ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН
Опорний конспект лекцій
10. БІОГЕНЕЗ КЛІТИННИХ СТРУКТУР І ОНТОГЕНЕЗ РОСЛИННОЇ КЛІТИНИ
«Те, що називають структурою, є повільним процесом великої тривалості;
те, що називають функцією, є швидким процесом незначної тривалості".
Л. Берталанфі
Вода і поживні речовини, що поступають до клітин з провідних пучків, використовуються для синтезу різноманітних речовин, із яких складаються самі клітини. У цих процесах головну роль відіграють нуклеїнові кислоти й білки. Білки є основою всієї життєдіяльності клітини, в тому числі й біогенезу клітинних структур.
Самозбирання та біогенез
Самозбирання клітинних структур
Перший етап на шляху формування внутрішньоклітинних структур - це процеси транскрипції та трансляції.
Наступні етапи - збирання надмолекулярних комплексів та їх транспортування до певних ділянок клітини.
Усі етапи перетворення білкової молекули, починаючи від синтезу її рибонуклеїнової матриці через утворення первинної, вторинної, третинної та четвертинної структур, і до входження разом з іншими сполуками до складу певних компонентів клітини, пов’язані з процесами самозбирання. Саме ці процеси лежать в основі формування та біогенезу клітинних структур.
Самозбирання — це процес спонтанної агрегації однорідних чи різнорідних молекул, який призводить до їхнього впорядкування та росту багатокомпонентних комплексів.
Самозбирання можна розглядати як процес кристалізації, якщо агрегація молекул не супроводжується утворенням ковалентних зв’язків. Коли ж виникають ковалентні зв’язки, то такий процес називають полімеризацією.
Механізми самозбирання засновані на слабких взаємодіях. У першу чергу орієнтуючий вплив на молекули виявляють далеко діючі електростатичні сили (на відстані 0,7 нм). Згодом взаємне притягання молекул доповнюється водневими зв’язками і, нарешті, на відстані 0,1 нм починають виявлятися ван-дер-ваальсові сили (які виникають між нейтральними атомами і молекулами в результаті їхньої поляризації) та гідрофобні взаємовідносини.
Вибірковість механізму самозбирання забезпечується існуванням у молекул біополімерів ділянок пізнавання, комплементарних до певних локусів молекул- партнерів. Комплементарниминазивають стеричні структури, що можуть входити в контакт із декількома атомами чи групами атомів і які здатні до попарних нековалентних взаємодій. Цим забезпечується висока спорідненість і специфічність утворення такого роду комплексів. Самозбирання молекул відбувається із зниженням вільної енергії і тому є довільним (спонтанним) процесом. А у зв’язку з участю лише слабких сил - це також і зворотний процес. Характер самозбирання визначається особливостями первинної структури полімеру. Однак у багатьох випадках відбувається додаткова корекція процесу агрегації. Регулятором можуть слугувати фізико-хімічні умови середовища, молекули-регулятори та інші фактори.
Важливий елемент пізнавання - підлаштовування структури одного з полімерів до місця зв’язування іншого, що створює більш точну стеричну відповідність взаємодіючих ділянок (РНК-полімераза→-промотор).
Самозбирання в біологічних системах виявляється в бішаровому розміщенні фосфоліпідів у мембранах, у комплементарній послідовності азотних основ у нуклеїнових кислотах, у взаємодії ферменту та субстрату, білка-рецепто- ра та ефектора, у збиранні багатокомпонентних ферментативних комплексів тощо. Наприклад, рибульозодифосфаткарбоксилаза в хлоропластах збирається з 8 великих (каталітичні функції) та 8 малих (регуляторні функції) субодиниць.
Мультиензимні комплекси монтуються в мембранах і на елементах цитоскелету шляхом самозбирання. Передбачається, що до складу живої клітини входять комплементарно зв’язані блоки ферментів та інших біополімерів. Ці блоки, у свою чергу, комплементарно об’єднані один з одним і, таким чином, створюють єдину взаємопов’язану систему. Агрегація молекул у водному середовищі цитоплазми спричинює утворення рідиннокристалічного стану речовин у такій системі.
Рідиннокристалічний стан можна розглядати як четвертий стан речовини. Рідкі кристали більше структуровані, ніж рідини, і менше, ніж ці ж речовини у твердому стані. Органічні речовини утворюють у воді рідиннокристалічні структури. Важлива особливість рідких кристалів - їхня структурна впорядкованість і одночасно молекулярна рухливість. Такі рідкі кристали «реагують» на різноманітні впливи зовнішнього середовища (світло, температура, тиск, поле), тобто мають властивості, характерні для живих клітин.
Самозбирання мембран. Білки й ліпіди, які входять до складу мембран, здатні до самозбирання. Гідрофобні мембранні білки асоціюються один з одним. Структурні білки мембран визначають орієнтацію інших мембранних білків. Ліпіди мембран синтезуються в різних частинах клітини та, як і гліколіпіди та глікопротеїни, доставляються у везикулах до місця збирання і також асоціюють між собою та з гідрофобними частинами білків.
Процес збирання відбувається в декілька етапів у відповідності з принципом взаємного «пізнавання» складових частин і ліпід-ліпідних, білок- білкових, ліпід-білкових взаємодій. Міцність мембранам надають гідрофобні зв’язки. Крім того, у формуванні плазмалеми беруть участь готові мембранні блоки везикул Гольджі, що вбудовуються в неї у процесі секреції компонентів клітинної стінки. Якісний склад мембран, а тому і функціональні особливості визначаються інтегральними білковими глобулами, первинна структура яких закодована в геномі клітини.
Самозбирання полісом. Збирання субодиниць рибосом проходить поетапно. Спочатку в результаті транскрипції та трансляції синтезуються рибосомальні РНК та білки, пізніше шляхом процесингу формуються зрілі біополімери рибосом. Далі з участю структур 28S i 18S рРНК послідовно вбудовуються білки, специфічні для кожної субодиниці. Мала субодиниця рибосоми взаємодіє з ініціаторною тРНК при наявності ГТФ, АТФ і білкових факторів ініціації. Весь цей комплекс зв’язується з мРНК. Для цього необхідні іони Mg2+. Останньою до мРНК приєднується велика субодиниця рибосоми.
Аналогічно до мРНК приєднуються інші рибосоми і виникають полірибосомні комплекси. Ще один тип полірибосом - гранулярний ЕР і зовнішня мембрана ядра.
Самозбирання мікротрубочок і мікрофіламентів. Мікротрубочки джгутиків, кортикального шару цитоплазми і мітотичного апарату побудовані за єдиним планом із глобулярного білка тубуліну. Для збирання мікротрубочок необхідно: кисле pH, наявність Mg, тубуліну, АТФ, ГТФ, білків-регуляторів. Процес чутливий до іонів Ca : їх надлишок (0, 02 ммоль/л і вище ) сприяє розбиранню мікротрубочок.
Збирання проходить у два етапи. Спочатку збирається затравка (ядро), а потім мікротрубочка росте шляхом збирання субодиниць. Існує критична величина концентрації мономерів тубуліну, перевищення якої індукує збирання мікротрубочок.
Мікротрубочки - поляризовані структури. Їх збирання ініціюється в центрах-організаторах мікротрубочок. Такими центрами є скупчення мембран ЕР на полюсах веретена та кінетохори хромосом. Коли один кінець мікротрубочки локалізований у центрі-організаторі, то приріст її здійснюється на вільному (дистальному) кінці.
Мікрофіламенти. В цитоплазмі рослинних клітин виявлений нем’язевий актин. Збирання глобулярних мономерів Г-актину в подвійну спіраль фібрилярного Ф-актину відбувається з витратою енергії АТФ при наявності Mg2+. Фібрилярний актин утворює пучки мікрофіламентів, які беруть участь у рухах цитоплазми. Крім того, актин може формувати тонкі фібрили, здатні замикатися, створюючи сіткоподібну структуру цитоплазми. Замкнуті структури зумовлюють місцеве зворотне желатування цитоплазми і місцеве збільшення концентрації Ca2+.
Біогенез органоїдів
Біогенез хлоропластів. В онтогенезі рослинної клітини хлоропласти формуються з пластид із слабо розвиненою системою внутрішніх мембран - пропластид, які знаходяться в меристематичних клітинах. Розвиток хлоропласта із пропластиди супроводжується диференціюванням мембранної системи (утворенням ламел і гран) через низку видозмін пластиди. Одночасно здійснюється синтез і відбувається просторова організація пігментів, світлозбиральних комплексів (СЗК), білків ФС1 і ФС2 та ін. компонентів. Перебудова мембранної системи хлоропластів та інших пластид супроводжується постійним оновленням структури мембран, руйнуванням ліпідів і білків та залученням до мембран нових складових частин.
Біогенез хлоропластів відбувається лише на світлі. Це чітко простежується при перетворенні етіопластів, сформованих у темноті, у хлоропласти. На світлі протохлорофілід етіопластів дуже швидко перетворюється в хлорофіл а. Одночасно відбувається синтез мРНК, рРНК, структурних білків та інших сполук. Потім близько двох годин триває фаза повільного зростання кількості хлорофілів, після якої їх синтез значно прискорюється. До цього часу ламелярна структура хлоропласта вже сформована, але гран ще немає. Організаторами гран є білкові комплекси фотосистем.
Кількість хлоропластів у процесі росту клітини збільшується шляхом поділу пропластид або самих хлоропластів у фазі розвитку. При поділі ламелярна система пересікається перемичкою поперек органоїда. Деколи спостерігається брунькування хлоропластів. Поділ хлоропластів відбувається кожні 6-20 год. Він регулюється червоним світлом (660 нм), зупиняється довгохвильовим червоним світлом (730 нм), а також низькою температурою.
Біогенез мітохондрій. Власна генетична система і здатність мітохондріальної ДНК до реплікації дозволяють мітохондріям розмножуватися самостійно. Тому в клітині мітохондрії утворюються з попередніх мітохондрій і, можливо, із промітохондрій. У меристематичних клітинах трапляються мітохондрії, розділені перетяжкою. При переході меристематичної клітини до росту розтягуванням кількість мітохондрій у клітині зростає в 3-8 разів і змінюється їхня структура.
Ріст мембран мітохондрій при функціональному навантаженні або після їхнього поділу відбувається шляхом добудови. Процес біогенезу мембран мітохондрій вивчений недостатньо.
Більшість білків, які входять до складу мітохондрій, синтезується в цитоплазмі. Лише 5-15 % білків - продукти трансляції мітохондріальних полісом, причому ці білки виключно входять до складу внутрішньої мембрани мітохондрій. Білки мітохондріального походження є гідрофобними поліпептидами і їх самозбирання з участю фосфоліпідів служить базою для формування внутрішньої мембрани.
Півперіод життя мітохондрій залежить від скоординованої діяльності ядра, цитоплазми, самих мітохондрій і становить у різних об’єктів 5-10 днів; при цьому зовнішня мембрана оновлюється значно швидше від внутрішньої.
Біогенез мембран. Мембрани клітини постійно оновлюються. Генетичний зв’язок мембранних компонентів клітини виявляє провідну роль гранулярного ЕР у біогенезі клітинних мембран. ЕР - головне місце синтезу мембранних білків і ліпідів клітини. В мембранах ЕР локалізовані кінцеві етапи синтезу гліцероліпідів, мембранних фосфоліпідів (від яких залежить збирання мембран мітохондрій і хлоропластів), біосинтез стеролів, синтез усіх насичених жирних кислот і системи перетворення насичених жирних кислот у ненасичені. Тут синтезуються характерні для рослинних мембран полієнові жирні кислоти (лінолева, ліноленова, арахідонова).
Похідними мембран ретикулума є мембрани вакуолей, мікротілець, сферосом, можливо, зовнішні мембрани пластид і мітохондрій. Ретикулум безпосередньо пов’язаний з ядерною оболонкою. Через мембранну систему АГ він бере участь у синтезі плазмалеми.
Перехід мембран одна в одну отримав назву ""перетікання’" («потоку») мембран. У даний час процес перетікання мембран розглядається як складова частина більш широкого поняття - концепції ендомембранної системи.
Розглянуті вище багатоступеневі процеси біогенезу клітинних структур можна представити схематично так:
ДНК → РНК → білки → самозбирання надмолекулярних функціонально активних блоків → функціональна активність метаболічних циклів, клітинних органоїдів.