Цитология: строение и функции клетки. Урок по биологии

Тема: Цитология – наука о клетке. Строение и функции клеточных структур.
Цели занятия
Образовательная:
 Сформировать представление о клетке как целостной живой системе.
 Изучить основные положения клеточной теории и методы цитологии.
 Сформировать знания о строении прокариотических и эукариотических
клеток, их органоидах и функциях.
 Выявить сходства и различия в строении клеток растений, животных и
грибов.
Развивающая:
 Развивать умение сравнивать биологические объекты, анализировать
схемы и делать выводы.
 Формировать
навыки работы с микроскопом (при наличии
оборудования) или таблицами.
Воспитательная:
 Воспитывать научное мировоззрение, понимание единства живой
природы.
 Формировать ответственное отношение к учебной деятельности.
Оборудование и материалы
 Таблицы: «Строение прокариотической и эукариотической клетки»,
«Строение растительной и животной клетки».
 Микроскоп и микропрепараты (или электронные микроскопические
изображения).
 Презентация к уроку.
 Раздаточный материал: сравнительные таблицы, схемы органоидов.
Ход занятия
I. Организационный момент (2 мин)
 Приветствие, проверка присутствующих.
 Сообщение темы, целей и плана занятия.
 Мотивация: «Клетка — это фундамент жизни. Понимая её строение,
мы понимаем, как работает весь организм».
II. Актуализация опорных знаний (5 мин)
Беседа с группой:
 Что вы уже знаете о клетке?
Клетка — это элементарная единица строения и жизнедеятельности всех
живых организмов (кроме вирусов, которые считаются неклеточными
формами жизни). Она способна к самостоятельному обмену веществ, росту,
развитию и воспроизведению.
Строение клетки
У клеток есть три основные обязательные части:



Поверхностный аппарат (клеточная мембрана). Она отделяет содержимое
клетки от внешней среды, защищает её и регулирует обмен веществ
(обладает избирательной проницаемостью).
Цитоплазма. Это внутренняя полужидкая среда, в которой находятся все
остальные структуры клетки и протекают процессы обмена веществ.
Цитоплазма постоянно движется, перемешивая вещества.
Ядро (или нуклеоид у прокариот). В клетках эукариот оно хранит и
защищает наследственную информацию. У прокариот (бактерий)
оформленного ядра нет — их ДНК лежит прямо в цитоплазме в области,
называемой нуклеоидом.
Органоиды (органеллы)
Это постоянные структуры в цитоплазме, каждая из которых выполняет свою
функцию. Вот некоторые из них:

Митохондрии. «Энергетические станции» клетки, где происходит клеточное
дыхание и вырабатывается энергия в виде АТФ.













Рибосомы. Отвечают за синтез белков.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС). Система мембранных полостей и
каналов, которая участвует в синтезе белков, липидов и транспорте веществ.
Аппарат Гольджи. Модифицирует, сортирует и упаковывает белки и
липиды для транспортировки.
Лизосомы. Содержат ферменты для расщепления ненужных веществ и
старых органоидов.
Цитоскелет. Сеть белковых волокон, которая поддерживает форму клетки,
обеспечивает внутриклеточный транспорт и участвует в делении.
Типы клеток
Все клетки делятся на две большие группы:
Прокариоты (доядерные). Не имеют ядра и мембранных органелл. К ним
относятся бактерии и археи.
Эукариоты (ядерные). Имеют ядро и разнообразные мембранные
органеллы. К ним относятся растения, животные, грибы и протисты.
Жизнедеятельность клетки
Клетка — это живая система, в которой постоянно идут сложные процессы:
Обмен веществ (метаболизм). Поступление веществ, их превращения и
выделение продуктов распада.
Питание. Клетки получают из окружающей среды необходимые вещества.
Дыхание. Процесс получения энергии путём окисления органических
веществ.
Размножение. Клетки делятся, обеспечивая рост и размножение организмов.
Раздражимость. Способность реагировать на сигналы из внешней среды.
История изучения клетки
Термин «клетка» ввёл Роберт Гук в 1665 году, когда, используя микроскоп,
он рассмотрел срез коры пробкового дуба и увидел ячейки, похожие на соты.
Позже Антони ван Левенгук усовершенствовал микроскоп и впервые увидел
живые клетки — бактерии, эритроциты. В 1839 году Маттиас Шлейден и
Теодор Шванн сформулировали основные положения клеточной теории, а
Рудольф Вирхов позднее добавил, что клетка образуется путём деления
исходной материнской клетки.
Методы изучения
Для исследования клеток используют разные методы: световую и
электронную микроскопию, культивирование клеток, центрифугирование,
биохимические и цитохимические методы.
Какие живые организмы состоят из клеток?
 Чем живая клетка отличается от неживой материи?
III. Изучение нового материала (60 мин)
1. Цитология как наука. Клеточная теория. Методы изучения (10 мин)
Цитология (от греч. kytos — сосуд, ячейка, клетка) — наука о клетке, её
строении, функциях, процессах жизнедеятельности, размножении и развитии.
Основные положения клеточной теории:
1. Клетка — элементарная единица живого.
2. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу.
3. Новые клетки образуются только путём деления исходных клеток.
4. Клетка — единица развития многоклеточного организма.
Методы изучения клетки:
 Микроскопия: световая (до 2000×) и электронная (до 1 000 000×).
 Цитохимический метод: выявление химических веществ в клетке.
 Метод меченых атомов: изучение обмена веществ.
 Метод фракционирования: разделение органоидов по массе для
изучения их функций.
 Культура тканей: выращивание клеток вне организма.
2. Клетка как целостная система. Общие признаки (5 мин)
Несмотря на разнообразие, все клетки имеют общие черты:
 Замкнутая наружная мембрана (плазмалемма), отделяющая клетку
от среды.
 Генетический аппарат: молекулы ДНК, хранящие наследственную
информацию.
 Система синтеза белка: рибосомы, обеспечивающие производство
белков.
 Полужидкая внутренняя среда: цитоплазма.
Вывод: Клетка — это открытая, саморегулирующаяся
биологическая система, способная к обмену веществ, росту и
размножению.
3. Типы клеток: Прокариоты и Эукариоты (10 мин)
Все живые организмы делятся на две группы по строению клеток:

Прокариоты
Эукариоты (Ядерные)
(Доядерные)
Отсутствует, ДНК в Есть,
оформлено
ядерной
Ядро
нуклеоиде
оболочкой
Присутствуют (ЭПС, митохондрии
Мембранные
Отсутствуют
и др.)
органоиды
Мелкие (70S)
Крупные (80S)
Рибосомы
Есть
(муреин
у Есть у растений (целлюлоза) и
Клеточная стенка
бактерий)
грибов (хитин), нет у животных
Простое (бинарное) Митоз / Мейоз
Деление
Бактерии,
Растения,
животные,
грибы,
Примеры
цианобактерии
простейшие
Особенности строения прокариотической клетки:
 Генетический материал представлен кольцевой ДНК (нуклеоид), не
отделённой от цитоплазмы.
 Отсутствие мембранных органоидов.
 Наличие клеточной стенки (из муреина), выполняющей защитную и
опорную функции.
 Могут иметь жгутики, ворсинки, капсулу.
4. Строение эукариотической клетки (25 мин)
Эукариотическая клетка сложнее. Рассмотрим её основные компоненты.
А. Поверхностные структуры
 Плазматическая мембрана: билипидный слой с белками.
o Функции:
барьерная,
транспортная,
рецепторная,
ферментативная.
o Свойства:
избирательная
проницаемость,
текучесть,
самовосстановление.
 Гликокаликс (у животных): углеводно-белковый слой над мембраной.
Функции: узнавание клеток, защита, рецепция.
 Клеточная стенка (у растений и грибов):
o Растения: целлюлоза.
o Грибы: хитин.
o Функции: опора, защита, тургор.
Б.
Цитоплазма
и
органоиды
Цитоплазма — внутренняя полужидкая среда, в которой расположены
органоиды и ядро.
Классификация органоидов:
Группа
Органоиды
Функции
Транспорт веществ, синтез
Эндоплазматическая
белков
(шероховатая)
и
Одномембранные
сеть (ЭПС)
липидов/углеводов (гладкая).
Аппарат Гольджи
Накопление,
упаковка,
Признак
Группа
Органоиды
Функции
выведение
веществ,
образование лизосом.
Внутриклеточное
Лизосомы
пищеварение,
расщепление
веществ.
Запасание
веществ,
Вакуоли
поддержание
тургора
(у
растений).
«Энергетические
станции»:
Полуавтономные
Митохондрии
(двумембранные)
синтез АТФ, дыхание.
Фотосинтез
(хлоропласты),
запасание
крахмала
Пластиды (у растений)
(лейкопласты),
окраска
(хромопласты).
Рибосомы
Синтез белка.
Немембранные
Участие в делении клетки
Клеточный центр
(образование
веретена
деления).
Движение
клетки
или
Реснички и жгутики перемещение веществ вдоль
клетки.
Происхождение
митохондрий
и
пластид:
Согласно теории симбиогенеза, эти органоиды произошли от древних
бактерий, которые были поглощены предками эукариот, но не переварились,
а
вступили
в
симбиоз.
Доказательства: наличие собственной ДНК, рибосом, способность к
самостоятельному делению.
В.
Включения
Непостоянные компоненты цитоплазмы: капли жира, зёрна крахмала,
кристаллы солей. Выполняют запасающую функцию.
5. Ядро – регуляторный центр клетки (10 мин)
Ядро — самый крупный органоид, содержащий основную массу ДНК.
Строение ядра:
1. Ядерная оболочка: две мембраны с порами (обмен с цитоплазмой).
2. Кариоплазма (ядерный сок): внутренняя среда.
3. Хроматин: комплекс ДНК и белков (в неделящейся клетке).
4. Ядрышко: место сборки рибосом.
Хромосомы — спирализованный хроматин, видимый во время деления
клетки. Несут гены.
Функции ядра:
 Хранение и передача наследственной информации.
Регуляция обмена веществ и синтеза белка.
 Контроль деления клетки.
6. Транспорт веществ в клетке (5 мин)
 Пассивный транспорт: диффузия, осмос (без затрат энергии, по
градиенту концентрации).
 Активный транспорт: насосы (с затратами АТФ, против градиента).
 Эндоцитоз: поглощение веществ (фагоцитоз — твёрдых, пиноцитоз —
жидких).
 Экзоцитоз: выведение веществ из клетки.
Мембрана
Цитоплазматическая мембрана представляет собой гибкий, тонкий барьер,
ограничивающий внутриклеточное пространство и отделяющий его
от внешней среды.

Мембрана включает следующие компоненты:
 Билипидный слой — двойной слой из фосфолипидов. Молекула
фосфолипида имеет две части: гидрофильную головку и гидрофобные
хвостики. При построении мембраны головки поворачиваются к воде
(смотрят наружу), а хвосты, наоборот, отворачиваются от воды
(смотрят вовнутрь билипидного слоя). Между фосфолипидами, в толще
билипидного слоя, можно найти молекулы холестерина, который
регулирует текучесть мембраны.
 Белки. Если бы мембрана целиком состояла из жира, она была бы
непроницаема для большинства веществ, ведь преимущественно
вещества наших клеток гидрофильны. Наличие белков в мембране
обеспечивает ее избирательную проницаемость. Некоторые белки
пронизывают мембрану насквозь, их называют интегральными. А есть
такие, которые лежат на поверхности — периферические белки.
Мембранные белки имеют две основные функции: транспортную
(перенос веществ через мембрану) и рецепторную (восприятие
сигналов из внешней среды).
 Гликокаликс —
структура,
состоящая
из олигосахаридов,
гликопротеинов и гликолипидов, располагающаяся на поверхности
билипидного слоя. Гликокаликс можно обнаружить только на клетках
животных. Он обеспечивает клетке возможность воспринимать
сигналы, защищает её и позволяет взаимодействовать с другими
клетками.
Цитоплазма
Цитоплазма — содержимое клетки, находящееся между мембраной и ядром.
Цитоплазма = гиалоплазма (коллоидный раствор) + органоиды (структуры,
выполняющие определенные функции).
Какие бывают органоиды?
Митохондрия
Митохондрию называют энергетическим центром клетки, так как именно
в этом органоиде протекает третий (кислородный) этап энергетического
обмена в результате которого синтезируется
энергетически ценных молекул — АТФ
огромное
количество
Митохондрия ограничена двумя мембранами: внешней и внутренней.
Внутренняя мембрана значительно превосходит по площади наружную
и образует
многочисленные
кристы —
складки,
увеличивающие
её поверхность. На кристах размещены АТФ-синтетазы, ферменты,
ответственные за синтез АТФ — основного источника клеточной энергии.
Внутреннее пространство митохондрии заполнено матриксом.
В матриксе располагаются собственные рибосомы и кольцевые молекулы
ДНК, позволяющие органоиду синтезировать некоторые белки независимо
от ядра. Благодаря этой способности к автономному синтезу, митохондрии
относят к полуавтономным органоидам.
Пластиды
Пластиды — группа двумембранных органоидов, встречающихся только
в растительных клетках. Подобно митохондриям, они обладают собственной
ДНК в форме кольца и рибосомами, что делает их полуавтономными.
ПЛАСТИДЫ
название
хлоропласты
хромопласты
цвет
зеленый
зеленый пигмент — пигмент —
хлорофилл
белый
хлорофилл
от желтого
до красного
пигменты — каротиноиды
локализация
зеленые
стебли
функция
фотосинтез (синтез привлечение
опылителей запасающая
глюкозы)
и распространение плодов
(крахмал)
листья, осенние
листья,
плоды, корнеплоды.
лейкопласты
лепестки, корни,
луковицы, сем
Особое внимание на ЕГЭ уделяется хлоропластам, поэтому рассмотрим
их подробнее.
Внутри хлоропласта располагаются «монетки» — тилакоиды, сложенные
в «стопочки» — граны. В мембранах тилакоидов находится специальный
зеленый пигмент — хлорофилл, благодаря которому запускается световая
фаза фотосинтеза.
Пространство между тилакоидами и внутренней мембраной заполнено
жидкостью — строма, в которой протекает темновая фаза фотосинтеза.
Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — это система мембранных цистерн,
канальцев и мешочков.
Существует два вида ЭПС: гладкая
шероховатой ЭПС заключается в том,
и шероховатая. Особенность
что ее поверхность усеяна
рибосомами, за счет чего и создается шероховатость на поверхности
органоида.
Важно также отметить, что шероховатая ЭПС является непосредственным
продолжением наружной мембраны ядерной оболочки.
Функции ЭПС:
 шероховатая: синтез, модификация белков, доставка их к аппарату
Гольджи;
 гладкая:
синтез углеводов и липидов и доставка их к аппарату
Гольджи, синтез пероксисом.
Аппарат Гольджи
Одномембранный органоид, представляющий собой стопку дискообразных
мембранных цистерн. Отвечает за образование лизосом, а также накопление,
созревание и выделение веществ, синтезированных в ЭПС.
Аппарат Гольджи особенно активен в клетках, выделяющих секреты. В нём
накапливаются различные вещества, которые затем упаковываются
в мембранные пузырьки, называемые везикулами. Эти везикулы отделяются
от аппарата Гольджи, перемещаются к клеточной мембране, сливаются с ней,
и заключенные в них вещества высвобождаются из клетки.
У комплекса Гольджи есть два полюса: цис- и транс-. Цис-полюс обращен
к ЭПС, а транс- — к цитоплазматической мембране. Цис-полюс — это
входные ворота, транс-полюс — выход из аппарата Гольджи.
Лизосома
Лизосома — это мембранный пузырёк с гидролитическими ферментами,
предназначенный для внутриклеточного пищеварения.
Откуда берутся эти пузырьки с ферментами?
Мы уже говорили о том, что белки, синтезированные в ЭПС, поступают
в аппарат Гольджи, где дозревают, а затем выносятся из комплекса
в мембранной упаковке (в виде пузырьков). Упаковываться могут различные
белки, в том числе и ферменты. Пузырёк, отпочковавшийся от аппарата
Гольджи и содержащий лизирующие ферменты, — это и есть лизосома.
Лизосомы способны утилизировать не только вещества, полученные извне,
но и собственные поврежденные органеллы. Кроме того, процесс
запрограммированной клеточной гибели (апоптоз) не обходится без участия
лизосом.
Пероксисома
Пероксисома — это мембранный пузырек, содержащий каталазу,
формируемый путем отпочковывания от ЭПС.
Пероксидаза — фермент, расщепляющий перекись водорода.
В процессе жизнедеятельности клетки синтезируется ряд побочных веществ,
в том числе и перекись водорода.
Перекись водорода — сильный окислитель, если её не утилизировать, она
может повредить клетку.
Таким образом, роль пероксисом заключается в защите клетки
от агрессивного действия перекиси водорода.
Вакуоль
Вакуоль — это органоид растительной клетки, ограниченный одинарной
мембраной и представляющий собой большой пузырь с клеточным соком
внутри.
Вакуоль выполняет ряд важных функций: обеспечивает тургор,
аккумулирует воду, резервирует питательные вещества и пигменты.
Возраст клетки можно установить по размеру вакуоли. В юных клетках
присутствуют небольшие вакуоли, а в ходе старения вакуоль растет,
зачастую смещая ядро к краю клетки.
Рибосома
Рибосомы — органоиды, присутствующие во всех клетках живых
организмов. Поскольку белки являются основным строительным материалом
для всех форм жизни, рибосомы, как органеллы, обеспечивающие синтез
белков, необходимы всем: животным, грибам, бактериям.
Рибосома не имеет мембран. Она состоит из двух субъединиц: малой
и большой. Каждая субъединица содержит белки и рибосомальную РНК
(рРНК). Синтез рибосом происходит в ядрышке.
Существует два типа рибосом:
 крупные (80S), располагающиеся в цитоплазме и на ЭПС;
 мелкие
(70S),
содержащиеся
в митохондриях,
пластидах
и прокариотических клетках.
Клеточный центр
Клеточный центр — немембранный органоид, состоящий из двух
центриолей. Центриоль, в свою очередь, складывается из девяти триплетов
микротрубочек.
Функция клеточного центра:
 формирование веретена деления во время митоза/мейоза;
 формирование ресничек, жгутиков.
Цитоскелет
Цитоскелет — это каркас клетки, представляющий собой сложную белковую
сеть.
Основные компоненты цитоскелета:
 микротрубочки — длинные полые цилиндры из белка тубулина,
формирующие каркас клетки, участвующие в разделении хромосом
при делении;
 микрофиламенты (актиновые нити) — тонкие нити из белка актина,
участвующие в движении, поддержании форм клетки, делении
цитоплазмы;
промежуточные филаменты — нитевидные структуры из различных
белков, поддерживающие форму и обеспечивающие клеточную
адгезию.
Клеточная стенка
Клетки растений, грибов и бактерий обладают дополнительной защитной
структурой — клеточной
стенкой.
Она
располагается
снаружи
от цитоплазматической мембраны и состоит из полисахаридов.
Животные клетки не имеют клеточной стенки. Их внешней границей
является только цитоплазматическая мембрана, что обеспечивает большую
пластичность поверхности.
Именно эта особенность позволяет им осуществлять фагоцитоз — захват
и поглощение твёрдых частиц из окружающей среды.

Типы клеток
Весь органический мир делится на два надцарства: эукариоты (собственно
ядреные) и прокариоты (доядерные). Надцарство эукариот включает три
царства: животные, растения, грибы. А среди прокариот мы рассмотрим
только одно — царство бактерий.
Почему живые организмы были классифицированы именно на такие группы?
Всё просто — исходя из особенностей строения клеток, из которых они
состоят.
IV. Закрепление материала (15 мин)
Задание
1.
Сравнительная
таблица
(работа
в
парах)
Заполните таблицу «Отличия растительной, животной и грибной клетки»:
Растительная
Грибная
Признак
Животная клетка
клетка
клетка
Клеточная
Целлюлоза
Отсутствует
Хитин
стенка
Пластиды
Есть (хлоропласты)
Отсутствуют
Отсутствуют
Мелкие,
Вакуоли
Крупные, с соком
Есть
сократительные
Запасное
Крахмал
Гликоген
Гликоген
вещество
Клеточный
Только у низших
Есть
Есть
центр
растений
Задание
2.
Биологический
диктант
(фронтально)
Учитель называет функцию, студенты — органоид:
 Синтез АТФ? (Митохондрии)
 Синтез белка? (Рибосомы)
 Внутриклеточное пищеварение? (Лизосомы)
 Хранение ДНК? (Ядро)
Фотосинтез? (Хлоропласты)
 Упаковка веществ? (Аппарат Гольджи)
Задание
3.
Решение
ситуационной
задачи
Вопрос: Почему митохондрии и пластиды называют полуавтономными
органоидами?
Ответ: Они имеют собственную ДНК, рибосомы и способны
самостоятельно делиться, но зависят от ядра клетки.
V. Подведение итогов и рефлексия (5 мин)






Д.з. Биомолекулярные конденсаты. Раньше считалось, что для
упорядочивания молекул внутри клетки нужны мембранные органеллы. Но
выяснилось: многие процессы идут за счёт фазовых переходов —
образования жидких капель (конденсатов) из белков и РНК без мембран. Эти
структуры участвуют в самых разных задачах: от защиты от стресса и
восстановления ДНК до регуляции генов. При этом механизмы, как именно
они так точно координируют реакции, во многом ещё не до конца
понятны.
Память на уровне клетки. Долгое время считалось, что способность
«запоминать» опыт — прерогатива нервной системы. Но исследования
показали: ненейронные клетки тоже могут фиксировать прошлый опыт
(например, паттерны химических сигналов) и использовать его для
адаптации. Это ставит под вопрос границы того, где заканчивается простая
химическая реакция и начинается более сложная форма «обучения».
Неизвестные структуры на поверхности клеток. Совсем недавно, в 2020-х
годах, учёные обнаружили на поверхности иммунных клеток (макрофагов)
ранее неизвестные выросты. Они работают как «каркас палатки»: помогают
клетке сканировать окружение и точнее захватывать чужеродные частицы.
Сколько ещё таких скрытых деталей в работе клетки мы просто не видим изза ограничений методов наблюдения?