§ 21. Цитоплазма. Цитоскелет. Клеточный центр. Органоиды движения

Вопрос 1. Какие виды движения в природе вы знаете?

Биологическое, химическое, физическое, механическое (реактивное, колебательное, поступательное, вращательное, прямо — и криволинейное).

Вопрос 2. Какой механизм лежит в основе движения организмов?

Механическое движение способны вызвать химические превращения в клетках организма. Субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм.

Также у живых организмов в основе некоторых движений лежат ответные реакции на раздражение.

Вопрос 3. Из каких элементов состоит цитоплазма клетки?

Цитоплазма представляет собой полужидкую внутреннюю среду клетки — гиалоплазму — и расположенные в ней органоиды клетки и клеточные включения.

Вопрос 4. Какие компоненты образуют цитоскелет?

В состав цитоскелета входят три вида компонентов: микрофиламенты — тонкие нити белка актина, микротрубочки — более толстые нити, построенные из белка тубулина, и промежуточные филаменты, которые представляют собой наименее изменчивую часть данного образования.

Вопрос 5. Какова роль клеточного центра в клетке?

Клеточный центр участвует в построении цитоскелета, а во время митоза и мейоза участвует в построении веретена деления. Образует цитоскелет клетки: цитоплазматические микротрубочки расходятся во все стороны из этой области и определяют геометрию клетки, действуя как рельсы, ориентирующие перемещение различных органелл.

Вопрос 6. Чем представлены органоиды движения клетки? Каково их строение?

Органоиды движения клетки представлены ресничками и жгутиками. В основании как первых, так и вторых лежат базальные тельца, совершенно идентичные центриолям (центриоли являются их матрицами).

Тело жгутика образовано девятью группами микротрубочек, расположенных по кругу, и двумя микротрубочками в центре.

Ресничка имеет точно такое же внутреннее строение. Она отличается от жгутика размерами (длина жгутика в среднем составляет 200 нм, тогда как реснички не бывают длиннее 10 нм).

Вопрос 7. Составьте сравнительную таблицу, характеризующую клеточное строение растительной, животной и грибной клеток. Продолжайте её заполнение при изучении последующих параграфов.

Вопрос 8. Используя интернет — ресурсы и дополнительную литературу, подготовьте эссе «Универсальный характер биологического движения».

Все живые организмы пребывают в постоянном движении. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц, — это и бег кота, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве (движение с помощью жгутиков и ресничек, а амебовидное движение — один из самых распространенных способов перемещения клеток). Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток — движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления, расхождение хромосом делящейся клетки.

Из приведенных примеров следует, что движение всех живых организмов является механическим движением, т.е. оно является универсальным для всех живых организмов. Значит, несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.

Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между молекулами белков, нуклеиновых кислот и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Именно химические реакции и являются причиной механического движения живых организмов. Каким же образом?

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки–молекулярные моторы. Они химические превращения способны вызвать механическое движение. Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т.е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является миозин, молекула которого при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением — головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити.

При повороте головка способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Ее поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии для клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50 %). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий циклически, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити.

Это доказывает исследование амебоидного движения, которое показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост — псевдоподия, которая закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется. Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов. Перемещаясь, как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм.

Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук человека, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение.

Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой микротрубочке прикреплены ручки, образованные белком — молекулярным мотором. А сам цикл движения состоит в том, что ручки микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин — миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если микротрубочки одним концом скреплены между собой, то при циклическом движении ручек происходит изгиб микротрубочек.

Вопрос 9. Почему в процессе эволюции в роли основных структурных элементов мембран стали выступать именно липиды, а не белки или углеводы?

Физико — химические свойства компонентов мембраны были тщательно подобраны в ходе эволюции так, чтобы:

• мембрана разделяла «внутренний мир» клетки от окружающего ее пространства;

• но в то же время осуществляла взаимодействие клетки с внешней средой, избирательно пропуская многие вещества;

• мембрана была функционально динамичной (микровязкость и фазовые переходы липидов позволяют это).

• создалась среда для протекания множества биохимических и энергетических процессов;

• создалась эффективная платформа для функционирования и взаимодействия мембранных белков.

• компоненты мембраны активно участвовали в процессах, протекающих в мембранах и клетке в целом.

Все это возможно благодаря липидам, и хотя, большую часть полезной работы выполняют белки, которыми мембрана буквально «нашпигована», роль липидного матрикса очень велика. Липиды — это не просто «океан», в котором «плавают» белки. Это «умный океан», благодаря которому возможно существование клеток.

Вопрос 10. Обсудите с одноклассниками, какие известные вам структуры клетки не входят в состав её цитоплазмы и почему.

Цитоплазма представляет собой полужидкую внутреннюю среду клетки, которую называют гиалоплазмой. Но в клетке есть структуры, которые не входят в состав её цитоплазмы, — это цитоскелет, клеточный центр и органоиды движения (реснички и жгутики). Эти структуры созданы тонкими белковыми нитями и микротрубочками. Также в состав цитоплазмы не входят цитоплазматическая мембрана и ядро. Потому что их функции кардинально отличаются от функций цитоплазмы. Так мембрана выполняет барьерную, структурную, защитную, регуляторную функции, а ядро содержит генетическую информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.

Вопрос 11. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 «Наблюдение плазмолиза и деплазмолиза в клетках кожицы лука».

Цель: познакомиться с плазмолизом растительной клетки.

Оборудование: микроскоп, покровные и предметные стёкла, препаровальная игла, пипетка, фильтровальная бумага, репчатый лук.

Реактивы: вода, дистиллированная вода, раствор йода, 3 % — ный раствор хлорида натрия.

Ход работы:

2. Рассмотрите препарат при малом, а затем при большом увеличении. Найдите клеточную стенку, окрашенное йодом ядро (возможно, и ядрышки), цитоплазму, неокрашенные вакуоли. Зарисуйте и подпишите увиденное.

На малом увеличении

На большом увеличении

4. Нанесите на один край покровного стекла 3 % — ный раствор хлорида натрия, а с противоположной стороны положите полоску фильтровальной бумаги, которая впитает часть воды. Наблюдайте за состоянием цитоплазмы в клетках (при большом увеличении). Вода из цитоплазмы клетки будет переходить в окружающую среду. Объём цитоплазмы при этом уменьшится, и она начнёт отходить от клеточных стенок. Постепенно цитоплазма примет форму шара. Это явление называют плазмолизом. Зарисуйте увиденное, объясните происходящий процесс.

Плазмолиз происходит в результате того, что под воздействием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (изменяется осмотическое давление), наблюдается отхождение протоплазма от клеточных стенок, в результате потери вакуолями (уменьшаются в размерах) и протоплазмой части воды.

5. Добавьте под покровное стекло дистиллированную воду. Что происходит с цитоплазмой? Это явление называют деплазмолизом. Зарисуйте увиденное. Сделайте вывод.

Цитоплазма клеток насыщается водой и востанавливает исходное состояние.

Вывод: цитоплазма эластична, вследствие этого она способна в гипертоническом растворе отставать от оболочки клетки, а в гипотоническом вновь восстанавливать первоначальное положение. Мембрана полупроницаема: пропускает воду и не пропускает растворенные в ней вещества. Плазмолиз и деплазмолиз можно наблюдать только в живых клетках.