Загальна цитологія

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

„ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Кафедра імунології та біохімії

Конспект лекцій

для студентів напряму підготовки «Біологія»

освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

Загальна цитологія

О.К. Фролов

Запоріжжя 2011

УДК : 576.3 (075.8)

ББК : Е05я73

Ф 912

Фролов О. К. Загальна цитологія: конспект лекцій для студентів напряму підготовки «Біологія» освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр». -- Запоріжжя: ЗНУ, 2011. -- 56 с.

Конспект лекцій із «Загальної цитології» складено відповідно до навчальної та робочої програм з дисципліни. Основна мета лекцій полягає в ознайомленні студентів з основними ознаками клітинного рівня організації життя, яка досягається шляхом аналізу структури і функції біомолекул органоїдів. Причому розгляд клітинних структур подається в філогенетичному аспекті. Об'єм курсу лекцій відповідає сучасному рівню знань про фізіологію клітин, яка охоплює аналіз трьох основних надмолекулярних її систем: активні біологічні мембрани, білок-синтетичну систему, відбудову енергетичних джерел в клітині -- АТФ-синтетичну систему, які забезпечують обмін речовин, саморегуляцію, самоутворення клітин як єдиних осередків життя. Структура лекцій побудована за оптимальною педагогічною схемою: перелік питань, їх аналіз, перелік рекомендованої літератури. Конспект лекцій призначений для студентів денної та заочної форм навчання біологічного факультету (напрям підготовки «Біологія»).

Рецензент

д. б. н., професор, зав. каф. мисливствознавства

та іхтіології Запорізького національного університету В. І. Домніч

Відповідальний за випуск

д. м. н., професор кафедри імунології та біохімії

Запорізького національного університету О. К. Фролов

Зміст

Вступ

Модуль І. Предмет, основні поняття та етапи еволюції клітинної форми життя

1.1 Принципи біології й еволюції клітинних форм життя

1.2 Клітина -- елементарна одиниця життя

Модуль ІІ. Мембранний принцип клітинної форми життя

2.1 Біомембрани клітини

2.2 Цитоплазма. Органели цитоплазми. Вакуолярна система

2.3 Органели цитоплазми. Мітохондрії

Модуль ІІІ. Генетичні аспекти клітинної форми життя

3.1 Будова та функції ядра. Генетичний апарат клітин про- та еукаріот

3.2 Інтерфазне ядро. Негенетичні структури, похідні хромосом

Модуль ІV. Самовідновлення клітинних організмів

4.1 Цитоскелет

4.2 Клітинний цикл. Мітоз

4.3 Клітинні основи розмноження організмів. Мейоз

Рекомендована література

Вступ

Мета курсу «Загальна цитологія» полягає в ознайомленні студентів з основними ознаками клітинного рівня життя шляхом філогенетичного аналізу структури та функції біомембран та органоїдів.

Цитологія (від грец. kytos -- осередок, клітина) -- наука про клітину, отримала наукове узагальнення історично відносно нещодавно -- на межі ХІХ-ХХ ст., коли вперше були об'єднані розрізнені дані про будову клітини в монографії відомого цитолога Ж.-Б. Карнуа «Біологія клітини», що вийшла в 1884 р. При вивченні клітини використовували два методологічних підходи: описово-морфологічний та експериментальний -- фізіологічний. Перший методологічний підхід дозволив узагальнити дані про клітину у вигляді клітинної теорії життя на Землі, основоположниками якої були видатні вчені сучасності М. Шлейден (1838), Т. Шванн (1839), Р. Вірхов (1858). Але залишалось багато незрозумілих питань, зокрема про взаємодію окремих клітин в багатоклітинному організмі. Дана проблема була вирішена на початку ХХ ст. дослідницькими роботами вітчизняних (А. В. Румянцев, Є. М. Вермель, Д. А. Насонов, А. А. Заварзін) та зарубіжних (Г. Дріш, О. Гетвінг, Ю. Шаксель, Л. Берталанді) цитологів. Другий методологічний підхід -- експериментальний, став можливим в другій половині ХХ ст. з винайденням електронного мікроскопу і залученням методів із інших галузей наук: фізики, хімії, математики, а також суміжних біологічних дисциплін: генетики, біохімії, молекулярної біології. Завдяки інтеграції з іншими науками, цитологія як наука трансформувалась в якісно новий рівень, названий клітинною біологією. Її основна мета -- пізнати життєдіяльність організмів на клітинному рівні через пізнання того, як особливість структури біополімерів, морфології складових частин клітини визначає їх функцію та життєдіяльність клітини в цілому.

Виходячи з основного положення клітинної теорії -- всі процеси життєдіяльності можливі лише в межах клітини, тому дисципліна «Біологія клітини» належить до фундаментальних наук біології. При цьому дискретний аналіз окремих клітинних компонентів поєднує цитологію з молекулярною біологією та генетикою. Водночас, аналіз клітини як цілісної елементарної системи живої матерії дозволяє в подальшому вивчати явища живого на тканинному, органному, системному та організменному рівнях життя.

І, врешті-решт, якщо врахувати думку міжнародної організації ЮНЕСКО, яка проголошує ХХІ ст. століттям біотехнології, то наука про клітину стає керівною серед основних наук сучасної цивілізації.

Модуль І. Предмет, основні поняття та етапи еволюції клітинної форми життя

1.1 Принципи біології й еволюції клітинних форм життя

1. Макросистема форм життя на Землі.

2. Порівняльна характеристика клітин про- і еукаріот.

3. Загальний план будови усередненої еукаріотичної клітини.

4. Ендосимбіотична теорія еволюції еукаріотичних клітин.

5. Біологічні потенції до прогресивної еволюції про- і еукаріотичних клітин.

Основні поняття: макросистема, прокаріоти, еукаріоти, ендосимбіотична теорія.

1. Макросистема форм життя на Землі

Наука, що вивчає вищі таксономічні одиниці систематики органічного світу, називається макросистема. Вона вивчає імперії, надцарства, царства, підцарства, типи (відділи у рослин).

В даний час відповідно до біологічної класифікації все живе на Землі поділяють на 2 імперії: клітинні та неклітинні форми життя. Неклітинні форми життя представлені вірусами, яких вітчизняний вірусолог, академік Жданов В.М. (1970) запропонував об'єднати в царство Vira, тобто Вірусів.

За пропозицією вітчизняного вченого, академіка Вірменської ССР Армена Левонтовича Тахтаджана, ботаніка і систематика (1972), клітинну форму життя згрупувати в 4 царства, об'єднаних у 2 надцарства -- надцарство прокаріот і надцарство еукаріот. Надцарство прокаріот включає одне царство Дробянки, або Монери із зарубіжної класифікації. Дробянки підрозділяють на підцарство бактерій і підцарство ціанобактерій (ціаном, або синьо-зелені «водорості» за старою назвою).

Серед надцарства еукаріотів виділяють 3 царства: рослини, гриби, тварини. Царство рослин ділять на 3 підцарства: багрянки (червоні «водорості» за старою номенклатурою); справжні водорості, вищі рослини. Царство грибів ділять на 2 підцарства: нижчих і вищих грибів. Царство тварин, найчисельніше із еукаріот, включає в себе понад 2-х млн. видів. Їх поєднують у 2 підцарства -- одноклітинні тварини та багатоклітинні тварини.

2. Порівняльна характеристика клітин про- і еукаріот

Порівняння загального плану будови клітинних форм життя підцарств про- і еукаріот. Загальний принцип будови про- і еукаріот дозволяє виявити схожість усіх клітинних форм життя, дати їм оцінку в еволюції органічного світу.

Прокаріоти або доядерні не мають оформлених ядер. ДНК у вигляді однієї єдиної хромосоми у формі кільця знаходиться в цитоплазмі, не обмежена мембраною. Такий тип генетичного апарату називають нуклеоїдом. ДНК не пов'язана з білками - гістонами. Тому її гени здебільшого вільні для транскрипції та активні. Молекула ДНК утворює петлі, у вигляді розетки, які утримуються в середині кислими білками (виконують функції гістонів, гістони -- білки з основними властивостями). Нуклеоїд не має ядерця. До еукаріот належить переважна більшість клітинних організмів. Вони мають морфологічно оформлене ядро, відокремлене від цитоплазми подвійною ядерною мембраною. У ядрі окремі молекули ДНК організовані в хромосоми, до складу яких входять кислі і основні білки (гістони). Але не тільки наявністю або відсутністю ядра відрізняються ці типи клітин. Вони також мають різну загальну організацію. Так, прокаріотичні клітини влаштовані значно простіше, ніж еукаріоти, у яких наявні різноманітні мембранні комплекси, органели, специфічні структури.

Конкретні основні відмінності:

1. Розмір клітин: у прокаріот діаметр в середньому становить 0,5-5 мкм; у багатоклітинних еукаріот зазвичай 10-12 мкм -- у тварин і 40-60 мкм -- у рослин.

2. Число клітин: (1) перші -- одноклітинні або колоніальні (нитчасті), (2) другі -- одноклітинні і багатоклітинні.

3. Рибосоми: 1 -- 70 S і менше, вільні від цитоплазматичних мембран; 2 -- 80 S рибосоми (більші), більша частина приєднана до ендоплазматичного ретикулуму.

4. Органели -- у 1 -- окрім рибосом, відсутні; у 2 є набір спеціалізованих органел.

5. Поверхневі, тобто цитоплазматичні мембрани, мають подібний принцип будови, але внутрішні мембрани у 1 розвинені значно слабкіше, ніж у 2; немає двомембранних органел.

6. Клітинні стінки (оболонки): 1 -- жорсткі, не здатні до фагоцитозу та піноцитозу. Основний компонент містить муреїн, що складається з паралельно розташованих полісахаридних ланцюгів, зшитих між собою короткими ланцюгами пептидів. Цей мережевий комплекс являє собою одну молекулу. 2 -- у рослин і грибів полісахаридні комплекси (целюлоза або хітин). У тварин -- більшість клітин не має оболонок.

7. Джгутики: 1 -- прості, мікротрубочки відсутні. Знаходяться поза клітиною і не покриті плазматичною мембраною, діаметр 20 нм. 2 -- складні, з упорядковано розташованими, в структурі типу 9+2, оточені мембраною, діаметр 200 нм.

8. Дихання: 1 -- у бактерій у мезосомах -- багатоскладчастих втисненнях цитоплазматичної мембрани всередину цитоплазми. У ціаней -- в цитоплазматичних мембранах. 2 -- аеробне дихання відбувається в мітохондріях.

9. Фотосинтез: 1 -- хлоропластів немає. Відбувається у фотосинтезуючих прокаріот в мембранах, що не мають специфічної упаковки. 2 -- у хлоропластах, мембрани яких укладені в грани або ламели.

10. Фіксація азоту: 1-- деякі володіють цією здатністю. 2 -- жоден організм не здатен до фіксації азоту.

Про- і еукаріотичні організми відрізняються за типом організації геному, будовою гену та регуляцією гена. У прокаріот відсутні інтрони, є оперонна організація гена, ДНК не пов'язана з білком та ін.

Однак, не дивлячись на значні структурні та функціональні відмінності, вони мають спільні риси будови, що дозволяють віднести їх до єдиної філогенетично пов'язаної клітинної форми життя: по-перше, мембранний принцип будови; вони мають зовнішні і внутрішні плазматичні мембрани, що забезпечують компартменталізацію протоплазми; по-друге, в загальних рисах подібний потік енергії через цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса), а у фотосинтетиків -- процес фотосинтезу; по-третє, єдиний принцип потоку інформації від нуклеїнових кислот до білка: ДНК -- РНК -- білок.

3. Загальний план будови усередненої еукаріотичної клітини

Предметом курсу цитології є в основному еукарiотичнi клітини. Аналіз їх загального принципу будови дозволить простежити етапи еволюції еукаріотичної клітини.

Будь-яка клітина відокремлена від зовнішнього середовища плазматичною мембраною або плазмолемою (від грец. lemma -- оболонка). Назовні від плазмолеми екстрацелюлярно розташовується клітинна оболонка (зовнішній скелет клітини), добре виражена у рослин, грибів, найпростіших. У тварин вона слабко виражена у вигляді тонкого шару 10-12 нм глікокаліксу -- комплекс гліколіпідів і глікопротеїдів. Весь внутрішній вміст клітини об'єднується загальною назвою -- протопласт або протоплазма. Протоплазма ділиться на цитоплазму і каріоплазму, тобто ядро. Цитоплазма також неоднорідна. Вона ділиться на гіалоплазму (цитозоль) (від лат. gialin -- прозорий), або ж матрикс і структурні компоненти. Структурні компоненти цитоплазми або як їх ще називають, органоїди і включення діляться на дві групи: мембранні -- обмежені від гіалоплазми біомембранами, і немембранні -- розташовані безпосередньо в гіалоплазмі. Мембранні структури цитоплазми являють собою замкнуті, закриті, об'ємні зони, відсіки, які мають свій власний вміст. Ці відсіки називаються компартментами або купе.

4. Ендосимбіотічна теорія еволюції еукаріотичних клітин

Відповідно до теорії послідовних ендосимбіозів еукарiотичнi клітини виникли в результаті кооперації спочатку незалежних елементарних біологічних одиниць -- прокаріотичних клітин. Партнери цього симбіозу мали вузьку спеціалізацію і згодом перетворились на органоїди. Перший ендосимбіонт -- нуклеоцитоплазма -- основна «хазяйська» частина еукаріотичної клітини, є залишком одного з прокаріотичних організмів, другий ендосимбіонт -- мітохондрії -- похідні аеробних бактерій, третій ендосимбіонт -- пластиди, походять від фотосинтезуючих бактерій, четвертий ендосимбіонт -- ЦОМТи та їх похідні (мікротрубочки цитоплазми, веретена поділу, центріолі, центромери, базальні тільця і ундулоподії) -- залишки бактерій -- спіроплазм.

З інтеграцією взаємозалежних ендосимбіонтів: нуклеоцитоплазми, мітохондрій, ундулоподій завершилося створення тригеномної еукаріотичної клітини. На початку цього були гетеротрофні організми -- мікроорганізми. Подальша еволюція цих клітин призвела до появи різноманіття тварин і грибів.

Остання еволюційна подія в серії послідовних ендосимбіозів -- надбання еукаріотами здатності до фотосинтезу. Спочатку гетеротрофні еукаріоти фагоцитарно «захоплювали» фотосинтезуючих прокаріот з метою харчування, але не перетравлювали їх остаточно. Такий спосіб симбіозу описаний у деяких сучасних інфузорій, гідр. Наприклад, Paramecium bursacia захоплює хлорели -- зелені одноклітинні водорості.

5. Біологічні потенції до прогресивної еволюції про- і еукаріотичних клітин

Філогенетичний потенціал прокаріот значно вужче, ніж еукаріот. Філогенетичний шлях прогресивної еволюції найпростіших привів до колоніальної багатоклітинності. Колонія Вольвокса не є багатоклітинним організмом. Всі клітини цієї колонії однакові за будовою та функцією, тобто не диференційовані. Їх структурне і функціональне об'єднання відбулося за рахунок диференціювання внутрішньоклітинних структур: цитоплазматичні містки, виділення безструктурної міжклітинної речовини і т. д. Еволюційною перевагою об'єднаних колоній є переваги в харчуванні, захисті, розмноженні. Подальша диференційовка клітин найпростіших призвела до появи багатоклітинних тварин. У цьому випадку поліфункціональна еукаріотична клітина має значно більшу кількість варіантів для еволюції, у порівнянні з можливостями до модифікації внутрішньоклітинних структур. Тому прогресивна еволюція шляхом диференціювання окремих клітин у багатоклітинному організмі стала домінуючою в філогенезі тварин, а також рослин і грибів.

Контрольні питання:

1. Розкрийте поняття «макросистема» форм життя на Землі.

2. Які докази ендосимбіотичної теорії еволюції клітин еукаріот?

3. Який структурно-функціональний внесок кожного ендосимбіонту?

4. Які структурно-функціональні умови еволюції царства Грибів, Тварин та Рослин?

5. Які обмеження прогресивної еволюції прокаріот?

6. На яких морфо-функціональних особливостях заснована прогресивна еволюція еукаріот?

7. В чому причина тупику еволюції в типі Найпростіших?

Література: основна -- 1-5; додаткова -- 1-8.

1.2 Клітина -- елементарна одиниця життя

1. Предмет цитології.

2. Історія вчення про клітину.

3. Сучасні положення клітинної теорії.

Основні поняття: цитологія, мікроскоп, клітинна теорія.

1. Предмет цитології

Цитологія (від грец. kytos -- осередок, клітина) -- наука про клітину, наука про клітинний рівень організації життя. При цьому в цитології поєднуються два основні методологічні підходи до вивчення клітини. Перший підхід -- дискретний аналіз окремих клітинних компонентів, аналіз субклітинного рівня, його універсальності для усіх клітин органоїдного рівня. Тим самим цитологія поєднується з молекулярною біологією та генетикою -- молекулярно-генетичним рівнем організації життя. Другий підхід -- аналіз клітини як елементарної цілісної системи живої матерії, універсальності основних процесів її життєдіяльності, їх регуляції. У цьому вона межує з вищими рівнями організації життя: тканинним, органним, організменним рівнями.

Мета цитології (фізіології клітини) -- пізнати життєдіяльність організмів на клітинному рівні. Основне завдання біології клітини -- пізнати які особливості структури, морфології складових частин клітини визначають, детермінують їхню функцію і біологію клітини в цілому.

2. Історія вчення про клітину

Винахід мікроскопа -- головна умова вивчення клітини.

Вивчення будови і функції клітин тісно пов'язано з винайденням та удосконаленням мікроскопів. Світловий, а пізніше й електронний мікроскопи розширили можливості структурного аналізу живої матерії.

Деякі історичні етапи розвитку мікроскопічної техніки і проникнення її в цитологію.

Оптичні лінзи були винайдені в кінці XIII ст. для корекції короткозорості (двояковвігнуті лінзи). Для наукових досліджень оптичні лінзи почали використовувати лише з кінця XVII ст., коли відомий Галілей сконструював спочатку телескоп, а потім в 1609 р. і мікроскоп. Він складався з об'єктива та окуляра. Перші його мікроскопи давали збільшення лише в 35-40 разів. Причому оптика перших мікроскопів була примітивною: об'єктиви давали значну хроматичну і сферичну аберації, тому при значному збільшенні зображення було нечітким. Подальше вдосконалення світлового мікроскопу стосувалося:

1) покращення освітлення об'єктива шляхом введення збірних лінз (Роберт Гук, Англія, 1668 р.), освітлювального дзеркала (Гертелло, Німеччина, 1715 р.);

2) усунення хроматичної і сферичної аберації шляхом кращого шліфування лінз, застосування систем лінз замість однієї як в об'єктиві, так і в окулярі;

3) одержання більшого збільшення шляхом виготовлення більш сильних лінз і застосування водної та масляної імерсій.

Нарешті, у 1886 році Аббе Е. (Німеччина) сконструював апохромати, які досягли межі роздільної здатності світлового мікроскопа, що залежить від довжини хвилі кванта світла. Під роздільною здатністю розуміють мінімальний розмір об'єкта, коли в ньому можна розрізнити дві точки. Роздільна здатність дорівнює половині довжини хвилі. Довжина світлової хвилі в середньому складає близько 0,4 мкм. Отже, роздільна здатність світлового мікроскопа дорівнює 0,2 мкм. Далі настає явище дифракції світлової хвилі. Якісно новий стрибок у вивченні будови і функції клітини зіграв винахід електронного мікроскопа, ідею і першу конструкцію якого запропонували в 1928-1931 рр. Руска Е., Кноль М., Борріє Б. В електронних мікроскопах використовуються електрони, які при дуже великих швидкостях проявляють хвильові властивості, що дозволяє використовувати їх подібно світловим хвилям. Кращі з них дають роздільну здатність 0,6-1 нм, а новітні -- до 0,3 нм.

3. Сучасні положення клітинної теорії

Відзначимо основні історичні етапи у вивченні будови і функції клітин, які призвели до формулювання клітинної теорії. Перше цитологічне дослідження належить секретарю Лондонського Королівського Товариства, різнобічному вченому (фізику, астроному, геологу та біологу) Роберту Гуку. У своїй відомій монографії («Мікрографії»), опублікованій у 1665 р. він описав мікроскопічну будову різних предметів. Уже в червні 1671 р. з'явилися роботи італійця Марчелло Мальпігі та англійця Неємія Грю, які незалежно один від одного надали перший систематичний опис мікроструктури органів рослин, що поклали початок анатомії рослин. Окрім того, Грю увів термін «тканина». Вони прийшли до висновку про загальність клітинної будови рослинної тканини.

Мікроскопічне вивчення органів тварин було відсутнє. На це були причини. По-перше, розміри тваринних клітин значно менші, ніж рослинних; по-друге, межі між клітинами не так різко виражені. Вперше ізольовані тваринні клітини побачив Антоні ван Левенгук. Він відкрив мікроскопічний світ тварин інфузорій, описав еритроцити, сперматозоїди (Левенгук проводив свої спостереження протягом більше 50 років, починаючи з 1679 р.).

Пізніше, 1831-1833 рр. шотландський мандрівник і фізик Роберт Броун, який відкрив броунівський рух, виявив ядро в рослинній клітині, дав йому назву нуклеус -- ядро. Честь і заслуга засновника клітинної теорії належить зоологу Т. Шванну, який будучи чудовим дослідником, навів ряд переконливих доказів клітинної будови тварин.

Основні положення клітинної теорії, сформульованої Шванном, наступні:

1) всі тканини рослинних і тваринних організмів складаються з клітин, будова яких гомологічна один одному;

2) всі клітини виникають одним шляхом, а саме, шляхом цитогенезису -- самозародження всередині клітини або з міжклітинної живої речовини; вважав, що клітини утворюються з грудочок протоплазми не тільки всередині старих клітин (за Шлейденом), але й із живої речовини, яка знаходиться між клітинами; клітинний поділ на той час був ще невідомий, але головне в цьому положенні -- всезагальність принципу утворення клітин;

3) кожна клітина живе самостійним життям; Шванн уявляв собі багатоклітинний організм, як сукупність життєдіяльності окремих клітин.

Другий і третій пункти клітинної теорії Шванна в подальшому були уточнені та виправлені наступними дослідниками. Однак саме перше положення: спільність клітинної будови всіх живих організмів -- було основним фундаментом клітинної теорії.

Подальший розвиток клітинна теорія отримала в дослідженнях великого німецького лікаря, основоположника патологічної анатомії Рудольфа Вірхова. Його основна праця -- «Целюлярна патологія, як вчення, засноване на фізіологічній і патологічній гістології», опублікована в 1858 р. У ній він переконливо довів, що нова клітина може виникнути тільки з попередньої клітини шляхом поділу. Коротка послідовність відкриттів у цитології, зроблених після 1855 р., коли були затверджені Вірховим Р. і його школою положення клітинної теорії про походження нових клітин шляхом поділу:

1866 р. -- Вейсман встановив, що зберігання та передачу спадкових ознак здійснює ядро;

1866-1888 рр. -- більш докладно вивчено клітинний мітотичний поділ і описані хромосоми;

1880-1883 рр. -- відкриті пластиди і, зокрема, хлоропласти;

1890 р. -- відкриті мітохондрії,

1898 р. -- відкрито апарат Гольджі;

1887-1890 рр. -- удосконалення світлового мікроскопа, досягнення меж його роздільної здатності, удосконалення техніки приготування препаратів для світлової мікроскопії, уповільнення розвитку цитології;

1930 р. -- винахід електронного мікроскопа і його вдосконалення;

1946 р. -- і по теперішній час -- застосування електронного мікроскопа в біологічних дослідженнях -- епоха вивчення ультраструктури клітини, відкриття генетичного коду.

Основні положення клітинної теорії зберегли своє значення до сьогодні. Але вона суттєво переопрацьована та доповнена, особливо у першій половині ХХ ст., зарубіжними (Дріш Г., Гетвінг О., Шаксель Ю., Берталанді Л.) та вітчизняними вченими (Румянцев А. В., Вермель Є. М., Насонов Д. А. та Заварзін А. А.). В основному було переглянуто механістичне положення клітинної теорії Шванна-Вірхова про багатоклітинний організм як про просту сукупність клітин.

На даному етапі клітинна теорія висуває наступні положення:

1) клітина -- елементарна одиниця живого;

2) клітини різних організмів гомологічні за своєю будовою;

3) розмноження клітини відбувається шляхом поділу вихідної клітини;

4) багатоклітинний організм являє собою складні цілісні клітинні системи, поєднані в тканини та органи, які підпорядковані та пов'язані між собою міжклітинними, гуморальними, нервовими та імунними формами регуляції.

В даний час з'ясовано, що існує дві форми життя: клітинна та не клітинна. Не клітинна форма життя представлена вірусами, які по суті складаються з молекули нуклеїнової кислоти, покритої білковою та ліпідною оболонками. Вони не мають власних ферментів і свою життєдіяльність можуть проявляти лише в інших клітинах. В клітинній формі життя проявляються всі її властивості: саморегуляція, самовідновлення.

Контрольні питання:

1. Що є предметом цитології?

2. Назвіть основні методологічні підходи до вивчення клітини.

3. Охарактеризуйте основні історичні етапи розвитку мікроскопічної техніки.

4. Які положення клітинної теорії Т. Шванна, Р. Вірхова підтверджені положеннями сучасної цитології? Які залишені?

Література: основна -- 1-3, 5; додаткова -- 1-8.

Модуль ІІ. Мембранний принцип клітинної форми життя

2.1 Біомембрани клітини

1. Загальні уявлення про біологічні мембрани.

2. Мембранні ліпіди.

3. Властивості ліпідного бішару мембрани.

4. Мембранні білки.

5. Основні функції мембран.

Основні поняття: біомембрана, фосфоліпіди, холестерол, гліколіпіди, мембранні білки, мембранні контакти.

1. Загальні уявлення про біологічні мембрани

Не дивлячись на наявні відмінності у будові зовнішніх та внутрішніх мембран клітин різноманітних організмів, всі біологічні мембрани влаштовані за єдиним принципом, ефективність якого в забезпеченні життєвих функцій підтримана природним добором на біологічному етапі еволюції життя. Біологічно активні мембрани являють собою надмолекулярний комплекс ліпідів і білків мозаїчного типу: всередині розміщується 2-молекулярний ліпідний шар, в якому мозаїчно розташовані молекули білка. Товщина 2-молекулярного ліпідного шару 5-6 нм, разом з білками та іншими сполуками (вуглеводами) до 10 нм. Співвідношення білків і ліпідів за масою близько 50% з коливаннями в ту чи іншу сторону залежно від типу мембран і типу організму. Враховуючи, що розмір білкових молекул значно більше ліпідних, то кількість останніх в одиниці об'єму в 8-10 разів більше. Білки і ліпіди, знаходячись в надмолекулярному комплексі, взаємно доповнюють одне одного за принципом функціональної інтеграції -- з ускладненням структури системи в ній з'являються нові властивості. В структурній організації мембран ліпіди в основному несуть структурне функціональне навантаження, а білки забезпечують все різноманіття специфічних функцій мембран.

2. Мембранні ліпіди

В клітинній мембрані присутні ліпіди 3 основних типів: фосфоліпіди (найбільш розповсюджений тип), холестерол і гліколіпіди.

Фосфоліпіди -- похідні гліцеролу чи сфінгозину та жирних кислот. Окрім цих сполук до складу фосфоліпідів входить фосфат (залишок фосфорної кислоти) і додаткові гідрофільні радикали, що формують полярну голівку молекули (аміноспирти -- холін, етаноламін; амінокислоти -- серин та інші). Фосфоліпіди чи гліцерофосфати -- похідні гліцеролу (гліцерину) складаються з гліцерину, у якого перша і друга гідроксильні групи заміщені жирними кислотами, а третя -- заміщена фосфатною групою, до якої приєднаний гідрофільний радикал. В результаті утворюється амфіфільна молекула (від грецького -- та, що любить двох) -- гідрофобні подвійні хвости, утворені вуглеводневими кінцями жирних кислот і гідрофільна компактна голівка, до складу якої входить фосфат і певний гідрофільний радикал. Голівка несе електричні заряди (+N; -0; 0; -СОО), але в більшості випадків нейтральні. Лише невелика кількість заряджені. Наприклад фосфатид серину має негативний заряд.

В склад гліцерофосфату входять насичені (стеаринова, пальмітинова та ін.) і не насичені (олеїнова, лінолева) висококарбонові жирні кислоти, число атомів вуглецю в яких варіює від 14 до 24. Насичені жирні кислоти розміщуються паралельно, не насичені -- під кутом до осі молекули. Часто в складі гліцерофосфатів одна молекула жирної кислоти насичена, а інша не насичена. Остання також робить вигин в ділянці подвійного зв'язку, що забезпечує рухомість ліпідного шару.

Фосфоліпіди -- похідні сфінгозину (фосфосфінголіпіди) складаються із сфінгозину -- довгого аміноспирту СН₃-(СН₂)₁₂-СН=СН-СНОН-СНNH₂-СН₂ОН, у якого водень аміногрупи заміщений ліпідами або виcококарбоновою жирною кислотою (церамід), а гідроксил -- фосфатною групою, до якої приєднаний як і у гліцерофосфатидів, певний гідрофільний радикал (холін, серин, етаноламін і т. п.). Вуглеводневий радикал сфінгозину і жирної кислоти утворює 2 гідрофобних хвоста, тому фосфосфінголіпід також амфіфільний.

Гліколіпіди також можуть бути похідними гліцеролу (у прокаріот і рослин) чи сфінгозину (у тварин). Вони також мають гідрофобні вуглеводневі ланцюги (за рахунок двох жирних кислот глікогліцероліпідів чи один з ланцюгів від сфінгозинів, інший від жирної кислоти у глікосфінголіпідів) і полярну гідрофільну голівку. Остання утворена різноманітними вуглеводами приєднаними до останнього гідроксилу гліцерину чи сфінгозину.

Холестерол -- стероїд, що має в складі ЦГПГФ - 4-х-членне кільце, гідроксил і 8-вуглеводневий ланцюг. Молекула амфіфільна: гідроксил надає гідрофільних властивостей, вуглеводневий ланцюг -- гідрофобні. Холестерол присутній в мембранах лише еукаріотичних клітин. Він займає вигини, утворені в ліпідних шарах гідрофобними ланцюгами ненасичених жирних кислот і надає міцність мембрані.

3. Властивості ліпідного бішару мембрани

1. Здатність самовільно латерально асоціювати один з одним з урахуванням їх спорідненості з утворенням моно- і бішарів.

2. Здатність їх замикатись на себе.

3. Здатність різних моно- і бішарів до злиття між собою і роз'єднання.

Другою властивістю мембран є їх пластичність, текучість, так як ліпідний бішар по суті -- рідке утворення, в межах якого ліпідні молекули можуть латерально переміщуватись, і навіть інколи переходити в інший шар. Третьою особливістю ліпідних бішарів є їх асиметричність. Не однакові зовнішній та внутрішній шари за:

1. Складом фосфоліпідів.

2. Наявністю гліколіпідів (лише в зовнішньому шарі).

3. Зарядом (негативно заряджений внутрішній шар).

Лінійний розмір фосфоліпідів складає 3 нм, але з урахуванням складчастості гідрофобних кінців, особливо ненасичених кислот, їх розмір зменшується до 2,5 нм. Тому товщина бішара мембрани дорівнює 5-6 нм.

4. Мембранні білки

Мембранні білки різноманітні за структурою і функцією: структурні, транспортні, ферментативні, білки міжклітинної взаємодії, рецепторні. За характером взаємодії з мембраною їх поділяють на 2 категорії: периферичні та інтегральні. Периферичні контактують з гідрофільними голівками фосфоліпідів з обох сторін. Інтегральні білки проникають всередину ліпідного шару за рахунок гідрофобних ділянок поліпептидних ланцюгів. Більша частина цих білків наскрізь пронизує ліпідний бішар -- це трансмембранні білки.

5. Основні функції мембран

Вивчення функцій мембрани почнемо з плазматичної мембрани.

Плазматична мембрана, чи плазмолема (від грец. lemma -- пластинка) обов'язковий компонент будь-якої клітини, обмежує клітину від зовнішнього середовища.

Вуглеводні ланцюги плазматичної мембрани утворюють глікокалікс -- клітинну оболонку (стінку) -- єдине надмембранне утворення тваринної клітини. Клітини прокаріот, грибів і рослин, мають більш щільні позаклітинні утворення -- клітинні стінки (оболонки), що складаються з полівуглеводів (хітин, целюлоза).

Основні функції плазматичної мембрани співпадають з функціями всіх останніх мембран, але кожна з них має свою специфіку.

Плазматична мембрана, як і інші біологічні мембрани, має механічну, структурну і захисну функції, відокремлюючи клітину від зовнішнього середовища. Внутрішні мембрани забезпечують компартменталізацію клітини на окремі функціональні зони, на яких розміщуються ферменти біосинтетичних процесів.

Через плазматичну мембрану здійснюється транспорт речовин із клітини в клітину.

Рецепторна функція плазматичної мембрани -- це одна з найважливіших функцій клітини. По всій плазмолемі розміщуються багаточисельні мембранні білки-рецептори. В утворенні рецепторного комплексу беруть участь вуглеводні компоненти мембранних глікопептидів і гліколіпідів. Функції рецепторів здійснюються в ліганд-зв'язуючих реакціях. Як уже відмічалось, рецептори беруть участь в специфічних ліганд-зв'язуючих реакціях. Це означає, що рецептор зв'язується з одним чи групою споріднених лігандів:

1) Частина рецепторних білків бере участь у полегшеному та активному транспорті речовин через плазматичну мембрану.

2) Через іншу частину мембранних рецепторів здійснюється регуляція обміну речовин в клітині.

3) Її подразливість.

4) Рухові реакції та ін.

Міжклітинні контакти. Одна з функцій плазматичної мембрани -- участь в утворенні міжклітинних контактів. За їх допомогою утворюються клітинні ансамблі в тканинах, формоутворюючі процеси під час росту і розвитку багатоклітинних організмів.

Деталі структури міжклітинних контактів вивчені за допомогою електронного мікроскопа на зрізах, а також методом замороження та зкалювання (об'ємне представлення). Міжклітинні контакти поділяють на три функціональні категорії:

1. Адгезивні контакти, (від англ. adheasens -- прилипання), які механічно скріпляють клітини: простий контакт, зубчатий контакт (замок), опоясуюча (стрічкова) десмосома, власне клітинна десмосома, напівдесмосома.

2. Замикаючі контакти, які не лише механічно зв'язують клітини, а й унеможливлюють проходження між ними молекул: щільний контакт, сегрований контакт.

3. Провідні контакти, які пропускають малі молекули з однієї клітини в іншу: хімічний синапс, щілинний контакт.

Контрольні питання:

1. На чому засновані властивості біомембран: текучість, рухливість, здатність до самозамикання?

2. Визначити джерела енергії транспорту речовин через мембрану: проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт.

3. Який принцип будови білків визначає їх властивості?

4. Вказати структурну різницю цитоплазматичної мембрани від інших клітинних мембран.

5. Яка електронно-мікроскопічна картина сприяла помилковому уявленню про будову біомембран по типу подвійного «сендвічу» і які нові методичні засоби дозволили висунути правильну «мозаїчну теорію»?

Література: основна -- 1-5; додаткова -- 1-9, 11, 14, 15.

2.2 Цитоплазма. Органели цитоплазми. Вакуолярна система

1. Гіалоплазма. Цитозоль. Цитоплазматичний матрикс.

2. Вакуолярна система.

3. Походження і рециркуляція мембран.

Основні поняття: гіалоплазма, вакуом, ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі, лізосоми, пероксисоми.

1. Гіалоплазма. Цитозоль. Цитоплазматичний матрикс

Гіалоплазма -- це найменш структурована частина цитоплазми порівняно з її структурними елементами -- органоїдами. За ознакою дисперсності гіалоплазма являє собою колоїдний розчин, що знаходиться залежно від функціональної активності цитоплазми в динамічній рівновазі фаз золя і геля. Ця ознака визначає походження синонімів цитоплазми: цитозоль -- рідка фаза колоїду; матрикс -- структурна його фаза -- гель. За об'ємом гіалоплазма займає в середньому 55% загального об'єму клітини; 20% її складають білки. Великий вміст білків визначає структурованість гіалоплазми. Електронно-мікроскопічні дослідження з високою роздільною здатністю показали, що вона складається з 2-х фаз: полімерної -- мікротрабекулярної сітки і рідкої фази, що займає проміжки між трабекулами.

Гіалоплазма є середовищем, що поєднує всі структурні компоненти клітини. В ній відбувається більшість реакцій проміжного обміну.

2. Вакуолярна система

Вакуолярна система клітини (ВСК) або вакуом.

ВСК -- називають систему одномембранних структур цитоплазми, пов'язаних між собою загальністю структури та функції. Основну частину ВСК складає ендоплазматичний ретикулум або сітка (ЕР), що в середньому складає більше половини загальної кількості клітинних мембран.

В цитоплазмі ЕР утворює численні складки, вигини, сплощені та округлі мішечки, різного діаметру трубочки. Але вважають, що ЕР утворює одну безперервну поверхню, що обмежує єдиний замкнутий простір -- порожнину ЕР або цистернальний простір.

Розрізняють зони шершавого (гранулярного) -- ГрЕР, що мають рибосоми та гладкого ЕР (ГлЕР). Вони відрізняються не лише наявністю рибосом, а й за формою. ГрЕР головним чином являє собою стопки потовщених мішечків, що звуться цистернами, а гладкий головним чином складається з сітки тонких трубочок.

На мембранах ГрЕР зі сторони цитозолю розміщуються рибосоми. Синтезовані білки в цистернах ГрЕР підлягають процесингу (модифікації): від'єднується гідрофобний кінець, залежно від природи білка до нього приєднується вуглеводний компонент та інші залишки. Далі секретовані білки транспортуються в ГлЕР, входячи в склад везикул, що від'єднуються від її мембрани, потім надходять в апарат Гольджі, а через нього також в складі везикул шляхом екзоцитозу за межі клітини. Білки-ферменти можуть також потрапляти до складу лізосом.

Більша частина білків, що використовуються клітиною для пластичного та енергетичного обміну (ферменти), синтезуються на вільних рибосомах розміщених в гіалоплазмі.

Друга важлива функція ГрЕР -- синтез біомембрани. Тут синтезуються фосфоліпіди, гліколіпіди, холестерол, що являють собою ліпідний компонент бішарів.

ГлЕР є похідним ГрЕР і топографічно з ним пов'язаний. Від ГрЕР він відрізняється не лише будовою, формою, а й функцією. На мембранах ГлЕР розміщуються ферменти, що відповідають за обмін немембранних ліпідів, полісахаридів, синтез стероїдів з широким спектром біологічної активності (гормони, гормоноїди). З ГлЕР пов'язане відкладання та розпад капель жиру, зерен глікогену, депонування неорганічних сполук, солей.

Апарат Годьджі (АГ) або пластинчатий комплекс розміщений поряд з ядром. Його структурна одиниця -- диктіосома -- стопка мембранних сплощених цистерн тісно прилягаючих одна до одної на відстані 20-25 нм, цей вузький проміжок заповнений гіалоплазмою. Окрема цистерна в центрі має мінімальну товщину (25 нм) до периферії вона розширюється і може утворювати розширення у вигляді бульбашок вакуолей, ампул. В одній стопці диктіосоми може бути 6-10 цистерн. У нижчих тварин їх може бути більше. Діаметр диктіосоми дорівнює 1 мкм. Стопки цистерн мають односторонньо випуклу форму. Число диктіосом в клітині варіює залежно від типу клітини: від 1 до кількох сотень. Окрім того вони можуть бути тісно пов'язані між собою мембранними трубочками (сітчаста форма АГ) або розміщуватись вільно (дифузна форма АГ).

АГ структурно та біохімічно поляризований. Розрізняють проксимальну ввігнуту частину і обернену до ядра та ГрЕР, і дистальну випуклу частину, спрямовану в сторону цитоплазматичної мембрани. Проксимальна частина тісно пов'язана з гладкою проміжною частиною ГрЕР. З цієї сторони розміщуються численні маленькі бульбашки, за допомогою яких секретовані речовини надходять з ГрЕР та інших ділянок клітини в АГ. Зі сторони цитоплазматичної мембрани є великі бульбашки через які речовини, які пройшли АГ, залишають його. Мембрани однієї цистерни також поляризовані: товщиною (дистальна товще), асиметричні складу білків, ліпідів. Функції АГ різноманітні. Через нього здійснюється потік усіх макромолекул синтезованих у клітині.

Виділяють наступні основні функції АГ:

1). Збір, накопичення, тимчасове зберігання речовин.

2). Ковалентна та не ковалентна модифікація.

3). Сегрегація речовин та мембран.

4). Виведення за межі клітини чи перерозподіл речовин в інші зони цитоплазми.

5). Синтез нових речовин.

6). Формування лізосом.

Лізосоми. Морфологічно розрізняють 2 класи лізосом: первинні та вторинні. Дана класифікація також відображає цикл розвитку лізосоми. Первинні лізосоми -- знов утворені органели, до зустрічі з субстратом. Вторинні лізосоми -- поліморфні мембранні утворення в результаті злиття первинної лізосоми та субстрату (ендосоми, внутрішньоклітинних структур).

Первинні лізосоми мають однотипну будову бульбашок, діаметром близько 0,5 мкм, покритих одношаровою мембраною, всередині якої містяться гідролітичні ферменти. Відомо близько 40 лізосомних ферментів, що розщеплюють органічні макромолекули (полімери) до органічних мікромолекул. Отже, лізосоми -- органоїд контрольованого внутрішньоклітинного травлення. Секретуються гідролази на мембранах ГрЕР, транспортуються в АГ, а потім в лізосоми, максимальну свою активність гідролази проявляють при рН 4,7 (рН цитозоля 7,0).

Пероксисоми -- філогенетично давні, але до сьогодні недостатньо вивчені органели. Пероксисоми відносять до мікротілець -- одномембранних структур сферичної форми, часто з нерівними краями. Їх розміри коливаються в широких межах від 0,15-0,25-0,5 мкм до 10 мкм, заповнені компактною речовиною, яка іноді ущільнюється з кристалізацією. Виявлені, як і лізосоми, майже в усіх еукаріотичних клітинах. Їх кількість в клітині прямо пропорційна її функціональному навантаженню. Їх багато в клітинах печінки, нирок.

Свою назву пероксисоми отримали тому, що в них міститься перекис водню Н₂О₂ як проміжний продукт окислювального метаболізму.

В пероксисомах відбуваються окислювальні реакції з використанням кисню, багатьох органічних мікромолекулярних сполук.

3. Походження і рециркуляція мембран

Поряд з однонаправленим потоком речовин, упакованих в одномембранні везикули, існує зворотний потік пустотілих сплощених везикул, що повертають мембрани попереднім структурам. Звісно, частина цих контейнерів в ході потоку речовин руйнується, наприклад в лізосомах. Ця невелика втрата мембран поновлюється новим синтезом в ЕР. В ході зворотного та прямого потоку мембран відбувається їх сортування, комплектування, так, що кожна цитоплазматична структура має свій специфічний набір мембран.

Контрольні питання:

1. Яка цитологічна картина гіалоплазми в стані золю та гелю відповідно?

2. Які речовини синтезуються в гіалоплазмі?

3. Вказати загальні ознаки та відмінності в будові апарату Гольджі клітин рослин та тварин.

4. Визначте біологічне значення ауто- та гетерофагії, здійснюваних у лізосомах.

5. Як зрозуміти гіпотезу: пероксисоми -- органоїди докисневої атмосфери Землі?

6. Де утворюються мембрани і який їх потік в клітині?

Література: основна -- 1-5; додаткова -- 1-10.

2.3 Органели цитоплазми. Мітохондрії

1. Мітохондрії. Загальна морфологія мітохондрій.

2. Функція мітохондрій.

3. Біогенез мітохондрій.

Основні поняття: мітохондрії, гідроліз, гліколіз, цикл Кребса.

1. Мітохондрії. Загальна морфологія мітохондрій

Мітохондрії -- органели, які містяться в клітинах усіх еукаріотів. Їх обов'язкова присутність в клітинах еукаріотів пов'язана з тим, що вони найбільш ефективно перетворюють енергію активованих електронів ковалентних зв'язків органічних сполук в енергію фосфатних зв'язків. АТФ -- єдина доступна форма для синтезу органічних сполук клітиною. Без мітохондрій гетеротрофні еукарiотичнi клітини отримували б всю свою АТФ за рахунок анаеробного гліколізу -- дуже не економічного процесу.

За останні 20 років в результаті ретельних досліджень було показано, що процеси перетворення енергії в біологічно корисні форми (АТФ) подібні у мітохондріях, хлоропластах, а також у клітинах прокаріотів. Вони відрізняються лише джерелами цієї енергії; мітохондрії використовують енергію органічних сполук; хлоропласти -- енергію сонця; прокаріоти більш різноманітні за джерелами енергії: енергію органічних зв'язків сполук (сапрофіти, паразити), екзотермічні реакції (хемосинтетики), енергію сонця (фотосинтетики).

Загальна морфологія мітохондрій. Різноманітність морфології мітохондрій відображено в їх назві: мітос -- нитка, хондрос -- зерно (грец.). Середній розмір 0,5-1 мкм. Але вони можуть досягати в довжину кілька одиниць, і навіть десятків мкм, набуваючи розгалуженої форми.

В ультраструктурі мітохондрії розрізняють 4 структури, що мають самостійне функціональне значення: зовнішня мембрана; внутрішня мембрана; міжмембранний простір; матрикс -- внутрішній вміст мітохондрії.

Зовнішня мембрана містить багато повторюваних трансмембранних білків, що утворюють широкі гідрофільні канали в біліпідному шарі. Отже, зовнішня мембрана добре проникна для більшості органічних і неорганічних мікромолекул і навіть невеликих білків. Тому біохімічний склад міжмембранного простору близький до складу цитозолю. До складу зовнішньої мембрани входять ферменти, що перетворюють ліпіди, жирні кислоти в проміжні продукти (піруват), що використовуються в метаболічних процесах вже в матриксі. Зовнішня мембрана замкнута, не пов'язана з іншими мембранами клітини (ЕС).

Між зовнішньою і внутрішньою мембраною розташовується міжмембранний простір шириною 10-20 нм. Його склад наближається до складу цитозолю через хорошу пропускну здатність зовнішньої мембрани.

Основна робоча частина мітохондрії -- це матрикс і внутрішня мембрана.

Першою особливістю внутрішньої мембрани є те, що вона утворює всередині матриксу численні втиснення -- кристи.

Другою особливістю внутрішньої мембрани мітохондрій є наявність більш як 10% з усіх ліпідів специфічного фосфоліпіда -- кардіоліпіда. Припускають, що він сприяє слабкій проникності внутрішньої мембрани для більшості молекул, які вільно проходять через зовнішню мембрану.

Третя, і одна з основних особливостей внутрішньої мембрани -- її якісний і кількісний білковий склад. Внутрішня мембрана мітохондрій відрізняється надзвичайно високим вмістом білка -- у ваговому відношенні в ній приблизно 70% білка і 30% ліпідів. До складу мембрани входять білки 3-х типів: 1) специфічні транспортні білки, що вибірково регулюють перенесення метаболітів в матрикс і з нього; 2) білки, що каталізують окислювальні реакції дихального ланцюга; 3) ферментний комплекс, названий АТФ-синтетазою, який синтезує в матриксі АТФ.

Матрикс має мілко зернисту гомогенну будову, містить суміш різних ферментів. Частина з них перетворює піруват і жирні кислоти в ацетил-СоА. Інша частина становить цикл лимонної кислоти, окислюється ацетил-СоА до С0₂ та Н₂О. Крім того, в матриксі розташовується білок-синтетична система, що складається з декількох ідентичних копій ДНК, рибосом 70S типу і набору ферментів, що беруть участь в експресії мітохондріального генома.

2. Функція мітохондрій

Мітохондрії є органелами, в яких відбувається завершальний, найбільш енергоємний, кисневий етап енергетичного обміну. Сонячна енергія в поживних речовинах укладена в основному в парах електронів ковалентних зв'язків типу -- С-Н; С-С. В ході енергетичного обміну вона вивільняється в три етапи:

1 етап. Гідроліз наявних в їжі складних органічних сполук (полімерів), до простих субодиниць (мономерів), в результаті позаклітинного (порожнинного) і внутрішньоклітинного (лізосомального) травлення. Виділяється невелика кількість енергії, що перетворюється на теплову і розсіюється. Гідроліз супроводжується витратою енергії АТФ.

2 етап. Гліколіз або безкисневий процес -- розщеплення простих цукрів за типом гексоз (наприклад, глюкози). При гліколізі відбувається окислювальне фосфорилювання, поділене на 9 ферментативних реакцій, в результаті якого утворюється 2 молекули, ще багаті енергією пірувату, 2 АТФ і 2 відновленого НАДН.

НАД (нікотинамід динуклеотид) -- акцептор іонів водню. У окисленій формі НАД позитивно заряджений. Відновлюючись, він приєднує гідрид-іон (іон водню з двома електронами Н^-), який утворюється при окисленні субстрату: R-H₂+HAD=HADH+H⁺+R.

Для більшості клітин тварин гліколіз служить прелюдією до третього етапу, тому що утворюється піруват СН₃-СО-СООН (піровиноградна кислота), що прямо надходить в мітохондрії. У разі анаеробних організмів (наприклад, дріжджі або тканин -- скелетні м'язи), здатних працювати в анаеробних умовах, гліколіз допоможе стати основним джерелом клітинного АТФ. У цих умовах молекули пірувату залишаються в цитозолі, і в залежності від виду організмів, можуть перетворюватися або в етанол + С0₂, або в лактат -СН₃-СНОН-СООН (у м'язах), які потім виводяться з клітин як метаболіти.

3 етап. Мітохондріальний кисневий етап енергетичного обміну.

Складний багатостадійний процес, в ході якого відбувається повне окислення пірувату до бідних енергією С0₂ і Н₂0 з вивільненням великої кількості енергії, більше 50% якої акумулюється в енергію фосфатних зв'язків -- 36 АТФ. Цей етап протікає в три стадії:

1 стадія -- мобілізація ацетил-СоА. Його джерелом служить піруват, що утворюється в ході гліколізу, окислення жирних кислот і амінокислот. Ці реакції відбуваються в матриксі мітохондрій за участю ферментів, СоА і окисленої форми НАД. СоА -- сполука з високою каталітичною активністю -- похідне аденілового нуклеотиду, що має в кінці вуглеводневого ланцюга сульфогрупу -SН.

В результаті цієї реакції утворюється активний ацетил-СоА, що містить високоенергетичний тіоефірний зв'язок, гідроліз якого забезпечує початкову реакцію другої стадії. За способом запасу енергії ацетил-СоА схожий з АТФ.

2 стадія -- цикл трикарбонових кислот або цикл лимонної кислоти (цикл Кребса). Головна функція циклу лимонної кислоти -- окислення ацетогрупи (залишку оцтової кислоти). Реакції відбуваються за участю ферментів, розташованих у матриксі мітохондрій. Процес носить циклічний характер, оскільки ацетогрупа окислюється не відразу, а лише після того, як вона ковалентно приєднується до більшої молекули -- щавлево-оцтової кислоти (оксалатацетату), яка регенерується після кожного обороту циклу. Цикл починається з взаємодії між ацетил-СоА і чотирьохвуглеводною сполукою оксалатацетатом, в результаті чого утворюється шестивуглеводна трикарбонова лимонна кислота. Потім, під час семи послідовних ферментативних реакцій, два вуглецевих атома відділяються у вигляді С0₂, утворюючи знову таки оксалат-ацетат -- вихідний продукт нового циклу. Оскільки два нових атома вуглецю, приєднуються в кожному циклі, входять не в ту частину молекули цитрату, яка окислюється в даному циклі до С0₂, повинно пройти два цикли перед тим, як підійде їхня черга окислитися. Утворені молекули С0₂ дифундують з мітохондрії і залишають клітину. Енергія зв'язків С-Н та С-С цитрату споживається двома способами: 1) менша частина енергії йде на утворення однієї молекули GTF (еквівалент АТФ); 2) велика частина енергії витрачається на переклад молекул -- переносників водню з окисленої у відновлену форму. У кожному обороті циклу три молекули НАД ⁺ перетворюються на 3 молекули НАДН, а одна молекула ФАД (флавінаденіндинуклеотид) -- в ФАДН₂. В останньому переносники електрони водню знаходяться на енергетичному рівні меншому, ніж у НАДН, тому він рідше використовується в мітохондрії. Додаткові атоми кисню, необхідні для утворення С0₂ включаються в цикл лимонної кислоти ацетильної групи, поставляється не молекулярним киснем, а 3-ма молекулами води (схожість з хлоропластами).

...