Загальна цитологія

3-я стадія -- перенесення активних електронів у ланцюзі дихальних ферментів і окисне фосфорилювання. Всі процеси цього етапу йдуть за участю ферментів, розташованих на внутрішній мітохондріальній мембрані. При цьому багаті енергією відновлені НАДН і ФАДН₂ передають свої активні електрони водню через ланцюг дихальних ферментів до молекулярного кисню, а звільняється енергія використовується на синтез АТФ, транспорт в мітохондрії і з неї речовин, інша енергія виділяється у вигляді тепла. Атоми водню розщеплюються на електрони і протони. Активні електрони надходять в дихальний ланцюг, а протони -- в навколишнє водне середовище матриксу. Протони і електрони водню об'єднуються, коли електрони досягають кінця дихального ланцюга і з'єднуваться з киснем з утворенням Н₂0.

Шлях електронів в цьому ланцюгу можна подати так: НАДН (або ФАДН₂) -- НАДН -- дегідрогеназний комплекс -- убіхінон -- комплекс в-с1-- цитохром з -- цитохромоксидазний комплекс -- О₂.

На початку транспорту відбувається розщеплення атомів водню НАДН (ФАДН₂) на електрони і протони. Утворюються окислені НАД⁺ і ФАД. Електрони поступають на перший переносник -- НАДН -- дегідрогеназний комплекс, а протони надходять в матрикс. Далі електрони передаються на убіхінон і т. д. до молекулярного кисню.

Рушійною силою дихального ланцюга є різниця окисно-відновних потенціалів, її компонентів, що виражається в ступені спорідненості до електронів. На початку ланцюга розташовуються компоненти з негативним значенням о-в потенціалів -- у НАДН -- дегідрогеназного комплексу, він дорівнює -320 мВ. Отже, цей компонент більше схильний віддавати електрони, ніж приймати. В кінці ланцюга кисень має о-в потенціал 820 мВ, що говорить про сильну тенденцією до прийняття електронів.

При проходженні високоенергетичних електронів, що доставляються НАДН та ФАДН₂ за електронно-транспортним ланцюгом внутрішньої мітохондріальної мембрани вивільняється енергія, яка використовується для переміщення протонів із матриксу в міжмембранний простір і далі за межі мітохондрії. В результаті між двома сторонами внутрішньої мембрани створюється електрохімічний протонний градієнт. Він складається з двох компонентів хімічного градієнта і електричного.

Хімічний градієнт утворений в результаті різниці рН. Вихід протонів із матриксу знижує концентрацію іонів водню до рН 8,0, тоді як в міжмембранному просторі рН 7 як в цитоплазмі в результаті гарної проникності зовнішньої мембрани.

Електричний градієнт обумовлений різницею потенціалів (мембранним потенціалом) між зовнішньою і внутрішньою мембраною: внутрішня мембрана заряджена негативно, зовнішня позитивно, як результат виходу назовні позитивно заряджених іонів.

Електрохімічний градієнт служить джерелом протоннорухової сили або ЕРС. ЕРС сприяє прагненню протонів і інших позитивно заряджених частин проникнути всередину матриксу, а з матриксу вийти іонам ОН- та іншим негативним іонам. Ця обставина посилює вплив градієнта рН на рух іонів Н⁺ і ОН^-.

На внутрішній мембрані розташовується фермент, що каталізує синтез АТФ. Він називається АТФ-синтетазою, яка представляє собою великий трансмембранний білковий комплекс. Через нього протони з міжмембранного простору проникають всередину матриксу з електрохімічного градієнту. АТФ-синтетаза використовує енергію струму протонів для синтезу АТФ із АДФ та неорганічного фосфату.

За рахунок енергії електрохімічного протонного градієнта на внутрішній мембрані мітохондрії синтезується не тільки АТФ, але й відбувається транспорт метаболітів між матриксом мітохондрії і цитозолем.

3. Біогенез мітохондрій

Мітохондрії в клітині утворюються шляхом поділу навпіл, як клітини прокаріот. У мембрані утворюється кільцева борозенка. Вона, заглиблюючись, утворює дві мітохондрії. Вони збільшують свою масу, можуть галузитись.

Процес розмноження і росту мітохондрій забезпечується повноцінною генетичною системою, що складається з кільцевих молекул ДНК (5-10 шт.) одного типу (аутополіплоїди), 70 S рибосом, тРНК. Однак у геномі мітохондрії закодовано невелике число власних білків, тоді як більшість з них закодовано в ядрі і синтезується в цитоплазмі. Гени ДНК мітохондрій успадковуються не за законами Менделя. Вони успадковуються з цитоплазмою клітини, а не з її ядром. У організмів при статевому розмноженні мутації генів мітохондрій передаються по материнській лінії, тобто з яйцеклітиною, тому що сперматозоїди вносять в зиготу в основному своє ядро. Розшифровано геном мітохондрії людини. Він має 13 локусів, які кодують білки; 22 локуси -- тРНК і по одному локусу для 16S рРНК і 23 S рРНК.

Оскільки лише незначна частина білків мітохондрій кодується в її хромосомі, природно виникає питання про біологічну доцільність геному мітохондрій як ендосімбіонта.

Контрольні питання:

1. Які структурні особливості зовнішньої та внутрішньої мембран мітохондрій визначають гарну проникливість через першу і дуже вибіркову через другу?

2. Чим відрізняється склад цитоплазматичного матриксу від мітохондріального матриксу? Чому?

3. Чим визначається потік активних електронів в дихальному ланцюзі?

4. Яке джерело енергії окислювального фосфорилування?

5. Складові компоненти електрохімічного градієнту та їх енергетичні величини.

6. Які структурні особливості мітохондрій вказують на їх ендосимбіотичне походження?

Література: основна -- 1-5; додаткова -- 1-11.

Модуль ІІІ. Генетичні аспекти клітинної форми життя

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

1. Будова та функції ядра.

2. Особливості будови генома еукаріот.

Основні поняття: клітинне ядро, хромосоми, хроматин, геном, каріотип.

Генетичний апарат клітин про- та еукаріот визначає всю їх специфіку, тому є кардинальною проблемою біології. В зв'язку з тим, що в курсі цитології вивчається в основному еукаріотичні клітини, їх ядерний апарат буде предметом аналізу даної лекції, а генетичний апарат прокаріотичних клітин буде розглянутий в порівняльному еволюційному аспекті.

1. Будова та функції ядра

Клітинне ядро, як обмежена частина клітини, відокремлене ядерною оболонкою від цитоплазми і містить в собі генетичний апарат, наявний у всіх організмів надцарства еукаріот. Сама їх назва вказує на те, що вони -- власне ядерні організми (від грец. еу -- справжній, каріон -- ядро).

Ядро як обов'язкова клітинна структура у тварин і рослин відома в цитології з періоду становлення клітинної теорії.

Зараз доведено, що основними функціями ядра еукаріотичних клітин є збереження, передача і відтворення генетичної інформації про білкову організацію клітин і організмів в цілому. Зберігається спадкова інформація про структуру білків триплетним кодом, реалізується вона у вигляді потоку інформації ДНК -- РНК -- білок, так званий центральний постулат молекулярної біології. Із ядра в цитоплазму надходять інструктивні молекули РНК (р, т, і), що забезпечують біосинтез білка. В свою чергу із цитоплазми в ядро надходять хромосомні білки, низькомолекулярні сполуки, іони, що забезпечують функціонування ядра. Цей взаємообмін називається ядерно-цитоплазматичним відношенням.

Ядро клітин всіх еукаріот має подібну будову. По-перше, клітинне ядро відокремлене від цитоплазми ядерною оболонкою, що складається з подвійної білково-ліпідної мембрани (зовнішньої та внутрішньої), ядерних порових комплексів, які пронизують ядерну оболонку у місцях сполучення внутрішньої та зовнішньої мембран ядра, щільного фіброзного шару чи «ляміни», що вистилає ядерну оболонку зі сторони ядра. Між зовнішньою і внутрішньою мембраною розміщується перинуклеарний простір. По-друге, основним внутрішнім компонентом ядра є хроматин, тобто хромосоми в мозаїчно-деконденсованому стані. Третім компонентом внутрішньої структури є ядерце, одне чи кілька на ядро, четвертий компонент -- ядерний матрикс або ядерний остов -- скелетна структура ядра. П'ятий компонент -- ядерний сік, що являє собою рідку частину ядра, містить структурні білки, ферменти, нуклеотиди, неорганічні іони та низькомолекулярні метаболіти. Шостий компонент -- продукти метаболічної, транскрипційної активності ядра: перихроматинові гранули і фібрили, інтерхроматинові гранули і білки.

В світловому мікроскопі в інтерфазному ядрі можна розрізнити ядерця і глибки хроматину. Всі останні компоненти ядра виявляють за допомогою електронного мікроскопу. клітина генетичний мітоз мейоз

Хромосоми еукаріот -- структурний елемент ядра, на молекулярному рівні являє собою також молекулу ДНК лише гігантського розміру в розгорнутому вигляді, виміряється уже в сантиметрах. Кількість ДНК у еукаріот на 4-6 порядків перевищує його вміст у прокаріот. При цьому міститься, як правило, декілька не гомологічних хромосом, специфічних для кожного виду. Вважають, що збільшення молекул ДНК у еукаріот виникало шляхом дуплікації генома прокаріот. Молекули ДНК еукаріот сполучені з білками, утворюючи ДНК-комплекс, який на клітинному рівні в інтерфазному ядрі називається хроматином, через здатність добре зв'язувати барвники.

В інтерфазному ядрі хромосоми представлені у вигляді конденсованих і деконденсованих ділянок. Ці ділянки називаються відповідно конденсований і дифузний хроматин.

В електронному мікроскопі дифузний хроматин має вигляд тонких ниток ДНК діаметром 10-20-З0 нм. На деконденсованих ділянках хромосом, тобто дифузному хроматині періодично відповідно до потреб клітини, відбувається транскрипція генів, утворення різних видів РНК, що приймають участь в синтезі білка. Отже, деконденсація -- умова активності генів. Частка деконденсованих ділянок хромосом, деконденсованого хроматину, тобто активних генів, в інтерфазі становить близько 1-10% від загальної кількості ДНК в клітині.

Конденсовані ділянки хромосом або конденсований хроматин у мікроскопі має вигляд зерен, глибок різного розміру. Це генетично інертні, неактивні, не транскрибовані ділянки хромосом, які складають 90-99% всієї ДНК клітини. Варто зазначити, що в клітинах різних тканин і органів вони деконденсовані, а значить активні різні гени. В цьому одна з причин диференціювання клітин в багатоклітинному організмі.

Хімічний склад хроматина -- структурної речовини хромосом

Хроматин являє собою складні комплекси ДНК з невеликою кількістю РНК. В кількісному співвідношенні ДНК, білки, РНК знаходяться як 1:1,3:0,2.

2. Особливості будови генома еукаріот

ДНК хромосом (хроматину). Кожна хромосома еукаріот являє собою гігантську молекулу ДНК розміром в межах від частини до одиниць сантиметра в деконденсованому стані. В складі хроматину на долю ДНК приходиться 30-40%. Але загальна кількість у різних видів еукаріот сильно варіює. При аналізі кількості ДНК у всіх живих організмів відмічається тенденція до збільшення вмісту ДНК в процесі прогресивної еволюції, наприклад від прокаріот до еукаріот. Ця тенденція зберігається у еукаріот, але зі значними відхиленнями. Так, у грибів і безхребетних кількість ДНК в ядрі менше 1пг або дещо більше 1пг. Тоді як у рослин, амфібій вона може сягати десятків і навіть сотень пг. Але в межах вищих таксономічних одиниць (типи, класи) цей показник більш стабільний. Наприклад у ссавців в диплоїдних ядрах кількість ДНК знаходиться в межах 7 пг незалежно від складності організму (кішка -- 7, людина -- 7,3). Важко встановити кореляцію між ступенем складності організмів, що належать до різних типів (відділів) царств і кількістю ДНК в ядрах клітин. Так у людини, тритона і цибулі кількість ДНК в пікограмах в диплоїдному ядрі клітин дорівнює 7, 73, 34, відповідно. Хоча конституція людини незрівнянно складніше, ніж у амфібій і рослин, в її клітині кількість ДНК також надлишкова, тобто перевищує число необхідних генів. Враховуючи кількість відомих структурних білків і ферментів, мутацій і гібридизацію зрілої РНК з ДНК. Число генів еукаріот складає від 10 до 200,000 за даними різних авторів. За сучасними даними у людини число унікальних генів складає близько 50 тисяч. Розрахунки показують, що наведене число генів складає лише кілька відсотків (1-10%) від того числа генів, які могла б кодувати ДНК, що міститься в ядрах еукаріот. Таким чином надлишковість ДНК є характерною рисою еукаріот.

Ця надлишковість стає зрозумілою при знайомстві з особливістю генетичних властивостей ДНК еукаріот. За ступенем унікальності нуклеотидного складу і їх генетичним властивостям ДНК еукаріот поділяється на три функції: 1 -- унікальні гени; 2 -- повторювані гени; 3 -- некодуючі нуклеотидні повтори.

Унікальні гени представлені в геномі однією чи кількома копіями, їх частка найбільша у вищих еукаріот -- 40-75%. Вони кодують все різноманіття структурних і регуляторних білків, ферментів, що складає особливості фенотипу даного виду.

Фракцію повторюваних генів чи мультигенні родини генів також називають помірно повторюваними нуклеотидними послідовностями. Вони можуть бути продубльовані в геномі від десятків до сотень, тисяч разів (10²-10⁵ разів), і складають 10-30% хромосомної ДНК. В основному ця фракція являє собою структурні гени, первинний продукт яких необхідний клітині у великій кількості, тому така відносно велика їх повторюваність. Сюди відносяться гени рРНК, тРНК, гени, що кодують білки-гістони.

Фракція некодуючих нуклеотидних повторів гетерогенна по числу повторів і їх розміру, тобто числу нуклеотидних пар (н.п.). Цю фракцію умовно можна поділити на дві фракції: 1 фракція яких -- високоповторювані нуклеотидні послідовності (повтори) більше 10 разів; 2 фракція -- помірно повторювані повтори від 10 до 100 разів, різної довжини. Більшість повторів, що входять до цих фракцій не транскрибуються, тобто не містять генів.

Функція високо- і помірно повторюваних ділянок РНК мало вивчена як і гетерохроматина. Деякі з них відомі:

1. Структурна роль в організації хромосом і ядра. При цьому повтори можуть збиратись в блоки чи бути розсіяними по хромосомі.

2. Регулюють активність генів.

3. Відіграють роль спейсерів (розмежувачів) структурних і регуляторних генів.

4. Приймають участь у кон'югації гомологічних хромосом і кросинговері.

5. Можуть відігравати роль мігруючих генетичних елементів (МГЕ), особливо з ділянкою поліндромів. МГЕ включаючись в унікальні гени змінюють їх активність (посилюють чи вимикають).

6. Роль акцепторних регуляторних ділянок для унікальних генів (помірно повторювані послідовності (розсіяні по хромосомі).

Внесок інтронів в регуляцію активності генів і комбінативну мінливість

1. Спосіб регуляції активності генів. Частина інтронів самостійно чи сумісно з екзонами складає проміжні гени, що кодують проміжні білки-ферменти, що контролюють вирізання (екзицію) з самих інтронів при дозріванні про-іРНК і наступне сполучення екзонів (сплайсинг). Цим самим регулюється активність первинних генів. Дані проміжні продукти можуть приймати участь в процесингу інших про-іРНК, а значить регулювати інші гени. Наприклад, інтрон 2 гена цитохрому в мітохондрій дріжджів кодує фермент мутуразу, що каталізує сплайсинг мРНК.

2. Спосіб новоутворення генних продуктів. Під час процесингу, під дією проміжних білків-ферментів перекомбіновуються на екзони і інтрони. Так може відбутися сплайсинг екзонів в послідовності 1-2-3, але може утворитися комбінація 1-3-2. Значить будуть синтезовані різні білки.

3. Одна і та ж ділянка ДНК (ген) може кодувати різні білки шляхом зміщення рамки зчитування при транскрипції, завдяки не перекриванню триплетного коду.

Дане явище може виникати в ході диференціювання клітин багатоклітинного організму. При цьому екзони й інтрони змінюють свою генетичну суть, тобто інтрони стають екзонами і навпаки. В результаті утворюється дві популяції клітин.

1. Деякі інтрони можуть ставати МГЕ, змінювати своє положення і переходити з одного гена в інший, що відображається на функціональній активності обох генів.

2. Інтрони є резервом мутаційної мінливості. Накопичення в ньому мутацій може перетворити його в екзон.

Таким чином уже на далеко не повних даних про біологічне значення надлишковості геному еукаріот можна з впевненістю сказати, що особливість їх геному є прогресивним еволюційним надбанням:

1. Забезпечується тонка регуляція активності генів у різні періоди онтогенезу, що визначає напрямок диференціювання стовбурових клітин.

2. Відбувається швидка перекомбінація вихідних генів, а також новоутворення генів. Тим самим нові білки, а значить і ознаки швидше утворяться, ніж серія послідовних мутацій.

Білки хроматину еукаріот

Білки хроматину представлені основними (лужними) білками, названими гістонами, і негістоновими кислими білками. Основність гістонів пов'язана з амінокислотами лізином і аргініном, яких в цих білках 20-30%. По фізико-хімічним властивостям розрізняють 5 фракцій гістонів (Н₁; Н_2а; Н_2б; Н₃; Н₄). Головна функція гістонів структурна. Завдяки основним властивостям вони сполучаються з ДНК, утворюють ДНП комплекс, впливають на початкові рівні конденсації (упаковки) хроматину в хромосомах: нуклеосомний, нуклеомерний. Окрім того, тісне сполучення гістонів з ДНК унеможливлює процеси реплікації і транскрипції. Таким чином відбувається неспецифічна регуляція розмноження клітин і активності генів.

Функція кислих білків у складі хроматину різноманітна і специфічна. Частина з них виконує структурну функцію, приймаючи участь в багатоетапній упаковці хроматину при конденсації хромосом, особливо на останніх її етапах. Частина з них є ферментами, забезпечуючи реплікацію, репарацію, транскрипцію ДНК, частина кислих білків проводить специфічну регуляцію активності генів: «відкривають» чи «закривають» їх для транскрипції.

Рівні структурної організації хромосом в інтерфазному ядрі та клітинах, що діляться. Хромосоми являють собою гігантські молекули ДНК в комплексі з білками. У вигляді однієї компактної структури, хромосоми можна розгледіти лише під час поділу клітини за рахунок їх конденсації по всій довжині, в результаті чого вони скорочуються і потовщуються. Процес конденсації хромосом дуже складний, багатоетапний. Достовірно встановлено 4 рівня конденсації, а значить і будови хромосом в різні періоди життя клітини. Перші три характерні для інтерфазного ядра, четвертий -- для клітин, що діляться.

Перший рівень конденсації хроматину -- нуклеосомний. Структурна одиниця цього рівня -- нуклеосома діаметром 10 нм. Нуклеосома являє собою гістоновий октамер кулевидної форми, за іншими даними -- у вигляді шайби. Його утворюють по дві молекули гістонів кожної фракції (Н₃, Н_2а, Н_2б, Н₄). Навколо нуклеосоми обгорнута молекула ДНК.

Ділянка ДНК між нуклеосомами називається лінкерною, вона може бути різної довжини. Нуклеосоми з обгорнутою ДНК нагадують намисто. Такі ж фігури спостерігають в електронному мікроскопі, при спеціальній обробці хроматину -- інкубація в розчині з пониженою іонною силою. Міжнуклеосомні (лінкерні) ділянки ДНК асоційовані з Н₁ гістоном, який зближує намистинки в одну нитку діаметром 10 нм (діаметр нуклеосом). Перший рівень конденсації хроматину дає вкорочення ДНК в 7 разів. Нуклеосомна організація хромосом є функціонально активною.

Другий рівень конденсації -- нуклеомерний. Структурна одиниця цього рівня -- нуклеомер. Нуклеосомна нитка, спіралізуючись навколо уявної осі, утворює нитку другого порядку діаметром 20 або 30 нм. Утворена надсубодиниця -- глобула називається нуклеомер. В утворенні цієї структури продовжує відігравати єдину роль гістон Н, але не виключена участь кислих білків і гетерохроматинових ділянок ДНК. Нуклеомерна упаковка дає додаткове вкорочення ДНК ще в 6 разів, а загальне -- понад 40 разів. Також нитка ДНП діаметром 20 і 30 нм спостерігається в неактивному непошкодженому хроматині ядра і хромосом. Тому ці нитки (фібрили) вважають елементарними хромосомними нитками, вони характерні для неактивного хроматину ядра.

Третій рівень конденсації має кілька назв: хромомерний, петлеподібний. Кожен з цих термінів описує одну із ознак упаковки. Структурною одиницею даного рівня є хромомер. Даний рівень конденсації ДНП найменш вивчений і може включати ще кілька проміжних етапів. Нитка ДНП другого порядку утворює петлі, що сходяться в одній точці (зближуються в центрі); і з'єднуються кислими кінцями білків осьової структури (серцевини) хромосоми і до негістонового матриксу інтерфазного ядра. Утворюється петлеподібна розетка, яка ще називається хромомером. Довжина петель неоднакова -- 10-30 мкм (в середньому 3000 н.п.). Кількість петель в розетці також різна 15-20 шт.

Другий етап третього рівня полягає в компактизації петель розетки (хромомера). Вважають, що кожна з петель розетки спіралізується навколо своєї осі, в результаті чого утворюється петлеподібна (спіралізована) розетка (хромомер) діаметром 0,2-0,3 мкм. Третій етап цього рівня полягає в зближенні за допомогою кислих білків хромомер, в результаті чого утворюється нитка діаметром 0,2-0,3 мкм (діаметр хромомера), яка зветься хромонемою (лат. нема -- нитка). Зближення хромомер нерівномірне: є ділянки ущільнення та послаблення. Тому хромонема має вигляд намиста, яке добре видно на ранній профазі (особливо мейозу).

Третій рівень конденсації хроматину за всі періоди дає вкорочення нитки ДНК в 20-30 разів. Загальне вкорочення всіх трьох рівнів конденсації хроматина (нуклеосомний, нуклеомерний, хромомерний) буде становити понад 10³ разів.

Останній, четвертий рівень конденсації хроматину -- хромосоми клітин, що діляться. Він також багато в чому незрозумілий. Вважають, що починаючи з профази стопки хромомер, які складають хромонему, ще більше зближуються одна до одної за рахунок кислих білків з одночасною спіралізацією навколо осі. Залежно від довжини хромосоми хромонема робить від 4 до 10 крупних витків. В результаті утворюється структура метафазної хромосоми діаметром 1,0-1,5 мкм. Вкорочення ДНК цього рівня -- 8-10 разів, а з урахуванням всіх рівнів кінцеве скорочення ДНК складає понад 10 разів. Даний рівень упаковки хроматину, як і всіх попередніх також нерівномірний. Ця сукупна нерівномірність конденсації проявляється у вигляді хромодисків по довжині хромосом клітин, що діляться.

Будова хромосом в клітинах, що діляться.

Залежно від періодів поділу найбільш часто вивчають метафазні та анафазні хромосоми. Метафазні хромосоми подвійні, тобто складаються з 2-х хроматид. Такий вигляд вони мають від синтетичного періоду інтерфази, протягом якого відбувається редуплікація ДНК, до анафази мітозу. Анафазні хромосоми складаються з однієї хроматиди. Вони утворюються після розходження хроматид до полюсів при поділі, і в такому вигляді вони існують в С₁- періоді до 1-го періоду інтерфази. Одинарні, анафазні хромосоми -- основний стан хромосом в онтогенезі клітин; подвійні, метафазні -- лише під час вступу клітин в період поділу. Але найчастіше цитогенетики вивчають метафазні хромосоми: вони найкоротші і найтовщі.

Метафазна хромосома, складається з двох хроматид, сполучених в ділянці первинної перетяжки. Первинна перетяжка являє собою ділянку часткової деконденсації хроматину. В первинній перетяжці розміщується центромера або кінетохор, життєво важлива структура для хромосоми: її втрата призводить до втрати клітиною даної хромосоми.

Центромера погано вивчена морфологічно і функціонально. В електронному мікроскопі видно, що це пластинчасте утворення у вигляді диску, зв'язане з тілом хромосоми (ДНП) тоненькими фібрилами. Вважають, що центромера є одним з ЦОМТів в клітині, центром утворення мікротрубочок. При поділі від неї відходить пучок мікротрубочок у напрямку до центріолей веретена поділу (у тваринних клітинах). Значить, центромера бере участь у поділі хромосом до полюсів клітини.

Характеристика хромосомного набору виду. Генетичний апарат клітини характеризується поняттям про каріотип. Каріотип або набір хромосом -- це сукупність хромосом клітини, який характеризується їх визначеним числом, величиною і формою, унікальний для даного виду. Розрізняють гаплоїдний (одинарний) набір хромосом, позначається літерою «n» і диплоїдний (подвійний) набір хромосом «2n». В гаплоїдному наборі кожна хромосома, унікальна, тобто немає гомологів. Диплоїдний набір представлений парами гомологічних хромосом.

Гомологічними називають хромосоми однакового розміру, форми, тобто за розміщенням центромери, набором і розміщенням локусів генів, але відрізняються алельністю цих генів, так як вони різного походження: одна від яйцеклітини, інша від сперматозоїда. Цим гомологічні хромосоми відрізняються від сестринських хромосом, тобто хроматид. Сестринські хромосоми є ідентичними, вони утворюються в результаті редуплікації ДНК -- точного процесу копіювання (матричного синтезу).

Контрольні питання:

1. Назвати загальні структурно-генетичні ознаки всіх живих організмів Землі.

2. Назвати специфічні особливості будови генетичного апарату про- та еукаріот.

3. Які структури хромосом ми розрізняємо в світловому мікроскопі?

4. Розкрийте поняття «функціонально активний еухроматин». Вказати його молекулярно-генетичний структурний рівень.

5. Чому видове різноманіття кислих білків значне, тоді як гістони за цією ознакою консервативні.

6. Чим обумовлена нерівномірність укладки хромосом на кожному з її рівнів і як ця ознака використовується в каріотипуванні.

Література: основна -- 1-3, 6, 7; додаткова -- 1-4, 9, 11-13.

3.2 Інтерфазне ядро. Негенетичні структури, похідні хромосом

1. Ядерна оболонка: будова та функції.

2. Ядерце.

3. Будова і функції рибосом.

4. Ядерний матрикс. Ядерний сік.

Основні поняття: ядерна оболонка, ядерце, поровий комплекс, рибосома, ядерний матрикс, ядерний сік.

1. Ядерна оболонка: будова та функції

Ядерна оболонка -- характерна ознака еукаріотичних клітин. Вона складається із: 1) зовнішньої та внутрішньої ядерних мембран; 2) розміщеного між ними перинуклеарного простору; 3) комплексу ядерних пор; 4) фіброзного шару (ляміни), що вистилає внутрішню ядерну мембрану.

Мембрани ядра.

Загальний план будови ядерних мембран подібний з іншими мембранами клітини. Зовнішня ядерна мембрана (ЗЯМ) в багатьох місцях переходить в мембрани ендоплазматичного ретикулуму (ЕР). При цьому порожнини її цистерни з'єднуються з перинуклеарним простором. Зі сторони цитоплазми ЗЯМ, подібно ГрЕР, вкрита рибосомами, які синтезують білки (головним чином гістони).

Внутрішня мембрана має особливості складу ліпідів і білків порівняно із зовнішньою мембраною. В ділянці ядерних пор ВЯМ переходить в ЗЯМ.

Між двома ядерними мембранами знаходиться перинуклеарний простір, що поєднується через виступи ЗЯМ з цистернами ЕР. Товщина його в середньому складає від 10 до 30 нм і може значно змінюватись, залежно від виду клітин і їх фізіологічного стану. При збільшенні метаболічної активності ядра перинуклеарний простір значно розширюється -- до сотень нм.

Внутрішня мембрана зі сторони нуклеоплазми асоціює (контактує) з фіброзним шаром (ляміною). Фіброзний шар тісно пов'язаний з поровим комплексом, фібрилами ядерного матриксу і фібрилами ядерця. Значить, ляміна відноситься до скелетних структур ядра. Він виявлений в ядрах усіх клітин, але товщина його варіює від 10-20 нм до 200-300 нм. Через фіброзний шар здійснюється сполучення пристінкового хроматину до внутрішньої ядерної мембрани.

Поровий комплекс.

Ядерні пори мають складну будову, тому їх і називають поровим комплексом (ПК).

Отвір (пора) ПК утворена контактом ВЯМ і ЗЯМ, діаметром 80-90 нм. По периферії пори розміщуються в три ряди гранули по 8 штук в кожній: зовнішній (цитоплазматичний), внутрішній і середній. Розмір гранули близько 25 нм і складається із комплексу білків. Всередині пори розміщується центральна гранула, що має канал діаметром 15 нм. До її складу входить РНК і білок. До центральної гранули від периферії тягнуться фібрили, що утворюють діафрагму (перемичку).

Розміри і будова ПК практично однакові у всіх еукаріот. В широких межах варіює число ПК на одиницю ядерної поверхні. Їх число збільшується в метаболічно активних клітинах і відносно мало в ядрах клітин, диференціювання яких завершене (еритроцити птахів, амфібій, сперматозоїди).

Розподіл пор на поверхні ядра також нерівномірний. Часто можна спостерігати їх скупчення, що також пов'язане з функціональною активністю ядра.

Функції ядерної оболонки.

1. Розмежування вмісту ядра від цитоплазми, а, значить, розподіл процесів зберігання інформації і її транскрипції від трансляції -- кінцевої її реалізації. Таке розмежування очевидно спрямоване на більш надійне збереження генетичного гомеостазу -- первинної умови збереження виду.

2. Здійснення ядерно-цитоплазматичного обміну.

Існує кілька шляхів транспорту речовин із ядра в цитоплазму і навпаки.

1. Транспорт через обидві ядерні мембрани.

2. Інвагінація внутрішньої ядерної мембрани з утворенням бульбашки, що переходить далі в цистерни ЕР.

3. Транспорт через внутрішню мембрану з наступним утворенням і відщепленням бульбашки на зовнішній мембрані.

4. Транспорт через порові комплекси -- основний вид транспорту всіх мікро- та макромолекул. При цьому транспорт РНК через ПК супроводжується процесингом -- кінцевим дозріванням про-іРНК в зрілу іРНК.

Цей процес активний: йде за участі комплексу ферментів і енергії АТФ.

Необхідно відзначити, що перенесення речовин з ядра в цитоплазму і шляхом від'єднання мембран ядра, є також свідченням рециркуляційного потоку мембран в клітині. Так, відщеплення везикул із ядерної мембрани, мається на увазі їх вбудова, але уже за рахунок везикул ЕР, АГ, ЦМ.

3-тя функція ядерної оболонки -- структурна.

За допомогою фіброзного шару ядерної оболонки, а також особливих гранул діаметром 25 нм (пристінкових гранул), нитки хроматину приєднуються до ядерної оболонки. Таким чином, за допомогою ядерної оболонки підтримується певна специфічна архітектоніка (розміщення) хромосом в інтерфазному ядрі. В місцях сполучення пристінкового хроматину є точки реплікації хромосом. Отже, ядерна оболонка відіграє певну роль в регуляції реплікації ДНК.

4-та функція -- у нижчих еукаріот, у яких має місце закритий мітоз, тобто без руйнування ядерної оболонки, остання бере участь в розподілі редуплікованих хромосом до полюсів, так як це відбувається при поділі прокаріот.

2. Ядерце

В інтерфазному ядрі залежно від функціональної активності клітини і особливостей каріотипу в світловому мікроскопі можна розрізнити одне чи кілька ядерець. Структура ядерця детально вивчена за допомогою електронного мікроскопа. В ядерцях розрізняють: 1) фібрилярну дифузну частину або нуклеолонему; 2) гранулярну частину; 3) білковий матрикс ядерця; 4) фібрилярний центр з ядерцевим організатором; 5) асоційований з ядерцем хроматин.

Як елемент ядра, ядерце не є постійною і самостійною структурою ядра. Весь матеріал ядерця -- це похідне ядерцевого організатора -- головна складова частина ядерця. Ядерцевий організатор (ЯО) являє собою ділянку хромосоми, що містить, як правило, кластери рибосомальних генів для 18s, 5,8s, 28s рРНК. Вони в ЯО розміщуються один за одним (тандемно) десятки і сотні разів. Ядерцевий організатор морфологічно виявляється як фібрилярний центр -- невелике округле утворення, що містить тоненькі фібрили 4-5 нм. Кластери рибосомальної ДНК асоційовані з кислими білками, що виконують регуляторну і структурну функції. Даний комплекс РДНК з білками ще називають р-хроматином.

Окрім ДНК ЯО, в ядерці міститься асоційований з ядерцем хроматин. Він являє собою гетерохроматинові ділянки тих же хромосом, які містять ЯО, а також інших хромосом. Асоційований хроматин, певно, відіграє в ядерці структурну функцію, а також регуляторну, бере участь в регуляції транскрипції рРНК.

Гранулярна частина ядерця відповідає локалізації власне рРНК в комплексі з кислими білками. Фібрилярна частина ядерця складається з високомолекулярних попередників рРНК гранулярної частини ядерця.

Білковий матрикс ядерця входить до складу ядерного матриксу. Але, він містить також характерні для ядерця білки, що складають скелет ядерця. Вони також сполучають ядерце зі скелетними утвореннями (матриксом) ядра, хроматином, оболонкою ядра (приоболонкові ядерця).

В неактивному ядерці при пригніченні синтезу рРНК спочатку зникає гранулярний компонент, що звичайно займає 70-80% об'єму ядерця. Потім зменшується і фібрилярний компонент. Фібрилярний центр (ЯО), з невеликою кількістю фібрилярного компоненту, залишається навіть при повній інактивації ядерця.

В активному ядерці йде постійна транскрипція рибосомальних генів з такою інтенсивністю, що фібрили рДНК мають вигляд лампових щіток, щетинки яких різної довжини -- різної довжини попередники рРНК залежно від початку їх синтезу.

Рибосомальні гени у еукаріот в основному організовані в повторювані оперони (Збарський І. Б., 1988) або цистрони (Ченцов Ю. С., 2004). Вони містять кодуючі послідовності для 18s, 28s, і розміщуються між ними 5,8s РНК. Ці 3 гена відокремлені один від одного транскрибованими не кодуючими ділянками (спейсерами). Спейсери елімінуються в процесі дозрівання пре-рРНК. Весь транскрибований оперон переривається нетранскрибованими спейсерами.

За допомогою РНК-полімерази 1, одним комплексом спочатку транскрибується 18s РНК, потім 5,8 s, останньою -- 28s рРНК.

В результаті такої безперервної транскрипції утворюється гігантська молекула-попередник з коефіцієнтом седиментації близько 45s, потім вона проходить кілька етапів дозрівання (процесинг), які полягають у вирізанні не кодуючих спейсерів. В результаті утворюються зрілі 18s, 5,8s, 28s рРНК.

Гени для 5s рРНК, яка входить до складу рибосом, знаходяться поза ЯО (у людини в прицентромерній вторинній перетинці хромосоми №1). Ці гени транскрибуються РНК-полімеразою-3, що транскрибує малі РНК (в т. ч. тРНК, малі цитоплазматичні РНК).

Зрілі рРНК всіх типів одразу же після їх утворення вступають в асоціацію з кислими білками, виходять з ядра в цитоплазму і формують 2 субодиниці рибосом.

У прокаріот всі гени рРНК 5s, 16s, 23s також зібрані разом (оперон), але відокремлені один від одного не транскрибованими спейсерами. Отже, кожен з них транскрибується окремо і, значить, не проходить процесингу. У кишечної палички є 6 р-оперонів, що розміщені в різних ділянках хромосом.

Ядерце -- динамічна структура. Його розміри і складові компоненти змінюються залежно від активності клітини, стадії мітотичного циклу. В профазі мітозу при затуханні активності ЯО ядерця зникають, тобто переходять в цитоплазму гранулярний, а потім фібрилярний компоненти. Але матеріал фібрилярного центра, асоційований з регуляторними кислими білками, зберігається. При цьому він стає компактним і перерозподіляється між кластерами рДНК, тобто ділянками ЯО хромосом. Залишковий матеріал ядерця, що являє собою кислі білки, можна виявити гістохімічними методами. Зокрема, ці білки вибірково забарвлюються азотнокислим сріблом і в світловому мікроскопі мають вигляд темних глибок (осаджене срібло).

3. Будова і функції рибосом

Ядерце -- похідний органоїд ядра, в якому синтезується рРНК, що входить до складу рибосом цитоплазми. Рибосоми -- універсальний органоїд всіх клітин, незалежно від ступеня їх складності, так як вони беруть участь в остаточних етапах потоку інформації. За допомогою рибосом здійснюється трансляція (переведення) інформації з іРНК на поліпептидний ланцюг білка. Хоча функція і загальний план будови рибосом подібний у про- і еукаріот, є суттєві їх відмінності.

Рибосоми -- складні рибонуклеопротеїдні комплекси, в яких є рРНК і кислі білки приблизно у рівних відношеннях. Вони наближаються до глобулярної форми. Виявлено три основних класи рибосом: рибосоми 70s прокаріот; рибосоми 80s -- містяться в цитоплазмі еукаріотичних клітин і рибосоми внутрішньоклітинних органел (мітохондрій і хлоропластів).

Рибосоми 70s мають діаметр 22-23 нм. Константа їх седиментації складає 70 одиниць Сведберга. Ці рибосоми виявлені в клітинах всіх прокаріот. Рибосоми 80s дещо більші -- діаметр 24-25 нм. Рибосоми пластид і мітохондрій близькі за будовою до прокаріотичних рибосом. Мають константу седиментації близько 70s, за властивостями також подібні, але не ідентичні прокаріотичним. Але ці відмінності виходять за межі програми цитології і є предметом молекулярної біології.

Рибосома на стадії трансляції складається з 2-х нерівних субодиниць, в асоціації яких беруть участь двовалентні катіони, а особливо іони Мg⁺. При їх зниженні в розчині ці субодиниці легко роз'єднуються. Прокаріотична рибосома 70s дисоціює на велику 50s і малу 30s субодиниці: рибосоми 80s мають в складі субодиниці 60s і 40s. Найдетальніше вивчені прокаріотичні рибосоми. Їх мала субодиниця 30s має неправильну форму, нагадує дещо вигнуту паличку. Субодиниця 50s складається з «основи», що має напівсферичну форму, від якої відходять асиметрично 3 виступи. Жодна з субодиниць окремо здійснювати синтез білка не може. Функціонально активна лише рибосома 70s.

Рибосома 70s бактерій містить 3 типи рРНК: 23s рРНК; 16s рРНК; 5s рРНК. До складу субодиниці 50s входить одна молекула 23s рРНК і одна молекула 5s рРНК. Субодиниця 30s має лише одну молекулу 16s рРНК.

До складу рибосом 80s еукаріот входить 4 типи рРНК. Субодиниця 60s рРНК поєднує в собі 28s; 5s і 5,8s рРНК. Мала субодиниця 40s також, як і прокаріотична, має один тип рРНК -- 18s. Кожна з рРНК знаходиться в асоціації з білками. В рибосомі прокаріот виявлено 55, в еукаріотичній -- 85.

Рибосомальна РНК виконує велику роль в функціонуванні рибосом. Але конкретно всі функції рРНК ще не встановлені. Деякі з них:

1. Структурна роль -- є високоспецифічним каркасом для точного закріплення рибосомальних структур і функціональних білків.

2. Мала субодиниця, містить 16s рРНК (у прокаріот), бере участь у виборі і установці на рибосомі ініціаторного кодона мРНК.

3. рРНК великої субодиниці утримує і переміщує утворений пептид і тРНК.

Функції білків рибосом також різноманітні і мало вивчені. Відомо, що вони беруть участь в переміщенні іРНК, тРНК і синтезованому білковому ланцюзі.

Функціонуючі рибосоми разом з трансльованою іРНК формують полірибосоми, число рибосом в яких залежить від довжини іРНК. В цитоплазмі клітини розрізняють вільні рибосоми і зв'язані, що розміщуються на мембранах ЕР зі сторони цитозоля. В цьому випадку рибосоми закріплені на мембрані. Даний тип ЕР називається гранулярним ЕР. Білок, що утворився на рибосомах має гідрофобний початковий кінець, за допомогою якого він пронизує ліпідний бішар мембрани, надходить в цистерни ЕР і перерозподіляється в цитоплазмі. Довжина нового білка, що сповзає з великої субодиниці рибосоми в складі полісоми, залежить від довжини, від початку трансльованої іРНК даною рибосомою.

4. Ядерний матрикс. Ядерний сік

Ядерний матрикс є структурним елементом, скелетом ядра. Морфологічно ядерний матрикс складається з: 1) периферичної ляміни (фіброзний шар оболонки), що включає порові комплекси; 2) білкові фібрили ядерця (безРНКова частина фібрилярного компоненту); 3) внутрішньоядерні фібрилярно-гранулярні сітки. Хімічний склад ядерного матриксу представлений головним чином кислими негістоновими білками (90-98%), схожі на актин, тубулін, міозин.

Ядерний матрикс є надзвичайно активною структурою, що регулює найважливіші процеси життєдіяльності. З ним просторово пов'язані ділянки хромосом в ядрі; центральні і теломерні ділянки хромосом з ляміною оболонки ядра; петлі хромомер пов'язані з внутрішньоядерною сіткою матриксу. Вважають, що петлі хромосом є репліконом -- одиницею реплікації, а точка реплікації знаходиться в ділянці її контакту з білковими фібрилами матриксу (аналогія з точкою реплікації прокаріот) (мембрана).

В асоціації з ядерним матриксом знаходяться всі типи транскрибованих РНК. Це свідчить, що регуляція синтезу РНК, її стабілізація і дозрівання синтезованих РНК відбувається в безпосередньому зв'язку з ядерним матриксом. Так, утворені РНК приєднуються до матриксу за допомогою початкових не кодуючих ділянок -- шапочок «кепів».

Ядерний сік -- рідке середовище ядра. Це безструктурна розчинна частина ядра, містить білки, ферменти, полінуклеотиди, низькомолекулярні метаболіти, неорганічні іони. Це дуже динамічна частина ядра, що обмінюється в процесі ядерно-цитоплазматичних відношень.

Таким чином, життєдіяльність клітини, її особливості, розвиток, диференціювання визначається функціонуванням клітинного ядра. Ця функція клітинного ядра проявляється через вибіркову активність генів, які визначають характер і кількість утворення специфічних іРНК, що входять в цитоплазму.

Але активність самого ядра залежить від сигналів, що надходять із цитоплазми. Наприклад, шляхом пересадження ядер, ізольованих із диференційованих клітин головастика інокульовані в яйцеклітини жаби, вдалося відтворити всі стадії ембріогенезу, аж до дорослої особини.

Активність ядра також може регулюватись позаклітинними факторами (гормонами, гормоноїдами і низькомолекулярними пептидами) через зміну метаболізму цитоплазми. Частина цих регулюючих факторів (деякі гормони) може навіть проникати в ядро. Одні з них впливають на проліферацію, другі -- на диференціювання, треті -- на апоптоз. На основі метаболічних взаємодій між ядром і цитоплазмою, встановлюються об'ємні відношення для даного типу клітин тканин: певного об'єму ядра, що залежить від його плоїдності, відповідає об'єму цитоплазми. При збільшенні ядра, наприклад, в результаті поліплоїдії, в свою чергу збільшується і об'єм цитоплазми. Дроблення зиготи із великою цитоплазмою та диплоїдним ядром, йде до тих пір, поки ядерно-цитоплазматичне співвідношення не сягне рівня звичного для соматичних клітин.

Таким чином, ядерно-цитоплазматичне співвідношення програмує і регулює весь онтогенез. Функція ядра при цьому здійснюється шляхом транскрипції генів, ядерно-цитоплазматичного транспорту і дозрівання мРНК, включаючи їх в біосинтез білків на полірибосомах і зворотній зв'язок, що виражається в надходження до ядра певних білків із цитоплазми і регуляції ними диференціальної експресії генів.

Всі ці процеси визначаються складною організацією клітинного ядра, як системи регуляції життєдіяльності клітини, що знаходиться в постійній взаємодії з цитоплазмою.

Контрольні питання:

1. Назвати ознаки загальні для зовнішньої мембрани і мембрани ендоплазматичної сітки.

2. Перелічити основні структурні елементи порового комплексу.

3. Вказати механізми транспорту речовин через поровий комплекс.

4. Зробити структурно-біохімічне порівняння ядерця.

5. Де синтезуються 5S рРНК в клітинах людини?

6. Чим пояснити наявність 70S рибосом в мітохондріях і пластидах?

7. Назвати основні компоненти ядерного матриксу.

Література: основна -- 1-3, 6-8; додаткова -- 1-4, 9-11.

Модуль ІV. Самовідновлення клітинних організмів

4.1 Цитоскелет

1. Загальна характеристика цитоскелетних структур.

2. Будова скелетних м'язових фібрил хребетних.

3. Актинові філаменти в не м'язових клітинах.

4. Мікротрубочки цитоскелету.

5. Мікротрубочки джгутиків.

6. Проміжні філаменти.

Основні поняття: мікрофіламенти, мікротрубочки, проміжні філаменти, симпласт, саркомер.

1. Загальна характеристика цитоскелетних структур

Кожна еукаріотична клітина має певну просторову внутрішню та зовнішню форму, які дуже динамічні в залежності від їх функціонального навантаження. Так, в цитоплазмі спостерігається рух внутрішньоклітинних структур. Цитоплазматична мембрана постійно змінює свій рельєф, клітина може змінювати свою форму, розмір, рухатися в просторі. Всі ці форми руху забезпечує цитоскелет, або опорно-рухова система клітини. Вона складається з різноманітних білкових фібрил, основні з них це: 1) актинові філаменти (мікрофіламенти); 2) мікротрубочки; 3) проміжні філаменти.

Крім основних трьох типів білків філаментів, цитоскелет включає багато допоміжних білків, які забезпечують взаємодію фібрил між собою та іншими структурами клітини. Цитоскелет також пов'язаний з мікротрабекулами цитоплазматичного матриксу та ядерного матриксу.

2. Будова скелетних м'язових фібрил хребетних

Скелетні м'язи складаються з тонких та довгих м'язових волокон діаметром 50 мкм, які утворюють симпласт, який утворюється поєднанням м'язових клітин (міобластів). Тому м'язове волокно містить велику кількість ядер. Всередині м'язових волокон знаходяться міофібрили -- циліндричні нитки товщиною 1-2 мкм, які тягнуться від одного кінця симпласту до іншого. В світловому мікроскопі можна побачити чергування темних та світлих дисків, які забезпечують «смугастість» загальної картини м'язу. Темні диски названі анізотропними дисками (А-дисками), світлі -- ізотропними (І-дисками). Через темний диск в центрі проходе вузька ще більш темна смуга -- М диск. Світлий диск в центрі має темну щільну поперечну смугу -- Z-диск. Ділянку міофібрили між двома Z-дисками називають саркомером довжиною 2,5 мкм -- скорочувальною одиницею міофібрили. Він включає в себе темний А-диск та половину світлого І-диску з кожної сторони Z-диску. Межі саркомерів в сусідніх міофібрилах латерально співпадають, тому все м'язове волокно має регулярну посмугованість. Саркомер складається з філаментів двох типів: 1) тонкі філаменти довжиною 1 мкм і товщиною 8 нм, які ідуть від Z-диска через І-диск і заходять в А-диск -- в проміжках між товстими нитками; 2) товсті філаменти довжиною 1,6 мкм та товщиною 15 нм, які тягнуться від одного краю А-диску до другого. На поперечному зрізі міофібрили в області А-диска видно, що один товстий філамент оточений 6 тонкими, а кожна тонка нитка оточена 3 товстими. Таким чином співвідношення тонких та товстих ниток в саркомерах м'язових волокон хребетних дорівнює 2:1.

Основним білком тонких ниток є актин. Це глобулярний білок G-актин з молекулярною масою 41,8 тис. Кожна його молекула міцно пов'язана з одним іоном Са²⁺, який стабілізує її глобулярну конформацію. Крім того, до молекули актину нековалентно приєднана одна молекула АТФ. Молекула актину легко полімеризується в ланцюг, який називається F-актином з відщепленням кінцевого фосфату АТФ. Утворюється протофібрила (F-актин) діаметром 4 нм. Актиновий філамент складається з двох ланцюгів F-глобулярних молекул, тобто протофібрил скручених в подвійну спіраль із загальним діаметром 8 нм. Актинові фібрили асоційовані з двома видами білків: тропоміозин тягнеться вздовж обох сторін в поглибленнях спіралі актинового філамента та придає йому необхідну міцність, але основна його роль полягає в екранізації активних центрів на молекулі актину -- місць контакту актинових та міозинових молекул через головки міозинових фібрил -- т. з. «містки». Інший білок тропонін розташовується біля актинової фібрили. Він складається з 3 пептидів та виконує регуляторну функцію. Актинові фібрили закріплені в Z-диски, які складаються з білків G-актина (глобулярної форми) і десміна.

Товсті нитки складаються з великого білка міозину з мол. масою близько 500 тис. Молекула міозину складається з 6 поліпептидних ланцюгів: 2 ідентичних важких довгих ланцюга; 2 пари легких, коротких ланцюга різних типів (одна пара має мол. вагу 16 тис., інша -- 20 тис.). 2 важких ланцюга довгим кінцем обкручують один одного та утворюють подвійну спіраль, другий кінець кожного ланцюга утворює вільну глобулярну голівку. З глобулярною голівкою пов'язані легкі ланцюги по одній з двох типів. В місцях з'єднання головок та хвостів є дві шарнірних ділянки, які забезпечують латеральний зсув головок при взаємодії з активними центрами актинових філаментів. В кожній голівці розташовується АТФ-азний центр та центр взаємодії з актином.

Міозинові молекули асоціюють одна з одною паличкоподібними хвостами. При цьому декілька сотень (біля 3) молекул розташовуючись паралельно зі зсувом по довжині, формують пучок, з якого виступають латерально розташовані глобулярні головки. Міозинові молекули асоціюють в двох напрямках таким чином, що утворюється біполярний філамент: половина молекул міозина спрямована в одну сторону, друга -- в іншу, але виступаючі головки відсутні у невеличкому середньому фрагменті (гладка зона). В цій зоні сусідні міозинові фібрили саркомеру тісно пов'язані М-білком, утворюючі М-смугу в темному дискі саркомеру.

Головки міозинових молекул проявляють слабку ферментативну активність у відношенні розщеплення АТФ. Але ця здатність посилюється при їх взаємодії з актиновими фібрилами. Тому, головки міозину -- це актин-залежна АТФ-аза.

Механізм скорочення міофібрил заснований на ковзанні товстих та тонких філаментів, причому довжина тих та інших не змінюється. Скорочується тільки світлий диск. При цьому саркомер зменшується з 2,5 мкм до 2 мкм.

3. Актинові філаменти в не м'язових клітинах

Актин складає значну частку білку всіх еукаріотичних клітин. Наприклад, в фібробластах частка досягає майже 10%, причому 50% знаходиться в дисоційованому (мономерному) стані (G-актин); 50% в складі філаментів -- це F-актин. В не м'язових клітинах актинові філаменти виконують в основному дві функції: опорну -- утворюють пучки з поперечними зшивками, які є опорою для різних внутрішньоклітинних структур та зовнішніх відростків; скорочувальну -- разом з міозином актинові філаменти формують різні скорочувальні системи, які відповідальні за багато проявів клітинної рухомості.

Найбільш розповсюдженими актин-міозиновими скорочувальними комплексами в не м'язових клітинах є скорочувальне кільце, опоясувальна десмосома та напружувальні нитки, дифузна динамічна система актинових філаментів цитоплазми.

Скорочувальне кільце з актину та міозину формується в клітині, що поділяється під самою плазматичною мембраною. Скорочення цього кільця призводить до утворення в телофазі перетяжки посередині клітини та розподілу її на дві дочірні клітини.

Напружені нитки характерні для клітин, які здатні до руху. Вони мають товщину 0,5 мкм та довжину до 5 мкм, мають в складі крім актинових та міозинових молекул інші допоміжні білки, наприклад, тропоміозин в асоціації з актиновими фібрилами.

Менш упорядковані, чим вказані вище, системи актинових філаментів є в усій цитоплазмі, де виконують структурну та рухову функції. Входячи до тимчасових асоціацій з не м'язовим міозином, вони приймають участь в різних рухових реакціях (наприклад утворюючі потоки цитоплазми). Структурна їх функція проявляється в утворенні желеподібних структур.

...