БІОХІМІЯ ДЛЯ ВЧИТЕЛЯ - Ф.Ф. БОЄЧКО - 1985

УТВОРЕННЯ ЖИВИХ СИСТЕМ ТА ЇХ СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ

КЛІТИНА — ОСНОВА СТРУКТУРИ ЖИВИХ СИСТЕМ

Клітина є основною структурою і функціональною одиницею всіх живих систем — від найпростіших, одноклітинних, до високоорганізованих багатоклітинних тваринних і рослинних організмів.

У природі не існує клітини, яку можна було б вважати типовою для всіх живих систем. Клітини, з яких побудовані тваринні і рослинні організми, відрізняються одна від одної розміром, формою, походженням, ступенем організації, функціями, хоч усі вони мають спільний план будови. Останнє є незаперечним свідченням єдності походження всіх живих організмів, що населяють нашу планету.

Одноклітинні організми, а також клітини, що входять до складу різних органів і систем багатоклітинних організмів, вражають різноманітністю своїх форм. Вони можуть бути кулясті, видовжені, циліндричні, кубічні, призматичні, дископодібні, зірчасті. Форма кожної клітини визначається генетичною інформацією, що закладена в ДНК, і для одноклітинних організмів вона часто є основним критерієм їх класифікації. Особливою різноманітністю і красою форм характеризуються одноклітинні десмідієві водорості.

У багатоклітинних організмів також зустрічаються клітини різної форми. Тут особливо чітко виявляється єдність форми і функції різних клітин. Клітини шкіри, епітеліальних тканин, нервових і м’язових волокон мають різну форму, що відповідає їхнім функціям. Клітини м’язових і нервових волокон переважно витягнуті, епітеліальні клітини кишечника — циліндричні, клітини крові — округлі, дископодібні.

Форма рослинних клітин залежить від місця їх знаходження та функцій. Наприклад, клітини стебел і листків значно відрізняються між собою. Досить різноманітні розміри клітин, як в одному організмі, так і в різних їх видах. Так, яйцеклітини людини, розмір яких 0,1 мм, більш як у мільйон разів більші за розміри сперматозоїдів. Яйця страуса більші від пневмококів в 1·10⁶—1·10⁷ разів. Клітини покривних і епітеліальних тканин характеризуються малими розмірами — 30 мкм в діаметрі, ще менші за розмірами клітини малих лейкоцитів крові — 3—4 мкм. Проте розмір клітин нервових волокон досить значний — аксони нервових клітин досягають інколи 1 м. Серед одноклітинних організмів найменшими є клітини мікроорганізму мікоплазми, яка за розміром подібна до вірусів, а за структурною організацією — до бактерій. Найчастіше зустрічаються клітини розміром 10—100 мкм, рідше—1—10 мкм (клітини м’якоті кавуна, цитрусових, залозисті клітини молюсків).

Вважають, що існує певна залежність між розмірами клітин і швидкістю метаболічних процесів, які в них відбуваються. Чим менша клітина, тим інтенсивніше відбуваються обмінні реакції. Така залежність існує і в багатоклітинних організмах. У колібрі, бджіл, мух швидкість метаболічних процесів значно вища, ніж у людини та в хребетних тварин. Якби в організмі людини інтенсивність обміну була така сама, як у колібрі, то внаслідок надмірного виділення утвореної теплоти людина швидко б загинула.

Кількість клітин у багатоклітинних організмах також різна. Так, у безхребетних їх кількість в середньому становить 1-Ю²—1-Ю⁴, а у високоорганізованих хребетних — 1·10¹⁵—1·10¹⁷. Незважаючи на різноманітність, клітини мають спільні особливості: єдність хімічного складу і хімічних процесів, що в них відбуваються, здатність до засвоєння і перетворення енергії, синтезу специфічних макромолекул. Структурні елементи, з яких складаються різні- клітини, характеризуються подібністю на різних рівнях — атомарному і молекулярному. До складу всіх клітин входять біогенні елементи — вуглець, водень, кисень, азот, сірка, а також ряд макроелементів (К, Na, Са, Р, Fe та ін.) і мікроелементів (Zn, Mn, Cu, Co, І та ін.). Для всіх клітин, незалежно від рівня їх організації, характерним є наявність в їх складі таких важливих біополімерів, як білки, нуклеїнові кислоти, ферменти, а також вуглеводи і ліпіди. Життєдіяльність всіх клітин залежить від наявності двох систем — системи, що забезпечує ріст, розмноження і розвиток клітини та системи енергозабезпечення різноманітних метаболічних процесів, що відбуваються в клітині. Обидві ці системи перебувають у тісній взаємодії. Живі клітини мають здатність вбирати з навколишнього середовища воду і поживні речовини, які вони використовують для забезпечення процесів життєдіяльності, та виділяти певні продукти обміну, тобто для них характерним є обмін речовин з навколишнім середовищем.

Таблиця 1. Структурні елементи клітини

Залежно від ступеня організації всі клітини поділяють на прокаріотичні і евкаріотичні. Перші характерні переважно для одноклітинних організмів — бактерій, синьо-зелених водоростей, другі — для всіх інших одноклітинних і багатоклітинних організмів. Клітини прокаріотів та евкаріотів, крім характерних спільних ознак, мають також ряд структурних і функціональних особливостей, за якими вони відрізняються між собою. У таблиці 1 наведено основні структурні елементи прокаріотичних і евкаріотичних клітин.

Загальна характеристика прокаріотичних клітин

Прокаріотичні клітини є найбільш простими серед усіх відомих живих клітин. Це, очевидно, перші клітини, що виникли 3—3,5 млрд. років тому. У переважній більшості вони невеликі за розмірами. Середня величина їх приблизно 5 мкм, проте, серед прокаріотів зустрічаються такі, що мають розміри 0,1—0,25 мкм, це найменші серед всіх відомих клітин. Бактеріальні клітини і клітини синьо-зелених водоростей трохи більші за розмірами.

Клітини прокаріотів мають зовнішню плазматичну мем-! брану, яка в бактерій і синьо-зелених водоростей покрита клітинною стінкою і желеподібною слизовою капсулою, або футляром. Склад цього покриття в різних прокаріотів не однаковий і визначає, очевидно, патогенну дію деяких з них. Зокрема, до складу бактеріальних стінок входять ліпіди, вуглеводи, складні білки, а у синьо-зелених водоростей основним компонентом є целюлоза.

Внутрішній вміст прокаріотичних клітин становлять ядерна зона, що характеризується незначною електронною щільністю, і дуже щільна цитоплазма. У клітині немає відособленого ядра і ніяких мембран, за винятком вигинань цитоплазматичної мембрани. Замість ядра прокаріоти містять його генетичний аналог (еквівалент), дифузно розпилений у цитоплазмі або утворений переплетеними спіралями молекул ДНК, які в деяких бактерій мають форму крихітних плазмід, що подібні до позаядерних ДНК евкаріотів. У синьо-зелених водоростей і деяких бактерій є невелика кількість шаруватих мембран, що утворюються внаслідок випинання плазматичної мембрани. Деякі з них — тилакоїди — у фотосинтезуючих прокаріотичних клітин окремих водоростей і бактерій за своїми функціями відповідають пластидам евкаріотів.

У цитоплазмі прокаріотичних клітин містяться дрібні круглі тільця — рибосоми та різноманітні параплазматичні включення — гранули, які не мають мембран і виконують різноманітні функції. Частина гранул бере участь у нагромадженні резервних речовин. Це, зокрема, волютинові зерна, або поліфосфатні гранули, в яких нагромаджуються фосфати, гранули ціанофіцину — резервного поліпептиду, що складається із залишків аргініну та аспарагінової кис^ лоти. Зустрічаються також ліпідні та глікогенні гранули. Важливу роль у клітинах прокаріотів відіграють також секреторні гранули, які забезпечують виділення та надходження різних речовин. Інших включень у цитоплазмі прокаріотів немає. Незважаючи на порівняно просту структуру внутрішнього вмісту, прокаріотичні клітини здатні здійснювати різноманітні складні біохімічні реакції, які забезпечують самостійне існування їх у відповідному середовищі.

При несприятливих умовах більшість прокаріотів має здатність до спороутворення внаслідок виникнення навколо ядерної зони міцної оболонки. У такому стані прокаріоти мають високу стійкість проти дії різних факторів і можуть тривалий час не виявляти ніяких ознак життєдіяльності. У вигляді спор вони можуть витримувати нагрівання до високих температур— 100—120 °С. Синьо-зелені водорості в звичайному стані досить добре почувають себе при температурі 70 °С. Саме вони створюють своєрідну гаму кольорів і різних відтінків, що характерні для гарячих джерел — гейзерів.

Загальна характеристика евкаріотичних клітин

Структурна організація клітин евкаріотів набагато складніша порівняно з прокаріотичними. Розміри в них більші (~15 мкм). Зовні клітина покрита плазматичною мембраною, а в рослинних клітин ще й міцною клітинною стінкою, що складається з целюлозних волокон.

Всередині клітини міститься цитоплазма із складною системою внутрішніх мембран, що розділяють її на окремі компартменти. Серед мембранних систем клітини особливе місце займають ендоплазматичний ретикулум і апарат Гольджі, з участю яких відбуваються синтез і упаковка речовин, необхідних для побудови і функціонування клітин та організму в цілому. Крім того, у цитоплазмі евкаріотичних клітин містяться такі органели — ядро, мітохондрії, пластиди, вакуолі, лізосоми, пероксисоми, рибосоми та ін., які виконують у клітині різноманітні функції.

Таблиця 2.Види евкаріотичних клітин

Усі органели клітини розміщені в матриксі — частині цитоплазми, яка навіть під електронним мікроскопом має гомогенний вигляд. Три види органел: ядро, мітохондрії і пластиди — відокремлені від цитоплазми подвійними мембранами. Мембрани є і в інших органелах клітин, за винятком хромосом, рибосом, мікротрубочок і мікрофіламентів. Кожний вид органел клітини виконує певну функціональну роль.

Серед евкаріотичних клітин розрізняють рослинні і тваринні клітини та клітини грибів, які відрізняються між собою будовою (табл. 2). Як бачимо, рослинні клітини відрізняються від тваринних наявністю товстої целюлозної оболонки та деякими видами органел. Основні складові частини є універсальними і властиві як рослинним, так і тваринним клітинам.