Поміркуйте

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

Внутрішньоклітинна сигналізація

Внутрішньоклітинна сигналізація необхідна для передачі зовнішніх сигналів до внутрішньоклітинних структур. Так, наприклад, клітина сприймає сигнали гормонів або нейромедіаторів. Гормони або нейроме-діатори називаються первинними посередниками. Вони взаємодіють із рецепторами на поверхні клітин. У відповідь на це в цитоплазмі клітин утворюються вторинні

посередники — регуляторні молекули, які «підхоплюють естафету» і передають сигнал уже на клітинні структури. За участю вторинних посередників у клітині активуються різні процеси. У результаті це зумовлює клітинну відповідь: секрецію речовин, ріст і рух, поділ, експресію певних генів та інших процесів (мал. 22.1).

Приклади індукції і репресії у прокаріотів

Індукція	Репресія
Лактозний оперон Е. соИ містить гени трьох ферментів, які розщеплюють лактозу. За відсутності лактози транскрипція блокується білком-репресором, який пов’язаний з оператором.	Триптофановий оперон Е. соїі містить гени п’яти ферментів, які беруть участь у синтезі амінокислоти триптофана.
Коли в клітині з’являється лактоза, вона зв’язується з білком-репресором. Білок-репресор змінює конформацію і від’єднується від оператора. Шлях для РНК-полімерази відкривається, і відбувається транскрипція. У результаті синтезуються ферменти, які розщеплюють лактозу.	Настає момент, коли концентрація триптофану в клітині стає високою і синтез треба призупинити. Триптофан зв’язується з білком-репресором, який при цьому змінює конформацію. Весь комплекс зв’язується з оператором і блокує транскрипцію.

Регуляції експресії гєнів

Як ви знаєте, у структурі кожного гена є промотор і термінатор — ділянки початку і закінчення транскрипції, а також оператор — ділянка, яка регулює експресію гена. Якщо оператор заблокований, то РНК-полімераза не може рухатися вздовж гена, і транскрипція не відбувається.

У прокаріотів гени об’єднані в оперони — структури з декількох генів із загальними промотором і термінатором. В оперони зібрані гени ферментів одного метаболічного шляху. Так вони синтезуються разом і в однаковій кількості. Регуляція швидкості транскрипції в прокаріотів відбувається за двома механізмами: індукцією та репресією.

В еукаріотів регуляція експресії генів ускладнюється. До регуляції транскрипції, крім операторів, залучаються додаткові ділянки геному — енхансери і сайленсери. Енхан-сери, 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 бі-шари. Ці ліпідні бішари схильні до замикання на самих себе, що зумовлює формування закритих відсіків.

Самозбирання рибосом. Спочатку рибо-сомні 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 і мікро-філаментів. 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 апоп-тозу 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?

Це матеріал з підручника Біологія і екологія 11 клас Задорожний (профільний рівень)