Підручник з Біології. 9 клас. Межжерін - Нова програма

§ 10. Будова клітини. Клітинна мембрана та клітинна оболонка

Терміни й поняття: загальний план будови клітин, клітинна мембрана, генетичний апарат, цитоплазма, фагоцитоз, піноцитоз, клітинна оболонка, глікокол ікс.

Загальний план будови клітин. Клітини одноклітинних і багатоклітинних організмів, тварин і рослин дуже різноманітні за розмірами та формою.

В одному організмі можуть існувати клітини кулястої, еліпсоїдоподібної, видовженої, зіркоподібної та інших форм. їх об’єм в одному організмі може різнитися в мільйони разів! Але всі клітини, незважаючи на їх величезну різноманітність, мають загальний план будови (іл. 10.1). У кожній клітині бактерії, гриба, рослини або тварини містяться три компоненти: клітинна мембрана, цитоплазма й генетичний апарат.

Клітинна мембрана. Клітинна, або плазматична, мембрана — будівельний матеріал клітини, а тому за масою є найбільшою структурою. Середня за розмірами клітина рослини чи тварини розміром в десяті частки міліметра містить мембрани площею кілька квадратних метрів! Дослідження клітин за допомогою електронного мікроскопа довели, що клітинна мембрана складається з трьох шарів (іл. 10.2): двох зовнішніх темних і внутрішнього світлого. Згодом з’ясували, що до складу клітинної мембрани у великій кількості входять фосфоліпіди, які власне й визначають її будову. За структурою молекули фосфоліпідів подібні до жирів, адже вони складаються з багатоатомних спиртів та багатоатомних жирних кислот.

Однак до їх складу входить ще й залишок ортофосфатної кислоти, який робить молекулу полярною.

Це приводить до того, що молекули фосфоліпідів мають гідрофобний та гідрофільний кінці й частково розчинюються у воді.

Фосфоліпіди упаковані в такий спосіб, що гідрофільні частини їх молекул, так звані «головки», які взаємодіють з різноманітними білками, повернуті до зовнішньої та внутрішньої поверхонь клітини. Саме вони утворюють темні шари клітинної мембарни. Гідрофобні частини молекули — «хвости» — ховаються в товщі мембрани, формуючи світлий шар (іл. 10.3).

Іл. 10.1. Загальний план будови клітини: 1 — клітинна мембрана; 2 — цитоплазма; 3 — генетичний апарат

Іл. 10.2. Мікрофотографія зовнішньої клітинної мембрани двох сусідніх клітин: 1 — міжклітинний простір; 2 — клітинні мембрани

Найбільш правильною вважають модель клітинної мембрани, згідно з якою окремі білкові або білково-вуглеводні молекули плавають, наче айсберги, у «ліпідному морі»: одні — на поверхні, інші — занурені вглиб, а деякі пронизують ліпідний шар наскрізь (іл. 10.3)

Іл. 10.3. Модель будови клітинної мембрани: 1 — подвійний шар фосфоліпідів; 2 — гідрофільні головки; 3 — гідрофобні «хвости»; 4 — молекули білків; 5 — білковий канал; 6 — вуглеводний ланцюг; 7 — молекули холестерину

Кожний з білків виконує певну функцію: або визначає взаємодію клітин, або здійснює транспортування речовин крізь мембрану, або регулює рухливість інших білків у мембрані. Отже, клітинна мембрана — не стала структура, а дуже рухливе, динамічне утворення, здатне розтягуватись і стискатися; на ній з’являються нарости й заглибини; вона здійснює хвилеподібні коливальні рухи.

Функції клітинної мембрани.

Структурна функція. Клітинна мембрана — основний будівельний матеріал клітини. З неї утворюється клітинна поверхня, тіла більшості органел і ядерна оболонка. За її допомогою в цитоплазмі формуються функціональні відсіки, канали та порожнини.

Бар’єрна функція. Клітинна мембрана на поверхні клітини є бар’єром, який запобігає вільному проникненню речовин у клітину. До того ж вона здатна не лише обмежувати проникнення певних молекул, а й активно виштовхувати їх із клітини.

Транспортна функція*. Розрізняють пасивний та активний механізми транспортування речовин усередину клітин.

Пасивне транспортування речовин забезпечує дифузія (від лат. діффузіо — розтікання), яка відбувається за градієнтом концентрації (іл. 10.4).

Молекули речовин, розчинених у воді, під дією теплового хаотичного руху тяжіють до вирівнювання концентрації у просторі. Якщо концентрація деякої речовини в клітині низька, а поза її межами — висока, то ця речовина надходитиме всередину клітини, якщо навпаки — речовина виходить назовні.

У разі підвищення в клітині концентрації речовини, яку клітинна мембрана не пропускає — до клітини надходитиме вода. А за підвищеної концентрації речовини в навколишньому середовищі вода з клітини, навпаки, виходитимете назовні.

Іл. 10.4. Схема дифузії

* Матеріал для додаткового вивчення

Іл. 10.5. Схема осмосу: а — ситуація стану різної концентрації речовини по обидва боки мембрани; б — ситуація рівної концентрації або рівноваги

Ця дифузія розчинника крізь напівпроникну мембрану має назву осмос (від грец. осмос — поштовх) (іл. 10.5).

Активне транспортування.

Транспортування більшості речовин крізь клітинну мембрану відбувається з витратами енергії і тому є активним транспортуванням.

Прикладом активного транспортування проти градієнта концентрації речовини є калій-натрієвий насос (іл. 10. 6). Під час його роботи відбувається перенесення йонів Na+ за межі клітини, а йонів К+ — до клітини. Цей процес супроводжується накопиченням на мембрані різниці електричних потенціалів. Для здійснення такої роботи необхідна енергія, яку дає розщеплення АТФ.

Калій-натрієвий насос також необхідний клітинам для підтримання осмотичного балансу. Окрім того, калій-натрієвий насос потрібен для активного транспортування до клітини глюкози й амінокислот, підтримки електричної активності в нервових і м’язових.

Фагоцитоз і піноцитоз — особливі види транспортування речовин до клітини. У деяких випадках транспортування речовин до тваринної клітини відбувається шляхом їх механічного захоплення випинами клітинної мембрани (іл. 10.7).

Розрізняють два види поглинання: піноцитоз (від грец. піно — пити, кітос — клітина), якщо захоплюються крапельки рідини, та фагоцитоз (від грец. фагос — пожирач, кітос — клітина), якщо захоплюються тверді частинки.

Інформаційна функція.

Будь-яка інформація та команди організму, що надходять до клітини ззовні, уловлюють спеціальні рецептори (від лат. рецептор — той, що сприймає) клітинної мембрани. Наприклад, дія гормонів ґрунтується на взаємодії зі спеціальними молекулами білка та сполученими з ними вуглеводами, що містяться в клітинній мембрані. Рецептори, розташовані на її поверхні, не лише передають сигнали організму всередину клітини, а й допомагають сусіднім клітинам упізнавати одна одну.

Іл. 10.6. Схема калій-натрієвого насосу: І — клітинна мембрана; 2 — АТФаза (фермент, який здійснює перенесення йонів)

Іл. 10.7. Схема фагоцитозу: 1 — клітина-фагоцит; 2 — псевдоподії; 3 — бактерії

Клітинні оболонки. На зовнішній поверхні кожної клітини будь-якого організму обов’язково містяться біополімери, які формують особливий шар, що захищає клітини від пошкоджень, а в багатоклітинних істот забезпечує контакт і сполучення між клітинами. Якщо шар речовин, що міститься на зовнішній мембрані клітини побудований з твердих речовин, то він має назву клітинна оболонка, або клітинна стінка, у яку клітина закута, наче в панцир (іл. 10.8).

Іл. 10.8. Клітина шкірки цибулі в добре помітній оболонці (а) та деталізована будова клітинної стінки (б): 1 — зовнішній покрив; 2 — волокна з молекул целюлози; 3 — клітинна мембрана

Клітинні оболонки рослин, грибів і бактерій побудовані з різних біополімерів. Ці речовини синтезуються всередині клітини й спеціальними каналами виводяться назовні.

У рослин клітинна оболонка формується з полісахариду целюлози. За своєю хімічною формулою ця речовина тотожна крохмалю чи глікогену, однак є дуже стійкою до води — цей полісахарид складається з особливих молекул глюкози.

У клітинних оболонках рослин є спеціальні отвори — плазмодесми, через які сполучаються цитоплазми сусідніх клітин (іл. 10.9).

Під час росту клітину оточує тонка, еластична й здатна до розтягування оболонка. Вона складається з переплетених ниток целюлози та матриксу (від лат. матрикс — основа) — гомогенної речовини, що заповнює різноманітні порожнини між структурами клітини. У міру припинення росту первинна оболонка перетворюється на тверду.

Функції клітинних оболонок у рослин. Вони здійснюють різноманітні механічні функції: слугують каркасом клітин, захищають їх від ушкоджень і проникнення мікроорганізмів. Крім того, сукупність оболонок клітин, що містяться у стеблі, формує опору рослини. Власне з клітинних стінок утворюється деревина, з якої промисловим способом отримують сировину для виготовлення якісного паперу, а також рослинні волокна, з котрих виробляють бавовняні та льняні тканини.

Іл. 10.9 Плазмодесма: 1 — клітинна стінка; 2 — плазматична мембрана; 3 — плазмодесма

Іл. 10.10. Рослина з недостатнім тургором за нестачі води

Ще однією функцією клітинної оболонки є перешкоджання потраплянню до клітини надлишку води. Целюлозна оболонка як така не є бар'єром проникнення води в клітину, але вона обмежує кількість води в ній, без чого клітина могла б просто луснути. У міру надходження води клітина поступово набрякає, але доти, доки оболонка клітини зберігає свою розтяжність.

Гідростатичний тиск води на клітину зазвичай становить 5-10 атмосфер. Цей тиск створює напругу в клітинній оболонці — тургор (від лат. тургор — набрякаю), який надає тілу рослини пружності. Саме тому рослини в разі нестачі води в'януть (іл. 10.10).

Глікокалікс. Речовини, що містяться на поверхні клітин тварин, нещільні, а тому з них утворюється інша, ніж у рослин, структура, яка має назву глікокалікс (від грец. глікіс — солодкий і лат. каллюм — товста шкіра) (іл. 10.11). Такий тип поверхневого апарату дає можливість клітинам змінювати свою форму, а організму — активно рухатися.

Глікокалікс клітин різних типів відрізняється не лише за товщиною, а й за хімічним складом, адже він утворюються з різноманітних форм полісахаридів. Причому наявність позаклітинних речовин на зовнішньому боці тваринної клітини може бути такою незначною, що їх можна роздивитись лише в електронний мікроскоп.

Надзвичайно важлива функція глікокаліксу полягає у зв'язуванні тваринних клітин одна з одною. Саме внаслідок цього й утворюються тканини.

Якби позаклітинні речовини, які відіграють роль «клею», були відсутні, то клітини, що утворились після поділу, не сполучалися б і багатоклітинний організм одразу б розпався.

Крім того, з глікокаліксу утворюються кутикула червів і панцир членистоногих тварин, слиз риб та амфібій; він бере участь у формуванні зовнішніх покривів молюсків, є опорою для хрящової та кісткової тканин хребетних, робить еластичними шкіру та стінки кровоносних судин.

Іл. 10.11. Вигляд глікокаліксу в електронному мікроскопі

Складовими клітин усіх живих організмів є клітинна мембрана, цитоплазма і генетичний апарат.

Клітинна мембрана — це будівельний матеріал клітини, вона створює бар’єр між клітиною і середовищем, активно здійснює транспортування речовин, передає сигнали, які йдуть від організму всередину клітини.

Невід’ємною частиною кожної клітини є речовини, що містяться на зовнішній поверхні клітинної мембрани. У клітинах рослин це тверді речовини, що утворюють клітинні оболонки. У тварин на поверхні клітин містяться нещільні речовини — глікокалікс. Це дозволяє тваринним клітинам змінювати свою форму. Головне призначення поверхневого апарату клітин — це захист й опора, механічне сполучення клітин у тканини та здійснення контактування одна з одною.

1. У чому полягає загальний план будови клітини? 2. Як побудована клітинна оболонка і які її головні функції? 3. У чому полягає принцип дії калій-натрієвого насоса? 4. Чому життя клітини неможливе без позаклітинних компонентів? 5. У чому полягає принципова відмінність глікокаліксу тваринних клітин і клітинних стінок у рослин?

• Чому головними компонентами плазматичної мембрани є ліпіди, а клітинної оболонки — полісахариди?