§ 11. Структура еукаріотичної клітини: поверхневий апарат
Ви вже знаєте, що клітина є структурно-функціональною одиницею живих істот. Це означає, що на клітинному рівні організації живої матерії повністю проявляються всі основні властивості живого: обмін речовин і перетворення енергії, здатність до росту, розмноження, руху, подразливість, збереження і передача спадкової інформації нащадкам тощо.
Пригадаймо: залежно від наявності ядра всі організми поділяють на прокаріотів та еукаріотів. Клітини прокаріотів (наприклад, бактерій) не мають ядра. Детальніше про будову їхніх клітин ви дізнаєтеся з § 16. Клітини еукаріотів – грибів, рослин і тварин – обов’язково мають ядро. Не зважаючи на багатоманітність форм, організація клітин усіх організмів підпорядкована єдиним закономірностям (мал. 11.1). Внутрішній уміст кожної клітини оточує поверхневий апарат, до складу якого обов’язково входить клітинна мембрана. Внутрішнє середовище клітини між клітинною мембраною та ядром – це цитоплазма. У ній розміщені постійні клітинні структури – органели. Кожна з органел забезпечує відповідні процеси життєдіяльності клітини.
Мал. 11.1. Моделі внутрішньої будови еукаріотичних клітин: А. Рослинної. Б. Тваринної. Завдання. Розгляньте малюнок і пригадайте, які органели клітин тварин і рослин все знаєте з попередніх курсів біології та які їхні функції
Поверхневий апарат клітини. До поверхневого апарату належать клітинна (плазматична) мембрана, надмембранні та підмембранні структури. До складу клітинної мембрани (її ще називають плазмалемою) входять насамперед ліпіди, білки та вуглеводи (мал. 11.2). Молекули ліпідів розташовані у два шари: їхні гідрофільні частини обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембрани, а гідрофобні – обернені всередину цього подвійного шару (мал. 11.2. II). Це визначає таку властивість плазматичної мембрани, як напівпроникність: вона вибірково пропускає певні сполуки як всередину клітини, так і з клітини назовні.
Головним функціональним компонентом клітинних мембран є білки. Одні з молекул білків розташовані або на зовнішній, або на внутрішній поверхні мембран, тому їх називають поверхневими. Інші молекули білків перетинають подвійний шар ліпідів (мал. 11.2. III).
Мал. 11.2. Будова клітинної мембрани: І. Фото, зроблене за допомогою електронного мікроскопа. II. Схема розташування в мембрані білків (1) і ліпідів (2). III. Рідинно-мозаїчна модель будови плазматичної мембрани
Вуглеводи входять до складу мембран тільки у вигляді комплексних сполук з молекулами білків або ліпідів. Така модель будови біологічних мембран дістала назву рідинно-мозаїчної (мал. 11.2. III). Назва пояснюється тим, що приблизно 30 % ліпідів мембран міцно пов’язані з внутрішніми білками в єдині комплексні сполуки, тоді як решта ліпідів перебувають у рідкому стані. Тому білково-ліпідні комплекси наче «вкраплені» у рідку ліпідну масу, нагадуючи мозаїку.
Молекули, які входять до складу мембран, здатні до переміщень. Завдяки цьому мембрани швидко поновлюються за незначних пошкоджень – вони здатні до регенерації. Плазматичні мембрани можуть розтягуватися та стискатися, що дозволяє клітинам певних типів змінювати свою форму (пригадайте, наприклад, як змінюється форма клітин амеб під час руху та поглинання їжі – фагоцитозу).
Функції клітинної мембрани. Клітинна мембрана виконує насамперед захисну функцію: оберігає внутрішнє середовище клітини від несприятливих зовнішніх впливів. Зокрема, серед мембранних білків є такі, що здатні зв’язувати антигени (речовини, які клітина сприймає як чужорідні) і тим самим запобігати їхньому проникненню в клітину. Отже, клітинна мембрана є однією з ланок захисних реакцій організму – імунітету (мал. 11.3).
Транспортна функція. Ми вже згадували, що клітинна мембрана характеризується напівпроникністю: одні сполуки можуть швидко проходити крізь неї, інші – повільніше або взагалі не можуть її перетнути. Сполуки, які потрібні для забезпечення життєдіяльності клітин, а також продукти обміну речовин перетинають плазматичну мембрану за допомогою пасивного або активного транспорту.
Пасивний транспорт забезпечує вибіркове проникнення речовин через мембрани. При цьому молекули переміщуються завдяки різниці концентрації речовин по обидва боки мембрани: з ділянки, де їхня концентрація висока, у ділянку, де їхня концентрація нижча. На здійснення пасивного транспорту витрачається небагато енергії або ж вона не витрачається взагалі. Пасивний транспорт забезпечують різні механізми. Зокрема, за допомогою дифузії у клітину надходять вода та розчинені в ній речовини.
Мал. 11.3. Захисна функція клітинної мембрани: антитіла (1) у складі мембрани (2) зв’язують антигени (3) і запобігають їхньому проникненню в клітину
Якщо мембрана вільно пропускає молекули однієї речовини та затримує частинки іншої, то відбувається однобічна дифузія лише тієї речовини, яка здатна проходити крізь мембрану. Полегшена дифузія – перетинання мембрани певними молекулами за допомогою мембранних білків-переносників, які пронизують мембрану (мал. 11.4). Ці білки взаємодіють з певними молекулами на одній з поверхонь мембрани і внаслідок зміни своєї просторової структури транспортують їх на інший бік.
Мал. 11.4. Полегшена дифузія. Тільки після взаємодії з білком мембрани сполука надходить до цитоплазми
Активний транспорт речовин через клітинні мембрани, на відміну від пасивного, пов’язаний зі значними витратами енергії, накопиченої у молекулах АТФ. Один з механізмів активного транспорту речовин через мембрани назвали калій-натрієвим насосом (мал. 11.5). Він пов’язаний з тим, що концентрація йонів Калію всередині клітини вища, ніж ззовні, а йонів Натрію – навпаки. Завдяки такій різниці концентрацій унаслідок дифузії йони Натрію надходять у клітину, а Калію – виводяться з неї. Але концентрація цих йонів у живій клітині й поза нею ніколи не вирівнюється, оскільки існує особливий механізм, завдяки якому йони Натрію виводяться («відкачуються») з клітини, а Калію – надходять («закачуються») до неї. Існування механізму калій-натрієвого насоса доводить той факт, що у відмерлих або заморожених клітинах концентрація йонів Калію і Натрію з обох боків плазматичної мембрани швидко вирівнюється. Активний транспорт йонів Na + і К + застосовується для підтримання електричної збудливості нервових і м’язових клітин, полегшує транспорт у клітину моносахаридів, амінокислот, йонів Кальцію.
Біологічне значення калій-натрієвого насоса полягає в тому, що завдяки йому енергетично сприятливе пересування йонів Натрію в клітину полегшує енергетично несприятливий транспорт низькомолекулярних сполук (глюкози, амінокислот тощо). У цих процесах беруть участь особливі транспортні білки, що входять до складу клітинних мембран.
Мал. 11.5. 1. Загальна схема, що ілюструє активний транспорт за участі калій-натрієвого насоса. 2. Йони Na + виводяться з клітини, де їхня концентрація нижча, ніж у зовнішньому середовищі. 3. Йони К + «закачуються» в клітину, де їхня концентрація вища, ніж у позаклітинному середовищі
До механізмів транспорту речовин через мембрани належить також цитоз. Розрізняють два основних види цитозу: фаго- і піноцитоз (мал. 11.6).
Фагоцитоз (від грец. фагос – пожирати) – активне захоплення твердих мікроскопічних об’єктів (частинки органічних сполук, дрібні клітини та ін.) (мал. 11.6, 1). До фагоцитозу здатні певні типи тваринних клітин. Пригадаймо: за допомогою фагоцитозу захоплюють їжу деякі одноклітинні організми (як-от амеби) та клітини багатоклітинних тварин (наприклад, травні клітини гідри). Спеціалізовані клітини багатоклітинних тварин за допомогою фагоцитозу здійснюють захисну функцію (наприклад, макрофаги). Вони захоплюють і перетравлюють хвороботворні мікроорганізми.
Мал. 11.6. Схематичне зображення різних видів цитозу: 1 – фагоцитоз; 2 – піноцитоз
Піноцитоз (від грец. піно — п’ю) – процес поглинання клітиною рідини разом з розчиненими або завислими в ній сполуками (мал. 11.6, 2). При цьому, як й у разі фагоцитозу, захоплені об’єкти оточуються мембраною. Так виникають піноцитозні пухирці.
Сигнальна функція клітинних мембран. У складі клітинної мембрани є білки, здатні у відповідь на дію різних факторів навколишнього середовища змінювати свою просторову структуру, передаючи сигнали до клітини. Такі особливості будови плазматичної мембрани забезпечують подразливість усіх організмів.
Цікаво знати
З молекулами, що входять до складу плазматичної мембрани, можуть взаємодіяти віруси. Якщо така взаємодія відбулася – вірус проникає до клітини, якщо не відбулася – ні. Саме на цьому базується створення лікарських препаратів проти вірусних інфекцій: вони спрямовані на те, аби унеможливити взаємодію вірусних частинок з відповідними молекулами у складі мембран.
Мал. 11.7. Міжклітинні контакти: 1 – тісні контакти між плазматичними мембранами двох клітин тварин; 2 – контакти між клітинами рослин
Функція забезпечення міжклітинних контактів у багатоклітинних організмів. У місцях контакту двох тваринних клітин мембрани кожної з них здатні утворювати складки або вирости. Вони надають міжклітинному сполученню особливих міцності та пружності, щільно зв’язуючи клітини (мал. 11.7, 1). Клітини рослин сполучаються між собою завдяки утворенню мікроскопічних міжклітинних канальців, устелених мембраною і заповнених цитоплазмою (мал. 11.7, 2).
Мал. 11.8. Клітинна стінка рослинної клітини: 1 – фото, зроблене за допомогою сканувального електронного мікроскопа; 2 – схема будови
Плазматичні мембрани також беруть участь у процесах росту та поділу клітин.
Надмембранні комплекси клітин складаються зі структур, розташованих над плазматичною мембраною. Як ви пам’ятаєте, у рослин і грибів – це клітинна стінка, у клітин тварин – глікокалікс.
Клітинна стінка клітин рослин включає зібрані в пучечки нерозчинні у воді волоконця полісахариду целюлози (мал. 11.8), занурені у своєрідний каркас (матрикс). Залежно від типу тканин і виконуваних ними функцій, до складу клітинної стінки рослин можуть входити й інші вуглеводи, а також ліпіди, білки, неорганічні сполуки (SiO2, карбонати та ортофосфати кальцію тощо). Наприклад, оболонки клітин корка або судин у рослин з віком просочуються жироподібною речовиною. Унаслідок цього вміст клітини відмирає, що сприяє виконанню ними опорної або провідної функцій. Клітинні стінки здатні дерев’яніти, тобто проміжки між волокнами целюлози заповнює складна полімерна сполука лігнін, яка надає оболонкам додаткової міцності
У різних груп справжніх грибів до складу клітинної оболонки, крім целюлози, входить нітрогенумісний полісахарид хітин, який підвищує її міцність, глікоген, темні пігменти (меланіни) та інші сполуки.
Опорна функція клітинної стінки полягає в підтриманні форми клітини. Клітинна стінка також забезпечує міжклітинні контакти між клітинами рослин (див. мал. 11.7, 2).
Мал. 11.9. I. Схема будови глікокаліксу, розташованого над плазматичною мембраною. II. Електронно-мікроскопічне фото глікокаліксу
Глікокалікс – це дуже тоненький поверхневий шар клітин тварин, що складається зі сполук білків і ліпідів з вуглеводами (мал. 11.9). Він нездатний підтримувати форму клітини, але забезпечує безпосередній зв’язок клітин з навколишнім середовищем. До складу глікокаліксу входять рецепторні молекули, здатні сприймати подразники довкілля. Він бере участь у вибірковому транспорті речовин усередину клітини та назовні (пропускає чи не пропускає молекули залежно від їхніх розмірів, заряду тощо). Крім того, глікокалікс забезпечує зв’язок між клітинами в багатоклітинних тварин.
Підмембранні комплекси клітин – це різноманітні структури білкової природи: мікронитки (мікрофібрили) і мікротрубочки, які утворюють своєрідний скелет клітини – цитоскелет. Докладніше про нього ви дізнаєтеся з наступного параграфа.
Ключові терміни та поняття: поверхневий апарат клітини, рідинно-мозаїчна модель будови клітинних мембран, пасивний і активний транспорт, фагоцитоз, піноцитоз, глікокалікс.
Перевірте здобуті знання
1. З яких сполук складаються біологічні мембрани? 2. Що собою становить рідинно-мозаїчна модель будови біологічних мембран? 3. Які основні функції плазматичної мембрани? 4. Як відбувається транспорт речовин через плазматичну мембрану? 5. Що спільного та відмінного між процесами фагоцитозу і піноцитозу? 6. Завдяки чому плазматична мембрана здійснює захисну функцію? 7. Що входить до складу клітинної стінки рослин і грибів? Які її функції? 8. Що таке глікокалікс? Які його функції?
Поміркуйте. 1. Яке значення має рухливість молекул білків у біологічних мембранах для здійснення їхніх функцій? 2. Що спільного та відмінного у будові та функціях клітинної стінки та глікокаліксу?
Узагальнення з теми “Біорізноманіття” 10 клас
Наука, що вивчає та узагальнює закономірності, притамані усім біологічним системам:
Наука про взаємозв’язки живих організмів між собою та навколишнім середовищем-це:
Популяція різних видів, що населяють певну територію та взаємодіють між собою, має назву:
Неклітинні форми життя–віруси–є представниками наступного рівня організації:
Серед переліку ознак вірусів, що поєднують їх з об’єктами живої природи, НЕМАЄ такої:
здатність до розмноження (спадковість)
здатність до пристосування (мінливість)
паразитизм в клітинах лише певних видів
здатність до кристалізації
За систематичним положенням віруси належать до:
Виберіть правильне твердження:
I. Еукаріоти–це одноклітинні та багатоклітинні організми, в клітинах яких присутнє ядро.
II. Еукаріоти налічують 2 млн.видів рослин, 320 тис. видів тварин та 1,6 млн. видів грибів.
правильне твердження лише I
правильне твердження лише II i III
правильне твердження лише I i II
У складі ядра клітин еукаріотів наявні такі структури:
Органела, що виконує роль “сміттєвого баку” у клітинах тварин, це:
Яка органела забезпечує клітину енергією?
Виберіть правильне твердження:
I. Молекули ДНК та РНК є носіями генетичної (спадкової) інформації.
II. У вірусів молекула ДНК може мати як один, так і два ланцюги.
III. У вірусів молекула РНК може мати як один, так і два ланцюги.
IV. У вірусів немає молекул ДНК та РНК.