Лекция к уроку: Строение и роль цитоплазмы и органоидов в жизнедеятельности клетки.

Лекция

Тема 1.2. Строение и функции клеток.

Тема 1.2.2. Строение и роль цитоплазмы и органоидов в жизнедеятельности 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. Строение и роль цитоплазмы и органоидов в жизнедеятельности клетки.

2. Структуры, свойственные растительным клеткам.

1. Строение и роль цитоплазмы и органоидов в жизнедеятельности клетки

Цитоплазма – обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на цитозоль (основное вещество цитоплазмы, пронизанное системой белковых нитей – цитоскелетом), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы).

Химический состав цитоплазмы: основу составляет вода (60–90% всей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма имеет щелочную реакцию.

Характерная особенность цитоплазмы эукариотической клетки – постоянное движение (циклоз). Оно обнаруживается, прежде всего, по перемещению органоидов клетки, например хлоропластов. Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в постоянном движении, она может выполнять свои функции.

Цитозоль (гиалоплазма) представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. Именно в цитозоле протекают все процессы обмена веществ, она обеспечивает взаимосвязь ядра и всех органоидов. В зависимости от преобладания в цитозоле жидкой части или крупных молекул, различают две формы цитозоля: золь – более жидкая цитозоль и гель – более густая цитозоль. Между ними возможны взаимопереходы: гель превращается в золь и наоборот. Переходы золя в гель и обратно могут быть вызваны изменением кислотности, концентрации определенных ионов, различными химическими реакциями, изменением температуры и др.

Функции цитоплазмы:

1. объединение всех компонентов клетки в единую систему;

2. среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов;

3. среда для существования и функционирования органоидов.

Цитоскелет – внутриклеточный механический каркас цитоплазмы, состоящий из сложной трехмерной белковой сети микрофиламентов и микротрубочек.

Микротрубочки – цилиндрические неразветвленные структуры. Длина микротрубочек колеблется от 100 мкм до 1 мм, диаметр составляет примерно 24 нм, толщина стенки – 5 нм. Основной химический компонент – белок тубулин. Микротрубочки легко разбираются и вновь собираются.

Микрофиламенты – нити диаметром 5–7 нм, состоят из белка актина или миозина. Микротрубочки и микрофиламенты образуют в цитоплазме сложные переплетения.

Функции цитоскелета:

1. определение формы клетки;

2. опора для органоидов;

3. образование веретена деления;

4. участие в движениях клетки;

5. организация тока цитоплазмы.

Органоиды – это постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции.

В зависимости от строения цитоплазматические органоиды разделяют на мембранные органоиды и немембранные органоиды.

Мембранные органоиды – полые структуры, стенки которых образованы одинарной или двойной мембраной.

К органоидам, образованным одинарной мембраной, относятся: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли. Они имеют сходный химический состав мембран и образуют внутриклеточную систему синтеза и транспорта веществ.

К двумембранным органоидам относятся митохондрии и пластиды. Эти органоиды называются полуавтономными, поскольку они содержат собственные ДНК, все типы РНК, рибосомы и способны синтезировать некоторые белки. Митохондрии и пластиды способны к самовоспроизведению и никогда не образуются из других компонентов клетки. Вне клеток они существовать не могут.

К немембранным органоидам клетки относятся органоиды, не имеющие собственной замкнутой мембраны, а именно: рибосомы и органоиды, построенные на основе тубулиновых микротрубочек – клеточный центр и органоиды движения (жгутики и реснички).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), представляет собой замкнутую систему, образованную соединенными между собой канальцами, «цистернами» и полостями различной формы и размеров, стенки которых являются мембранами, сходными с плазматической мембраной. ЭПС пронизывает всю клетку. Мембраны ЭПС с одной стороны связаны с плазматической мембраной, с другой – с наружной ядерной мембраной.

Различают шероховатую (гранулярную) (на ее мембране есть рибосомы), и гладкую (агранулярную) ЭПС. На рибосомах шероховатой ЭПС происходит синтез белков, которые предназначены для вывода за пределы клетки. Шероховатая ЭПС лучше развита в тех клетках, где синтезируется большое количество белков. На мембранах гладкой ЭПС находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Такие мембраны преобладают в клетках сальных желез, где осуществляется синтез жиров, в клетках печени (синтез гликогена), в клетках богатых запасными питательными веществами (семена растений). Синтезированные на мембранах ЭПС вещества поступают в ее полости, по которым транспортируются и доставляются в комплекс Гольджи.

Функции эндоплазматической сети:

1. транспорт веществ из одной части клетки в другую;

2. разделение цитоплазмы клетки на компартменты («отсеки»);

3. синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС);

4. синтез белка (шероховатая ЭПС).

Комплекс Гольджи, или аппарат Гольджи, представляет собой стопки уплощенных «цистерн» (слегка изогнутых, дискообразных полостей) с расширенными краями. С ними связана система мелких одномембранных пузырьков (пузырьки Гольджи). Каждая стопка обычно состоит из 3-х–8-ми «цистерн», является структурно-функциональной единицей аппарата Гольджи и называется диктиосомой. Число диктиосом в клетке колеблется от одной до нескольких сотен. В растительных клетках диктиосомы обособлены.

Комплекс Гольджи обычно расположен около клеточного ядра (в животных клетках часто вблизи клеточного центра). Попадающие в полости комплекса Гольджи из эндоплазматической сети продукты синтетической деятельности клетки (белки, полисахариды, липиды) подвергаются различным преобразованиям, накапливаются, сортируются упаковываются в секреторные пузырьки и по мере необходимости транспортируются к различным внутриклеточным структурам или за пределы клетки.

Функции комплекса Гольджи:

1. накопление белков, липидов, углеводов;

2. модификация поступивших органических веществ;

3. «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов;

4. секреция белков, липидов, углеводов;

5. синтез углеводов и липидов;

6. место образования лизосом.

Секреторная функция является важнейшей, поэтому комплекс Гольджи хорошо развит в секреторных клетках.

Лизосомы представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор ферментов. Ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС, перемещаются в комплекс Гольджи, где происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от комплекса Гольджи становятся собственно лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов ферментов. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом.

Различают: первичные лизосомы и вторичные лизосомы. Первичными называются лизосомы, отшнуровавшиеся от аппарата Гольджи. Первичные лизосомы являются фактором, обеспечивающим экзоцитоз ферментов из клетки.

Вторичными называются лизосомы, образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями. В этом случае в них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, поэтому их можно назвать пищеварительными вакуолями.

Процесс уничтожения ненужных клетке структур называют автофагией. Сначала подлежащая уничтожению структура окружается одинарной мембраной, затем образовавшаяся мембранная капсула сливается с первичной лизосомой, в результате также образуется вторичная лизосома (автофагическая вакуоль), в которой эта структура переваривается. Продукты переваривания усваиваются цитоплазмой клетки, но часть материала так и остается непереваренной. Вторичная лизосома, содержащая этот непереваренный материал, называется остаточным тельцем. Путем экзоцитоза непереваренные частицы удаляются из клетки.

Саморазрушение клетки, наступающее вследствие высвобождения содержимого лизосом называют автолизом. В норме автолиз имеет место при метаморфозах (исчезновение хвоста у головастика лягушек), инволюции матки после родов, в очагах омертвления тканей.

Функции лизосом:

1. внутриклеточное переваривание органических веществ;

2. уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур;

3. участие в процессах реорганизации клеток.

В животных клетках имеются мелкие пищеварительные и автофагические вакуоли, относящиеся к группе вторичных лизосом и содержащие ферменты. У одноклеточных животных есть еще сократительные вакуоли, выполняющие функцию осморегуляции и выделения.

Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли образуют единую вакуолярную сеть клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга.

Двумембранные органоиды

Митохондрия – органоид, называемый «энергетической станцией» клетки. Форма, размеры и количество митохондрий в клетке чрезвычайно варьируют. По форме митохондрии могут быть палочковидными, округлыми, спиральными, чашевидными, разветвленными. Длина митохондрий колеблется в пределах от 1,5 до 10 мкм, диаметр – от 0,25 до 1,00 мкм. Количество митохондрий в клетке может достигать нескольких тысяч и зависит от метаболической активности клетки.

Митохондрия ограничена двумя мембранами. Наружная мембрана митохондрий гладкая, внутренняя образует многочисленные складки – кристы. Кристы увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны, на которой размещаются мультиферментные системы, участвующие в процессах синтеза молекул АТФ. Внутри митохондрии заполнены матриксом, в котором содержатся молекулы ДНК, РНК, рибосомы. Согласно одной из гипотез (теория симбиогенеза) митохондрии произошли от древних свободноживущих аэробных прокариотических организмов, которые, случайно проникнув в клетку-хозяина, затем образовали с ней взаимовыгодный симбиотический комплекс.

Функция митохондрий: синтез АТФ в ходе окислительного фосфорилирования (аэробного дыхания клетки).

Рибосомы. Мельчайшие органоиды клетки диаметром 15-35 нм, имеющие вид сферы. Состоят рибосомы из 2-х неравных субъединиц: большой и малой. В их состав входят РНК и белки. Располагаются рибосомы на мембранах эндоплазматической сети и в цитоплазме. Субъединицы рибосомы синтезируются в ядрышке. Объединение субъединиц в одну целую рибосому происходит в цитоплазме.

Во время биосинтеза белка рибосомы могут «работать» поодиночке или объединятся в комплексы – полирибосомы (полисомы).

Функция рибосомы: обеспечивает биосинтез белка (сборку белковой молекулы из аминокислот).

Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу (сферу притяжения). Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой через определенные интервалы поперечными сшивками. Центриоли объединены в пары, где они расположены под прямым углом друг к другу. Перед делением клетки центриоли расходятся к противоположным полюсам, и возле каждой из них возникает дочерняя центриоль. Они формируют веретено деления, способствующее равномерному распределению генетического материала между дочерними клетками. В клетках высших растений (голосеменные, покрытосеменные) клеточный центр центриолей не имеет. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы, они возникают в результате дупликации (лат. duplicatio – удвоение) уже имеющихся центриолей.

Функции клеточного центра:

1. обеспечение расхождения хромосом к полюсам клетки во время деления (митоза или мейоза);

2. центр организации цитоскелета.

Органоиды движения. Присутствуют не во всех клетках. К органоидам движения относятся реснички (инфузории, эпителий дыхательных путей – ресничное движение), жгутики (жгутиконосцы, эвглена зеленая, сперматозоиды), ложноножки (корненожки, лейкоциты), миофибриллы (мышечные клетки) и др.

Миофибриллы состоят из актиновых и миозиновых филаментов, обеспечивающих сокращение мышечных клеток.

Жгутики и реснички – органоиды нитевидной формы, представляют собой выросты цитоплазмы, окруженные плазматической мембраной. Внутри выростов находятся микротрубочки, сокращения которых приводят клетку в движение.

Под движением понимается и движение клетки в пространстве, и внутриклеточное движение ее органоидов. В жидкой среде перемещение клеток осуществляется движением жгутиков и ресничек. Обычно у одной клетки бывает только один жгутик, а ресничек может быть очень много, и все их движения скоординированы, чем и обеспечивается движение клетки. Например, на поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек, с помощью которых она может передвигаться со скоростью 3 мм/с. На каждой клетке ресничного эпителия, выстилающего верхние дыхательные пути, насчитывается до 250 ресничек.

Клеточное движение обеспечивается цитоскелетом. Благодаря его наличию при фагоцитозе и пиноцитозе происходит впячивание плазматической мембраны внутрь клетки, передвигаются лизосомы, пузырьки комплекса Гольджи, митохондрии, наконец, движется сама цитоплазма.

Включения – непостоянные структуры цитоплазмы, которые образуются и исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Основное место локализации включений – цитоплазма, но иногда они встречаются и в ядре.

Включения имеют вид зерен, глыбок, капель, вакуолей, гранул различной величины и формы. Их химическая природа очень разнообразна.

Липоиды обычно откладываются в клетке в виде мелких капель. Большое количество жировых капель встречается в цитоплазме ряда простейших, например инфузорий. У млекопитающих жировые капли находятся в специализированных жировых клетках, в соединительной ткани. Капли жира встречаются в клетках практически всех растительных тканей, очень много жира содержится в семенах некоторых растений.

Включения полисахаридов имеют чаще всего форму гранул разнообразных размеров. У многоклеточных животных и простейших в цитоплазме клеток встречаются отложения гликогена. В клетках растений из полисахаридов наиболее часто откладывается крахмал.

Он имеет вид гранул различной формы и размеров, причем форма крахмальных гранул специфична для каждого вида растений и для определенных тканей. Отложениями крахмала богата цитоплазма клубней картофеля, зерен злаков.

Белковые включения встречаются реже, чем жировые и углеводные. Белковыми гранулами богата цитоплазма яйцеклеток, где они имеют форму пластинок, шариков, дисков, палочек. Белковые включения встречаются в цитоплазме клеток печени, клеток простейших и многих других животных.

К клеточным включениям относятся некоторые пигменты, например распространенный в тканях желтый и коричневый пигмент липофусцин, круглые гранулы которого накапливаются в процессе жизнедеятельности клеток, особенно по мере их старения. Присутствие некоторых пигментов связано с выполнением этими клетками особых функций. Примерами могут служить красный дыхательный пигмент гемоглобин в эритроцитах крови или пигмент меланин в клетках меланофорах покровных тканей животных.

1. Структуры, свойственные растительным клеткам.

В растительных клетках встречаются все органоиды, свойственные животной клетке: ядро, эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи и др.

В растительных клетках (у высших растений) отсутствует клеточный центр. Функцию лизосом выполняют вакуоли. Вместе с тем растительная клетка отличается от животной следующими признаками:

1. прочной целлюлозной клеточной стенкой, расположенной поверх цитоплазматической мембраны;

2. развитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток;

3. особыми органоидами – пластидами, в которых происходит фотосинтез.

Клеточная стенка. Для растительных клеток наряду с цитоплазматической мембраной характерна жесткая клеточная стенка. Каркас клеточной стенки сформирован из целлюлозных микрофибрилл, погруженных в матрикс. Матрикс клеточной стенки состоит из полисахаридов – пектина и гемицеллюлозы. Вода составляет 60-70% клеточной стенки. У большинства растительных клеток на внутреннюю поверхность первичной клеточной стенки отлагаются дополнительные слои целлюлозы, так возникает вторичная клеточная стенка.

Функции клеточной стенки:

1. обеспечение механической прочности и опоры клеткам и растению в целом;

2. обеспечение осмотической прочности клеток;

3. регуляция формы и роста клеток;

4. объединение всех клеток в единое целое: а) симпласт – единая система протоплазм всех клеток, формирующаяся посредством особых структур – плазмодесм (цитоплазматических тяжей, соединяющих соседние клетки растений через очень мелкие поры в смежных клеточных стенках); б) апопласт – внецитоплазматическое свободное пространство тканей растений, образованное клеточными оболочками и межклетниками (это путь транспорта воды и минеральных веществ);

5. защитная;

6. обеспечение дальнего транспорта веществ по растению;

7. барьерная;

8. запасная;

9. обеспечение активного транспорта веществ через цитоплазматическую мембрану.

Вакуоли – мембранные мешочки, наполненые жидкостью, ограниченные одинарной мембраной – тонопластом. В образовании вакуолей принимают участие эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи. Молодые растительные клетки содержат много мелких вакуолей, которые затем по мере роста и дифференцировки клетки сливаются друг с другом и образуют одну большую центральную вакуоль. Центральная вакуоль может занимать до 95% объема зрелой клетки, ядро и органоиды оттесняются при этом к клеточной оболочке. Жидкость, заполняющая растительную вакуоль, называется клеточным соком – это концентрированный раствор, содержащий минеральные соли, сахара, органические кислоты, пигменты, кислород, углекислый газ, продукты жизнедеятельности.

Функции вакуолей:

1. накопление и хранение воды;

2. регуляция водно-солевого обмена;

3. поддержание тургорного давления;

4. накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ;

5. окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и распространителей семян и др.

Пластиды. Эти органоиды характерны только для растительных клеток. Различают три основных типа пластид: хлоропласты – зеленые пластиды, хромопласты – окрашенные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого цветов, лейкопласты – бесцветные пластиды в клетках неокрашенных частей растений.

Хлоропласты. В клетках высших растений хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Длина хлоропластов колеблется в пределах от 5 до 10 мкм, диаметр – от 2 до 4 мкм.

Строение хлоропласта. Хлоропласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет сложную складчатую структуру. Наименьшая складка называется тилакоидом. Группа тилакоидов, уложенных наподобие стопки монет, называется граной. В хлоропласте содержится в среднем 40–60 гран, расположенных в шахматном порядке. Граны связываются друг с другом уплощенными каналами – ламеллами. В мембраны тилакоидов встроены фотосинтетические пигменты и ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Главным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл, который и обусловливает зеленый цвет хлоропластов. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено стромой. В строме содержатся ДНК, рибосомы, ферменты, зерна крахмала. Внутри каждого тилакоида находится протонный резервуар, где происходит накопление Н+.

Хлоропласты содержатся в клетках зеленых частей высших растений, особенно много хлоропластов в листьях и зеленых плодах. Хлоропласты низших растений называют хроматофорами.

Полагают, что хлоропласты произошли от древних эндосимбиотических цианобактерий (теория симбиогенеза).

Функция хлоропластов: участие в процессе фотосинтеза. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза органических соединений, в первую очередь углеводов.

Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растений красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов окрашены благодаря пигментам, содержащимся в хромопластах.

Хромопласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя или также гладкая, или образует единичные тилакоиды. В строме имеются ДНК и пигменты – каротиноиды, придающие хромопластам желтую, красную или оранжевую окраску. Форма накопления пигментов различная: в виде кристаллов, растворенных липидных каплях и др.

Содержатся хромопласты в клетках зрелых плодов, лепестков, осенних листьев, редко – корнеплодов. Хромопласты считаются конечной стадией развития пластид.

Функция хромопластов: окрашивание цветов и плодов и тем самым привлечение опылителей и распространителей семян.

Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества – крахмала. Особенно много лейкопластов имеют клетки подземных органов растения (корни, клубни, корневища и др.). На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клубни картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют. Форма их варьирует (шаровидные, округлые, чашевидные и др.).

Лейкопласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует малочисленные тилакоиды. В строме содержатся ДНК, рибосомы, ферменты. Пигменты отсутствуют.

Функции лейкопластов: синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ. Выделяют: амилопласты – это лейкопласты, которые синтезируют и накапливают крахмал, элайопласты – масла, протеинопласты – белки. В одном и том же лейкопласте могут накапливаться разные вещества.

Все виды пластид могут образовываться из пропластид. Пропластиды – мелкие органоиды, содержащиеся в меристематических тканях. Поскольку пластиды имеют общее происхождение, между ними возможны взаимопревращения. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (позеленение клубней картофеля на свету), хлоропласты – в хромопласты (пожелтение листьев и покраснение плодов). Превращение хромопластов в лейкопласты или хлоропласты считается невозможным.

Вопросы для закрепления изученного материала:

1. В каком участке образуются субъединицы рибосом?

2. Каковы функции рибосом?

3. Какие виды эндоплазматической сети вам известны и каковы их функции?

4. Какие функции выполняет комплекс Гольджи?

5. Какие функции выполняют лизосомы?

6. Какие органоиды клетки называют органоидами дыхания?

7. Как происходят взаимопревращение пластид?

8. Как называется внутренняя среда у митохондрии и пластид?

9. Чем образованы центриоли клеточного центра?

10. Каковы функции клеточного центра?

11. Перечислите органоиды движения клетки.

12. Перечислите одномембранные органоиды клетки.

13. Перечислите двумембранные органоиды клетки

14. Перечислите немембранные органоиды клетки

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