Клітинні мембрани
Тема № 7 «Клітинні мембрани»
План
1. Клітинні мембрани. Поверхневий апарат клітини, його функції.
3. Ядро,будова і функції.
4. Нуклеоїд прокаріотичних клітин.
Література: О.В.Тагліна «Біологія 10 клас»§18-20
1. Клітинні мембрани. Поверхневий апарат клітини, його функції.
Усі клітини еукаріотів сформовані системою мембран (від лат. мембрана - шкірка, плівка), які забезпечують їхнє нормальне функціонування.
Яка роль мембран у житті клітин? Клітини обмежені плазматичною мембраною. Вона забезпечує обмін речовин із навколишнім середовищем і взаємодію клітин між собою.
Ви вже знаєте, що внутрішнє середовище клітин еукаріотів поділене на окремі функціональні ділянки. Вважають, що система додаткових мембран необхідна для розміщення певних структур (ферментів, рибосом, пігментів та ін.), а також для розділення просторово процесів обміну речовин і перетворення енергії, захисту певних ділянок клітини від дії гідролітичних ферментів.
У біологічних мембранах відбуваються процеси, пов'язані зі сприйняттям інформації, яка надходить із навколишнього середовища, формуванням і передачею збудження, перетворенням енергії, захистом від проникнення хвороботворних мікроорганізмів та іншими проявами життєдіяльності клітин, органів і організму в цілому.
Методами світлової та електронної мікроскопії в клітинах виявлено різноманітні мембранні структури. Вони мають загалом подібні хімічний склад і особливості організації. Але залежно від типу мембран та їхніх функцій співвідношення хімічних компонентів і деталі будови можуть відрізнятись у клітинах різних типів.
Який хімічний склад біологічних мембран? Біологічні мембрани складаються з ліпідів, білків і вуглеводів. Ліпіди становлять приблизно 40% сухої маси мембран. Вони розташовані у два шари. Основним функціональним компонентом біологічних мембран є білки, здатні виявляти свою активність лише в комплексі з ліпідами.
Одні білки розташовані на зовнішній або на внутрішній поверхнях мембран. їх називають поверхневими. Вони можуть відносно легко від'єднуватись від мембран після руйнування клітин.
Білки, заглиблені у товщу мембрани на різну глибину (вони становлять майже 70% загальної кількості білків мембран), називають внутрішніми. Є білки, які перетинають мембрану наскрізь, зв'язуючи її зовнішню та внутрішню поверхні.
Вуглеводи входять до складу мембран у вигляді комплексів із білками або ліпідами.
Як організовані біологічні мембрани? Нині загальноприйнятою вважають рідинно-мозаїчну модель будови біологічних мембран (мал. 38 ). Таку назву вона дістала тому, що близько 30% ліпідів мембран міцно пов'язані з внутрішніми білками, а інша їхня частина перебуває в рідкому стані. Тому комплекси білків і пов'язаних із ними ліпідів наче «плавають» у рідкій ліпідній масі. У молекул ліпідів, розташованих у вигляді подвійного шару, полярні гідрофільні «головки» обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембран, а гідрофобні неполярні «хвости» - всередину. Тому, якщо поглянути зверху на мембрану, вона нагадуватиме мозаїку, створену полярними «головками» ліпідів і молекулами білків, розташованими поверхнево або перетинаючи мембрану. Між молекулами білків або їхніми частинами часто є пори (канальці). Молекули, які входять до складу біологічних мембран, здатні пересуватись, завдяки чому за незначних пошкоджень мембрани швидко оновлюються.
Мал. 38. Схема будови клітинної мембрани:
1 - елементи цитоскелета;
2 - гідрофобні головки ліпідів;
3 - гідрофільні головки ліпідів;
4 - вуглеводи;
5 - поверхневі білки;
6 - білок, який перетинає мембрану
Товщина мембран, залежно від їхнього типу, варіює у досить широких межах (від кількох до 10 нм).
Серед біологічних мембран особливе місце належить плазматичній, яка оточує цитоплазму. Вона міцна та еластична, визначає розміри клітин.
Які функції плазматичної мембрани? Плазматична мембрана насамперед захищає внутрішнє середовище клітини від несприятливих впливів і бере участь у процесах обміну речовин із навколишнім середовищем. Вона утворює вирости, мікроворсинки, які значно збільшують поверхню клітини. У плазматичній мембрані розташовані деякі ферменти, необхідні для обміну речовин.
Сполуки, потрібні для життєдіяльності клітин, а також продукти обміну речовин перетинають плазматичну мембрану за допомогою дифузії (мал. 39), пасивного чи активного транспорту. Нагадаймо, що дифузія (від лат. диффузіо - розлиття) - процес, за якого речовини проникають крізь певні ділянки і пори мембран унаслідок їхньої різної концентрації по обидва її боки. Цей процес відбувається без витрат енергії у результаті хаотичного теплового руху молекул.
Вибіркове проникнення речовин через мембрани забезпечує пасивний транспорт (мал. 40). Для нього, як і для дифузії, характерне переміщення речовин з боку, де концентрація вища. Пасивний транспорт забезпечується за участю рухомих мембранних білків-переносників; зміною просторової структури білкій, які перетинають мембрану; та через канали у мембрані.
Мал. 39. Схема транспорту речовин через плазматичну мембрану за допомогою дифузії
Активний транспорт речовин через біологічні мембрани пов'язаний із витратами енергії, оскільки не залежить від концентрації речовин, які мають потрапити в клітину або вийти з неї (мал. 40). На цей процес впливає різниця концентрацій іонів калію і натрію у зовнішньому середовищі та всередині клітини. Тому його назвали калій-натріевим насосом. Концентрація іонів калію всередині клітини вища, ніж ззовні, а іонів натрію - навпаки. Завдяки цьому іони натрію пересуваються в клітину, а калію - з неї. Але концентрація цих іонів у живій клітині і поза нею ніколи не вирівнюється, оскільки існує особливий механізм, який іони натрію «відкачує» з клітини, а калій - «закачує» в неї. Цей процес потребує витрат енергії.
Мал. 40. Схема пасивного (1) та активного (2) транспорту речовин через плазматичну мембрану
Завдяки механізму калій-натрієвого насосу енергетично сприятливе (тобто таке, що сприяє вирівнюванню концентрації) пересування іонів натрію в клітину, полегшує енергетично несприятливий (в бік вищої концентрації) транспорт низькомолекулярних сполук (глюкози, амінокислот тощо).
Процеси дифузії, пасивного і активного транспорту властиві всім типам біологічних мембрани.
Існує ще один механізм транспорту речовин через мембрани, який називають ендоцитозом. Розрізняють два основні види ендоцитозу: фаго- і піноцитоз.
Фагоцитоз (від грец. фагос - пожирати) - це активне захоплення твердих об'єктів мікроскопічних розмірів (частинок органічних сполук, дрібних клітин та ін.) (мал. 41). До фагоцитозу здатні лише певні типи клітин тварин. Адже на відміну від клітин прокаріотів, рослин і грибів, вони позбавлені щільної клітинної стінки. За допомогою фагоцитозу захоплюють їжу деякі одноклітинні (наприклад, амеби, форамініфери) та спеціалізовані клітини багатоклітинних (наприклад, травні клітини гідри) тварин.
Мал. 41. Процес фагоцитозу
Макрофаги за допомогою фагоцитозу здійснюють захисну функцію. Вони захоплюють і перетравлюють сторонні частки і мікроорганізми. Явище фагоцитозу в 1892 p. відкрив видатний український учений І.І. Мечников.
Процес фагоцитозу відбувається в кілька етапів. Спочатку клітина зближується з об'єктом, який має захопити. Під час безпосереднього контакту плазматична мембрана клітини огортає об'єкт і проштовхує його в цитоплазму. Так утворюється пухирець, вкритий мембраною (наприклад, травна вакуоля). В цей пухирець надходять гідролітичні ферменти, які перетравлюють захоплений об'єкт, а неперетравлені рештки виводяться з клітини.
Піноцитоз (від грец. піно — п'ю) - процес поглинання клітиною рідини разом із розчиненими у ній сполуками (мал. 42). Він нагадує фагоцитоз, але відбувається здебільшого за рахунок впинання мембрани.
Мал. 42. Процес піноцитозу
Плазматичним мембранам властива і ферментативна активність: вони містять деякі ферменти, які беруть участь у регуляції обміну речовин і перетворенні енергії. Мембранні білки - антитіла — здійснюють захисну функцію. Вони здатні зв'язувати антигени (мікроорганізми і речовини, які клітина сприймає як чужорідні), запобігаючи їхньому проникненню в клітину. Отже, плазматична мембрана є однією з ланок захисних реакцій організму.
У плазматичну мембрану вбудовані також сигнальні білки, здатні у відповідь на дію різних факторів навколишнього середовища змінювати свою просторову структуру і таким чином передавати сигнали до клітини. Отже, плазматична мембрана забезпечує подразливість організмів (тобто, їхню здатність сприймати подразники і певним чином на них відповідати) і здійснює обмін інформацією між клітиною і навколишнім середовищем.
Важлива роль біологічних мембран і в процесах взаємоперетворення різних форм енергії: механічної (наприклад, рух джгутиків, війок), електричної (формування нервового імпульсу), хімічної (синтез сполук, багатих на енергію).
Плазматичні мембрани забезпечують міжклітинні контакти у багатоклітинних організмів. У місці сполучення двох клітин тварин, мембрана кожної з них здатна утворювати складки або вирости, які надають цьому сполученню особливої міцності. Клітини рослин сполучаються між собою завдяки утворенню мікроскопічних міжклітинних канальців, вистелених мембраною і заповнених цитоплазмою. Плазматичні мембрани також беруть участь у рості, поділі клітин тощо.
2. Ядро: будова і функції
Як відомо, ядро - обов'язковий компонент будь-якої еукаріотичної клітини. Лише деякі типи клітин еукаріотів втрачають ядро під час свого розвитку (наприклад, еритроцити ссавців, ситоподібні трубки вищих рослин). У багатьох клітинах є лише одне ядро, але є клітини, які містять кілька або багато ядер (посмугованої м'язової тканини, інфузорії, форамініфери, деякі водорості) (мал. 58).
Мал. 58. Багатоядерний одноклітинний організм
Яка будова ядра? За формою ядра бувають різними. Найчастіше ядро має кулясту або еліпсоподібну, рідше неправильну форму (наприклад, у деяких типів лейкоцитів ядра мають відростки, лопаті). Розміри ядер можуть значно варіювати: від 1 мкм (деякі одноклітинні тварини, водорості) до 1 мм (яйцеклітини деяких риб і земноводних).
У деяких одноклітинних тварин (інфузорії, форамініфери) є ядра двох типів: генеративні (від лат. ге-нераре - народжувати) та вегетативні (від лат. вегетативус - рослинний). Перші забезпечують зберігання і передачу спадкової інформації, другі -регулюють біосинтез білків.
Ядро складається з оболонки і внутрішнього середовища (матриксу). Оболонка утворена зовнішньою та внутрішньою ядерними мембранами, між якими є простір завширшки від 20 до 60 нм. Але в деяких місцях зовнішня мембрана сполучається з внутрішньою навколо особливих отворів - ядерних пop (мал. 59, 60). Ці пори прикриті особливими тільцями. У більшості клітин ядерна мембрана зникає під час поділу (за винятком деяких одноклітинних тварин, водоростей і грибів), а в період між двома поділами - утворюється знову.
Мал. 59. Пори ядерної оболонки
Мал. 60. Будова пори ядерної оболонки:
1 - пора;
2 - зовнішня мембрана;
3 - внутрішня мембрана
Ядерний матрикс складається з ядерного соку, ядерець і ниток хроматину. Ядерний сік, у який занурені ядерця, хроматин і різноманітні гранули, за будовою і властивостями нагадує цитоплазму. У ньому також є мікроскопічні білкові нитки, які сполучають між собою ядерця, нитки хроматину, ядерні пори тощо.
Ядерце (від одного до багатьох) - щільне тільце, що становить собою комплекс РНК з білками, внутріш-ньоядерцевого хроматину і гранул - попередників рибосом. Ядерця утворюються на певних ділянках хромосом. Під час поділу клітини ядерця зникають, а в період між двома поділами - формуються знову.
Хроматин (від грец. хроматос - фарба) - ниткоподібні структури ядра, утворені з білків та нуклеїнових кислот. Під час поділу клітини з хроматину формуються хромосоми.
У якому вигляді в ядрі знаходиться спадковий матеріал? Кожна клітина еукаріотів має певний набір хромосом. Сукупність ознак хромосомного набору (кількість хромосом, їхня форма і розміри) називають каріотипом (від грец. каріон - ядро горіху і типос - форма). Кожному видові організмів властивий певний каріотип. Саме його постійність забезпечує існування видів (мал. 61).
Мал. 61. Каріотип
традесканції (1) та дрозофіли (2) -самки (а) і самця (б)
Каріотип може змінюватись унаслідок мутацій. Але такі мутантні особини часто нездатні схрещуватись з особинами, які мають нормальний каріотип, і залишити плодючих нащадків.
Ви пам'ятаєте, що структури ядра, які несуть гени, називають хромосомами (від грец. хроматос і сома) (мал. 62). У вигляді щільних тілець хромосоми стають помітними у мікроскоп лише під час поділу клітини. Основу хромосоми становить дволанцюгова молекула ДНК, зв'язана з ядерними білками (мал. 63). Крім того, до складу хромосом входять РНК і ферменти, потрібні для їхнього подвоєння або синтезу іРНК.
Мал. 62. Будова метафазної хромосоми:
1 - вторинна перетяжка;
2 - хроматиди;
3 - первинна перетяжка;
4 - центромера;
5 - місце прикріплення веретена поділу
Мал. 63. Будова нитки хромосоми: 1-ДНК; 2 - білки
Молекули ДНК у хромосомах розташовані певним чином. Ядерні білки утворюють особливі структури, які наче нанизані на нитки ДНК. Між ними розташовані ділянки вільної ДНК. Така організація забезпечує компактне розміщення молекул ДНК у хромосомах, оскільки довжина цих молекул у розгорнутому стані значно більша, ніж хромосоми. Наприклад, довжина хромосом під час поділу клітини в середньому становить 0,5-1 мкм, а молекул ДНК - кілька сантиметрів.
Кожна хромосома складається з двох хроматид, які сполучаються між собою у зоні первинної перетяжки.
Первинна перетяжка поділяє хромосоми на ділянки - плечі. Якщо перетяжка розташована посередині хромосоми, то плечі мають однакові або майже однакові розміри. А якщо первинна перетяжка зсунута до одного з кінців хромосоми, то розміри плечей значно відрізняються.
У ділянці первинної перетяжки розташований пластинчастий утвір у вигляді диска - центромера (від грец. кентрон - центр і мерос - частка). До неї під час поділу клітини приєднуються нитки веретена поділу. Деякі хромосоми мають ще й вторинну перетяжку. У цій зоні розташовані гени, що відповідають за утворення ядерець.
Кількість хромосом у різних видів може значно варіювати (наприклад, у нестатевих клітинах мухи-дрозофіли всього 8 хромосом (мал. 61), у людини - 46, а в клітинах морських найпростіших - радіолярій -до 1 600).
Хромосомний набір ядра може бути гаплоїдним, диплоїдним або поліплоїдним. У гаплоїдному (від грец. гаплоос - поодинокий і ейдос - вигляд) наборі (його умовно позначають 1n) всі хромосоми відрізняються одна від одної за будовою. У диплоїдному (від грец. диплоос - подвійний) наборі (2n) кожна хромосома має парну хромосому, подібну за розмірами та особливостями будови. Хромосоми, що належать до однієї пари, називають гомологічними (від грец. гомологія — відповідність), до різних - негомологіч-ними. Гомологічні хромосоми подібні за будовою і мають однаковий набір генів. Виняток становлять лише статеві хромосоми, які у представників однієї зі статей розрізняються за розмірами й особливостями будови. Тому їх називають гетерохромосомами (від грец. гетерос - інший), на відміну від нестатевих - аутосом (від грец. аутос - сам). Якщо кількість гомологічних хромосом перевищує дві, то такий хромосомний набір називають поліплоїдним (від грец. поліс — численний): триплоїдним (Зn), тетраплоїдним (4n) тощо.
Дослідження каріотипу має важливе значення у систематиці для розпізнавання близьких за будовою видів (так званих видів-двійників). Наприклад, два близькі види хом'ячків (китайський і даурський) дуже подібні зовні, але відрізняються набором хромосом (відповідно 22 і 20 у диплоїдному наборі). Такий напрям у систематиці називають каріоси-стематикою.
У період між двома поділами клітини хромосоми розкручуються і набувають вигляду ниток хроматину.
Які функції ядра в клітині? Ви вже знаєте, що ядро зберігає спадкову інформацію і забезпечує її передачу від материнської клітини дочірнім. Саме з молекул ДНК за участю молекул іРНК інформація про структуру білків переноситься до місця їхнього синтезу на мембранах зернистої ендоплазматичної сітки. Спадкова інформація, що зберігається в ядрі, може змінюватись унаслідок мутацій. Це забезпечує спадкову мінливість.
У ядрі за участю ядерець формуються частини рибосом. Як ми згадували, ці органели беруть участь у синтезі білків. Таким чином, завдяки реалізації спадкової інформації, закодованої у вигляді послідовності нуклеотидів молекули ДНК, ядро регулює біохімічні, фізіологічні та морфологічні процеси, які відбуваються в клітині.
Мал. 64. Вплив ядра на розвиток ознак ацетабулярії:
1 - ядро;
2 - стебельце;
3 - шапка
Провідну роль ядра в передачі спадкової інформації можна проілюструвати за допомогою досліду на зелених одноклітинних водоростях - ацетабуляріях(мал. 64). Вони своєю формою дещо нагадують гриб. Клітина має високу «ніжку», в основі якої розташоване ядро, а на верхівці «ніжки» - диск у вигляді шапки. Саме за формою цієї «шапки» і розрізняють певні види ацетабулярій. Експериментально зрощували середню частину «ніжки» одного виду ацетабулярій, позбавлену «шапки», з нижньою частиною «ніжки» іншого, де розташоване ядро. У такого створеного штучно організму виникала «шапка», властива тому виду водорості, якому належала частина ніжки з ядром, а не тому, якому належала середня без'ядерна її частина.
Подібні результати одержали і в дослідах на клітинах тварин. Наприклад, з яйцеклітини жаби видаляли ядро і замість нього пересаджували ядро із заплідненої яйцеклітини тритона. Внаслідок цього, розвивався зародок тритона, а не жаби.
Запитання для самоконтролю:
1. У чому полягають особливості будови клітин еукаріотів?
2. У чому полягають особливості будови клітин прокаріотів?
3. Які характеристики спільні для будь –яких живих клітин?
4. Які функції можуть виконувати органели еукаріотичних клітин?
5. Чим відрізняється метод зберігання спадкової інформації у прокаріотів та еукаріотів?
6. Порівняйте симбіотичну та інвагінацій ну гіпотези походження еукаріотичної клітини.
Лабораторна робота № 2
«Особливості будови клітин прокаріотів і еукаріотів»
Мета: вивчити особливості будови клітин прокаріотів та еукаріотів, навчитися розпізнавати клітини рослин, тварин,грибів та бактерій на мікрофотографіях, схемах, мікропрепаратах.
Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметне та накривне стекла, пінцети, скляні та дерев’яні палички, препарувальні голки, розчин йоду, розчин метиленової зелені з метановою кислотою, склянка з водою; постійні препарати бактерій, цибулина, препарат клітин гриба мукора; мікрофотографії бактерій , тваринних та рослинних клітин, клітин грибів.
Хід роботи
1. Ознайомитися зі схемами будови тваринної та рослинної клітин.
2. Підготуйте мікроскоп до роботи.
3. Завдання 1.
Приготуйте препарат клітин шкірки цибулі. Під мікроскопом ви бачите клітини. Розгляньте їх.
Замалюйте клітини. Які ви розглянули під мікроскопом.
Порівняйте побачене під мікроскопом з малюнком.
Зробіть висновки.
4. Завдання 2.
Приготуйте препарат епітелію шкіри жаби.
Замалюйте клітини, які ви побачили під мікроскопом. Порівняйте побачене під мікроскопом з малюнком.
Зробіть висновки.
5. Завдання 3
Приготуйте препарат клітин бактерій. Для цього стерилізованою склянкою або деревяною паличкою зіскребіть із поверхні зубів біля ясен наліт, що містить бактерії, перенесіть його на предметне скло та накрийте накривним скельцем.
Розгляньте препарат спочатку при малому, а потім при великому збільшенні.
Замалюйте клітини та їх частини, які ви побачили під мікроскопом.
Зробіть висновки.
6. Завдання 4
Приготуйте препарат клітин грибів. Для цього необхідно зібрати плісняву зі шматочка хліба або овочів-міцелій гриба мукора- і помістити її на предметне скло та накрити накривним склом.
Розгляньте препарат спочатку на малому,а потім на великому збільшенні.
Замалюйте клітини та їх частини, які ви побачили під мікроскопом.
Зробіть висновки.
Клітинні мембрани