Урок 12 История изучения клеток. Методы цитологических исследований. Химический состав строение и функции мембран (биомембран). Транспорт веществ через мембраны. Цитология (греч. citos – клетка, logos – наука) – наука о клетке. В настоящее время учение о клетке является во многих отношениях центральным объектом биологических исследований. Предпосылкой для открытия клетки явилось изобретение микроскопа и его использование для исследования биологических объектов. Первый световой микроскоп сконструировали в Голландии в 1590 году два брата, Ганс и Захариус Янссены, шлифовальщики линз. Долгое время микроскоп использовался как забава, игрушка для развлечения знатных особ. Первые упоминания о клетке появились в XVII веке, когда в 1665 году английский ученый Роберт Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что она состоит из ячеек или полостей, напоминающих пчелиные соты, которые он назвал клетками (от греч. kytos – полость, лат. – cellula). Роберт Гук (1635-1703) Антонио ван Левенгук (1632-1723) Термин «клетка» утвердился в биологии, несмотря на то, что Роберт Гук наблюдал, в действительности, не клетки, а только целлюлозные оболочки растительных клеток. Кроме того, клетки не являются полостями. В дальнейшем клеточное строение многих частей растений видели и описали М. Мальпиги, Н. Грю, а также А. Левенгук. Важным событием в развитии представлений о клетке была изданная в 1672 году книга Марчелло Мальпиги «Анатомия растений», где приводилось подробное описание микроскопических растительных структур. В своих исследованиях Мальпиги убедился, что растения состоят из клеток, которые он называл «мешочками» и «пузырьками». Среди блестящей плеяды микроскопистов XVII века одно из первых мест занимает А. Левенгук, голландский купец, который завоевал себе славу учёного. Он прославился созданием линз, которые давали увеличение в 100300 раз. В 1674 году Антонио ван Левенгук открыл с помощью собственноручно изобретенного микроскопа одноклеточных простейших, названных им «микроскопическими животными», бактерии, дрожжи, клетки крови – эритроциты, половые клетки – сперматозоиды, которые Левенгук называл «анималькули». Из животных тканей Левенгук изучал и точно описал строение сердечной мышцы. Он был первым натуралистом, наблюдавшим клетки животного организма. Это пробудило интерес к изучению живого микромира. Как наука цитология возникла лишь в XIX веке. В это время были сделаны важные открытия. В 1830 году чешский исследователь Ян Пуркинье описал вязкое студенистое вещество внутри клетки и назвал его протоплазмой (гр. protos – первый, plasma – образование). В 1831 году шотландский ученый Роберт Броун открыл ядро. В 1836 году Габриелем Валентини в ядре было обнаружено ядрышко. В 1838 году была опубликована работа Матиаса Шлейдена «Данные о фитогенезисе», где автор, опираясь на уже имевшиеся в ботанике представления о клетке, выдвинул идею об идентичности растительных клеток с точки зрения их развития. Он пришёл к выводу, что закон клеточного строения справедлив для растений. В 1839 году вышла в свет ставшая классической книга Теодора Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». В ней автор сделал окончательный вывод о том, что клетка является структурной единицей жизнедеятельности и развития растений и животных. В 1838 – 1839 годах немецкие ученые Матиас Шлейден и Теодор Шванн независимо друг от друга сформулировали клеточную теорию. • Клетка является универсальной структурой и функциональной единицей живого. • Все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности. • Клетки образуются только при делении предшествующих им клеток. • Клетки способны к самостоятельной жизнедеятельности, но в многоклеточных организмах их работа скоординирована, и организм представляет собой целостную систему. Роль современной клеточной теории: доказывает единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов, ведь она самая мелкая единица организма, граница его делимости, наделенная жизнью и всеми основными признаками организма. Как элементарная живая система, она лежит в основе строения и развития всех живых организмов. На уровне клетки проявляются такие свойства жизни, как способность к обмену веществ и энергии, саморегуляция, размножение, рост и развитие, раздражимость. Методы цитологических исследований Важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран. Мембраны – неотъемлемый компонент всех клеток. Все биологические мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм, содержат белки липиды, соотношение между которыми варьирует в зависимости от происхождения мембраны. Кроме того, в них присутствуют углеводы, неорганические соли, вода и ряд других соединений; в некоторых мембранах обнаружены следы РНК (до 0,1%). У млекопитающих мембраны содержат особенно большое количество фосфолипидов и холестерола. В настоящее время общепринятой моделью строения мембран является жидкостномозаичная, предложенная в 1972 году С.Синджером и Дж.Николсоном. Структурной единицей мембраны является фослолипидный бислой. Фосфолипиды – амфифильные молекулы, т.е. в одной молекуле имеются как гидрофильные, так и гидрофобные участки. Фосфолипидный бислой представляет собой листок, состоящий из 2 слоев фосфолипидов, причём их полярные головки обращенеы к воде, а цепи остатков жирных кислот формируют внутреннюю гидрофобную среду. При встряхивании фосфолипидов с водой они образуют шарообразные мицеллы, где цепи остатков жирных кислот направлены в сторону, противоположную гидрофильной поверхности. Липидный бислой с обеих сторон покрыт белками. В соответствии с жидкой мозаичной моделью мембраны сами липиды и некоторые белки способны передвигаться в плоскости бислоя. Белковые молекулы встроены в билипидный слой мембраны локально и не образуют сплошного слоя. По расположению и функции выделяют три вида белковых молекул. Функции плазмолеммы: 1. Разграничивающая (барьерная); 2. Антигенная - защитная. 3. Участие в образовании межклеточных контактов. Виды контактов: Простое - сближение клеток синцитий до 15-20 нм (происходит взаимодействие гликокаликсов соседних клеток). Плотное - оболочки максимально сближены, сливаются, обеспечивают механическое сближение, (миокардиоциты). Десмосомы - небольшая площадка до 0,5 мкм. Щелевидное соединение (нексус) - 0,5 - 3 мкм, где между оболочками до 2-3 нм в цитоплазме обоих клеток имеются каналы, состоящие из белковых комплексов (коннексомы). Синапсы - участки контактов двух клеток, специализированных для односторонней передачи возбуждения или торможения. Плазмодесмы - микроскопические цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений. 4. Рецепторная. Эту роль выполняют рецепторные белки, а также гликопротеиды, которые формируют на поверхности мембраны специфические структуры. Пример: штифтики у рецепторных вкусовых луковиц, «булавы» - у чувствительных обонятельных клеток и т.д. Существуют специфические рецепторы к гормонам, медиаторам, антигенам, или к определённым белкам. Есть рецепторы, отвечающие за взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета. Есть рецепторы, реагирующие на физические факторы, родопсин - фоторецепторный белок. 5.Транспортная функция. Различают следующие способы транспорта веществ: · пассивный транспорт - способ диффузии веществ через плазмолемму (ионов, некоторых низкомолекулярных веществ) без затраты энергии; · активный транспорт веществ с помощью белков-переносчиков с затратой энергии (аминокислот, нуклеотидов и других); · везикулярный транспорт через посредство везикул (пузырьков), который подразделяется на эндоцитоз - транспорт веществ в клетку, и экзоцитоз - транспорт веществ из клетки. В свою очередь эндоцитоз подразделяется на: · фагоцитоз - захват и перемещение в клетку крупных частиц (клеток или фрагментов, бактерий, макромолекул и так далее); · пиноцитоз - перенос воды и небольших молекул. 6.Участие во внутриклеточном пищеварении. 7. Участие в образовании органелл спецназначения: микроворсинок, ресничек, жгутиков, псевдоподии при передвижении клетки. Домашнее задание 1. Выучить конспект 2. Озвучить немой рисунок 3. Выполнить тест Выберите один правильный ответ. А1. Строение и функции плазматической мембраны обусловлены входящими в ее состав молекулами: 1) гликогена и крахмала 2) ДНК и АТФ 3) белков и липидов 4) клетчатки и глюкозы А2. Плазматическая мембрана не выполняет функцию: 1) транспорта веществ 2) защиты клетки 3) взаимодействие с другими клетками 4) синтеза белка А3. Углеводы, входящие в структуру клеточной мембраны, выполняют функцию: 1) транспорта веществ 2) рецепторную 3) образования двойного слоя мембраны 4) фотосинтеза А4. Белки, входящие в структуру клеточной мембраны выполняют функцию: 1) строительную 2) защитную 3) транспортную 4) все указанные функции А5. Фагоцитоз – это: 1) поглощение клеткой жидкости 2) захват твердых частиц 3) транспорт веществ через мембрану 4) ускорение биохимических реакций А6. Гидрофильные поверхности мембран образованы: 1) неполярными хвостами липидов 2) полярными головками липидов 3) белками 4) углеводами А7. Прохождение через мембрану ионов Na+ и K+ происходит путем: 1) диффузии 2) осмоса 3) активного переноса 4) не осуществляется А8. Через липидный слой мембраны свободно проходит: 1) вода 2) эфир 3) глюкоза 4) крахмал Альтернативный тест (оцените каждое утверждение, “да” или “нет”): 1) при активном транспорте затрачивается энергия 2) фагоцитоз – это вид эндоцитоза 3) диффузия – это вид активного транспорта 4) клеточная стенка растений состоит из целлюлозы 5) осмос – это диффузия воды 6) пиноцитоз – это вид фагоцитоза 7) плазмалемма состоит из трех слоев липидов 8) у животной клетки нет клеточной стенки 9) плазмалемма обеспечивает связь клетки со средой обитания Задания со свободным развернутым ответом С1. Каково значение эндоцитоза: а) для простейших и низших беспозвоночных? б) для высокоорганизованных животных и человека? С2. Что является физической основой вакуолярного транспорта в клетке? С3. Каково биологическое значение неровностей поверхности плазмалеммы некоторых клеток (микроворсинки, реснички и т.п.)? С4. Электрический скат и электрический угорь оглушают свою жертву разрядами в несколько сотен вольт. Какие свойства плазмалемм клеток поддерживают возможность создания таких разрядов? С5. Как работает функция плазмалеммы по снабжению клетки “удостоверением личности”?