Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

Рудольф Вірхов

Народився в місті Шифельбейні в Померанії (нині місто Свідвин у Польщі) у 1821 році. ОсвітуздобувуБерлінівмедичномуінституті. Вірховставосновоположником клітинної патології, обґрунтувавши тезу про те, що будь-який патологічний процес зводиться до змін у життєдіяльності клітин організму. Учений сформулював положення «omnis cellula e cellula» (кожна клітина походить від клітини), чим поклав край уявленням багатьох своїх сучасників про те, що клітини можуть утворюватись із міжклітинної речовини. Це твер-

дження увійшло до клітинної теорії як одне з її положень. Помер дослідник 1902 року в Берліні.

мембрані шваннівської клітини, що формує ізоляцію відростків нервових клітин, співвідношення 1:3 на користь ліпідів. Натомість у внутрішній мембрані мітохондрії співвідношення — 3:1 на користь білків. Білки мембрани можна розподілити на три типи: інтегральні, або трансмембранні, зі значною гідрофобною поверхнею, зануреною в неполярний шар мембрани; периферійні, що контактують лише з голівками ліпідів; та заякорені, до яких ковалентно прикріплений ліпідний компонент, занурений у мембрану. Ліпіди мембран вирізняються значним різноманіттям голівок. Більшість із них — це заряджені групи, що несуть або негативний, або сумарний нульовий заряд (якщо в голівці одночасно є і позитивно, і негативно заряджені групи). Таким чином, поверхня мембран за фізіологічних умов має негативний заряд, який запобігає спонтанному злиттю різноманітних мембранних органел одна з одною завдяки наявності електростатичного відштовхування. Деякі ліпіди та білки мембран мають вуглеводний компонент, прикріплений до їхніх молекул. Такі «химерні» молекули називають гліколіпідами та глікопротеїнами відповідно. У плазматичній мембрані вуглеводні компоненти завжди розташовані із зовнішнього (зверненого до зовнішнього середовища) боку1.

Властивості клітинної мембрани: напівпроникність, текучість, рідкокристалічність

1Це правило порушується, наприклад, у рослин, у яких є гліколіпіди з вуглеводним компонентом, що «дивиться» всередину клітини. Такі незвичайні гліколіпіди залучені до синтезу целюлози.

52

енергії та має назву пасивний. Деякі білки, споживаючи енергію, здатні переносити речовини проти градієнта концентрації, тобто із менш насиченого розчину в більш насичений. Такий тип перенесення назива-

ють активним транспортом. Він відіграє важливу роль у життєдіяльності клітини.

Іншою властивістю мембрани є те, що ліпіди в ній здатні переміщуватися (рис. 9.5). І, нарешті, є ще одна надзвичайно

цікава властивість мембран. Незважаючи на те, що ліпіди постійно переміщуються в межах свого шару, загальна структура мембрани не змінюється: це плоский двошаровий ансамбль орієнтованих ліпідних молекул. Такі системи, у яких компоненти постійно переміщуються, але при цьому їхня впорядкована структура не порушується, називають рідкими кристалами. Усі біологічні мембрани є рідкими кристалами.

Функції мембрани ґрунтуються на перелічених властивостях. Саме ці властивості зумовлюють бар’єрну функцію й функцію вибіркового транспорту, що забезпечують відмінність складу внутрішнього вмісту клітини від середовища, яке її оточує. Також мембрани утворюють більшість клітинних органел, приймають і передають сигнали, беруть участь в енергетичному обміні. У цьому полягають їхні

структурна, сигнальна й енергетична функції відповідно.

Ззовні тваринна клітина вкрита вуглеводною «шубою» — глікокаліксом

53

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Жива клітина ззовні оточена мембраною, яка складається з (1) речовин, які своїми (2) частинами спрямовані всередину мембрани, а (3) — назовні. А 1 — гідрофобних, 2 — амфіфільними, 3 — гідрофільними

Б 1 — амфіфільних, 2 — гідрофобними, 3 — гідрофільними В 1 — гідрофільних, 2 — гідрофобними, 3 — амфіфільними Г 1 — амфіфільних, 2 — гідрофільними, 3 — гідрофобними Д 1 — гідрофобних, 2 — гідрофільними, 3 — амфіфільними

2Деякі клітинні структури мають власний генетичний апарат, здатні до синтезу білка та розмноження всередині клітини. У тваринній клітині до них належать

3Утворення мембран у тваринній клітині (синтез фосфоліпідів і збирання подвійних шарів) відбувається в

4На рисунку зображено ділянку мембрани. Укажіть, які об’єкти позначено цифрами 1–3.

В1 — інтегральний білок,

2 — заякорений білок, 3 — периферійний білок

Г1 — периферійний білок, 2 — заякорений білок, 3 — інтегральний білок Д 1 — заякорений білок, 2 — периферійний білок, 3 — інтегральний білок

5На рисунку зображено два види мембранного транспорту. Зображення ліворуч ілюструє (1), у такий спосіб крізь мембрану може проникати (2). На зображенні праворуч приклад (3), завдяки чому відбувається транспорт (4).

Г1 — активний транспорт, 2 — катіон Натрію, 3 — пасивного транспорту, 4 — води

Д1 — полегшену дифузію, 2 — вода, 3 — простої дифузії, 4 — глюкози

54

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Поясніть поняття, що використані у твердженні: «Клітина є найменшою універсальною одиницею живого — найдрібнішою структурою, що має властивості живої системи: самопідтримування й самовідтворення».

7На рисунку 9.2 зображено узагальнену будову тваринної клітини. Як видно, у ній багато структурно-функціональних частин. Спробуйте їх згрупувати та вкажіть принцип, на основі якого частини клітини було об’єднано в кожну з груп.

8Проаналізуйте особливості функціонування клітин, приклади яких наведені в параграфі, і поясність, як змінюється та від чого залежить співвідношення білків і ліпідів у біологічних мембранах.

9Як і чому переміщуються молекули фосфоліпідів у мембрані? Зробіть рисунки, на яких покажіть можливі переміщення ліпідів. Зробіть припущення

щодо біологічної ролі таких переміщень та їхньої хімічної основи.

10 Оболонка еритроцита містить багато компонентів. Укажіть, де на рисунку зображено зовнішній бік мембрани. Обговоріть можливі функції намальованих на рисунку компонентів.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Схарактеризуй різноманіття фосфоліпідів, що формують мембрани тварин-

них клітин. Спробуй скласти перелік таких фосфоліпідів і зазнач особливості їхньої будови та біологічної ролі. Де людина використовує фосфоліпіди?

12У мембрані не можна зробити дірку. Укажи, у яких ситуаціях це корисно, а в яких — не дуже. Така «стійкість» зумовлена деякими властивостями мембрани та компонентів, що входять до її складу. Назви ці властивості.

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Вторинні посередники (чи месенджери) передають різноманітні сигнали всередині клітини. Опиши роботу фосфатидилінозитольного сигнального каскаду та його значення в регуляції функцій організму.

14Дуже важливим видається розуміння процесів збирання мембран, їх функціонування та розбирання. Спробуй скласти схему чи план «життя» будьякої біологічної мембрани.

Проект для дружної компанії

15 Послухайте пісню про клітину та спробуйте створити щось подібне українською мовою. Запишіть ролик, викладіть його в YouTube і заспівайте однокласникам на уроці біології.

55

§ 10. Цитоплазма та органели

Цитозоль пронизаний елементами цитоскелету

У попередньому параграфі ми докладно розглянули будову плазматичної мембрани. Тепер час зануритися всередину клітини та розглянути структури й процеси, що відбуваються під клітинною оболонкою.

Безпосередньо під плазматичною мембраною розташований уміст клітини — цитоплазма. Історично склалося так, що під цитоплазмою розуміють увесь уміст клітини, крім ядра. У цитоплазмі можна виділити як рідку частину — цитозоль, так й оформлені органели. У цитозолі відбуваються різноманітні біохімічні процеси, з якими ви ознайомитеся докладно в § 15-16. Усередині клітини пронизані опорними філаментами1 — цитоскелетом. Саме цитоскелет забезпечує підтримання форми клітини, а також більшість її рухів. Джгутики та війки, що забезпечують переміщення одноклітинних організмів, сперматозоїдів, а також рух секретів слизовими оболонками, усередині містять стрижень із філаментів особливого роду — мікротрубочок, здатних переміщуватися одна відносно одної — саме це переміщення й забезпечує їхній рух (рис. 10.1). М’язи скорочуються завдяки тому, що нитки, побудовані з білка актину, переміщуються відносно ниток, побудованих з білка міозину. Поверхня епітеліальних клітин, що вистилають тонкий кишківник, у багато разів збільшена завдяки наявності мікроворсинок на їхній поверхні. Ці мікроворсинки підтримуються зсередини нитками з білка актину.

Важлива особливість білків цитоскелету (актину й тубуліну) полягає в тому, що вони можуть міститися як у складі ниток (філаментів) цитоскелету (рис. 10.2, А), так і в розчинній формі.

Рис. 10.1. Джгутики та війки

А. Клітина хламідомонади має два джгутики, завдяки синхронним рухам яких вона пересувається у воді. Б. Сперматозоїд на поверхні епітелію маткової труби. Сперматозоїд має єдиний довгий джгутик, завдяки якому він переміщується до яйцеклітини. Клітини епітелію маткових труб також містять рухові структури — війки, по кілька на клітину. Їхні синхронні биття допомагають яйцеклітині рухатися назустріч сперматозоїду. В. Війки трахеї людини, що допомагають виводити слиз та дрібні частинки з дихальних шляхів. Г. Схема будови джгутика.

1Філамент (від англ. filament — нитка) — внутрішньоклітинне ниткоподібне утворення.

56

А

Наприклад, актин — типовий глобулярний білок, розчинний у цитоплазмі. Проте він може полімеризуватися1, формуючи довгі нитки актинового цитоскелета (рис. 10.2, Б). Цей перехід оборотний, і клітина може контролювати як утворення, так і розпад філаментів.

Вакуом — сукупність одномембранних органел клітини

Серед внутрішньоклітинних структур тваринної клітини найбільше виділяються органели, оточені власною мембраною. Сукупність органел, оточених однією мембраною, утворює вакуом клітини. Органели, що їх містить вакуом, — це пухирці, трубочки, диски та сітчасті структури. Центральним у вакуомі є ендоплазматичний ретикулум (ЕПР) — безперервна мережа трубочок і цистерн, що займає значну частину клітини. ЕПР розмежований на два відділи. Перший — це шорсткий ендоплазматичний ретикулум, що залучений до біосинтезу білка й називаний так тому, що його мембрана вкрита рибосомами. Інший — гладкий ендоплазматичний ретикулум, позбавлений рибосом. Гладкий ЕПР залучений до синтезу ліпідів, а також слугує місцем скупчення йонів Кальцію. ЕПР дає початок іншим компонентам вакуому, утворюючи везикули (мембранні пухирці), які згодом зливаються з іншою структурою вакуому — апаратом Гольджі (рис. 10.3).

Апарат Гольджі тваринної клітини має характерну будову: він складається з мембранних дисків, розширених із боків і зібраних у стоси. В апараті Гольджі відбуваються процеси дозрівання мембранних та секреторних білків, синтезованих в ЕПР, а також їх сортування. Під час сортування клітина вирішує, чи білок залишиться «працювати» всередині клітини, чи буде виділений назовні. Білки, що спрямовуються назовні, потрапляють до складу транспортних везикул. Потім вони зливаються з плазматичною мембраною клітини, при цьому вміст везикули переходить до зовнішнього середовища, а мембранні ліпіди та білки переходять до складу плазматичної мембрани.

1Під терміном «полімеризація» мається на увазі формування макромолекулярних комплексів із багатьох субодиниць без утворення ковалентних зв’язків.

57

Ще один тип везикул, що виробляються апаратом Гольджі, — це лізосоми. Лізосоми — це травні органели, що містять травні ферменти. Вони перетравлюють часточки їжі або цілі органели та клітини.

Мітохондріом — сукупність мітохондрій клітини

В особливу групу треба виокремити цитоплазматичні органели, оточені двома мембранами. У тварин такими органелами є мітохондрії. Будова «класичної» мітохондрії зображена на рисунку 10.4. Мітохондрія має оболонку з двох мембран. Зовнішня мембрана мітохондрії гладка й оточує мітохондрію, наче панчоха, натомість внутрішня мембрана нерівна, містить численні складки — кристи, що збільшують її поверхню в багато разів. У різних організмів вони можуть мати вигляд пластинок, трубочок, пухирців. Під внутрішньою мембраною розташований мітохондріальний матрикс — рідкий уміст мітохондрії. Важливо зазначити, що мітохондрії мають власну ДНК, а також апарат синтезу білка. ДНК розташована в матриксі й не оточена якимись додатковими мембранними структурами.

Мітохондрії є енергетичними станціями клітини. Саме в них здійснюються про-

няютьсязасвоєюформоювідзображеної на рисунку 10.4. Наприклад, мітохондрії м’язових волокон зливаються між собою, утворюючи єдину мережу, що пронизує всю цитоплазму, — мітохондріальний ретикулум (рис.10.5, А).

58

Рис. 10.5. Приклади мітохондрій у різних типах клітин

А. Мітохондрії м’язової клітини (забарвлені в червоний колір). Б. Клітина сполучної тканини людини (мітохондрії забарвлені в червоний колір, ядро — у блакитний). В. Дріжджі (мітохондрії забарвлені в зелений колір).

Така структура ефективніше постачає енергію скоротливим структурам м’язового волокна. В інших клітинах іноді буває до кількох тисяч мітохондрій, а в багатьох найпростіших у клітині є лише одна велика мітохондрія (рис. 10.5, Б, В).

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Мікроворсинки клітин кишківника зсередини підтримуються нитками (1). Епітелій кишківника завдяки наявності мікроворсинок (2). Ззовні мікровор-

синки оточені (3).

А 1 — міозину, 2 — захищений від травних соків, 3 — колагеном Б 1 — актину, 2 — збільшує свою поверхню, 3 — глікокаліксом В 1 — тубуліну, 2 — забезпечує рух яйцеклітини, 3 — целюлозою Г 1 — актину, 2 — здатний регенерувати, 3 — слизом Д 1 — тубуліну, 2 — здатний до руху, 3 — ліпідною оболонкою

3До складу вакуому клітини входять А немембранні органели Б мітохондрії та хлоропласти

59

4Оберіть правильні характеристики мітохондрій з наведеного переліку:

1)містять власну ДНК;

2)здатні ділитися всередині клітини;

3)мають власний білоксинтезувальний апарат;

4)містять власний ендоплазматичний ретикулум;

5)належать до вакуому клітини;

6)належать до органел руху.

А 1, 2, 3 Б 2, 3, 4 В 3, 4, 5 Г 4, 5, 6 Д 1, 5, 6

5 Мітохондрії називають енергетичними станціями клітини, оскільки вони А мають двомембранну будову Б окиснюють органічні речовини В заповнені матриксом

Г мають складчасту внутрішню мембрану Д містять власну ДНК

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Що таке цитозоль? Спробуйте схарактеризувати склад цитозолю. Укажіть основні функції цитозолю.

7Нитки цитоскелета часто складаються з полімерних глобулярних білків, а не з довгих фібрилярних молекул. На вашу думку, чому?

8Є кілька різних органел руху. Зробіть порівняльну характеристику цих органел у вигляді таблиці. У цій таблиці вкажіть поширення та будову кожної з наведених вами органел.

9Терміном «вакуом» позначають усі одномембранні органели клітини, підкреслюючи цим, що всі вони взаємопов’язані. Опишіть цей взаємозв’язок з погляду функцій і структури.

10Опишіть будову мітохондрії та вкажіть її основні структури. З’ясуйте струк- турно-функціональні зв’язки та поясніть їхнє значення.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Деякі одноклітинні паразити позбавлені мітохондрій, хоча і є типовими еукаріотами. Як вони можуть жити без енергетичних станцій?

12Цитоскелет є не тільки в еукаріотичних клітинах, а й у клітинах прокаріотів. Які білки беруть участь у його формуванні у бактерій?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Цитоскелет та органели руху пов’язані між собою. Як здійснюється цей зв’язок? Яку роль відіграє в цьому зв’язку клітинний центр?

14Переміщення речовин у мембранних везикулах у межах однієї клітини здійснюється за допомогою «крокуючих» білків динеїну та кінезину. Знайди про них інформацію, відео та розкажи в класі, як працюють ці дивовижні білки.

60