Урок "Одномембранні та двомембранні органели, їх будова та функції" для учнів 10 класу

Тема.  Одномембранні та двомембранні органели, їх будова та функції

Мета.  Продовжити формування знань про органели еукаріотичної клітини на основі характеристики одномембранних та двомембранних органел; установити взаємозв’язок між будовою та функціями клітинних органел.

Розвивати уміння порівнювати будову різних клітинних структур, аргументовано пояснювати причини їх схожості та відмінності; формувати загальнонавчальні компетентності – роботи з текстом, додатковою літературою, аналізу й синтезу інформації, складання схем, таблиць; розвивати здатність до самоосвіти, пошуків, критичного оцінювання та передачі інформації, організації і участі в колективній діяльності.

Сприяти формуванню наукового світогляду на основі пізнання загальних законів живої природи; виховувати компетентну особистість  через використання знань основних понять цитології для пояснення клітинного рівня організації живої матерії.

         Тип уроку: засвоєння нових знань.

         Очікувані результати: учень називає одномембранні та двомембранні органели клітини; розпізнає компоненти клітин на схемах, електронних мікрофотографіях; характеризує із застосуванням знань про загальні закони природи               будову і функції одно- і двомембранних органел клітини; робить висновки про загальний план будови  клітин всіх організмів.

Обладнання: таблиці, малюнки, cлайди з мікрофотографіями тваринної та рослинної клітини, одно- та двомембранних органел; натуральні об’єкти (картопля, листки різного забарвлення).

Хід уроку

    І. Організаційно-вступна частина

ІІ.  Актуалізація опорних знань та мотивація навчальної діяльності

   Дослідження клітини триває вже досить багато років (біля 350) з моменту винайдення перших мікроскопів, але світ клітини такий складний, що досить багато науковців працюють з року в рік у світі цитології і дають людству нові відкриття.

   - Які цитологічні відкриття ХХ ст. стали епохальними не тільки в галузі біології, а й у всьому науковому світі? (Відкриття структури ДНК (1953 рік), розшифрування генетичного коду (60 роки ХХ ст.).

   Цитологічні дослідження продовжуються: так, Нобелівська премія з медицини за 2013 рік присуджена американцям Джеймсу Ротману, Ренді Шекману та Томасу Зюдофу "за відкриття механізму регулювання руху везикул – найбільшої транспортної системи наших клітин". Як зазначається у повідомленні на сайті нобелівської премії, нагороду 2013 року присуджено за розкриття таємниці, як клітини організовують власну транспортну систему.

   Кожна клітина  є «заводом», що виробляє та експортує молекули. Наприклад, молекули інсуліну виробляються клітинами підшлункової залози, і транспортуються за межі клітини у маленьких мішечках, які називають везикулами (англ. - vesicles). Лауреати Нобелівської премії вивчали молекулярні принципи, які керують процесом доставки «вантажу» у правильне місце і в певний час.

                   IІІ. Повідомлення теми, мети, завдань уроку

   Отже, кожна клітина є не тільки дуже складним заводом, а цілим мініатюрним містом із заводами та фабриками, банками, транспортними системами. Сьогодні на уроці ми продовжимо подорож по цьому дивовижному місту і  будемо вивчати будову та функції мембранних органел: одно- та двомембранних. Ми маємо установити взаємозв’язок між будовою та функціями органел.

    Завдання уроку:

     • Поглибити знання про будову еукаріотичної клітини.

     • Вивчити будову та функції одномембранних та двомембранних органел.

     • Навчитись розпізнавати органели за зовнішнім виглядом.

     • Вміти застосовувати на практиці отримані знання.

    Девізуроку:

   Міркуємо – швидко, відповідаємо – правильно, працюємо – плідно.

ІV.  Засвоєння нових знань

1. Будова та функції одномембранних органел

Метод «Навчаючись – вчуся»

   Учні об’єднуються в групи, які отримують завдання, вивчають своє питання, користуючись додатковим матеріалом (додаток 1), підручником, потім презентують опрацьований матеріал.

Завдання для груп.

І група.      Будова і функції ендоплазматичної сітки.

ІІ група.     Будова і функції комплексу Гольджі.

ІІІ група.    Будова і функції лізосом та пероксидом.

ІVгрупа.    Будова і функції вакуолей.

2. Двомембранні органели: мітохондрії,пластиди

Розповідь учителя з демонстрацією малюнків, схем

   Мітохондрії описав 1894 року німецький анатом Р. Альтман. У 1897 році німецький гістолог К. Бенда назвав їх мітохондріями (від грец. mitos — «нитка» та khondrion — «гранула»), але детальний опис цієї органели було здійснено тільки в середині ХХ ст.

   Мітохондрії мають кулясту, овальну, паличкоподібну або ниткоподібну форму завдовжки 5-10 мкм. Містяться у всіх еукаріотичних клітинах, за винятком паразитичних найпростіших і еритроцитів ссавців. Але кількість мітохондрій неоднакова  - від 1 до 100000. Так, клітини печінки містять сотні і тисячі мітохондрій, сперматозоїди людини – 4-5 мітохондрій, а яйцеклітина – сотні тисяч. У деяких одноклітинних організмів, які ведуть паразитичний спосіб життя, наприклад, у дизентерійної амеби, мітохондрій може не бути взагалі.

   Внутрішній простір мітохондрій оточений двома безперервними системами мембран, кожна з яких являє собою замкнутий мішок; вони розташовані так, що мітохондрію можна уявити як мішок усередині мішка.

Усі мітохондрії мають однаковий план будови:

  а) гладку зовнішню мембрану;

  б) внутрішню мембрану, що утворює вирости різної форми – кристи (від лат. криста – гребінь, виріст), площа мембран мітохондрій величезна – за підрахунками вчених, площа мембран мітохондрій, які містилися в печінці білого пацюка, становить 40 м², серця – 250 м², а літального м’яза мухи – 400 м²;

  в) між мембранами є міжмембранний простір;

  г) внутрішня частина мітохондрій заповнена мітохондріальним матриксом;

  д) у матриксі розташовані  молекули ДНК, РНК, рибосоми, ферменти, гранули, утворені солями Кальцію та Магнію; оскільки мітохондрії мають власний генетичний апарат, то вони у клітині утворюються шляхом поділу вже існуючих мітохондрій.

 е) на кристах розташовані особливі білкові утворення – АТФ - соми; вони містять комплекс ферментів, необхідних для синтезу АТФ.

Розповідь групи «Фізіологи» (випереджаюче завдання)

Цікавість до мітохондрій виник на початку 50-х років XX-го століття, коли дослідники виявили, що в грудних м’язах і крилах курчат міститься мало мітохондрій, в той час як у голубів і диких качок виявлено велику щільність цих дрібних структур. Те, що курчата не можуть літати, а голуби й качки, навпаки, відомі своїми досягненнями в тривалих перельотах, наштовхнуло фізіологів на думку, що концентрація мітохондрій тісно пов’язана з аеробною продуктивністю.

Було зроблено разюче відкриття, що мітохондрії мають власний генетичний матеріал, і всі мітохондрії в тілі людини успадковані від матері, а не від батька. Незважаючи на досить поширену думку, наша здатність до виконання вправ успадковується від матерів, а не від батьків. Таким чином, якщо у вас батько великий спортсмен або, навпаки, ніколи не займався спортом, це не має великого значення, але якщо у вас мати має гарні фізичні дані, то це велика нагорода.

У ведмедя грізлі спалювання тілесних жирів усередині мітохондрій є єдиним джерелом харчування, необхідне для виживання тварини в період сплячки. Перетворення жирів вивільняє велику кількість води, яка компенсує воду, втрачену під час дихання.

Чим більше мітохондрій у спортсмена, тим вища його витривалість. Причина в тому, що це єдині органели клітини, у яких вуглеводи, жири, і білки можуть розщеплюватись в присутності кисню, виділяючи енергію для вправи у вигляді молекул АТФ. Маючи незвичайні здатності до адаптації, у разі збільшення потреби в енергії мітохондрії також здатні розмножуватись незалежно від клітинного поділу. Це явища можливо завдяки мітохондріальній ДНК.

                            Рубрика «Нове вивчаємо - старе не забуваємо»

• Пригадайте будову та функції молекули АТФ

       Аденозинтрифосфатна кислота складається із залишків нітратної основи (аденіну), вуглеводу (рибози) та трьох залишків фосфатної кислоти. АТФ - універсальна сполука. У її високоенергетичних хімічних зв'язках запасається значна кількість енергії. Якщо за участю відповідного ферменту від молекули АТФ відщепляється один залишок фосфатної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфатну кислоту (АДФ). При цьому звільняється приблизно 42 кДж енергії. Коли ж від молекули АТФ відщепляються два залишки фосфатної кислоти, вона перетворюється на аденозинмонофосфатну кислоту (АМФ). При цьому енергії звільняється вже до 84 кДж.

   Отже, під час розщеплення молекули АТФ виділяється велика кількість енергії. Вона використовується для синтезу необхідних організму сполук, на підтримання певної температури тіла, забезпечення різних процесів життєдіяльності. Під час утворення молекул АДФ з АМФ та АТФ з АДФ у зв'язках, що виникають між залишками молекул фосфатної кислоти, запасається відповідна кількість енергії. Тому молекула АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітині.

  Постановка проблемного запитання

•                   Із чим пов’язана неоднакова кількість мітохондрій у різних видів клітин і фантастичні площі їхніх мембран? (Різна кількість мітохондрій та величезні площі мембран пов'язані  з виконуваними функціями. Чим активніше функціонує клітина, наприклад, клітини печінки, серця, тим більша кількість, а отже, і площа мембран збільшується. Оскільки цим клітинам необхідна значна кількість енергії, необхідна й більша кількість молекул АТФ. Ці молекули синтезуються за наявності АТФ-сом, розташованих на кристах).

   Отже, функція мітохондрій – синтез АТФ. У АТФ запасається енергія, яка вивільняється під час окиснення органічних речовин, тобто клітинного дихання. Окиснення відбувається в матриксі, а синтез АТФ – на внутрішній мембрані мітохондрій.

   Наявність власної ДНК у мітохондріях відкриває нові шляхи в дослідженнях проблем старіння. З’ясувалося, що на ділянках шкіри, які регулярно піддаються впливу сонячних променів, рівень мутації ДНК значно вищий, ніж на захищених ділянках. Чим більше шкіра одержує УФ-променів, тим більше мутацій відбувається в мітохондріях, а ушкоджена мітохондрія породжує собі подібні. Ця інформація застерігає вас від надмірного засмагання та змусить замислитись бажаючих повалятись на сонечку. Чи варто піддавати себе надмірній дії УФ- променів?

Завдання «Чорний ящик»

   Відгадавши загадку, ви дізнаєтесь, що міститься міститься в «чорному ящику». К.А. Тімірязєв сказав: «Жоден орган рослини не відчув на собі людської несправедливості тією мірою, як цей орган. До кінця ХІХ ст. він був наділений славою легковажного, пишного, але не корисного одягу для рослини». (Листок)

   Але ми знаємо, що листок здійснює надзвичайно важливий процес для життя на Землі – фотосинтез, у результаті якого утворюються органічні сполуки і кисень, необхідні для існування всього живого. Фотосинтез здійснюється у хлоропластах. Ознайомимось із будовою хлоропласта.

   Хлоропласти (з грец. chloros — зелений) - пластиди, що містять фотосинтезуючі пігменти — хлорофіли. Мають зелене забарвлення і складну внутрішню структуру. Мають вигляд двоопуклої рідше плоскоопуклої лінзи, діаметром 5–8 мкм. Зовні хлоропласт оточений гладкою ліпопротеїновою мембраною. Внутрішня оболонка утворює систему паралельних вгинань. Між ними знаходиться внутрішній простір - строма, в якій містяться тилакоїди (від грец. tylos — здуття i eidos — вигляд) - замкнуті сплющені мішечки. У тилакоїдах містяться основні (хлорофіли) і допоміжні (каротиноїди) пігменти, а також усі ферменти, необхідні для фотосинтезу. Великі тилакоїди (ламели) розташовані поодиноко, а дрібніші зібрані у грани, що нагадують стопки монет. На мембрані тилакоїдів є АТФ-соми – структури, до складу яких входять ферменти, що забезпечують синтез молекул АТФ. У стромі містяться молекули ДНК, різні типи РНК, рибосоми, зерна запасного полісахариду (переважно крохмалю).

    Крім хлоропластів, рослини можуть містити інші пластиди). Лейкопласти - незабарвлені пластиди (грец. lеіcos — білий), як правило виконують функцію запасання речовин. Наприклад, у лейкопластах бульб картоплі накопичується крохмаль. Лейкопласт вищих рослин може перетворюватися на хлоропласти або хромопласти. Розрізняють: акілопласти, які синтезують і нагромаджують крохмаль; протеїнопласти позбавлені гран, синтезують білки і відкладають їх у вигляді алейронових зерен (у насінні); олеопласти (від лат. oleum — олія), в яких утворюються і відкладаються олії (у клітинах насіння конопель, льону, рицини).

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

Розповідь групи «Дослідники» (випереджаюче завдання)

   Пластиди всіх типів мають спільне походження: усі вони виникають із первинних пластид твірної тканини – дрібних (до 1 мкм) пухирців, оточених двома мембранами. Крім того, пластиди одного типу здатні перетворюватись на пластиди іншого. Але тільки в напрямку: лейкопласти, хлоропласти, хромопласти. Це пов’язано з будовою внутрішньої системи мембран. На відміну від хлоропластів, внутрішня мембрана лейкопластів і хромопластів може утворювати лише нечисленні тилакоїди. На світлі в первинних пластидах формується складна система мембран, синтезується хлорофіл, і вони перетворююся на хлоропласти. На хлоропласти можуть перетворюватись і лейкопласти. У справедливості цих слів ми переконались, виконавши дослід: витримали бульбу картоплі на світлі. До досліду бульба мала білий відтінок, що свідчить про наявність лейкопластів у ній, а після тривалого перебування на сонці бульба позеленіла (демонструють білі та позеленілі бульби картоплі). Звідси можна зробити висновок, що на світлі в клітинах покривної тканини картоплі утворюється хлорофіл і формуються грани. Лейкопласти перетворюються на хлоропласти.

   Разом із хлорофілом на світлі в картоплі утворюється природний токсин – соланін, який шкідливий для людини. Він негативно впливає на роботу нервової системи, може спричинити розлад шлунка і головний біль. Варіння й обсмажування не знищують токсини.

  Під час старіння листків та стебел, дозрівання плодів, в осінній час спостерігається руйнування хлорофілу та утворення із хлоропластів хромопластів, які накопичують кристали каротиноїдів, типові для певного виду рослин. Тому листки втрачають зелене забарвлення і стають червоними, жовтими, оранжевими (демонструють листки різного забарвлення).

V. Узагальнення та систематизація вивченого матеріалу

1. Порівняння мітохондрій та хлоропластів за допомогою діаграми Вена

   Відмінності

• Мітохондрії: мають кристи, матрикс, головна функція – синтез АТФ.

• Хлоропласти: мають грани, строму, головна функція – фотосинтез.

  Подібність

Двомембранні; мають власні ДНК; мають власний білоксинтезуючий апарат (рибосоми, всі види РНК); самостійно діляться, незалежно від поділу самої клітини.

   Особливості будови двомембранних органел визначаються їхнім походженням. На думку вчених, мітохондрії та пластиди з’явились в клітинах у результаті симбіогенезу.

3. Розповідь групи «Еволюціоністи-цитологи» (випереджаюче завдання)

   Давайте перенесемся на мільярди років назад, в епоху «примітивних форм життя». Одну клітину умовно позначимо «М», за будовою й здатністю використовувати кисень у своєму енергетичному обміні вона була схожа на мітохондрії еукаріотичних клітин. Другу умовно назвемо «З» - це загарбники, які не мали такої здатності. Згодом клітини «З» захопили перших шляхом ендоцитозу. Поступово «хазяї» та «мешканці» пристосувалися один до одного й, зрештою, настільки зжилися, що один без одного не могли вже існувати. Унаслідок симбіозу клітини «М» утратили свою самостійність, але зберегли певні клітинні компоненти й здатність до поділу. Таким чином, з'явились клітинні органели. А гіпотеза походження мітохондрій і пластид одержала назву «гіпотеза симбіогенезу». Причому пластиди, на думку вчених, походять від синьо-зелених водоростей.

3. Зробіть  підписи до малюнків (Додаток 2)

4. Оформіть таблицю

VI. Підведення підсумків уроку, оцінювання учнів

ДОДАТОК 1

Будова та функції одномембранних органел

Ендоплазматична сітка  - це система порожнин у вигляді мікроскопічних канальців та їхніх розширень, обмежених мембраною, які сполучаються між собою.

   ЕПС була відкрита американським вченим К. Портером у 1945 році за допомогою електронного мікроскопа.

Розрізняють два різновиди ендоплазматичної сітки: зернисту та незернисту. На мембранах зернистої ендоплазматичної сітки розташовані рибосоми, а на мембранах незернистої рибосом немає.

   Мембрани зернистої ендоплазматичної сітки беруть участь у формуванні зовнішньої оболонки ядра в період між двома поділами клітини.

   На мембранах зернистої ендоплазматичної сітки за участю рибосом відбувається біосинтез білків. Синтезовані білки накопичуються у порожнинах зернистої ендоплазматичної сітки, розподіляються між різними ділянками клітини або виводяться з неї назовні. У порожнинах цієї органели білки набувають притаманної їм просторової структури, до них приєднуються небілкові частини тощо. Крім того, зерниста ендоплазматична сітка бере участь у синтезі компонентів клітинних мембран.

   На мембранах незернистої ендоплазматичної сітки синтезуються ліпіди, вуглеводи, гормони ліпідної природи, які можуть накопичуватись у її порожнинах. На них відбуваються процеси обміну деяких полісахаридів (наприклад, глікогену). У порожнинах незернистої ендоплазматичної сітки (наприклад, у клітинах печінки) накопичуються і знешкоджуються отруйні для організму сполуки, які згодом виводяться з клітини.

Комплекс Гольджі­ – одномембранна органела еукаріотичних клітин, основними функціями якої є зберігання та виведення надлишків речовин з клітин організму й утворення лізосом. Цю органелу названо на честь італійського вченого Каміло Гольджі, який 1898 року відкрив її у нервових клітинах.

   Основною структурною одиницею комплексу Гольджі є купка плоских цистерн (мішечків), оточених мембраною. Поруч із цистернами розташовані пухирці та канальці. Цистерни комплексу Гольджі, як правило, полярні: тобто, до одного з полюсів постійно підходять пухирці, які відриваються від ендоплазматичної сітки. Вони містять речовини, які там утворилися. Зливаючись із цистернами комплексу Гольджі, пухирці віддають їм свій вміст. Одночасно від другого полюса цистерн відходять пухирці з різними речовинами, завдяки чому вони транспортуються в інші ділянки клітини та виводяться з неї.

   Комплекс Гольджі є в усіх еукаріотичних клітинах, але у різних організмів його будова може відрізнятись. Так, у клітинах рослин структурні компоненти цієї органели (їхня кількість може сягати 20 і більше) відокремлені один від одного, а в клітинах інших організмів вони зазвичай з'єднані.

  Функції комплексу Гольджі різноманітні. Насамперед, у цій органелі накопичуються і певним чином змінюються деякі сполуки (наприклад, білки). Вони згодом у вигляді пухирців відходять від комплексу Гольджі і транспортуються за допомогою мікротрубочок.

   Однією з важливих функцій багатьох клітин є секреція тих чи інших речовин. Майже всі ці речовини виробляються за допомогою ЕПС та апарату Гольджі, потім вивільняються останнім у цитоплазму у вигляді своєрідних сховищ - секреторних пухирців, або секреторних гранул.

   У цистернах комплексу Гольджі синтезуються деякі полісахариди, які можуть сполучатись з білками, що надійшли із зернистої ендоплазматичної сітки. В рослинних клітинах у них утворюються фрагменти целюлозної клітинної стінки, а в клітинах членистоногих - хітинової кутикули.

   Комплекс Гольджі бере участь в утворенні лізосом. Ферменти, які входять до складу лізосом, синтезуються на мембранах зернистої ендоплазматичної сітки. Відома участь комплексу Гольджі у побудові плазматичної мембрани та інших клітинних мембран. З елементів комплексу Гольджі в головці сперматозоїдів утворюється списо- або чашоподібний утвір -акросома, що забезпечує проникнення сперматозоїда в яйцеклітину.

   Лізосоми (від грец. лізіс - розчинення) - одномембранні органели еукаріотичних клітин, які мають вигляд округлих тілець. Це пухирці діаметром 100-180 нм, оточені мембраною. Були відкриті у 1955 році бельгійським біохіміком Кристианом де Дювом, який за дослідження лізосом був нагороджений Нобелівською премією у 1974 році.

    Вони містять різноманітні гідролітичні ферменти, здатні розщеплювати ті чи інші органічні сполуки (білки, вуглеводи, ліпіди тощо), забезпечуючи процеси внутрішньоклітинного травлення. Різні види лізосом відрізняються особливостями будови.

   Первинні лізосоми формуються за участю комплексу Гольджі. Зливаючись з піноцитозними або фагоцитозними пухирцями, вони утворюють травні вакуолі (вторинні лізосоми).

   Ще один тип лізосом бере участь у перетравленні окремих компонентів клітин, цілих клітин або їхніх груп. Так знищуються дефектні органели, ушкоджені чи мертві клітини, зникає хвіст у пуголовків тощо.

   Пероксисоми нагадують лізосоми, проте мають дві важливі відмінності. По-перше, вважають, що вони утворюються не з апарату Гольджі, а з ендоплазматичної сітки. По-друге, вони містять в основному оксидази, а не гідролази. Багато оксидаз здатні перетворювати кисень і протони, що утворюються в клітинних реакціях, в пероксид гідрогену (Н₂О₂).

   Пероксид гідрогену - сильний окислювач, який разом з каталазою (одна з оксидаз пероксисом) використовується клітиною для окиснення багатьох шкідливих для неї речовин. Так, за допомогою цього механізму пероксисоми клітин печінки руйнують близько половини обсягу алкоголю, що надходить в організм. Крім того, саме фермент каталаза периксосом знешкоджує надлишок пероксиду гідрогену в організмах.

   Також периксосоми розщеплюють довголанцюгові жирні кислоти, які надходять до клітини з їжею.

     Вакуолі (від лат. вакуус - порожній) - порожнини в цитоплазмі, заповнені рідиною і оточені мембраною. Розрізняють різні види вакуолей: травні вакуолі, що утворились із лізосом; вакуолі клітин рослин утворюються з пухирців, які відокремлюються від ендоплазматичної сітки. Дрібні вакуолі зливаються в більші і можуть займати майже весь об'єм цитоплазми. Такі вакуолі заповнені клітинним соком - водним розчином органічних і неорганічних сполук, серед яких є продукти обміну речовин (оксалати кальцію) або пігменти (антоціани, які змінюють свій колір залежно від кислотності середовища від рожевого до синього).

   Функції таких вакуолей різноманітні: вони підтримують тургор, забезпечуючи збереження форми клітин, у них містяться запасні речовини. Завдяки напівпроникності мембрани вакуолей через них транспортуються речовини з гіалоплазми в порожнину вакуолей і навпаки.

   Скоротливі вакуолі прісноводних одноклітинних тварин і водоростей формуються з елементів комплексу Гольджі. Вони регулюють внутрішньоклітинний тиск, виводячи надлишок води з клітини, беруть участь у виведенні деяких розчинних продуктів обміну речовин.

ДОДАТОК 2

Зробіть  підписи до малюнка:

                 На малюнку зображено _______________  Головна функція _________________

1. ________________

2. ________________

3. ________________

4. ________________

5. ________________

6. ________________

7. ________________

            На малюнку зображено _______________ Головна функція ___________________

1. ________________

2. ________________

3. ________________

4. ________________

5. ________________

6. ________________

7. ________________