Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 22. Саморегуляція на клітинному рівні

Поміркуйте

  • Яке значення має саморегуляція на клітинному рівні? Доведіть свою думку.

Згадайте

  • Промотор
  • Термінатор
  • Оператор
  • Оперон
  • Інтрони
  • Екзони
  • Сплайсинг
  • Мембранний потенціал
  • Апоптоз
  • Клітинний цикл
  • Натрій-калієвий насос

Внутрішньоклітинна сигналізація

Внутрішньоклітинна сигналізація необхідна для передачі зовнішніх сигналів до клітинних структур. Так, наприклад, клітина сприймає сигнали гормонів або нейромедіаторів. Гормони або нейромедіатори називаються первинними посередниками. Вони взаємодіють із рецепторами на поверхні клітин. У відповідь у цитоплазмі клітин утворюються вторинні посередники — регуляторні молекули, які «підхоплюють естафету» і передають сигнал уже на клітинні структури. За участі вторинних посередників (циклічний АМФ, циклічний ГМФ, Са2+, NO та ін.) у клітині активуються різні процеси. Це зумовлює клітинну відповідь: експресію певних генів, секрецію речовин, ріст, поділ, апоптоз та інші процеси (мал. 22.1).

Мал. 22.1. Схема внутрішньоклітинної сигналізації

Приклади індукції і репресії у прокаріотів

Регуляції експресії генів

Як ви знаєте, у структурі гена є промотор і термінатор — ділянки початку і закінчення транскрипції.

У прокаріотів гени об'єднані в оперони — структури з декількох генів зі спільними промотором і термінатором. Продукти генів синтезуються всі разом і в однаковій кількості. У прокаріотів є також оператор — ділянка, яка регулює експресію гена. Якщо оператор заблокований, то РНК-полімераза не може рухатися вздовж гена і транскрипція не відбувається. Регуляція транскрипції в прокаріотів відбувається за механізмами індукції та репресії.

В еукаріотів регуляція експресії генів залежить від активаторів генної активності (так званих транскрипційних факторів). До регуляції транскрипції залучаються додаткові ділянки геному — енхансери і сайленсери. Енхансери після зв'язування з ними певних білків стимулюють транскрипцію, а сайленсери пригнічують її. Також транскрипція регулюється конденсацією і деконденсацією хроматину (щільно конденсований хроматин неактивний).

На етапі дозрівання мРНК альтернативний сплайсинг зумовлює синтез різних мРНК і, відповідно, синтез різних генних продуктів. Остаточна регуляція відбувається на етапі посттрансляційної модифікації білка.

Самозбирання клітинних органел

Самозбирання мембран. Білки й ліпіди, що входять до складу мембран, здатні до самозбирання. Більшість фосфоліпідів у водному середовищі мимовільно утворюють бішари. Ці ліпідні бішари схильні до замикання на самих себе, що зумовлює формування закритих відсіків.

Самозбирання рибосом. Спочатку рибосомні білки утворюють комплекси з молекулами рибосомальної РНК. Утворюються велика й мала субодиниці рибосом. Субодиниці зв'язуються з мРНК і між собою, утворюючи активну рибосому.

Самозбирання мікротрубочок. Мікротрубочки джгутиків, цитоплазми й веретена поділу побудовані з глобулярного білка тубуліну. У певних умовах мікротрубочка росте шляхом самозбирання тубулінових субодиниць.

Підтримання мембранного потенціалу

Мембранний потенціал є необхідним для важливих клітинних процесів, зокрема транспорту речовин через мембрани та проведення нервового імпульсу (детальніше див. § 4). Як же він підтримується? У мембранах клітини розташований натрій-калієвий насос — білок, який перекачує йони Na+ із клітини, а йони K+ — у клітину. Концентрація йонів K+ всередині клітини стає в 30-37 разів вищою, ніж за її межами, і Калій «прагне» вийти з клітини. У результаті на зовнішній мембрані утворюється надлишок позитивно заряджених часток (йонів K+), а на внутрішній поверхні мембрани — надлишок негативно заряджених часток. Так виникає різниця потенціалів.

Саморегуляція клітинного циклу

Існує низка механізмів контролю клітинного циклу.

Тривалість інтерфази регулюється розміром клітини, а також визначається зовнішніми умовами й сигналами від інших клітин. Спеціальні системи регулюють перехід з одного періоду клітинного циклу в інший, запуск мітозу.

Клітина контролює також правильність процесу реплікації ДНК, цілісність хромосом і клітинних структур (формування веретена поділу, прикріплення до нього хромосом). Якщо виявляються порушення, перехід до наступних етапів клітинного циклу гальмується. Якщо пошкодження катастрофічні, клітина розпочинає процес апоптозу.

Апоптоз є запрограмованою загибеллю клітини. Однією з основних функцій апоптозу є знищення пошкоджених та старіючих клітин.

Ключова ідея

До механізмів підтримання гомеостазу на клітинному рівні належать самозбирання органел, підтримання мембранного потенціалу, регуляція експресії генів і клітинного циклу.

Запитання та завдання

1. Навіщо в клітині регулюється експресія генів? 2. Що станеться в разі порушення мембранного потенціалу? 3. У яких випадках клітини підлягають апоптозу?