Строение клетки - строительный материал и источник энергии клетки - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Факт 1.Многоклеточный организм представляет собой целостную живую систему, в которой отдельные структуры - органы - выполняют различные функции.

Факт 2.Клетка представляет собой целостную живую систему, в которой отдельные структуры - органеллы - выполняют различные функции.

• Какова общая причина сложного строения?

• Какую проблему мы будем обсуждать? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Какие уровни организации живой природы вы знаете? (§ 4)

• Какие клетки в организме человека способны к движению? (8 класс)

• Какие органеллы вы знаете? (9 класс)

Решение проблемы

Общий план строения

• Какие элементы строения встречаются у всех клеток эукариот?

Клетки эукариот различаются по степени сложности и разнообразия структуры. Всё же, несмотря на это, тысячи различных типов клеток эукариот имеют общие черты строения, которые отражают их общее происхождение.

Основу содержимого всех клеток составляетцитоплазма.Она включает вязкую жидкость -цитозоль,раствор органических и неорганических веществ. В цитозоле находятся все клеточные структуры: мембранные и немембранные органеллы (органоиды), а также непостоянные структуры — включения гликогена, жира, пигментные гранулы. В цитозоле протекают многие химические реакции.

Все мембраны клетки устроены сходным образом: их основу составляет двойной слой фосфолипидов. Белковые молекулы — клеточные рецепторы или ферменты различного назначения — могут быть погружены в мембрану с одной стороны, внутренней или наружной, или же “пронизывать” всю мембрану насквозь. Так образуются ядерные поры — поры, через которые, например, происходит экспорт иРНК из ядра в цитоплазму. Эти и другие системы транспорта веществ сквозь мембрану приводят к тому, что одни вещества свободно поступают в клетку, другие — в ограниченном количестве, а третьи специально заносятся в клетку с затратой энергии. Таким образом, проницаемость мембраны избирательна: белки регулируют поступление и выход наружу различных веществ, содержание и соотношение разнообразных ионов и молекул в самой клетке и её органеллах.

Другая функция мембран - предоставление поверхности для размещения мультиферментных комплексов.

11.1. Органеллы эукариотической клетки животных

Мембранные органеллы

• Какие функции клетки выполняются мембранными органеллами и как они связаны с особенностями их структуры?

Цитоплазматическая мембранаотделяет клетку от внешней среды. Это тонкая эластичная плёнка, легко восстанавливающаяся после незначительных повреждений. Она создаёт барьер, предохраняющий клетку от попадания в неё чужеродных веществ и обеспечивающий поддержание постоянства внутренней среды. Мембрана живой клетки находится в непрерывном движении. На ней появляются выросты и впячивания (экзо- и эндоцитоз), она совершает волнообразные колебательные движения, в ней постоянно перемещаются макромолекулы. Мембрана обеспечивает взаимодействие клетки не только с окружающей средой, но и с другими клетками многоклеточного организма.

Ядросодержит хромосомы, что определяет две его важнейшие функции: информационную и управляющую. Первая состоит в хранении и воспроизведении генетической информации, вторая — в управлении процессами обмена веществ в клетке.

Ядро защищено оболочкой из двух мембран, имеющих поры. Наружная ядерная мембрана с поверхности, обращённой в цитоплазму, покрыта рибосомами. Её выросты соединяются с мембранами эндоплазматической сети, образуя единую систему сообщающихся каналов. В содержимом ядра выделяют ядерный сок, хроматин и ядрышко. Ядерный сок, благодаря окружающей мембране, отличается по химическому составу от цитоплазмы, что необходимо для нормального функционирования ядерных структур. Хроматин состоит из ДНК, соединённой с белками-гистонами. Очень плотно упакованный хроматин образует хромосомы: они формируются непосредственно перед делением клетки и “исчезают” после него. Наоборот, ядрышко видно под микроскопом только в неделящихся клетках. Это — не отдельная структура, а область ядра, в которой в данный момент в хроматине происходит интенсивный синтез рРНК и ДНК и сборка рибосом.

Эндоплазматическая сеть(ЭПС),или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), представляет собой развитую систему трубчатых каналов и плоских полостей, связанных с пространством между двумя мембранами ядра (перинуклеарным пространством), но отделённых от цитоплазмы. Мембраны ЭПС составляют около половины всех мембран клетки.

ЭПС разделяет клетку на отсеки, обеспечивает поверхность для расположения ферментативных комплексов и рибосом, осуществляет транспорт веществ по клетке. Она состоит из мембран двух типов: гладкой и шероховатой. “Шероховатость” эндоплазматической сети образуют рибосомы, расположенные на её поверхности. На них синтезируются белки клеточных мембран и растворимые белки, предназначенные для секреции или для создания других органелл. Ферментные системы ЭПС участвуют в обмене жиров и углеводов.

Аппарат Гольджитакже представляет собой систему мембранных полостей — цистерн. Синтезированные на мембранах ЭПС белки, полисахариды, жиры транспортируются к аппарату Гольджи, сортируются внутри него, а некоторые из них претерпевают дальнейшие химические преобразования. Затем они упаковываются в виде секрета, готового к выделению, или используются в самой клетке.

В дальнейшем от пузырьков аппарата Гольджи отделяются транспортные пузырьки, несущие готовые вещества туда, где они необходимы. Здесь же формируются и лизосомы, участвующие во внутриклеточном пищеварении.

Митохондрии— структуры размером с бактериальную клетку, окружённые двумя мембранами, как правило, имеют бобовидную форму. Внутренняя мембрана образует складки-кристы, на которых расположены мультиферментные системы. Внутренняя полость митохондрий заполнена вязким раствором - матриксом.

В митохондриях энергия питательных веществ преобразуется в энергию молекул АТФ, которые затем используются в энергоёмких клеточных процессах. Количество митохондрий больше в тех клетках и их частях, где необходимы значительные затраты энергии. Митохондрии содержат небольшую кольцевую ДНК и рибосомы эубактериального типа (т.е. не такие, как в цитоплазме).

Пластиды— органеллы, присущие только растительным клеткам. Они представляют собой окрашенные или бесцветные тельца, также размером с бактерию. Они окружены двойной мембраной и заполнены матриксом -стромой.Различают бесцветные лейкопласты, зелёные хлоропласты и красноватые хромопласты.

Хлоропласты окрашены в зелёный цвет пигментом хлорофилломы. Наряду с митохондриями, в растительной клетке хлоропласты производят большую часть АТФ. Внутри хлоропластов выросты мембраны образуют пузырьки - тилакоиды, уложенные в стопки - граны. Тилакоиды содержат хлорофилл. Главная функция хлоропластов - осуществление реакций фотосинтеза. Тилакоиды улавливают свет и запасают его энергию в виде молекул АТФ, а затем используют их для синтеза углеводов.

В лейкопластах запасается крахмал. Хромопласты образуются из хлоропластов, частично утерявших хлорофилл. Их окраска обусловлена пигментом каротином.

Как и митохондрии, пластиды содержат собственную кольцевую ДНК.

Лизосомы— очень мелкие пузырьки, которые содержат ферменты, способные расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и другие вещества. Они окружены одинарной мембраной, устойчивой к саморазрушению.

Ферменты лизосом расщепляют на мономеры инородные частицы, захваченные путём фагоцитоза, а также “сломанные” и отслужившие органеллы. Если содержимое лизосом высвобождается внутрь самой клетки, то происходит её саморазрушение. Этот процесс идёт в том случае, когда клетка по какой-либо причине стала не нужна организму. Это могут быть, например, клетки хвоста головастика во время метаморфоза. “Контролируемая клеточная смерть” необходима также при обнаружении клеток с такими серьёзными “поломками”, как, например, грубые ошибки в копировании ДНК, или клеток, инфицированных вирусом.

В клетке постоянно происходит образование новых лизосом. Ферменты для них, как и другие белки, синтезируются в рибосомах, прикреплённых к мембране эндоплазматической сети. Затем эти ферменты поступают по каналам эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, в полостях которого формируются лизосомы.

Вакуоли— крупные мембранные пузыри, занимающие большую часть взрослой растительной клетки. Они наполнены клеточным соком — водным раствором сахаров и других веществ. По химическому составу и консистенции он существенно отличается от цитозоля. Осмотическое давление нагнетает в вакуоли воду, так что они служат гидроскелетом растительной клетки. Вакуоли обеспечивают клетку запасом воды, участвуют в регуляции водно-солевого обмена, удерживают отходы обмена веществ.

Немембранные органемы

• Какие клеточные функции выполняются немембранными органеллами? Каким образом они осуществляются?

Рибосомы— сферические органеллы диаметром около 20 нм — в 500 раз мельче митохондрий и пластид. Они состоят из двух частиц (субъединиц), большой и малой, и представляют собой “станок” для прикрепления молекул иРНК и тРНК, участвующих в синтезе белка. Их присутствие обязательно во всех клетках прокариот и эукариот, поскольку иначе синтез белка невозможен.

Рибосомы построены из специальных рибосомальных белков и рРНК. В цитоплазме они могут находиться в свободном состоянии или располагаться на мембранах. Свободные рибосомы синтезируют белки цитозоля, которые не нужно специально доставлять в какой-либо определённый компартмент, а прикреплённые к мембранам — все остальные: секретируемые белки; белки эндоплазматической сети, лизосом, аппарата Гольджи, наружной мембраны и другие.

Клеточная стенка— жёсткая оболочка клеток растений и грибов, окружающая клетку поверх цитоплазматической мембраны (рис. 11.2). Она состоит из волокон целлюлозы (растения) или хитина (грибы), уложенных многими слоями. Промежутки заполнены веществами, упрочняющими оболочку. В стенке имеются поры, через которые идёт сообщение между клетками через тонкие выросты цитоплазмы (плазмодесмы).

11.2. Слои клеточной стенки растительной клетки

Клеточная стенка выполняет опорную, защитную и транспортную функции. Она также регулирует поступление воды в клетку.

Основа опорно-двигательной системы клетки —цитоскелет:сеть белковых нитей (микрофиламентов), способных быстро собираться и разбираться, удлиняться и укорачиваться, и микротрубочек, способных изгибаться. Микротрубочки и микрофиламенты могут прочно связываться с наружной цитоплазматической мембраной и ядерной оболочкой, образуя сложные переплетения в цитоплазме.

Цитоскелет используется как “рельсы” для перемещения органелл и молекул из одного конца клетки в другой. С помощью специальных “белков-моторов” с затратой АТФ органеллы скользят по микрофила- ментам и микротрубочкам, перемещаясь в нужную сторону.

Цитоскелет определяет форму клетки и обеспечивает возможность различных движений внутри и перемещения самой клетки. Амёбоидным движением называется перемещение клеток с помощью образования ложноножек (псевдоподий) (рис. 11.3). При таком типе движения цитоплазма сокращается с помощью микрофиламентов и выдавливается в расслабленный участок на периферии клетки, как паста из тюбика. В этом месте образуется выпуклость поверхности - псевдоподия. В неё медленно перетекает содержимое клетки.

11.3. Амеба движется с помощью ложноножек

Органеллы движения— жгутики и реснички — также приводятся в движение микротрубочками. Они встречаются как у одноклеточных организмов, так и у некоторых клеток многоклеточных (например, сперматозоидов и клеток мерцательного эпителия).

Концы этих органелл выходят за пределы цитоплазматической мембраны. Их внутренние части удивительно сходны по строению: они состоят из осевой пары микротрубочек, которую окружает сноп из 9 парных микротрубочек. В основании жгутика или реснички расположено базальное тельце, в котором к каждой паре внешних микротрубочек прибавляется ещё одна опорная микротрубочка, образуя триады. В каждой триаде микротрубочки скользят друг относительно друга, приводя жгутик в движение. При этом затрачивается большое количество энергии в виде АТФ.

Клеточный центрсостоит из двух центриолей — маленьких телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Они присутствуют в клетках животных и грибов. Стенка центриоли состоит из 9 пучков, включающих по 3 микротрубочки.

Клеточный центр играет важную роль в делении клетки. В процессе деления центриоли удваиваются, расходятся к полюсам и образуют веретено деления, обеспечивающее перемещение и равномерное распределение хромосом между дочерними клетками.

Теория происхождения митохондрий и пластид

• Какие черты отличают эти органеллы от других и почему?

В отличие от других мембранных органелл клетки, митохондрии и пластиды имеют ряд интересных особенностей. Они окружены двойной мембраной и не “собираются”, как другие органеллы, из отдельных молекул, а размножаются делением. Более того, у них есть собственная кольцевая ДНК, в которой закодированы некоторые белки, входящие в состав этих органелл, и собственный аппарат синтеза РНК и белков. Эти белки похожи по своей первичной структуре на соответствующие белки бактерий.

На этом основании учёные предположили, что митохондрии и пластиды есть не что иное, как потомки свободноживущих микроорганизмов, поселившихся внутри клеток эукариот. Эти два типа клеток вступили во взаимовыгодное сотрудничество: эукариотическая клетка снабжает “бактерии” питательными веществами, а “бактерии” снабжают “хозяйку” энергией в виде молекул АТФ. Такие взаимоотношения между двумя организмами называют симбиозом. Поэтому теорию происхождения митохондрий и хлоропластов называюттеорией симбиогенеза (развития симбиоза).

Клетки растений, животных и грибов

• Какие особенности отличают план строения клетки трёх царств эукариот? Проведите самостоятельное сравнение их клеток по рисунку и таблице. Найдите особенности, связанные с типом питания.

Клетки грибов имеют несколько больше сходства с животными клетками, чем с растительными. Они запасают углеводы в виде гликогена; пластиды и, как правило, центриоли отсутствуют. Клеточная стенка грибов состоит из хитина — вещества, из которого строится наружный скелет членистоногих.

Одноклеточные эукариотные организмы, такие как простейшие, имеют дополнительные органеллы в качестве приспособления для существования в виде единственной клетки. Таковы, например, сократительные вакуоли, которые служат для удаления из клетки лишней воды у инфузории-туфельки, а также клеточный рот и клеточная глотка.

11.4. Строение эукариотических клеток: А — растительной; Б — животной

• Назовите мембранные органеллы растительной и животной клеток (рис. 11.4). Чем эти клетки различаются? Сравните ваши выводы с признаками, приведёнными в таблице.

Различия растительной и животной клеток

Признаки	Растительная клетка	Животная клетка
Пластиды	Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты	Отсутствуют
Клеточная стенка	Из целлюлозы	Отсутствует
Запасные питательные вещества	Крахмал	Гликоген
Вакуоли	Крупные полости (до 95% объёма клетки), заполненные клеточным соком - водным раствором различных веществ (запасные или конечные продукты). Осмотические резервуары клетки	Сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли. Обычно мелкие (до 5% объёма клетки)
Место синтеза АТФ	Пластиды и митохондрии	Митохондрии

Обобщение новых знаний

Клетки эукариот обладают широким набором мембранных и немембранных органелл. Они разделяют между собой функции по самообеспечению жизнедеятельности клетки, что повышает эффективность её работы. План строения эукариотической клетки общий у животных, растений и грибов, хотя в каждом царстве имеются отличия, связанные с особым типом питания.

Цитоплазма, цитоплазматическая мембрана, ядро, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосома, митохондрия, пластида, вакуоль, рибосома, клеточная стенка, цитоскелет, клеточный центр. Теория симбиогенеза

Применение знаний

1. Какие функции необходимы для жизнедеятельности каждой клетки?

2. Назовите известные вам органеллы и их основные функции.

3. Как строение эндоплазматической сети и аппарата Гольджи связано с их функциями?

4. В чём сходство и различие в строении клетки растений и животных?

5. Какие различия в обмене веществ растительной и животной клеток отражены в их строении?

6. Относятся ли грибы к растениям? Обоснуйте ответ.

7. Дышат ли растения? Если да, то при помощи каких органелл?

8. Если пациент принимает антибиотик, который останавливает синтез белка на бактериальной рибосоме, погибнут ли при этом простейшие и грибы, которые имеются в организме здоровых людей?

9. Как вы думаете, в клетках каких органов большое количество митохондрий?

10. В каких органах растений содержатся хлоропласты и почему?

Мои биологические исследования

Наблюдение клеток растений и животных под микроскопом на готовых микропрепаратах. Сравнение клеток растений и животных

Рассмотрите под микроскопом готовые препараты клеток растений и животных. Зарисуйте их строение, видимое в световом микроскопе. Сравните их цвет, особенности строения. Объясните полученные различия.

При наличии цифрового микроскопа сделайте снимки. Создайте презентацию вPowerPoint, на которой отразите свои наблюдения.

Рассмотрение хлоропластов в клетках элодеи

Приготовьте препарат из листа элодеи. Рассмотрите в микроскоп клетки, расположенные в основании листовой пластинки. Найдите и зарисуйте хлоропласты, расположенные в пристенном слое цитоплазмы.

При наличии цифрового микроскопа сделайте снимки. Создайте презентацию вPowerPoint, на которой отразите свои наблюдения.