ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ – Біологія, довідник для абітурієнта

Біологія

ЗАВДАННЯ ТА ВІДПОВІДІ

8. ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ

8.1. ОСНОВИ ЦИТОЛОГІЇ. ОБМІН РЕЧОВИН І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ. РОЗМНОЖЕННЯ ТА ІНДИВІДУАЛЬНИЙ РОЗВИТОК ОРГАНІЗМІВ

8.1.1. Що собою являє наука цитологія?

Цитологія – наука про клітину. Предмет цитології – клітини одноклітинних та багатоклітинних організмів. Цитологія вивчає будову клітин, їх функції, розмноження та розвиток, пристосування до умов навколишнього середовища. Отже, цитологія – комплексна наука, що має тісні зв’язки з іншими біологічними науками, а також

з хімією, фізикою, математикою тощо.

8.1.2. Кому належить термін “клітина”? Коли і за яких обставин відкрито клітину?

Термін “клітина” вперше застосував Роберт Гук у 1665 р. Розглядаючи тонкий зріз корка за допомогою сконструйованого ним мікроскопа, Гук побачив, що корок складається з комірок – клітин. Хоча Р. Гук мав справу лише з оболонками мертвих клітин, сам термін прижився в науці.

8.1.3. Хто відкрив одноклітинні організми?

Одноклітинні організми відкрив голландський дослідник Антоні ван Левенгук наприкінці XVII ст. Роздивляючись у сконструйований ним мікроскоп краплини води, він

помітив одноклітинні організми і описав їх (головним чином найпростіших – інфузорій).

8.1.4. Хто є авторами клітинної теорії? Які положення вона включає?

Перші положення клітинної теорії сформулював німецький зоолог Т. Шванн у 1838 р. При цьому він спирався на праці німецького ботаніка М. Шлейдена. Цю теорію пізніше доповнив німецький вчений Р. Вірхов та російський К. Бер. Сучасна клітинна теорія включає такі положення: 1) клітина – основна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів, найменша одиниця живого; 2) клітини всіх одноклітинних та багатоклітинних організмів подібні (гомологічні) за своєю будовою, хімічним складом, основними проявами життєдіяльності та обміном речовин; 3) клітини розмножуються поділом, і кожна нова клітина утворюється внаслідок поділу материнської клітини; 4) у складних багатоклітинних організмів клітини спеціалізовані за виконуваними ними функціями й утворюють тканини; 5) із тканин складаються органи, які тісно пов’язані між собою й підпорядковані нервовій та гуморальній системам регуляції.

8.1.5. Який внесок зробив Карл Бер у розвиток цитології та ембріології?

Академік Російської Академії наук Карл Бер відкрив яйцеклітину ссавців і встановив, що всі багатоклітинні організми починають свій розвиток з однієї клітини — заплідненої яйцеклітини (зиготи). Таким чином, він довів, що клітина – не тільки одиниця будови, а й одиниця розвитку. Карл Бер створив також теорію зародкових листків.

8.1.6. Який вклад вніс Рудольф Вірхов у розвиток клітинної теорії?

Рудольф Вірхов відкрив процес поділу клітин і сформулював положення про те, що кожна нова клітина утворюється від такої самої материнської клітини внаслідок її поділу. До цього відкриття вважалося, що клітини виникають з міжклітинної речовини.

8.1.7. Які методи застосовуються для вивчення будови клітини?

Для вивчення будови клітини насамперед застосовують методи світлової та електронної мікроскопії. Щоб вивчити окремі органели, застосовують спеціальні барвники, за допомогою яких можна вибірково виявляти окремі клітинні структури та ін. Для вивчення хімічного складу клітини або її частин застосовують метод центрифугування; він грунтується на тому, що різні органели клітини мають неоднакову щільність. При дуже швидких обертах в ультрацентрифузі різні органели попередньо подрібнених клітин розташовуються шарами: щільніші осідають швидше і опиняються знизу, а найменш щільні – зверху. Шари розділяють і вивчають окремо. Для вивчення клітини застосовують і інші фізичні та хімічні методи досліджень.

8.1.8. Чим світлова мікроскопія відрізняється від електронної?

Світлова мікроскопія грунтується на тому, що пучок світла від джерела світла збирається в конденсорі і спрямовується на досліджуваний об’єкт. Пройшовши крізь нього, промені світла потрапляють у систему лінз об’єктива і створюють первинне зображення, яке збільшується за допомогою лінз окуляра. Електронний мікроскоп за будовою близький до світлового. Але замість променів світла через об’єктив проходить потік електронів, який створюється високою напругою між катодом та анодом. Ця висока напруга прискорює рух електронів. Роль лінз в електронному мікроскопі виконують електромагніти. Електрони, які летять з великою швидкістю, спочатку концентруються на досліджуваному об’єкті, а потім потрапляють на люмінесцентний екран, на якому можна спостерігати зображення об’єкта. Це зображення виникає завдяки тому, що різні частини об’єкта мають різну щільність; це впливає на те, що електрони через різні частини об’єкта проходять з різною швидкістю і можуть концентруватись на певних частинах об’єкта. Отримане зображення можна фотографувати.

8.1.9. Чим відрізняється будова прокаріотичної та еукаріотичної клітин?

Будова прокаріотичних організмів значно простіша, ніж еукаріотичних. До прокаріотичних організмів належать бактерії та ціанобактерії. Клітини прокаріотів не мають ядра, яке замінює особлива ядерна зона в цитоплазмі (нуклеоїд). У прокаріотів немає типових хромосом, їх спадковий матеріал представлений лише молекулою ДНК, яка не зв’язується з білками. Клітини прокаріотів позбавлені багатьох органел клітини, які характерні для клітин еукаріотів: комплексу Гольджі, ендоплазматичної сітки, мітохондрій, пластид, лізосом та ін. Рибосоми прокаріотів дрібніші, ніж у еукаріотів. Функціональну роль мітохондрій та пластид у клітинах прокаріотів виконують досить просто побудовані мембранні структури.

8.1.10. Які клітини хребетних мають найбільші розміри?

Найбільші розміри в хребетних мають нервові клітини, тонкі відростки яких можуть сягати завдовжки понад 1 м.

8.1.11. Чим відрізняється будова клітинної оболонки в клітин тварин, рослин та грибів?

Як у клітин тварин, так і в клітин рослин будова клітинної оболонки складна. Вона складається із зовнішнього шару і розташованої під ним плазматичної мембрани. Будова плазматичної мембрани клітин тварин та рослин подібна. Вона складається з білків та ліпідів. Клітини тварин та рослин відрізняються будовою зовнішнього шару клітинної оболонки. У клітин рослин понад плазматичною мембраною розташована щільна клітинна стінка, яка здебільшого складається з клітковини. Вона являє собою зовнішній каркас, відіграє захисну функцію, забезпечує тургор рослинних клітин, через клітинну стінку відбувається транспорт води і різних сполук. Зовнішній шар поверхні тваринних клітин дуже тонкий, еластичний, непомітний у світловий мікроскоп. Він складається з різноманітних полісахаридів та білків і називається глікокалікс. Глікокалікс виконує; функції безпосереднього зв’язку клітин із зовнішнім середовищем. Оскільки він має незначну товщину (менше 1 мкм), то не виконує опорної функції, властивої клітинним стінкам рослин. Глікокалікс, як і клітинні стінки рослин, утворюється внаслідок життєдіяльності самих клітин. Клітини грибів оточені тонкою твердою стінкою, основним компонентом якої часто є хітин (азотовмісний полісахарид). У деяких випадках клітинна стінка грибів містить целюлозу.

8.1.12. Яка будова плазматичної мембрани? Чи однакова будова плазматичної мембрани клітин прокаріот та еукаріот?

Будова плазматичної мембрани клітин еукаріот та прокаріот однакова. Вона складається з білків та ліпідів. Молекули ліпідів розташовані в два ряди, а молекули білків суцільного шару не утворюють, вони або заглиблені в подвійний шар ліпідів, або перетинають його, або розташовані зовні чи зсередини від цього шару. Молекули білків і ліпідів рухомі, що забезпечує динамічність плазматичної мембрани.

8.1.13. Які функції плазматичної мембрани?

Плазматичній мембрані належить багато важливих функцій, від яких залежить життєдіяльність клітини: регуляція транспорту речовин в клітину та з неї; “впізнавання” клітин та різних речовин; здатність клітин сприймати подразники та відповідати на них завдяки білкам, вбудованим у мембрану, які можуть змінювати свою структуру під впливом різних подразників. Мембранам не властива статичність: молекули, які входять до складу плазматичної мембрани, користуються

Значною свободою переміщення, мембрани швидко формуються над оголеними ділянками цитоплазми, легко зливаються одна з іншою, розтягуються та стискаються при русі клітини або при зміні форми клітин. Одна з основних функцій плазматичної мембрани полягає в тому, що вона утворює бар’єр, який відмежовує внутрішній вміст клітини від зовнішнього середовища. Через плазматичну мембрану здійснюється обмін речовин, тобто мембрана виконує транспортну функцію. Через плазматичну мембрану виводяться продукти обміну, а також речовини, синтезовані в клітині. Завдяки плазматичній мембрані здійснюється зв’язок між клітинами в тканинах багатоклітинних організмів: у місцях з’єднання двох клітин мембрана кожної з них може утворювати складки або вирости, які надають з’єднанню особливу міцність. Зв’язок між клітинами рослин здійснюється завдяки утворенню тонких канальців, заповнених цитоплазмою і вкритих плазматичною мембраною (плазмодесми). Через такі канальці речовина з однієї клітини транспортується в іншу.

8.1.14. Як концентрація іонів натрію та калію впливає на транспортування речовин через плазматичну мембрану?

Концентрація іонів калію та натрію впливає на транспорт речовин через плазматичну мембрану; цей механізм транспортування речовин отримав назву калієво-натрієвого насосу. Концентрація іонів натрію всередині клітини, а іонів калію – зовні клітини нижча, тоді як концентрація іонів натрію зовні клітини, а іонів калію всередині клітини вища. Тому іони натрію прагнуть проникнути в клітину, а іони калію – навпаки. Різниця концентрації підтримується завдяки наявності в мембрані особливої системи, яка відіграє роль насоса: відкачує іони натрію з клітини і накачує іони калію всередину її. На цей процес витрачається енергія, накопичена в клітині у вигляді молекул АТФ. Існування такого типу насосу доведено тим, що при низьких температурах або під впливом отруйних речовин концентраціях іонів натрію та калію всередині та зовні клітини вирівнюється. Тенденція іонів натрію до переміщення в клітину використовується для транспорту моносахаридів та амінокислот: енергетично сприятливе транспортування іонів натрію сприяє енергетично несприятливому транспортуванню глюкози, амінокислот тощо.

8.1.15. Як відбувається фагоцитоз? Наведіть приклади клітин, здатних до фагоцитозу.

Фагоцитоз – процес, завдяки якому великі молекули органічних та інших речовин, а також тверді частинки (в тому числі й дрібні клітини) надходять у цитоплазму тваринної клітини. Безпосередню участь у цьому процесі бере плазматична мембрана. У тому місці, де поверхня клітини доторкається до частинки речовини або до дрібної клітини, мембрана прогинається, утворює заглибину й оточує ці частинки. Потім ці частинки у вигляді травної вакуолі надходять у цитоплазму клітини. Фагоцитоз може здійснюватись і шляхом утворення псевдоподій. У травній вакуолі поживні часточки, які надійшли в клітину, перетравлюються. Фагоцитоз зустрічається в найпростіших (наприклад, у амеб) і багатоклітинних тварин: безхребетних (травні клітини гідри) та хребетних (наприклад, лейкоцити).

8.1.16. Як відбувається піноцитоз?

Піноцитоз – це процес надходження краплин рідини в клітину через плазматичну мембрану. Цей процес подібний до фагоцитозу: краплина рідини занурюється в цитоплазму в мембранній упаковці і потім під дією ферментів перетравлюється.

8.1.17. Чи зустрічається фагоцитоз і піноцитоз у прокаріот? Відповідь обгрунтуйте.

У прокаріот фагоцитоз не зустрічається, оскільки цьому процесу перешкоджає клітинна стінка. Піноцитоз властивий не тільки клітинам еукаріот, але й прокаріот.

8.1.18. Що собою являє цитоплазма? Яке її значення в житті клітини?

Цитоплазма є обов’язковою частиною клітини, це внутрішнє напіврідке середовище клітини, розташоване між плазматичною мембраною і ядром. Цитоплазма включає різні органели; простір між ними заповнений водним розчином солей та органічних речовин, серед яких переважають білки (основа цитоплазми, яка становить собою безбарвну колоїдну систему, має назву гіалоплазма). До складу цитоплазми входять такі органели: ендоплазматична сітка, рибосоми, мітохондрії, пластиди, комплекс Гольджі, лізосоми, органели руху, вакуолі та ін. У цитоплазмі зосереджені й різноманітні включення – продукти клітинної діяльності, а також мікротрубочки й мікрофібрили (ультрамікроскопічні нитки), які утворюють скелет клітини (цитоскелет). Основні процеси обміну речовин відбуваються в цитоплазмі. Синтезовані речовини пересуваються по цитоплазмі всередині клітини або виводяться з неї. Таким чином, цитоплазма об’єднує в одне ціле ядро та всі органели, забезпечує їх взаємодію, а також діяльність клітини як єдиної цілісної біологічної системи.

8.1.19. Яка реакція середовища клітини: кисла, лужна чи нейтральна? Чим така реакція пояснюється?

У нормі реакція клітини слабо-лужна, майже нейтральна, незважаючи на те, що в процесі життєдіяльності клітини постійно утворюються кислоти й луги. Це пояснюється наявністю в клітині аніонів слабких кислот Н2С03, НР042- і слабких кислот Н2С03 які зв’язують і віддають іони водню, внаслідок чого реакція внутрішнього середовища клітини практично не змінюється.

8.1.20. Що собою являють лізосоми? Які їх функції?

Лізосоми – це дрібні сферичні органели клітини близько 1 мкм в діаметрі, оточені клітинною мембраною. Лізосоми містять гідролітичні ферменти, які можуть розщеплювати білки, жири, вуглеводи тощо. Лізосоми беруть участь у перетравлюванні речовин, які надходять у клітину ззовні, і компонентів самої клітини. У першому випадку лізосоми зливаються з піноцитозними або фагоцитозними вакуолями і утворюють вторинні лізосоми (травні вакуолі), в яких перетравлюються речовини, що надійшли в клітину. У другому випадку лізосоми беруть участь у перетравленні частин клітини, які відмерли в процесі життєдіяльності, або в перетравленні цілих клітин та органів (наприклад, забезпечують зникнення хвоста в пуголовків).

8.1.21. Як відбувається утворення лізосом у клітині?

Лізосоми містять набір гідролітичних ферментів, здатних розщеплювати різні речовини. Білкова частина цих ферментів синтезується за участю рибосом на мембранах гранульованої ендоплазматичної сітки. Потім ці білки по системах канальців і порожнин ендоплазматичної сітки просуваються до комплексу Гольджі, де вкриваються мембраною і надходять у цитоплазму.

8.1.22. Чому ферменти, які містяться в лізосомі, звичайно не перетравлюють вміст клітини?

Лізосоми оточені дуже міцною мембраною, яка запобігає проникненню власних ферментів у цитоплазму клітини. Але якщо лізосома пошкоджена будь-якими зовнішніми впливами, то перетравлюється або вся клітина, або її частина.

8.1.23. Яка будова і функції ендоплазматичної сітки?

Ендоплазматична сітка (ендоплазматичний ретикулюм) забезпечує синтез та транспортування органічних речовин у клітини. Вона являє собою систему цистерн та канальців, що сполучаються між собою і оточені мембраною. Продукти синтезу спочатку накопичуються в канальцях та порожнинах, а потім транспортуються до різних органел клітини (зокрема, до комплексу Гольджі). Ендоплазматична сітка зв’язує між собою основні органели клітини. Вона буває гладенькою та гранульованою (зернястою).

8.1.24. Чим відрізняються функції гладенької та гранульованої ендоплазматичної сітки?

На мембранах гранульованої ендоплазматичної сітки розташовані рибосоми, а мембрани гладенької ендоплазматичної сітки рибосом не несуть. Гранульована ендоплазматична сітка бере участь у синтезі білка. На мембранах гладенької ендоплазматичної сітки відбувається синтез ліпідів та вуглеводів. За участю ендоплазматичної сітки в інтерфазі формується оболонка ядра.

8.1.25. Яка будова і функції рибосом?

Рибосоми – це органели, які містяться в клітинах еукаріот і прокаріот, але в прокаріот рибосоми дрібніші за розмірами. Рибосоми складаються з двох субодиниць: великої та малої. До їх складу входить р-РНК та білок. За участю рибосом відбувається біосинтез білка.

8.1.26. Що собою являє комплекс Гольджі? Які його функції?

Комплекс Гольджі – це органела еукаріотичних клітин, названий на честь італійського вченого, який його відкрив. Комплекс Гольджі складається із стосу розташованих паралельно одна одній сплющених цистерн. Ці цистерни нерідко бувають вигнутими, що надає комплексу Гольджі полярність. Від цистерн в усі боки відходять мембранні переплетення у вигляді трубочок і пухирців, які створюють переплетення. Пухирці формуються на трубочках та відбруньковуються від них. Головна функція комплексу Гольджі – пакування та транспортування по клітини речовин, які в ній синтезуються, виведення цих речовин з клітини, в певних випадках – синтез різних речовин. Комплекс Гольджі бере участь в утворенні клітинної стінки рослинних клітин. У процесі клітинного поділу міхурці, які відбруньковуються від комплексу Гольджі, перемішуються в область, де буде формуватися клітинна стінка, і зливаються між собою. У результаті утворюються два шари мембран, які перетворюються на плазматичні мембрани, а вміст міхурців бере участь у формуванні клітинної стінки. Комплекс Гольджі бере участь в утворенні борозни дробіння, постачаючи необхідні матеріали для формування плазматичної мембрани. У комплексі Гольджі утворюються лізосоми, з його елементів формуються скоротливі вакуолі. Видозмінений комплекс Гольджі – акросома – знаходиться у головці сперматозоїда. Ферменти, які містяться в акросомі, розчиняють оболонку яйцеклітини, забезпечуючи проникнення сперматозоїда. Таким чином, ця органела бере участь в оновленні й рості плазматичної мембрани.

8.1.27. У чому проявляється зв’язок між комплексом Гольджі та ендоплазматичною сіткою?

Зв’язок між комплексом Гольджі та ендоплазматичною сіткою проявляється в тому, що ці органели в клітині мають безпосереднє просторове сполучення і пов’язані між собою функціонально. По канальцях ендоплазматичної сітки до комплексу Гольджі транспортуються продукти біосинтезу – білки, вуглеводи, ліпіди. Усі ці речовини спочатку накопичуються, сортуються за хімічним складом, видозмінюються, а потім у складі більших чи менших пухирців надходять у цитоплазму і використовуються самою клітиною або виводяться за її межі. Наприклад, лізосоми утворюються завдяки діяльності комплексу Гольджі, а білки, які входять до складу їх ферментів, синтезуються на мембранах ендоплазматичної сітки, а потім транспортуються до комплексу Гольджі.

8.1.28. Як зрозуміти поняття про “єдину мембранну систему клітини”?

Під єдиною мембранною системою в клітині розуміють комплекс взаємопов’язаних органел, таких як ендоплазматична сітка, комплекс Гольджі, лізосоми. Взаємозв’язок між цими органелами проявляється в тому, що мембранні елементи ендоплазматичної сітки та апарата Гольджі мають просторовий та функціональний зв’язок. Мембрани ендоплазматичної сітки поділяють цитоплазму клітини на функціональні комірки (компартменти). Наявність компартментів дозволяє клітині одночасно здійснювати несумісні біохімічні процеси.

8.1.29. Що собою являють мітохондрії? Які їх функції?

Мітохондрії мають різну форму: овальні, паличко-ниткоподібні тощо. Кількість мітохондрій у клітині залежить від її функціональної активності. Мітохондрії оточені подвійною мембраною, причому внутрішня мембрана утворює численні складки – кристи. Всередині мітохондрій знаходяться окислювальні ферменти, РНК, ДНК та рибосоми. У внутрішню мембрану мітохондрій вбудовані специфічні ферменти, за допомогою яких відбувається перетворення енергії, яка звільняється в ході окисно-відновних реакцій, на енергію хімічних зв’язків молекул АТФ, необхідну для забезпечення життєдіяльності клітини та організму в цілому.

8.1.30. Будова та функції хлоропластів.

Хлоропласти – один з різновидів пластид. Хлоропласти містяться в клітинах листків, інших зелених частин рослин та в деяких одноклітинних тварин (наприклад, евглени зеленої). їх розміри 4-6 мкм, найчастіше овальної форми, кількість хлоропластів у клітині може варіювати. Вкриті подвійною мембраною – зовнішньою гладенькою та внутрішньою складчастою, складки спрямовані всередину хлоропласта: ламели мають вигляд пласких і видовжених складок, а тилакоїди – сплощених мішечків або вакуолей. Зібрані разом тилакоїди утворюють грани, які мають вигляд купки монет. У мембранах тилакоїдів знаходиться хлорофіл. Окремі грани зв’язані між собою і з внутрішньою мембраною за допомогою ламел. Основна функція хлоропластів – здійснення фотосинтезу. Завдяки хлорофілу в хлоропластах відбувається перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію АТФ. Між внутрішніми мембранами хлоропласту містяться ДИК, РНК та рибосоми, за допомогою яких синтезується білок. Розмножуються, як і мітохондрії, поділом.

8.1.31. Які бувають типи пластид?

Розрізняють три основні типи пластид: зелені – хлоропласти; червоні, оранжеві й жовті – хромопласти; безбарвні – лейкопласти. Наявність хлоропластів надає органам рослин зеленого кольору, хромопласти забарвлюють віночки квіток, плоди тощо в різні кольори: жовтий, оранжевий, червоний. Сполучення хромопластів, які містять різні пігменти, створює значне різноманіття забарвлення квіток та плодів. Лейкопласти містяться в цитоплазмі не забарвлених частин рослин, наприклад, у стеблах, коренях, бульбах. Форма лейкопластів різноманітна. У них може накопичуватись крохмаль. Всі типи пластид виникають з первинних пластид (пропластид). Хлоропласти, хромопласти та лейкопласти здатні до взаємного перетворення: але хромопласти в інші типи пластид не перетворюються, вони є кінцевим етапом розвитку цих органел.

8.1.32. Де в хлоропластах знаходиться пігмент хлорофіл?

У хлоропластах пігмент хлорофіл локалізується в мембранах тилакоїдів, які мають вигляд сплющених мішечків, оточених мембраною. Вони заглиблені у водянистий матрикс, або строму. У вищих рослин тилакоїди зібрані в грани, які за виглядом нагадують купку монет.

8.1.33. Чим можна пояснити наявність власного спадкового матеріалу в мітохондріях та пластидах?

Наявність власного спадкового апарата в мітохондріях та пластидах у вигляді молекул ДНК можна пояснити з точки зору теорії симбіогенезу. Згідно з цією теорією, клітини еукаріот виникли внаслідок симбіозу кількох прокаріотичних клітин, з яких у процесі еволюції утворилися окремі органели клітин еукаріот, зокрема мітохондрії та пластиди. Це підтверджується тим, що спадковий матеріал мітохондрій та пластид нагадує такий апарат клітин прокаріот, крім того, рибосоми мітохондрій та пластид за розмірами нагадують рибосоми клітин прокаріот.

8.1.34. У чому полягає автономія мітохондрій та пластид у клітині?

Мітохондрії та пластиди виникають внаслідок поділу материнських мітохондрій та пластид, а не утворюються заново. Мітохондрії та пластиди мають власний спадковий матеріал у вигляді молекули ДНК, яка кодує спадкову інформацію, а також власний білок синтезуючий апарат, завдяки якому вони можуть синтезувати власні специфічні білки. Таким чином, ці органели певною мірою контролюють утворення власних компонентів.

8.1.35. Яка будова і функції клітинного центру?

Клітинний центр зустрічається в клітинах багатьох видів тварин і розташований поблизу ядра. Основа клітинного центру – два маленьких тільця – центріолі, розміщені в невеликій ділянці ущільненої цитоплазми, від якої радіально розходяться мікрофібрили. Кожна центріоля має форму циліндра завдовжки до 1 мкм і складається з мікротрубочок. Центріолі відіграють важливу роль у поділі клітини тварин: вони беруть участь в утворенні веретена поділу.

8.1.36. Які типи вакуолей зустрічаються в клітинах рослин та тварин?

У клітинах тварин зустрічаються травні вакуолі, в яких перетравлюються поживні речовини, а також скоротливі, які регулюють внутрішньоклітинний тиск і беруть участь у процесах дихання й виділення прісноводних одноклітинних організмів. У клітинах рослин вакуолі заповнені клітинним соком і містять переважно заласні поживні речовини. Вони можуть займати більшу частину об’єму клітини і створюють внутрішньоклітинний тиск, сприяючи підтриманню форми клітини, беруть участь у процесах росту. Для мембрани вакуолей характерна вибіркова проникність, тому концентрація речовин у цитоплазмі може відрізнятись від концентрації речовин усередині вакуолей. У вакуолях можуть накопичуватись кінцеві продукти обміну речовин рослинної клітини.

8.1.37. Які ви знаєте органели руху клітини?

До органел руху клітини насамперед належать війки, джгутики, псевдоподїї. За допомогою війок відбувається війчастий рух (інфузорії), джгутиків – джгутиковий (джгутиконосці), псевдолодій – амебоїдний (амеби). За допомогою джгутиків пересуваються сперматозоїди багатоклітинних організмів. Війки є в клітин повітроносних шляхів дихальної системи хребетних. За допомогою псевдоподій пересуваються лейкоцити. Псевдоподії забезпечують і захоплення твердих часток (процес фагоцитозу). Крім того, існує м’язовий рух, який відбувається за допомогою скоротливих волоконець – міофібрил, які знаходяться в м’язових клітинах.

8.1.38. Яка різниця в будові мікротрубочок і мікрониток?

Мікротрубочки – довгі порожні циліндри, стінки їх складаються з білків. З мікротрубочок складаються джгутики та війки. Мікронитки – дуже тонкі структури, які складаються з білка. У м’язових клітинах вони створюють структури, які забезпечують скоротливу функцію цих клітин. Ці органели забезпечують клітинний рух та утворюють скелет клітини (цитоскелет).

8.1.39. Які з основних органел клітини мають двомембранну оболонку?

З основних органел клітини двомембранну оболонку мають ядро, мітохондрії та пластиди. У мітохондрій внутрішня мембрана утворює численні складки – кристи, у хлоропластів – ламели та тилакоїди.

8.1.40. Які клітинні включення зустрічаються в клітині?

У цитоплазмі клітин зустрічаються непостійні структури, які називають включеннями. На відміну від органел, вони то виникають, то зникають у процесі життєдіяльності клітини. Вуглеводи, жири та білки накопичуються в цитоплазмі у вигляді краплин та зерен різних розмірів та форми. Мінеральні речовини можуть бути розчинені в цитоплазмі або мати вигляд кристалів. Зокрема, кристали оксалату кальцію в клітинах рослин (наприклад, у клітинах черешка листка бегонії) являють собою продукти обміну речовин, але можуть використовуватись у процесі росту, при цвітінні та дозріванні плодів. Запасні поживні речовини можуть накопичуватись та синтезуватись у всіх пластидах рослинних клітин. У рослинних клітинах накопичення запасних поживних речовин відбувається у вакуолях, які часто займають майже весь об’єм клітини.

8.1.41. Яка будова і функції ядра?

Характерною рисою еукаріотичних клітин є наявність одного або кількох ядер. У деяких організмів (наприклад, в інфузорій) ядра можуть бути різних типів: вегетативні та генеративні. Ядро здебільшого округлої форми, але в клітинах рослин, де об’єм клітини заповнений в основному вакуолями, ядро може бути сплюснуте, у лейкоцитів ядра лопатеві тощо. Ядро оточене ядерною оболонкою – подвійною мембраною. У ядерних мембранах є пори; у стінках цих пор внутрішня мембрана, не перериваючись, переходить у зовнішню. Ядерна оболонка відсутня лише протягом клітинного поділу, а в інтерфазі виникає знову. Зовнішня мембрана часто переходить, не перериваючись, у мембрану ендоплазматичної сітки. Це пояснюється тим, що ця органела після клітинного поділу бере участь у формуванні ядерної оболонки. Зовнішня частина ядерної оболонки може бути вкрита рибосомами. Між

Зовнішньою та внутрішньою мембранами ядерної оболонки знаходиться вузький простір, заповнений напіврідкою речовиною.

Під ядерною оболонкою міститься ядерний сік (каріоплазма, або нуклеоплазма). У ньому знаходяться ядерця і сітка тонких ниток, між якими розташовані щільніші маси речовини, яка здатна до забарвлення. Речовина, що забарвлюється, – це хроматин; тонкі його нитки складають еухроматин, а щільні маси – гетерохроматин. Саме хроматин внаслідок конденсації і стискання під час клітинного поділу перетворюється на хромосоми. Кількість ДНК в ядрі постійна для кожного виду організмів.

Кількість ядерець в ядрі може бути різною (від одного до десяти і більше). Ядерця прикріплюються до певної ділянки окремих хромосом (вторинної перетяжки) і формуються під його впливом, внаслідок чого ця ділянка отримала назву організатора ядерця. Тип ядерця залежить від типу клітини та її метаболічного стану: більші та щільніші ядерця характерні для клітин, які відзначаються високою активністю (ембріональні клітини, клітини, які здійснюють синтез білка тощо). У процесі клітинного поділу ядерце зникає, а потім знову з’являється. Ядерце та хроматин, який з ним пов’язаний, беруть участь в утворенні субодиниць рибосом, які потім переходять у цитоплазму. Ядро є центром управління клітини, воно бере участь у зберіганні й передачі спадкової інформації. Ядро регулює процеси росту і розвитку клітини. Таким чином, ядро відіграє провідну роль у явищах спадковості, оскільки в ядрі кожної клітини міститься основна спадкова інформація, необхідна для розвитку цілого організму з усіма його властивостями і ознаками.

8.1.42. Чим визначається кількість ядер, які містяться в клітині?

Багатоядерні клітини (наприклад, клітина мукора, посмугованих м’язів) можуть утворюватися внаслідок зникнення перегородок між клітинами. Крім того, в кожному типі клітин існує постійне співвідношення між об’ємом ядра і об’ємом цитоплазми, інакше кажучи, в клітині даного типу, яка виконує певні функції, одне ядро здатне “обслуговувати” певний об’єм цитоплазми, підтримуючи його в “робочому стані”. Якщо ж об’єм цитоплазми перевищує той, який може “обслуговувати” одне ядро, то кількість ядер звичайно збільшується.

8.1.43. Як формуються ядерця? Який їх склад? Які функції вони виконують?

Ядерця – щільні округлі тільця, розміри яких можуть коливатись, як і їх кількість у ядрі, від 1 до 10. До складу ядерця входять РНК і білок. Ядерця зв’язані з хромосомами, вони утворюються на певних ділянках хромосом. У ядерцях синтезується РНК, яка входить до складу рибосом, формуються великі й малі частини (субодиниці) рибосом. Ядерця формуються і помітні лише під час інтерфази, а під час поділу клітини руйнуються.

8.1.44. Чим визначається провідна роль ядра у спадковості? Як це можна довести?

Оскільки в ядрі клітини знаходяться хромосоми, які містять ДНК, що кодує спадкову інформацію, ядра клітин забезпечують зберігання спадкової інформації. Це й визначає провідну роль ядра в явищах спадковості. Довести це можна за допомогою дослідів, наприклад, над одноклітинною водоростю ацетабулярією. Декілька видів цієї водорості ростуть у Середземному морі. Вони складаються з тонких стебелець, що мають на верхньому кінці шляпку, за формою яких ці види й розрізняють. Ядро розташоване в основі стебельця. Якщо в одного з видів ацетабулярії штучно видалити шляпку, а до стебельця підсадити ядро іншого виду, то через деякий час на водорості з підсадженим ядром утворюється шляпка, характерна для того виду, чиє ядро було підсаджене, а не того виду, чиє було стебельце. Подібні досліди можна провести і на яйцеклітинах деяких тварин.

8.1.45. Як відсутність ядра впливає на властивості клітин?

Наведіть приклади рослинних і тваринних клітин, позбавлених ядра.

Прикладом клітин тварин, які не мають ядра, можуть бути еритроцити хребетних, клітин рослин – ситоподібні трубки. У цих клітинах на певному етапі розвитку ядро зникає, тому вони не здатні до розмноження.

8.1.46. Чим визначаються властивості води а організмі?

Унікальні властивості води визначаються структурою її молекул. У молекулі води один атом кисню ковалентно зв’язаний з двома атомами водню. Тому молекула води полярна (диполь). Позитивні заряди сконцентровані в атомах водню, оскільки кисень має більш електронегативний заряд, ніж водень. Негативно заряджений атом кисню однієї молекули води притягується до позитивно зарядженого атома водню іншої молекули, утворюючи при цьому водневий зв’язок, який у 15-20 разів слабший, ніж ковалентний. Тому водневі зв’язки легко розриваються, що спостерігається, наприклад, при випаровуванні води. Внаслідок теплового руху молекул у воді деякі водневі зв’язки розриваються, деякі утворюються. Таким чином, у рідкій воді молекули рухомі, що дуже важливо для процесів обміну речовин. Висока теплоємність води має надзвичайно важливе значення для підтримання теплового балансу як окремих клітин, так і цілісного організму. Молекули води легко проникають через клітинні мембрани. Завдяки високій полярності молекул вода є гарним розчинником інших полярних сполук.

8.1.47. Як структура ліпідів впливає на їх розчинність?

Ліпіди різноманітні за структурою, але всі вони неполярні. Тому вони розчиняються в таких неполярних рідинах, як хлороформ, ефір, але практично не розчинні уводі.

8.1.48. До яких сполук щодо розчинності у воді належать ліпіди: гідрофільні, гідрофобні?

Ліпіди належать до гідрофобних сполук.

8.1.49. У яких розчинниках розчинні жири: воді, спирті, ефірі?

Серед названих розчинників жири розчинні в спирті та ефірі.

8.1.50. Що входить до складу молекули жирів: амінокислоти, глюкоза, гліцерин, жирні кислоти?

До складу молекули жирів входять гліцерин і жирні кислоти.

8.1.51. У яких органелах клітини синтезуються ліпіди: мітохондріях, ядрі, ендоплазматичній сітці, рибосомах, вакуолях?

Ліпіди синтезуються на мембранах гладенької ендоплазматичної сітки.

8.1.52. Які з названих вуглеводів належать до моносахаридів, а які до полісахаридів: глюкоза, крохмаль, фруктоза, глікоген, рибоза, дезоксирибоза, целюлоза?

З названих вуглеводів до моносахаридів належать глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза; до полісахаридів – крохмаль, глікоген, целюлоза.

8.1.53. У яких з названих органел у рослинній клітині накопичується крохмаль: вакуолях, хлоропластах, лейкопластах, мітохондріях?

З названих органел у рослинній клітині крохмаль накопичується у вакуолях, хлоропластах та лейкопластах.

8.1.54. Який хімічний склад білків?

До складу всіх білків входять атоми вуглецю, водню, кисню, азоту. До складу багатьох білків, крім того, входять атоми сірки. Є білки, до складу яких входять також атоми металів – заліза, цинку, міді.

8.1.55. З чого складаються прості білки?

Білки належать до органічних сполук, які мають назву біополімерів. Молекула полімера являє собою довгий ланцюг, в якому багато разів повторюється порівняно проста структура, яка називається мономером.

Білки складаються з подібних, але не зовсім однакових мономерів – залишків амінокислот. Молекули амінокислот складаються ніби з двох частин. Одна частина в усіх амінокислот однакова, це група атомів:

Н-С-NH2

COOH

Інша частина молекули називається радикалом, вона розрізняється в молекулах різних амінокислот. До складу білків різних організмів входять 20 основних амінокислот, причому до складу білків різних видів входять одні й ті ж амінокислоти.

8.1.56. Як сполучаються амінокислоти при утворенні білкової молекули?

При синтезі білкової молекули на рибосомах амінокислотні залишки сполучаються за участі фермента через спільне для всіх амінокислот угруповання: з карбоксильної групи однієї амінокислоти (-СООН) й аміногрупи сусідньої амінокислоти (-NН2) відщеплюється молекула води, і за рахунок вивільнених валентностей залишки амінокислот сполучаються між собою. Між амінокислотами виникає міцний ковалентний зв’язок, який називається пептидним. Утворена сполука називається пептидом. Пептид з двох амінокислот називається дипептидом, з трьох – трипептидом, з багатьох – поліпептидом.

8.1.57. Які ви знаєте структури білків?

Послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка визначає його первинну структуру. Найчастіше поліпептидний ланцюг повністю або частково закручується в спіраль – утворюється вторинна структура білка. Амінокислотні радикали залишаються зовні спіралі. Витки спіралі розміщуються тісно, і між NН-групами, що містяться на одному витку, і СО – групами, розміщеними на сусідньому, утворюються водневі зв’язки. Вони значно слабші, ніж пептидні, але повторюючись багато разів міцно зчіплюють поліпептид у спіраль. Гіоліпептидна спіраль також укладається і закручується у певний специфічний спосіб. Третинна структура білкової молекули формується зв’язками трьох типів: іонними, водневими та дисульфідними, а також гідрофобними взаємодіями. У кількісному відношенні найважливіші саме гідрофобні взаємодії. Білок при цьому скручується так, що його гідрофобні бічні ланцюги ховаються всередині молекули, тобто захищаються від взаємодії^ водою, а бічні гідрофільні, навпаки, – виставлені назовні. Багато білків з особливо складною будовою мають декілька поліпептидних ланцюгів, які утримуються в молекулі за допомогою гідрофобних взаємодій, а також іонних та водневих зв’язків. Такий спосіб укладання поліпептидних ланцюгів отримав назву четвертинної структури білка (наприклад, гемоглобін складається з 4 поліпептидних ланцюгів).

8.1.58. Що таке денатурація? Яка денатурація називається зворотною?

Денатурацією називають процес порушення природної структури білка, який не зачіпає його первинної структури. Внаслідок денатурації властивості білка змінюються. Процес денатурації зворотний, якщо дія фактора, який її спричинив, припиняється на перших стадіях: при цьому розгорнутий поліпептидний ланцюг здатний самовільно поновити притаманну йому структуру. В інших випадках процес денатурації незворотний. Не зворотний характер має і процес деструкції – руйнування первинної структури білків.

8.1.59. Назвіть функції білків, вуглеводів та ліпідів у клітині.

Білки в клітині виконують такі функції: будівельну, каталітичну, сигнальну, рухову, транспортну, захисну, енергетичну, регуляторну; вуглеводи – енергетичну та будівельну; ліпіди – будівельну, енергетичну, запасаючу і захисну.

8.1.60. Чим визначається рухова функція білків?

Рухова функція білків визначається наявністю особливих скоротливих білків: актину, міозину тощо. Так, при м’язовому скороченні молекули актину та міозину, орієнтовані паралельно осі м’язів, зсуваються один щодо іншого завдяки системі поперечних містків, утворених елементами міозину. Таким чином, довжина міофібрил у саркомері (основна структурна одиниця міофібрил, ділянка міофібрили м’язового волокна, що повторюється) змінюється внаслідок ковзання актинових ниток уздовж міозинових. Усі види руху, до яких здатні клітини вищих тварин, а також рух війок і джгутиків у найпростіших виконують особливі скоротливі білки.

8.1.61. Яка властивість білків лежить в основі подразливості живих організмів?

В основі подразливості живих організмів лежить здатність білків до зворотної зміни своєї структури у відповідь на дію фізичних і хімічних факторів. У цьому полягає сигнальна функція білків. У поверхневій мембрані клітини містяться молекули білків, здатні змінювати свою структуру у відповідь на дію різних факторів зовнішнього середовища. Так сприймаються сигнали з зовнішнього середовища, які передаються в клітину.

8.1.62. Що лежить в основі захисної функції білків?

При надходженні бактерій або вірусів у кров людини і тварин організм реагує утворенням спеціальних захисних білків – антитіл. Ці білки зв’язуються зі сторонніми для організму сполуками (антигенами), чим подавлюється життєдіяльність збудників захворювань. На кожний антиген організм виробляє особливі антитіла. Антитіла мають дивну властивість: серед тисяч різноманітних антигенів “впізнають” тільки один, з яким і реагують. Такий механізм опору організму збудникам захворювань називають імунітетом. Крім антитіл, які знаходяться у крові, є антитіла і на поверхні особливих клітин, які “впізнають” і захоплюють сторонні клітини. Це клітинний імунітет. Захисну функцію здійснюють і інші білки – інтерферони. Але на відміну від антитіл вони неспецифічні щодо збудників захворювань.

8.1.63. Що собою являють ферменти?

Ферменти є клітинними каталізаторами біохімічних реакцій. Відомо понад тисячу ферментів. Основу ферменту становлять білки, до них може приєднуватись не білкова частина (вітаміни, метали тощо). Ферменти прискорюють біохімічні процеси в десятки, сотні разів. Ферменти мають такі особливості: 1) каталізують лише певні реакції і проявляють високу специфічність щодо перетворюваних сполук. Кожна молекула ферменту здатна здійснювати від кількох тисяч до кількох мільйонів операцій за хвилину. У ході цих реакцій фермент не втрачає своєї структури і, отже, своєї активності. Фермент просторово сполучається з речовинами, які вступають у реакцію, прискорює їх перетворення і виходить з реакції незмінним; 2) оскільки ферменти – макромолекули, мають велику молекулярну масу, а речовини, які вступають у реакцію, що каталізується даним ферментом, можуть мати значно меншу молекулярну масу, то активна не вся молекула ферменту, а лише її частина – активний центр. Активний центр геометрично відповідає структурі молекул речовин, які вступають у реакцію. Це забезпечує просторове зближення молекул речовин, які вступають у реакцію, та активного центру ферменту, які відповідають один одному майже як “ключ та замок”; але структура активного центру не жорстка, а лабільна; 3) внаслідок денатурації білка, що входить до складу ферменту, його каталітична активність зникає, бо порушується структура активного центру; 4) щоб фермент був активний, потрібна певна кислотність середовища (рН середовища), тобто певна концентрація іонів водню, і певна температура; 5) для ферментів як у клітині, так і в організмі в цілому характерна певна локалізація, оскільки процес розщеплення або синтезу будь-якої речовини в клітині або в організмі поділений на ряд хімічних операцій, які закономірно йдуть одна за одною. Кожну з цих операцій каталізує свій фермент. Група ферментів, які каталізують ланцюг таких хімічних реакцій, є ніби своєрідним біохімічним конвеєром.

8.1.64. Хто запропонував модель будови молекули ДНК?

Модель будови молекули ДНК запропонували Дж. Уотсон та Ф. Крику 1953 р. Вона повністю підтверджена експериментально. Ця модель відіграла важливу роль у розвитку молекулярної біології та генетики.

8.1.65. Де в ядрі знаходиться основна кількість ДНК, РНК?

У ядрі молекули ДНК розміщені в хромосомах, а РНК – в ядерці.

8.1.66. В яких органелах еукаріотичних клітин розташовані ДНК, РНК?

В еукаріотичних клітинах ДНК розміщена в ядрі, мітохондріях і хлоропластах, а РНК – в ядрі, рибосомах, мітохондріях, хлоропластах і цитоплазмі.

8.1.67. Де молекули ДНК знаходяться у вірусах, прокаріотичних та еукаріотичних клітинах?

У ДНК-вмісних вірусах молекула ДНК знаходиться під оболонкою і становить дволанцюгове кільцеве з’єднання (в розумінні лінії, що не має кінців). Ця ДНК компактно складена в клубок, оскільки її фізична довжина набагато більша від розмірів вірусу. Взагалі вірусні нуклеїнові кислоти мають різноманітний вигляд: одно-або дволанцюгових спіралей, які, в свою чергу, бувають лінійними, кільцевими або скрученими вторинно.

У прокаріотичних клітинах основна частина ДНК розміщена в ядерній зоні (нуклеоїді), вона являє собою замкнене дволанцюгове, компактно складене кільце. Як правило, молекула ДНК має багато петель, кожна з яких зверхспіралізована. Деякі бактерії містять одну чи кілька молекул ДНК у вигляді кільця, які знаходяться в цитоплазмі (плазміди). Вони несуть теж генетичну інформацію. В еукаріотичних клітинах основна частина ДНК, що несе генетичну інформацію, розміщена в ядрі, а саме – в хромосомах. У мітохондріях, а в рослинних клітинах – і в пластидах міститься й синтезується власна ДНК.

8.1.68. Що являє собою нуклеотид?

Нуклеотид – хімічна сполука, яка складається із залишків трьох сполук: азотистої основи, вуглеводу (моносахаридів, дезоксирибози в молекулі ДНК або рибози в молекулі РНК) і фосфорної кислоти. ДНК утворені сполученням чотирьох видів нуклеотидів. У всіх чотирьох видів нуклеотидів залишки вуглеводу і фосфорної кислоти однакові, хоча кількість залишків фосфорної кислоти може бути різною (три в молекулі АТФ і два – в молекулі АДФ). Нуклеотиди відрізняються азотистою основою, відповідно до якої їх називають: нуклеотид, що містить азотисту основою аденін (А), гуанін (Г), тимін (Г) або цитозин (Ц). Розмір А приблизно дорівнює Г, а Т – Ц; розміри А і Г приблизно вдвічі більші, ніж Т і Ц. У молекулах РНК замість Т є близький до цієї азотистої основи урацил (У).

8.1.69. Як відбувається сполучення нуклеотидів у нитки ДНК? Як нитки ДНК сполучаються в подвійну спіраль?

Сполучення нуклеотидів у нитки ДНК відбувається через утворення зв’язку між залишками вуглеводу одного нуклеотиду і фосфорної кислоти у складі сусіднього. Це міцний ковалентний зв’язок (фосфорно-диефірний). Коли нитки ДНК сполучаються в подвійну спіраль, азотисті основи одного ланцюга “стикуються” з азотистими основами іншого. Основи підходять одна до одної настільки близько, що між ними виникають водневі зв’язки. Азотисті основи сполучаються за принципом компліментарності: проти аденіна (А) одного ланцюга завжди опиняється тимін (Т) іншого ланцюга, а проти гуаніну (Г) одного ланцюга – завжди цитозин (Ц) іншого. Саме таке поєднання азотистих основ забезпечує однакову по всій довжині подвійної спіралі відстань між ланцюгами, а також утворення між розміщеними навпроти азотистими основами максимальної кількості водневих зв’язків (три водневі зв’язки виникають між Г і Ц та два – між А і Т). У кожному з цих поєднань обидва нуклеотиди ніби доповнюють один одного, тому прийнято казати, що Г є комплементарним до Ц, а Т – до А. Таким чином, якщо відома послідовність нуклеотидів в одному з ланцюгів, то за принципом компліментарності можна встановити послідовність нуклеотидів у другому ланцюгу. Велика кількість водневих зв’язків забезпечує міцне сполучення ниток ДНК, що надає молекулі стійкості й разом з тим забезпечує її рухомість.

8.1.70. Спосіб, яким відбувається подвоєння молекул ДНК, називається напівконсервативним. Поясніть, чому цей процес має таку назву.

В основі подвоєння молекул ДНК лежить принцип компліментарності. При подвоєнні молекули ДНК подвійна спіраль ДНК розкручується, за допомогою особливих ферментів розриваються водневі зв’язки, які сполучають нитки ДНК. Ці нитки розходяться і до кожного з нуклеотидів обох ниток послідовно приєднуються комплементарні нуклеотиди. Нитки материнської молекули ДНК, що розійшлися, є матричними – вони і визначають порядок розміщення нуклеотидів у ланцюгу ДНК, що синтезується заново. Таким чином, внаслідок подвоєння утворюються дві подвійні спіралі ДНК (“дочірні” молекули), кожна з яких має одну нитку, отриману від “материнської” молекули, і одну нитку, синтезовану заново. Тому такий спосіб подвоєння молекули ДНК називається напівконсервативним.

8.1.71. Яка із структурних одиниць відповідає за синтез визначеної молекули білка; молекула ДНК, нуклеотид, триплет, ген?

З названих структурних одиниць за синтез визначеної молекули білка відповідає ген.

8.1.72. Які існують види РНК?

У прокаріотичних та еукаріотичних клітинах є три основні види РНК:

– матрична (або інформаційна) РНК (м-РНК або і-РНК) – це одноланцюжковий полінуклеотид, що являє собою матрицю, яку використовують рибосоми при переведенні генетичної інформації з ДНК (у вигляді послідовності нукпеотидів) в послідовність амінокислотних залишків молекул білків. Кожна м-РНК кодує один або кілька поліпептидних ланцюгів;

– транспортна РНК (т-РНК) – це одноланцюговий полінуклеотид із специфічною конфігурацією. Кожній з амінокислот відповідає одна чи кілька т-РНК, які зв’язують цю амінокислоту, переносять до рибосоми і є “адаптером” при переведенні закодованої в м-РНК генетичної інформації в послідовність амінокислотних залишків молекул білків;

– рибосомальні РНК (р-РНК) беруть участь у структурній організації рибосом (разом з білками є основним їх компонентом), а також у виконанні рибосомами функції синтезу білкових молекул.

8.1.73. Молекула якого з видів РНК має найменші розміри?

Найменші розміри з основних видів РНК мають молекули транспортної РНК (т-РНК), які транспортують амінокислотні залишки до місця синтезу білкових молекул.

8.1.74. Що являє собою молекула транспортної РНК (т-РНК)?

Молекули т-РНК транспортують відповідні молекули амінокислот до рибосом. Молекула т-РНК має форму листка конюшини, тому що в певних місцях ланцюжка є 4-7 послідовних ланок, комплементарних одна одній. На цих ділянках між комплементарними нуклеотидами утворюються водневі зв’язки. Біля верхівки молекули міститься особливий триплет нуклеотидів (антикодон), який є комплементарним відповідному кодону (триплету, який кодує певну амінокислоту) у складі і-РНК. Біля ніжки “листка конюшини” є ділянка, де за допомогою ковалентного зв’язка приєднується амінокислотний залишок.

8.1.75. Які функції обміну речовин?

Обмін речовин виконує дві функції: перша – забезпечує клітини будівельним матеріалом. З речовин, що надходять у клітину (амінокислот, моносахаридів, органічних кислот, нуклеотидів) синтезуються білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти тощо. З них формується тіло клітини, її мембрани, органели. Реакції синтезу відбуваються не тільки в молодих клітинах, але й у тих клітинах, які припинили ріст і розвиток, оскільки хімічний склад клітини протягом її життя багато разів оновлюється. Сукупність біохімічних реакцій, що забезпечує побудову клітини та оновлення її складу, називають пластичним обміном. Друга функція обміну речовин – забезпечення клітини енергією. Будь-який прояв життєдіяльності потребує витрат енергії, для чого використовується енергія, яка звільняється внаслідок хімічних реакцій. Ця енергія вивільняється внаслідок розщеплення речовин, що надходять, і перетворюється на інші види енергії. Сукупність реакцій, які забезпечують клітини енергією, називають енергетичним обміном. Через пластичний і енергетичний обміни здійснюється зв’язок клітин і організму в цілому із зовнішнім середовищем. Ці процеси є основною умовою функціонування біологічних систем, джерелом їх росту і розвитку.

8.1.76. У чому виявляється взаємозв’язок між процесами пластичного та енергетичного обміну?

Процеси пластичного й енергетичного обмінів у клітині тісно взаємопов’язані, оскільки, з одного боку, у процесах біосинтезу використовується енергія, яка звільняється в ході реакцій енергетичного обміну. З іншого боку, для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідні ферменти, які синтезуються в ході реакцій пластичного обміну, а у ході реакцій енергетичного обміну розкладаються речовини, синтезовані в ході реакцій пластичного обміну.

8.1.77. Чому асиміляцію називають пластичним обміном, а дисиміляцію – енергетичним?

При асиміляції відбувається біосинтез речовин (пластичний обмін), а при дисиміляції – виділення енергії при розщепленні речовин (енергетичний обмін).

8.1.78. Які з названих процесів належать до пластичного, а які – до енергетичного обміну: біосинтез білків, фотосинтез, синтез АТФ, реакції окиснення?

До пластичного обміну відносять процеси біосинтезу білків, фотосинтезу і синтезу АТФ, а до енергетичного – реакції окиснення.

8.1.79. Які етапи можна виділити в процесі розщеплення й окиснення глюкози в клітині?

Умовно весь процес розщеплення й окиснення глюкози в клітині можна розбити на три етапи. Перший етап відбувається в цитоплазмі, поза мітохондріями. На цьому етапі одна шестивуглецева молекула глюкози розщеплюється до двох трьох вуглецевих молекул. Другий етап – окиснення відбувається всередині мітохондрій, також за допомогою особливих ферментів. На цьому етапі внаслідок окиснення трьох вуглецевих залишків глюкози утворюються молекули – носії енергії, СО2 та Н2О. Третій, заключний, етап окиснення глюкози відбувається на кристах мітохондрій. На цьому етапі окиснення важливу роль відіграють ферменти, здатні переносити електрони. Структури, які забезпечують проходження третього етапу, мають назву ланцюга переносу електронів. У ланцюг переносу електронів надходять молекули – носії енергії, які отримали енергетичний заряд на другому етапі окиснення глюкози. Електрони від молекул-носіїв енергії, як по східцях, переміщуються з вищого енергетичного рівня на нижчий. Вивільнена при цьому енергія витрачається на синтез молекул АТФ. Електрони молекул-носіїв енергії, які віддали енергію на синтез АТФ, з’єднуються з киснем. Внаслідок цього утворюється вода. У ланцюзі переносу електронів кінцевим акцептором електронів є кисень.

8.1.80. Що являє собою гліколіз?

Гліколіз – без кисневе розщеплення глюкози, яке відбувається в цитоплазмі клітин. Це складний, багатоступеневий процес, комплекс реакцій, що йдуть одна за одною; кожну з них каталізує специфічний фермент. Внаслідок без кисневого розщеплення глюкози виділяється енергія, 40% якої зберігається у формі хімічних зв’язків між залишками фосфорної кислоти в молекулах АТФ, а приблизно 60% розсіюється.

8.1.81. Чому при окисненні органічних сполук вивільняється енергія?

Електрони в складі молекул органічних сполук мають значний запас енергії, вони наче підняті на високий енергетичний рівень. Енергія вивільняється, коли електрони переміщуються з вищого рівня на нижчий у своїй або іншій молекулі або атомі, які здатні бути приймачами електронів. Таким приймачем електронів є кисень. У цьому й полягає його головна біологічна роль.

8.1.82. Чому кисневе розщеплення глюкози (аеробне) енергетично більш вигідне, ніж без кисневе (анаеробне)?

При без кисневому (анаеробному) розщепленні глюкози, яке відбувається з участю ферментів, утворюються дві трьох вуглецеві молекули вуглеводів (тріози). Проте ці молекули лише, частково окислюються і віддають малу частину своїх електронів не кисню, а особливій органічній сполуці – їх переноснику. За рахунок виділеної енергії утворюються лише дві молекули АТФ.

При кисневому розщепленні глюкози більше половини енергії, що вивільняється, перетворюється в енергію молекул АТФ (синтезується 36 молекул АТФ), а приблизно 45% енергії розсіюється у вигляді тепла. Тому кисневе розщеплення глюкози енергетично більш вигідне, ніж без кисневе.

3.1.83. Що є спільного при окисненні органічних речовин у мітохондріях та при їх горінні?

При окисненні органічних речовин у мітохондріях та їх горінні спільним є утворення СО2 і Н2О.

8.1.84. Чим процес горіння відрізняється від процесу біологічного окиснення органічних речовин?

Кінцевими продуктами горіння, так само як і окиснення, є вуглекислий газ і вода. При цьому енергія виділяється у вигляді тепла. Але процеси біологічного окиснення органічних речовин суттєво відрізняються від горіння. Так, процеси біологічного окислення проходять ступінчасто, за участі низки ферментів. При згорянні органічних речовин майже вся енергія виділяється у вигляді теплоти. При біологічному окисненні близько 50% енергії органічних речовин перетворюється на енергію АТФ, а також інших молекул – носіїв енергії. Інші 50% енергії окиснення перетворюються в теплоту. Оскільки ферментативні процеси окиснення йдуть ступінчасто, теплова енергія виділяється поступово і встигає розсіюватись у зовнішньому середовищі, не пошкоджуючи чутливих до нагрівання білків та інших речовин клітини.

8.1.85. Чи може вільний кисень тривалий час знаходитись в клітині?

Вільного кисню в клітинах практично немає, оскільки, потрапивши в клітину, він відразу ж вступає в реакцію окиснення. Це має велике біологічну значення, тому що О2 виявляє значну хімічну активність і діє згубно на живу матерію.

8.1.86. Яка особливість будови АТФ?

За хімічною структурою АТФ належить до нуклеотидів. У АТФ, як і в кожному нуклеотиді, містяться залишки азотистої основи (аденіну), вуглеводу (рибози) і три залишки фосфорної кислоти. При цьому два із залишків фосфорної кислоти сполучені між собою макроергічним зв’язком. Якщо під дією ферменту відщеплюється один залишок фосфорної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфорну

Кислоту (АДФ), звільняючи близько 42 кДж енергії. Коли ж від молекули АТФ відщеплюються два залишки фосфорної кислоти, утворюється аденозинмонофосфорна кислота (АМФ), при цьому звільняється 84 кДж енергії. Молекула АМФ також може розщеплюватися за формулою: АМФ + Н20-АДЕНОЗИН (складається із залишків аденіну та рибози) + Н3РО4

Велика кількість енергії, яка звільняється під час розщеплення АТФ, використовується для біохімічного синтезу необхідних організму сполук, підтримання певної температури тіла тощо. З іншого боку, частина енергії, що звільняється, іде на синтез АТФ із АДФ чи АМФ та молекул фосфорної кислоти, які зв’язуються макроергічними зв’язками. Таким чином, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах. Хімічна природа макроергічмих зв’язків остаточно ще не з’ясована, однак за енергоємністю вони перевищують звичайні у кілька разів. Так, макроергічні зв’язки (42 кДж) майже у 2,5 раза енергоємніші, ніж звичайний хімічний зв’язок між залишками фосфорної кислоти та рибози.

8.1.87. Чим пояснюється нестабільність молекулярної структури АТФ?

Молекулярна структура АТФ нестабільна, тому що однойменні заряди (негативно заряджені атоми кисню у залишках фосфорної кислоти) відштовхуються один від одного. Під впливом специфічних ферментів молекула АТФ гідролізується, тобто приєднує молекулу води й розщеплюється: АТФ + Н20 – АДФ + Н3РО4.

8.1.83. В яких органелах рослинної та тваринної клітин синтезується АТФ?

У рослинній клітині – в мітохондріях і хлоропластах, у тваринній – у мітохондріях.

8.1.89. Де відбувається синтез АТФ у мітохондріях: на зовнішній мембрані, на кристах, у матриксі?

Синтез АТФ у мітохондріях відбувається на кристах.

8.1.30. В якому вигляді АТФ міститься в клітині?

Оскільки реакція вмісту клітини в нормі близька до нейтральної, АТФ міститься в клітині не у вигляді кислоти, а у вигляді солі (у формі аніону). У цих умовах у залишках фосфорної кислоти замість груп – ОН містяться негативно заряджені атоми кисню (-О-).

3.1.31. Яке дихання називається аеробним і анаеробним? Що є спільним для аеробного та анаеробного дихання?

Існують два типи дихання – аеробне та анаеробне. Дихання з використанням кисню повітря називається аеробним, а без нього – анаеробним. При анаеробному диханні органічні речовини розкладаються неповністю, тобто не до СО2 та Н2О, а до проміжних сполук (етилового спирту, молочної кислоти тощо), при цьому виділяється незначна кількість тепла. Анаеробне дихання властиве багатьом мікроорганізмам – дріжджам, певним групам бактерій тощо. Прикладом анаеробного дихання є спиртове бродіння. Дихання і спиртове бродіння мають спільну першу фазу – гліколіз.

8.1.92. Що таке гниття та бродіння? Що спільного і відмінного між цими процесами? Наведіть приклади.

Гниття – це розкладання азотовмісних органічних сполук (переважно білків) мікроорганізмами (як аеробними, так і анаеробними). За участю ферментів білки розщеплюються до амінокислот. Врешті-решт утворюються такі сполуки, як аміак, сірководень, двоокис вуглецю тощо. Серед цих речовин є токсичні й такі, що мають неприємний запах. Гниття відбувається в грунті, водоймах, кишечному тракті тварин і людини. Бродіння – це процес анаеробного розкладання сполук, що містять вуглець, за участю ферментів. Внаслідок бродіння вуглеводи розкладаються неповністю, і при цьому утворюються такі сполуки, як етиловий спирт (спиртове бродіння), молочна кислота (молочнокисле бродіння) тощо.

8.1.93. Чому паразити внутрішніх органів хребетних запасають переважно глікоген, а не жири, хоч відомо, що жири більш енергоємні, ніж вуглеводи?

Паразити внутрішніх органів хребетних, наприклад, печінковий сисун, бичачий ціп’як тощо, які живуть в основному в умовах дефіциту кисню, запасають переважно глікоген, а не жири (хоч при розщепленні жирів енергії утворюється майже в 2 рази більше, ніж при розщепленні вуглеводів). Це пояснюється тим, що в умовах дефіциту кисню основним джерелом енергії для цих паразитів є безкисневе розщеплення глюкози (гліколіз), хоч цей процес значно поступається за кількістю вивільненої енергії окисненню жирів. Крім того, жири розщеплюються повільніше, ніж вуглеводи.

8.1.94. Чому в печінці і м’язах тварин запасаються вуглеводи у вигляді глікогену, хоч тваринний організм зберігає більшу частину енергії у вигляді запасів жиру?

Це пояснюється тим, що при розщепленні жирів хоч і виділяється майже в 2 рази більше енергії, ніж при розщепленні білків і вуглеводів, однак жири розкладаються повільніше, ніж вуглеводи, які вже на стадії гліколізу вивільняють енергію, частина якої використовується для синтезу АТФ. Тому на випадок термінової мобілізації енергії в печінці та м’язах зберігається певна кількість енергії у формі хімічних зв’язків молекул глікогену.

8.1.95. Які речовини утворюються в процесі фотосинтезу: вуглеводи, ДНК, РНК, білки, АТФ?

У світловій фазі фотосинтезу синтезується АТФ, а в темновій – вуглеводи.

8.1.96. З яких неорганічних речовин синтезуються вуглеводи при фотосинтезі: двоокису вуглецю, кисню, молекулярного азоту, аміаку, води?

У темновій фазі фотосинтезу вуглеводи синтезуються з СО2 та Н2О.

8.1.97. При розщепленні якої речовини виділяється вільний кисень у процесі фотосинтезу: двоокису вуглецю, води, АТФ, білків, крохмалю?

Вільний кисень виділяється в процесі фотосинтезу при розщепленні (фотолізі) води. Цей процес відбувається за участю специфічних ферментів.

8.1.98. В яку фазу фотосинтезу утворюються вільний кисень і АТФ?

Вільний кисень і АТФ утворюються в світлову фазу фотосинтезу.

8.1.99. Чи розщеплюється молекула СО2 при синтезі вуглеводів у процесі фотосинтезу?

Молекула СО2 при синтезі вуглеводів не розщеплюється.

8.1.100. Який процес має назву фотолізу води? Як цей процес здійснюється в рослинних клітинах?

Фотоліз води – це процес розщеплення молекул води в хлоропластах. Цей процес здійснюється особливим ферментом під дією світла.

8.1.101. Чи обов’язково темпова фаза фотосинтезу відбувається в темряві? Які процеси відбуваються в темпову фазу?

Темнова фаза фотосинтезу може здійснюватись як на світлі, так і в темряві. У темнову фазу рибулозо-біфосфат виконує роль акцептора СО2. Особливий фермент зв’язує цей вуглевод із вуглекислим газом повітря. При цьому утворюються сполуки, які за рахунок енергії АТФ та інших молекул – носіїв енергії відновлюються до шестивуглецевої молекули глюкози. Таким чином, енергія світла, перетворена протягом світлової фази, в енергію АТФ та інших молекул – носіїв енергії, використовується для синтезу глюкози.

8.1.102. У чому полягає космічна роль зелених рослин?

Поняття про космічну роль зелених рослин сформулював академік К. А. Тимірязєв. Сприймаючи сонячні промені і перетворюючи їх енергію в енергію органічних речовин, зелені рослини забезпечують збереження і розвиток життя на Землі. Вони утворюють майже всю органічну речовину і є основою живлення гетеротрофних організмів, оскільки синтезована рослинами органічна речовина передається далі по ланцюгах живлення. Весь кисень атмосфери теж має фотосинтетичне походження. Під дією ультрафіолетових променів кисень атмосфери переходить в озон (О3). Озоновий екран захищає живу матерію від дії шкідливих короткохвильових ультрафіолетових променів. Таким чином, зелені рослини є ніби посередником між Сонцем і життям на Землі.

8.1.103. Чим хемосинтез відрізняється від фотосинтезу? Наведіть приклади організмів, здатних до хемосинтезу.

Як фотосинтез, так і хемосинтез є процесами синтезу органічної речовини з неорганічних сполук. Але якщо при фотосинтезі синтез органічної речовини йде за рахунок сонячної енергії, то при хемосинтезі – за рахунок енергії, яка звільняється внаслідок хімічних реакцій. Цей тип пластичного обміну відкрив російський мікробіолог С. М. Виноградський. Він помітив, що для деяких груп мікроорганізмів світло не є необхідною умовою для синтезу органічних сполук. їм потрібні складні неорганічні сполуки, здатні окислюватись, кисень, вода та двоокис вуглецю, які використовуються для синтезу органічної речовини. Для цього мікроорганізми мають особливий ферментативний апарат, який дозволяє їм перетворювати енергію хімічних реакцій, зокрема енергію окиснення неорганічних речовин, в енергію синтезованих органічних сполук. З мікроорганізмів, які здійснюють хемосинтез, відомі нітрифікуючи бактерії, а також залізобактерії та сіркобактерії. Перша група використовує енергію, яка виділяється при окисненні азотистої кислоти в азотну. Залізобактерії використовують енергію, яка вивільняється при окисненні двовалентного заліза в тривалентне. Сіркобактерії окиснюють сірководень до сірчаної кислоти.

8.1.104. Які властивості генетичного коду?

Генетичний код триплетний. Кожна з амінокислот, які входять до складу білка, кодується послідовністю з трьох нуклеотидів – триплетом, який отримав назву кодон. Генетичний код однозначний, тобто кожний триплет кодує лише одну амінокислоту. Генетичний код універсальний, тобто єдиний для всіх організмів, які існують на Землі. У прокаріот, рослин, тварин, людини одні й ті самі триплети кодують одні й ті самі амінокислоти. Генетичний код не перекривається, тобто зчитування генетичної інформації може відбуватися лише одним способом і неможливе іншим. Послідовність нуклеотидів зчитується із визначеної точки. Це визначає, як зчитувати у вигляді триплетів весь довгий ланцюжок нуклеотидів (у деяких вірусів одна й та сама нуклеотидна послідовність кодує два різних білки, для чого ви-користовуються дві різні рамки зчитування кодонів, тобто є “гени всередині генів”). Генетичний код вироджений, тобто одна амінокислота може кодуватись не одним, а кількома певними триплетами нуклеотидів. Між генами існують розділові знаки. Кожен ген кодує один білковий ланцюжок. Оскільки в ряді випадків і-РНК (м-РНК) є копією кількох генів, то вони мають бути відокремлені один від одного (послідовності нуклеотидів, які не несуть генетичної інформації і розділяють окремі гени, мають назву спейсери). В генетичному коді існують три особливі триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких сигналізує про припинення синтезу одного білкового ланцюга, тобто ці триплети виконують функції стоп-кодонів. А триплет АУГ визначає початок синтезу поліпептидного ланцюга.

8.1.105. Більшість амінокислот у коді ДНК закодовані не одним, а кількома триплетами. Яке це має біологічне значення?

У коді ДНК деякі амінокислоти закодовані не одним, а кількома триплетами – двома, чотирма і навіть шістьма (тобто генетичний код вироджений). Лише дві амінокислоти (метіонін та триптофан) мають по одному кодуючому триплету. Ця властивість коду має велике значення для підвищення надійності зберігання й передачі спадкової інформації.

8.1.106. Доведіть, що кожна амінокислота кодується саме триплетом нуклеотидів, а не іншою кількістю.

До складу білків входить 20 основних амінокислот (у тварин). Але відомо всього чотири види нуклеотидів, які розрізняються своїми азотистими основами. Отже, амінокислоти не можуть визначатися кодонами, які складаються всього з двох нуклеотидів, тому що чотири нуклеотиди можуть утворити тільки 42 = 16 різних двонуклеотидних з’єднань, тобто не можуть забезпечити кодування всіх основних амінокислот тварин. У кодоні має бути мінімум три нуклеотиди, бо в цьому разі можливі 43 = 64 різні трьохнуклеотидні з’єднання; їх з надлишком вистачає для кодування амінокислот, які входять до складу білків тварин. Як доведено дослідами, переважна більшість амінокислот кодується не одним, а кількома триплетами, тобто генетичний код вироджений.

8.1.107. Чому відповідає інформація одного гена, закодована на молекулі ДНК: цілому білку, амінокислоті?

Інформація одного гена відповідає структурі цілого білка.

8.1.108. Що таке кодон і антикодон?

Кодон – це послідовність із трьох нуклеотидів (триплет) молекули нуклеїнової кислоти. Антикодон – це послідовність із трьох нуклеотидів на верхівці молекули т-РНК, комплементарних нуклеотидам кодона в молекулі м-РНК (І-РНК).

8.1.109. У чому полягає принцип колінеарності при синтезі ДНК і чи є з нього виняток?

Колінеарність – це властивість, яка забезпечує таку послідовність амінокислот у молекулі білка, в якій відповідні кодони розташовані в гені, тобто послідовність триплетів у молекулі нуклеїнової кислоти визначає порядок розташування амінокислот у молекулі білка. Це значить, що положення кожної амінокислоти в поліпептидному ланцюгу залежить від особливої ділянки гена. Генетичний код вважається колінеарним, якщо кодони нуклеїнових кислот і амінокислоти в молекулі білка, що їм відповідають, розміщені в однаковому лінійному порядку. Оскільки інформація з молекули ДНК на білок переноситься за участю молекулою м-РНК (і-РНК), кодони кожної з амінокислот позначаються відповідно до нуклеотидного складу м-РНК (І-РНК). Проте виявлено, що деякі еукаріотичні гени мають вставні нуклеотидні послідовності (інтрони), які не здатні транслюватися. У деяких вірусів одна й та ж нуклеотидна послідовність ДНК кодує два різних білки, для чого використовує дві різні рамки зчитування кодонів, тобто є “гени всередині генів”.

8.1.110. Які структурні рівні білка формуються при його синтезі на рибосомі: первинний, вторинний, третинний, четвертинний?

При біосинтезі білка на рибосомі формується первинна структура білка.

8.1.111. Де відбувається синтез білків у рослинних та тваринних клітинах?

Біосинтез білків у клітинах рослин і тварин відбувається на рибосомах. У рослин усі амінокислоти синтезуються в клітинах. А в тварин для синтезу власних білків використовуються амінокислоти, які вивільняються при розщепленні білків їжі. Такі амінокислоти називають незамінними, на відміну від замінних, які можуть синтезуватися тваринами.

8.1.112. Назвіть основні етапи біосинтезу білка.

Біосинтез білка відбувається в шість основних етапів, кожен з яких потребує певних компонентів:

– транскрипція – передача в ядрі інформації про структуру білка, яка закодована в молекулі ДНК на молекулу м-РНК (і-РНК): нитки молекули ДНК за допомогою ферментів роз’єднуються і на одному з ланцюгів ДНК за принципом компліментарності синтезується молекула м-РНК;

– на наступному етапі в цитоплазмі кожна амінокислота за участю ферментів приєднується міцним ковалентним зв’язком до відповідної молекули т-РНК (стан активації);

– м-РНК (І-РНК), яка несе інформацію про структуру поліпептида, зв’язується з рибосомою, а потім з т-РНК, що несе амінокислоту, за принципом компліментарності взаємодіє з особливим триплетом (кодоном – АУГ) у складі м-РНК, який дає сигнал про початок синтезу поліпептидного ланцюга (етап ініціації);

– подовження поліпептидного ланцюга за рахунок послідовного сполучення міцним ковалентним зв’язком амінокислотних залишків. Кожний амінокислотний залишок займає своє положення за допомогою відповідної т-РНК, яка утворює комплементарні пари з кодоном м-РНК (процес елонгації). Процес реалізації інформації про структуру білка, записаної в м-РНК у вигляді послідовності нукпеотидів, у послідовність амінокислотних залишків у молекулі білка називається трансляцією;

– завершення синтезу поліпептидного ланцюга, про що сигналізує термінуючий кодон м-РНК (УАА, УАГ, УГА) і звільнення білка з рибосоми (етап термінації і звільнення);

– згортання поліпептидного ланцюга і утворення в цитоплазмі певної просторової конфігурації молекули білка. Таким чином, відбувається утворення функціонально активної молекули білка.

8.1.113. Що таке трансляція і транскрипція?

Трансляція – це процес реалізації інформації про структуру білка, записану в молекулі м-РНК (і-РНК) у вигляді послідовності нуклеотидів, у послідовність амінокислот у молекулі білка, яка синтезується. Транскрипція – це процес перенесення інформації, яка міститься в гені (тобто ділянці молекули ДНК), на молекулу м-РНК (і-РНК).

8.1.114. Як відбувається транскрипція?

Транскрипція, тобто процес синтезу м-РНК (і-РНК) на матричній молекулі ДНК, відбувається так. Особливий фермент полімераза, просуваючись по молекулі ДНК, за принципом компліментарності підбирає нуклеотиди і з’єднує їх в один ланцюг. м-РНК (І-РНК) є копією не всієї молекули ДНК, а лише її частини: одного гена або групи генів, розташованих поруч. На початку кожної групи генів є своєрідний “посадочний майданчик” для ферменту полімерази. Тільки приєднавшись до нього, полімераза здатна почати синтез м-РНК (і – РНК). У кінці групи генів фермент зустрічає сигнал (у вигляді певної послідовності нуклеотидів), який сигналізує про припинення процесу транскрипції. Синтезована м-РНК (І-РНК) відходить від ДНК, залишає ядро і прямує до місця синтезу білків.

8.1.115. Як новосинтезовані білки потрапляють до місця свого призначення?

Після синтезу на рибосомах одні з білків потрапляють відразу в цитоплазму, інші прямують до клітинних органел, треті виділяються (секретуються) з клітини, четверті вбудовуються в мембрани. Для транспортування більшість білків на одному із своїх кінців (Г^і-кінці) мають специфічну послідовність амінокислот (15-30 амінокислотних залишків) – “лідер”. Саме ця послідовність, яка синтезується першою, є тим сигналом, що дозволяє білкам потрапити у визначене для них місце. У білків, які залишають клітину, лідерна послідовність пізнається особливими рецепторними ділянками на зовнішній поверхні ендоплазматичної сітки і проникає крізь мембрану в її порожнину, тягнучи за собою поліпептидний ланцюг. Потім під дією специфічного ферменту “лідер” відщеплюється, білок потрапляє до комплексу Гольджі і у вигляді секреторного пухирця покидає клітину.

8.1.116. Що собою являє функціональний центр рибосоми (ФЦР)? Яку роль він виконує в процесі біосинтезу білка?

Функціональний центр рибосоми (ФЦР) – це частина рибосоми, на якій відбувається трансляція. У ФЦР одночасно можуть перебувати два сусідні триплети м-РНК. Там відбувається зв’язування антикодона т-РНК, яка несе певний амінокислотний залишок, з відповідним кодоном м-РНК. Утворення пептидного зв’язку відбувається лише тоді, коли в ФЦР одночасно перебувають дві молекули т-РНК, що несуть відповідні амінокислотні залишки. Поліпептидний ланцюг, що подовжується, приєднується до т-РНК, яка надходить до ФЦР другою. Перша т-РНК вивільнюється внаслідок переміщення рибосоми вздовж м-РНК на один триплет. Таким чином, м-РНК рухається вздовж рибосоми до завершення процесу біосинтезу білка.

8.1.117. Яке біологічне значення має об’єднання рибосом у полісому?

Скупчення рибосом (до 80 або й більше), коли вони об’єднані однією м-РНК в групу, утворює полісому (полірибосому). Одночасно трансляція однієї м-РНК (і-РНК) багатьма рибосомами значно підвищує ефективність використання матриці, бо за одиницю часу синтезується більше молекул певного білка.

8.1.118. Скільки енергії витрачається на синтез молекули білка?

Процес синтезу молекули білка потребує великих витрат енергії. На сполучення кожної амінокислоти з т-РНК витрачається енергія однієї молекули АТФ. Тому на синтез молекули білка витрачається енергія такої кількості молекул АТФ, яка відповідає кількості амінокислот, що входять до складу білка. Крім того, енергія певної кількості молекул АТФ потрібна і для взаємодії м-РНК з рибосомою та пересування м – РНК (і-РНК) по рибосомі.

8.1.119. Яка роль ферментів у біосинтезі білка?

Синтез білка відбувається за участю ферментів. Усі реакції білкового синтезу каталізуються специфічними ферментами. Так, фермент полімераза бере участь у синтезі молекули м-РНК (і-РНК) на одному з ланцюгів молекули ДНК. Спеціальні ферменти “впізнають” антикодони (триплети на верхівці молекули т-РНК) і приєднують до “основи листка” т-РНК не будь-яку, а певну амінокислоту. Особливий фермент приєднує амінокислотні залишки, що від’єднуються від т-РНК, до молекули білка, яка синтезується.

8.1.120. Відомо, що молекула м-РНК (і-РНК) складається з 1535 нуклеотидів. Із скількох амінокислотних залишків будуть складатись білки, які синтезуються з цієї молекули м-РНК (і-РНК), якщо серед них є один триплет УАА та два триплети УГА?

Молекула м-РНК (і-РНК) складається з 1535 нуклеотидів. Відповідно кількість триплетів буде дорівнювати 511. Два нуклеотиди ніякої генетичної інформації не несуть. Крім того, не несуть генетичної інформації такі, триплети, як УАА та УГА, які лише сигналізують про припинення синтезу поліпептидного ланцюга. Таким чином, кількість триплетів, що несуть інформацію про амінокислоти, становитиме 508, тобто синтезовані білки будуть складатися з 508 амінокислотних залишків.

8.1.121. Скільки амінокислот кодує молекула м-РНК (і-РНК), якщо вона синтезована на ділянці молекули ДНК, яка складається з таких нуклеотвдів: ААГТЦАГЦАЦТЦЦАААТТ?

Оскільки молекула м-РНК (і-РНК) синтезується за принципом компліментарності, то послідовність нуклеотидів, що складають молекулу м-РНК, буде така:

УУЦ – АГУ – ЦГУ – ГАГ – ГУУ – УАА.

Таким чином, молекула м-РНК складається з шести триплетів, але, як відомо, триплет УАА не несе ніякої генетичної інформації. Отже, молекула м-РНК кодує синтез пептидного ланцюга, який складається з п’яти амінокислотних залишків.

8.1.122. З досліджень відомо, що 24% загальної кількості нуклеотидів даної молекули м-РНК (і-РНК) припадає на гуанін, 38% – на урацил, 22% – на цитозин та 16% – на аденін. Визначте відсотковий вміст азотистих основ молекули ДНК, на якій була синтезована дана молекула м-РНК.

Виходячи з принципу компліментарності, відсотковий вміст азотистих основ на ланцюгу ДНК, на якому синтезована молекула м-РНК (і-РНК), буде такий: цитозин – 24%, аденін – 38%, гуанін – 22%, тимін – 16%. Але оскільки молекула ДНК складається з двох ланцюгів, то згідно принципу компліментарності відсотковий вміст нуклеотидів другого ланцюга буде такий: гуанін – 24%, тимін – 38%, цитозин – 22%, аденін – 16%. Тобто вся молекула ДНК буде містити 23% гуаніну, 27% аденіну, 27% тиміну та 23% цитозину.

8.1.123. Що таке клітинний цикл?

Клітинний цикл – це період життя клітини від одного поділу до наступного або від останнього поділу до її загибелі. Клітинний цикл складається з інтерфази і процесу поділу клітини. В період інтерфази в клітині відбувається біосинтез білка, подвоюються всі найважливіші структури клітини, синтезується точна копія ДНК. Подвоєна хромосома складається з двох половинок – хроматид, кожна з яких містить одну молекулу ДНК. У середньому в клітинах тварин і рослин інтерфаза триває 10-20 годин, хоч тривалість її залежить від типу клітин та багатьох інших факторів. Потім настає процес поділу клітини – мітоз, мейоз тощо.

8.1.124. Які події вибуваються в інтерфазі?

Інтерфаза – період між кінцем телофази попереднього поділу клітини і початком профази наступного. Під час інтерфази здійснюється підготовка до наступного клітинного поділу. В інтерфазі росте ядро і цитоплазма. Для цього відбувається синтез нуклеїнових кислот, білків, ліпідів тощо. Одна з ключових подій інтерфази – це точна реплікація (подвоєння) ДНК ядра і пов’язана з цим реплікація хроматид, коли замість однієї хроматиди виникають дві ідентичні. Синтез ДНК відбувається протягом не всієї інтерфази, а займає лише певний інтервал – Б-період (синтетичний період). Йому передує пресинтетичний період інтерфази (G1період), а після нього йде постсинтетичний (G2-період). Протягом усього періоду інтерфази хромосоми активно контролюють усі процеси життєдіяльності в клітині. Під час інтерфази збільшується кількість мітохондрій, пластид, елементів комплексу Гольджі, подвоюються центріолі клітинного центру. Тривалість інтерфази неоднакова в різних клітин. Є такі клітини в складі багатоклітинного організму, які не діляться, інтерфаза в них триває багато років (наприклад, нервові клітини).

8.1.125. Що таке мітоз? З яких фаз він складається?

Мітоз – основний спосіб поділу еукаріотичних клітин. Під час мітозу клітина проходить ряд послідовних фаз, внаслідок чого кожна з дочірніх клітин, що утворилися, отримує такий самий набір хромосом, який був у материнській клітині. Розрізняють чотири фази мітозу: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. У профазі стають помітними центріолі (у клітинах деяких одноклітинних тварин, водоростей, грибів, багатьох вищих рослин центріолей немає). Центріолі відходять до полюсів клітини, між ними проходять нитки веретена поділу. У кінці профази руйнується ядерна оболонка, поступово зникає ядерце, спіралізуються хромосоми і стає помітним, що кожна з них складається з двох хроматид.

У метафазі хромосоми розміщені по центру екваторіальної пластинки; стають помітні центромери хромосом, до яких прикріплюються нитки веретена поділу. В анафазі центромери хромосом поділяються, і хроматиди (дочірні хромосоми) за допомогою ниток веретена поділу розходяться до полюсів клітини. Телофаза завершує мітотичний цикл. Вона починається після того, як дочірні хромосоми досягають полюсів клітини. Хромосоми знов деспіралізуються і набувають вигляду довгих тонких ниток хроматину. Навколо них виникає ядерна оболонка, формуються ядерця. Відбувається поділ цитоплазми, під час якого всі органели більш-менш рівномірно розподіляються між дочірніми клітинами.

3.1.126. Яка будова хромосом?

Хромосоми – видовжені щільні структури, які складаються з двох закручених у спіраль ниток (молекул ДИК) – хроматид (або дочірніх хро-мосом). Нитки молекул ДНК наче накручені на білкові частинки (нуклеосоми). Таким чином, хромосома являє собою ланцюжок білкових глобул з ниткою ДНК, яка обвиває і з’єднує ці глобули. Для хромосом характерна наявність однієї або двох перетяжок. Розрізняють первинну перетяжку (в зоні якої розташована центромера), її положення визначає форму хромосом. Може бути і вторинна перетяжка, яка являє собою ділянку хромосоми, під впливом генів якої формуються ядерця (вона є лише у деяких хромосом). Первинна перетяжка поділяє хромосому на ділянки – плечі. Якщо перетяжка розташована приблизно посередині хромосоми й поділяє її на дві майже рівні частини, такі хромосоми називаються рівноплечими. Якщо ж ця перетяжка зміщена ближче до одного з полюсів хромосоми, то такі хромосоми називаються нерівноплечими.

8.1.127. Які хромосоми називаються статевими?

Хромосомний набір самців та самок більшості роздільностатевих видів неоднаковий. Майже всі пари хромосом у самок і самців однакової будови. Але хромосоми однієї пари відрізняються істотно: у однієї статі (найчастіше в жіночої) хромосоми, що належать до цієї пари, мають подібну будову, тоді як у іншої (найчастіше в чоловічої) – розрізняються за будовою. Хромосоми, за якими розрізняється хромосомний набір самок та самців, називаються статевими (гетерохромосомами). Хромосоми інших пар, щодо яких між самцями та самками немає відмінностей, називаються нестатевими (аутосомами).

8.1.128. Яке значення постійності форми та кількості хромосом у клітині?

Кількість хромосом у клітині та особливості їх будови становлять основу генетичного критерію виду, оскільки ці показники сталі для кожного виду організмів. Хромосоми містяться в ядрі еукаріотичних клітин і утворюють його хромосомний набір – каріотип. Звичайно хромосоми парні, тобто в ядрі є по дві однакові за формою та розмірами хромосоми, які називаються гомологічними. Натомість хромосоми з різних пар відрізняються одна від іншої за розмірами та формою, вони називаються не гомологічними. У будь-якому багатоклітинному організмі розрізняють соматичні (нестатеві) клітини, які мають, як правило, диплоїдний (подвійний) набір хромосом, коли дві гомологічні хромосоми утворюють пару. Ядра статевих клітин, як правило, мають гаплоїдний (одинарний) набір хромосом. Будова хромосом та їх кількість, тобто особливості хромосомного набору, мають велике значення для існування виду. Якщо хромосоми однієї пари розрізняються за особливостями будови, то це буде ускладнювати хід мейозу, внаслідок якого утворюються статеві клітини. Тому в більшості випадків міжвидові гібриди стерильні, тобто нездатні до розмноження. У природі мутації, які призводять до змін будови каріотипу, часто роблять неможливим схрещування особин, які несуть такі мутації з іншими особинами виду, які мають нормальний каріотип. Таким чином у природі підтримується постійність кількості та особливості будови хромосом даного виду.

8.1.128. Яка тривалість мітозу?

Процес мітозу триває в середньому 1-2 години. Тривалість мітозу залежить від виду клітин, а також від умов зовнішнього середовища: температури, світлового режиму та ін.

8.1.129. Яке біологічне значення мітозу?

Завдяки мітозу з материнської клітини утворюються дві дочірні, кожна з яких отримує однакову спадкову інформацію від материнської клітини (половину кількості ДНК, тобто по одній хроматиді від кожної хромосоми). Таким чином, біологічне значення мітозу полягає в тому, що він забезпечує постійність кількості хромосом в усіх клітинах організму. Усі соматичні клітини утворюються внаслідок мітотичного поділу, що забезпечує ріст організму.

8.1.131. Порівняйте статеве, нестатеве та вегетативне розмноження організмів.

Показник	Спосіб розмноження
Нестатеве або вегетативне	Статеве
Батьки	Одна особина	Звичайно дві особини
Клітинне джерело спадкового матеріалу для розвитку нащадків	Багатоклітинні організми: одна або кілька соматичних клітин батьків; одноклітинні: сама клітина	Батьки продукують статеві клітини (гамети), спеціалізовані до виконання функції розмноження. Кожний з батьків, як правило, представлений у на­щадках початково однією клітиною
Нащадки	Генетично точні копії батьків (за відсутності соматичних мутацій)	Генетично відмінні від кожного з батьків (за виключенням партеногенезу)
Показник	Спосіб розмноження
Нестатеве або вегетативне	Статеве
Основний клітинний механізм розвитку	Мітоз	Мейоз
Еволюційне значення	Сприяє збереженню найкращої пристосованості організмів у стабільних умовах існування	Сприяє генетичному різноманіттю популя­цій, з яких складають­ся види; створює умо­ви для засвоєння різ­номанітних умов існу­вання, процесів видо­утворення

8.1.122. Які є форми нестатевого розмноження? Наведіть приклади.

Нестатеве розмноження здійснюється однією клітиною, вегетативне – групою клітин. Форми нестатевого розмноження: поділ материнської клітини навпіл (амеба, евглена зелена, інфузорія-туфелька), множинний поділ материнської клітини (малярійний плазмодій), брунькування (дріжджі), утворення спор (хламідомонада, мохи, папороті, хвощі, плауни). Форми вегетативного розмноження: утворення цибулин, кореневищ, бульб, вивідкових бруньок, відсадками (рослини), впорядкована або невпорядкована фрагментація (війчасті черви, багатощетинкові черви), брунькування (гідра).

8.1.133. Що таке вегетативне розмноження? Опишіть його форми, наведіть приклади.

Вегетативне розмноження – це розвиток нової особини з групи клітин материнської особини. У рослин вегетативне розмноження відбувається за рахунок пагонів, їх частин або видозмін (суниці, верба тощо), коренів (малина), листків (сенполія, бегонія). Брунькуванням розмножуються поліпи кишковопорожнинних (гідра, коралові поліпи), при чому й одних випадках (гідра) особини, що виникають, відбруньковуються і кожна з них стає самостійною особиною, в інших (коралові поліпи) – залишаються частиною колонії. Штучне вегетативне розмноження рослин широко застосовується з метою селекційної роботи та швидкого відтворення багатьох особин певного сорту.

8.1.134. Чи спостерігається чергування нестатевого покоління (спорофіта) та статевого (гаметофіта) у квіткових рослин?

У квіткових, як і в інших вищих рослин, спостерігається чергування нестатевого (спорофіта) та статевого (гаметофіта) поколінь. Але порівняно з папоротеподібними в квіткових рослин відбувається подальша редукція статевого покоління (гаметофіта). Так, у квіткових рослин особина, що розвивається з проростка, являє собою нестатеве покоління (диплоїдний спорофіт). Жіночий гаметофіт являє собою зародковий мішок, який складається з семи клітин, серед яких є гаплоїдна яйцеклітина та центральна диплоїдна клітина з вторинним ядром. Чоловічий гаметофіт являє собою пилкове зерно з гаплоїдними вегетативною та генеративною клітинами. При запиленні генеративна клітина поділяється на гаплоїдні спермії. При злитті спермія з яйцеклітиною утворюється диплоїдна зигота, з якої розвивається спорофіт, а з триплоїдної клітини, яка утворилася внаслідок злиття другого гаплоїдного спермія з ядром центральної диплоїдної клітини, розвивається тканина, клітини якої містять запас поживних речовин (ендосперм).

8.1.135. Який поділ клітини називається мейотичним?

Особливий тип поділу клітин, внаслідок якого утворюються клітини, які мають половинний, порівняно з материнською, набір хромосом, має назву мейозу. Процес мейозу часто передує формуванню статевих клітин (гамет). Він складається з двох послідовних клітинних поділів – мейозу І (перший поділ) та мейозу II (другий поділ). Подвоєння ДНК відбувається лише перед мейозом І. Внаслідок першого поділу мейозу, який називається редукційним, утворюються клітини, хромосомний набір яких має зменшену вдвічі кількість хромосом. Другий поділ мейозу закінчується утворенням клітин, в яких гаплоїдний набір хромосом, при цьому кожна хромосома має лише половинний набір ДНК порівняно з хромосомами материнської клітини.

8.1.136. З яких фаз складається мейоз?

Мейоз складається з двох послідовних клітинних поділів – мейозу І та мейозу II. Подвоєння ДНК відбувається тільки в інтерфазі перед мейозом І. Мейоз І складається з таких послідовних фаз: профази І, метафази І, анафази І та телофази І. У профазі І відбуваються спіралізація хромосом, кон’югація гомологічних хромосом, під час якої ці хромосоми тісно з’єднуються одна з іншою у поздовжньому напрямку й скручуються, може відбуватись обмін їх ділянками, тобто спадковою інформацією. Після кон’югації гомологічні хромосоми відокремлюються одна від одної. Зникають оболонка ядра, ядерце, починає утворюватись веретено поділу. Метафаза І починається, коли утворилося веретено поділу і хромосоми після кон’югації повністю роз’єднуються. Характерною ознакою метафази і є наявність в екваторіальній площині клітини гомологічних хромосом, які лежать парами. До центромер хромосом прикріплюються нитки веретена поділу. Під час анафази і цілі гомологічні хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид, відходять до протилежних полюсів клітини. Гомологічні хромосоми кожної пари розходяться до полюсів клітини випадково, незалежно від хромосом інших пар. У кожного полюса клітини виявляється вдвічі менше хромосом, ніж було в клітині, на початку поділу. У телофазі І утворюються дві дочірні клітини з гаплоїдним набором хромосом.

Інтерфаза між двома поділами мейозу коротка, оскільки синтезу ДНК не відбувається. Другий поділ мейозу проходить подібно до мітозу і складається з профази II, метафази II, анафази II та телофази II. Від мітозу другий поділ мейозу відрізняється тільки тим, що кількість хромосом удвічі менша, ніж у профазі мітозу у того ж організму. Таким чином, у телофазі II утворюються чотири гаплоїдні клітини. Лише після другого поділу мейозу настає справжня інтерфаза.

8.1.137. У чому полягає біологічне значення мейозу?

Біологічне значення мейозу полягає в тому, що якби під час мейотичного поділу кількість хромосом не зменшувалася, то в кожному наступному поколінні при злитті ядер яйцеклітини та сперматозоїда кількість хромосом збільшувалась вдвічі. Завдяки мейозу дозрілі гамети отримують гаплоїдний набір хромосом; при заплідненні ж відновлюється диплоїдний набір хромосом, притаманний даному виду. Цим забезпечується постійний для кожного виду повний набір хромосом та постійна кількість ДНК.

Перехрест хромосом під час мейозу, обмін гомологічними ділянками, а також незалежне розходження хромосом кожної з пар гомологічних хромосом визначають закономірності спадкової передачі ознаки від батьків до нащадків і забезпечують комбінативну мінливість організмів. З кожної пари гомологічних хромосом (материнської та батьківської), які входять до хромосомного набору диплоїдних організмів, у гаплоїдному наборі яйцеклітини або сперматозоїда міститься лише одна хромосома. Вона може бути батьківською, материнською, батьківською з ділянкою материнської або материнською з ділянкою батьківської. Ці процеси виникнення великої кількості якісно різних статевих клітин сприяють спадковій мінливості.

8.1.138. Чим мейотичний поділ відрізняється від мітотичного?

Мітоз – основний спосіб поділу соматичних клітин еукаріот. Мейоз – особливий тип поділу клітин, внаслідок якого утворюються статеві клітини (гамети) еукаріот. Ці два процеси поділу клітин мають такі відмінності.

– мітоз складається з одного поділу, а мейоз – із двох;

– внаслідок мітотичного поділу материнської клітини утворюються дві дочірні, які мають ідентичний з материнською набір хромосом. Внаслідок двох поділів мейозу з однієї материнської клітини утворюються чотири дочірні, у кожної з яких кількість хромосом менша вдвічі порівняно з материнською; крім того, кожна з чотирьох дочірніх клітин, утворених в процесі мейозу, може відрізнятись від інших за набором спадкової інформації;

– процеси, які відбуваються в профазі мітозу та профазі І мейозу, різні. Так, у профазі мітозу внаслідок спіралізації хромосоми набувають вигляду щільних тілець, що складаються з двох хроматид, а в профазі І мейозу в поздовжньому напрямку хромосоми виглядають як єдине ціле, хоч і складаються з двох хроматид. Крім того, в профазі і мейозу відбувається кон’югація гомологічних хромосом, чого немає в профазі мітозу;

– якщо центромери гомологічних хромосом у метафазі мітозу знаходяться на екваторіальній пластинці клітини, то в метафазі і мейозу центромери гомологічних хромосом лежать по різні боки від екваторіальної пластинки клітини;

– якщо в анафазі мітозу до полюсів клітини відходять хроматиди однієї хромосоми, то в анафазі І мейозу до полюсів клітини розходяться гомологічні хромосоми, які складаються з двох хроматид;

– якщо в інтерфазі між двома мітотичними поділами подвоюється кількість ДНК, то між І і II поділами мейозу інтерфаза дуже коротка, оскільки синтезу ДНК не відбувається, а в рослинних клітинах інтерфаза взагалі може бути відсутня.

8.1.139. Як відбуваються сперматогенез і овогенез?

Сперматогенез – процес утворення чоловічих статевих клітин у тварин та людини. Овогенез – процес утворення жіночих статевих клітин – яйцеклітин. Сперматозоїди та яйцеклітини розвиваються в тварин у статевих залозах – сім’яниках та яєчниках. У статевих залозах розрізняють три ділянки, або зони, де відбуваються процеси розмноження, росту та дозрівання статевих клітин. Зона розмноження розміщена на самому початку статевої залози. У цій зоні містяться первинні статеві клітини, які розмножуються за допомогою мітозу, кількість їх збільшується. Потім первинні статеві клітини потрапляють у зону росту, де вони вже не поділяються, а ростуть, сягаючи розмірів, властивих статевим клітинам тварин даного виду. Після того, як процеси росту закінчуються, статеві клітини переходять у зону дозрівання і поступово перетворюються на дозрілі яйцеклітини та сперматозоїди з гаплоїдним набором хромосом (внаслідок того, що попередньо відбувається мейотичний поділ).

Але між сперматогенезом та овогенезом є певні розбіжності. Так, при овогенезі, внаслідок нерівномірного розподілу цитоплазми як при першому, так і при другому мейотичних поділах тільки в одній клітині виявляється більший запас поживних речовин, необхідних для розвитку майбутнього зародка. Внаслідок цього утворюється одна дозріла яйцеклітина з гаплоїдним набором хромосом і три маленьких клітини – полярні тільця, які потім зникають. При овогенезі під час дозрівання яйцеклітини її об’єм значно збільшується. Натомість при сперматогенезі всі чотири утворені після мейозу клітини однакові і перетворюються на дозрілі сперматозоїди. При цьому при дозріванні сперматозоїдів, на відміну від дозрівання яйцеклітини, їх розміри зменшуються, зникає більша частина цитоплазми. Сперматогенез у людини триває ще довго після народження чоловічої особини, тоді як овогенез у людини найбільш інтенсивно відбувається між 3-м та 7-м місяцями ембріогенезу та завершується на 3-му році життя. Сформовані до цього часу первинні овоцити зберігаються без змін багато років. Такі відмінності сперматогенезу та овогенезу сприяють утворенню в багато разів більшої кількості сперматозоїдів порівняно з яйцеклітинами. Це необхідно для забезпечення запліднення найбільшої кількості яйцеклітин і, таким чином, для забезпечення існування виду.

8.1.140. Які особливості будови чоловічих статевих клітин у різних груп організмів?

Джгутикові сперматозоїди притаманні хребетним та багатьом безхребетним. Безджгутикові – деяким безхребетним (черви, ракоподібні). У рослин джгутикові сперматозоїди зустрічаються у водоростей, мохів, папоротеподібних, хвощеподібних та плауноподібних. У більшості насіннєвих рослин спермії безджгутикові.

8.1.141. Чим будова яйцеклітини хребетних тварин відрізняється від будови сперматозоїдів?

Яйцеклітина (жіноча статева клітина) та сперматозоїд (чоловіча статева клітина) відрізняються особливостями своєї будови. Яйцеклітина найчастіше має кулясту форму, в її цитоплазмі містяться запасні поживні речовини. У цитоплазмі яйцеклітини також розташовані мітохондрії, рибосоми. Ядро яйцеклітини активно функціонує, що пов’язано з процесами біосинтезу білка. Яйцеклітини нерухомі. У ссавців яйцеклітини дрібні, бідні на жовток, тоді як у риб, амфібій, рептилій і птахів вони великі і містять багато жовтка. Сперматозоїди – рухомі клітини, відрізняються від яйцеклітин і меншими розмірами. Вони мають джгутики, за допомогою яких рухаються; у більшості тварин сперматозоїди мають головку, проміжний відділ і хвостик. При дозріванні сперматозоїдів після мейозу, на відміну від яйцеклітини, розмір їх зменшується; зменшується ядро і переміщується в головку сперматозоїда; зникає більша частина цитоплазми, залишається лише видозмінений комплекс Гольджі (акросома), який бере участь у розчиненні оболонки яйцеклітини при її заплідненні. Мітохондрії знаходяться біля основи хвостика і постачають енергію для його рухів.

8.1.142. Що таке запліднення?

Запліднення – це процес злиття жіночої та чоловічої гамет з гаплоїдним набором хромосом. Запліднену яйцеклітину називають зиготою, вона, як правило, диплоїдна, оскільки утворилася внаслідок злиття двох гаплоїдних гамет. У ядрі зиготи всі хромосоми знову стають парними. У кожній парі гомологічних хромосом одна хромосома – батьківська, друга – материнська. Таким чином, при заплідненні відновлюється диплоїдний набір хромосом, характерний для соматичних клітин певного виду організмів.

8.1.143. Яке біологічне значення запліднення?

Біологічне значення запліднення полягає в тому, що при злитті чоловічої та жіночої статевих клітин (вони, як правило, походять від різних особин) утворюється новий організм, який несе в собі ознаки матері й батька. При утворенні статевих клітин у процесі мейозу виникають гамети з різним сполученням хромосом, тому нові організми можуть поєднувати в собі ознаки обох батьків у різноманітних сполученнях. Внаслідок цього відбувається колосальне збільшення спадкового різноманіття організмів (комбінативна мінливість).

8.1.144. Чим відрізняється процес запліднення у хребетних тварин та квіткових рослин?

Кількість і розміри статевих клітин, що беруть участь у процесі запліднення, різні у хребетних тварин та квіткових рослин. Процес запліднення у хребетних тварин складається з кількох етапів: проникнення сперматозоїда в яйцеклітину, злиття гаплоїдних ядер обох гамет з утворенням диплоїдної зиготи, активації зиготи до дробіння і подальшого розвитку. Як тільки сперматозоїд проникає в яйцеклітину, її оболонка набуває властивостей, які запобігають доступу інших сперматозоїдів. Це забезпечує злиття ядра яйцеклітини з ядром одного сперматозоїда. У тих тварин, у яких до яйцеклітини проникає кілька сперматозоїдів, в заплідненні бере участь лише один, інші гинуть. У

Результаті утворюється яйцеклітина з диплоїдним набором хромосом.

У квіткових рослин запліднення в принципі подібне до такого у тварин, але має свої особливості. Запліднення в квіткових рослин має назву подвійного, оскільки в цьому процесі беруть участь два спермії. Цей процес відкрив у 1898 р. професор Київського університету Святого Володимира С. Г. Навашин. Спермії за допомогою пилкової трубки, яка утворюється після запилення квітки, переносяться до зародкового мішка, який складається з семи клітин, і розташований у насіннєвому зачатку. Процес запліднення відбувається в зародковому мішку. Коли пилкова трубка входить у зародковий мішок через пилковхід, один спермій зливається з яйцеклітиною, внаслідок чого утворюється диплоїдна зигота, з якої розвивається зародок. Другий спермій зливається з диплоїдною центральною клітиною, з її вторинним ядром, внаслідок чого виникає клітина з триплоїдним ядром. З цієї клітини розвивається триплоїдний ендосперм, у клітинах якого міститься запас поживних речовин, необхідних для розвитку зародка.

8.1.145. Що таке партеногенез? Наведіть приклади.

Партеногенез – це процес розвитку організму з незаплідненої яйцеклітини. Це різновид статевого розмноження, досить поширений серед рослин і тварин. Серед рослин партеногенез відомий у кульбаби, нечуйвітру. Серед тварин він зустрічається у коловерток, ракоподібних (артемій, дафній), комах (попелиць, медоносної бджоли). У багатьох тварин, наприклад у дафній, коловерток, попелиць, відбувається чергування роздільностатевих та партеногенетичних поколінь, тоді як в інших (трутнів медоносної бджоли, прямокрилої комахи – дибки степової) розмноження відбувається тільки шляхом партеногенезу. Партеногенез можна викликати й штучно в тих видів тварин, в яких у природі він або взагалі не зустрічається, або зустрічається дуже рідко (наприклад, при механічному подразненні яйцеклітини жаби).

8.1.146. Які стадії проходить організм після запліднення?

Через кілька годин після запліднення настає перша стадія зародкового (ембріонального) розвитку – дробіння. Внаслідок дробіння кількість клітин швидко зростає, але вони стають все дрібнішими. Внаслідок цих процесів формується наступна стадія ембріонального розвитку – бластула, яка являє собою багатоклітинну кулю з порожниною всередині (бластоцелєм). Клітини, що складають бластулу, мають назву бластомерів; вони розміщені в один шар. Далі настає стадія гаструли. На цій стадії триває мітотичний поділ клітин, і зародок спочатку стає двошаровим, а згодом – і тришаровим. У багатьох багатоклітинних тварин внутрішній шар клітин утворюється впинанням усередину порожнини бластули клітин її стінки. Зовнішній шар клітин гаструли

Називається ектодермою. Утворена внаслідок впинання і обмежена ентодермою (внутрішній шар клітин) порожнина – це первинний кишечник, який відкривається назовні отвором – первинним ротом. Ектодерма та ентодерма – це зародкові листки. В подальшому утворюється третій зародковий листок – мезодерма. На наступній стадії розвитку – нейрулі – також триває поділ та переміщення клітин. У цей час починають закладатись окремі органи майбутньої личинки або дорослого організму, насамперед, нервова трубка, кишечник та хорда. Процеси формування тканин (гістогенез) та органів (органогенез) взаємопов’язані і призводять до виникнення сформованого зародка.

8.1.147. Що таке дробіння?

Дробіння – це початковий етап розвитку заплідненої (зиготи) або незаплідненої (партеногенетичної) яйцеклітини, які починають поділятись на бластомери.

8.1.148. Як особливості будови яйцеклітини впливають на хактер дробіння?

Особливості будови яйцеклітини впливають на процес дробіння. У яйцеклітині, бідній на жовток (у ланцетника, плацентарних ссавців), дробіння повне, тобто борозни поділу повністю поділяють зиготу на бластомери. Повне дроблення буває рівномірним і нерівномірним. При рівномірному дробінні будова утворених бластомерів майже однакова. При нерівномірному дробінні утворюються великі бластомери (макромери) та маленькі (мікромери). У яйцеклітинах, багатих на жовток (у рептилій, птахів), дробіння може бути неповним. При неповному дробленні дробиться лише частина зиготи (на анімальному полюсі), а частина жовтка залишається поза бластомерами.

8.1.149. Чим дробіння відрізняється від інших видів поділу?

Дробіння відрізняється від інших видів поділу тим, що при дробінні зиготи дочірні клітини (бластомери) не ростуть, і весь процес відбувається за рахунок біомаси зиготи.

8.1.150. Що собою являє бластула?

Утворенням бластули завершується дробіння бластомерів. Бластула складається з шару клітин (бластодерми); всередині бластули знаходиться порожнина (бластоцель). Якщо дробіння рівномірне, бластула набуває вигляду одношарової кулі з великою порожниною всередині (целобластула, або типова бластула). Якщо бластула побудована різними за розмірами клітинами, то на її анімальному полюсі знаходяться дрібні клітини (мікромери), а на вегетативному – великі (макромери); таку бластулу називають амфібластулою. Якщо ж порожнина бластули має вигляд сплюснутої щілини, то таку бластулу називають дискобластулою. При поверхневому дробінні центральна частина зародка заповнена жовтком, а бластодерма складається з одного шару клітин; таку бластулу називають перибластулою. Бластулу з невеликим, розташованим у центрі бластоцелем називають стеробластулою. Якщо ж на стадії бластули у ній немає порожнини і вона має вигляд щільної грудки клітин, то така стадія має назву морули.

8.1.151. Що таке гаструляція?

Гаструляція – це процес подальшого розвитку зародка, який веде до утворення двох або трьох зародкових листків (екто-, мезо – та ентодерми). Спочатку виникають зовнішній (ектодерма) та внутрішній (ентодерма) зародкові листки, пізніше виникає третій – мезодерма, розташований між двома першими.

8.1.152. Якими способами може утворюватись гаструла?

Розрізняють чотири основні способи утворення гаструли:

– певна ділянка бластодерми, зберігаючи структуру пласта, вп’ячується всередину порожнини бластули (бластоцеля). Утворюється порожнина первинної кишки (гастроцель), яка сполучається з зовнішнім середовищем за допомогою первинного рота (бластопора). Такий спосіб утворення гаструли отримав назву інвагінації;

– великі бластомери (макромери) обростають дрібними (мікромерами) анімального полюса, які швидко подіпяються” У первинній кишці спочатку немає порожнини, вона з’являється пізніше, коли макромери, поділяючись, набувають дрібніших розмірів. Такий спосіб утворення гаструли отримав назву епіболії;

– гаструла може утворюватися за рахунок проникнення частини клітин бластодерми всередину бластоцеля. Такий спосіб утворення гаструли називають імміграцією;

– гаструла може утворюватись і за рахунок того, що клітини, які розташовані зовні, перетворюються на пласт. Клітини, що залишились, формують ентодерму (ці клітини займали більш внутрішнє положення). Такий спосіб утворення гаструли називають делямінацією.

8.1.153. Чим пояснюється те, що закладка органів лід час ембріонального розвитку узгоджена в просторі і часі?

Ще наприкінці минулого століття було доведено взаємодію частин зародка, що розвивається. Цією взаємодією й пояснюється узгодженість закладання органів у просторі й часі. Було відкрито так звані організатори й організаційні центри. Якщо на стадії ранішньої гаструли подальша доля бластомерів ще не визначена, то згодом вона вже визначена чітко. Так, якщо ділянку верхньої “губи” бластопора (первинного рота), яка впливає на формування нервової трубки в хребетних (наприклад, у тритона), пересадити в будь-яку іншу ділянку гаструли, то саме тут з прилеглих клітин розвивається нервова трубка. Більше того, якщо пересадити верхню “губу” з іншої гаструли в будь-яку ділянку, то тут спочатку утвориться нервова трубка, а потім і весь комплекс осьових органів. Таким чином, якщо частини зародка, з яких у нормі формуються одні органи, пересадити на інше місце, то вони можуть дати початок тим органам, які мали утворитися в тому місці, з якого цю ділянку пересадили. Але згодом, коли процеси диференціації почалися, пересадка зачатків органів у іншу ділянку зародка не змінює напрямку його розвитку, тобто характер його вже визначений. Це свідчить про те, що на будь-яких стадіях розвитку ембріон являє собою інтегровану цілісну біологічну систему.

8.1.154. Які існують типи постембріонального розвитку тварин? Наведіть приклади.

Постембріональний розвиток починається з моменту виходу організму з яйцевих оболонок, а при живонародженні – з моменту народження. Розрізняють два основні типи постембріонального розвитку: прямий і непрямий. При пряму розвитку народжений організм схожий на дорослий. Серед безхребетних тварин прямий розвиток притаманний, наприклад, п’явкам, малощетинковим червам, павукам, серед хребетних – плазунам, птахам, ссавцям тощо. При непрямому розвитку утворюється личинка, яка відрізняється від дорослого організму багатьма ознаками зовнішньої та внутрішньої будови, характером живлення, руху та ін. Непрямий розвиток характерний для таких безхребетних, як кишковопорожнинні, багатощетинкові черви, ракоподібні, комахи, з хребетних-ланцетникам, кістковим рибам, амфібіям та ін. При непряму розвитку личинки проходять ряд проміжних етапів розвитку, ведуть самостійний спосіб життя. У них розвиваються особливі личинкові органи, яких немає в дорослих особин. Перетворення личинки в дорослу особину супроводиться глибокою зміною зовнішньої та внутрішньої будови.

8.1.155. Які переваги непрямого типу розвитку над прямим? Наведіть приклади.

Непрямий тип розвитку часто надає організмові значні переваги. Звичайно личинка є стадією розвитку, спеціально пристосованою для активного живлення, росту (комахи, земноводні тощо), а часто – й розселення (коралові поліпи, губки, двостулкові молюски). Як правило, у тварин, яким притаманний непрямий тип розвитку личинки й дорослі особини одного виду живуть у різних умовах і завдяки цьому не конкурують одні з одними за місця існування та їжу. Завдяки цьому вид може мати велику кількість особин. Так, у метеликів гусінь живиться листками рослин, тоді як дорослі метелики – нектаром квітів. У хруща личинки живуть у грунті і живляться перегноєм та корінням рослин, а дорослі особини – листям. У жаби пуголовки живляться водоростями, одноклітинними, іншими безхребетними, а дорослі жаби – комахами, їх личинками, павукоподібними, іноді – мальками риб.

У деяких паразитів личинки забезпечують зараження поміжних або остаточних хазяїв (сисуни, деякі круглі черви тощо).

8.1.156. Що таке саморегуляція організму і як вона відбувається?

Організм – це складна біологічна система, здатна до саморегуляції. Саморегуляція дає змогу організмові ефективно пристосуватись до змін зовнішнього середовища. Здатність до саморегуляції краще виражена у вищих хребетних, особливо у птахів та ссавців. Це можливе завдяки прогресивному розвитку нервової, ендокринної та інших регуляторних систем. Зміна умов середовища існування спричинює й перебудову роботи систем органів. Так, нестача кисню в повітрі призводить до інтенсифікації роботи дихальної, кровоносної систем, збільшення кількості еритроцитів. Сталість внутрішнього середовища (гомеостаз) за умов існування, що систематично змінюються, підтримується спільною діяльністю всіх систем організму. У вищих тварин це виражається в підтриманні постійної температури тіла, постійного хімічного, іонного та газового складу, кров’яного тиску, частоти дихання та серцевих скорочень, постійного синтезу потрібних речовин і руйнуванні шкідливих. Обов’язковою умовою і способом підтримання гомеостазу організму є обмін речовин, який є головною умовою існування всього живого. Особливу роль у підтриманні постійності внутрішнього середовища відіграє імунна система. Клітини імунної системи можуть захоплювати й знешкоджувати все чужорідне для організму (клітинний імунітет), а також виділяють спеціальні білки (антитіла), які активно виявляють і знешкоджують мікроорганізми та їх токсини (гуморальний імунітет). Підтримання відносної постійності внутрішнього середовища організму – гомеостаз є важливою властивістю цілісного організму.

8.1.157. З яких зародкових листків формуються такі органи: головний і спинний мозок, статеві органи, органи нюху, кровоносна система, зовнішній шар шкіри, м’язи, органи зору і слуху, підшлункова залоза, кишечник, легені, печінка, нирки, скелет?

З ектодерми формуються: головний і спинний мозок, елементи органів зору, слуху й нюху, зовнішній шар шкіри; з мезодерми – м’язи, нирки, скелет (хрящовий або кістковий), кровоносні судини, статеві органи; з ентодерми – кишечник, легені, печінка, підшлункова залоза. Проте слід пам’ятати, що в утворенні багатьох органів бере участь не один, а кілька зародкових листків.

8.1.158. Що спільного мають такі органи, як печінка, підшлункова залоза, легені?

Ці органи мають спільне походження: під час ембріонального розвитку всі вони виникають як вирости стінки кишкової трубки зародка, тобто всі вони мають ентодермальне походження.

8.1.159. Як зовнішні умови впливають на розвиток організмів?

На розвиток зародка значний вплив мають умови зовнішнього середовища, в якому формується майбутній організм. Велике значення для процесу розвитку мають температура, світло, вологість, дія хімічних сполук тощо. Зміна зовнішніх умов може прискорити або загальмувати розвиток організму. Зокрема, шкідливо впливають на розвиток зародка людини алкоголь, нікотин, наркотики. Насамперед, небезпечний вплив таких факторів в так звані критичні періоди розвитку, коли найбільш інтенсивно відбуваються процеси перебудови організму.

8.1.160. Що таке онтогенез?

Онтогенез – процес індивідуального розвитку особини бід моменту утворення зиготи до кінця життя організму. Онтогенез – процес, притаманний будь-якій живій істоті, незалежно від складності організації.

8.1.161. Хто остаточно довів неможливість самозародження життя в сучасних умовах?

Остаточно неможливість самозародження життя в сучасних умовах довів у 1860 р. видатний французький вчений Луї Пастер. Він помістив м’ясний бульйон у сконструйовану ним колбу з довгою вузькою шийкою 3- подібної форми. Повітря вільно надходило до колби, а мікроорганізми не могли в неї проникнути, бо осідали в s-подібному коліні шийки. Потім Пастер прокип’ятив бульйон, щоб убити в ньому мікроорганізми, і тому протягом місяців вміст колби лишався стерильним. Але якщо бульйон при повертанні колби обмивав s-подібну частину шийки, у ньому починалися процеси гниття, тому що в бульйон потрапляли мікроорганізми, які до того осіли в s-подібній частини шийки. Тим самим Луї Пастер переконливо довів неможливість самовільного зародження в сучасних умовах.

8.1.162. Які основні етапи походження життя на Землі за О. І. Олариним?

Згідно з гіпотезою абіогенного походження живої матерії, висунутою О. І. Опаріним, виникнення життя на Землі відбувалося в кілька етапів. Першим з них був небіологічний (абіогенний) синтез органічних молекул з неорганічних. Можливість такого процесу доведена експериментально. Внаслідок абіогенного синтезу органічні речовини нагромаджувались у воді первісного океану у вигляді дуже розбавленого розчину.

Другим етапом був процес концентрування органічних речовин. Цей процес, за припущенням О. І. Опаріна, відбувався внаслідок притаманної всім високомолекулярним речовинам здатності самовільно концентруватися й утворювати коацервати. Коацервація – це відокремлення високомолекулярних речовин у вигляді більш концентрованого розчину, який називається коацерватом.

Найважливішим кроком до виникнення життя стало утворення молекул, здатних до самовідтворення. Це могло відбутися шляхом виникнення матричного синтезу, характерного для живих систем.

8.1.163. Чому на початку виникнення життя живі організми могли існувати лише у водному середовищі?

Оскільки в період виникнення життя на Землі живі організми зазнавали інтенсивної дії сонячного випромінювання, ультрафіолетова частина спектра якого діє згубно для всього живого, життя спочатку було можливе лише в океані. У ході розвитку рослинного світу в атмосфері нагромаджувався кисень, частина якого перетворювалася на озон, що має здатність інтенсивно вбирати ультрафіолетове та іонізуюче проміння. Внаслідок цього і стало можливим життя на суходолі.