цьому комплексі кожен ген торкається гомологічного йому гена. Сестринські хроматиди поводять себе як одне ціле. Кожну пару хромосом, під час кон’югації називають бівалентом.

Оскільки кожна гомологічна пара хромосом складається із тісно зближених сестринських хроматид, для кожної пари більше підходить інша назва – тетрада. Бівалент розташовується на екваторі веретена і в анафазі дупліковані гомологи (кожен з яких складається із двох сестринських хроматид) відокремлюються один від одного і розходяться до протилежних полюсів, при чому в кожному з них дві сполучені сестринські хромосоми залишаються з’єднаними. Таким чином, при першому поділі мейоза кожна дочірня клітина успадковує дві копії одного із двох гомологів і тому містить диплоїдну кількість ДНК.

Тепер утворення гаплоїдних ядер гамет може дуже просто відбутися внаслідок другого поділу мейозу, під час якого хромосоми вишикуються на екваторі нового веретена і без подальшої реплікації ДНК сестринські хроматиди відділяються одна від іншої, утворюючи гамети - клітини з гаплоїдним набором ДНК.

Значення мейозу.

1. Статеве розмноження. Внаслідок мейозу утворюється чотири дочірні клітини, кожна з яких містить половинне (гаплоїдне) число хромосом у порівнянні з батьківською клітиною. При подальшому заплідненні ядра двох статевих клітин (гамет) зливаються, утворюючи зиготу, котра містить постійне для кожного виду число хромосом (диплоїдне). Таким чином, завдяки мейозу та гаплоїдності гамет, зберігається постійне для кожного виду число хромосом. Це дозволяє виду продовжує існувати як постійній одиниці.

2. Генетична мінливість. Мейоз складає також можливості для виникнення в гаметах нових генних комбінацій. Це приводить до змін у генотипі й фенотипі спадкоємців, отриманих внаслідок злиття гамет.

Практично необмеженими джерелами генетичної мінливості слугують процеси, що відбуваються під час мейозу.

1.) Обмін генами між хроматидами гомологічних хромосом (кросинговер) котрий відбувається в профазі 1 мейозу. Він створює нові групи зчеплення і таким чином слугує важливим джерелом генетичної рекомбінації алелей.

(Група зчеплення – це всі гени однієї хромосоми, хоча повне зчеплення зустрічається рідко. Алель – альтернативні форми гена (домінантна та рецесивна), що визначають його реалізацію в фенотипі. Алель – це конкретні форми, котрими може бути представлений ген, і вони займають одне й теж місце – локус, в гомологічних хромосомах).

2.) Напрямок, в якому кожен член пари гомологічних хромосом буде рухатися, визначається розташуванням пар гомологічних хромосом (бівалентів) у екваторіальній площині веретена в метафазі першого поділу мейозу. Їх орієнтація має випадковий характер. Під час метафази дрого поділу пари хроматид знов таки орієнтуються випадково і цим визначається, до якого із полюсів буде спрямована та чи інша хромосома під час анафази. Випадкова орієнтація та послідуюче незалежне розходження хромосом роблять можливим більше число різних хромосомних комбінацій в гаметах.

3.) Нарешті, третє джерело мінливості при статевому розмноженні – це випадкове злиття чоловічих та жіночих гамет, яке приводе до об’єднання двох гаплоїдних наборів хромосом у диплоїдному ядрі зиготи. Будь-яка чоловіча гамета потенційно здатна злитися з будь-якою жіночою гаметою.

 

І. 9. ДНК, генетичний код, синтез білку.

Будова ДНК. Американський вчений Джеймс Д. Уотсон та англійський Френсіс Крік, вважали, що ДНК, а не білок являє собою основу спадковості.

На початку 50-х років вже була накопичена деяка інформація про будову ДНК.,

1. ДНК подвійна спіраль;

2. Три її компонента (азотиста основа, цукор та фосфат) утворюють нуклеотиди. В нуклеотидах присутні чотири азотисті основи – аденін (А) та тімін (Т), гуанін (G) та цитозін (С). Тільки ці дві пари: А-Т, Г-Ц, можуть зв’язуватися за допомогою водневих зв’язків і називаються комплементарними.. Ця відповідність визначених азотистих основ забезпечує з’єднання двох ланцюгів ДНК.

3. У ланцюгу нуклеотиди зв’язані через цукор (дезоксирибозу) одного нуклеотида та фосфатноу групу іншого. Чергування цукрів та фосфатів утворює скелет ланцюгу ДНК.

На думку Уотсона та Кріка, молекула ДНК може бути носієм спадкової інформації за виконання наступних вимог до її будови та функціювання.

1.) ДНК повинна бути достатньо великою для зберігання спадкової інформації. Адже набір генів котрі управляють розвитком будь-якого організму повинен бути дуже великим.

2.) Інформаційний об'єм ДНК також повинен бути надзвичайно великий, тому що послідовність нуклеотидів кожного ланцюгу подвійної спіралі може бути будь-якою. А оскільки довжина молекули ДНК складається із декількох тисяч нуклеотидів, то можлива й велика кількість варіантів розташування нуклеотидов;

3.) ДНК повинна подвоюватися перед кожним клітинним поділом (реп лікуватися), з великою точністю. Це є також умовою переносу інформації із клітини в клітину.

Ця умова виконується перед кожним клітинним поділом. Під час реплікації водневі зв’язки між азотистими основами рвуться, молекула ДНК розплітається. Два ланцюги розходяться і вздовж кожного утворюється новий із вільних нуклеотидів, що знаходяться в ядрі. Відбудова ланцюгів відбувається за принципом комплементарності А-Т, Г-Ц за рахунок вільних нуклеотидов.

4) У ДНК повинні час від часу відбуватися ”помилки”, тобто первісна послідовність нуклеотидів повинна змінюватися, а ці зміни повинні копіюватися. Такі порушення відбуваються під дією різних мутагенних факторів. Без здатності копіювати “помилки” не може бути еволюції шляхом природнього добору;

5) ДНК повинна бути зв’язана з якимось механізмом “зчитування” накопиченої в ній інформації. Таким механізмом є послідовна транскрипція та трансляція, тобто перетворення послідовності розташування нуклеотидів у ДНК у послідовність розташування амінокислот у білку. Ця залежність між нуклеотидами та амінокислотами відома під назвою генетичного коду.

Структура генетичного коду. Існує декілька визначень поняття ген.

Ген – це найменша ділянка хромосоми, котра може бути відділена від ділянок, що прилягають до неї внаслідок кросинговеру (Морган).

Ген – найменша ділянка хромосоми, здатна до мутації.

Ген – найменша ділянка хромосоми, що обумовлює синтез визначеного продукту.

Останнє визначення найбільш вдале, але в ньому не вказано, якого роду продукт синтезується. Це визначення з'явилось внаслідок досліджень Бідла та Татума (1941 р.). Сформульована ними гіпотеза, відома під назвою “ один ген – один фермент ”, знайшла багато підтверджень у молекулярній біології. Потім вона була перетворена у функціональну концепцію “один ген – один поліпептид ”, бо з’ясувалося, що геном кодуються не лише ферменти, а й інші білки – структурні, транспортні та ін.

Отже, до складу ДНК входить чотири нуклеотиди або азотисті основи – А (аденін), Т (тімін) та Г (гуанін), Ц (цитозін). В той же час у складі білків визначено 20 амінокислот. Якби один нуклеотид визначав положення однієї амінокислоти у первинній структурі білку, то цей білок міг би містити тільки чотири види амінокислот. Якби кожна амінокислота кодувалася двома різними нуклеотидами, то за допомогою такого коду можна було б визначити 16 амінокислот. Якщо б одна амінокислота позначалась трьома основами, то таким способом можна було б позначити 64 амінокислоти. Цього цілком досить для кодування 20 амінокислот. Таким чином, було теоретично з’ясовано триплетність генетичного коду. Експериментально це довів Френсіс Крік у 1961 р.

Синтез білку. Дані про послідовність розташування амінокислот в білках знаходяться в ДНК, а та - в ядрі. Але ще на початку п’ятидесятих років було показано, що синтез білку відбувається в цитоплазмі за участі рибосом. Зрозуміло, що повинна існувати речовина - посередник, яка переносить генетичну інформацію із ядра в цитоплазму. В 1961 р. два французьких біохіміка Жакоб і Моно передбачили, що цим посередником виступає особлива РНК – матрична (м-РНК) або інформаційна (і-РНК).

Транскрипція. Транскрипцією називають механізм, за допомогою якого послідовність азотистих основ в одному із ланцюгів ДНК “переписується” в комплементарну їй послідовність основ м-РНК.

У присутності ферменту РНК-полімерази подвійна спіраль ДНК розкручується внаслідок розриву водневих зв’язків між комплементарними основами і із вільних нуклеотидів будується полінуклеотидний ланцюг м-РНК (замість Т (тіміну) в м-РНК - У (урацил)). Механізм, за допомогою якого один з двох ланцюгів вибирається в якості матриці поки що невідомий. Під час транскрипції копіюється фрагмент молекули ДНК, в якому в послідовності нуклеотидів закодована послідовність амінокислот у майбутньому білку. Таким чином, м-РНК являє собою комплементарну копію ділянки ланцюгу ДНК - гену. М-РНК(І-РНК) складає 3-5% всієї клітинної РНК.

Трансляція. Це механізм, за допомогою якого послідовність триплетів нуклеотидів у молекулах м-РНК переводиться в специфічну послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу.

Для кожної амінокислоти існує специфічна транспортна РНК (т-РНК) і всі вони транспортують відповідні амінокислоти, що знаходяться в цитоплазмі, до рибосом. Таким чином, т-РНК зв’язують триплетний код, що міститься в м-РНК та амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюгу. На т-РНК припадає близько 15% всієї клітинної РНК. Послідовність азотистих основ у триплеті антикодону т-РНК строго відповідає певній амінокислоті, котру вона переносить. Кожна амінокислота приєднується до своєї специфічної т-РНК за учасюі фермента т-РНК-синтетази.

Трансляція відбувається на рибосомах. М-РНК обернено приєднується до поверхні малої субодиниці в присутності іонів магнію. Якщо кодон м-РНК та антикодон т-РНК комплементарні один одному, амінокислота відщеплюється від т-РНК і приєднується до попередньої амінокислоти в поліпептидному ланцюгу.

Рибосомальна РНК (р-РНК) складає більше 80% всієї РНК клітини. Кодується особливими генами, що знаходяться в декількох хромосомах, розташованих в ділянці ядерця. Р-РНК міститься в цитоплазмі, де вона зв’язується з білковими молекулами, утворюючи з ними органели – рибосоми. На рибосомах відбувається синтез білку. Тут “код”, який знаходиться в м-РНК, транслюється в амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюгу, що будується. Рибосоми часто утворюють групи, сполучаючись одна з другою одним ланцюгом м-РНК. Такі групи – полірибосоми, або полісоми роблять можливим одночасний синтез декількох молекул поліпептиду за участю однієї молекули м-РНК..

Функція рибосоми полягає в тому, щоб утримувати в потрібному положенні м-РНК, т-РНК і білки - ферменти, які приймають участь у трансляції, до того моменту, поки амінокислоти не об'єднаються в поліпептидний ланцюг. Як тільки нова амінокислота приєднується до попередньої, рибосома переміщується по нитці м-РНК для того, щоб зафіксувати наступний кодон. Звільнена від амінокислоти т-РНК повертається в цитоплазму, де вона реактивується ферментами з тим, щоб утворити комплекс з новою амінокислотою. Таке послідовне “зчитування” рибосомою поміщеного в м-РНК “тексту” продовжується до тих пір, поки процес не доходить до одного із стоп-кодонів, який сигналізує про припинення процесу. По цьому поліпептидний ланцюг залишає рибосому, трансляцію завершено. Після того, як поліпептидні ланцюги відокремились від рибосом, вони можуть зразу набути властиву їм вторинну, третинну або четвертинну структуру.

 

І. 10. Ферменти

У будь-якій живій системі відбувається безліч хімічних реакцій, без яких неможливий енергетичний та пластичний обміни - основа існування живого організму. Ці ж самі хімічні реакції можуть відбуватися і за межами клітини, але із значно меншою швидкістю і за умов, які не сумісні з існуванням живої клітини (висока температура, крайні межі рН та ін.).

Ферменти – це білкові молекули, які забезпечують високу швидкість хімічних реакцій. При цьому зберігаються нормальні умови в клітині (t = 5-40˚C). Отже, ферменти можна назвати біологічними каталізаторами.

Звичайно в клітині, щоб перетворити вихідну речовину в продукт або продукти, відбувається декілька реакцій з утворенням ряду проміжних сполук (інтермедіатів). Декілька ферментів діють послідовно один за одним і утворюють так званий метаболічний шлях. Можливість існування таких шляхів обумовлена тим, що один фермент каталізує тільки одну певну реакцію, з’єднуючись із строго визначеною речовиною - субстратом. Здатність фермента взаємодіяти лише з певними речовинами (субстратами) називається специфічністю дії ферменту.

Існування метаболічних шляхів забезпечує високу ефективність хімічної діяльності.

По-перше, непотрібних продуктів накопичується дуже мало, оскільки кожен продукт однієї реакції використовується в наступній і так по всьому ланцюгу.

По-друге, якщо продукти однієї реакції відразу вступають у наступну, то можливість зворотньої реакції буде мінімальною. При швидкому використанні кінцевого метаболіту ціла серія реакцій буде швидко закінчуватися.

По-третє, групи ферментів, що приймають участь в спільних метаболічних шляхах, можуть об’єднуватися всередині клітини (мембрана органел, пухирці АГ).

Каталіз і енергія активації. Для того, щоб хімічна реакція відбулася, до речовин, які вступають в реакцію, необхідно прикласти певну кількість енергії. Ця енергія називається енергією активації. Фермент, з’єднуючись з субстратом, утворює короткоживучий фермент-субстратний комплекс, і значно знижує енергію активації. Після завершення реакції фермент-субстратний комплекс розпадається на продукт (продукти) реакції і фермент. Фермент у реакції не змінюється.

Механізм дії ферментів. Результати досліджень показали, що в контакт з субстратом вступає невелика ділянка молекули ферменту - 3 - 12 амінокислотних залишків. Цю ділянку ферменту називають активним центром. Значення інших амінокислот полягає в забезпеченні молекулі білка необхідної просторової конфігурації. Фішер у 1890 р. висловив думку про те, що специфічність дії ферментів, обумовлена особливою формою активного центру ферменту, яка повинна точно відповідати формі молекули субстрату (модель “ключа та замка"). Утворені продукти реакції по формі не відповідають активному центру і тому відділяються від нього, звільняючи фермент для нових молекул субстрату (рис. 5).

Кошланд у 1959 р. запропонував нову інтерпретацію гіпотези “ключа та замка”. На основі нових даних, за Кошландом, активні центри є більш гнучкими і пластичними, ніж це вважалось раніше. З'єднуючись із субстратом, активний центр змінює свою форму “під субстрат”, що дає можливість ефективно прискорювати протікання даної хімічної реакції (гіпотеза індукованої відповідності). Доброю аналогією в цьому випадку може служити рукавичка (активний центр), яка при одяганні на руку (субстрат) відповідним чином змінює свою форму –"під руку".

 

 

Рис. 5. Механізм взаємодії фермента та субстрата (за Фішером)

Кофактори ферментів. Багатьом ферментам для ефективної роботи потрібні ті чи інші небілкові компоненти або так звані кофактори. Роль кофакторів можуть відігравати різні речовини, від простих неорганічних іонів до складних органічних молекул.

Кофактори ділять на три групи:

- неорганічні іони, які входять до складу ферменту;

- простетичні групи - малі органічні молекули, щільно зв'язані з ферментом;

- коферменти - молекули інших речовин, слабо зв'язаних з ферментом.

Коферменти переносять групи атомів, окремі атоми або електрони із однієї реакції в іншу. Багато коферментів хімічно близькі до вітамінів, або утворюються при їх модифікації.

Реакції, які прискорюються ферментами, відбуваються з різними швидкостями. Це залежить від групи факторів.

а.) Концентрації фермента. При високій концентрації субстрату і при постійних інших факторах (температура, рН та ін.) швидкість ферментативної реакції пропорційна концентрації фермента. Каталіз практично завжди здійснюється в умовах, коли концентрація фермента набагато нижче концентрації субстрату. Тому із збільшенням концентрації фермента збільшується і швидкість реакції.

б.) Концентрації субстрату. При значній концентрації фермента швидкість ферментативної реакції збільшується із збільшенням концентрації субстрату. Але наступає момент, коли подальше збільшення концентрації субстрату вже не викликає помітного збільшення швидкості реакції. Це пояснюється тим, що при високих концентраціях субстрату активні центри молекул фермента стають насиченими, тому скільки б не було надлишкового субстрату, він не може об’єднатися з ферментом до тих пір, поки фермент-субстратний комплекс не дисоціює на продукт і фермент.

в.) Температури. В межах 0-40˚С при кожному підвищенні температури на 10˚С швидкість ферментативної реакції подвоюється. З підвищенням температури швидкість руху молекул стає більшою і у молекул реагуючих речовин стає більше шансів на взаємодію. Температура, яка забезпечує найбільшу активність молекул називається оптимальною. За межами цієї температури швидкість ферментативної реакції знижується, хоч частота взаємодій збільшується. Це відбувається внаслідок денатурації - часткового руйнування вторинної і третинної структури фермента при підвищенні температури вище оптимальної. При зниженні температури до точки замерзання або нижче, ферменти інактивуються, але денатурація при цьому не відбувається. Ця їх властивість використовується при заморожуванні продуктів.

г.) рН. При постійній температурі фермент працює найбільш ефективно у вузьких межах рН. Зрушення рН змінює заряд іонізованих кислотних та основних груп, від якого залежить специфічна форма молекули фермента, а значить, його активного центра. При різких коливаннях рН фермент денатурує. Властивий кожному ферменту оптимум рН не завжди співпадає з рН його безпосереднього клітинного оточення. Це дозволяє припустити, що середовище клітини таким чином регулює активність фермента.

Відомі різні речовини низькомолекулярної природи, котрі можуть гальмувати ферментативні реакції. Ці сполуки називають інгібіторами ферментів.

 

1.11 Цитоплазма та її властивості.

Цитоплазма - це протопласт клітини за винятком мікроскопічних структур – ядра, пластид, мітохондрій, вакуолі. Цитоплазма – це внутрішнє середовище клітини. Вона забезпечує оптимальні умови для обміну речовин у клітині.

Головні властивості цитоплазми.

1. Буферність - це здатність розчину протидіяти змінам рН. Виходячи із важливості оптимальних значень рН для функціювання ферментів, зрозуміла важливість цієї властивості цитоплазми для життєдіяльності клітини. Буферність полягає в тому, що при додаванні в розчин протонів водню, або зменшення їх кількості, рН цитоплазми залишається постійною. Це відбувається завдяки зв’язуванню надлишку протонів водню вільними аніонами або їх вивільненню в розчин при розкладанні кислот, які містяться в цитоплазмі. Розчини здатні зберігати свою рН постійною при додаванні в розчин або виведенні з нього тільки певної кількості протонів водню, меншої від якоїсь критичної. Якщо ця кількість буде більшою, то рН зміниться.

2. Рухливість. Цитоплазма містить багато води і тому досить рухлива. Зовні це виглядає як рух окремих органоїдів, наприклад пластид. Рух всієї цитоплазми називається циклозом. Очевидно, що рух цитоплазми є адаптацією до змін екологічних факторів. Відомо, що при появі в цитоплазмі речовин, які гальмують дихання, а значить, і утворення АТФ, рух цитоплазми припиняється. Значить, це АТФ-залежний процес, але сам механізм руху, як окремих органоїдів так і цитоплазми в цілому, поки що невідомий.

3. Еластичність. Одночасно із здатністю до руху цитоплазма повинна бути і досить стабільною. Це б забезпечувало відносно постійні умови життєдіяльності в різних ділянках клітини, без цього її існування неможливе. Еластичність – це здатність повертатися до попереднього стану після дії якихось факторів. Еластичність цитоплазми показує, що вона – структуроване утворення, тобто молекули, що її складають, розташовані в просторі визначеним чином. У тваринних клітинах знайдено так звану мікротрабекулярну сітку (решітку), яка являє собою білкові тяжі, що заповнюють всю клітину і мають трьохмірне розташування. Всі інші компоненти цитоплазми підвішені до неї. Є дані, що і клітини рослин мають подібне утворення.

 

Питання до семінарських занять

Заняття І

1. Визначення життя, рівні організації живих систем.

2. Методи вивчення клітини.

3. Причини виникнення мембран у клітині, рідинно-мозаїчна модель мембрани.

4. Структурна функція мембран.

5. Механізм дії білків-рецепторів.

6. Проста та полегшена дифузія.

7. Активний транспорт через мембрану.

8. Осмотичні явища в клітині.

Заняття ІІ

1. Функції ендоплазматичної сітки в клітині. Ендомембранна концепція.

2. Характеристика апарату Гольджі як транспортної та синтетичної системи.

3. Функції вакуолі в клітині.

4. Будова клітинної стінки. Апопластний та симпластний транспортні шляхи.

5. Принципи будови ДНК.

6. Характеристика генетичного коду.

7. Реалізація генетичного коду під час транскрипції та трансляції.

Заняття ІІІ

1. Біологічне значення ферментів.

2. Специфічність дії ферментів.

3. Поняття енергії активації.

4. Характеристика існуючих моделей механізму дії ферментів ("ключа та замка", "перчатки і руки").

5. Біологічне значення кофакторів ферментів.

6. Залежність швидкості ферментативної реакції від температури, рН, концентрації субстрату та ферменту.

7. Головні властивості цитоплазми.

Задачі

1. Чому дорівнює осмотичний тиск клітинного соку при +17 С, якщо відомо, що ізотонічний для даної клітини розчин сахарози має концентрацію 0,3 М?

2. Вирахуйте осмотичний тиск 0,2 М розчину КСl при +7 С. Ізотонічний коефіцієнт даного розчину дорівнює 1,8.

3. У якого розчину більший осмотичний тиск: у 5% сахарози (С12Н22О11) чи у 5% глюкози (С6Н12О6)?

4. Сисна сила клітини 0,5 МПа. Чому дорівнює тургорний тиск, якщо осмотичний тиск цієї клітини 1,2 МПа?

5. У стані повного завядання початок плазмолізу сисна сила клітини дорівнює 0,5 МПа. Чому дорівнює осмотичний тиск клітинного соку та тургорний тиск цієї клітини?

 

РОЗДІЛ ІІ. МІНЕРАЛЬНЕ ЖИВЛЕНННЯ РОСЛИН

 

Автотрофне живлення - це не тільки синтез вуглеводів, а й створення інших органічних речовин (білків, нуклеїнових кислот) за рахунок простих неорганічних сполук (нітратів, сульфатів, фосфатів тощо). Ці мінеральні речовини рослини отримують із ґрунту під час так званого мінерального або ґрунтового живлення. Неорганічні елементи здійснюють свою фізіологічну дію не лише як складова органічних сполук, а й самостійно, у вільному, незв'язаному стані.

Значення мінерального живлення визначається функціями неорганічних речовин у рослині.

1. Осмотична(підтримка водного балансу в рослині за рахунок створення концентраційних градієнтів, які обумовлюють напрямки та об'єми потоків води в клітині).

2. Біокаталітична(активація та інгибування діяльності ферментів неорганічними елементами, що входять до складу їх простетичних груп).

3. Функція окиснення органічних сполук(здійснюється через включення неорганічних компонентів до складу носіїв електронів в електрон-транспортному ланцюгу).

4. Структурна(участь у побудові головних структурних компонентів рослинної клітини - мембрани, клітинної стінки та ін.).

5. Транспортна(наявність у клітинних мембранах певних неорганічних елементів визначає таку їх властивість, як вибіркова проникність).

Якщо рослину спалити, неорганічний компонент залишається у вигляді попелу. Хімічні елементи знаходяться в ньому у різних кількостях. Тому, їх ділять на макро- та мікроелементи.

Макроелементи (С, О₂, Н₂, N₂, К, Са, Р, Мg, S) необхідні рослинам у великих кількостях. Мікроелементи (Fе, Сl₂, Сu, Мn, Zn, Мо, В) необхідні в незначних, слідових кількостях. Доведено, що ці 16 елементів є вкрай необхідними для нормального розвитку більшості рослин. Крім цього, є елементи, які надзвичайно важливі тільки для деяких груп рослин: Nа- для маревих, Со- для бобових, Аl - для папоротей, Sі- для діатомових водоростей.

Потреби культурних рослин в елементах мінерального живлення, з'ясовані набагато краще, ніж потреби дикоростучих видів.