Лекция к уроку: Многообразие клеток. Прокариотические и эукариотические клетки.

Лекция

Тема 1.2. Строение и функции клеток.

Тема 1.2.1. Многообразие клеток. Прокариотические и эукариотические клетки.

Знания, умения и навыки, которыми должны обладать обучающиеся:

З1. - основные положения биологических теорий и закономерностей: клеточной теории, эволюционного учения, учения В.И. Вернадского о биосфере, законы Г. Менделя, закономерностей изменчивости и наследственности;

З2. - строение и функционирование биологических объектов: клетки, генов и хромосом, структуры вида и экосистем;

З3 - вклад выдающихся (в том числе отечественных) учёных в развитие биологической науки;

З4. - биологическую терминологию и символику;

У1. - объяснять роль биологии в формировании научного мировоззрения; вклад биологических теорий в формирование современной естественно-научной картины мира; единство живой и неживой природы, родство живых организмов;

У2. - сравнивать биологические объекты: химический состав тел живой и неживой природы, зародышей человека и других животных, природные экосистемы и агроэкосистемы своей местности;

У3. - находить информацию о биологических объектах в различных источниках (учебниках, справочниках, научно-популярных изданиях, компьютерных базах, ресурсах сети Интернет) и критически её оценивать.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ:

Изучение нового материала

Вопросы (план):

1. Многообразие клеток: прокариотические и эукариотические, соматические и половые.

2. Особенности строения прокариотической клетки.

3. Строение эукариотической клетки.

4. Строение и функции цитоплазматической мембраны.

1. Многообразие клеток: прокариотические и эукариотические,

соматические и половые

Все живое разделено на 2 империи — клеточные и неклеточные формы жизни. Основными формами жизни на Земле являются организмы клеточного строения.

К неклеточным организмам относятся вирусы и бактериофаги. Неклеточные формы жизни являются переходной группой между неживой и живой природой. Их жизнедеятельность зависит от эукариотических организмов, они могут делиться только проникнув в живую клетку. Вне клетки неклеточные формы не проявляют признаков жизни.

В отличие от клеточных форм, неклеточные виды имеют только один вид нуклеиновых кислот — РНК или ДНК. Они не способны к самостоятельному синтезу белков из-за отсутствия рибосом. Также в неклеточных организмах отсутствует рост и не происходят обменные процессы.

Клеточные организмы делятся на два надцарства: прокариоты и эукариоты. Структурной единицей клеточных форм жизни является клетка.

Прокариоты имеют простейшее строение: отсутствует ядро и мембранные органоиды, деление идет путем амитоза, без участия веретена деления. К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии.

Эукариоты — это клеточные формы, имеющие оформленное ядро, которое состоит из двойной ядерной мембраны, ядерного матрикса, хроматина, ядрышек. Эукариоты объединяют растительный, животный мир и Царство грибов.

Все клетки эукариот имеют сходный набор органоидов, сходно регулируют метаболизм, запасают и расходуют энергию, сходно с прокариотами используют генетический код для синтеза белков. У эукариотических и прокариотических клеток принципиально сходно функционирует и клеточная мембрана. Общие признаки клеток свидетельствуют о единстве их происхождения. Однако разные клетки организма сильно различаются по размерам, форме, числу органоидов, набору ферментов, что обусловлено, с одной стороны, их кооперированием в многоклеточном организме, а с другой стороны, выполнением множества функций специализироваными клетками. Различия в структуре и функциях одноклеточных организмов связаны с их приспособлениями к среде обитания.

У всех клеток многоклеточного организма геном не отличается по объему потенциальной информации от генома оплодотворенной яйцеклетки. Различия в свойствах клеток многоклеточного организма обусловлены неодинаковой активностью генов. Так для многоклеточных организмов характерно явление дифференцировки клеток, в результате которой одни клетки становятся возбудимыми (нервные), другие – сократимыми (мышечные), третьи начинают синтезировать пищеварительные ферменты и гормоны (железистые) и т.д. Многое клетки полифункциональны, например клетки печени. Клетки, сходные по строению, функциям и происхождению, образуют ткани. Все клетки организма, имеющие диплоидный набор хромосом являются соматическими клетками. Половые клетки (гаметы) имеют гаплоидный набор хромосом и служат для размножения.

1. Особенности строения прокариотической клетки

К прокариотам относятся две крупные группы организмов: бактерии и цианобактерии, или сине-зеленые водоросли.

Основными отличиями строения и жизнедеятельности прокариотических клеток от эукариотических клеток являются следующие:

1. Клетка прокариот не имеет оформленного (ограниченного мембраной) ядра, наследственная информация в ней содержится в кольцевой молекуле ДНК. ДНК не заблокирована белками, в первую очередь гистонами, поэтому все гены в ней активны, т. е. постоянно функционируют. У эукариотических клеток имеется оформленное ядро, а генетический аппарат представлен молекулами ДНК в комплексе с белками – гистонами, упаковывающими ДНК в компактные структуры и регулирующими активность ее генов.

2. Цитоплазма прокариотической и эукариотической клеток окружена мембраной (плазмолеммой), однако у бактерий, растений и грибов снаружи от плазмолеммы располагается клеточная стенка, образованная веществом полисахаридной природы – муреином (бактерии), целлюлозой (растения) или хитином (грибы). Клеточная оболочка животной клетки образована плазмолеммой, покрытой снаружи слоем гликокаликса.

3. В цитоплазме прокариотической клетки отсутствуют мембранные органеллы (митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс, лизосомы, пероксисомы), а ограниченное количество мембран представляет собой впячивания плазмолеммы внутрь цитоплазмы.

4. Синтез белка осуществляется свободными рибосомами, имеющими меньший размер (70S), чем рибосомы эукариотнческих клеток (80S).

5. Специальные органеллы прокариотической клетки – жгутики устроены проще, чем жгутики эукариотической клетки: они лишены внутреннего каркаса из микротрубочек и микрофиламентов.

6. В цитоплазме многих прокариотических клеток имеются газовые вакуоли.

7. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр.

8. Прокариоты размножаются простым делением клетки, у эукариот имеет место половой процесс с образованием гамет.

9. У прокариотических клеток отсутствует амебоидное движение и внутриклеточные перемещения цитоплазмы.

10. Синтез АТФ осуществляется в прокариотических клетках на мембране плазмолеммы.

При всей простоте строения прокариоты – типичные клетки, способные вести независимое существование.

1. Строение эукариотической клетки

Эукариоты появились около 1,5 млрд. лет назад. Они включают три царства: Грибы, Растения и Животные, которые могут относиться к подцарству одноклеточные или многоклеточные. Первоначально эукариоты имели одноклеточное строение. Многоклеточные формы появились около 600 млн. лет назад. Около 500 млн. лет назад среди многоклеточных появляются хордовые животные, которые в процессе дальнейшей эволюции дали начало позвоночным. Примерно 250 млн. лет назад появляются млекопитающие, которые впоследствии дали ветвь, ведущую через приматов к человеку (примерно 1,8 млн. лет назад).

Эукариотическая клетка – это элементарная, живая, саморегулирующаяся упорядоченная система биополимеров, отграниченная активной мембраной, состоящая из двух неразрывно связанных компонентов (ядра и цитоплазмы) и подчиненная высшим регуляторным механизмам целостного организма (нервной, гуморальной, иммунной и эндокринной систем).

Эукариотическая клетка имеете следующие особенности организации:

1. имеется оформленное ядро, в котором располагается молекула ДНК;

2. имеется развитая система мембран и соответственно органоиды мембранного строения: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии;

3. имеется клеточный центр, поэтому размножаются митозом;

4. могут передвигаться при помощи ложноножек (амеба);

5. имеется циклоз;

6. присуще явление компартментации – с помощью биологических мембран обеспечивается пространственное разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии).

1. Строение и функции цитоплазматической мембраны

Эукариотические клетки состоят из поверхостного аппарата (цитоплазматическая мембрана), цитоплазмы и ядра.

Эукариотическая клетка отделена от внешней среды или соседних клеток цитоплазматической мембраной, или плазмалеммой. Биологические мембраны построены в основном из липидов, белков и углеводов.

Предложено несколько моделей строения цитоплазматических мембран (модель «сэндвича» - модель Даниели и Даусона, модель Ленарда и др.). В настоящее время принята за основу жидкостно-мозаичная модель, предложенная Сингером-Николсоном в 1972 г. Согласно этой модели в состав мембран входит бимолекулярный слой фосфолипидов, в который погружены молекулы белков.

Фосфолипиды – соединения глицерина, жирных кислот и остатка фосфорной кислоты. Это водонерастворимые соединения, которые состоят из полярной (заряженной) головки (азотодержащая группа) и двух длинных неполярных (незаряженных) хвостов (цепи жирных кислот). Молекулы липидов обращены друг к другу неполярными хвостами, а их полярные полюса (головки) остаются снаружи, образуя гидрофильные поверхности.

В бимолекулярный слой липидов погружены белковые молекулы.

Мембранные белки можно разделить на три группы: периферические (наиболее слабо связаны с мембраной), погруженные (полуинтегральные) и пронизывающие (интегральные, трансмембранные), формирующие поры и каналы мембраны. В функциональном отношении белки мембран подразделяются на ферментативные, транспортные, структурные и регуляторные.

На внешней поверхности плазматической мембраны белковые и липидные молекулы связаны с углеводными цепями (гликопротеиды и гликолипиды), образуя гликокаликс – рецепторный аппарат клетки. Гликопротеиды выполняют роль рецепторов, клетка приобретает способность специфически реагировать на воздействия извне. Так, взаимодействие гормона со «своим» рецептором снаружи вызывает изменение структуры интегрального белка, что приводит к запуску клеточного ответа. В частности, такой ответ может проявиться в образовании «каналов», по которым растворы некоторых веществ начинают поступать в клетку или выводятся из нее. Гликолипиды обеспечивают одну из важных функций мембраны – обеспечение межклеточных контактов.

Под плазматической мембраной со стороны цитоплазмы имеются белковые фибриллы, формирующие опорно-сократительный аппарат клетки.

У растительных клеток к наружи от мембраны расположена плотная структура – клеточная оболочка, состоящая из полисахаридов (целлюлозы).

Функции плазматической мембраны:

1. защитная или барьерная функция;

2. обеспечение контактов между клетками;

3. сигнальная (рецепторная) – на поверхности мембраны находятся рецепторы, которые воспринимают сигналы из внешней среды;

4. транспортная – регулирует транспорт в-в, т. к. обладает избирательной проницаемостью.

Одно из важнейших свойств цитоплазматической мембраны связано со способностью пропускать в клетку или из нее различные вещества. Это необходимо для поддержания постоянства ее состава. Малые молекулы и ионы проходят через мембраны путем пассивного и активного транспорта.

Пассивный транспорт происходит без затрат энергии путем свободной диффузии, облегченной диффузии и осмоса.

Диффузия – транспорт молекул и ионов через мембрану из области с высокой в область с низкой их концентрацией, т.е. по градиенту концентрации. Если вещества хорошо растворимы в жирах, то они проникают в клетку путем простой диффузии (кислород, углекислый газ).

Облегченная диффузия – транспорт веществ, нерастворимых в жирах и не проходящих сквозь поры, через ионные каналы с помощью белков-переносчиков.

Транспорт воды через полупроницаемые мембраны называется осмосом. В цитоплазматической мембране присутствуют специальные каналы для транспортировки воды с растворенными в ней ионами и молекулами. В 1989 году американский ученый Питер Эгр выделил мембранный белок, образующий водные каналы, и назвал егот аквапорином. В тканях человека было обнаружено 11 аналогов аквопорина, причем ряд из них может привести к появлению тех или иных заболеваний человека, например, к некоторым формам диабета и хронической сердечной недостаточности.

Вода переходит из области с меньшей концентрацией солей в область, где их концентрация больше. Возникающее давление на полупроницаемую мембрану называют осмотическим.

Напряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, называется тургором. Тургор обуславливается тремя факторами: внутренним осмотическим давлением клетки, которое вызывает напряжение клеточной оболочки, внешним осмотическим давлением, а также упругостью клеточной оболочки. Снижением тургора сопровождаются процессы обезвоживания, автолиза (распада), увядания и старения клеток.

Активный транспорт веществ через мембрану осуществляется против градиента концентрации с затратой энергии АТФ и при участии белков-переносчиков. Так транспортируются аминокислоты, сахар, ионы калия, натрия, кальция и др.

Примером активного транспорта может быть работа калий-натриевого насоса. Концентрация К⁺ внутри клетки в 10 – 20 раз выше, чем снаружи, а Na⁺ – наоборот. Для поддержания данной концентрации происходит перенос трех ионов Na⁺ из клетки на каждые два иона К⁺ в клетку. В этом процессе участвует белок в мембране, выполняющий функцию фермента, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии, необходимой для работы насоса.

Перенос макромолекул и крупных частиц внутрь клетки осуществляется за счет эндоцитоза, а удаление из клетки - путем экзоцитоза.

При эндоцитозе мембрана образует впячивания или выросты, которые затем отшнуровываясь превращаются во внутриклеточные пузырьки, содержащие захваченный клеткой продукт. Этот процесс происходит с затратой энергии АТФ. Различают два вида эндоцитоза – фагоцитоз (поглощение клеткой крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение жидких веществ).

Мембрана принимает участие в выведении веществ из клетки в процессе экзоцитоза. Таким способом из клетки выводятся гормоны, белки, жировые капли и др.

Вопросы для закрепления изученного материала:

1. Когда и кем были созданы первые два положения клеточной теории?

2. Кто доказал, что новые клетки образуются путем деления материнской клетки?

3. Кто показал, что клетка является единицей развития?

4. Чем образована плазмалемма?

5. Из каких слоев состоят оболочки животной и растительной клеток?

6. Перечислите функции клеточной оболочки.

7. Назовите виды транспорта через клеточную мембрану.

8. Что такое фагоцитоз и пиноцитоз?

Информационное обеспечение обучения:

1. Общая биология: Учебн. для 10–11 кл. общеобразоват. учреждений / Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2020. – 303 с.: ил.

2. Сухорукова, Л. Н. Биология. 10-11 классы. Базовый уровень. Учебник / Л.Н. Сухорукова, Т.В. Иванова. - М.: Просвещение, 2020. - 128 c.

Дополнительная, интернет - ресурсы

1. www. sbio. info

2. www. window. edu. ru

3. www.5ballov. ru/test

4. www. vspu. ac. ru/deold/bio/bio. htm

5. www. biology. ru