Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 22. Структури клітини та метаболізм

Яка складова забезпечує обмін речовин клітини з навколишнім середовищем, водночас відмежовуючи її від нього?

Які органели клітини ви знаєте?

Наявність яких органел вирізняє рослинну клітину?

Метаболізм будь-якої біологічної системи зумовлений процесами, які відбуваються в клітині. Тому дослідження будови та життєдіяльності клітини мають першочергове значення для розуміння обміну речовин на різних рівнях організації живого. Метаболізм забезпечує плазматична мембрана, мембранні та немембранні органели клітини.

Функції плазматичної мембрани. Плазматична мембрана, оточуючи кожну клітину, відділяє її вміст від позаклітинного простору. Особливості будови плазматичної мембрани (плазмолеми) зумовлюють її відповідні функції: бар’єрну, транспортну, контактну, рецепторну та ферментативну (рис. 100).

Будова мембрани унеможливлює дифузію крізь неї полярних молекул, зокрема йонів. Тож плазматична мембрана виконує бар’єрну функцію, регулюючи обмін речовин між клітиною й навколишнім середовищем. Проте крізь мембрану має здійснюватися транспортування речовин як усередину клітини, так і назовні. Це необхідно для постачання клітині речовин і виведення продуктів обміну.

Рис. 100. Плазматична мембрана: а - схема будови; б - мікрофотографія контакту мембран двох клітин

До складу мембрани входять ліпіди, білки та вуглеводи. Основою плазмолеми є подвійний шар із фосфоліпідів. Окрім фосфоліпідів, до складу плазматичної мембрани входять інші ліпіди (зокрема холестерол) і значна кількість білків (до 50 % від маси мембрани).

Просвічувальна електронна мікроскопія дозволяє побачити місце контакту мембран двох клітин, кожна з яких має двошарову структуру.

Розрізняють два типи транспортування речовин: рух речовин, за якого не витрачається енергія АТФ, називають пасивним, а рух, пов’язаний з витратами енергії, - активним. Пасивне транспортування відбувається за рахунок простої дифузії (від місця з більшою концентрацією речовини до місця з меншою її концентрацією). У такий спосіб крізь мембрану проникають насамперед неполярні молекули: з неорганічних речовин крізь мембрани добре дифундують кисень і вуглекислий газ, а з органічних речовин - стероїдні речовини. Транспортування крізь мембрану полярних речовин забезпечують білкові молекули-переносники. Молекули-переносники необхідні також для потрапляння в клітину глюкози. Пасивний рух речовин за допомогою молекул-переносників називають полегшеною дифузією. Інколи необхідно транспортувати речовину від місця з меншою її концентрацією до місця, де її концентрація більша. Цей процес потребує витрат енергії, а тому є активним. Прикладом може бути натрій-калієвий насос. Він забезпечує вихід із клітини йонів Натрію та надходження в неї з позаклітинного простору йонів Калію (рис. 101). Робота цього насоса забезпечує нормальне функціонування клітин, підтримуючи на певному рівні концентрації йонів Na+ і К+ усередині та зовні їх. Особливим типом активного транспортування є цитоз - переміщення речовин у складі мембранних пухирців. Процес виведення речовин із клітини внаслідок злиття везикул з плазматичною мембраною називають екзоцитозом. У такий спосіб із клітин вивільняються синтезовані нею ферменти, гормони, медіатори тощо. Процес активного надходження твердих і рідких речовин із зовнішнього середовища всередину клітини називають ендоцитозом (рис. 102). Розрізняють піноцитоз (поглинання рідких речовин) і фагоцитоз (поглинання разом з рідкими речовинами твердих часточок). Фагоцитоз відіграє важливу роль у поглинанні клітинами імунної системи чужорідних клітин і бактерій, а також у живленні одноклітинних організмів. У багатоклітинних організмів клітини зв’язані між собою. Такий зв’язок забезпечують білки, які ніби «зшивають» дві мембрани, формуючи міжклітинні контакти.

Рис. 101. Схема роботи натрій-калієвого насоса

Проаналізуйте схему. Прочитайте твердження.

I. Унаслідок роботи Na++-насоса синтезуються молекули АТФ.

II. Йони Натрію «викачуються» з клітини, а йони Калію «закачуються» в клітину.

Чи є поміж них правильні?

Рис. 102. Схеми процесів екзоцитозу (а) й ендоцитозу (б)

Назвіть організми, у живленні яких важливу роль відіграє ендоцитоз.

Рецепторна функція полягає в здатності реагувати на хімічні речовини, змінюючи при цьому функціонування клітин. Першою ланкою реагування на наявність хімічних речовин є рецепторні білки, вбудовані в плазмолему та здатні вибірково зв’язуватися з іншими речовинами.

Деякі білки, вбудовані в клітинну мембрану, виконують ферментативну функцію. Зокрема вони забезпечують мембранне (пристінкове) травлення в кишечнику людини. У прокаріотичних клітинах інші мембранні білки беруть участь у процесах фотосинтезу, запасанні енергії шляхом синтезу АТФ тощо.

Органели клітини та їхні функції. Уміст еукаріотичних клітин поділяється внутрішніми мембранами на функціональні ділянки, що забезпечує розділення різних процесів обміну речовин у просторі і часі.

До одномембранних органел належать ендоплазматична сітка (ЕПС), комплекс Гольджі, лізосоми, пероксисоми та вакуолі.

Гладенька ЕПС забезпечує синтез ліпідів, зокрема стероїдних речовин, знешкодження деяких токсичних речовин (в організмі людини активно функціонує в клітинах печінки) та депонування йонів Кальцію. Останнє є важливим для функціонування м’язових клітин. До мембран шорсткої ЕПС (рис. 103, I) з цитоплазматичного боку можуть прикріплюватися немембранні органели - рибосоми (рис. 103, II), які синтезують у порожнину трубочок білкові молекули. Основною функцією цього типу ЕПС є участь у синтезі білків і транспортування синтезованих речовин у мембранних пухирцях - везикулах (рис. 103, III) до комплексу Гольджі (рис. 103, IV). Отже, комплекс Гольджі функціонально поєднаний з ЕПС. Надалі в комплексі Гольджі здійснюється перетворення білкових молекул (утворення глікопротеїнів, ліпопротеїнів тощо) і пакування їх у мембранні пухирці відповідно до функціонального призначення. Білки, що експортуються з клітини (наприклад ферменти або гормони) або ж мають убудуватися до плазматичної мембрани, розміщуються в секреторних пухирцях. Ферменти, що здійснюють внутрішньоклітинне травлення, пакуються в лізосоми (рис. 103, V), які тут утворюються. Лізосоми - мембранні органели у вигляді пухирців, усередині яких містяться ферменти, що розщеплюють полімерні органічні сполуки до мономерних. У комплексі Гольджі також синтезуються деякі полісахариди.

Рис. 103. Утворення та транспортування речовин у клітині

У 2013 році Нобелівську премію з фізіології або медицини отримали біохімік Джеймс Ротман, цитолог Ренді Шекман, біохімік і нейробіолог Томас Зюдхоф - «за відкриття системи везикулярного транспорту - основної транспортної системи в наших клітинах».

Укажіть процеси, які позначено цифрами VI, VII. Яке значення цих процесів у метаболізмі клітини?

Підготуйте повідомлення про значення відкриття везикулярного транспорту для розвитку біології, використовуючи інтернет-джерела.

Пероксисоми - мембранні органели у вигляді пухирців, що містять ферменти, зокрема ті, що забезпечують перетворення жирів або розщеплення токсичного для клітини гідроген пероксиду до кисню й води.

Вакуолі - це великі мембранні порожнини, заповнені рідким умістом. Залежно від їхньої будови та функцій вирізняють кілька типів таких органел. Рослинні клітини містять великі клітинні вакуолі. Вони беруть участь у регуляції тургору, можуть містити пігменти, надаючи частинам рослин забарвлення, зберігати продукти обміну речовин. Прісноводні одноклітинні організми містять скоротливі вакуолі, функція яких - виведення з клітин надлишкової води. Розщеплення поживних речовин усередині деяких клітин відбувається в травних вакуолях, що формуються за участю лізосом.

Поміж клітинних органел вирізняють двомембранні - мітохондрії та хлоропласти. У мітохондріях відбуваються основні процеси, які забезпечують клітину енергією, синтезуючи молекули АТФ (рис. 104). Пластиди - це двомембранні органели, властиві лише рослинам і деяким одноклітинним організмам. Найпоширенішими є хлоропласти - органели зеленого кольору, що здійснюють фотосинтез (рис. 105). Безбарвні пластиди - лейкопласти - забезпечують запасання поживних речовин - крохмалю, жирів і білків. А пластиди, забарвлені в кольори жовто-червоної частини спектра, - хромопласти - надають забарвлення.

Рис. 104. Будова мітохондрії

Рис. 105. Будова хлоропласта

1. Назвіть структури клітини, які забезпечують метаболізм.

2. Перелічіть функції плазмолеми.

3. Поясніть відмінності між пасивним та активним транспортуванням речовин.

4. Які речовини можуть транспортуватися крізь мембрану шляхом дифузії, а які - ні? Чому?

5. Які одномембранні органели ви знаєте? Які процеси вони забезпечують у клітині?

6. Поясніть значення хлоропластів в обміні речовин.

7. Обґрунтуйте значення мітохондрій в енергетичному обміні.