Будова і функції двомембранних органел клітини.

Про матеріал

Перегляд файлу

Дата ___/____/____ Клас 10

Будова і функції двомембранних органел клітини.

Мета уроку: сформувати знання про будову і функції двомембранних органел (мітохондрій), клітинне дихання; розширити знання про особливості будови органел у зв’язку з виконуваними функціями; розвивати вміння визначати та порівнювати біологічні структури; удосконалювати вміння дискутувати та аргументувати свою думку; виховувати дбайливе ставлення до живих організмів та потребу збереження власного здоров’я.

Обладнання: підручник, зошит, дод-ва літ-ра, наочність.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Форма уроку: урок-дослідження.

Хід уроку

1. Організаційний етап

2. Актуалізація опорних знань учнів

Виконання тестових завдань (Сорочинський О, Коваленко Є)

Вибрати одну правильну відповідь.

1. Ферменти, які розщеплюють макромолекули до мономерів, містяться в:

А ендоплазматичній сітці В рибосомах

Б лізосомах Г клітинному центрі

2. Указати, в яких органелах клітини синтезуються вуглеводи:

А у пероксисомах В ендоплазматичній сітці

Б клітинному центрі Г лізосомах

3. Рідина, що заповнює центральну вакуолю, називається:

А нуклеоплазмою В цитоплазмою

Б каріоплазмою Г клітинним соком

4. Органела клітини, яка здатна утворювати фрагменти клітинної мембрани:

А мітохондрія В лізосома

Б ендоплазматична сітка Г рибосома

5. Мембрана, яка оточує центральну вакуолю рослинної клітини, називається:

А тонопластом В клітинною мембраною

Б клітинною оболонкою Г мікрофіламентом

6. З елементів якої органели формуються вакуолі найпростіших?

А апарату Гольджі

Б гладенької ендоплазматичної сітки

В гранулярної ендоплазматичної сітки

Г ядра

«Поміркуйте».

— Яку основну функцію виконують клітини, якщо в них добре розвинені гранулярна ендоплазматична сітка та апарат Гольджі?

— Яку особливу функцію виконує апарат Гольджі в рослинних клітинах?

— Яка органела в клітинах печінки дуже збільшується в розмірах у людини, яка зловживає алкоголем чи наркотиками? Чим це загрожує?

— За деяких спадкових хвороб у клітинах людини можуть накопичуватися продукти її життєдіяльності (пігменти, мукополісахариди тощо). Із чим це може бути пов’язано?

Гра «Впізнай мене»

1. Я — одномембранний мішечок, наповнений клітинним соком. (Вакуоля.)

2. Я — невелике кругле тільце, яке має ферменти, що розщеплюють білки, жири, вуглеводи. (Лізосома.)

3. Я — одномембранна органела, яка містить цистерни, міхурці і трубочки. (Апарат Гольджі.)

4. Я — одномембранна органела, яка має дві структури. (Ендоплазматична сітка.)

5. Я — одномембранна органела, яка може накопичувати алкалоїди. (Вакуоля.)

6. Я — одномембранний міхурець, який здатний розщеплювати жирні кислоти. (Пероксисома.)

3. Мотивація навчальної діяльності

Технологія «Здивуй»

Площа мембран мітохондрій, які містяться в печінці звичайного білого лабораторного щура, становить 40 м². Якщо виділити всі мітохондрії із серця цього трудівника і розрахувати поверхню їхніх мембран, одержимо 250 м². А якщо розрахувати поверхню мембран літального м’яза мухи, то одержимо фантастичну цифру — 400 м².

— Чим це можна пояснити? Що об’єднує ці органели?

— Як будова цих органел відповідає їхнім функціям?

Повідомлення теми уроку. Визначення разом з учнями мети і завдань уроку.

4. Засвоєння нового матеріалу

1. Будова і функція двомембранних органел — мітохондрій

Розповідь учителя

Ці органели можна виявити за допомогою світлової мікроскопії, оскільки вони мають достатній розмір і високу щільність. Особливості їхньої внутрішньої будови можна вивчити тільки за допомогою електронного мікроскопа. Мітохондрії були відкриті в 1894 р. Р. Альтманом, який дав їм назву «міобласти». Термін «мітохондрія» був введений К. Бенда в 1897 році. Мітохондрії є практично в усіх еукаріотичних клітинах. Кількість мітохондрій у клітині коливається від 1 до 100 тис. і залежить від типу, функціональної активності та віку клітини. Так, у рослинних клітинах мітохондрій менше, ніж у тварин; а в молодих клітинах більше, ніж у старих. Життєвий цикл мітохондрій становить кілька днів. У клітині мітохондрії зазвичай скупчуються поблизу ділянок цитоплазми, де виникає потреба в АТФ. Наприклад, у серцевому м’язі мітохондрії розміщуються поблизу міофібрил, а в сперматозоїді утворюють спіральний футляр навколо осі джгутика.

Зображення на дошці

Клітина еукаріотів: 1 — мітохондрія; 2 — зовнішня мембрана; 3 — внутрішня мембрана; 4 — криста; 5 — матрикс; 6 — рибосома; 7 — міжмембранний простір

Мітохондрія оточена внутрішньою і зовнішньою мембранами, які складаються з подвійного шару фосфоліпідів і білків. Ці дві мембрани схожі, проте мають різні властивості. Зовнішня мембрана гладенька, вона не утворює ніяких складок і виростів, завтовшки 7 нм. Внутрішня мембрана утворює численні складки — кристи, спрямовані в порожнину мітохондрії, завтовшки 7 нм. Кристи, які розширюють зовнішню ділянку внутрішньої мітохондріальної мембрани, збільшують її здатність виробляти АТФ. Між зовнішньою і внутрішньою мембраною існує простір, який називається міжмембранним.

Простір, обмежений внутрішньою мембраною, називають матриксом. Матрикс містить надзвичайно сконцентровану суміш сотень ферментів, на додаток до спеціальних мітохондріальних рибосом, тРНК і кільцеву мітохондріальну ДНК.

Постановка проблемного питання

— Поясніть, чому мітохондрії називають «напівавтономними органелами».

Очікувана відповідь учнів:

Мітохондрії мають свій власний генетичний матеріал і системи для виробництва власної РНК і білків.

Доповнення вчителя

Ця нехромосомна ДНК кодує нечисленні мітохондріальні пептиди (13 у людини), що використовуються у внутрішній мітохондріальній мембрані разом з білками, які кодуються генами клітинного ядра.

Це цікаво!

• У типової мітохондрії печінки зовнішня ділянка кристи приблизно у п’ять разів перевищує площу зовнішньої мембрани. Мітохондрії клітин, які мають більші потреби в АТФ, наприклад, м’язові клітини, містять більше крист, ніж типова мітохондрія печінки.

Запитання до учнів:

— Яка основна функція мітохондрій?

Основна функція мітохондрій — перетворення енергії та утворення АТФ, що містить макроергічні зв’язки.

Самостійна робота учнів з підручником

Завдання для учнів:

— Як відбувається оновлення мітохондрій?

Очікувана відповідь учнів:

Мітохондрії належать до самореплікуючих (здатних до розмноження) органел. Оновлення мітохондрій відбувається протягом усього клітинного циклу. Наприклад, у клітинах печінки вони замінюються новими приблизно через 10 днів. Найбільш вірогідним шляхом відтворення мітохондрій вважають їх поділ: посередині мітохондрії з’являється перетинка або виникає перегородка, після чого органели розпадаються на дві нові мітохондрії.

Повідомлення учня

Походження мітохондрій

До двомембранних органел клітини належать мітохондрії та пластиди. Ці органели характеризуються низкою особливостей. По-перше, як видно з назви, вони оточені двома мембранами — зовнішньою і внутрішньою. По-друге, внутрішня мембрана цих органел є дуже складчастою. Мітохондрії та пластиди мають часткову генетичну автономність, тобто мають власну ДНК, РНК і рибосоми. І хоча ДНК цих органел не вміщує всієї необхідної інформації, усе ж таки частину своїх білків вони синтезують самі. І, по-третє, мітохондрії та пластиди здатні розмножуватися поділом надвоє, причому перед поділом клітини вони приблизно рівномірно розподіляються між дочірніми клітинами. Проаналізувавши ці особливості, американська дослідниця Лінн Маргеліс у 80-х роках ХХ ст. сформулювала симбіотичну гіпотезу походження двомембранних органел клітини (гіпотеза ендосимбіогенезу). Згідно із цією гіпотезою, мітохондрії та пластиди колись були прокаріотичними клітинами, що вступили в симбіоз з іншими клітинами. На жаль, поки що не вдається відповісти на запитання, як ці клітини вступали в симбіоз: через паразитизм, хижацтво чи з інших причин. У будь-якому разі існує низка підтверджень гіпотези ендосимбіогенезу:

• двомембранні органели клітини близькі за розмірами до клітин прокаріотів;

• деякі бактерії можуть вступати в ендосимбіоз з еукаріотичними клітинами;

• геном мітохондрій і пластид улаштований так само, як і геном прокаріотів: кільцева молекула ДНК, непов’язана з білками;

• рибосоми мітохондрій і пластид ідентичні прокаріотичним рибосомам за розмірами та властивостями (ряд антибіотиків блокує синтез білка на рибосомах обох видів, але не перешкоджає функціонуванню типових еукаріотичних рибосом);

• мітохондрії та пластиди здатні самостійно розмножуватися шляхом подвійного поділу, збільшуючи свою кількість у клітинах, які ростуть.

Проте слід зазначити, що існують аргументи й проти цієї гіпотези:

• білоксинтезуючий апарат двомембранних органел має низку відмінностей від такого апарату в прокаріотів;

• гени мітохондрій і пластид більше схожі на гени еукаріотів (вони містять послідовності ДНК, що повторюються);

• хоча ці органели й мають часткову автономність, усе ж таки більшість їхніх білків закодовані в ядерній ДНК і синтезуються в цитоплазмі.

Отже, дискусія про походження двомембранних органел триває, це є одним з найбільш животрепетних питань сучасної клітинної біології. Проте варто зазначити, що біологи дедалі більше схиляються до остаточного визнання гіпотези ендосимбіогенезу як правильної.

Бесіда

Пригадайте:

— Що таке енергетичний обмін? (Процес розщеплення складних сполук в організмі, що супроводжується виділенням енергії.)

— Які етапи енергетичного обміну ви знаєте? (Підготовчий, безкисневий, кисневий.)

— Які процеси відбуваються під час підготовчого етапу? (Підготовчий етап здійснюється в цитоплазмі клітин одноклітинних організмів та у шлунково-кишковому тракті багатоклітинних організмів. Молекули білків, жирів, вуглеводів розщеплюються за участю ферментів на простіші сполуки: білки — на амінокислоти, вуглеводи — на моносахариди і т. д. Енергія розсіюється у вигляді теплоти.)

— Які процеси відбуваються під час безкисневого (анаеробного) етапу? (Безкисневий етап — ферментативне розщеплення простих органічних сполук у клітинах. Прикладом є гліколіз — багатоступінчасте безкисневе розщеплення глюкози на дві молекули піровиноградної або молочної кислоти у м’язових клітинах. Під час гліколізу виділяється 200 кДж енергії: 84 кДж використовується для синтезу двох молекул АТФ, а решта (116 кДж) використовується у вигляді теплоти.)

— Що відбувається далі з піровиноградною кислотою? (В аеробних організмів утворена внаслідок гліколізу (аеробний гліколіз) піровиноградна кислота надходить до мітохондрій, де вона взаємодіє з киснем з утворенням карбон (IV) оксиду, води й молекул АТФ.)

Розповідь учителя

Третій етап енергетичного обміну — стадія кисневого, або повного, розщеплення — дихання. Продукти, які утворилися в попередній стадії, окиснюються до кінця, тобто до CO₂ і H₂O.

Основна умова здійснення цього процесу — наявність у навколишньому середовищі кисню і поглинання його клітиною. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія безкисневого розщеплення, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом.

Увесь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений у мітохондріях, де ферменти розміщені на мембранах правильними рядами. Суть кожної з реакцій полягає в окисненні органічної молекули, яка з кожним ступенем поступово руйнується і перетворюється на кінцеві продукти окиснення: вуглекислий газ і воду. Усі проміжні реакції кисневого розщеплення, як і проміжні реакції безкисневого процесу, супроводжуються вивільненням енергії. Але кількість енергії, яка вивільняється на кожному ступені кисневого процесу, значно більша, ніж на кожному ступені безкисневого процесу. У сумі кисневе розщеплення дає величезну кількість енергії — 2600 кДж (650 ккал). Якби вся ця енергія вивільнилася в результаті однієї реакції, то клітина зазнала б теплового пошкодження. Оскільки процес поділяється на ряд проміжних ланок, такої загрози немає.

Зображення на дошці

Схема енергетичного обміну

muscle_pgc_deficiency_fig3_600

Важливе місце в аеробному енергетичному обміні належить циклу Кребса, названому так на честь англійського біохіміка Х. Кребса, який відкрив цей процес у 1937 році. На початку циклу піровиноградна кислота реагує зі щавлевооцтовою, утворюючи лимонну кислоту. Остання через низку послідовних реакцій перетворюється на інші кислоти. Унаслідок таких перетворень відтворюється щавлевооцтова кислота, яка знову реагує з піровиноградною, і цикл повторюється. У кожному циклі Кребса утворюється одна молекула АТФ. Окрім того, у ході біохімічних реакцій циклу від органічних кислот відщеплюються атоми Гідрогену. Ці атоми відновлюють певні сполуки.

Докладне дослідження реакцій кисневого розщеплення показало, що в цих реакціях, як і в реакціях безкисневого процесу, беруть участь H₃PO₄ і АДФ і що кисневий процес, як і безкисневий, нерозривно зв’язаний із синтезом АТФ. У процесі кисневого розщеплення двох молекул піровиноградної (молочної) кислоти утворюються 36 молекул АТФ — 36 багатих на енергію фосфатних зв’язків. Отже, сумарне рівняння кисневого процесу можна записати так:

2C₃H₆O₃ + 6O₂ + 36H₃PO₄ + 36АДФ = 6CO₂ + 6H₂O + 36АТФ + 36H₂O, а сумарне рівняння повного розщеплення глюкози таке:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38H₃PO₄ + 38АДФ → 6CO₂ + 6H₂O + 38АТФ + 38H₂O

44H₂O.

Запитання до учнів:

— Яке значення для клітини має третій етап енергетичного обміну?

Якщо в процесі безкисневого розщеплення глюкози вивільняється 200 кДж (50 ккал), то в стадії кисневого процесу вивільняється 2600 кДж (650 ккал), тобто в 13 разів більше. Якщо в процесі безкисневого розщеплення синтезуються дві молекули АТФ, то в кисневій стадії їх утворюється 36, тобто у 18 разів більше. Іншими словами, внаслідок розщеплення глюкози в клітині на стадії кисневого процесу вивільняється і перетворюється на інші форми енергії понад 90 % енергії глюкози.

Формулювання висновку

• Для синтезу АТФ у процесі гліколізу не потрібні мембрани. Він відбувається і в пробірці, якщо є всі ферменти і субстрати.

• Для кисневого процесу потрібні мітохондріальні мембрани.

• Розщеплення 1 молекули глюкози до вуглекислого газу і води забезпечує синтез 38 молекул АТФ (у безкисневій стадії утворюються 2 молекули АТФ, а у кисневій — 36 молекул АТФ).

• При нестачі кисню або пошкодженні мітохондрій клітина, щоб дістати необхідну для життя кількість АТФ, використовує безкисневий процес. Для цього їй потрібно в 20 разів більше глюкози, ніж у нормі.

2. Будова і функції — пластид

Бесіда

Пригадайте:

— Які органели належать до двомембранних? (Мітохондрії, пластиди.)

— У клітинах яких організмів є пластиди? (Рослин та деяких тварин (джгутикових).)

— Які типи пластид ви знаєте? (Хлоропласти, хромопласти, лейкопласти.)

Робота в досліджувальних групах

Завдання для груп:

I група — Які особливості будови і функції хлоропластів?

II група — Які особливості будови і функції хромопластів?

III група — Які особливості будови і функції лейкопластів?

Очікувані відповіді учнів:

І група

Особливості будови і функції хлоропластів

Хлоропласти — пластиди, які забарвлені в зелений колір завдяки пігменту хлорофілу. Між зовнішньою та внутрішньою мембранами хлоропластів є міжмембранний простір завширшки близько 20–30 нм. Внутрішня мембрана утворює вгини — ламели та тилакоїди. Ламели мають вигляд плоских видовжених складок, а тилакоїди — сплощених вакуоль або мішечків. Ламели утворюють сітку розгалужених канальців. Між ламелами розміщені тилакоїди, зібрані у вигляді стовпчика монет (грани). У тилакоїдах містяться фотосинтетичні пігменти — хлорофіл, каротиноїди та ферменти, які потрібні для здійснення різноманітних біохімічних процесів. У матриксі (стромі) пластид є також власний білоксинтезуючий апарат (молекули ДНК, РНК і рибосоми). Основна функція хлоропластів — фотосинтез.

Це цікаво!

• Взаємне розташування гран і кількість дисків у них — строго обумовлена ознака для кожного виду. Існує певна закономірність щодо величини гран: так, світлолюбиві рослини здебільшого мають дрібні грани, тіньовитривалі — більші.

• Подібно до інших органел, хлоропласти не закріплені на певних місцях, а здатні змінювати своє положення в клітині — або шляхом пасивного переміщення разом з течією цитоплазми, або шляхом активного орієнтованого переміщення (фототаксису). Активний рух хлоропластів особливо чітко спостерігається при значному підвищенні однобічного освітлення. При цьому хлоропласти збираються біля бічних стінок клітини й орієнтуються до джерела світла ребром. На слабкому світлі хлоропласти орієнтуються більшою площиною до світла й розташовуються вздовж стінки клітини, яка звернена до світла. При середній силі освітлення вони займають серединне положення. Цим досягаються найбільш сприятливі умови для процесу фотосинтезу.

ІІ група

Особливості будови і функції хромопластів

Хромопласти (від грец. chromos — забарвлений) — пластиди, забарвлені в жовтий, червоний або помаранчевий кольори. Забарвлення хромопластів пов’язане з накопиченням у них каротиноїдів. Хромопласти визначають забарвлення осіннього листя, пелюсток квітів, коренеплодів, дозрілих плодів. Форма хромопластів різна: куляста, тригранна, колоподібна, місяцеподібна.

Внутрішня мембранна система у хромопластів відсутня або утворена поодинокими тилакоїдами.

ІІІ група

Особливості будови і функції лейкопластів

Лейкопласти — безбарвні пластиди, які відрізняються від хлоропластів відсутністю розвиненої ламелярної системи. Вони, як правило, виконують функцію запасання речовин. Наприклад, у лейкопластах бульб картоплі накопичується крохмаль. Розрізняють: акілопласти, які синтезують і накопичують крохмаль; протеїнопласти, які позбавлені гран, синтезують білки і відкладають їх у вигляді алейронових зерен (у насінні); олеопласти (від латин. oleum — олія), у яких утворюються і відкладаються олії (у клітинах насіння конопель, льону, рицини).

Розповідь учителя

Усі види пластид мають спільне походження і здатні переходити з одного виду в інший.

Завдання для учнів:

— Наведіть приклади перетворення пластид.

Очікувана відповідь учнів:

Перетворення лейкопластів у хлоропласти спостерігається при позеленінні картопляних бульб на світлі, а в осінній період у хлоропластах зеленого листя руйнується хлорофіл, і вони трансформуються в хромопласти, що проявляється в пожовтінні листя.

Формулювання висновку:

Хромопласти є кінцевим етапом розвитку пластид, вони не перетворюються на пластиди інших типів.

5. Узагальнення і закріплення знань

«Розподіліть ознаки»

(роздатковий матеріал учням + взаємоперевірка)

(Учні вказують, якій саме структурі вони належать.)

1. Органели вкриті подвійною мембраною.

2. Для цих органел характерні взаємоперетворення.

3. Містять пігменти.

4. Беруть участь у процесі фотосинтезу.

5. Внутрішня мембрана утворює кристи.

6. Внутрішній простір заповнений матриксом.

7. Внутрiшня мембрана утворює таликоїди.

8. Мають часткову автономність.

9. Основна функція — синтез АТФ.

10. Внутрішня мембрана утворює ламели.

Номер запитання

Органели

Мітохондрії

Пластиди

«Творча лабораторія».

— АТФ — постійне джерело енергії для клітини. Її роль можна порівняти з роллю акумулятора. Поясніть, у чому полягає суть цієї подібності.

— У реакції окиснення речовини А до речовини В вивільняється 60 кДж енергії. Скільки молекул АТФ може бути максимально синтезовано під час цієї реакції? Як буде використано решту енергії?

6. Підбиття підсумків уроку

Складання Т-схеми до уроку