§ 12. Будова та функції немембранних компонентів клітин (цитоплазма, цитоскелет, клітинний центр, веретено поділу). Органели руху клітин

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Ви розбили сире куряче яйце. Бачите білок і жовток. А тепер уявіть: увесь жовток яйця — одна-єдина клітина! Як ви вважаєте, чому яйцеклітина така велика за розмірами?

Яйцеклітина птахів досягає таких розмірів через величезний запас поживних речовин (жовтка), необхідних для розвитку зародка поза материнським організмом. Завдяки цим запасам пташеня повністю формується всередині закритого яйця аж до моменту вилуплення.

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

Розгляньте табл. 4. Обчисліть співвідношення вмісту різних іонів усередині клітини й назовні. Які йони переважають у клітині порівняно з навколишнім середовищем?

У клітині порівняно з міжклітинним середовищем переважають іони Калію ($\text{K}^+$), Магнію ($\text{Mg}^{2+}$), гідрокарбонат-іони ($\text{HCO}_3^-$) та гідрофосфат-іони ($\text{HPO}_4^{2-}$). Назовні переважають іони Натрію ($\text{Na}^+$), Кальцію ($\text{Ca}^{2+}$) та Хлору ($\text{Cl}^-$).

ІНДИВІДУАЛЬНА РОБОТА

Чому цитоплазма — це не лише «вода всередині клітини»?

Вода становить лише основу цитозолю (70–90 %), у якій розчинені сотні білків, амінокислот, цукрів, жирів та неорганічних іонів. Крім того, цитоплазма має тривимірний білковий каркас (цитоскелет), містить усі органели та запасні клітинні включення, забезпечуючи постійний обмін речовин і просторову організацію клітини.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Якщо порівняти клітину з містом, яке місце в ньому займатиме цитоплазма? Це «майданчик», «магістраль» чи «фабрика»? Аргументуйте.

Цитоплазма поєднує в собі всі три ролі, але найбільше виступає «магістраллю» та «майданчиком». Вона є міським майданчиком, на якому компактно розташовані всі установи й будівлі-органели, а нитки цитоскелета та потоки цитозолю працюють як магістралі для щосекундного транспортування вантажів моторними білками. Водночас вона частково є й «фабрикою», оскільки безпосередньо в цитозолі відбуваються хімічні перетворення, наприклад початкове розщеплення глюкози чи синтез глікогену.

ЗНАЙДІТЬ ІНФОРМАЦІЮ Й ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. Які елементи цитоскелета необхідні для підтримання форми клітини?

Для підтримання форми клітини необхідні всі три типи елементів цитоскелета:

1. Проміжні філаменти, які утворюють міцний внутрішній тривимірний каркас клітини.
2. Мікрофіламенти (з білка актину), що формують жорсткий опорний шар під мембраною та підтримують форму клітинних ворсинок.
3. Мікротрубочки (з білка тубуліну), які пронизують цитоплазму і слугують пружними опорними колонами клітини.

2. Які елементи цитоскелета і як забезпечують транспортування речовин усередині клітини?

Транспортування здійснюють мікротрубочки та мікрофіламенти. Мікротрубочки слугують внутрішніми «коліями», якими спеціальні моторні білки перетягують мембранні пухирці з речовинами до потрібних частин клітини. Актинові мікрофіламенти забезпечують переміщення органел та утворюють цитоплазматичний потік, який перемішує цитозоль і розносить розчинені сполуки.

3. Які структури цитоскелета забезпечують активний рух клітин?

Активний рух забезпечують мікрофіламенти та мікротрубочки. Актинові мікрофіламенти утворюють тимчасові вирости клітини — псевдоподії (псевдоніжки) для амебоїдного руху, як у лейкоцитів або амеб. Мікротрубочки утворюють внутрішній скелет постійних органів руху — війок та джгутиків, які працюють за принципом весел або пропелера.

4. Які елементи цитоскелета й чому були важливими для еволюції багатоклітинності?

Найважливішими були проміжні філаменти та мікрофіламенти. Проміжні філаменти беруть участь у формуванні міцних міжклітинних контактів, завдяки чому клітини змогли міцно з’єднуватися між собою та утворювати суцільні пласти тканин. Мікрофіламенти дозволили клітинам змінювати форму й спеціалізуватися під конкретні функції: бути витягнутими м’язовими волокнами, зірчастими нейронами чи плоскими клітинами епітелію.

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

Чи можна вважати цитоскелет «рушієм» еволюції клітинних форм? Обґрунтуйте.

Так, цитоскелет став ключовим рушієм еволюції клітинних форм. Без мікрофіламентів та мікротрубочок клітини залишалися б лише дрібними кульками або паличками зі сталою формою. Саме динамічний білковий скелет дав змогу клітинам активно рухатися, поглинати великі поживні частки шляхом фагоцитозу, безпомилково ділити хромосоми та диференціюватися в сотні різних типів клітин для утворення багатоклітинних організмів.

РОБОТА В ГРУПІ

Уявіть, що ви — інженери / інженерки, які працюють над майбутніми технологіями. Запропонуйте концепт нанороботів на основі цитоскелета.

Концепт біомеханічного наноробота «ЦитоБот» — це мікроскопічна самохідна капсула, що імітує будову та рух живих клітин і керується за допомогою білкових моторів цитоскелета.

Які елементи цитоскелета варто застосувати в такій розробці?

1. Мікротрубочки з білка тубуліну як жорсткий внутрішній каркас корпусу робота та напрямні рейки для внутрішніх переміщень.
2. Моторні білки (кінезини) для пересування корисного вантажу по напрямних трубочках.
3. Мікрофіламенти з актину для створення гнучких штучних кінцівок чи захватів, здатних скорочуватися і змінювати конфігурацію робота.
4. Джгутиковий або війковий апарат на основі системи мікротрубочок для швидкого пересування робота в рідкому середовищі.

Які завдання вони могли б виконувати?

1. Прицільна доставка ліків безпосередньо всередину пошкоджених або ракових клітин без отруєння всього організму.
2. Захоплення та знищення вірусних часток, бактерій або токсинів мікрозахватами подібно до лейкоцитів.
3. Прочищення мікрокапілярів і судин від тромбів або атеросклеротичних бляшок.

Де їх можна було б застосувати?

У медицині (онкологія, мікрохірургія, кардіологія для боротьби з тромбами) та в екологічних біотехнологіях для точкового очищення води від токсичних мікрочасток і солей важких металів.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Наукова спільнота вважає, що склад солей цитоплазми клітин подібний до складу стародавнього середовища, де виникли перші в історії Землі клітини. Якщо це так, то чи був цим середовищем океан? Прісна водойма? Гейзер? Підводний вулкан?

Найімовірніше, цим середовищем були наземні геотермальні водойми або гейзери. У цитоплазмі клітин переважають іони Калію, Магнію та фосфати, а концентрація Натрію дуже низька. Океанська вода збагачена Натрієм і Хлором, тоді як високе співвідношення Калію до Натрію і велика кількість фосфатів характерні саме для парових конденсатів гейзерів та геотермальних джерел.

2. Чому морські водорості холодних морів мають більше ліпідів, амінокислот і цукрів у складі цитоплазми, ніж ті, що живуть у теплих водах? Знайдіть інформацію та поясніть цю різницю.

Цукри та вільні амінокислоти працюють як природний антифриз (кріопротектори), знижуючи температуру замерзання цитоплазми та запобігаючи утворенню смертоносних кристалів льоду всередині клітини. Додаткові ліпіди з ненасиченими жирними кислотами роблять клітинні мембрани гнучкими та плинними, не даючи їм тверднути й руйнуватися на холоді.

3. Чому цитоскелет називають «внутрішнім скелетом» клітини? У чому він схожий на скелет багатоклітинного організму і чим відрізняється від нього?

Цитоскелет називають внутрішнім скелетом, тому що він підтримує просторову форму клітини, фіксує органели та забезпечує клітинний рух.

Схожість полягає у виконанні однакових базових функцій — створення міцного каркаса, захисту внутрішніх компонентів від механічного стискання та забезпечення руху в просторі.

Головна відмінність у тому, що цитоскелет надзвичайно динамічний: він може швидко розбиратися на окремі молекули білків і збиратися заново в іншій частині клітини всього за кілька хвилин, тоді як скелет тварин є сталою твердою конструкцією.

4. Якби клітини не мали цитоскелета, які структури або функції цих клітин були б неможливими?

Без цитоскелета стали б неможливими:

1. Збереження складної форми клітин тварин, утворення відростків (наприклад, аксонів нейронів) або захисних мікроворсинок.
2. Рух клітин за допомогою війок, джгутиків або псевдоніжок (зокрема пересування амеб чи лейкоцитів).
3. Поділ клітини, оскільки без веретена поділу хромосоми не можуть розійтися до полюсів.
4. Адресна доставка білків та органел по клітині, а також захоплення поживних часток шляхом фагоцитозу чи піноцитозу.

5. Побудуйте схему «Життєвий шлях мікротрубочки». Зазначте, де і з чого вона утворюється та як використовується. Скільки альтернативних «життєвих шляхів» є в мікротрубочки? Чи є в неї супутники або помічники?

Мікротрубочка збирається в клітинному центрі (центросомі) з молекул білка тубуліну. Вона має три основні альтернативні шляхи використання: стати ниткою веретена поділу для розподілу хромосом, перетворитися на внутрішньоклітинну транспортну «рейку» або увійти до постійного осьового комплексу війок і джгутиків. Головними супутниками й помічниками мікротрубочок є моторні білки (кінезин і динеїн), які рухаються вздовж них і тягнуть за собою органели чи пухирці.

6. Деякі ліки, наприклад рослинний алкалоїд колхіцин, блокують утворення мікротрубочок. Що станеться, якщо мікротрубочки не будуть утворюватися? Які клітинні процеси порушаться першими?

Першим повністю заблокується поділ клітини, оскільки без мікротрубочок не може сформуватися веретено поділу і хромосоми не розійдуться до полюсів. Одночасно зупиниться внутрішньоклітинний транспорт, бо моторні білки втратять білкові «рейки», якими переміщують везикули з речовинами. Також клітина втратить здатність підтримувати форму, порушиться рух війок чи джгутиків, і в результаті вона загине або залишиться зі збільшеним набором хромосом.