Клітина, тканини, їх будова і функції

Розуміння механізму роботи клітини – запорука правильного застосування ліків. Принцип негативного зворотного зв’язку – основа роботи клітини. Вплив ліків – процес, що протікає на клітинному рівні. Взаємодія різних ліків з різними клітинами. Здатність клітини пристосовуватися до умов, що змінюються і продовжувати підтримувати властиві їй функції як основа протікання її фізіологічних процесів. Опис макромолекул, здатних розпізнавати біологічно активні речовини і молекули ліків. Транспорт речовин в клітку і з клітки.

Протягом всього нашого життя ми в самих різних ситуаціях стикаємося з ліками. Зазвичай, прийнявши препарат, ми чекаємо певного результату і не замислюємося над тим, що при цьому відбувається всередині нашого організму. А якби задумалися, то швидко б зрозуміли, що механізм дії ліків не пояснити без елементарних знань закономірностей будови і життєдіяльності організму людини.

Структурно-функціональною основою будь-якого живого організму, у тому числі і людини, є клітина. Клітини утворюють тканини, тканини – органи, які в свою чергу складають системи. Таким чином, організм людини можна розглядати як цілісну систему, в якій виділяються такі рівні організації: клітини – тканини – органи – системи органів.

Зростання, розмноження, спадковість, ембріональний розвиток, фізіологічні функції – всі ці явища обумовлені процесами, що відбуваються всередині клітини.

При всіх захворюваннях відбувається порушення функцій клітин, тому, щоб зрозуміти, як ліки діють на органи і системи органів, потрібно знати їх вплив на роботу клітини і тканини.

Вперше клітини побачив англійський натураліст Роберт Гук, який удосконалив мікроскоп. При вивченні тонкої зрізу звичайної пробки, він виявив безліч дрібних осередків, які нагадували бджолині стільники. Він назвав ці осередки клітинами, і з тих пір це слово збереглося для позначення структурних одиниць живої матерії.

Згодом, у міру вдосконалення мікроскопів, було встановлено, що клітинне будова властиво різним формам живого. У 1838 році два німецьких біолога – М. Шлейден і Т. Шванн – сформулювали клітинну теорію, згідно з якою всі живі організми складаються з клітин. Основні положення клітинної теорії залишаються незмінними і до цього дня, хоча вони і не поширюються на такі форми життя, як, наприклад, вірусні частинки (віріони) і віруси. Ці положення можна сформулювати наступним чином:

1. Клітина є найменшою одиницею живого;
2. Клітини різних організмів подібні за своєю будовою;
3. Розмноження клітин відбувається шляхом ділення вихідної клітини;
4. Багатоклітинні організми являють собою складні ансамблі клітин і їх похідних, об’єднані в цілісні інтегровані системи тканин і органів міжклітинними, гуморальними і нервовими зв’язками.

Надалі вчені сформулювали загальні ознаки, властиві всьому живому. Бути живим – значить мати здатність:

– Відтворювати собі подібних (репродукувати);
– Використовувати і перетворювати (трансформувати) енергію і речовини (обмін речовин або метаболізм);
– Відчувати;
– Пристосовуватися (адаптуватися);
– Змінюватися.

Сукупність цих ознак виявляється тільки на клітинному рівні, тому саме клітина є найменшою одиницею всього “живого”. Клітка, як і ми, дихає, харчується, відчуває, рухається, працює, розмножується, “пам’ятає” свій нормальний стан.

Вивченням будови клітини займається цитологія (від грецького kytos – клітина і logos – вчення).

За визначенням вчених-цитологів, клітина – це обмежена активною мембраною, упорядкована, структурована система біополімерів, які становлять ядро і цитоплазму, беруть участь в єдиній сукупності метаболічних і енергетичних процесів і здійснюють підтримку і відтворення всієї системи в цілому. Це довге і змістовне визначення вимагає подальших роз’яснень, які ми і наводимо нижче в цьому розділі.

Розмір клітин може бути різним. Деякі кулясті бактерії мають незначні розміри: від 0,2 до 0,5 мкм в діаметрі (нагадаємо, що 1 мкм в тисячу разів менше 1 мм). У той же час існують клітини, які видно неозброєним оком. Наприклад, яйце птиці – це, по суті, одна клітина. Яйце страуса сягає в довжину 17,5 см, і це найбільша клітина. Однак, як правило, розміри клітин коливаються в значно більш вузьких межах – від 3 до 30 мкм.

Форми клітин також дуже різноманітні. Клітини живих організмів можуть мати вигляд кулі, багатогранника, зірки, циліндра і інших фігур.

Незважаючи на те, що клітини мають різні форми і розміри, виконують різні і часто вельми специфічні функції, вони, в принципі, мають однакову будову, тобто всередині них можна виділити загальні структурні одиниці. Клітини тварин і рослин складаються з трьох основних компонентів: ядра, цитоплазми і оболонки – клітинної мембрани, яка відділяє вміст клітини від зовнішнього середовища або від сусідніх клітин (рисунок 1.1.1).

Можливі, проте, і виключення. Наведемо деякі з них. Наприклад, м’язові волокна обмежені мембраною і складаються з цитоплазми з безліччю ядер. Іноді після поділу дочірні клітини залишаються пов’язаними один з одним за допомогою тонких цитоплазматичних перемичок. Є приклади без’ядерних клітин (еритроцити ссавців), що мають в своєму складі тільки клітинну мембрану і цитоплазму, вони мають обмеженими функціональними можливостями, так як позбавлені здатності до самооновлення і відтворення в зв’язку з втратою ядра.

Ядро і цитоплазма складають протоплазму і побудовані з молекул білків, вуглеводів, ліпідів, води і нуклеїнових кислот. Ніде в неживій природі ці речовини не зустрічаються разом.

Тепер коротко розглянемо основні компоненти клітини.

На малюнку 1.1.1 видно, що ядро клітини має округлу форму і оточене ядерною оболонкою, яка відрізняється більшою пористістю, ніж зовнішня клітинна мембрана, через неї можуть проходити цілі молекули білка. Ядро заповнене прозорою Нуклеоплазма, в яку занурені тонкі довгі нитки хромосом. Хромосоми складаються з комплексу дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) з білком. Вони зберігають і підтримують спадкову інформацію. У період поділу відбувається “ремонт”, відтворення і подвоєння (редуплікація) молекул ДНК, що дозволяє передати дочірнім клітинам однаковий в кількісному і якісному відношенні обсяг генетичної інформації. Серед хромосом людини найбільша містить ДНК довжиною близько 7 см. Сумарна довжина молекул ДНК у всіх хромосомах однієї клітини людини становить приблизно 170 см.

Крім хромосом, в ядрі знаходиться також одне або декілька відносно великих круглих ядерець розміром 1-5 мкм, в яких багато рибонуклеїнової кислотою (РНК). Вона активно витрачається при діленні клітин, а також на освіту рибосом (про які ми скажемо трохи далі). Ці ядерця забезпечують синтез білка.

У ядрі клітини знаходяться гени. Вони “спілкуються” з цитоплазмою, що оточує ядро, через пори ядерної оболонки. У відповідь на сигнали, що йдуть від генів, в цитоплазмі відбувається синтез ферментів і протікають все біохімічні процеси, що забезпечують життєдіяльність клітини. Якщо контакт ядра з цитоплазмою припиняється, то швидкість всіх реакцій в клітині поступово сповільнюється, і вона в результаті гине.

Цитоплазма заповнює внутрішньоклітинного простору між ядром і клітинною мембраною і під мікроскопом нагадує желеподібну масу. Вона складається з гіалоплазми, або матриксу, в якій розкидані обов’язкові клітинні компоненти – органели і різні непостійні структури (включення).

Гиалоплазма (матрикс цитоплазми) є колоїдним розчином головним чином білка, в ній знаходиться 20-25% загальної кількості білків клітини.

Органели – спеціалізовані мікроструктури, які постійно присутні в клітці і виконують ряд життєво важливих функцій, забезпечуючи внутрішньоклітинний обмін речовин і енергії (метаболізм). Основними органеллами клітини є ендоплазматична мережа, мітохондрії, апарат Гольджі і лізосоми.

Ендоплазматична мережа (вид А на малюнку 1.1.1) складається з безлічі замкнутих зон у вигляді бульбашок (вакуолей), плоских мішків або трубчастих утворень, відділених від гіалоплазми мембраною і мають своє власне вміст.

З боку гіалоплазми вона вкрита дрібними округлими тільцями, названими рибосомами (містять велику кількість РНК) і додають їй під мікроскопом “шорсткий” або гранулярний вигляд. Рибосоми синтезують білки, які в подальшому можуть залишати клітку і витрачатися на потреби організму.

Накопичуються в порожнинах ендоплазматичної мережі білки, в тому числі ферментні, необхідні для внутрішньоклітинного обміну речовин і травлення, транспортуються в апарат Гольджі, де піддаються модифікації, після чого входять до складу лізосом або секреторних гранул, відокремлених від гіалоплазми мембраною.

Частина ендоплазматичної мережі не містить рибосом, її називають гладкою ендоплазматичної мережею. Ця мережа бере участь в метаболізмі ліпідів і деяких внутрішньоклітинних полісахаридів. Вона грає важливу роль в руйнуванні шкідливих для організму речовин (особливо в клітинах печінки).

Мітохондрії (вид В на малюнку 1.1.1) – також дуже важливі компоненти клітини, оскільки в них відбувається перетворення речовин, що надходять з їжею, в багаті енергією з’єднання, які згодом витрачаються у всіх процесах, що вимагають витрати енергії. Мітохондрії називають ще органеллами клітинного дихання або силовими станціями клітини, так як основним джерелом енергії в живих організмах є синтезується в них аденозинтрифосфат (АТФ).

Апарат Гольджі (вид Б на малюнку 1.1.1) названий по імені італійського гістолога К. Гольджі. У ньому відбувається накопичення продуктів, синтезованих в ендоплазматичної мережі, їх хімічна модифікація, синтез полісахаридів і освіту їх комплексів з білками (мукопротеїдів), а також виведення вироблюваних продуктів (секрету) за межі клітини. Цей процес можна проілюструвати малюнком 1.1.2.

Як видно з цього малюнка, амінокислоти, які є одним з кінцевих продуктів травлення, з крові проникають в клітку і надходять до вільно лежачим рибосомам (1) або рибосомальної комплексам, де відбувається синтез білків (2). Синтезовані білки потім відокремлюються від рибосом, переходять в вакуолі і далі – в пластини апарату Гольджі (3). Тут відбувається модифікація утворилися білків і синтез їх комплексів з полісахаридами, після чого від пластин цього апарату відокремлюються бульбашки, що містять вже готовий секрет (4). Ці бульбашки (секреторні гранули) рухаються до внутрішньої поверхні клітинної мембрани, мембрани секреторних гранул і клітини зливаються, і секрет виходить за межі клітини (5). Такий процес називають екзоцитозу.

Лізосоми (позначені цифрою 11 на малюнку 1.1.1) – сферичні тільця розміром 0,2-0,4 мікрон, обмежені одиночної мембраною. У клітці можна виявити різні види лізосом, але всі вони об’єднані спільною ознакою – наявністю в них ферментів, що розщеплюють біополімери. Лізосоми утворюються в ендоплазматичної мережі і апараті Гольджи, від яких вони потім відокремлюються у вигляді самостійних бульбашок (первинні лізосоми). При злитті первинних лізосом з вакуолями, які містять поглинуті кліткою поживні речовини, або із зміненими органелами самої клітини утворюються вторинні лізосоми. У них під дією ферментів відбувається розщеплення складних речовин. Продукти розщеплення проходять через мембрану лізосоми в гіалоплазму і включаються в різні процеси внутрішньоклітинного обміну. Однак перетравлення складних речовин в лізосомах не завжди йде до кінця. В цьому випадку всередині неї накопичуються неперетравлені продукти. Такі лізосоми називають залишковими тільцями. У цих тільцях відбувається ущільнення вмісту, його вторинна структуризація і відкладення пігментних речовин. Так, у людини при старінні організму в залишкових тільцях клітин мозку, печінки і м’язових волокон відбувається накопичення “пігменту старіння” – ліпофусцину.

Лізосоми, що з’єдналися з зміненими органелами самої клітини, грають роль внутрішньоклітинних “чистильників”, які прибирають дефектні структури. Збільшення числа таких лізосом є звичайним явищем при процесах, обумовлених хворобою. У нормальних умовах число лізосом- “чистильників” збільшується при так званих метаболічних стресах, коли підвищується активність клітин в органах, найбільш активно беруть участь в обміні речовин, наприклад, клітин печінки.

Крім вищеописаних (ендоплазматична сітка, мітохондрії, апарат Гольджі, лізосоми), в клітці зустрічається велике число самостійних утворень у формі ниток, трубочок або навіть дрібних щільних тілець. Вони виконують різноманітні функції: утворюють каркас, необхідний для збереження форми клітини, беруть участь в транспорті речовин всередині клітини і в процесах розподілу.

У деяких клітинах зустрічаються спеціальні органели руху – війки і джгутики, які виглядають як вирости клітини, обмежені зовнішньої клітинної мембраною. Вільні клітини, що мають війки і джгутики, мають здатність пересуватися (наприклад, сперматозоїди) або переміщати рідину і різні частки. Наприклад, внутрішня поверхня бронхів вистелена так званими війчастими клітинами, які постійним коливанням (мерехтінням) війок просувають бронхіальний секрет (мокротиння) в сторону гортані, видаляючи мікроорганізми і найдрібніші частинки пилу, що потрапили в дихальні шляхи.

Клітинна мембрана (вид Г на малюнку 1.1.1) являє собою оболонку, що відокремлює вміст клітини від зовнішнього середовища або сусідніх клітин. Одна з її функцій – бар’єрна, оскільки вона обмежує вільне пересування речовин між цитоплазмою і зовнішнім середовищем. Однак клітинна мембрана не тільки обмежує клітку зовні. Вона також здійснює зв’язок з позаклітинної середовищем і розпізнає речовини і стимули, які впливають на клітину. Ця здатність забезпечується спеціальними структурами клітинної мембрани, названими рецепторами.

Рецептори – це білкові макромолекули, специфічно (вибірково) реагують на певні хімічні речовини або фізичні фактори (температура, світло, тиск і інші). Особливу роль відіграють рецептори, що розпізнають біологічно активні речовини – гормони, медіатори, специфічні антигени інших клітин або певні білки. Рецептори забезпечують такі важливі процеси, як взаємне розпізнавання клітин, розвиток імунітету. Ефекти ліків також в більшості випадків є результатом взаємодії молекул лікарських речовин з рецепторами. Детальніше про це ми розповімо в розділі 1.3.

Важливою функцією клітинної мембрани є забезпечення взаємодії між сусідніми клітинами. Прикладом такого міжклітинної контакту є синапси, які зустрічаються в місцях з’єднання двох нейронів (нервові клітини), нейрона і клітини будь-якої тканини (м’язової, епітеліальної). У них здійснюється одностороння передача сигналів збудження або гальмування. Більш докладно про будову та роботу синапсів ви зможете дізнатися з наступних глав.

Для забезпечення життєдіяльності та виконання своїх функцій клітина потребує різних поживних речовинах. Крім того, з клітки повинні виводитися продукти і “відходи” обміну речовин. Основну роль в цьому відіграє клітинна мембрана, що здійснює транспорт речовин у клітину і з неї. Це ще одна її функція в додаток до бар’єрної і рецепторної. Перенесення різних речовин як всередину клітини, так і з неї може бути пасивним або активним. При пасивному перенесення речовини (наприклад вода, іони, деякі низькомолекулярні з’єднання) вільно переміщаються через пори в мембрані при різниці концентрацій поза і всередині клітини, а при активному – транспорт здійснюють спеціальні білки-переносники проти градієнта концентрації з витратою енергії за рахунок розщеплення аденозинтрифосфорної кислоти.

У пасивному перенесення основну роль грають такі фізичні процеси, як дифузія, осмос і фільтрація. Спробуємо коротко пояснити ці процеси стосовно клітці.

Дифузія – рух молекул і іонів в галузі вищої в область більш низької концентрації. При будь-яких умовах молекули завжди знаходяться в русі. Джерелом енергії для цього руху служить тепло. Всі предмети на Землі по суті нагріті, і тільки при абсолютному нулі (-273 oC) рух молекул може припинитися, а разом з цим може зупинитися і дифузія. У живому організмі дифузія молекул відбувається, як правило, у водному розчині. Якщо клітинна мембрана проникна для молекул розчиненої речовини, вона не перешкоджає дифузії. Клітинну мембрану називають напівпроникною, тому що одні речовини через неї проходять, а інші – ні.

Осмос – особливий вид дифузії води через напівпроникну мембрану.

Таке середовище називається гипотонической, і в нашому випадку в міру проникнення води еритроцит буде набухати і “лопатися”. Інша ситуація – изотоническая середу. Якщо помістити еритроцити в воду, що містить 0,87% кухонної солі, то осмотичного тиску не створить. Це пояснюється тим, що при рівній концентрації розчину всередині і зовні клітини вода рухається однаково в обох напрямках. Нарешті, середовище вважається гіпертонічної, коли концентрація розчинених в ній речовин вище, ніж в клітці. Клітка (еритроцит) в такому середовищі починає втрачати воду, зменшується і гине.

Всі ці особливості осмосу доводиться враховувати при введенні лікарських речовин. Як правило, ліки, призначені для ін’єкцій, готуються на фізіологічному розчині. Це запобігає набухання або зморщування клітин крові в місці введення ліків. Краплі в ніс також готують на фізіологічному розчині, щоб уникнути набрякання або зневоднення клітин слизової оболонки носа. Ви, напевно, пам’ятаєте, як неприємно, коли в ніс при купанні потрапляє вода. Пояснення просте: прісна вода (гіпотонічний розчин) викликає набухання клітин слизової оболонки носової порожнини, а морська вода (гіпертонічний розчин) – зморщування.

Осмосом пояснюються і деякі ефекти ліків, наприклад, проносну дію англійської солі (магнію сульфат) та інших сольових проносних. Справа в тому, що в просвіті кишечника вони утворюють гіпертонічну середу. Вода під впливом осмосу виходить з клітин кишкового епітелію, міжклітинної простору і крові в просвіт кишечника, розтягує стінки кишечника, розріджує його вміст і прискорює випорожнення.

Фільтрацією називають рух молекул води і розчинених в ній речовин через клітинну мембрану в напрямку, протилежному дії осмотичного тиску. Цей процес стає можливим, якщо розчин в клітці знаходиться під тиском, яке вище осмотичного. Так, наприклад, серце нагнітає кров в судини під певним тиском. У найтонших капілярах це тиск зростає і стає достатнім, щоб змусити воду і розчинені в крові речовини вийти з капілярів у міжклітинний простір. Утворюється так звана тканинна рідина, вона відіграє велику роль в доставці поживних речовин в клітини і видаленні з них кінцевих продуктів обміну речовин. Після виконання своїх функцій тканинна рідина у вигляді лімфи повертається в кров’яне русло по лімфатичних судинах.

Фільтрація грає важливу роль і в функціонуванні нирок. У капілярах нирок кров знаходиться під великим тиском, що викликає фільтрацію води і розчинених в ній речовин з кровоносних судин в найтонші ниркові канальці. Потім частина води і необхідні організму речовини знову всмоктуються і надходять в загальний кровотік, а частина, що залишилася утворює сечу і виводиться з організму.

Однак речовини, необхідні для клітинної діяльності, можуть проникати в клітку не тільки за рахунок дифузії, осмосу та фільтрації, які відносяться до процесів пасивного перенесення. Діє ще протікає з витратою енергії активне перенесення речовин з зовнішнього середовища в клітку (навіть в тому випадку, коли їх внутрішньоклітинна концентрація вище, ніж позаклітинна). Наприклад, поглинання глюкози може йти проти градієнта концентрації, йод захоплюється клітинами щитовидної залози, хоча його зміст в них в сотні разів вище, ніж в крові, м’язова тканина накопичує іони калію і виштовхує іони натрію (при цьому концентрація останніх зовні завжди вище, ніж усередині ). Ці процеси вимагають великих витрат енергії. Приблизно половина загальних енергетичних ресурсів клітини витрачається на потреби активного перенесення.

Деяка кількість глюкози проникає в клітини шляхом простої дифузії, проте поглинання її триває і після зрівнювання концентрацій всередині клітини і зовні. Це відбувається тому, що в клітинній мембрані глюкоза фосфорилюється, тобто приєднує фосфатну групу, утворюючи глюкозофосфат. Ця реакція протікає з витратами енергії. Глюкозофосфат проходить через клітинну мембрану і забезпечує накопичення глюкози всередині клітини.

Властивості речовин роблять значний вплив на транспорт їх всередину клітини. Так, жиророзчинні речовини легше проникають в клітку, так як клітинна мембрана значною мірою складається з ліпідів (приблизно на 40%). Спирти, розмір молекул яких може бути досить великим, без утруднення потрапляють в клітину тільки тому, що вони розчиняються в жирах. До речі, дія алкоголю на нервові клітини добре пояснюється саме взаємодією етилового спирту з жирами їх клітинних мембран.

Здатність клітини до поглинання багато в чому визначається також величиною електричного заряду на її поверхні. Білки клітинної мембрани побудовані з амінокислот, які несуть позитивний або негативний заряд. Оскільки однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні – притягуються, електричні властивості поверхні клітини істотно впливають на поглинання іонів. Заряди внутрішньої і зовнішньої поверхонь клітинної мембрани можуть бути протилежними за знаком. Це характерно для нервових клітин і пояснює їх здатність генерувати і проводити імпульс.

Багато великі молекули (наприклад, біополімери), які не можуть пройти через клітинну мембрану ні пасивним, ні активним способом, потрапляють в клітину шляхом ендоцитозу. Ендоцитоз, схематично зображений на малюнку 1.1.3, розділяється на фагоцитоз (поглинання крупних частинок – бактерій, фрагментів інших клітин) і пиноцитоз (захоплення макромолекулярних сполук). Буквально слово “пиноцитоз” означає “питво клітини”.

Як видно з цього малюнка, спочатку біополімер осідає на поверхні клітинної мембрани, а потім втягується всередину клітини з утворенням бульбашки, що містить цю молекулу. Потім бульбашки відокремлюються від внутрішньої поверхні клітинної мембрани і переміщаються вглиб клітини, де поглинаються лизосомами або отримують від них ферменти. Під дією ферментів біополімер розщеплюється до більш простих сполук.

Аналогічним чином, тільки в зворотному порядку, здійснюється екзоцитоз – виділення продуктів (полісахаридів, білків і інших речовин), синтезованих клітиною, в зовнішнє середовище.

Вирости (вії, джгутики, мікроворсинки) на клітинній мембрані також можуть брати участь в процесах всмоктування речовин всередину клітини. Вони значно збільшують площу клітинної мембрани і найбільш характерні для епітеліальних клітин, наприклад, для кишкового епітелію.

Одним з найдивовижніших властивостей живого є здатність до самовідтворення. Збільшення числа клітин, тобто їх розмноження, відбувається шляхом ділення вихідної клітини. “Будь-яка клітина від клітини” – так сформулював цей біологічний закон німецький вчений середини XIX століття Р. Віхров. Поділу передує відтворення генетичного матеріалу (репродукція ДНК), подвоєння хромосом. При розподілі хромосоми рівномірно розподіляються по двом дочірнім клітинам. У кожній хромосомі безліч генів. У людини 46 хромосом, які містять близько 40 000 генів.

Кожна клітина зберігає інформацію про те, коли їй треба ділитися. Час існування клітини – від появи до наступного поділу або від появи до смерті – називають клітинним циклом. Кожна людська істота з’явилося на світло з однієї клітини після безлічі повторюваних поділів, і процес цей триває протягом усього його життя. Саме так відбувається заміна відмираючих і відновлення пошкоджених клітин і тканин. Наприклад, з поверхні шкіри постійно злущується верхній шар, а натомість в нижніх шарах утворюються нові клітини. Мільярди нових клітин крові щодня надходять у кров’яне русло, замінюючи зношені або заповнюючи втрачені при кровотечі.

Швидкість поділу клітин може підвищуватися або знижуватися в залежності від потреби організму. У клітинах зародка людини розподіл відбувається кожні 12 год, але в міру росту людини частота поділу клітин поступово знижується. Деякі клітини (наприклад, нервові), сформувавшись, втрачають здатність до відтворення, а інші (кісткові) діляться тільки при необхідності відновлення якогось пошкодженої ділянки тканини. Порушення цілісності тканини викликає різке прискорення клітинного ділення. Ось чому подряпини і садна швидко затягуються.

Як регулюється клітинний розподіл, на жаль, до кінця не з’ясовано, хоча механізм цього процесу має дуже важливе прикладне значення. Ви, звичайно, знаєте, що таке рак. При раку поділ клітин протікає безконтрольно і дуже швидко, з утворенням пухлинної тканини, “яка паразитує” в організмі. З плином часу ракові клітини мігрують і утворюють нові осередки пухлинного росту. Поступово пухлина вражає життєво важливі органи, і людина гине. Чому, коли саме клітини немов сходять з розуму і втрачають здатність регулювати швидкість ділення? Якби вдалося розгадати цю загадку, то знайшлися б ліки, що припиняють поділ клітин ракової пухлини. Існуючі ж зараз препарати, на жаль, діють на всі клітини, в тому числі і на здорові. Це призводить до небажаних побічних дій і обмежує можливості протипухлинної хіміотерапії.

Розподіл клітин майже завжди супроводжується подвоєнням і рівномірним розподілом генів по дочірнім клітинам. І це абсолютно необхідно, так як саме гени керують усіма процесами життєдіяльності в клітці. Якщо хоча б один життєво важливий ген в клітці відсутній, вона гине.

Перебуваючи в ядрі, гени передають органел цитоплазми інформацію про те, які речовини і в якій кількості необхідно синтезувати або розщеплювати. Ми вже згадували, що центрами білкового синтезу в клітині є рибосоми. Але як рибосома дізнається, який білок їй збирати з існуючого великого набору амінокислот? Для цього ген посилає з ядра інформаційну РНК, з якою рибосомная РНК “зчитує” необхідну програму синтезу. В результаті дана рибосома набуває здатності з’єднувати амінокислоти в певній послідовності, тобто синтезувати потрібний в даний момент білок. Причому тільки цей і ніякий інший. Що надійшла з ядра клітини інформація зберігається в рибосомах протягом деякого часу, після чого потрібно її заповнення.

Найважливішими білками, що регулюють процеси внутрішньоклітинного обміну речовин і функції клітини, є ферменти. Оскільки синтез білків відбувається під управлінням генів, то можна сказати, що дія генів реалізується через ферменти. Кожен ген контролює синтез одного ферменту.

В основу діяльності механізму регуляції біохімічних процесів закладений універсальний принцип зворотного зв’язку. Він забезпечує підтримку концентрації ферменту на заданому природою рівні. Ген пам’ятає потрібну концентрацію ферменту, необхідну для синтезу білків в клітині. Як тільки концентрація ферменту зменшується, ген визначає (ідентифікує) це і, активізуючись, дає команду на його додаткову вироблення. Але як пояснити, наприклад, чому гени, відповідальні за освіту речовини, з якого формуються нігті на пальцях ніг, функціонують тільки в певній частині пальців, а гени, відповідальні за ріст волосся, – в іншій ділянці тіла? Частково це пов’язано з наявністю в хромосомах особливих білків – гістонів. Вони, поряд з ДНК, є частиною структури хромосом і пригнічують активність генів. Гістони не залишаються в хромосомах на одних і тих же місцях, вони весь час пересуваються від однієї частини хромосоми до іншої в міру того, як виникає необхідність в підвищенні або, навпаки, в придушенні активності того чи іншого гена.

Багато гормони (докладніше про гормонах ми розповімо в розділі 2.3 “Гормональні засоби, що коректують роботу ендокринної системи”) мають здатність руйнувати гистони або блокувати їх вплив на окремі гени. На їх фоні співвідношення гістонів і ДНК різко збільшується в сторону останніх, в результаті чого підвищується вироблення інформаційних РНК і синтез білка в клітині. Так, при введенні жіночих статевих гормонів естрогенів відбувається різке підвищення утворення білків в матці, а чоловічий статевий гормон тестостерон надає аналогічну дію на тканину передміхурової залози.

Виявилося, що деякі антибіотики пригнічують життєдіяльність бактерій за рахунок уповільнення їх зростання і розмноження (докладніше про антибіотики можна дізнатися з глави 2.12 “Протимікробні та протипаразитарні засоби”). Вони зупиняють синтез РНК в ядрі бактеріальної клітини, припиняють надходження інформаційної РНК в цитоплазму, уповільнюють синтез білків, і, отже, гальмують ріст бактерій.

Жива клітина – це активна, динамічна структура. У ній відбувається перетворення енергії, синтез, розпад і перенесення речовин. Весь цей комплекс реакцій називають метаболізмом, або обміном речовин, причому процеси синтезу називають анаболизмом, а процеси розпаду – катаболизмом.

Для підтримки будь-яких процесів життєдіяльності клітці необхідна енергія. Вона потрібна для обміну речовин, руху всіх видів, процесів активного перенесення речовин через клітинну мембрану. Енергія потрібна також для підтримання постійної температури. Так, у теплокровних тварин (в тому числі у людини) значна частина з’їденої їжі витрачається на підтримання теплового балансу.

Джерелом енергії для клітини є продукти, на освіту яких свого часу була витрачена енергія. Клітка розщеплює ці речовини, і укладена в них енергія вивільняється, депонується і в міру потреби використовується.

Основним речовиною, з якого клітина отримує енергію, є глюкоза (її містять вуглеводи їжі). При повному розщепленні глюкози виділяється велика кількість тепла. В принципі така ж кількість тепла утворюється і при спалюванні глюкози. Якби розпад глюкози в організмі відбувався так само швидко, як при згорянні, то енергія, що виділилася просто “підірвала” б клітку. Чому ж цього не відбувається в організмі? Справа в тому, що в клітці глюкоза утилізується не відразу, а поступово, через ряд стадій. Перш ніж глюкоза перетвориться в вуглекислий газ і воду, вона зазнає більш 20 перетворень, тому вивільнення енергії йде досить повільно.

Далеко не завжди клітці потрібна енергія там і тоді, де і коли вона утворюється. Тому вона запасається у вигляді “палива”, яке є для використання в будь-який момент. Це “паливо” – аденозинтрифосфат (АТФ). Особливістю даного з’єднання є те, що при його розщепленні вивільняється багато енергії.

Розглянемо детальніше процес розщеплення глюкози в клітці, який протікає в два етапи. На першому етапі, званому гликолизом і включає 10 ферментативних реакцій, вивільняється частина енергії, яка накопичується у вигляді чотирьох молекул АТФ, і утворюється піровиноградна кислота. Спробуємо запам’ятати назву цієї кислоти, так як це важливо для розуміння всіх процесів перетворення енергії в клітині.

Піровиноградна кислота містить ще значну кількість енергії. Коли ця енергія клітці потрібно, процес триває. Другий етап носить назву циклу Кребса і включає ще 10 послідовних реакцій. Якщо гліколіз відбувається в цитоплазмі, то цикл Кребса – в мітохондріях, куди і повинна проникнути пировиноградная кислота. Мітохондрія, як видно з рісунка.1.1.1 (фрагмент У під “лупою”), складається з відсіків, кожний з яких містить певний фермент. Переходячи з відсіку у відсік, як по конвеєру, піровиноградна кислота послідовно піддається дії ферментів і розпадається.

У всіх реакціях розщеплення глюкози, що протікають на етапах гліколізу і циклу Кребса, відщеплюється водень (реакція дегидрогенизации). Однак газоподібного водню не утворюється, так як кожен його атом передається і зв’язується з’єднанням-посередником, званим акцептором. Кінцевим акцептором водню є кисень. Саме тому кисень необхідний для дихання. Як відомо, взаємодія газоподібного кисню і водню супроводжується вибухом (миттєвим виділенням великої кількості енергії). В живих організмах цього не відбувається, так як водень поступово переходить від одного акцептора до іншого, і на кожному переході (всього їх три) вивільняється тільки невелика частина енергії. В кінці цього “подорожі” водень зв’язується з цитохромом (червоним железосодержащим пігментом), який передає його безпосередньо кисню, утворюється вода. До цього моменту запас зв’язаної енергії значно зменшується, і реакція утворення води протікає абсолютно спокійно. Перші два акцептора водню представляють собою похідні вітамінів групи В – ніацину (нікотинова кислота або вітамін B3) і рибофлавіну (вітамін B2). Ось чому нам так необхідна присутність цих вітамінів в їжі. При їх нестачі процеси вивільнення енергії порушуються, а при повній відсутності клітини гинуть.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Суматранський носоріг