10 b t_u
- 1. О. В. Тагліна ІОЛОГІЯ клас Академічний рівень Рівень стандарту ВИДАВНИЦТВО РАНОК
- 2. VMli іі/ІІІП, II llllli >1111,1КЧ T ill I V m i m i i i <!• >1111 ні>M I itI < i i * | x r m > m освіти і науки України linn її і Mімігі і-1n їїїїі освіти і науки України№ 177 під 03.03.2010) Наукова експертиза здійснена Ін с т и т у т о м клітинної біології т а генетичної інженерії Національної академії наук України ІІсихолого-недагогічна експертиза здійснена Ін сти туто м педагогіки Національної академії педагогічних наук України Незалежні експерти: С. Є. Бухальська, старший викладач, Рівненський обласний інститут післядипломної освіти; І. Ф. Кедич, завідуюча РМК, Підгаєцький РМК, Тернопільська обл.; О. А. Мазур, методист, Барський РМК, Вінницька обл.; В. В. Юрович, учитель, СЗШ № 15, м. Львів; JI.O. Тасенко, вчитель, Комунальний заклад «Навчально-виховне об’єднання І— III ст. № 16 — дитячий юнацький центр “Лідер” Кіровоградської міської ради». Рецензенти: О. М . Білик, учитель-методист, учитель хімії харківської школи І— III сту пеня № 35 Харківської міської ради Харківської області; О. О. Жигуліна, учитель-методист, учитель біології, м. Харків; Є. О. Цуканова, учитель-методист, учитель біології Клугіно-Баиікирів- ської гімназії, м. Чугуїв. Видано за державні кош ти. Продаж заборонено Т аглін а О. В. Т13 Б іологія. 10 клас (рівень стандарту, академічний рівень). Підруч. для загальноосв. навч. закл. — X.: Вид но «Ранок», 2010. — 256 с.: іл. ISBN 9 7 8 -6 11 -54 0 -7 7 9 -8 Підручник містить обов’язковий обсяг навчального матеріалу, необхідні теоретичні відомості й поняття, лабораторні і практичні роботи, передбачені чинною програмою (рівень стандарту й академічний рівень). Для закріплення матеріалу запропоновано різнорівневі завдання, для перевірки знань тес тові завдання. Кольорові ілюстрації, сучасне оформлення сприятимуть ефек тивному засвоєнню навчального матеріалу. Призначений для учнів 10 класів, які навчаються за програмою рівня стан дарту й академічного рівня. УДК 57(075.3) ІІІІК 28.0я721 ISBN 978-611-540- 779 8 ((') О. Іі. Тагліна, 2010 (О ТОЇ! Видавництво «Ранок», 2010
- 3. Шановні друзі! Ви починаєте вивчати курс «Загальна біологія», у яком у озна йомитеся з молекулярним, к л іти н н и м і організмовим рівням и ор га н ізац ії ж и во ї природи, особливостями ж иви х систем, навчитеся проводити деякі б іо х ім іч н і досліди і розв’язувати задачі з молекуляр ної б іології. Ц е допоможе вам зрозуміти, чому саме біологічні науки є теоретичною основою медицини, агрономії, тваринництва, а також усіх галузей виробництва, я к і пов’язані з ж иви м и організмами. Як працювати з підручником П ід ручн и к призначений для роботи за чинною програмою рівня стандарту й академічного рівня. М атеріал підручника поділено на розділи, теми й параграфи. Н а початку к ож н ої теми наведено перелік клю чових питань, я к і розглядатимуться у відповідних параграфах. Закінчується тема за вданнями для проектної і групової роботи, наведено також план ї ї виконання. У к ін ц і кож ного розділу пропоную ться тести для пере вірки знань. Кож ен параграф, к р ім основного тексту, має так і рубрики: «Опор н і точки» (висновки), «Пригадайте», «Дізнайтесябільш е», «Наука — практиці». У с і вони дадуть мож ливість краще зрозуміти й запам’ятати новий матеріал. Я кщ о біля назви параграфа чи якоїсь його частини стоїть знак «*», то це означає, що цей матеріал є обов’язковим для вивчення лиш е за програмою академічного рівня. Д ля навчання за програмою рівня стандарту такий матеріал не є обов’язковим, у цьо му випадку він може використовуватися як додатковий матеріал для поглибленого вивчення. П ісл я параграфа наведено запитання для контролю і самоконтро лю та лабораторні й практичні роботи. Завдання, щ о пом ічені зна ком « », є завданнями достатнього рівня складності, знаком « » — високого рівня складності. Завдання без умовних позначок є завдан нями початкового й середнього рівня складності. Д ля ш видкого пош уку ін ф орм ації у підручнику мож на скориста тися алф авітним покаж чиком, наведеним у к ін ц і книги. У с п іх ів вам у пізн ан н і таєм ниць ж и вої природи та творчого і приємного навчання!
- 4. ВСТУП Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • видатних учених-біологів України; методи біологічних досліджень; • сучасне визначення поняття «життя»; • основні властивості живого і рівні організації живої матерії. Навчитеся: розуміти значення біологічної науки н житті людини й суспіль ства; • характеризувати методи біологічних досліджень; пояснювати зв'язок біології з іншими природничими та гумані тарними науками. § 1. Значення біологічної науки в житті людини й суспільства Лю дство в процесі свого розвитку завжди виявляло інтерес до п і знання ж ивої природи, оскільки знання про ж и ві організми є ж иттєво необхідними для лю дини. Рослини й тварини були джерелом їж і, використовувалися у промисловому виробництві, медицині, побуті. Н евидимий світ м ікроорганізм ів мав різнобічний вилив на людину, приховував у собі як небезпеку для її ж и ття й здоров’я, так і м о ж ли вості для вдосконалення виробництва продуктів харчування, л ік ів та ін ш и х необхідних речей. Отже, ж иття людства неможливе без знань про ж иву природу, я к і надає наука біологія. Б іологія (від грец. bios — ж иття, logos — учення) — це наука про ж и ття та його закономірності. Термін «біологія» запропонували у 1802 р. Ж . Б. Л амарк та Г. Р. Тревіранус незалежно один від одного. Б іологія вивчає величезне різноманіття ж ивих систем і ж ивих істот,
- 5. ВСТУП зокрема й тих, що вимерли, їхн ю будову й ф ункції, походження та взаємозв’язки, поширення й розвиток, зв’язки м іж ж ивою і неживою природою. Б іологічн і науки є теоретичною основою медицини, агро н ом ії, тваринництва, а також усіх галузей виробництва, пов’язаних із ж ивим и організмами. Завдяки знанню законів спадковості та мінливості можна створю вати високопродуктивні сорти культурних рослин і породи свійських тварин. Біологічні знання допомагають у боротьбі зі ш кідниками та хворобами культурних рослин, паразитами тварин. Досягнення су часної б іо л о гії набули практичного застосування у промисловому біологічному синтезі амінокислот, кормових білків, ф ерментів, віта м інів, стим уляторів росту й засобів захисту рослин, інш их необхід них речовин. За допомогою методів генної інж енерії біологи створили організми з новими ком бінаціям и спадкових ознак і властивостей, наприклад рослини з підвищ еною стій к істю до захворювань, засолення ґрунтів, здатністю до ф іксац ії атмосферного азоту тощ о. Багато сільськогос подарських культур створено за допомогою методів генної інж енерії, серед них 11 сортів сої, 24 сорти картоплі, 32 сорти кукурудзи, 3 сорти цукрового буряку, 5 сортів рису, 8 сортів томатів, 3 сорти пш ениці. Дізнайтеся більше ........................................................... Генетично модифіковані сільгоспкультури широко використо вуються у світовому сільському господарстві, оскільки вони не потерпають від шкідників, стійкі до пестицидів, не потребують рясного поливання. Зовні вони не відрізняються від сортів, отри маних методами традиційної селекції (мал. 1.1). Пригадайте ........................................................ Пестициди — це хімічні речовини, що використовуються для бо ротьби зі шкідливими організмами. а б Мал. 1.1. Генетично модифіковані кукурудза (а) та соя (6)
- 6. 6 ВСТУП Генна інж енерія леж ить в основі розробки принципів біотехноло- гії, пов’язаної з виробництвом біологічно активних речовин — це, наприклад, інсулін , антибіотики, інтерферон, нові вакцини для про ф ілактики інф екц ійних захворювань лю дини та тварин. Теоретичні досягнення біології широко застосовуються в медицині. Наприклад, генетичні дослідж ення дозволяють розробляти методи ранньої діагностики, лікування та проф ілактики багатьох спадкових хвороб лю дини. Дізнайтеся більше ........................................................... Нобелівську премію з біології та медицини у 2008 р. поділили Гаральд цур Хаузен («за відкриття вірусів папіломи людини, що спричиняють рак»), Франсуаза Барре-Сінуссі та Люк Монтаньє («за відкриття вірусу імунодефіциту людини») (мал. 1.2). Значення цих відкриттів для боротьби з раком та СНІДом є величезним. Від них залежить порятунок мільйонів людей. Розв’язання таких важ ливих проблем сучасності, я к охорона нав колиш нього середовища, раціональне використання природних ре сурсів і підвищ ення продуктивності рослинного світу, є мож ливим лиш е на основі біологічних досліджень. Визначні відкриття, зроблені в різних галузях біології, висунули ї ї на передній план природознавства, суттєво вплинули на побудову сучасної наукової картини світу. Система біологічних наук Історичний ш лях розвитку біології призвів до формування системи біологічних наук. За досліджуваними об’єктами серед них можна виді лити, наприклад, зоологію, ботаніку, м ікологію , вірусологію; за дослі дж уваними властивостями та ф ункціями — ф ізіологію , ембріологію, генетику, етіологію ; за рівнями організації ж ивого — молекулярну біологію, цитологію , гістологію , анатомію, екологію. а б Мал. 1.2. Вірус папіломи людини (а) та вірус імунодефіциту людини (б)
- 7. ВСТУП Багато біологічних наук є комплексними, інтегрованими, напри клад б іохім ія, біоф ізика, радіобіологія, біогеограф ія, біологія ін ди відуального розвитку. Б іологія тісно пов’язана з ін ш им и природничими дисциплінами. На стиках наук виникаю ть і успіш но розвиваються нові напрямки: біокібернетика, біоніка, математична біологія, біоінф орматика. Сучасна біологія активно освоює й гуманітарну сферу, досліджуючи біологічні витоки таких явищ, як культура, мистецтво, влада, агресив ність, альтруїзм, управління, лідерство, любов. Розвиваються такі на уки, як етологія людини, соціобіологія, еволюційна психологія тощо. Опорні точки Сучасна біологія сформувалася в результаті тисячолітнього розвит ку наукової думки. Б іологія — багатогранна наука, що включає різні напрямки та галузі знань. Вона є фундаментом для розвитку ін ш и х галузей знань, відіграє важ ливу роль у промисловості, сільському господарстві та медицині. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що вивчає біологія? 2. Які біологічні науки ви знаєте? 3. Які біологічні науки можна виділити за рівнями організації живого? 4. Наведіть приклади практичного застосування біологічних знань. 5. Чому біологія тісно пов'язана з іншими природничими дисципліна ми і гуманітарними науками? 6. Користуючись «Енциклопедичними сторінками» (с. 8— 15), проаналізуй те великі теоретичні відкриття, які були зроблені в біології у XIX ст. 7. Користуючись «Енциклопедичними сторінками» (с. 8— 15), проаналізуй те великі теоретичні відкриття, які були зроблені в біології у XX ст.
- 8. Енциклопедичні сторінки ш Історія розвитку біологи Хоча сама біологія формувалася як наука у XIX ст.( біологічні дис ципліни зародилися значно раніше у філософії, природничій історії та медицині. Своїм корінням сучасна біологія сягає давнини і бере початок у Давньому Єгипті та Давній Греції. Арістотель (384— 322 до н. е.) Основи зоології заклав грецький філософ Арістотель. Він уперше в історії впорядкував знання про природу, ви діливши основні її компоненти: неорганічний світ, росли ни, тварини, людину. Свої погляди на явища природи Аріс тотель виклав у творах «Історія тварин», «Про виникнення тварин» та інших. Теофраст (6л. 370 — бл. 286 до н. е.) Батьком ботаніки вважають філософа Теофраста — учня Арістотеля, який написав «Природну історію рос лин». Поряд зі спостереженнями загального характеру ця книга містить рекомендації щодо практичного засто сування рослин. Теофраст дав основи класифікації та фі зіології рослин, описав майже 500 видів рослин. Клавдій Гален (131—200 н. е.) Поява науки анатомії пов'язана з класичною працею давньоримського лікаря Клавдія Галена «Про частини людського тіла», у якій уперше було подано анатомо фізіологічний опис людини. Андреас Везалій (1514— 1564) Пізніше Андреас Везалій дав науковий опис будови органів і систем організму людини, а Вільям Гарвей ви вчив велике і мале кола кровообігу.
- 9. •і т а :п,. Роберт Гук (1635— 1703) Поява на початку XVII ст. мікроскопа дала змогу ви вчати мікроорганізми, їхню будову та функції. Роберт Гук, Марчелло Мальпігі, Ян Сваммердам та Антоні вам Левенгук започаткували вивчення клітин і тканин. Левенгук уперше побачив під мікроскопом бак терій та одноклітинних тварин. Антоні ван Левенгук (1632— 1723) Антоні ван Левенгук — голландський нату раліст, який сконструював мікроскоп. Мікроскоп Левенгука є унікальним виробом і за технологією виготовлення, і за результатами зас За допомогою своїх мікроско пів Левенгук досліджував структу ру різних форм живої матерії. Він стверджузав, що слід утриматися від міркувань, коли говорить до слід. Мікроскоп Левенгука Карл Лінней (1707— 1778) Карл Лінней — шведський природознавець: ботанік, зоолог і лікар — видатний учений XVIII ст., перший пре зидент Шведської академії наук. У 1735 р. він опублікував свою основну працю під назвою «Система природи». Карл Лінней описав близько 4200 видів тва рин і 1500 видів рослин. Обкладинка першого видання книги К. Ліннея «Система природи»
- 10. 10 Жан Батист Ламарк (1744—1829) На початку XIX ст. Ж. б. Ламарк у книзі «Філософія зоології» вперше сформулював думку про еволюцію ор ганічного світу та рушійні сили еволюції. Саме Ламарк виділив біологію як самостійну науку та ввів до актив ного наукового обігу сам термін «біологія». Пам'ятник Ж. б. Ламарку в (Парижі У XIX ст. з'явилося перше велике наукове узагальнення в біології — клітинна теорія. її створили Маттіас Шлейден і Теодор ІІІванн у 1838— 1839 pp., а доповнив Рудольф Вірхов у 1855 р. Завдяки клі тинній теорії світ дізнався про те, що саме клітина є структурною і функціональною одиницею живого. XIX ст. позначилося багатьма важливими для розвитку біології подіями. Маттіас Шлейден (1804— 1881) Рудольф Вірхов (1821— 1902) Теодор Шванн (1810— 1882) Ш Щ
- 11. 11 Чарлз Дароін (1809— 1882) Чарлз Дарвін, англійський натураліст і мандрівник, створив теорію еволюції, у якій відкрив основні рушійні сили еволюції — природний добір, спадковість і мінли вість. 24 листопада 1859 р. вийшла дру ком геніальна праця Чарлза Дарвіна «Походження видів шляхом природ ного добору або збереження обраних рас у боротьбі за життя», в якій були майстерно викладені і всебічно об ґрунтовані наукові основи еволюційної теорії. Пам'ятна монета, присвячена 200-річчю з дня народження Дарвіна Пам’ятник Г. Менделю перед меморіальним музеєм у місті Брно споруджено 1910 р. на кошти, зібрані вченими всього світу Грегор Мендель (1822— 1884) Австрійський священик і ботанік Грегор Мендель ви вчав закономірності спадковості та заклав основи науки генетики. Він розробив метод гібридологічного аналізу, який став основним генетичним методом.
- 12. Закони Менделя були «перевідкриті» у XX ст. німецьким ботаніком Карлом Корренсом, австрійським ботаніком Еріхом Чермаком та гол ландським ученим Гуго де Фрізом. Генетика, що зародилася на межі століть, стала однією з найважливіших сучасних біологічних наук. (1848— 1935) (1864— 1933) (1871— 1962) Томас Хант Моргай (1866— 1945) Т. X. Морган — один з авторів хромосомної тео рії спадковості — отримав Нобелівську премію з фі зіології та медицини у 1933 р. «за відкриття, пов'язані з роллю хромосом у спадковості». Муха дрозофіла — це улюблений об'єкт досліджень для генетиків усього світу. Дрозофілу вперше почали вивчати саме в лабо раторії Моргана. 1 Подальший розвиток еволюційного вчення пов'язаний із досяг неннями популяційної генетики та інших нових біологічних наук, що з'явилися у XX ст. Праці Миколи Вавилова, Сергія Четверикова, Олек сія Сєверцова, Роберта Фішера, Феодосія Добржанського, Миколи Тимофєєва-Ресовського, Івана ШмальгЗузена стали значним внеском у біологію XX ст. і підвели людство до пізнання фундаментальних влас тивостей живого. Микола Іванович Вавилов (1887— 1943) М. І. Вавилов — російський і радянський учений- генетик, ботанік, селекціонер, географ, організатор і учас ник експедицій, у ході яких було виявлено світові центри походження культурних рослин. Він обґрунтував учення про імунітет рослин, відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів.
- 13. Епохальними для XX ст. стали відкриття будови молекули ДНК у 1953 р. Джеймсом Уотсоном, Френсісом Кріком, Морісом Уїлкінсом і Розаліндою Франклін, а також відкриття матричного синтезу білків та нуклеїнових кислот і розшифрування генетичного коду. Ці відкриття мали величезне практичне значення, вони спричинили появу таких на укових напрямків, як біотехнологія та генна інженерія. Джеймс Уотсон (народився у 1928 р.) Френсіс Крік (1916—2004) Важливими стали й екологічні дослідження XX ст., у результаті яких було сформульовано такі поняття, як біогеоценоз (В. Н. Сукачов), еко система (А. Теслі) та біосфера (В. І. Вернадський). Розалінда Франклін (1920— 1958)
- 14. Видатні вчені-біологи України Серед всесвітньо відомих учених-біологів багато наших співвітчизни ків, наприклад засновник учення про біосферу, перший президент Ака демії наук України академік Володимир Іванович Вернадський (1863— 1945), засновник імунології та мікробіології, лауреат Нобелівської премії Ілля Ілліч Мечников (1845— 1916), найвідоміший еволюціоніст академік Іван Іванович Шмальгаузен (1884— 1963). І. І. Мечников (1845— 1916) — засновник імунології та мікробіології В. І. Вернадський (1863— 1945) — засновник учення про біосферу І. І. Шмальгаузен (1884— 1963) — біолог, зоолог, теоретик еволюційного вчення Сергій Гаврилович Навашин (1857— 1930) С. Г. Навашин — ботанік, цитолог та ембріолог рос лин, який працював у Київському університеті. Він заклав основи морфології хромосом і каріосистематики, відкрив у 1898 р. подвійне запліднення у покритонасінних рослин, створив вітчизняну школу цитології та ембріології рослин. Іван Миколайович Буланкін (1901— 1960) І. М. Буланкін — видатний український біохімік. Він працював у Харківському університеті, довгі роки був його ректором. Основні роботи Буланкіна присвячені біохімії білків. Олександр Онопрійович Ковалевський (1840— 1901) О. О. Ковалевський — автор праць, присвячених порів няльній ембріології та фізіології безхребетних тварин. Зро бив значний внесок у розвиток еволюційного вчення.
- 15. Микола Іванович Пирогов (1810— 1881) М. І. Пирогов — видатний хірург, заклав основи топо графічної анатомії та оперативної хірургії. Він увійшов в історію як людина, яка зробила хірургію наукою, фактично відкрила в ній нову епоху. Але його ді яльність була значно ширшою. Її результатом були й уні кальні за точністю анатомічні атласи, і принципово нова техніка проведення операцій, і революційні праці зі зне болювання, і створення військово-польової хірургії. Микола Федорович Гамалія (1859— 1949) М. Ф. Гамалія — відомий мікробіолог і епідеміолог. Для поглиблення свого досвіду в галузі бактеріології він працював у Парижі в лабораторії Луї Пастера. За сприян ня Пастера Гамалія у 1886 р. заснував разом з і. І. Меч- никовим і Я. Ю. Бардахом в Одесі першу в Росії (і другу у світі) бактеріологічну станцію. Гамалія вперше в Росії здійснив вакцинацію людей проти сказу. Олександр Олександрович Богомолець (1881—1946) О. О. Богомолець — академік, основоположник віт чизняної школи патофізіологів, автор численних праць з ендокринології, порушення обміну речовин, імунітету й алергії, раку, старіння організму тощо. Він очолював створений ним Інститут експериментальної біології і па тології та Інститут клінічної фізіології. Данило Кирилович Заболотний (1866— 1929) Д. К. Заболотний — академік, мікробіолог та епідеміо лог. Заснував українську мікробіологічну школу, встановив шляхи поширення холери, розробив ефективну діагности ку цього захворювання. Його наукові висновки базувались на багатющому фактичному матеріалі, на подвижницькій практичній боротьбі з інфекційними захворюваннями. Відомими біологами є ботанік, біохімік та фізіолог рослин Володи мир Іванович Палладій (1859— 1922) та біохімік, засновник біохімічної школи, основні наукові праці якого присвячені біохімії нервової систе ми, м'язової діяльності та вітамінів, Олександр Володимирович Палла дій (1885— 1972). Світову славу здобули селекціонери Лев Платонович Симиренко (1855— 1920), який займався селекцією й акліматизацією плодових рос лин, Михайло Федорович Іванов (1871— 1935), праці якого присвячені племінній справі, селекції й акліматизації тварин, Василь Якович Юр'єв (1879— 1962), який присвятив своє життя селекції зернових культур.
- 16. / 6 ВСТУП § 2. Сучасне визначення поняття «життя». Основні властивості живого Сучасне визначення п о н я т т я «життя» Ж и ття є настільки різном анітним та багатогранним, що дати од нозначне та вичерпне визначення цього явищ а природи дуж е важ ко (мал. 2.1). Існує багато визначень ж и ття, я к і дали р ізн і вчені в різний час. Наприклад, А рістотель визначав ж и ття я к «харчування, ріст і ста ріння», Тревіранус вважав, що ж и ття — це «стійка одноманітність процесів із від м інн істю зовніш ніх впливів», академік І. П . Павлов ви значав його я к «складний хім іч н и й процес», а академік 0 . 1. Опарін — як «особливу, дуж е складну форму руху матерії». Ж и ття в сучасному розум інні — це особливий спосіб існування організмів, істотним и чинниками якого є обмін речовин із навколиш н ім середовищем і відтворення подібних собі. Ж и в і системи здатні до впорядкування, створення порядку із хаосу, а також до еволю ції з виникненням нових властивостей та якостей. У ся ж ива речовина Землі, тобто ж и в і організми, спричинила глибокі зм ін и в розвитку наш ої планети. Ж и ття — це одна з форм існування матерії, якісн о вища, н іж ф і зична й х ім іч н а форми її існування. Ж и ття характеризується низкою особливостей, що відрізняю ть ж иве від неживого. Будь-яке визна чення ж и ття обов’язково включає опис цих особливостей — основних властивостей живого. Саме про них необхідно знати, щоб дати най більш вичерпне визначення того, що таке ж иття. Мал. 2.1. Життя різноманітне: суходіл, вода й повітря населені різними його формами
- 17. ВСТУП Дізнайтеся більше ................................ У Південній Африці на глибині 2,8 км під зем лею знайдено унікальну екосистему, все насе лення якої представлене одним-єдиним видом бактерій. Мікроорганізм, який дістав назву Desulforudis audaxviator, живе в цілковитій са мотності в гарячій підземній воді, насиченій сульфатами, і виробляє всі необхідні для жит тя речовини з неорганічних сполук. Desulforudis audaxviator Основні властивості живого Ж и в і системи маю ть ознаки, відсутні в багатьох неж ивих систем. М ож ливий спосіб описати ж и ття — це назвати основні властивості ж иви х систем. Ж и ття — це особливий стан м атерії, якого набуто завдяки таким властивостям: 1. Ж и в і системи стосовно навколиш нього середовища є відкрити ми системами, тобто їм властивий особливий спосіб взаємодії з навколиш нім середовищем — обм ін речовин та енергії (мал. 2.2.). 2. Д ля ж иви х організмів характерна сдність хім іч н ого складу. Д о складу ж ивих організмів входять т і самі х ім іч н і елемен ти, що й до об’єктів неж ивої природи. Однак співвіднош ення елементів у ж ивому та неж ивому не є однаковим — у ж и вих організмах 98 % хім ічн ого складу припадає на чотири елементи: Карбон, Оксиген, Нітроген і Гідроген. 3. Єдиний принцип структурної організації- Елементарною струк турно-функціональною одиницею живого е клітина (мал. 2.3). Мал. 2.2. Відкриті системи Мал. 2.3. Клітини шкірки цибулі
- 18. 1 % ВСТУП Мал. 2.4. Складність організації Мал. 2.5. Розмноження 4. Д ля ж иви х систем характерні складність і високий ступінь їх н ь о ї організації. Будь-яка складова організму має спеці альне призначення та виконує певні ф ункції. Це стосується не лиш е органів, а й органел і молекул (мал. 2.4). 5. Існування кож н ої окремої біологічної системи обмежене в часі, тому підтримування ж и ття пов’язане із самовідтворенням, тоб то розмнож енням. Розмнож ення ж иви х організмів пов’язане з таким и ф ундаментальними властивостями живого, як спадковість і м ін л ивість (мал. 2.5). 6. Спадковість полягає в здатності організмів передавати свої ознаки, властивості й особливості розвитку від покоління до покоління (мал. 2.6). 7. М ін л и в ість — це здатність організмів набувати нових ознак і властивостей, існувати в різних формах і варіаціях (мал. 2.7). М ін л и в ість зумовлює різном аніття ж иви х організмів, а це у свою чергу спричиняє появу нових форм ж иття. 8. Д ля всіх ж ивих організмів характерні р іст і розвиток. П р о цес росту — це збільш ення організму в розмірах і масі зі збереженням загальних рис будови. А розвиток супроводжу ється зміною ж ивих об’єктів, у результаті чого виникає їх новий якісний стан (мал. 2.8). Мал. 2.6. Спадковість Мал. 2.7. Мінливість
- 19. ВСТУП / 9 в Мал. 2.8. Розвиток комахи: а — яйце; б — личинка; в — лялечка; г — доросла особина Розвиток може бути індивідуальним та історичним . П ротя гом індивідуального розвитку поступово й послідовно прояв ляю ться всі властивості даного організму. Історичний розви ток супроводжується утворенням нових видів і прогресивним ускладненням ж ивих систем. 9. П одразливість — невід’ємна риса, властива всьому ж ивому. Вона виражається у реакціях ж иви х організмів на зовніш ній вплив. Реакція організмів, що не маю ть нервової систе ми (найпростіш і або рослини), на вплив зовніш ніх чинників виражається у зм ін і характеру руху або росту. 10. Д искретність (від латин, discretum — переривчастий, розді лений) — важлива загальна властивість матерії. Ж и ття на Зем лі проявляється у вигляді дискретних, тобто роздільних, форм. 11. Ж и ття є адаптивним. Ж и в і організми пристосовую ться до різних умов існування. 12. Важливою властивістю ж ивих систем є авторегуляція. Ж и ві організми, що ж ивуть в умовах середовища, яке постійно зміню ється, мож уть підтримувати сталість свого хім ічн ого складу й інтенсивність ф ізіологічних процесів.
- 20. 20 ВСТУП Мал. 2.9. Ритмічно проходять періоди сну (а) та активної діяльності (б) 13. Д ля ж иви х систем характерна ритмічність. П еріодичні зм ін и в навколиш ньому середовищі значно впливаю ть на живу природу, формую чи власні ритм и ж иви х організм ів, щ о залеж ать від ритм ічн и х процесів, притаманних Сонцю , Зем лі, М ісяц ю , тобто маю ть космічне походж ення. Р и т м іч ність спрямована на узгодження ф ун кц ій орган ізм ів із на вколиш нім середовищем і є невід’ємною властивістю ж и во го (мал. 2.9). Дізнайтеся більше ........................................................... Живі організми пристосовуються до будь-яких умов існування. Результати глибоководного свердління поблизу берегів острова Ньюфаундленд показали, що багато мікроорганізмів живуть на глибині до 1626 м під рівнем морського дна. Там при температурі 60 100 С існують різноманітні термофільні бактерії. Опорні точки Ж и ття — це одна з форм існування матерії, якісн о вища, н іж ф і зична іі хім ічн а форми її існування. Ж и ття характеризується особ ливими властивостями. Ж и в і системи щодо навколиш нього середовища є відкритим и, їм притаманний обм ін речовин та енергії. Д ля ж иви х орган ізм ів ха рактерна єдність хім ічн ого складу та єдиний принцип структурної й ф ункціональної орган ізації. В аж ливими властивостями ж ивого є спадковість, мінливість, подразливість, дискретність, ритм ічн ість тощ о. Д ія всіх ж ивих організмів характерні процеси росту та роз витку.
- 21. ВСТУП 2/ Запитання для контролю і самоконтролю 1. Перелічіть основні властивості живого. 2. Яка властивість живого пов'язана із впливом космічних тіл на живі організми? 3. Поясніть, чим відрізняються і як взаємопов'язані такі властивості живого, як ріст і розвиток. ., 4. Як ви вважаєте, чим відрізняються біологічні системи від ооєктів неживої природи? 5. Спробуйте дати власне визначення життя. Чому це визначення так важко сформулювати? .„ 6. Які ознаки мають буїи у невідомого об'скта, знайденого на іншій планеті, щоб вважати його живим? § 3. Рівні організації живої матерії. Методи біологічних досліджень Рівні організації живої м а терії Уся ж ива природа побудована за ієрархічним принципом. Ц е озна чає, що для неї характерні різні рівні організації структур, м іж я к и ми існує складна підпорядкованість. Ж и ття на кож ному рівні його організації вивчають відповідні галузі біології. На молекулярному рівн і проходить межа м іж ж ивим і неживим (мал. 3.1). М олекулярний рівень ж ивого вивчають такі науки, як біохім ія, молекулярна біологія, молекулярна генетика, ензимологія тощо. Предметом дослідження цих наук є структурно-ф ункціональ ні особливості молекул нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, л і підів та ін ш и х біологічних молекул. На цьому рівні відбуваються основні процеси ж иттєдіяльності: обмін речовин, збереження спад кової інф ормації, травлення, дихання, подразливість тощо. О Гідроген ф Карбон Оксиген Мал. 3.1. Молекулярний рівень — Мал. 3.2. Клітинний рівень, межа між живим і неживим органели клітини
- 22. 22 ВСТУП Мал. 3.3. Тканинний рівень: Мал. 3.4. Організмовий рівень — епітеліальна тканина рівень цілісного організму К л іти н н и й рівень ор ганізац ії ж ивого вивчаю ть та к і науки, як цитологія, цитоф ізіологія, цитогенетика. Предметом цих наук є ви вчення структурно-ф ункціональної ор ганізації клітин, що викону ють роль самостійних організмів (наприклад бактерії, одноклітинні тварини та рослини), і кліти н, я к і входять до складу багатоклітин них організмів (мал. 3.2). К л іти н и , щ о маю ть спільне походж ення і будову та виконую ть схож і ф ункції, утворю ю ть тканини. Тканинний рівень організації ж ивого вивчає наука гістол огія. П редметом гіс то л о гії є вивчен ня структурно-ф ункціональної ор ган ізац ії р ізни х ти п ів тканин (мал. 3.3). О скільки тканини утворю ю ть органи, часто говорять про органно-тканинний рівень ор ган ізац ії ж ивого, характерний тіл ьки для багатоклітинних організмів. О рганізмовий рівень організації ж ивого — це рівень цілісного ор ганізму. Його вивчають багато біологічних наук, наприклад анато м ія, ф ізіологія, ембріологія, біологія розвитку тощ о (мал. 3.4). Організми утворюють біологічні системи надорганізмового рівня — популяції та види, тому виділяють популяційно-видовий рівень орга н ізації живого. Цей рівень вивчають такі науки, як систематика, по пуляційна генетика, популяційна екологія, еволюційна біологія тощо. Предметом вивчення цих наук є генетичні, екологічні й еволю ційні характеристики популяцій та видів. Існують системи надорганізмового рівня більш складні, н іж вид. Так, сукупність рослин, тварин, м ікроорганізм ів, я к і населяють ділянку суходолу або водоймищ і характеризуються певними відно синами як м іж собою, так і з інш им и чинниками навколишнього се редовища, називають біоценозом. В иділяю ть біоценотичний рівень організації живого, який вивчає наука біоценологія.
- 23. ВСТУП 22 Мал. 3.5. Екосистемний рівень: поєднання організмів та середовища їхнього життя з усіма його чинниками Мал. 3.6. Біосферний рівень — найвищий рівень організації життя Екосистемний рівень організації ж ивого ще складніш ий. Екосис тема — де сукупність організм ів різних видів та р ізної складності організації з усіма чинниками конкретного середовища їхнього ж и т тя: компонентами атмосфери, гідросфери та літосфери. Екосистема об’єднує ж и ві і неж иві компоненти у єдиний природний комплекс (мал. 3.5). Біосф ерний рівень організації ж ивого — це найвищ ий рівень ор ган ізац ії ж и ття на наш ій планеті. Біосфера — оболонка Землі, яка заселена ж ивими організмами і перебуває під їх н ім впливом; це гло бальна екосистема Землі (мал. 3.6). Наука, що вивчає виникнення, еволюцію, структуру та механізми ф ункціонування біосфери, нази вається біосферологією. У її основі леж ить учення В. І. Вернадського про біосферу. Але не слід забувати про те, що природа не знає наш ого поділу на науки, вона єдина, тож рівні організації ж ивого тісно пов’язані м іж собою. М етоди біологічних досліджень Б іологія вивчає ж и ві системи за допомогою різном анітних мето дів. Головними є описовий, порівняльний, експериментальний, іс торичний, статистичний методи та метод моделювання. Описовий метод ґрунтується на спостереженні, що дає можливість аналізувати й описувати особливості біологічних систем. Щ об з’ясувати сутність того чи іншого біологічного явища, необхідно зібрати фактич ний матеріал та описати його (мал. 3.7). Збирання й опис фактів були основним методом дослідження у ранній період розвитку біології, проте він не втратив свого значення й дотепер, набувши поширення в зоології, ботаніці, екології, етології та інш их біологічних науках.
- 24. 24 ВСТУП Мал. 3.8. Проведення експериментів — головний метод біологічних досліджень Мал. 3.7. Спостереження — основа описового методу Порівняльний метод дозволяє ш ляхом зіставлення вивчати подіб ність і відм інність організмів та їх н іх частин. Завдяки порівняльному методу виникла систематика, клітинна теорія, розвивалися еволю ц ій н і погляди. Існує порівняльна анатомія, порівняльна ембріологія, порівняльна ф ізіологія та багато ін ш их напрям ків біології, що вико ристовую ть цей метод вивчення живого. Експериментальний метод дослідж ення явищ природи пов’яза ний з активним впливом на них ш ляхом проведення дослідів (екс периментів) у контрольованих умовах. Ц ей метод дозволяє вивчати явищ а ізольовано і досягати повторюваності результатів при відтво ренні тих самих умов. Експеримент забезпечує більш глибоке, н іж ін ш і методи дослідження, розкриття сутності біологічних явищ. Саме завдяки експериментам природознавство в цілому та біологія зокрема дій ш ли до відкриття основних законів природи. Експериментальний метод служ ить не лиш е для проведення до слідів, отримання відповідей на поставлені запитання, а й для до ведення правильності прийнятої на початку гіпотези або дозволяє скоригувати її (мал. 3.8). Історичний метод дослідження явищ природи з’ясовує закономір ності появи та розвитку біологічних систем, становлення їх структури та ф ункцій. Статистичний метод дослідження явищ природи ґрунтується на збиранні, вимірю ванні й аналізі інф орм ації. Метод моделювання являє собою вивчення певного процесу чи яви ща через відтворення його (або його властивостей) у вигляді моделі. Зазначені методи не вичерпують усього арсеналу методів, вико ристовуваних біологією . Кож на біологічна наука має власні методи для вивчення свого предмета. Наприклад, цитологія застосовує метод світлової м ік р оск оп ії та ін ш і ц ітологічн і методи.
- 25. ВСТУП 25 Наука — практиці ............................. ........................ За допомогою генетичних експериментальних методів було отри мано генетично модифікований бавовник, що виробляє шкідли вий для комах білок. Це призвело до значного зменшення по пуляції бавовняної совки — небезпечного шкідника багатьох сільськогосподарських культур. У результаті виграли не лише виробники бавовни, а й селяни, які вирощують сою, кукурудзу, арахіс та різні овочі. Опорні точки В основі будови всієї ж ивої природи леж ить ієрархічний принцип. Д ля неї є характерними р ізн і рівні організації живого, м іж яким и іс нує складна підпорядкованість. Рівн ям и організації ж ивого є молеку лярний, клітинний, тканинний, організмовий, популяційно-видовий, біоценотичний, екосистемний та біосферний. Головні методи вивчення ж ивої природи: описовий, порівняльний, експериментальний, історичний, статистичний та метод моделювання. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які рівні організації живого ви знаєте? 2. Які науки вивчають молекулярний рівень живого? 3. Які науки вивчають популяційно-видовий рівень організації живого? 4. Що є предметом вивчення цитології, цитофізіології, цитогенетики? 5. Поясніть, що є спільного та відмінного в описовому та експеримен тальному методах вивчення живої природи. 6. Який рівень організації живого є найвищим на нашій планеті? Доведіть. Теми для проектної і групової роботи 1. Видатні вчені-біологи України (на вибір учнів). 2. Сучасні методи біологічних досліджень (на вибір учнів). 3. Значення біологічної науки в житті людини та суспільства. План виконання проектної роботи О Визначення мети проекту. 0 Аргументування актуальності теми проекту. Є Визначення джерел інф ормації. О Збір інф ормації за темою проекту. © Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. О Формулювання висновків. Є Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо).
- 26. РОЗДІЛ І. МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Тема 1. Неорганічні речовини Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • елементний склад живих організмів; • роль неорганічних речовин у життєдіяльності організмів. Навчитеся: . характеризувати хімічні елементи, найважливіші для організ му людини; . пояснювати причини ендемічних та екологічних захворювань; . застосовувати знання для профілактики захворювань, що вини кають через нестачу або надлишок деяких хімічних елементів. § 4. Елементний склад живих організмів. Хімічні елементи в живій і неживій природі Елементний склад живих організмів Відомо, що до складу к літи н и входять понад 70 х ім іч н и х елемен тів, але яких-небудь спеціальних елементів, характерних лиш е для ж ивих організмів, не знайдено. Однак лиш е щодо 27 елементів до стовірно відомо, що вони виконую ть певні біологічн і ф ункції. Д еякі організми інтенсивно накопичую ть т і чи ін ш і х ім іч н і елемен ти. Так, деякі м орські водорості мож уть накопичувати Йод, ряска — Радій, діатом ові водорості й злаки — С и л іц ій , молю ски та рако подібні — К упрум , хребетні — Ф ерум, д е які бактерії — М анган (мал. 4.1).
- 27. Неорганічні речовини 27 Мал. 4.1. Живі організми здатні накопичувати окремі елементи: деякі водорості — Йод, ряска — Радій Елементний склад ж иви х організмів та об’єктів неж ивої природи різний (табл. 1). У земній корі в найбільш ій к іл ьк ості м істяться чо тири елементи: Оксиген, С иліцій , А л ю м ін ій і Ф ерум. А в ж ивих орга нізмах у найбільш ій кількості м істяться так і елементи, я к Гідроген, Оксиген, Карбон і Нітроген. Саме ці елементи становлять основу тих х ім іч н и х сполук, що виконую ть валсливі біологічні ф ункції. Гідроген, Оксиген, Карбон і Н ітроген називають органогенами, або органогенними елементами. Таблиця 1 В м іст деяких хімічних елементів у земній корі й організмі людини (% від загальної кількості ато м ів ) Земна кора Організм людини Хімічний елемент Вміст, % Хімічний елемент Вміст, % 0 47 н 63 Si 28 0 25,5 А1 7,9 С 9,5 Fe 4,5 N 1,4 Са 3,5 Са 0,31 Na 2,5 Р 0,22 К 2,5 СІ 0,08 Mg 2,5 К 0,06
- 28. 2 S МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Макроелементи, мікроелементи й ультрамікроелементи Х і м і ч н і елементи, що входять до складу ж ивих організмів і ви коную ть (Молоі іч н і ф ункції, називають біогенними. За к ількісн и м складом їх поділяю ть на три групи: макроелементи, мікроелементи та ультрамікроелементи. Макроелементи (вм іст понад 0,01 %) становлять основну масу сухої речовини організму. Вони беруть участь в утворенні органіч них сполук і неорганічних речовин у ж ивих організмах. Це Оксиген, Гідроген, Карбон, Нітроген, Фосфор, Сульфур, К алій, Кальцій, М а г ній, Н атрій , Хлор. Органічними називають сполуки, в основі яких леж ить ланцю г з ковалентно зв’язаних атомів Карбону, який може мати різну просторову структуру (мал. 4.2). Мікроелементи переважно йони важ ких металів, щ о входять до складу ж иттєво важ ливих речовин, в організмах м істяться в дуж е не значних кількостях: від 0,001 до 0,000001 %. Це, наприклад, Ф ерум, Hop, Кобальт, Купрум, Ц инк, Йод, Бром, Ванадій. Концентрація ультрамікроелементів у ж ивом у організм і не пе ревищує 0,000001 %, їх н я ф ізіологічна роль в організмах рослин і тварин остаточно не визначена. До ц іє ї групи належать Уран, Радій, Л урум, Аргентум, Берилій, Ц езій, Селен і багато інш их. Пригадайте .................................................... Хімічний зв'язок, який виникає в результаті утворення спільних електронних пар, називають ковалентним. ф Карбон ® Оксиген • Гідроген Мал. 4.2. Модель молекули глюкози
- 29. Неорганічні речовини Роль хімічних елементів, що входять до складу живих організмів Х ім іч н і елементи м ож уть виконувати р ізн о м а н ітн і б іол огіч н і ф ункц ії або в складі органічних і неорганічних сполук, або у вигляді аніонів і катіонів (табл. 2). Пригадайте .................................................... Йони — це заряджені частинки речовини, які утворюються з ато мів чи груп атомів у результаті віддачі або приєднання електронів. Аніони — негативно заряджені йони (ОН-, Cl*, SO}-, РО<3‘ та інші). Катіони — позитивно заряджені йони (Н*, Na*, NHJ та інші). Таблиця 2 Біологічне значення деяких елементів Елемент, йон Біологічне значення Р Входить до складу нуклеїнових кислот, АТФ, ферментів, кісткової тканини й емалі зубів Са2‘ У рослин входить до складу оболонки клітини, у тварин — до складу кісток і зубів, активізує зсідання крові К* Зумовлює проведення нервових імпульсів; активізує фер менти білкового синтезу, процеси фотосинтезу СГ Є компонентом шлункового соку у вигляді хлоридної кисло ти, активізує ферменти Naf Забезпечує проведення нервових імпульсів, підтримує осмо тичний тиск у клітині, стимулює синтез гормонів Mg2* Входить до складу молекули хлорофілу, міститься в кістках і зубах, активізує синтез ДНК, енергетичний обмін (мал. 4.3) I- Входить до складу гормонів щитоподібної залози, впливає на обмін речовин Fe3‘ Входить до складу гемоглобіну, міоглобіну, кришталика та рогівки ока, бере участь у синтезі хлорофілу; забезпечує транспортування кисню до тканин та органів (мал. 4.3) Cu2- Бере участь у процесах творення крові, фотосинтезу, каталі зує внутрішньоклітинні окисні процеси Mn Підвищує врожайність рослин, активізує процес фотосинте зу, впливає на процеси творення крові F Входить до складу емалі зубів (через його нестачу розвива ється карієс, через надлишок — флуороз)
- 30. З О МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Дізнайтеся більше ...................................................... Осмотичний тиск — це сила, що діє на напівпроникну мембра ну, яка розділяє два розчини з різною концентрацією розчинених речовин, і спрямована від більш концентрованого до більш роз веденого розчину. С туп інь важ ливості та необхідності того чи інш ого елемента не визначається його к іл ьк існ и м вмістом в організмі. М ікроелементи, що входять до складу важ ливих сполук, теж є ж иттєво необхідними. Кобальт, наприклад, входить до складу вітам ін у В |2, Йод — до складу гормона тироксину, а Купрум — до складу ферментів, що каталізую ть окисно-відновні процеси в організмах. Значна к іл ькість ферментів м істи ть йони Ц инку, М ангану, Кобальту й Молібдену. Опорні точки Елементний склад ж ивих організмів та об’єктів неж ивої природи різний. Х ім іч н і елементи, що входять до складу ж ивих організмів і виконую ть біологічні ф ункції, називають біогенними. У ж иви х організмах у найбільш ій к іл ьк о сті м істяться чотири елементи: Гідроген, Оксиген, Карбон і Н ітроген. їх називають ор ганогенами, або органогенними елементами. Н ай важ ливіш им для формування структури органічних сполук є Карбон. Х ім іч н і елементи мож уть виконувати різні біологічні ф ун кц ії або в складі органічних і неорганічних сполук, або у вигляді катіонів і аніонів. R R О СООН— СН 2 СООН— СН2 Н,С“ НС сн соосн3 Мал. 4.3. До складу молекули хлорофілу входить Магній, молекули гемоглобіну — Ферум
- 31. Неорганічні речовини Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чому деякі елементи навиваються біогенними, органогенними? 2. Які хімічні елементи входять до складу живих організмів? 3. Як відрізняється елементний склад організмів від елементного складу об'єктів неживої природи? 4. Які функції виконують мікроелементи? 5. За яким критерієм елементи поділяються на три групи: макроеле менти, мікроелементи й ультрамікроелементи? 6. Завдяки яким властивостям органогенні елементи можуть бути у складі тих хімічних сполук, що становлять основу життя? 7. Чи важлива кількість того чи іншого хімічного елемента для живих істот? Чому? § 5. Вода. Особливості молекули води. Роль води в життєдіяльності організмів Особливості молекули води М олекула води (мал. 5.1) м істи ть один атом О ксигену та два атоми Гідрогену. Х ім іч н и й зв’язок у ній ковалентний полярний. О скільки Оксиген активно притягує до себе електрони, що належать атомам Гідрогену, то в д іл ян ц і атомів Гідрогену формується невеликий пози тивний, а в д іл ян ц і атома Оксигену — невеликий негативний заряд. Завдяки цьому кож на молекула води є диполем і мож е вза єм одіяти з ін ш и м и молекулами води, утворюючи водневі зв’язки (мал. 5.2.). Вода має відносно високу температуру кипіння, плавлення й пароутворення, оскільки необхідно витратити додаткову енергію на розривання водневих зв’язків. Мал. 5.1. Молекула води є диполем Мал. 5.2. Водневий зв'язок між молекулами води
- 32. 32 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Пригадайте ...................................................... Диполь — це молекула, що має однакові за величиною та протилеж ні за знаком заряди, які розташовані на відстані один від одного. О скільки молекула води є диполем, вона може орієнтуватися в електричному полі, приєднуватися до різних молекул і ділянок молекул, що несуть заряд. У результаті цього утворюються гідрати. Пригадайте .................................................. Завдяки полярності молекули води можуть притягуватись одна до одної, тому що між негативним зарядом на атомі Оксигену од нієї молекули та позитивним зарядом на атомі Гідрогену іншої мо лекули виникають сили електричної взаємодії. Такий тип зв'язку називають водневим. Водневий зв'язок набагато слабший за кова лентний. Додаткові характеристики води' 1 Вода в к л іти н і перебуває у двох формах: вільній та зв’язаній. В іл ь на вода становить 96 % усієї води в к л іти н і та використовується пе реважно я к розчинник. З в’язана вода, на частку якої припадає при близно 4 % усієї води клітини, неміцно з’єднана з білками водневими зв’язками. У с і речовини кліти н и поділяю ться на дві групи: гідроф ільні («ті, що лю блять воду») та гідроф обні («ті, щ о бояться води») (від грец. hydro — вода, philed — лю бити, phobos — боязнь). До гідроф ільних належать речовини, я к і маю ть високу розчинність у воді. Це солі, цукри, амінокислоти. Гідрофобні речовини, навпаки, у воді практично нерозчинні. До них належать, наприклад, ж ири. А існую ть речовини, яким притаманні гідроф ільно-гідроф обні, або ам ф іф ільні, властивості. А м ф іф іл ьн ість — це властивість молекул речовин, яка полягає у тому, що одна їх частина є гідрофільною, а друга — гідрофобною. До амф іф ільних речовин належать, наприклад, фосфоліпіди. Б ілки також маю ть амф іф ільні властивості, оскільки зазвичай до їх складу входять амінокислоти з гідроф ільними та гідрофобними радикалами. За рахунок амф іф ільних властивостей ф осф оліпідів під час взаємодії з водою вони формують біл іп ід н і шари. А м ф іф ільність білків впливає на утворення ними третинної та четвертинної структур молекул. 1Тут і далі підрозділи, позначені зірочкою *, є обов’язковими для вивчення лише за програмою академічного рівня.
- 33. Неорганічні речовини Роль води в ж и ттєдіял ьн о сті організмів Завдяки своїй незвичайній стр ук ту р і вода виконує в ж иви х системах безліч ф ункцій. Вона є переважною сполукою в к л іти н і й необхідна для обміну речовин, оскільки є середовищем для пере бігу х ім іч н и х реакцій. В м іст води в різних тканинах варію ється залежно від активності обміну речовин у них. Так, у кліти н ах мозку вода становить до 80 % їх маси, а в кліти н ах кісток — до 20 %. В організм і людей похилого вік у вм іст води в кліти н ах зниж ується. Функції води 1. Метаболічна функція. Вода є полярним розчинником, середо вищ ем для б іохім іч н и х реакцій, кінцевим продуктом багатьох біо х ім іч н и х реакцій. Речовини, розчинні у воді, називаються гідроф ільними, а нероз чи н н і у воді — гідрофобними. 2. Транспортна функція. Вода забезпечує перенесення молекул усередині кліти ни, з однієї к л іти н и до ін ш ої. Вона є головним к ом понентом транспортної системи рослин і внутріш нього середовища тварин. 3. Терморегуляторна функція. Вода забезпечує рівномірний роз поділ тепла всередині організму, а під час потовиділення у тварин і транспірації у рослин охолоджує організм. 4. Вода як реагент*. Біологічне значення води визначається також тим, щ о вона сама мож е виступати як реагент, тобто брати участь у х ім іч н и х реакціях. Вода використовується, наприклад, як джерело водню в процесі фотосинтезу. Дізнайтеся більше .............................. Охолодження організму тварини відбу вається в процесі випаровування під час потовиділення. Деякі рептилії, наприклад крокодили, під пекучим сонцем лежать із відкритим ротом. Для багатьох рослин вологих тропічних лісів звичайним явищем є гутація, яка часто спо стерігається на кінчиках листків молодих рослин. Гутація (від латин, gutta — крапля) — це процес виведення зайвої води у вигляді крапель рідини на поверхні рослини.
- 34. 34 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 5. М еханічна ф ункція. Вода практично не стискається, що є ду ж е важ ливим для надання форми соковитим органам і тканинам. У рослин вода зумовлює тургор кліти н , а в деяких тварин, напри клад у круглих і кільчастих червів та голкош кірих, виконує опорні ф ун кц ії як гідростатичний скелет. Пригадайте ...................... ................................. Тургор (від латин, turgere — бути набухлим, наповненим) — на пружений стан клітинної оболонки, який залежить від тиску вну трішньоклітинної рідини. 6. Д еякі ін ш і ф ункції. Вода в організмі — складник змащ увальних рідин (синовіальної — у суглобах хребетних, плевральної — у плев ральній порож нині, перикардіальної — у навколосерцевій сумці). Вона також входить до складу ж овчі, слини та слизів, що полегш ують пересування речовин киш ечником, створю ю ть вологе середовище на слизових оболонках дихальних ш ляхів. Дізнайтеся більше .............................. Для води характерний високий поверхневий натяг. Ця властивість має важливе значення для пересування розчинів тканинами (кро вообіг, висхідний та спадний токи в росли нах). Багатьом дрібним організмам поверх невий натяг дозволяє утримуватися на воді або ковзати її поверхнею. Опорні точки Роль води в ж иттєдіяльності організмів визначається її унікальни м и х ім іч н и м и та ф ізичними властивостями, пов’язаними передусім із полярністю молекули, ї ї малими розмірами і здатністю утворювати водневі зв’язки. Вода є найкращ им розчинником із відомих рідин та основним середовищем, де відбуваються х ім іч н і реакції. К р ім того, вона сама безпосередньо бере участь у х ім іч н и х реакціях, щ о відбуваю ться в організмах. Ц е ідеальна рідина для підтримування теплової р ів новаги організму. Вода може виконувати ф ункцію гідростатичного скелета, є основним засобом пересування речовин в організм і та се- ре-довищем ж и ття для багатьох організмів. Водомір, що вико ристовує поверх невий натяг води
- 35. Неорганічні речовини Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які біологічні функції виконує вода? 2. Чи може вода сама виступати як реагент? 3. Як живі організми використовують високий поверхневий натяг води? 4. Чим визначається роль води в клітині? 5. Як властивості води пов'язані з структурою її молекули? 6. Яке значення для живих організмів має висока теплоємність води? § б. Неорганічні речовини в клітині. Роль неорганічних речовин у життєдіяльності організмів Біологічна роль кисню Не тільки вода, але й ін ш і неорганічні речовини відіграю ть важ ливу роль у ж иттєдіяльності к л іти н і цілого організму. Так, в енерге ти ц і більш ості ж ивих істот важ ливу роль відіграє кисень. В ін є окис ником пож ивних речовин у процесі дихання тварин, рослин, грибів і багатьох бактерій, під час якого виділяється енергія, необхідна для ж иттєдіяльності організмів. Без кисню м ож уть існувати лиш е порів няно нечисленні види, що ж ивуть у безкисневих умовах і поповнюють свої енергетичні потреби за рахунок бродіння. К исень мож е бути ш кідл иви м для ж ивого організму, я кщ о він є окисником Д Н К та ін ш и х ж иттєво важ ливих компонентів. Том у к л іти н и мають систему захисту від його ш кідливої д ії. Пригадайте ........................................................... Бродіння — це анаеробний розпад молекул (найчастіше це глю коза) за участю мікроорганізмів. Бродіння використовують, на приклад, у виробництві кефіру. Аеробні організми, або аероби (від грец. аег — повітря і bios — життя), — це організми, здатні жити й розвиватися лише за на явності в середовищі вільного кисню, який вони використовують як окисник. До аеробних організмів належать усі рослини, біль шість найпростіших і багатоклітинних тварин, майже всі гриби, частина бактерій, тобто переважна більшість відомих видів живих істот (мал. 6.1). Анаеробні організми, або анаероби, — це організми, що одер жують енергію за відсутності доступу кисню шляхом прискорено го, але неповного розщеплення поживних речовин. До анаеробів належать група прокаріотів, деякі найпростіші, більшість гельмін тів (мал. 6.2).
- 36. 36 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 6.1. Аеробні організми: рослини, тварини, гриби, бактерії Біологічна роль йонів* Р ізн и ц я м іж к іл ьк істю йонів на поверхні та всередині кліти н и за безпечує виникнення нервового та м ’язового збудження, перенесення речовин через мембрану, перетворення енергії. А н іон и ортофосфатної кислоти створюють фосфатну буферну сис тему, щ о підтримує pH внутріш ньоклітинного середовища організму на рівні 6,9. Пригадайте ...................................................... pH — показник, що характеризує кислотність розчину. Буферні системи — це розчини хімічних сполук, що підтримують певну концентрацію йонів гідрогену Н+, тобто певну кислотність середовища. Карбонатна кислота та ї ї аніони ф ормую ть бікарбонатну буфер ну систему, щ о підтримує pH позаклітинного середовища (плазма крові) на рівні 7,4. Мал. 6.2. Анаеробні організми: деякі бактерії та гельмінти
- 37. Неорганічні речовини Йони К альцію та М агнію є активаторами багатьох ферментів, че рез їх нестачу поруш ую ться ж иттєво важ ливі процеси в клітинах. Д е які йони беруть участь у створенні осмотичного тиску в кл іти н і, у процесах м ’язового скорочення, зсідання крові. Біологічна роль солей Важ ливу роль у ж иттєд іяльн ості к л іти н и відіграю ть мінераль н і солі, молекули яких у водному розчині розпадаються на катіони й аніони. Найбільш е значення маю ть солі, що утворюють катіони К +, N a' , Са2', M g 21, N H ; й аніони С Г, Н 2Р04, НРО? , Н С 0 3, N 0 3, SO2 . Ряд катіонів і аніонів необхідний для синтезу важ ливих органіч них речовин. Залиш ки ортофосфатної кислоти, приєдную чись до ряду білків кліти н и , зміню ю ть їхн ю ф ізіологічну активність. Залиш ки сульфат ної кислоти, приєдную чись до нерозчинних у воді чуж орідних ре човин, надають їм розчинності та сприяю ть виведенню їх із кліти н та організму. Н еорганічні натрієві й калієві солі н ітр атн ої та ортофосфатної кислот, кальцієва сіль сульф атної кислоти є важ ливими складовими мінерального ж ивлення рослин, тому їх вносять у ґрунт я к добрива для підж ивлення рослин. В ід солей значною мірою залежать надходження води до кліти н и та буферні властивості к л іти н і тканин. Я кщ о концентрація солей у к л іти н і вища, н іж у середовищі, то вода буде надходити у клітину. У к л іти н і, за умови її нормального ф ункціонування, п ід тр и м у ється чітко визначений якісн и й та кількісн и й склад солей. П ід ви щ ення вм істу йонів К алію , наприклад, спричиняє токсичний вплив на серцевий м ’яз. Відкладення К альцію в к істк а х мож ливе лиш е за умови присутності йонів Фосфору, коли співвіднош ення Кальцію та Фосфору становить 2 : 1, а відкладання Фосфору можливе лиш е за умови присутності вітам ін у D. Хлоридна кислота створює кисле середовище у ш лун ку тварин і лю дини й у спеціальних органах комахоїдних рослин, прискорюючи перетравлення білків їж і. Л уги — гідроксиди л уж них і луж ноземельних металів і амонію — теж відіграю ть важ ливу біологічну роль, тому що під час ди соц іації утворюють йони О Н та йон відповідного металу. Опорні точки Н еорганічні речовини відіграю ть важ ливу роль у ж иттєдіяльності кліти н и та цілого організму.
- 38. 3% МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Кисень є окисником пож ивних речовин під час дихання тварин, рослин, грибів і бактерій. Із неорганічних солей найбільш е значення мають солі, щ о утво рюють катіони К ', N a ', Ca2f, M g 2', NH,' й аніони Cl , Н 2РО ,, HPO J , H C 0 3, N 0 3, s o *-. Й они беруть участь у виникненні нервового та м ’язового збуджен ня, активному перенесенні речовин крізь мембрану, перетворенні енергії, створенні буферних систем, акти вації ферментів, створенні осмотичного тиску в к л іти н і й ін ш и х ж иттєво важливих процесах. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Яку роль відіграє кисень у живих організмах? 2. Чи є організми, які можуть існувати в безкисневому середовищі? 3. Чи може кисень бути шкідливим для живого організму? Чому? 4. Як підвищення вмісту йонів Калію впливає на серцевий м'яз? 5. Які аніони мають найбільше значення для клітини? 6. Які катіони мають найбільше значення для клітини? 7. Яку біологічну роль відіграє різниця концентрації йонів по різні боки мембрани? 8. Яку біологічну роль відіграють буферні системи? ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1* Тема. Визначення вмісту води у власному організмі Мета: визначити вміст води у власному організмі. Обладнання та матеріали: підлогові ваги. Інформація до практичної роботи Лю дина приблизно на 65 % складається з води. Ембріон склада ється з води на 97 %. З віком вм іст води в організм і зменш ується. В організмі дорослої людини з масою тіла 70 к г у середньому міститься 42 л води. Р із н і тканини організму м істять різну к іл ьк ість води. Найбагатш я на воду тканина — склоподібне тіло ока, щ о м істи ть 99 % води, най- бідніш а — зубна емаль, у ній води лиш е 0,2 %. Багато води міститься в речовині мозку.
- 39. Хід роботи о Визначте свою масу за допомогою підлогових ваг. © Визначте масову частку води у вашому організмі, склавш и про порцію: ваша маса тіла, к г — 100 %, маса води х к г — 65 %. Тоді х = (ваша маса тіл а х 65): 100. © Зробіть висновок. Неорганічні речовини § 7. Контроль хімічного складу води та їжі людини Хімічний склад води Хімічний склад води — це сукупність речовин, щ о м істяться у воді в різних х ім іч н и х та ф ізичних станах. Тривале використання питної води з поруш енням гігієн іч н и х норм щодо її хім ічн ого складу спри чиняє розвиток у лю дини різних захворювань. Наприклад, П лю мбум відкладається у кістках, призводить до змін у центральній нервовій системі, крові, ш лунково-киш ковому трак ті, а також до поруш ення обміну речовин, «пригнічення» багатьох ферментів і гормонів. Н авіть невелика його кіл ьк ість у воді чи їж і спричиняє ураження нирок. А л ю м ін ій паралізує нервову й ім унну системи, особливо сильно впливає на дитячий організм, сприяє роз виткові хвороби Альцгеймера. Хвороба Альцгеймера — це тяж ке захворювання головного мозку, щ о виявляється прогресую чим зни ж енням інтелекту. Уперш е описане німецьким лікарем А . Альцгей- мером у 1907 р. П ідвищ ення концентрації К упрум у в п итній воді призводить до враження слизових оболонок нирок та печінки, Н ік о л у — до ура ж ення ш кіри, Ц инку — нирок, Арсену — центральної нервової сис теми. П ідвищ ення вм істу Ф луору несприятливо впливає на кісткову, нервову та ферментативну системи організму, зумовлює ураження зубів — флюороз (на зубах з’являю ться білі та ж овті плям и, діл ян ки руйнування емалі). Н атом ість нестача вмісту Ф луору (менш н іж 0,5 мг/л) спричиняє карієс — патологічний процес, при якому від бувається дем ін ералізація і розм ’якш ення твердих тканин зуба з подальш им утворенням порож нини (мал. 7.1).
- 40. 4 0 МОЛЕКУЛЯРНИМ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ а б Man. 7.1. Захворювання зубів: карієс, спричинений нестачею вмісту Флуору (а); флюороз, спричинений підвищеним вмістом Флуору (б) У природних водах маю ть м істи тися і мікроелементи, наприклад Флуор, Йод, Молібден, Селен, і макроелементи, наприклад Н атрій, К альцій, Фосфор. Але надлиш кове або недостатнє надходження їх до організму людини спричиняє ф ізіологічні відхилення або патологічні зміни. Хімічний склад їжі Необхідно контролю вати також хімічний склад їжі. Основними пож ивними речовинами, необхідними для поповнення енергетичних витрат, побудови та відновлення тканин, є білки, ж ири та вуглеводи. За умови раціонального харчування білки мають становити 11— 13 % добової калорійності раціону лю дини. Б ілки , що містяться в різних продуктах харчування, не рівноцінні для організму. Білки тваринного походження не лиш е самі добре засвоюються організмом, а й сприяю ть засвоєнню білків рослинного походження. С лід ура ховувати не лиш е сумарну кількість білків, а й їхн ю якість: до ра ціону людини має входити не менш н іж половина білків тваринного походження. Жири — це пластичний матеріал і джерело енергії в організмі. За нормальних умов середня потреба дорослої лю дини в ж ирах становить 80 100 г на добу, або 33 % добової енергетичної цінності раціону. Але потреба в ж ирах зміню ється залежно від клім атичних умов: у п івн іч ній к л ім ати ч н ій зоні вона визначена в розмірі 38— 40 % калорійності раціону, в середній зоні — 33 %, а в південній — 27— 28 %. Вуглеводи — основне джерело енергії, і тому їх уж иваю ть приблиз но в чотири рази більш е, н іж білків та ж ирів. За умови раціонально го харчування на частку вуглеводів припадає близько 55 % добової калорійності раціону. Вітаміни й мінеральні речовини разом із білками, ж ирами й вуг леводами є необхідною частиною харчування. Забезпечити повністю потреби організму в усіх необхідних вітамінах, ураховуючи лиш е їх природний вм іст у продуктах харчування, дуж е важко, а часто й не
- 41. Неорганічні речовини можливо, тож необхідне спеціальне збагачення продуктів харчування вітамінами. У сучасних умовах контролювати хім ічн и й склад їж і необхідно ще й тому, що існує проблема радіоактивного та хім ічн ого забруднення продуктів харчування. Наприклад, надлиш ок нітрогенних добрив або отр утохім ікатів призводить до зниж ення якості рослинної про д у к ц ії, оскільки в ній накопичую ться сполуки Н ітрогену й отрути. Уж и вання такої їж і може спричинити в лю дини серйозне отруєння і навіть смерть. О скільки рослини м ож уть накопичувати в собі практично всі ш к ід ливі речовини, особливо небезпечною є сільськогосподарська про дукція, що вирощ ується поблизу промислових підприємств і великих автош ляхів. Харчові добавки Х арчові добавки — це х ім іч н і речовини, я к і додають до продуктів харчування для поліпш ення смаку, підвищ ення пож ивної цінності або запобігання псуванню продуктів під час зберігання. П ож ивні добавки м істять ж ири, вуглеводи, білки та клітковину, а також майже всі мікроелементи та вітаміни. Вони покращ ують я к іс ний склад їж і. Консерванти призначені для того, щоб протягом тривалого часу зберігати продукти харчування придатними до спож ивання. Вони м істять речовини, що вбивають ш кідл иві мікроорганізми або не да ють їм розмнож уватися. З давніх часів люди використовували з цією метою сіль, цукор, кислоти та дим, у якому продукти коптили. Для консервування ф руктів та овочів використовую ть натрій оензоат та калій бензоат. Багато продуктів консервують за допомогою оцтової кислоти (оцту) (мал. 7.2). Мал. 7.2. Консерванти допомагають Мал. 7.3. Прянощі та спеції зберігати продукти харчування допомагають змінити смак їжі
- 42. П рян ощ і допомагають зм ін и ти смак їж і. Природні прянощ і мають дуж е непростий склад, але більш ість прянощ ів, яким и користую ться сьогодні, на ж аль, складаються із синтетичних речовин (мал. 7.3). Барвники надають продуктам, щ о пройш ли обробку, більш приваб ливого вигляду. їх поділяю ть на дві групи: природні та синтетичні. Кращ е, звичайно, використовувати природні барвники. Часто ф ірми-виробники продуктів харчування пропоную ть свої харчові добавки, наголош уючи, що вони м ож уть сприяти схудненню, проф ілактиці певних захворювань, навіть їх лікуванню . Застосову вати ці харчові добавки мож на лиш е після консультації з лікарем, якому добре відомий стан здоров’я лю дини. Д ля підлітка, який хар чується раціонально, так і харчові добавки не потрібні. Про наявність харчових добавок у продуктах мож на дізнатися з інф ормації, що м іститься на етикетці. Вони позначаються літерою «Е» та трициф ровим числом, наприклад: Е 220, Е 451, Е 103. Дізнайтеся більше ........................................................... Барвник тартразин, який додають до кондитерських виробів, цукерок, морозива, напоїв, може спричинити харчову алергію. Червоний барвник Red 2G, який використовують у виробництві для приготування дешевих сосисок, може зумовити онкологічні захворювання. Аспартам — синтетичний замінник цукру, який використовують для виготовлення жувальної гумки, — може не гативно впливати на психіку. Причини ендемічних захворювань людини т а їх профілактика Ендемічним и називають хвороби, я к і постійно реєструються серед населення на певній території. Ендемічне захворювання пов’язане з браком або надлиш ком вм істу певного хім ічн ого елемента в сере довищ і. Наприклад, через надлиш ок Ф луору виникає флюороз, Купру- му — зм іни в нервовій та кровоносній системі, Молібдену — ендемічна подагра, через брак йоду в їж і — ендемічний зоб (збільш ення розмірів щ итоподібної залози) (мал. 7.4). П роф ілактика захворювань лю дини, щ о виникаю ть через брак або надлиш ок х ім іч н и х елементів, здійсню ється або ш ляхом додавання елемента, якого бракує, до їж і, або ш ляхом корегування харчового раціону для зменш ення вм істу надлиш кового елемента. Наприклад, при йододефіциті використовую ть йодовану сіль. 4 2 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ
- 43. Неорганічні речовини Мал. 7.4. Йододефіцитний зоб необхідно вчасно виявляти і лікувати Рекомендації щодо проф ілактики ендемічних захворювань скла дають з урахуванням м ісц я прож ивання, клім ату, пори року, осо бливостей національної кухн і, соціального стану, стану здоров’я та індивідуальних ф ізіологічних особливостей лю дини. Гранично допустимі концентрації речовин у складі води, їжі, засобів побутової хімії, косметичних препаратів то щ о Гранично допустима концентрація (ГД К) — це затверджений на законодавчому рівн і санітарно-гігієнічний норматив, щ о передбачає максимальну концентрацію ш кідл и вої речовини, яка за певний час впливу не ш кодить здоров’ю лю дини та ї ї потомству. Розроблено Г Д К для повітря, продуктів харчування, питної води, води водойм, стічних вод,ґрунту. С анітарно-гігієнічне нормування забруднення продуктів харчу вання стосується передусім х ім іч н и х забруднювачів продуктів хар чування: — металічних елементів (М еркурій, П лю мбум, Х ром, Арсен, К ад м ій , Кобальт, Станум, Нікол); — пестицидів та продуктів їх метаболізму; — нітратів, н ітритів, поліци клічних ароматичних сполук, сти муляторів росту сільськогосподарських тварин; — радіоізотопів (найбільш у небезпеку для здоров’я становлять Стронцій-90 та Ц езій -137). Норми вживання води людиною в різних умовах навколишнього середовища Існують норми вживання води в різних умовах навколишнього се редовища. Питна вода до організму людини має надходити регулярно й у певній кількості. Д ля здоров’я лю дини ш кідливим є я к недостатнє,
- 44. 4 4 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ так і надлишкове водовживання. Недостатнє вживання води може призвести до зменшення маси тіла, підвищ ення температури, підви щення в’язкості крові, прискорення пульсу та дихання, появи спраги та відчуття нудоти. Надлиш кове пиття поруш ує процес травлення, створює додаткове навантаження на серцево-судинну систему та нир ки, призводить до збільшення виділення необхідних організму речовин. Норма вж ивання води залеж ить від багатьох параметрів, таких як кл ім ати ч н і умови, температура повітря, вологість, індивідуальні особливості лю дини, характер виконуваної нею роботи та багатьох інш их. При цьому питна вода має бути чистою й м істи ти в необхідній кількості мінеральні речовини. Опорні точки Для збереження здоров’я необхідно контролю вати х ім іч н и й склад води та їж і. Через брак або надлиш ок вм істу якогось хім ічн ого еле мента в середовищі м ож уть виникнути ендемічні захворювання. П ро ф ілактика таких захворювань здійсню ється або ш ляхом додавання елемента, якого замало, до їж і, або ш ляхом корегування раціону хар чування задля зменш ення вм істу надлиш кового елемента. Для деяких речовин затверджено гранично допустимі концентрації (ГД К) у повітрі, продуктах харчування, воді, побутовій х ім ії, косме тиці. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чому необхідно контролювати хімічний склад питної води та продуктів харчування? 2. Що таке харчові добавки? 3. Що таке гранично допустима концентрація (ГДК)? 4. Що таке ендемічні захворювання? 5. Яким має бути хімічний склад їжі? Унаслідок чого може відбуватися хімічне забруднення їжі? 6. Для чого було введено норматив ГДК? 7. Чому необхідно контролювати вміст харчових добавок у про дуктах? 8. У чому полягають причини ендемічних захворювань людини? Як здійснюється профілактика ендемічних захворювань? Теми для проектної і групової роботи 1. Здійснення контролю хімічного складу води та їжі людини. 2. Причини виникнення ендемічних захворювань людини.
- 45. План виконання проектної роботи О Визначення мети проекту. 0 Аргументування актуальності теми проекту. © Визначення джерел інформації. О Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. Є Створення самостійного інф ормаційного продукту (оригінально го тексту). © Формулю вання висновків. О Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо). Органічні речовини •ft? Тема 2. Органічні речовини Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • малі органічні молекули, макромолекули (полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти), їхню будову, властивості та функції. Навчитеся: • пояснювати взаємозв'язок будови органічних речовин з їхніми функціями; • розв'язувати вправи з транскрипції та реплікації; • застосовувати знання для безпечного використання засобів побутової хімії, біодобавок, медичних препаратів. § 8. Структура та функції вуглеводів Органічні речовини Органічними називають сполуки, в основі яких леж ить ланцю г, який утворений ковалентно зв’язаними атомами Карбону і може мати різну просторову структуру. Т а к і сполуки утворюються завдяки здатності атомів Карбону формувати м іж собою одинарні, подвійні й потрійн і зв’язки. Скелет органічних сполук може бути лінійним , розгалуженим, ц ик лічн им і комбінованим, тобто вклю чати всі три попередні варіанти (мал. 8.1).
- 46. 46 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ — С — С — С — С — с — с — с с— с — Лінійний І І І І І — с— с— с — с— с— І І І І І І - с — с — — с — І І І — с — — с — І І Розгалужений Циклічний X / 1 і іГ с— с — с — с— - 4 U I І І / с І — с— с- Комбінований Мал. 8.1. Карбонові скелети Завдяки неймовірній різном анітності м ож ливих варіантів карбо нового скелета органічні сполуки теж є дуж е різноманітними. Різн ом ан ітн ість органічних сполук забезпечується також різними ф ункціональними групами, що входять до їх складу. Саме ф ункці ональні групи (табл. 3) надають органічним сполукам характерних особливостей, визначаючи їх н ій «характер*. Таблиця З Основні функціональні групи Функціональна група Структурна формула Гідроксильна — ОН Карбонільна: Альдегідна Кетонна 0 — с — н 0 — с - Карбоксильна 0 // — с — он Аміногрупа /Н — N чн Л
- 47. Органічні речовини Значення органічних речовин для ж ивих організмів важ ко пере оцінити, оскільки саме вони забезпечують перебіг усіх процесів ж и т тєдіяльності. Вуглеводи Вуглеводи — це органічні речовини, до складу яких входять К ар бон, Оксиген і Гідроген. Дізнайтеся більше Назва вуглеводів походить від слів «вуглець» і «вода». Причиною цього є те, що перші з відомих науці вуглеводів описувалися фор мулою Сд(Н20)у. Вуглеводи називають також цукрами. Ця назва походить від давньоіндійського слова «саркара» (буквально: «гра вій, галька, пісок, цукровий пісок»). Так в Індії називали солодкі кристали, які добували із соку тростини. За хім ічн ою характеристикою вуглеводи — це органічні речовини, що м істять кетонну або альдегідну групу та декілька (тобто більш е н іж одну) гідроксильних груп. Вуглеводи, що м істять альдегідну групу, називаються альдозами, а вуглеводи, що м істять кетонну групу,— кетозами (мал. 8.2.). Н а мал. 8.2 зображено вуглеводи, у ланцю гу яких є лиш е три атоми Карбону. Є у вуглеводів і довш і ланцю ги, наприклад фруктоза і глюкоза (мал. 8.3). Залежно від кількості атомів Карбону, щ о входять до молекули вуг леводу, розрізняю ть тріози, що м істять три атоми Карбону, тетрози — чотири атоми, пентози — п ’ять, гексози — ш ість атомів і так далі, відповідно до назв числівн и ків грецькою мовою. Глю коза за к іл ь кістю атомів Карбону є гексозою, а рибоза — пентозою. С- t н — с - I н— с- I н -н -он - о н ; -Альдегідна група Гідроксильні групи Н / Гідроксильна О Н : групаН — С- С = О ■—----Кетонна група Н — С — rOH __Гідроксильна І група Н Мал. 8.2. Приклад альдози — гліцеральдегід (о); кетози — дигідроксиацетон (б)
- 48. 4 % МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ СН.ОН Q II СН.ОН I J с---- І І н он б ОН II а Мал. 8.3. У молекулі фруктози (а) п'ять атомів Карбону, глюкози (б) — шість атомів Карбону Моносахариди У с і перелічені вище вуглеводи називають моносахаридами, оскільки вони складаються з однієї структурної одиниці (від гред. monos — один). Я кщ о в м олекулі моносахариду атомів Карбону більш е від трьох, така молекула може утворювати циклічну форму, оскільки її частини реагують одна з одною. У ж ивих організмах моносахариди частіш е зустрічаю ться саме в ц и кл іч н ій ф ормі (мал. 8.3). Моносахариди називають також простими цукрами, оскільки вони складаються з однієї молекули. Прості цукри являю ть собою тверді безбарвні кри сталічн і речовини, добре розчинні у воді. М айж е всі вони маю ть приємний солодкий смак. Н априклад, солодкий смак ф руктів, ягід, меду залежить від вм істу в них глю кози та фруктози. До моносахаридів належать також галактоза, рибоза, дезоксирибоза. М оносахариди м о ж уть виконувати енергетичну та структурну ф ункції. Глюкоза — первинне джерело енергії для кліти н. Вона вхо дить до структури майж е всіх кліти н, тканин та органів. Фруктоза у великій кількості у вільному вигляді м іститься у пло дах, тому її часто називають плодовим цукром. Особливо багато ф рук този в меді, цукровому буряку, ф руктах. Галактоза відрізняється від глю кози тіл ьк и розташ уванням гід роксильної групи та Гідрогену в четвертого карбонового атома. Вона може перетворюватися на глю козу в печінці й ін ш и х органах. Рибоза та дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот — великих молекул, що беруть участь у процесах передавання, реалізації та збе рігання спадкової інф орм ації у к л іти н і. Дисахариди М олекули моносахаридів мож уть з’єднуватися одна з одною з ви діленням води. У результаті утворю ю ться олігосахариди (від грец.
- 49. Органічні речовини oligos — нечисленний), до яких належать дисахариди, трисахариди, тетрасахариди та полісахариди (від грец. poly — багато). До дисаха ридів належать сахароза, лактоза та мальтоза (мал. 8.4). Сахароза — тростинний або буряковий цукор. Складається із за ли ш ків глюкози та фруктози. М істи ться в насінні, ягодах, корінні, бульбах, плодах. В ідіграє важ ливу роль у харчуванні багатьох тварин та лю дини. Л егко розчиняється у воді. Головні джерела добування сахарози (харчового цукру) у харчовій промисловості — цукровий буряк і цукрова тростина. Лактоза — молочний цукор, має у своєму складі глю козу та галак тозу. В ін входить до складу молока і є джерелом енергії для дитинчат ссавців. Мальтоза складається із двох молекул глю кози, є основним струк турним елементом таких полісахаридів, я к крохмаль та глікоген. СН2ОН сн,он н он н онон а CH..OH І 2 сн.он І онII н он б сн,он І 2 сн,он І І н он он н он в Мал. 8.4. Дисахариди: а — сахароза; б — лактоза; в — мальтоза
- 50. 50 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ б Мал. 8.5. Полісахариди: а — картопляний крохмаль, б — хітин, основний компонент зовнішнього скелета членистоногих Полісахариди О рганічні сполуки, що складаються з великої кількості структур них одиниць (мономерів), називають полімерами. Полісахариди — це полімери, мономерами в яких є моносахариди. Із полісахаридів найпош иреніш і крохмаль, глікоген, целюлоза, хітин (мал. 8.5). Ц е високомолекулярні вуглеводи, що складаються з вели кої кількості моносахаридів. Вони мають дуже велику молекулярну масу. Крохмаль є основним запасним полісахаридом у рослин. К іл ьк ість залиш ків глю кози в ньому налічує кілька тисяч. В ін м іститься у вели кій кількості в бульбах картоплі, плодах, насінні. У гарячій воді крох маль утворює колоїдний розчин, що в побуті має назву крохмальний клейстер. Структурні компоненти крохмалю — амілоза й амілопектин (мал. 8.6, а, б). Глікоген — запасний полісахарид, щ о м іститься у тканинах тіла тварин та лю дини, а також у грибах, дріж дж ах тощо. В ін відіграє важ ливу роль у перетвореннях вуглеводів в організм і тварин. У зна ч н ій к іл ьк о сті накопичується в п ечін ці, м ’язах, серці та багатьох ін ш и х органах. Є постачальником глю кози в кров. За структурою нагадує крохмаль, але є сильніш е розгалуженим. М олекула глікогену складається приблизно із ЗО 000 залиш ків глю кози (мал. 8.6, в). б в Полісахариди: а — амілоза, б — амілопектин, в — глікоген
- 51. Органічні речовини Клітковина (целюлоза) — головний структурний полісахарид к л і тинних оболонок рослин. Целю лоза за своєю структурою — л ін ій н и й полімер. Вона нерозчинна у воді й лиш е набухає в ній. Хітин — основний компонент зовніш нього скелета членистоногих та деяких ін ш и х безхребетних тварин, входить до складу к л іти н н ої стін ки грибів (див. мал. 8.5, б). Функції вуглеводів Будова вуглеводів дозволяє їм виконувати багато біологічних ф унк цій. Енергетична функція. Вуглеводи слугую ть основним джерелом енергії для організму. Складні за структурою , багаті на енергію, вуг леводи зазнають у к л іти н і глибокого розщеплення й у результаті пе ретворюються на п рості, бідні на енергію сполуки — карбон оксид та воду. У ході цього процесу вивільняється енергія. У процесі розщеп лення 1 г вуглеводів вивільняється 17,6 к Д ж енергії. Структурна функція. В усіх без винятку тканинах та органах зна йдено вуглеводи та їх н і похідні. Вони входять до складу оболонок к л іти н і субклітинних утворень. Беруть участь у синтезі багатьох найваж ливіш их речовин. У рослинах полісахариди виконую ть також опорну ф ункцію . Функція запасання поживних речовин. В організм і та к л іти н і вуг леводи мають здатність накопичуватися у вигляді крохмалю у рослин та глікогену у тварин. К рохм аль і глікоген є запасними формами вуглеводів та витрачаються в м ір у виникнення потреби в енергії. Захисна функція. В ’язк і секрети (слизи), що виділяю ться різними залозами, багаті на вуглеводи та їх н і похідні. Вони захищ аю ть стін ки порож нистих органів (стравохід, киш ки, ш лунок, бронхи) від меха нічних пош коджень, проникнення ш кідливих бактерій і вірусів. Опорні точки О рганічними називають сполуки, в основі я ки х леж ить ланцю г із ковалентно зв’язаних атомів Карбону. Різн о м ан ітн ість органічних сполук забезпечується різним и просторовими структурами ланцю га і ф ункціональними групами, що входять до їхнього складу. Вуглеводи — це органічні речовини, щ о м істять нерозгалужений ланцю г із декількох атомів Карбону, карбонільну групу та декілька гідроксильних груп. Вуглеводи виконую ть так і ф ункції: енергетичну, структурну, за хисну, запасаючу тощо.
- 52. МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які органічні сполуки називають полімерами? 2. Які органічні сполуки називають вуглеводами? 3. Чому глюкозу можна назвати гексозою? 4. Чим альдози відрізняються від кетоз? 5. Які полімери можуть виконувати функцію запасання поживних ре човин? 6. Чим пояснюється різноманітність органічних сполук? 7. У чому полягають особливості хімічної структури вуглеводів? 8. Які біологічні функції виконують моносахариди та полісахариди? 9. Як структура вуглеводів пов'язана з їхніми функціями? § 9. Структура і функції ліпідів Ліпіди П ід терміном ліпід и (від грец. lipos — ж ир) х ім ік и об’єднують ж ири та ж ироподібні речовини. Головним критерієм, за я к и м ц і речовини об’єднали в одну групу, є те, що вони не розчиняю ться у воді, але добре розчиняю ться у неполярних органічних розчинниках: есте рі, бензирі, хлороформі тощ о. Ц я властивість споріднює всі ліп іди. А за своєю структурою вони істотно відрізняю ться один від одного. У ж ивих організмах м істяться р ізн і ліп ід и , зокрема ф осфоліпіди, ж ири та стероїди. У с і вони виконую ть важ ливі біологічні ф ункції. Із л іп ід ів найпош иреніш ими та найбільш відомим и є жири. В м іст ж иру в к л іти н і зазвичай невеликий: 5— 10 % (від сухої речовини). Однак існую ть кліти н и , у яки х близько 90 % ж иру. У тварин такі к літи н и м істяться, наприклад, під ш кірою . Ж и р м істи ться в молоці всіх ссавців. У деяких рослин велика к іл ьк ість ж иру зосереджена в насінні та плодах, наприклад у соняш нику, конопель, волоського горіха. За х ім іч н ою структурою ж ири є складним и естерами триатом ного спирту гліцеролу та високомолекулярних ж ирних кислот. Жирні кислоти* Жирні кислоти — це органічні сполуки, до складу яких входить карбоксильна група та довгий вуглеводневий хвіст. Загальна формула ж ир н ої кислоти:
- 53. Органічні речовини Man. 9.1. Модель пальмітинової Man. 9.2. Модель олеїнової кислоти — насиченої жирної кислоти кислоти — ненасиченої жирної кислоти Н айпош иреніш им и є пальмітинова, стеаринова, олеїнова ж и р н і кислоти. У с і ж и р н і кислоти поділяю ться на дві групи: насичені, або гра ничн і (не м істять подвійних зв’язків), та ненасичені, або неграничні (м істять подвійні зв’язки). До насичених кислот належать, напри клад, пальмітинова (мал. 9.1) та стеаринова кислоти, а до ненасиче- них — олеїнова (мал. 9.2). Взаємодія гліцерину та ж ирних кислот призводить до утворення справж ніх, або істинних, ж и р ів — триацилгліцеролів (мал. 9.3). Властивості ж и р ів визначаються як існ и м складом ж ирн их к и с лот та їх к ількісн и м співвіднош енням. Так, рослинні ж ири, або олії, багаті на ненасичені ж и р н і кислоти, тому здебільше є легкоплавки м и — рідким и за к ім н атн ої температури (мал. 9.4). А тваринні ж ири за кім н атн ої температури залиш аю ться твердими, оскільки м істять переважно насичені ж и р н і кислоти (мал. 9.5). Жири Триацилгліцероли— це природні ор ган ічн і сполуки, я к і є по хідн и м и гліцеролу та ж ирних кислот. Триацилгліцероли є формою накопичення ж и р ів в організм і та одним з основних джерел енергії; це найпош иреніш і з природних ліп ід ів. О II О СН.Г- о — с — R, II ' І 2 ' R ,— С - О - С Н О 2 I II с н —О - c —R3 Man. 9.3 Триацилгліцерол
- 54. 5 4 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 9.4. Рослинні жири багаті Мал. 9.5. Тваринні жири містять на ненасичені жирні кислоти переважно насичені жирні кислоти К алорійність ж и р ів майж е вдвічі вища за калорійність вуглево дів, том у вони відкладаю ться в організмі тварин як запасна поживна речовина. Ж и р и також слугую ть для теплоізоляції та забезпечують плавучість. О л ії найчастіш е накопичуються в рослинах (насіння со няш нику, кокосової пальми тощо). Дізнайтеся більше ........................................................ Жир може бути постачальником так званої ендогенної води. Із 1 кг жиру під час його окиснення утворюється близько 1,1 л води. Завдяки цій воді існує чимало пустельних тварин, напри клад піщанки, тушканчики. Жир, що накопичується в горбах верб люда, також є джерелом води. Фосфоліпіди Особливо важ ливими ж ироподібними речовинами є ф осф оліпіди. Вони, як і справж ні ж ири, є естерами гліцеролу та ж ирних кислот, але від справж ніх ж ирів вони відрізняю ться тим , що м істять зали ш ок ортофосфатної кислоти. Фосф оліпіди завдяки своїй будові здатні утворювати біліпідний шар, що є основою біологічних мембран. Характеристика фосфоліпідів’ Молекулярна маса фосфоліпідів невелика. У молекулі виділяється «головка» та два «хвости». «Головка» та «хвости» мають різні власти вості. «Головка» гідрофільна, оскільки до ї ї складу входить Оксиген і зв’язки є поляризованими. «Хвости» є залиш ками ж ирних кислот,
- 55. Органічні речовини що м істять багато CH.,-груп. «Хвости» гідрофобні, вони намагаються уникнути взаємодії з водою. Тобто фосфоліпіди маю ть гідрофільно- гідрофобні властивості (мал. 9.6), вони є амф іф ільними сполуками. Я кщ о молекули ф осф оліпідів перебувають на поверхні води, то їх н і «головки» спрямовані до води, а «хвости» виш товхую ться з води назовні. П ри цьому молекули фосфоліпіду утворюють монош ар — по верхневу плівку в одну молекулу завтовшки. А якщ о молекули ф осф оліпідів перебувають повністю у воді, тоді «головки» будуть спрямовані до води (назовні), а «хвости» — від води (усередину). Таким чином утворюються міцели (мал. 9.7, а). Б іліпід- ний шар може замикатися сам на себе, у результаті чого утворюється ліпосома (мал. 9.7, б), ззовні та всередині я к о ї міститься вода. М оле кули ф осф оліпідів у стін ц і такої бульбаш ки утворю ю ть біш ар, тобто розташ овую ться у два ряди «головками» до води, а «хвости» розгор н уті один до одного. «Ж ирні» неполярні частини молекул при цьому взаємодію ть одна з одною, а полярні частини — з водою. Біліпідний шар (мал. 9.7, в) є основою всіх кліти н н их мембран, однак, окрім л іп ід ів , ці мембрани м істять ще й білки. Важ ливу біологічну роль відіграю ть такі складні сполуки, як глі- коліпіди, що складаються з вуглеводів та л іп ід ів. їх особливо багато у тканинах мозку та нервових волокнах. До л іп ід ів належать деякі вітам іни (A, D) та гормони (наприклад, статеві), а також такі сполуки, як лецитин та холестерин. в Мал. 9.6. Будова фосфоліпідів: залишки ортофосфатної кислоти (1), молекули гліцеролу (2) і молекули жирної кислоти (3) Мал. 9.7. Міцели (а), ліпосоми (б), біліпідний шар (в)
- 56. 56 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ а б Рис. 9.8. З воску бджола будує стільники (о), восковий наліт на листках рослин захищає їх (б) Стероїди, воски' З усіх стероїдів в організм і лю дини в найбільш ій кількості м іс титься холестерол. Стероїдами також є статеві гормони (естроген, прогестерон, тестостерон), вітам ін D. Воски використовую ться тваринами та рослинами як водовідштов хувальне покриття (бдж олині стільники, покриття п ір ’я птахів, зо вн іш н ій покрив листя, плодів та насіння деяких рослин) (мал. 9.8). Функції ліпідів Л іп ід и дуж е ш ироко представлені в ж и вій природі та відіграю ть надзвичайно важ ливу роль у к л іти н і й організмі. Будівельна функція. Л іп ід и беруть участь у побудові мембран к л і тин усіх органів та тканин, а також в утворенні багатьох біологічно важ ливих сполук. Енергетична функція. Л іп ід и забезпечують 25— ЗО % у сієї енергії, необхідної для організму. У процесі повного розпаду 1 г ж иру виді ляється 38,9 к Д ж енергії. Функція запасання поживних речовин. Ж ири є своєрідними «енер гетичними консервами». Ж ировим и депо м ож уть бути і крапля ж иру всередині кліти н и, і «жирове тіло» у комах, і п ідш кірна клітковина в лю дини, у я к ій накопичується ж ир. Теплоізоляційна функція. Ж и р и погано проводять тепло. Вони відкладаю ться під ш кірою , утворюючи в деяких тварин величезні скупчення. Наприклад, у кита шар п ідш кірного ж иру сягає 1 м. Це дозволяє теплокровній тварині ж ити в холодних полярних водах. Захисна функція. Ш ар ж иру захищ ає н іж н і органи від ударів та струсів (наприклад, навколониркова капсула, жирова подуш ка на вколо ока). Ж ироподібні сполуки покривають тонким ш аром листки рослин, не даючи їм намокати під час сильних дощ ів.
- 57. Органічні речовини Гормональна ф ункція. Багато л іп ід ів є попередниками гормонів у біосинтезі. Наприклад, до л іп ід ів належать статеві гормони лю ди ни та тварин: естрадіол (ж іночий гормон) і тестостерон (чоловічий гормон). У багатьох ссавців існує спеціальна жирова тканина, що відіграє переважно роль терморегулятора, своєрідного біологічного «обігрі вача». Ц ю тканину називають «бурим ж иром». У ній виробляється енергія, що має для ссавців важ ливе значення в умовах ж и ття за низьких температур. Дізнайтеся більше ........................................................... Із ненасичених жирних кислот у клітинах людини та тварин син тезуються такі регуляторні речовини, як простагландини. Вони мають широкий спектр біологічної активності: регулюють скоро чення мускулатури внутрішніх органів, підтримують тонус судин, регулюють функції різних відділів мозку, наприклад центру тер морегуляції. Підвищення температури тіла при деяких захворюваннях пов'язане з підсиленням синтезу простагландинів та збудженням центру терморегуляції. Широко застосовуваний у медицині аспі рин гальмує синтез простагландинів і таким чином знижує тем пературу тіла. Опорні точки Л іп ід и — це органічні сполуки з різною структурою , але спільни м и властивостями: вони є нерозчинними у воді, добре розчиняються у неполярних органічних розчинниках. У ж ивих організмах містяться різні ліп іди, зокрема фосфоліпіди, ж ири та стероїди тощо. Особливо важ ливими ж ироподібними речовинами є фосфоліпіди. Вони завдяки своїй будові маю ть здатність утворювати біліп ід н и й шар, що є основою біологічних мембран. Л іп ід и виконую ть будівельну, енергетичну, захисну, теплоізоля ційну, гормональну ф ункції, ф ункцію запасання. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Назвіть основну властивість, яка споріднює всі ліпіди. 2. У чому полягає енергетична функція жирів? 3. Чим визначаються властивості жирів? 4. Які функції можуть виконувати ліпіди? 5. Що таке фосфоліпіди? Яку біологічну функцію вони виконують?
- 58. 5$ МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 6. Завдяки яким властивостям жири виконують теплоізоляційну функцію? 7. Що ви знаєте про регуляторні функції ліпідів? 8. Як структура фосфоліпідів пов'язана з їхніми біологічними функ ціями? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Тема. Визначення деяких органічних речовин та їхніх властивостей Мета: навчитися визначати жири та полісахариди, вивчити їхні влас тивості. Обладнання та матеріали: штатив із пробірками, градуйовані піпет ки, крапельниця, скляні палички, водяна баня або посудина з гарячою водою, годинник; дистильована вода, концентрована хлоридна кисло та, розчин Люголя, рослинна олія, етиловий спирт, бензен, хлороформ; водні 10%-ві розчини питної соди та натрій гідроксиду, а також 1%-ві розчини купрум сульфату та крохмалю. Завдання 1 Виявлення крохмалю в реакції з йодом та глю кози, що утворю єть ся п ід час розщ еплення крохмалю , у р еакції з ісупрум сульфатом. Хід роботи О В ізьм іть зі ш татива дві пробірки, пронумеруйте їх. Улийте в кож ну пробірку по 2 мл розчину крохмалю. © У першу пробірку додайте 1— 2 краплі розчину Люголя, перемі шайте скляною паличкою. Запиш іть, яке забарвлення з’явилося. 1) Н агрійте пробірку. Запиш іть, чи змінилося забарвлення. 2) Охолодіть пробірку. Запиш іть, чи змінилося забарвлення. 3) Зробіть висновок відповідно до мети завдання. © У ДРУГУ пробірку налийте 2— 3 краплі концентрованої хлорид- ної кислоти, прокип’ятіть ї ї вм іст на водяній бані протягом 15 хв, додайте 2 мл розчину натрій гідроксиду, 5 крапель роз чину купрум сульфату, нагрійте до кип інн я на водяній бані. За пиш іть, як зміню ється забарвлення. О Зробіть висновок відповідно до мети завдання. Завдання 2 Вивчення розчинності ж ирів у різних розчинниках.
- 59. Органічні речовини Хід роботи О В ізьм іть зі штатива чотири пробірки та пронумеруйте їх. Улийте в кож ну пробірку по 0,2 мл рослинної олії. © Додайте до пробірок: № 1 — 5 мл дистильованої води, № 2 — 5 мл етанолу спирту, № 3 — 5 мл бензену, № 4 — 5 мл хлоро форму. © Переміш айте вм іст кож ної пробірки. Запиш іть результати спо стереження. © У пробірку № 1 додайте ще 5 мл розчину питної соди. Перемі шайте вміст пробірки. Запиш іть результат спостереження. © Зробіть висновок відповідно до мети завдання. § 10. Структура і функції білків Білки Багато органічних сполук, що входять до складу кліти н , характе ризую ться великим розміром молекул і є біополімерами. Біополімери — це органічні речовини, що складаються з повто рюваних структурних одиниць — мономерів. До біополімерів нале ж ать молекули білків, що становлять 10— 20 % від сирої маси та 50— 80 % від сухої маси кліти ни. Білки — це ор ган ічн і сполуки, полімери, мономерами в яких є ам інокислоти. Амінокислоти — це невеликі за розміром орга н іч н і сполуки, у молекулі я к и х одночасно м істя ться аміногрупа й карбоксильна група. Ц і ам інокислоти маю ть загальну формулу (мал. 10.1), де R — це радикал, який у кож ної амінокислоти свій, а решта в молекулі амінокислот однакова. Дізнайтеся більше ...................................................... Білки називають також протеїнами (від грец. protos — перший, головний). Цією назвою вчені вказали на надзвичайно важливе значення білків для всіх життєвих процесів. н Мал. 10.1. Загальна формула амінокислоти
- 60. 60 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ У процесі біосинтезу білка до його складу вклю чаю ться 20 а м і нокислот: аланін (Ала), аргінін (Apr), аспарагінова кислота (Асп), аспарагін (Асн), валін (Вал), гістидин (Гіс), гліцин (Глі), глутамінова кислота (Глу), глутам ін (Глн), ізолейцин (Іле), лейцин (Лей), лізин (Ліз), метіонін (Мет), пролін (Про), серин (Сер), тирозин (Тир), треонін (Тре), триптофан (Три), ф енілаланін (Фен), цистеїн (Цис). Є амінокислоти, яких організми людини і тварин синтезувати не мо ж уть, вони називаються йезаміиними й обов’язково мають надходити до організму з їж ею . Незамінними амінокислотами для людини та тва рин є: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан та фенілаланін, а для дітей ще й амінокислоти аргінін та гістидин. А м ін оки слоти м ож уть з ’єднуватися одна з одною через сп іл ьн і для них групи: ам іногрупа одн ієї ам інокислоти з’єднується з карбо ксильною групою ін ш о ї амінокислоти (мал. 10.2). У процесі з’єднання утворюється молекула води. М іж ам інокислотами, що з’єдналися, О 11 виникає зв’язок — С — N — , який називають пептидним, а сполуки, що м істять декілька амінокислот, називають пептидами. Сполуку з великої кількості амінокислот називають поліпептидом. Б ілок може являти собою один або декілька поліпептидів. До складу більш ості білків входить 300— 500 ам інокислотних залиш ків, але є й більш і білки, що складаю ться з понад 1500 амінокислот. Б ілки відрізняю ться кількістю амінокислот і порядком чергування їх у поліпептидному ланцю гу. Н Карбоксильна група Аміногрупа H2N — С Н — С т / ОН II N — СН — С О О Н ----► Пептидний зв'язок Мал. 10.2. Реакція утворення дипептиду
- 61. Органічні речовини Рівні організації білкової молекули Білкова молекула має складну структуру. Первинна структура білка представлена поліпептидним ланцю гом. У первинній стр уктур і всі зв’язки м іж ам іноки слотам и ко валентні, а отже, м іц н і. Первинною структурою білка називають к іл ь к ість і послідовність ам ін оки слот у поліпептидному ланцю гу (мал. 10.3, а). Вторинна структура білка — це спосіб упакування первинної струк тури в альфа-спіраль або бета-шар (мал. 10.3, б, в). Альф а-спіраль виникає в результаті утворення водневих зв’язків м іж групами — СО- та — N H , розташ ованими на р ізни х витках спіралі (мал. 10.3, б). Бета-шар утворюється в результаті ф ормування водневих зв’язків м іж СО-групами одного поліпептидного ланцю га та N H -групами ін шого поліпептидного лан цю га’(мал. 10.3, в). Унаслідок цього вели ка к іл ьк ість поліпептидних ланцю гів може розташ овуватися поряд, формуючи бета-шар. Наступний рівень упакування білкової молекули — третинний, характерний для білків, у яких вторинна структура представлена альфа-спіраллю (мал. 10.3, г). У білків, щ о маю ть бета-шар, третинна структура не виражена. Третинна структура білка — це спосіб упакування альфа-сніралі у просторову глобулу. Третинна структура білка утворю ється за вдяки додатковим водневим зв’язкам , гідроф ільно-гідроф обним взаємодіям та ковалентним дисульф ідним зв’язкам — S — S — , я к і виникаю ть м іж двома молекулами цистеїну. б в г д Мал. 10.3. Рівні організації білкової молекули: первинна структура білка (а); вторинна структура: б — альфа-спіраль, в — бета-шар; третинна структура (г); четвертинна структура (д)
- 62. 62 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ б Мал. 10.4. Глобулярні (а) і фібрилярні (б) білки Спосіб спільного упакування декількох поліпептидних ланцю гів називаю ть четвертинною структурою білка. Наприклад, м олеку ла гемоглобіну — білка, що м іститься в еритроцитах,— складаєть ся з чотирьох поліпептидних ланцю гів, кож ен з яки х з ’єднується із ф ерумовмісним гемом (гем — небілкова частина гемоглобіну). У результаті їх об’єднання й утворюється молекула гемоглобіну, що здатна здійсню вати транспортування газів. Я кщ о поліпептидні ланцю ги леж ать у вигляді клубка, то та к і б іл ки називають глобулярними. Я кщ о поліпептидні ланцю ги леж ать у пучках ниток, вони маю ть назву фібрилярних білків (мал. 10.4). Денатурація т а ренатурація білка Починаю чи зі вторинної структури, просторова конф ормація ма кромолекул білка підтрим ується переважно слабкими х ім іч н и м и зв’язками. П ід впливом зовніш ніх чинників, наприклад зм ін и тем ператури, складу солей у середовищі, pH , радіації, зв’язки, щ о утри мую ть макромолекулу, рвуться і структура білка та його властивості зміню ю ться. Ц ей процес називається денатурацією. Денатурація — це порушення природної структури білка. Я кщ о по рушуються всі структури білка, включаючи первинну, така денатурація називається необоротною. Але бувають і процеси оборотної денатурації. За умови збереження первинної структури білка після усунення чин ника, що призвів до денатурації, багато білків здатні повернути свою природну форму. Такий процес називається ренатурацією (мал. 10.5).
- 63. Органічні речовини 1 Мал. 10.5. Схема ренатурації білка: 1 — S—S-зв'язки; 2 — цистеїн Біологічні функції білків Структура білків дозволяє їм виконувати різні біологічні ф ункції. 1. Ферментативна функція. Х ім іч н і р еакц ії у к л іти н і відбува ю ться за участю особливих біологічних каталізаторів — ферментів. Ферменти — це глобулярні білки, здатні прискорювати х ім іч н і реак ц ії у к л іти н і в десятки та сотні разів. 2. Структурна функція. Б іл к и входять до складу всіх мембран, що оточують і пронизую ть кліти н у, й усіх органел. 3. Транспортна функція. У крові, зовніш ніх кліти н н их мембранах, у цитоплазмі та ядрі кліти н є р ізн і транспортні білки. У крові є білки- транспортери, я к і розпізнаю ть і зв’язую ть певні гормони й несуть їх до певних к літи н . Т а к і к літи н и маю ть рецептори, що впізнаю ть ц і гормони. У зовніш ніх клітинних мембранах теж є білки-транспортери, я к і забезпечують активне і чітко вибіркове транспортування все редину й назовні к літи н и різних речовин та йонів. Саме з білками пов’язане перенесення кисню та вуглекислого газу в т іл і тварин і людини: його здійсню є білок крові — гемоглобін. 4. Рухова, скоротлива функція. У с і види рухових реакцій к літи н и виконую ться особливими скорочувальними білками, котрі зумовлю ю ть скорочення м ’язів, рух д ж гути ків та війок у найпростіш их, пере м іщ ення хромосом під час поділу кліти ни, рух рослин. 5. Захисна функція. Багато біл к ів утворюють захисний покрив, щ о захищ ає організм від ш кідливих впливів, наприклад рогові утво рення — волосся, н ігті, копита, роги. Ц е механічний захист. У від повідь на проникнення до організму чуж орідних агентів (антигенів) у клітинах крові виробляються речовини білкової природи (антитіла), котрі знеш кодж ую ть їх , захищ аю чи організм. Захисним білком є, наприклад, інтерферон. 6. Енергетична функція. Б іл к и м ож уть бути джерелом енергії. П ід час розпаду 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється близь ко 17 к Д ж енергії. О днак білки використовую ться як джерело
- 64. 6 4 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ енергії зазвичай коли вичерпуються ін ш і джерела, так і як вуглеводи та ж ири. 7. Б іл к и мож уть також виконувати запасаючу функцію, напри клад казеїн молока. 8. Гормональна функція. Б ілки мож уть бути регуляторами ф ізіо логічних процесів — гормонами. Багато гормонів є білками, напри клад гормон росту, адренокортикотроиний гормон, тиреотропний гормон та ін ш і гормони гіпоф іза. 9. Регуляторна функція. Багато процесів регулю ються білковими молекулами, я к і не служ ать н і джерелом енергії, н і будівельним мате ріалом для кліти н и. Ц і білки регулю ю ть транскрипцію , трансляцію , активність ін ш и х білків. Регуляторну ф ункцію білки здійсню ю ть або за рахунок ф ерментативної активності, або за рахунок специф ічного зв’язування з ін ш и м и молекулами. 10. Сигнальна функція — це здатність б іл к ів служ ити сигнальни ми речовинами, передаючи сигнали м іж тканинами, кліти н ам и або організмами. Сигнальну ф ункцію часто об’єдную ть з регуляторною, оскільки регуляторні білки теж мож уть здійсню вати передачу си г налів. Дізнайтеся більше ...................................................... Відома велика група білкових факторів росту, що активують фер менти синтезу ДНК у клітинах і таким чином посилюють поділ клітин. Це важливо для відновлення тканин у випадку поранень, а також після операцій. Але надлишковий синтез факторів росту може спричиняти надто інтенсивний поділ клітин — їх злоякіс ний ріст, виникнення злоякісних пухлин. Блокувати надлишко вий синтез деяких факторів росту або пригнітити їх дію означає пригнітити зростання злоякісної пухлини. На цьому шляху вчені шукають нові засоби для лікування раку. Опорні точки Б ілки — це органічні сполуки, полімери, мономерами в яких є амінокислоти. А м іноки слоти — це невеликі за розмірами орга н іч н і сполуки, у молекулі яких одночасно містяться карбоксильна й аміногрупа. У процесі біосинтезу білка до його складу вклю ча ються 20 амінокислот. Б ілки відрізняю ться кількістю амінокислот і порядком чергування їх у поліпептидному ланцю гу та маю ть первинну, вторинну, третинну і четвертинну структури. Структура білків дозволяє їм виконувати р ізн і біологічні ф унк ції: ферментативну, рухову, структурну, гормональну, регуляторну, енергетичну, захисну, транспортну, сигнальну.
- 65. Органічні речовини Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке білки? 2. Які біологічні функції виконують білки? 3. Що таке первинна структура білка? 4. Які зв'язки утворюють первинну структуру білка? 5. Яка біологічна функція є характерною тільки для білків? 6. У яких випадках денатурація може бути оборотною? 7. Як формується вторинна структура білка? 8. Яка структура білка забезпечує виконання ним його біологічних функцій? 9. Чому саме білки можуть виконувати такі різні біологічні функції? §11. Структура і функції ферментів. Вітаміни, гормони, фактори росту, їх роль у життєдіяльності організмів Ферменти Ферменти — це білкові молекули, що є біологічним и каталізатора ми. Вони присутні в усіх ж иви х кліти н ах та сприяю ть перетворенню одних речовин (субстратів) на ін ш і (продукти). Ф ерменти виступають у ролі каталізаторів практично в усіх б іох ім іч н и х реакціях, що від буваються в ж ивих організмах. Дізнайтеся більше ...................................................... Ферменти називають також ензимами (слово «ферменти» — ла тинського походження, «ензими» — грецького). Терміни «фермен ти» й «ензими» вчені вживають як синоніми, наука про ферменти називається ензимологією. К ож ний фермент забезпечує одну або кілька реакцій одного типу. Наприклад, ж ири у травному тракті, а також у к л іти н і розщ еплю ються спеціальним ферментом — ліпазою , яка не діє на полісахариди та білки, фермент амілаза, щ о розщеплює крохмаль або глікоген, не діє на ж ири. Кож на молекула ферменту може здійсню вати від кількох тисяч до кількох мільйонів операцій за хвилину. П ід час цих операцій фермент не витрачається та не зміню ється. За х ім іч н и м складом розрізняю ть прості ферменти, я к і склада ються тільки з амінокислот, і складні ферменти, що маю ть небілкову частину (наприклад, вітам іни, йони Ц инку, М агнію , Феруму). Основною ф ункцією ферменту є прискорення ш видкості перебі гу реакцій у сотні разів. Без ф ерментів процеси ж иттєдіяльності не мож ливі.
- 66. 6 6 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ У процесі реакції, щ о каталізується, у контакт із субстратом всту пає не вся молекула ферменту, а певна її ділянка, що називається активним центром (мал. 11.1). В ластивості ферментів Основною властивістю ф ерментів є їх здатність утворювати за до помогою активного центру фермент-субстратний комплекс і приско рювати перебіг реакції. Але існую ть й ін ш і важ ливі властивості ферментів: — прискорю ю чи ш видкість реакції, вони самі в ц ій реакції не витрачаються; — ферменти є високоспециф ічними: один фермент може ка талізувати лиш е одну реакцію або декілька реакцій одного типу; — присутність ферментів не впливає ні на властивості, ні на при роду субстрату і кінцевого продукту (або продуктів) реакції; — дуж е мала к іл ьк ість ферменту спричиняє перетворення ве ли ки х кількостей субстрату; — активність ф ерментів залежить від p H середовища, темпера тури, тиску, концентрацій субстрату тощ о. Механізм дії ферментів Існує дві гіпотези, щ о пояснюють, я к д ію ть ферменти. Одна з них називається гіпотезою «ключа та замка», а друга — гіпотезою «руки та рукавички». Відповідно до перш ої, субстрат є «клю чем», який точно підходить до «замка» — ферменту (мал. 11.1). Н айваж ливіш ою частиною «зам ка» є активний центр. Саме з ним і з’єднується субстрат, оскільки форма субстрату відповідає ф ормі активного центру. Утворю ється ф ермент-субстратний комплекс. Ц е активований стан, який веде до Субстрат Продукти реакції А А _ А Активний центр _Яь Вільний фермент Фермент- субстратний комплекс Вільний фермент Мал. 11.1. Механізм дії ферментів «замок»
- 67. Органічні речовини утворення продуктів реакції. П родукти, що утворилися, за формою уже не відповідаю ть активному центру. Вони відокремлю ю ться від нього, після чого активний центр, що звільнився, мож е приймати нові молекули субстрату. Відповідно до другої гіпотези, активний центр не чітко підходить до субстрату. Субстрат спричиняє певні зм іни в активному центрі, і «рукавичка» дещо зміню ється, будучи одягнутою на «руку». Використання ферментів у промисловості Лю дина активно застосовує ферменти у промисловості. П ерш ий патент на використання ферментних препаратів з промисловою метою було отримано у 1981 році. Ф ерменти використовую ться в харчовій та кондитерській промисловості, а також у текстильній промисловості для відбілю вання й обробки п р яж і та бавовняних ниток. Ферменти мож на використовувати, не вилучаючи їх із ж ивих орга нізм ів, безпосередньо в бактеріальних клітинах. Ц ей спосіб є основою будь-якого мікробіологічного виробництва. Б іо х ім ік и думали про те, як застосовувати чисті препарати фер ментів, щоб уникнути побічних реакцій, супутніх ж иттєдіяльності мікроорганізмів. Створення виробництв, у яки х використовую ться ферменти в чистому вигляді як реактиви, дуж е вигідні. Але є прин ципове ускладнення: багато ф ерментів після їх вилучення з кліти н и дуж е ш видко деактивую ться, руйную ться. Уч е н і знайш ли розв’язання проблеми. Д ля того щоб зробити фер менти стійким и, придатними для багаторазового тривалого промис лового використання, їх за допомогою м іц н и х х ім іч н и х зв’язків при єднують до нерозчинних або розчинних носіїв. У результаті ферменти стаю ть стійким и. Створення таких ф ерментів — заслуга інж енерної ензимології, одного з нових напрямків біотехнології. Сьогодні за допомогою ме тодів інж енерної ензимології у промисловості отримую ть, наприклад, глю козо-ф руктозні сиропи, напівсинтетичні п еніц и лін и, дієтичне безлактозне молоко тощо. Вітаміни, гормони, фактори росту, їх роль у ж иттєдіял ьн о сті організмів Вітаміни (від латин, vita — ж иття) — це низькомолекулярні орга нічні сполуки різної х ім ічн ої природи, що виконують важливі біохі м ічні та ф ізіологічні ф ункції. В ітаміни входять до складу ферментів. Вони потрібні організмові в дуж е невеликих кількостях. Лю дина та тварини не синтезую ть вітам ін и або синтезую ть їх у недостатній к іл ьк ості й том у повинні отримувати їх із їж ею . Основне джерело
- 68. 6% МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ віта м ін ів — рослини, у яки х мож уть м істи тися і так звані провітам і ни, що перетворюються на вітам іни в організмі. Розрізняю ть водо- та ж иророзчинні вітам іни. До водорозчинних віта м ін ів належать віта м ін С (аскорбінова кислота), вітам ін и групи В — B t (тіамін), В 2 (рибофлавін), В (.(піридоксин), В 12 (кобаламін), вітам ін Р Р (ніацин) та ін ш і. До ж иророзчинних — вітам ін А (реті- нол), D (кальдиферол), Е (токоферол) та в іта м ін К (нафтохінон). У складі ф ерментів віта м ін и беруть участь в енергетичному обм іні (вітам іни В ( і В 2), біосинтезі та перетвореннях ам інокислот (вітам іни Вв і В 12), ж ирних кислот (гіантотенова кислота) та ін ш и х процесах. Ф у н к ц ії ж иророзчинних віта м ін ів пов’язані із процесами світло- сприйняття (вітам ін А), зсідання крові (вітам ін К), засвоєння К аль цію (вітам ін D) тощ о. Гормони — це біологічно активні сполуки, щ о виділяю ться зало зами внутріш ньої секреції безпосередньо у кров і лімф у (мал. 11.2). За своєю х ім іч н о ю будовою гормони м о ж у ть бути похідним и холестерину, наприклад гормони кори надниркових залоз — корти костероїди (гідрокортизон, кортикостерон, альдостерон) — і гормо ни статевих залоз (тестостерон, естрадіол, прогестерон). А мож уть бути білковим и, наприклад гормони, щ о виділяю ться гіпоф ізом (окситоцин, вазопресин, адренокортикотроіш ий гормон та ін ш і). Існую ть гормони — п охідн і амінокислоти тирозину, до них належать тироксин, трийодтиронін, я к і виділяю ться щ итоподібною залозою, та адреналін, норадреналін, щ о виділяю ться мозковою речовиною надниркових залоз. 5 Мал. 11.2. Залози внутрішньої та змішаної секреції: 1 — гіпофіз; 2 — щитоподібна залоза; 3 — паращитоподібні залози; 4 — надниркові залози; 5 — підшлункова залоза; б — сім'яники {яєчники в жінок); 7 — вилочкова залоза (тимус)
- 69. Органічні речовини Д ія гормонів різноманітна й виявляється в дуж е малих концент раціях. Вони справляють регулю вальний вплив на всі р еакції обм і ну речовин, відіграю ть важ ливу роль у підтрим уванні гомеостазу, процесах адаптації організму до зм ін н и х умов середовища. Гормони регулю ю ть ріст, розмнож ення та диференціювання тк а нин, синтез білків, проникність кліткови х мембран. Пригадайте ........................................................... Гомеостаз — це система скоординованих реакцій, спрямованих на забезпечення підтримання або відновлення сталості внутріш нього середовища організму. Фактори р о сту Д ля підтримування ж и ття нормальних кліти н вищ их організмів абсолютно необхідною є їх взаємодія з унікальною комбінацією спе циф ічних ф акторів росту. Факторами росту називають групу білкових молекул, щ о вплива ють на синтез Д Н К у к л іти н і, диференціювання к л іти н та їх поділ. Еф екти ф акторів росту, на відм ін у від гормонів, мож уть тривати про тягом кількох днів. Вони зазвичай стимулю ю ть поділ певних типів клітин. Я к правило, вони виділяю ться одними кліти н ам и і дію ть на ін ш і кліти ни, хоча інколи буває так, що вони дію ть на т і самі к літи н и, я к і їх виділяю ть. Ф актори росту дію ть на свої кліти н и -м іш ені, що відрізняю ться від ін ш их кліти н характерними рецепторами. Опорні точки Ф ерменти — це білкові молекули, що є біологічними каталізатора ми. Основною ф ункцією ферментів є прискорення ш видкості перебігу біологічних реакцій. К ож ний фермент забезпечує одну або декілька реакцій одного типу. У процесі реакції, що каталізується, у контакт із субстратом вступає не вся молекула ферменту, а певна її ділянка, яка називається активним центром. Завдяки активному центру фермент може формувати із субстратом фермент-субстратний комплекс, що зниж ує енергію акти вації реакції. Саме це і сприяє тому, що реакція відбувається набагато швидше. Важ ливу роль у ж иттєдіяльн ості організмів відіграю ть також в і там іни, гормони, фактори росту.
- 70. 70 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке ферменти, гормони, фактори росту? 2. Чи змінюється фермент у процесі реакції? 3. Від яких чинників залежить активність ферментів? 4. Які проблеми вирішує інженерна ензимологія? 5. Одні ферменти є найбільш активними в кислому середовищі, а інші — у лужному. Чим це можна пояснити? 6. Яку роль відіграє фермент-субстратний комплекс? 7. Як біологічна роль ферментів пов'язана з їхньою будовою? 8. Як ви вважаєте, чому всі ферменти — глобулярні білки? Чи можуть, наприклад, вуглеводи виконувати каталітичні функції? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Тема. Вивчення властивостей ферментів Мета: вивчити властивості ферментів та умови їхньої активності. Обладнання та матеріали: штатив із пробірками, градуйовані піпет ки, крапельниця, колба, скляні палички, термостат, водяна баня, роз чин Люголя, дистильована вода, склянка з льодом, водний 0,2%-й роз чин крохмалю. Завдання 1 Вивчення д ії ф ерменту слини (амілази) на крохмаль. Хід роботи О Сполосніть ротову порожнину 2— 3 рази водою. П отім протягом З— 5 хв прополощіть ротову порожнину 50 мл дистильованої води та зберіть розчин слини в колбу. © В ізьм іть зі ш татива дві пробірки та пронумеруйте їх. Улийте в кож ну пробірку по 2 мл розчину крохмалю. © У пробірку № 1 додайте 0,5 мл розчину слини, в якому є фер мент амілаза, а в пробірку № 2 додайте 0,5 мл дистильованої води. Переміш айте вм іст пробірок. С І Пробірки № 1 і 2 помістіть на 15 хв у термостат за температури 38 °С. П ісл я цього слід витягти пробірки з термостата та додати до їхнього вмісту 1— 3 краплі розчину Люголя. © Запиш іть результати спостережень. Зробіть висновок.
- 71. Органічні речовини Дослідж ення впливу температури на активність ферменту ам іла зи в реакції з крохмалем. Хід роботи О Візьміть зі штатива чотири пробірки та пронумеруйте їх. Улийте в кожну по 2 мл розчину крохмалю та по 0,5 мл розчину слини. © Пробірку № 1 залиш те за кім натної температури, пробірку № 2 помістіть у термостат за температури 38 °С, пробірку № 3 по ставте кип ’ятити на водяній бані, пробірку № 4 поставте у склянку з льодом. © Через 10— 15 хв витягніть пробірку з термостата, водяної бані та склянки з льодом і в усі чотири пробірки додайте по 2— З краплі розчину Люголя. © Запиш іть результати спостережень. © Зробіть висновок. Завдання 2 Теми для проектної і групової роботи 1. Використання ферментів у промисловості. 2. Використання вуглеводів у промисловості. 3. Правила безпечного використання засобів побутової хімії. 4. Правила безпечного використання біодобавок. 5. Правила безпечного використання медичних препаратів. План виконання проектної роботи О Визначення мети проекту. © Аргументування актуальності теми проекту. © Визначення джерел інф ормації. О Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз і узагальнення. © Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). © Формулювання висновків. & Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо).
- 72. 72 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ § 12. Структура нуклеїнових кислот В ід к р и ття нуклеїнових кислот Нуклеїнові кислоти — це високомолекулярні органічні сполуки, щ о забезпечують зберігання, реалізацію , зм іну та передавання спад кової інф орм ації в ж ивих організмах. Уперш е їх описав у 1869 році ш вейцарський б іо х ім ік Ф р ід р іх М іш ер (мал. 12.1), яки й виділив із ядра к л іти н речовину, названу ним нуклеїном (від латин, nucleus — ядро), оскільки вважав, щ о нуклеїн м іститься лиш е в ядрах клітин. Особливості будови та біологічні ф ун кц ії нуклеїнових кислот тр и валий час лиш алися невідомими. А ле саме з ’ясування структури нуклеїнових кислот відкрило нову епоху в біології, дозволило зрозу м іти молекулярні основи спадковості та м інливості. Будова нуклеотиду Нуклеїнові кислоти — це полімери, мономерами в яки х є нуклео- тиди. До складу нуклеотиду входять: 1. Моносахарид (пентоза) — це може бути рибоза (мал. 12.2) або дезоксирибоза (мал. 12.3). 2. Нітратні основи — це може бути урацил, ти м ін , аденін, гуа нін, цитозин (мал. 12.4). 3. Залишок оргофосфатної кислоти. У с і три компоненти нуклеотиду об’єдную ться разом так: при об’єднанні пентози з нітратною основою утворю ється нуклеозид, а п отім до нього приєднується залиш ок ортофосфатної кислоти й у т ворюється нуклеотид (мал. 12.5). Я кщ о до складу нуклеотиду в нуклеїновій кислоті входить рибоза, то така кислота має назву рибонуклеїнова кислота (РН К ), а якщ о дезоксирибоза — дезоксирибонуклеїнова кислота (ДІІК). а 6 Man. 12.1. Мішер Йоганн Фрідріх (а) — швейцарський лікар, першовідкривач нуклеїнових кислот; модель ДНК (б)
- 73. Органічні речовини СІ [„ОН -О, С н н| с- он V/;н -с І І он он Мал. 12.2. Рибоза сн2он0 он ч; н н / н| 1/ с----— с1 ОН 1 н Мал. 12.3. Дезоксирибоза О II X . HN О NH Урацил СН У U • II II СН Н Є н е NH, І 2 О II с . N il Тимін N11 І І Г С - ^ С Н Аденін О II X . HN H.,N N СН / N11 N Гуанін Мал. 12.4. Нітратні основи О HC II н е n h 2 I NH О Цитозин Залишок ортофосфатної кислоти Г г HC N ОН І 0 = Р - 0 - С Н , 1 ■І і - ОН !Н Н| с- Цитозин .О у/і-С І ОН Н Дезоксирибоза Мал. 12.5. Три компоненти нуклеотиду утворюють єдиний мономер
- 74. 74 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Будова ДНК т а РНК До складу нуклеотидів Д Н К мож уть входити чотири нітратн і осно ви: аденін, ти м ін , гуанін, цитозин. У нуклеогидах Р Н К також м о ж уть бути чотири н ітр атн і основи — аденін, гуанін, цитозин, урацил. Т и м ін у Р Н К не м іститься, натомість присутній урацил. Т и м ін від різняється від урацилу наявністю метильної групи — С Н 3, відсутньої в урацилі (див. мал. 12.4). Н уклеотиди об’єдную ться один з одним за допомогою фосфоді- естерних зв’язків (мал. 12.6). Існую ть ч ітк і закономірності в будові молекули Д Н К . 1. В молекулах Д Н К к іл ьк ість аденіну завж ди дорівнює кількості ти м ін у, а к іл ьк ість гуаніну — кількості цитозину. Така закономір ність називається правилом Чаргаф ф а на честь ученого, який її від крив. 2. Н ітратн і основи формують пари аденін — тимін, гуанін — цитозин і є комплементарними одна одній (мал. 12.7). К ом плем ентарність — це здатність н ітратних основ утворювати м іж собою водневі зв’язки. Я кщ о відома послідовність основ в одному ланцю зі Д Н К , то завдя ки специф ічності парування, комплементарності двох ланцю гів стає відомою і послідовність основ у другому ланцю зі. о |0 W 1С ----С Фосфодіестерні зв'язки між нуклеотидами (? он Мал. 12.6. Схема будови нуклеїнових кислот
- 75. Органічні речовини ,N—Н N—{ )=N Дезоксирибоза ►H— N ь Дезоксирибоза Н Аденін СН:і о ••••Н — N N . j_^ _^ Дезоксирибоза Дезоксирибоза Цуїтозин Гуанін б Мал. 12.7. Між аденіном і тиміном утворюються три водневі зв'язки (а), а між гуаніном і цитозином — два (б) Мал. 12.8. Схема дволанцюгової молекули ДНК 3. М олекула Д Н К є дволанцюговою (мал. 12.8) й утворює подвійну спіраль (мал. 12.9), по 10 пар нітратних основ у кож ному витку. 4. Пентозоортофосфатний скелет Д Н К розташований на перифе р ії молекули Д Н К , а н ітр атн і основи — усередині. А денін в одному ланцю зі завжди зв’язаний водневими зв’язками з ти м ін ом у друго му ланцю зі, а гуанін в одному ланцю зі завжди зв’язаний водневими зв’язками з цитозином у другому ланцю зі (див. мал. 12.8). Хоча вод неві зв’язки м іж парами основ є відносно слабкими, кож на молекула Д Н К м істи ть їх так багато, що у ф ізіологічних умовах комплементар н і ланцю ги ніколи самостійно не розділяю ться. М олекула Р Н К , на від м іну від Д Н К , є одноланцюговою. В ід м ін ності в будові Д Н К та Р Н К пов’язані з їх н ім и різними біологічним и ф ункціями. Структура молекули Д Н К дозволяє їй самовідтворювати- ся, молекула Д Н К під час відтворення слугує сама для себе матрицею (мал. 12.9). Структур н і рівні організації нуклеїнових кислот У молекулі Д Н К , що складається із двох полінуклеотидних ланцю гів, виділяю ть первинну, вторинну та третинну структури.
- 76. 76 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Цитозин с ш n h 2 ьпЧИ-чз і н Гуанін І З о y N - G - ^ N 'n Н І н Аденін ш nh2 Нітратні основи Пари основ Пентозно- ортофосфатний ’ скелет Нітратні основи РНК Рибонуклеїнова кислота GD Цитозин NH2 H'C'^-^N І н ш Гуанін О n-H I н Ш Аденін NH, д н ш Тимін О Н3С^-/С=%»^Н it і А ДНК Дезоксирибонук леїнова кислота Нітратні основи Мал. 12.9. Порівняльні характеристики РНК та ДНК Первинна структура становить л ін ій н у послідовність нуклеотидів в одному ланцю зі. У такій формі Д Н К у природі не існує, але саме первинна структура (послідовність нуклеотидів) визначає усі її влас тивості. Вторинна структура — це два полінуклеотидні ланцю ги, кож ний з яких закручений у спіраль вправо та обидва закручені вправо на вкруги однієї осі. Третинна структура Д Н К формується тіл ьк и у зв’язку з білкам и та слугує для більш компактного упакування Д Н К в ядрі. М олекули Р Н К також маю ть первинну, вторинну та третинну структури.
- 77. I Органічні речовини Просторова структура нуклеїнових кислот відіграє важ ливу роль у їх ф ункціонуванні: якщ о вона поруш ується, то поруш ую ться і їх ф ункції. Аденозинтрифосфатна кислота Аденозинтрифосфатна кислота (А Т Ф ) — це нуклеотид, щ о відіграє важ ливу роль в енергетичному обм ін і кліти н и. В ін переносить енер гію . Аденозинтрифосфатна кислота складається із залиш ку нітратної основи (це аденін), пентози (це рибоза) та трьох залиш ків фосфатної кислоти (мал. 12.10). З і складу А Т Ф під впливом ферменту А Т Ф -ази відщ еплю ю ться за ли ш ки фосфатної кислоти. П ри відщ епленні однієї молекули фосфат ної кислоти А Т Ф переходить в А Д Ф (аденозиндифосфатна кислота), а якщ о відщ еплюються дві молекули фосфатної кислоти, А Т Ф перехо дить в А М Ф (аденозинмонофосфатна кислота). Р е а к ц ії відщ еплення кож ної молекули фосфатної кислоти супроводжуються вивільненням енергії, що дорівнює 419 кД ж /м оль. Щ об підкреслити високу енер гетичну «вартість» ортофосфатно-оксигенового зв’язку в А Т Ф , його прийнято називати макроергічним зв’язком. В А Т Ф є два макроер- гіч н і зв’язки. Завдяки своїй структурі молекула А Т Ф може віддавати енергію в ті реакції, де вона необхідна, перетворюючись на А Д Ф , а далі А Д Ф може приєднати залиш ок фосфатної кислоти з поглинанням 419 кД ж /м оль, відновивш и запас енергії. Т аки м чином, А Т Ф відіграє центральну роль у кліти н н их перетвореннях енергії і є універсальним перенос ником енергії. NH, І 2
- 78. 7% МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Опорні точки За своєю структурою нуклеїнові кислоти — полімери, мономерами яких є нуклеотиди. Я кщ о до складу нуклеотиду в нуклеїновій кислоті входить рибоза, то таку кислоту називають рибонуклеїновою кисло тою (РН К ), якщ о дезоксирибоза — дезоксирибонуклеїновою кисло тою (ДНК). М олекула Р Н К є одноланцюговою, а молекула Д Н К — дволандюговою. В ідм ін н ості в будові Д Н К та Р Н К пов’язані з їх різними біологіч ними ф ункціями. А Т Ф — це нуклеотид, що відіграє важ ливу роль в енергетичному обм ін і клітини. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чому нуклеїнові кислоти дістали таку назву? 2. Які компоненти входять до складу нуклеотидів у молекулі РНК та ДНК? 3. У чому полягає зміст правила Чаргаффа? 4. Порівняйте будову молекул РНК і ДНК. 5. Порівняйте структурні рівні організації молекули ДНК та молекули білка. 6. Як структура молекули АТФ пов'язана з її біологічними функ ціями? §13. Функції нуклеїнових кислот Нуклеїнові кислоти К ож н ий вид ж иви х організмів має особливий, тіл ьк и йому при таманний набір білків. Саме білки є основою видової специф ічності. М айж е всі ознаки к л іти н та організму в ц ілом у визначаються білка ми. Я к утворюються ти сячі білкових молекул без ж одної помилки в розташ уванні амінокислот? Структура білка не дозволяє їм само- відтворюватися. Інф ормація про послідовність амінокислот у білках зберігається в молекулах Д Н К . Д Н К кож н ої к літи н и несе в собі ін формацію про структурні білки, що визначають ф орму кліти ни, про білки-ферменти, про білки-гормони та ін. Ц я інф ормація називається генетичною. Н уклеїнові кислоти виконую ть ф ун кц ії зберігання, передавання, зм ін и та реалізації спадкової інф ормації. Д Н К — носій генетичної інф ормації. К ож н ий білок представлений одним або декількома поліпептидними ланцю гами. Д іл ян ка Д Н К ,
- 79. Органічні речовини щ о несе інф орм ацію про будову одного поліпептидного ланцю га білка, називається геном. Кож на молекула Д Н К м істи ть багато р із них генів. С укупність молекул Д Н К кліти н и виконує ф ункцію носія генетичної інф ормації: Д Н К може її зберігати, передавати, зміню вати й брати участь у процесі реалізації генетичної інф ормації. Передача спадкової інформації. Реплікація ДНК С падкоємність генетичного матеріалу в поколіннях кліти н та ор ган ізм ів забезпечується реплікацією молекул Д Н К . Реплікація — це процес матричного синтезу молекули Д Н К на м атриці — молекулі Д Н К . У результаті цього складного процесу, що здійсню ється за допо могою ферментів, утворюються дві подвійні спіралі Д Н К — дочірні молекули, щ о нічим не відрізняю ться одна від одної та від вихідної материнської молекули Д Н К . Реп лікац ія відбувається у к л іти н і перед поділом, том у кож на до чірня клітина отримує такі самі молекули Д Н К , я к і мала материнська клітина. Процес р е п л ік а ц ії базується на принципах комплементарності і напівконсервативності. Принцип комплементарності. К ож н ий із двох ланцю гів материн ської молекули Д Н К слугує матрицею , тобто основою, для синтезу комплементарного ланцю га, щ о доповнює його. Принцип напівконсервативності. У результаті р еп лікац ії утворю ються дві подвійні дочірні спіралі, кож на з яких зберігає в незмінному вигляді один полінуклеотидний ланцю г материнської Д Н К . Д ругий полінуклеотидний ланцю г дочірньої молекули синтезується з ну клеотидів заново за принципом комплементарності нітратних основ (мал. 13.1). ланцюг Мал. 13.1. Схема реплікації ДНК
- 80. % 0 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Функції РНК В аж ливу роль у синтезі білка відіграє Р Н К . За виконуваними ф ункціям и виділяю ть кілька видів Р Н К . Молекули тР Н К найкоротші: вони складаються лише із 80— 100 нуклеотидів. Транспортні Р Н К в основному містяться в цитоплазмі клітини, їхня функція полягає в перенесенні амінокислот до місця синтезу білка — рибосом (мал. 13.2). рРН К належить до найбільших РНК, її молеку ли складаються із 3— 5 тисяч нуклеотидів. Ри- босомна Р Н К входить до складу рибосоми, тобто виконує структурну функцію. іР Н К міститься в ядрі й цитоплазмі. Вона пере носить інформацію про структуру білка від Д Н К до місця синтезу білка в рибосомах. Пригадайте ...................................................... Рибосома — це органела, що забезпечує синтез білка. У с і види Р Н К синтезуються на Д Н К , що є матрицею, тобто осно вою, для їх синтезу. Мал. 13.2. Структура транспортної РНК: а — модель молекули тРНК; б — схема будови тРНК
- 81. Органічні речовини Реалізація спадкової інформації О скільки молекула Д Н К мож е сама себе відтворю вати, то вона може виконувати роль молекули, що передає генетичну інф ормацію наступному поколінню . Д ля цього в природі існує особливий спосіб запису — генетичний код. Генетичний код — це спосіб запису послідовності амінокислот у мо лекулах білка за допомогою послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кислотах. Ген — це ділянка молекули Д Н К , яка кодує послідовність амінокислот одного поліпептидного ланцюга. Я к ви вж е знаєте, у процесах реалізації спадкової інф орм ації беруть участь молекули Р Н К трьох видів — ІР Н К , т Р Н К та р Р Н К . У с і вони синтезую ться на м атр иц і — молекулі Д Н К . Процес син тезу всіх видів Р Н К на м атриці Д Н К називається транскрипцією (від латин, transcriptio — переписування). Транскрипція, як і ре плікац ія, здійсню ється за принципом комплементарності нітратних основ. Наступний етап реалізації спадкової ін ф орм ації — трансляція. Трансляція — це процес синтезу білка на м атриці — молекулі ІР Н К (мал. 13.3). У синтезі білка беруть участь рибосоми, тР Н К , ферменти, ам іно кислоти, молекули А Т Ф тощо. Таким чином, завдяки унікальній будові нуклеїнові кислоти здатні до збереження, відтворення та передавання генетичної інф ормації. Мал. 13.3. Загальна схема синтезу белка: транскрипція і трансляція
- 82. % 2 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Опорні точки Н уклеїнові кислоти виконую ть ф ун кц ії збереження, передавання, зм ін и та відтворення спадкової інф ормації. Процес матричного синтезу молекули Д Н К на матриці — молекулі Д Н К — називають реплікацією. Реплікація — це процес самоподвоєн- ня молекули Д Н К , необхідний для передавання спадкової інформації. У процесах відтворення спадкової інф орм ації беруть участь моле кули Р Н К трьох ти п ів — іР Н К , т Р Н К та р РІІК . Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які функції виконують нуклеїнові кислоти? 2. У якому вигляді в клітинах записано інформацію про послідовність амінокислот у білках? 3. Яку функцію виконують молекули ІРНК? 4. Як молекула ДНК може сама себе відтворювати? 5. Чим процес транскрипції відрізняється від процесу реплікації? Що в них спільного? 6. Чому функцію передачі, збереження та відтворення спадкової ін формації можуть виконувати тільки нуклеїнові кислоти? ПРАКТИЧНА РОБОТА N° 2 Розв'язання елементарних вправ із транскрипції та реплікації. Вправи на моделювання реплікації та транскрипції © Користуючись принципом комплементарності нітратних основ, напиш іть послідовність нуклеотидів у ланцю зі Д Н К , який буде синтезований на матриці — ланцю зі Д Н К — з такою послідов ністю нуклеотидів: А А А Г Ц А Ц Ц Г Ц Л Г Г Г Г A I T А А А Ц Т Т Т Ц А Ц А Т © Користуючись принципом комплементарності нітратних основ, напиш іть послідовність нуклеотидів іР Н К , яка буде синтезована на такому фрагменті ДН К: А А А Г Ц А Ц Ц Г Ц А Г Г Г Г А Г Г А А А Ц Т Т Т Ц А Ц А Т © Користуючись принципом комплементарності нітратних основ, напиш іть послідовність нуклеотидів фрагмента Д Н К , на якому була синтезована іР Н К з такою послідовністю нуклеотидів: А Г Г А У У А Ц Г А У Ц У Г Ц Г Г Г А А А У У У Г Ц А Г А Ц © Користуючись принципом комплементарності нітратних основ, напиш іть послідовність нуклеотидів другого ланцюга Д Н К , якщ о один із них має таку послідовність: Т Г Г Г Г Г Ц Г Ц Г Ц Г Т Т Т А А Г А А Ц А А A T T
- 83. Органічні речовини ПРАКТИЧНА РОБОТА № З* Розв'язання елементарних вправ із молекулярної біології О В одному ланцю зі Д Н К к іл ькість аденіну становить 16 %, к іл ь кість ти м іну — 34 %, к іл ькість гуаніну — 24 %, к іл ькість цито зину — 26 %. Користуючись правилом Чаргаффа, визначте від сотковий вм іст нуклеотидів у дволанцюговій молекулі Д Н К . © В одному ланцю зі Д Н К к іл ькість аденіну становить 19 %, к іл ь кість ти м ін у — 31 %, к іл ькість гуаніну — 8 %, к іл ькість цито зину — 42 %. Користуючись правилом Чаргаффа, визначте від сотковий вм іст нуклеотидів у дволанцюговій молекулі Д Н К . § 14. Єдність хімічного складу організмів Молекулярна логіка живого Ви вже знаєте, що для утворення біологічних структур викорис товую ться органічні сполуки. їх ще називають біомолекулами. Ц і молекули були відібрані в ході еволю ції завдяки тому, що їх н я струк тура дозволяє їм здійсню вати процеси, що забезпечують ж и ттєд іяль н ість ж ивих систем. В усіх організмах ц і сполуки однакові. Розм іри, форма й х ім іч н і властивості біомолекул дозволяють їм виконувати ф ун кц ії будівельних білків під час створення складної структури кліти н , брати участь у процесах перетворення речовин та енергії тощо. Б іо х ім ік и , вивчаючи органічні сполуки, завжди нама гаю ться зрозуміти, з якою метою знадобилася ж ивом у організмові та чи ін ш а молекула або х ім іч н а реакція. М олекули, з яки х складаються ж и в і організми, підпорядковую ть ся всім відомим законам х ім ії, однак, окрім того, вони взаємодію ть м іж собою відповідно до закону молекулярної логіки живого. Т а к і властивості живого, як обмін речовин, спадковість, м ін л и вість, ріст, розвиток, подразливість та ін ш і, теж маю ть молекулярну основу. М олекулярна логіка ж ивого також єдина для всіх ж ивих орга нізм ів. Наприклад, однаковим способом, за матричним принципом, синтезуються молекули Д Н К . Однаковою в усіх організмів є загаль на схема синтезу білка, що включає два етапи — транскрипцію та трансляцію . В усіх ж ивих організмів єдиний генетичний код. Універсальність генетичного коду й м еханізм ів синтезу білка свідчить про б іохім іч н у єдність усіх ж иви х організмів.
- 84. МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Man. 14.1. Білілідний шар — основа клітинної мембрани: 1 — гідрофільні «головки»; 2 — гідрофобні «хвости» В усіх кліти н ах подвійний шар ф осф оліпідів є основою мембран, (мал. 14.1). Єдність будови мембран та подібність виконуваних ними ф ункцій у різних кліти н ах також свідчить про х ім іч н у єдність усіх ж ивих організмів. Хімічні елементи т а неорганічні речовини До складу всіх ж ивих організмів входять певні елементи. Оксиген, Карбон, Гідроген та Н ітроген — це х ім іч н і елементи, яки х у ж иви х організмах більш е, н іж інш их. Саме вони є основою органічних спо лук, що входять до складу кліти н. Х ім іч н і властивості ж ивих орга н ізм ів значною мірою залежать від Карбону, атоми якого утворюють ковалентні зв’язки та формую ть скелет органічних сполук. Х ім іч н и й склад ж ивої м атерії відрізняється від хім ічн ого складу, наприклад, земної кори. У ж ивих кліти н ах Карбон становить 50— 60 % сухої речовини, Н ітроген — 8— 10 % , Оксиген — 25— 30 % та Гідроген — 3— 4 %. А в земній корі на частку Карбону, Гідрогену та Н ітрогену, узятих разом, припадає менш н іж 1 % її загальної маси. Д ля різних організмів абсолютно необхідними є лиш е 27 із 92 при родних х ім іч н и х елементів, присутніх у земній корі. Основні з них — це елементи, що входять до складу органічних сполук: Карбон (С), О ксиген (О), Гідроген (II), Нітроген (N), Фосфор (Р), Сульфур (S). К л іти н і також необхідні елементи, щ о зустрічаю ться у вигляді йонів: Н атрій Na, К алій К , М агн ій M g, К альцій Са та Х лор СІ. М ікроелементи: Ф ерум (Fe), С и л іц ій (Si), Ц и н к (Zn), М анган (Мп), Кобальт (Со), Йод (І), М олібден (Мо), В анадій (V), Н ік о л (N i), Х ром (Сг), Ф луор (F), Селен (Se), Станум (Sn), Бор (В) та Арсен (As) — м істяться в ж иви х організмах у невеликих кількостях, але їх від сутність може призводити до серйозних поруш ень процесів ж и ттє діяльності.
- 85. Органічні речовини Рис. 14.2. Усі ці живі істоти мають схожий хімічний склад і єдину молекулярну логіку процесів життєдіяльності У с і х ім іч н і елементи перебувають в організм і або у вигляді йонів, або входять до складу тих чи ін ш и х сполук — молекул неорганічних та органічних речовин. С хож ість хім ічн ого складу к л іти н усіх організм ів є доказом єд ності ж ивої природи (мал. 14.2). Разом із тим немає ж одного х ім іч ного елемента, що м іститься в ж ивих організмах, котрого не було б знайдено також у тілах неж ивої природи. Це є доказом єдності ж и вої та неж ивої матерії. Пригадайте ............................................... Більшість хімічних елементів, що містяться в живій матерії, мають порівняно невеликі порядкові номери в Періодичній системі хі мічних елементів Д. І. Менделєєва, і лише у трьох із них поряд кові номери перевищують 34. Це свідчить про елементну єдність живих організмів. Із неорганічних сполук найбільш поширена в ж ивих організмах вода. Єдність хім ічного складу організмів виявляється і в тому, що всі структурні елементи ж ивої кліти ни та їх н і ф ун кц ії пристосовані до ф ізичних і х ім іч н и х властивостей води. Органічні сполуки Серед інш их х ім іч н и х речовин ж ивої клітини переважають органіч н і сполуки. Вони становлять у середньому 20— 30 % маси організму.
- 86. % 6 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ До них належать білки, нуклеїнові кислоти та вуглеводи, а також л іп ід и й низка ін ш и х молекул — гормонів, пігм ентів, амінокислот, нуклеотидів, А Т Ф . К ож на група органічних речовин у будь-якій к л і ти н і виконує схож і ф ункції. Наприклад, у всіх кліти нах білки вико ную ть будівельну та ф ерментативну ф ункції, фосфоліпіди є основою мембран, молекули А Т Ф використовую ться як універсальний пере носник енергії. У всіх ж и ви х організмах у процесах збереження, передавання й реалізації спадкової інф орм ації беруть участь нуклеїнові кислоти. Для простих молекул, із яки х побудовані всі макромолекули, ха рактерна одна особливість: вони м ож уть виконувати в к л іти н і де кілька ф ункцій. Наприклад, р ізн і амінокислоти слугую ть не тіл ьки мономерами білків, але є також попередниками гормонів, алкалоїдів, п ігм ен тів та багатьох ін ш их біомолекул. Нуклеотиди використову ю ться не лиш е як мономери нуклеїнових кислот, а й як переносники енергії. Ц е є характерним для всіх організмів і також свідчить про єдність їхнього хім ічн ого складу. Опорні точки Незважаю чи на різном анітність ж иви х організмів у природі, усі вони перебувають у безпосередній спорідненості один з одним, маю ть схож ий х ім іч н и й склад, використовую ть для процесів ж и ттєд іяль ності схож і х ім іч н і реакції. У с і властивості ж ивого маю ть молекулярну основу, єдину для всіх ж ивих істот. С хож ість хім ічного складу к л іти н усіх організмів є до казом єдності ж и вої природи. Універсальність генетичного коду й м еханізм ів синтезу білка, єд ність будови мембран і схож ість виконуваних ними ф ункцій у різних кліти н ах свідчать про х ім іч н у єдність усіх ж ивих організмів. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чому в усіх організмах органічні сполуки однакові? 2. Про що свідчить єдність будови мембран та подібність виконува них ними функцій у різних клітинах? 3. Що свідчить про елементну єдність живих організмів? 4. Які властивості живого мають молекулярну основу? 5. Які властивості та функції мають біомолекули? 6. Про що свідчить єдність будови мембран та схожість виконуваних ними функцій? 7. Доведіть, що молекулярна логіка живого теж єдина для всіх живих організмів.
- 87. Органічні речовини §15. Особливості використання окремих хімічних речовин, хімічний склад продуктів харчування Особливості використання окремих хімічних речовин Ш видкий розвиток х ім іч н о ї промисловості спричинив появу ве ли ко ї к іл ьк о сті різном ан ітн и х товарів побутової х ім ії, як и м и ми щ одня користуємося. За допомогою різних х ім іч н и х речовин ми перемо, підсиню ємо та підкрохм алю ємо білизну, чистим о килим и й одяг, фарбуємо та клеїм о, доглядаємо за рослинами в к ім н а ті й на присадибній д ілянці. Сучасна лю дина щ одня стикається із товарами побутової х ім ії, різним и за призначенням, складом, зовніш нім виглядом. П ерш н іж використовувати їх , слід уваж но ознайомитися зі способами їх за стосування. Це дозволить зрозуміти, наприклад, чи потрібно аеро зольний балон струш увати перед використанням, чи є придбаний засіб універсальним чи він має ч ітк е цільове призначення, яким є його гарантійний термін зберігання. Я кщ о дотримуватися правил поведінки, зазначених в ін стр у к ц ії, то будь-який, навіть отруйний, препарат побутової х ім ії буде безпечним. За ступенем небезпеки для лю дини х ім іч н і речовини поділяю ть на три групи: безпечні, отруйні, поясежонебезпечні. До безпечних хімічних речовин належать м и йні, підсиню вальні та підкрохмалю вальні засоби, багато відбілю вальних та чистильних засобів, більш ість мінеральних добрив. До отруйних хімічних речовин належ ать засоби для боротьби з побутовими комахами та гризунами, х ім іч н і засоби захисту рослин, деякі речовини для виведення плям та клей кі засоби, окремі види автокосметики. До пожежонебезпечних хімічних речовин належать багато засобів для виведення плям, полірувальних та клейких засобів, препарати для догляду за виробами зі ш кіри , деякі р ід к і чистильні препарати, препарати в аерозольній упаковці. Д ля правильного застосування товарів побутової х ім ії корисно мати деякі відомості щ одо особливостей і властивостей синтетич них полімерних матеріалів — пластмас, плівок, волокон і тканин із них. Однією з найваж ливіш их умов створення х ім іч н о ї безпеки є основні правила техніки безпеки під час зберігання й застосування препаратів побутової х ім ії. Правила застосування препаратів побутової хімії 1. У с і препарати слід застосовувати лиш е за прям им призна ченням, ч ітко дотримую чись інструкц ій та рекомендацій щодо їх використання.
- 88. МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 2. Застосовувати мож на лиш е т і препарати, я к і були придбані в магазині та маю ть етикетку на упаковці. 3. У с і засоби побутової х ім ії, навіть якщ о це звичайний праль ний порош ок або кальцинована сода, слід зберігати в недо ступних для дітей м ісц ях і обов’язково окремо від продуктів харчування. 4. П ід час робіт з пожежонебезпечними засобами не мож на за палювати газові горілки, сірники, не мож на палити, корис туватися електронагрівальними приладами. 5. Працю ю чи з препаратами, що м істять кислоти, луги тощо, слід одягати резинові рукавички, окуляри. 6. Не м ож на низько нахилятися над посудинами з хім іч н и м и речовинами, ню хати їх , сильно втягую чи повітря. 7. Працю ю чи з інсектицидами, слід використовувати захисні окуляри, респіратор та гумові рукавички. Д еяких додаткових застережних заходів необхідно дотримувати ся, користую чись аерозольними балонами, тому що рідка сум іш , що міститься у балоні п ід тиском, у більш ості випадків є горючою. їх не мож на ставити поблизу джерел тепла (підвищ ення тиску може при звести до розриву балона), їх не мож на розкривати навіть після ви користання, не мож на викидати на вулиці, у л ісі, у будь-якому м ісц і, де їх мож уть знайти діти. П ід час роботи з балонами поблизу не має бути джерел відкритого вогню. Хімічний склад продуктів харчування Енергетичні витрати організму мають компенсуватися надходжен ням енергії з їж ею . Д о складу повноцінного раціону входять пож ивні речовини п ’яти класів: вуглеводи, ж ири, білки, вітам іни, неорганіч н і речовини та мікроелементи. Збалансоване харчування означає, щ о в їж і є білки, ж ири й вуглеводи у співвіднош енні 1 : 1 : 4 . С лід ураховувати, що для нормального харчування необхідно по над 40 різних так званих незамінних речовин. Ц е т і речовини, яких організм лю дини та тварин сам синтезувати не може. До них належать 10 амінокислот, 12 вітам ін ів, більш н іж 20 неорганічних елементів та кілька поліненасичених ж ирних кислот. О рганізм лю дини не може тривалий час обходитися без води, м і неральних речовин, вуглеводів, л іп ід ів , б ілків, віта м ін ів та харчових волокон, оскільки вони є корисними і необхідні для обміну речовин, росту й розвитку. Біологічно активні добавки Б іологічно акти вн і добавки (Б А Д ) — це ком позиція натураль них (або ідентичних натуральним) біологічно акти вн их речовин,
- 89. Органічні речовини призначених для безпосереднього вж ивання з їж ею або введення до складу продуктів харчування. Біологічно активні добавки до їж і використовую ться тіл ьк и в тому разі, якщ о вони призначені лікарем з метою: • поповнення недостатнього надходження з раціоном білка й окремих незамінних амінокислот, л іп ід ів і деяких ж ирних кислот, вуглеводів і цукрів, вітам ін ів, макро- й мікроелемен тів, харчових волокон; • зменшення калорійності раціону, регулювання (зниження або підвищ ення) апетиту й маси тіла; • зниж ення ризику розвитку захворювань; • підтримування нормального складу й ф ункціональної актив ності киш кової мікрофлори. Правила використання Б А Д 1. Біологічно активні добавки призначаються виклю чно л ік а рем. їх не мож на використовувати на власний розсуд або за порадою друзів. Неправильне використання біологічно ак тивних добавок може заш кодити організму лю дини. 2. Необхідно уважно вивчати інф ормацію про виробника Б А Д , оскільки на ринку чимало неякісної продукції. Б А Д и мають вироблятися згідно з між народним стандартом якості G M P (Good M anufactured Practice) для лікарських засобів. Застосування медичних препаратів М едичні препарати за неправильного застосування мож уть заш ко дити, том у необхідно дотримуватися правил зберігання й застосуван ня лікарських препаратів. Правила зберігання та застосування лікарських препаратів 1. Л ік ар ські препарати призначаються лікарем, їх не мож на використовувати на власний розсуд. 2. Необхідно уваж но ознайомитися з інструкцією із застосуван ня л ік ів та дотримуватися її. 3. С лід ураховувати терм ін придатності л ік ів. Л ік и необхідно періодично продивлятися та викидати непридатні для засто сування. 4. Зберігати л ік и слід у спеціальній ш аф ці із замком, розміс тивш и на різних полицях л ік и для зовніш нього та вн утр іш нього застосування. Я кщ о в ін стр у к ц ії написано, щ о л ік и необхідно зберігати у холодильнику, то слід виділити для них у холодильнику спеціальне місце. 5. Л ік и маю ть зберігатися в недоступних для дітей місцях.
- 90. 9 0 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ПРАКТИЧНА РОБОТА № 4 Тема. Ознайомлення з інструкціями з використання окремих хімічних речовин як медичних препаратів, засобів побутової хімії тощо й оцінювання їх небезпеки Мета: навчитися користуватися інструкціями застосування медичних препаратів та засобів побутової хімії. Обладнання: набір інструкцій до засобів побутової хімії та лікарських препаратів (на вибір учителя чи учнів). Хід роботи Завдання 1 О Ознайомтеся з трьома інструкціям и використання засобів побу тової х ім ії. © Порівняйте правила використання та зберігання цих засобів. Щ о в них спільного та відмінного? © Зробіть висновок. © Сформулюйте основні правила з використання засобів побутової х ім ії. Завдання 2 © Ознайомтеся з трьома інструкціям и із застосування лікарських препаратів. © Порівняйте правила використання й зберігання цих лікарських препаратів. Щ о в них спільного й відмінного? © Зробіть висновок. © Сформулюйте основні правила із застосування лікарських засобів. ПРАКТИЧНА РОБОТА № 5 Тема. Оцінювання продуктів харчування за їхнім хімічним складом Мета: навчити школярів оцінювати продукти харчування за їхнім хі мічним складом. Обладнання: таблиця «Калорійність і хімічний склад продуктів харчу вання».
- 91. Органічні речовини Хід роботи Завдання 1 d Використовуючи таблицю, порівняйте хім іч н и й склад таких продуктів харчування, як макарони та помідори. Щ о в їхньому складі спільного й відмінного? Таблиця Калорійність і хімічний склад продуктів харчування (у 100 г) Продукт харчування Ккал Вода(г) Я а ~ 5 £- Й Жири (г) ------ Вуглево ди(г) Кальцій (мг) Магній (мг) Фосфор (мг) • Хліб житній 214 43,6 5,2 1,2 44,3 29 73 200 Хліб білий 240 33,7 6,0 0,7 52,9 20 31 98 Макарони 336 11,9 9,3 0,8 70,9 34 33 93 Картопля взимку 62 70,2 1,2 0,2 14,0 8 17 38 Капуста 22 90,1 1,2 0,2 4,1 38 12 25 Морква 27 86,8 0,9 0,3 5,7 43 21 39 Буряк 35 85,7 0,8 0,3 7,7 22 22 34 Гарбуз 18 91,1 0,3 0,2 4,2 17 10 11 Цукор 390 0,2 0 0 95,5 0 0 0 Молоко 62 87,3 3,0 3,5 4,5 120 14 95 Сир знежирений 141 72,5 12,9 8,5 3,3 164 15 151 Сметана 284 67,7 2,1 28,2 3,1 86 10 68 Сир голландський 313 34,6 20,9 23,6 2,0 684 12 525 М ’ясо пісне 122 75,0 12,0 7,8 0 10 16 153 Яйця 127 73,7 9,0 9,7 0,3 39 10 104 Риба (тріска) 50 79,2 11,6 0,3 0 11 13 111 Печінка 109 71,6 16,0 4,7 2,8 17 20 315 Шоколад 482 1,6 5,3 22,2 63,4 92 48 455 Морозиво вершкове 206 59,8 3,9 12,1 21,3 122 14 105 © Зробіть висновок.
- 92. 92 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Завдання 2 О Використовуючи таблицю, порівняйте хім ічн и й склад таких про дуктів харчування, як цукор, молоко та гарбуз. Щ о в їхньому складі спільного й відмінного? © Зробіть висновок. Завдання З О Використовуючи таблицю, порівняйте хім ічн ий склад таких продуктів харчування, як капуста й м ’ясо пісне. Щ о в їхньому складі спільного й відмінного? © Зробіть висновок. Завдання 4 (додаткове творче завдання) О Використовуючи таблицю, складіть раціональне меню для свого сніданку, обіду та вечері. Я к и м критерієм для його складання ви користуватиметеся? © Зробіть висновок. Тестова перевірка знань за розділом І. Молекулярний рівень організації життя Укажіть правильні відповіді 1. Правильні твердження: а) ж ири належать до гідроф ільних речовин; б) вода має велику теплоємність і теплопровідність; в) луж не середовище ф ормується в к л іти н і за умови надлиш ку протонів водню; г) вода бере участь в утворенні структури молекул розчинних речовин. 2. До моносахаридів належать: а) крохмаль; в) глюкоза; б) глікоген; г) дезоксирибоза. 3. До дисахаридів належать: а) сахароза; в) лактоза; б) мальтоза; г) целюлоза. 4. Л іп ід и виконую ть в організмі та к і ф ункції: а) структурну; в) каталітичну; б) регуляторну; г) є джерелами ендогенної води.
- 93. Органічні речовини 9 3 5. До складу молекули Д Н К входять: а) рибоза; в) глюкоза; б) дезоксирибоза; г) фруктоза. 6. Основу кліти н н и х мембран утворюють: а) білки; в) воски; б) фосфоліпіди; г) гліколіпіди. 7. П равильні твердження: а) молекули води утримую ться одна біля одної за рахунок ко валентних зв’язків; б) молекули води утримую ться одна біля одної за рахунок водневих зв’язків; в) ковалентні зв’язки в 15— 20 разів м іц н іш і від водневих; г) водневі зв’язки в 15— 20 разів м іц н іш і від ковалентних. 8. До полісахаридів належать: а) крохмаль; в) глюкоза; б) глікоген; г) мальтоза. 9. Вуглеводи виконую ть так і ф ункції: а) структурну; в) каталітичну; б) енергетичну; • г) є джерелами ендогенної води. 10. М ікроелементами є: а) Кобальт; в) Хлор; б) Калій; г) Бром. 11. М акроелементами є: а) Кобальт; в) Ц инк; б) Калій; г) Йод. 12. Органогенними елементами є: а) Натрій; в) Калій; б) Карбон; г) Бром. 13. Ен дем ічн і захворювання виникаю ть унаслідок: а) нестачі глікогену в організмі; б) надлиш ку білків у їж і; в) нестачі або надлиш ку вм істу певного хім ічн ого елемента в середовищі; г) нестачі або надлиш ку вм істу л іп ід ів у їж і. 14. До гексоз належить: а) глюкоза; в) рибоза; б) фруктоза; г) дезоксирибоза. 15. До л іп ід ів належать: а) стероїди; в) фосфоліпіди; б) сахароза; г) хітин.
- 94. 9 4 МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ • • • • • • • • • • • ^ 16. П ри повному окисненні 1 г ж ирів до вуглекислого газу і води: а) виділяється 38,9 к Д ж енергії; б) виділяється 8,9 к Д ж енергії; в) виділяється 138,9 к Д ж енергії; г) енергія не виділяється. 17. Естрадіол (ж іночий гормон) і тестостерон (чоловічий гормон) належать: а) до білків; в) вуглеводів; б) ліпідів; г) вітам ін ів. 18. Ам інокислотні залиш ки в молекулі білка з’єднуються м іж со бою: а) водневим зв’язком; в) ковалентним зв’язком; б) пептидним зв’язком; г) йонними взаємодіями. 19. Процес руйнування первинної структури білків називають: а) ренатурацією; в) деструкцією; б) необоротною денатурацією; г) оборотною денатурацією. 20. А м іноки слоти , я к і організм тварин не може синтезувати, на зиваються: а) основними; в) незамінними; б) замінними; г) сульф уровмісними. 21. Ф ермент у процесі реакції: а) не зміню ється, але витрачається; б) зміню ється і витрачається; в) не зміню ється і не витрачається; г) зміню ється, але не витрачається. 22. До водорозчинних належить вітамін(-ни): а) групи В; в) групи А; б) групи С; г) Е. 23. Гормони мож уть бути: а) білкової природи; в) ліп ід н о ї природи; б) похідним и амінокислот; г) вуглеводами. 24. Мономером нуклеїнових кислот є: а) нуклеозид; в) амінокислота; б) нуклеотид; г) нітратна основа. 25. До складу нуклеотидів молекули Д Н К входять: а) рибоза; в) урацил; б) тимін; г) дезоксирибоза. 26. До складу нуклеотидів молекули Р Н К входять: а) рибоза; в) урацил; б) тимін; г) цитозин.
- 95. Органічні речовини 27. Установіть відповідність м іж йоном та його біологічним зна ченням: 1)С Г; а) е компонентом ш лункового соку у вигляді 2) F~; хлоридної кислоти; 3) Fe3+; б) входить до складу емалі зубів; 4) Са2*. в) забезпечує проведення нервових імпульсів; г) входить до складу гемоглобіну; д) у рослин входить до складу оболонки к л і тини, у тварин — до складу кісток і зубів, активізує зсідання крові. 28. Установіть відповідність м іж назвами структур білка та їхнім и характеристи ками: 1) первинна; 2 ) вторинна; 3) третинна; 4) четвертинна. а) кількість і послідовність амінокислот у по- ліпептидного ланцюга; б) спосіб упаковки первинної структури в альфа- спіраль або бета-шар; в) спосіб упаковки альфа-спіралі в просторову глобулу; г) спосіб спільної упаковки декількох поліпеп тидних ланцюгів; д) спосіб відновлення втрачених раніш е водне вих зв’язків. 29. Установіть відповідність м іж назвами білків і їх н ім и ф унк ціями: а) транспортна; б) запасаюча; в) гормональна; г) ферментативна; д)захисна. 1) пепсин; 2) гемоглобін; 3) казеїн; 4) інтерферон.
- 96. РОЗДІЛ II. КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Тема 1. Клітина Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • історію вивчення клітини; • методи цитологічних досліджень; • будову клітин прокаріотів і еукаріотів. Навчитеся: • розпізнавати клітини прокаріотів і еукаріотів; пояснювати взаємозв'язок будови та функцій клітинних органел; • виготовляти деякі мікропрепарати. § 16. Історія вивчення клітини. Методи цитологічних досліджень Історія вивчення клітини С віт кліти н , не видимий неозброєним оком, лиш ався повністю не відомим до середини X V II ст., поки лю ди не навчилися ш ліф увати лінзи та використовувати їх для розш ирення можливостей зору. Одним із перш их творців мікроскопа був англієць Роберт Гук ф ізик, метеоролог, біолог, інж енер, архітектор. У 1665 р. він ви дав альбом м алю н ків під назвою «М акрограф ія», у яком у були представлені його спостереження під мікроскопом . Серед них був і тонкий зріз тканини дерева, структура якого нагадувала стільники, чітке й правильне розташування «мікроскопічних пор», або «клітин». Гук використовував слово «клітини» у його справж ньому значенні, маючи на увазі маленькі камери на зразок чернечих келій. Це слово закріпилося в науці, набувши зовсім інш ого значення.
- 97. Клітина 97 О дним з обдарованих сучасників Гука був голландець Антоні ван Левенгук, який створив понад д вісті м ікроскопів власної особливої конструкції. Вони складалися з невеликої скляної кульки, вставле ної у мідну пластинку. Тримаю чи такий пристрій поблизу ока і роз глядаючи крізь кульку р ізні предмети, закріплені на к ін чи к у голки, Левенгук домігся збільш ення об’єктів у 270 разів і зробив видатні відкриття (мал. 16.1). Заслуговує на подив той факт, що Левенгуку вдалося побачити навіть бактерії, я к і він замалював із такою точніс тю, щ о ф ахівці й сьогодні мож уть їх розпізнати. Роберт Броун у 1833 р. відкрив у к л іти н і ядро. П ісл я 1825 р. Ян Пуркіньє розробив еф ективні методики приготування та фар бування препаратів для м ікр оскоп іч н ої техн іки. П оліпш ення ч іт кості зображення мало так і важ ливі наслідки, що вже за кілька років мож на було сформулювати загальну теорію , згідно з якою всі рос лини й тварини складаються з клітин. Пригадайте ........................................................... Клітинну теорію запропонував для рослин у 1837 р. німецький бо танік Матіас Шлейден, а поширив на тваринний світ його друг, фізіолог Теодор Шванн. Дещо пізніше її доповнив Рудольф Вірхов, який у 1885 р. сформулював положення «Кожна клітина походить із клітини». У середині X IX ст. кліти н н а теорія стала загальновизнаною і по служ ила основою для науки про к л іти н у — цитології. До к ін ц я X I X ст. було відкрито багато компонентів кліти н . У ч е н і описали їх і дали їм назви. З часом, однак, дослідники зіш товхнулися з пере шкодою, яка здавалася нездоланною, оскільки була зумовлена са м и м и законами ф ізики. Н авіть за допомогою досить досконалих інструментів не мож на було побачити т і деталі, розміри яких були менш і за половину довж ини хвилі світла (тобто менш н іж 0,25 мкм). а 6 Мал. 16.1. Малюнки рослинних клітин, зроблені А, Левенгуком (а) та Р. Гуком (б)
- 98. 9 $ КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ А у св іті к л іти н так і розміри трапляю ться доволі часто. У я в іть собі, що у світі, який нас оточує, не мож на розрізнити жодного предмета, якщ о він менш ий за 25 см. Я к багато всього зникне, ставш и раптом невидимим! Але в 1945 р. цитологи вперше зазирнули до к літи н и за допомогою електронного мікроскопа та побачили багато невідомих раніш е струк тур. Отже, виріш альна роль у розвитку ци тології належ ить новим відкриттям в ін ш их науках, зокрема у ф ізиці. Прогрес у ци тології був нем ож ливим до появи нових те хн іч н и х засобів, наприклад електронного мікроскопа (мал. 16.2). М етоди цитологічних досліджень Основним методом, яким користую ться цитологи, є метод світлової мікроскопії. В ін передбачає застосування світлового мікроскопа, але розглянути під світловим мікроскопом мож на лиш е спеціально при готовлені цитологічні препарати. Д ля приготування препаратів цитологи використовую ть накривне та предметне стекла і спеціально підготовлені об’єкти, я к і мож на розглядати (мал. 16.3). Головне, щ о необхідно,— це отримати один ш ар к л іти н так, щоб вони пропускали світло і щоб їх н і структури мож на було побачити в мікроскоп. Н айчастіш е ці структури безко лірні, тому їх необхідно фарбувати спеціальними барвниками, щоразу різними, залежно від того, я к і структури бажано побачити. Існую ть два методи: метод приготування давлених препаратів — дослідж ува ний об’єкт просто розчавлюється в один ш ар м іж предметним та на кривним склом; і метод приготування тонких зрізів, що складаються з одного ш ару кліти н (мал. 16.4). Д ля приготування таки х тонких зрізів існую ть спеціальні пристрої — ультрамікротоми. Обидва ме тоди призначені для вивчення вже неж ивих к л іти н і даю ть змогу виготовити як тимчасові препарати, я к і мож на розглядати протягом кількох днів, так і постійні препарати, щ о мож уть зберігатися довгі роки (тому що залиті спеціальним бальзамом). Мал. 16.2. Електронний мікроскоп Мал. 16.3. Накривні та предметні стекла
- 99. Клітина Man. 16.4. Препарат, що складається Man. 16.5. Синапс з одного шару клітин у флуоресцентному мікроскопі Для вивчення ж ивих клітин застосовують метод фазово-контрастної мікроскопії. Він базується на тому, що окремі ділянки прозорої к л і тини хоч і мало чим, але все ж таки відрізняю ться одна від одної за щ ільн істю та світлопереломлюванням. Існую ть прилади, я к і до помагають вловити цю різницю та подати наш ому оку світло-темне контрастне зображення ж ивого об’єкта. Вивчаючи ж и ві кліти ни, застосовують також метод флуоресцент ної мікроскопії (мал. 16.5). З м іст його полягає в тому, що цілий ряд речовин маю ть здатність світитися при поглинанні ними світлової енергії. Наприклад, якщ о у флуоресцентний мікроскоп розглядати клітини рослин, то на темно-синьому тл і буде видно червоні зерна, що яскраво світяться,— це хлоропласти. > Пригадайте ...................................................... Синапс — це спеціалізоване утворення, яке забезпечує пере хід збудження з одного нейрона на інший або збудливу клітину (м'язову чи секреторну). Існує метод, у якому використовую ться м ічені ізотопи — метод авторадіографії — реєстрації речовин, мічених ізотопами. За допо могою цього методу мож на побачити, до яких частин клітини потрап ляю ть речовини, м ічені радіоактивними ізотопами. Це важливо для з ’ясування особливостей ф ункціонування клітини. Пригадайте ..................................................... Ізотопи — це різновиди атомів хімічного елемента, які мають од наковий заряд ядра, але різну відносну атомну масу. Метод електронної мікроскопії відкрив цитологам ті структури кліти н и, я к і маю ть розміри, м енш і від довж ини світлової хвилі. Завдяки цьому методу з’явилася мож ливість розглянути віруси та органели, на яких відбувається синтез білка (рибосоми).
- 100. І00 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Ц итологи м ож уть також отримувати й вивчати р ізн і компонен ти к літи н и за допомогою ф ракціонування клітин. К л іти н у спочатку руйную ть, а п отім виділяю ть к л іти н н і структури, використовую чи спеціальний пристрій — центрифугу. Відокремлені органели кліти н м ож на вивчати за допомогою ін ш и х б іох ім іч н и х методів. М етод використання культури кліти н є методом тривалого збері гання та вирощ ування у спеціальних ж ивильних середовищах к л і тин, тканин, невеликих органів або їх частин, виділених з організму лю дини, тварини чи рослини. Важ ливою перевагою цього методу є мож ливість спостереження за ж иттєдіяльністю кліти н за допомогою мікроскопа. М етоди використання культури кліти н набув ш ирокого застосування для відновлення різних тканин та органів. Значення цитологічних методів у діагностиці т а лікуванні захворювань людини Ц и тологічн і методи застосовуються в медицині для дослідження ф ізіологічного стану організму лю дини на основі вивчення будови кліти н. Вони використовую ться для виявлення захворювань крові, розпізнавання злоякісних та доброякісних пухлин, багатьох захво рювань органів дихання, травлення, сечовиділення, нервової системи та їх лікування. Один із розділів клітинної медицини присвячений вивченню стов бурових клітин. Стовбурова клітина — це незріла клітина, здатна до самооновлення та розвитку у спеціалізовані клітини організму. У до рослому організмі стовбурові клітини містяться в основному у кістко вому мозку та в дуже невеликій кількості в усіх органах і тканинах. О скільки стовбурові к літи н и м ож уть перетворюватися на будь-які к літи н и організму залежно від того, де вони осідають, то їх мож на використовувати для лікування багатьох захворювань. Опорні точки Історія розвитку ц и тол огії починається з X V II ст. одночасно зі створенням світлового мікроскопа. Прогрес у вивченні к літи н и тісно пов’язаний з успіхам и розвитку м ікр оскоп ічн ої техніки та створен ням різних методик приготування препаратів. Основним методом, яким користую ться цитологи, є метод світлової м ікроскоп ії. До ін ш и х методів належать метод фазово-контрастної м ікроскоп ії, метод використання культури к л іти н тощ о. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Який внесок зробив у розвиток цитології Р. Гук? 2. Чому деякі структури клітини неможливо побачити у світловий мікроскоп?
- 101. Клітина 101 3. Які наслідки для розвитку науки мало покращення чіткості зобра ження світлового мікроскопа? 4. Чому прогрес у цитології був неможливим до появи нових техніч них засобів, наприклад електронного мікроскопа? 5. Які методи застосовують учені для приготування цитологічних пре паратів? 6. у чому полягають особливості методів фазово-контрастної мікро скопії? §17. Будова клітин прокаріотів і еукаріотів Єдність будови клітин Відомо, що клітини є досить різноманітними. їх н я різноманітність настільки велика, що спочатку, розглядаючи к літи н и в мікроскоп, учені не помічали в них схож их рис або властивостей. А ле п отім з’ясували, що за всім різном ан іттям к л іти н криється їх н я принци пова єдність, сп ільн і для них прояви ж иття. У чому ж к літи н и однакові? В м іст будь-якої к літи н и відокремлений від зовніш нього середови ща особливою структурою — плазматичною мембраною (нлазмале- мою). Ц я відокремленість дозволяє створювати всередині к літи н и зовсім особливе середовище, не схоже на те, що її оточує. Том у в к л і ти н і м ож уть відбуватися ті процеси, я к і не відбуваються більш е ніде, їх називають процесами життєдіяльності. В нутріш нє середовище ж и вої кліти н и , обмежене плазматичною мембраною, називається цитоплазмою. Вона включає гіалоплазму (основну прозору речовину) та клітинні органели, а також р ізн і не постійн і структури — включення. До органел, я к і є в будь-якій к л іти н і, належать також рибосоми, на яких відбувається синтез білка. Єдність будови всіх к л іти н є підтвердж енням єдності живого світу. Будова клітин еукаріотів Еукаріоти — це організми, кліти н и яких, на від м ін у від кліти н прокаріотів, мають ядро (мал. 17.1). Ядро — це найбільш а органела еукаріотичної кл іти н и , у я к ій зберігається і з я к о ї переписується спадкова інф ормація, записана у хромосомах. Хромосома — це г і гантська молекула Д Н К , інтегрована з білками. У ядрі м іститься ядерце — місце, де утворюються ін ш і важ ливі органели, що беруть участь у синтезі білка,— рибосоми. Але рибосоми
- 102. 1 0 2 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ лигає ф ормую ться в ядрі, а працюють вони (тобто синтезую ть білок) у цитоплазмі. Частина з них перебуває в цитоплазмі вільно, а частина прикріплю ється до мембран, що утворюють сітку, яка дістала назву ендоплазматичної. Рибосоми — немембранні органели. Ендоплазматична сітка — це сітка канальців, обмежених мембра нами. Існує два типи ендоплазматичної сітки: гладенька та грануляр на. Н а мембранах гранулярної ендоплазматичної сітки розташ овані рибосоми, том у в н ій відбувається синтез та транспортування білків. А гладенька ендоплазматична сітка — це місце синтезу та транспор тування вуглеводів і л іп ід ів . Н а н ій рибосом немає. Д ля синтезу б іл к ів, вуглеводів та ж и р ів необхідна енергія, яку в еукаріотичній к л іти н і виробляють «енергетичні станції» кліти ни — мітохондрії. Мітохондрії — двомембранні органели, у яки х здійснюється процес клітинного дихання. Н а мембранах м ітохондрій окисню ю ться орга н іч н і сполуки та накопичується х ім іч н а енергія у вигляді особливих енергетичних молекул (АТФ ). У к л іти н і також є місце, де органічні сполуки мож уть накопичува тися і звідки вони м ож уть транспортуватися, — це апарат Гольджі, система плоских мембранних м іш ечків. В ін бере участь у транспор туванні білків, л іп ід ів , вуглеводів. В апараті Гольдж і утворюються також органели внутріш ньоклітинного травлення — лізосоми. Лізосоми — одномембранні органели, що є характерними для к л і тин тварин, м істять ферменти, я к і м ож уть розщеплювати білки, вуг леводи, нуклеїнові кислоти, ліпіди. У с і органели кліти н и працюють спільно, беручи участь у процесах обміну речовин та енергії. Man. 17.1. Будова еукаріотичної клітини: 1 — ядерце; 2 — ядро; 3 — ендоплазматична сітка; 4 — апарат Гольджі; 5 — цитоплазма; б — мітохондрії; 7 — лізосоми
- 103. Клітина 103 У к л іти н і мож уть бути органели, щ о не маю ть мембранної будови, наприклад рибосоми і цитоскелет. Цитоекелет — це опорно-рухова система клітини, що включає мікроф іламенти, війки, дж гутики, к л і тинний центр, який продукує мікротрубочки та центріолі. Існую ть органели, характерні тіл ьки для к л іти н рослин,— плас тиди. Пригадайте ...................................................... Пластиди бувають трьох типів: хлоропласти, хромопласти та лейкопласти. У хлоропластах, як ви вже знаєте, відбувається процес фотосинтезу. У клітинах рослин є також вакуолі — продукти ж иттєдіяльності клітини, що є резервуарами води та розчинених у ній сполук. До еукаріотичних організмів належать рослини, тварини та гриби. Будова клітин прокаріотів Прокаріоти — одноклітинні організми, у кліти н ах яки х немає оформленого ядра та багатьох ін ш и х органел, я к і є в еукаріотів (мал. 17.2). Для всіх прокаріотичних кліти н характерними є м алі розміри (не більш н іж 10 мкм), збереження генетичного матеріалу у ф ормі кільцевої молекули Д Н К (нуіслеоїду). До прокаріотичних організмів належать бактерії та ціанобактерії, я к і раніш е називали синьо-зеленими водоростями (мал. 17.3). Я кщ о в прокаріотів відбувається процес аеробного дихання, то для цього використовуються спеціальні випинання плазматичної мембра ни — мезосоми. Я кщ о бактерії фотосинтезують, то процес фотосинте зу відбувається на ф отосинтетичних мембранах — гилакоїдах. 2 Мал. 17.2. Будова прокаріотичної клітини: 1 — нуклеоїд; 2 — рибосоми; 3 — джгутик; 4 — цитоплазма; 5 — клітинна стінка
- 104. 104 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал.17.3. Різноманітні бактерії та ціанобактерії Синтез білка в прокаріотів відбувається на рибосомах, але вони м енш і за розмірами, н іж рибосоми еукаріотів. У прокаріотичній к л іти н і мало органел, жодна з них не має дво- мембранної будови, внутріш н і мембрани трапляю ться рідко. Я кщ о вони є, то на них відбуваються процеси дихання або фотосинтезу. Гіпотези походження органел еукаріотичних клітин‘ П рокаріотичні кліти ни з’явилися на Землі раніше, н іж еукаріотич- ні. Загальновизнаним є той факт, що еукаріоти з’явилися в результаті симбіозу декількох різновидів прокаріотів (бактерій). Симбіотична гіпотеза пояснює механізм виникнення деяких ор ганоїдів еукаріотичної кліти н и — мітохондрій та фотосинтезуючих пластид. Імовірно, м ітохо н д р ії походять від аеробних еубактерій, пластиди — від ціанобактерій, а основна клітина — від якихось форм архебактерій. Інш а гіпотеза — ін вагін ац ій н а — ствердж ує, щ о походж ення еукаріотичної к л іти н и виходить із того, що предковою формою був аеробний прокаріот. Органели в ньому виникли в результаті впинан ня та відш арування частин оболонки з подальшою ф ункціональною спеціалізацією в ядро, м ітохондрії, хлоропласти ін ш их органел. Проблема походження органел залиш ається відкритою . Дізнайтеся більше ...................................................... Найважливіша відмінність еукаріотичних організмів від прокаріо- тичних полягає в більш досконалій системі регулювання геному. Цьому сприяла поява клітинного ядра: ділянка активного обміну речовин — цитоплазма — відокремилася від ділянки зберіган ня, передавання та реалізації генетичної інформації. У результаті в еукаріотичних організмів різко підвищилася здатність адаптува тися до мінливих умов середовища, без внесення спадкових змін до геному.
- 105. Клітина 105 Опорні точки До структур, я к і є в будь-якій к л іти н і, належ ать плазматична мембрана, цитоплазма та рибосоми. Єдність будови всіх к л іти н є п ід твердженням єдності ж ивого світу. Еукаріоти — це організми, у клітинах яки х є відмежоване дво- мембранною оболонкою ядро. О крім ядра, у к л іти н ах еукаріотів є такі органели, як м ітохондрії, пластиди, апарат Гольдж і, ендоплаз матична сітка, лізосоми, цитоскелет та ін ш і органели. П рокаріоти — це одноклітинні організми, у кліти нах яких немає оформленого ядра та багатьох ін ш и х органел, що є в еукаріотів. Для всіх прокаріотичних кліти н характерними є малі розміри та збере ж ення генетичного матеріалу у ф ормі ци клічн ої молекули Д Н К — нуклеоїду. Запитання для контролю і самоконтролю 1. У чому полягають особливості будови клітин еукаріотів? 2. У чому полягають особливості будови клітин прокаріотів? 3. Які характеристики спільні для будь-яких живих клітин? 4. Які функції можуть виконувати органели еукаріотичної клітини? 5. Чим відрізняється метод зберігання спадкової інформації у прока ріотів та еукаріотів? 6. Порівняйте симбіотичну та інвагінаційну гіпотези походження еука ріотичної клітини. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № З Тема. Особливості будови клітин прокаріотів і еукаріотів Мета: вивчити особливості будови клітин прокаріотів й еукаріотів, на вчитися розпізнавати клітини рослин, тварин, грибів та бактерій на мікрофотографіях, схемах, мікропрепаратах. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметне та на кривне стекла, пінцети, скляні та дерев'яні палички, препарувальні голки, розчин йоду, розчин метиленової зелені з метановою кислотою, склянка з водою; постійні препарати бактерій, цибулина, препарат клі тин гриба мукора; мікрофотографії бактерій, тваринних та рослинних клітин, клітин грибів.
- 106. 106 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Хід роботи © Ознайомтеся зі схемами будови тваринної і рослинної клітин. 0 П ідготуйте мікроскоп до роботи. Завдання 1. Вивчення клітин рослин. О Приготуйте препарат клітин ш кірки цибулі. П ід мікроскопом ви побачите клітини. Розгляньте їх. © Замалю йте клітини, я к і ви розглянули під мікроскопом. © Порівняйте побачене під мікроскопом з малюнком. Будова рослинної клітини: 1 — хлоропласти; 2 — пероксисома; З — цитоскелет; 4 — мітохондрія; 5 — вакуоля; б — рибосома; 7 — гладенька ендоплазматична сітка; 8 — гранулярна ендоплазматична сітка; 9 — ядерце; 10 — ядро; 11 — апарат Гольджі; 12 — плазматична мембрана; 13 — клітинна стінка © Зробіть висновки. Завдання 2. Вивчення клітин тварин. © Приготуйте препарат епітелію ш кіри жаби. З поверхні ш кіри жаби час від часу ц іли м и клаптями злущ ується білувата тонка плівочка, що складається з одного або двох ш арів змертвілих клітин епітелію. Ц я плівка завж ди є в акваріумі, де утрим у ють жаб. Невеликий шматочок плівочки (близько 0,5 см2) по м істіть у краплину води на предметне скло, розправте препару вальними голками від складок та накрийте накривним склом. Зафарбуйте плівку метиленовою зеленню з метановою кислотою. П ісля фарбування краще видно ядра клітин. Зам ість препарату епітелію ш к ір и ж аби мож на зробити препарат епітелію лю дини. Д ля цього слід провести стерилізованою скляною паличкою по внутріш ній поверхні щ оки, перенести зіскребок на пред метне скло та отримати в краплині слини препарат епітелію ротової порож нини.
- 107. Клітина 107 © Замалю йте клітини, я к і ви розглянули під мікроскопом. Порів няйте побачене під мікроскопом з малюнком. Будова тваринної клітини: 1 — мітохондрія; 2 — цент- ріоль; 3 — пероксисома; 4 — гранулярна ендоплаз матична сітка; 5 — гладенька ендоплазматична сітка; 6 — лізосома; 7 — цитоскелет; 8 — рибосоми; 9 — апарат Гольджі; 10 — плазматична мембрана; 11 — ядерце; 12 — ядро © Зробіть висновки. Завдання 3. Вивчення Клітин бактерій. О Приготуйте препарат кліти н бактерій. Д ля цього стерилізованою скляною або дерев’яною паличкою зіскребіть із поверхні зубів біля ясен наліт, що містить бактерії, перенесіть його на предмет не скло та накрийте накривним склом. © Розгляньте препарат спочатку при малому, а потім при великому збільшенні. © Замалю йте клітини та їх частини, я к і ви побачили під м ікр о скопом. © Зробіть висновки. Завдання 4. Вивчення клітин грибів. О Приготуйте препарат кліти н грибів. Д ля цього необхідно зібрати плісняву білого кольору зі шматочка хліба або овочів — м іцелій гриба мукора — і помістити ї ї на предметне скло та накрити на кривним склом. © Розгляньте препарат спочатку при малому, а потім при великому збільшенні. © Замалюйте кліти н и та їх частини, я к і ви побачили під м ік р о скопом. © Зробіть висновки.
- 108. 10Z КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ § 18. Клітинні мембрани. Транспортування речовин через мембрани. Поверхневий апарат клітини, його функції Клітинні мембрани Біологічні мембрани — це то н к і су м іж н і структури молекуляр них розмірів, розташовані на поверхні к л іти н і субклітинних частин, а також канальців та пухирців, що пронизую ть протоплазму. Н а й важ ливіш ою ф ункцією біологічних мембран є регулю вання тран спортування йонів. моносахаридів, амінокислот та ін ш и х продуктів обміну речовин. За допомогою електронного мікроскопа та рентгеноструктурно- го аналізу вченим вдалося показати спільність будови поверхневих кліти н н и х мембран, мембран ендоплазматичної сітки , мітохондрій, кліти н н и х ядер, лізосом, пластид тощ о. В основі будь-якої мембрани леж ить подвійний шар фосфоліпідів. Однак біліпідний шар — це ще не готова мембрана, а лиш е її основа. Із біліпід н им ш аром маю ть зв’язатися білки, я к і називають мембран ними білкам и. Саме мембранні білки визначають багато властивос тей мембран. Входять до складу мембран і вуглеводи, що утворюють комплекси з білкам и або ліпідами. Сьогодні найбільш визнана рідинно-мозаїчна модель будови мемб рани. Згідно з цією моделлю мембрана складається з ш ару біліп і- дів, у якому плавають (або закріплені) білкові молекули, утворюючи в ньому своєрідну мозаїку (мал. 18.1). Будова мембрани відповідає ї ї ф ункціям: транспортній, бар’єрній та рецепторній. Мал. 18.1. Рідинно-мозаїчна модель будови мембрани: 1 — вуглеводи, що об'єднані з білками; 2 — мембранні білки; 3 — біліпідний шар
- 109. Клітина т Бар’єрна функція. Мембрана є бар’єром, яки й запобігає надхо дж енню до кліти н и різних х ім іч н и х речовин та ін ш и х агентів. Рецепторна функція. Поверхня мембрани має великий набір ре цепторів, що роблять м ож ливим и специф ічні реакції з р ізним и аген тами. Транспортна функція. Через мембрану іде транспорт йонів і ре човин. Покриваю чи к літи н у й відокремлю ю чи її від навколиш нього сере довища, біологічні мембрани забезпечують ц ілісн ість к л іти н та орга нел. Вона підтримує нерівномірний розподіл йонів К алію , Н атрію , Х лору та ін ш и х йонів м іж протоплазмою й навколиш нім середови щем. Усередині к літи н и концентрація йонів N a+ниж ча, н іж ззовні, а йонів К ‘ — навпаки. Властивості біологічних мембран значною мірою визначають появу та проведення збудження в нервових і м ’я зових клітинах. Електричні явищ а, пов’язані з мембранами, відіграю ть важливу роль у процесах отримування енергії, передавання сигналів та в ін ш их процесах ж иттєдіяльності. Особливо важливою мембраною у к л іти н і є плазмалема — поверх нева мембрана. Вона виконує бар’єрну, транспортну, рецепторну, сигнальну ф ункції. Транспортування речовин через мембрани Існують два активні процеси, за допомогою яких різні матеріали тран спортуються через мембрану,— екзоцитоз та еидоцитоз (мал. 18.2). Із к літи н и речовини виводяться за допомогою екзоцитозу — злит тя вн утріш н ьоклітин них бульбаш ок із плазматичною мембраною. Наприклад, щоб секретувати інсулін , кліти ни, щ о продукую ть цей гормон, упаковую ть його у внутріш ньоклітинні пухирці, я к і злива ю ться із плазматичною мембраною та відкриваю ться у зовнішньо- кл іти н н и й простір, вивільняю чи при цьому ін сулін (мал. 18.2, а). Зовнішньоклітинний простір Цитоплазма а б Мал. 18.2. Екзоцитоз (а) та ендоцитоз (б)
- 110. 110 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ До кліти н и речовини мож уть потрапляти за допомогою ендоцито- зу. У процесі ендоцитозу плазматична мембрана утворює увігнутості та вирости, котрі потім , відшаровуючись, перетворюються на пухирці або вакуолі (мал. 18.2, б). Залеж но від розміру та вм істу бульбашок, що утворюються, роз різняю ть два типи ендоцитозу: — піноцитоз — поглинання рідини та розчинених речовин за допомогою невеликих пухирців; — фагоцитоз — поглинання великих частинок, таких як м і кроорганізми або залиш ки кліти н . У випадку фагоцитозу утворюються великі бульбашки, що нази ваються вакуолями. Завдяки фагоцитозу відбувається поглинання бактерій, великих вірусів, відмерлих кліти н організму або чуж орід них клітин. М олекули проходять через мембрани завдяки трьом різним про цесам: простій диф узії, полегш еній диф узії, активному транспорту ванню. Проста диф узія — це приклад пасивного транспортування, що про ходить із зони з більш ою концентрацією молекул до зони з меншою концентрацією . Тобто його напрямок визначається лиш е різницею концентрацій речовини по обидва боки від мембрани, так званим гра дієнтом концентрації. Ш ляхом простої диф узії до кліти ни проника ють неполярні (гідрофобні) речовини, розчинні в ліпідах, та дрібні незаряджені молекули (наприклад, вода). Однак більш ість речовин, необхідних кліти нам , переноситься че рез мембрану за допомогою занурених у неї транспортних білків. Розрізняю ть дві основні форми транспортування за допомогою пе реносників: полегшена диф узія та активне транспортування. Полегшена диф узія зумовлена градієнтом концентрації, і молеку ли рухаються відповідно до цього градієнта. Проте якщ о молекула за ряджена, то на її транспортування впливає я к градієнт концентрації, так і мембранний потенціал.
- 111. Клітина 1 1 1 Мал. 18.3. Приклад активного транспортування: натрій-калієвий насос Активне транспортування — це перенесення розчинених речовин проти градієнта концентрації з використанням енергії А Т Ф . Енергія необхідна тому, що речовина має рухатися, всупереч своєму природ ному прагненню рухатися за дифузією , у протилеж ному напрямку. Прикладом може бути натрій-калієвий насос. За законами диф узії йони Na* постійно рухаються всередину кліти ни, а йони К ' — з к л і тини. Поруш ення необхідної концентрації цих йонів спричиняє за гибель клітини. Д ля запобігання цьому в зовніш ній мембрані клітини є спеціальний білок, який транспортує йони N a f з кліти н и, а йони К ' в к літи н у проти градієнта концентрації з використанням енергії А Т Ф (мал. 18.3). % Поверхневий ап арат клітини’ Будь-який різновид клітин прокаріотів та еукаріотів складається із трьох частин: поверхневого апарату, цитоплазми, ядерного апарату. Поверхневий апарат клітини виконує три ф ункції, універсальні для всіх різновидів клітин: бар’єрну, транспортну, рецепторну. О крім того, в окремих різновидах к л іти н поряд із загальними ф ункціями він може здійсню вати й низку специфічних ф ункцій, при таманних лиш е даному типу к л іти н (наприклад, механічна тургорна ф ункція кл іти н н о ї стін ки в рослинних клітинах). Поверхневий апарат клітин складається з трьох систем: плазматич ної мембрани, надмембранного комплексу і субмембранного (тобто підмембранного) опорно-скорочувального апарату. Плазматична мембрана, або плазмалема,— це найбільш постійна, основна, універсальна для всіх клітин система поверхневого апарату. П ід нею розташована субмембранна система, яка бере участь у транс мембранному транспортуванні та рецепції (сприйняття навколиш нього середовища клітини) і є частиною цитоплазми.
- 112. 112 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ІІадмембранні структури поверхневого апарату здійсню ю ть вза ємодію к л іти н із зовніш нім середовищем або з ін ш и м и клітинам и. У процесі еволю ції надмембранні структури набувають найваж ливі ш ого значення і в реалізації ін ш и х специф ічних ф ункцій: тургорної, механічної, рухової та деяких інш их. У кліти н тварин надмембранний комплекс, або глікокалікс, пе ребуваючи в безпосередньому к он такті із зовніш нім середовищем, відіграє важ ливу роль у рецепторній ф у н к ц ії кліти н . Гл ік о ка л ікс складається з вуглеводів, він порівняно тонкий і еластичний. До похідних иадмембранних структур належ ить клітинна стінка. Її маю ть кліти н и рослин, грибів і бактерій. К літи н н а стін ка рослин м істи ть целюлозу, грибів — хітин , бактерій — муреїн. Вона достатньо тверда і на від м ін у від гл ікокаліксу не стискається. Через кліти н н у стін ку проходить вода, солі, молекули багатьох органічних речовин. Явище плазмолізу й деплазмолізу в клітинах рослин П лазм оліз (від грец. plasma — виліплене, оформлене та Lysis — розкладання, розпад) — це відділення цитоплазми від оболонки при зануренні к л іти н и в гіпертонічний, тобто концентрованіш ий ззовні, розчин (мал. 18.4). П лазмоліз характерний головним чином для рос линних кліти н , щ о маю ть м іцну целюлозну оболонку. Я кщ о тваринні к літи н и занурити в гіпертонічний розчин, то вони стискаю ться. Іноді плазмолізовані к л іти н и залиш аю ться ж иви м и. Я к щ о за нурити так і к л іти н и у воду, у я к о ї концентрація солей ниж ча, н іж у к л іти н і, відбувається деплазмоліз. Д еплазмоліз — це повернення цитоплазми кліти н рослин зі стану плазмолізу у вихідний стан. Мал. 18.4. Плазмоліз і деплазмоліз під мікроскопом
- 113. Клітина 113 Опорні точки Б іологічн і мембрани — це тон кі су м іж н і структури, що розташ о вані на поверхні кліти н та субклітинних частинок, а також канальців та бульбашок, що пронизую ть цитоплазму. До біологічних ф ункцій мембран належать транспортна, бар’єрна та рецепторна ф ункції. У виконанні цих ф ункцій бере участь також поверхневий апарат кліти ни, який складається з трьох систем: плаз м атичн ої мембрани, надмембранного комплексу, субмембранного комплексу. Запитання для контролю і самоконтролю 1. У чому полягають особливості ендоцитозу? 2. Чим активне транспортування через мембрану відрізняється від пасивного? 3. Порівняйте поверхневий апарат клітин рослин і тварин. 4. Порівняйте різні види мембранного транспортування. 5. Як структура мембрани пов'язана з її функціями? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4 Тема. Спостереження явища плазмолізу та деплазмолізу в клітинах рослин Мета: переконатися, що в клітинах рослин відбувається рух цитоплаз ми, поспостерігати за процесом плазмолізу й деплазмолізу. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметні й покрив ні стекла, градуйовані піпетки, пінцети, препарувальні голки, фільтру вальний папір, дистильована вода, 9%-й водний розчин натрій хлори ду, листок елодеї. Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © Приготуйте предметне скло. За допомогою піпетки нанесіть на нього краплю води. © Приготуйте препарат ж ивих клітин листка елодеї: ціли й листок елодеї покладіть на предметне скло, накрийте накривним. © Розгляньте препарат при малому збільшенні мікроскопа. Знайдіть на препараті тонку ділянку, де добре видно клітини. Розгляньте знайдену ділянку при великому збільшенні. Замалюйте її.
- 114. 1 1 4 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Зверніть увагу на те, що цитоплазма притиснута до кліти н них с т і нок. К літи н и перебувають у стані повного насичення водою — стані тургору. © Щ об поспостерігати явищ е плазмолізу — відшарування цито плазми із включеннями від клітинної стінки, — зам ініть воду під покривним склом на розчин натрій хлориду. К апніть піпет кою розчин натрій хлориду на край на кривного скла, а з інш ого боку прикладіть ф ільтрувальний папір для видалення води з-під накривного скла. Замалюйте побаче не. Порівняйте побачене з мікрофогогра- ф іями. Щ об поспостерігати явище деплазмолі зу — відновлення об’єму цитоплазми, — зам ініть розчин натрій хлориду під по кривним склом на дистильовану воду. За малюйте побачене. Порівняйте побачене з мікроф отограф іями. © Зробіть висновок. §19. Ядро. Будова ядра. Функції ядра Будова ядра Ядерний апарат еукаріотичних к л іти н має низку особливостей. У ньому Д Н К -вм існ ий компонент відокремлений від цитоплазми спе ціальною ядерною оболонкою, Д Н К у ядрі еукаріотів у ти сячі разів більш е, н іж у складі нуклеоїдів бактерій, вона утворює складний комплекс із білками, який називають хроматином. Хроматин є струк турним компонентом хромосом. У ядрах не відбувається синтез біл ків, у них синтезую ться лиш е молекули Д Н К й Р Н К . Пригадайте .................................................... Термін «ядро» вперше використав Роберт Броун у 1833 р. для по значення кулястих постійних структур у клітинах рослин. Пізніше таку саму структуру описали в усіх клітинах еукаріотичних орга нізмів. У к л іти н і зазвичай одне ядро, але трапляю ться й багатоядерні к л і тини. Ядро включає в себе ядерну оболонку, що відокремлює його від цитоплазми, хромосоми, ядерце, ядерний білковий скелет — матрикс, каріонлазму (або ядерний сік) (мал. 19.1).
- 115. a б Мал. 19.1. Схема будова ядра (о): 1 — зовнішня мембрана; 2 — внутрішня мембрана; 3 — мембрани гранулярної ендоплазматичної сітки; 4 — ядерце; 5 — ядерні пори; 6 — хроматин; мікрофотографія (б) Оболонка ядра складається із двох мембран — зовніш ньої та вну тріш ньої. Зовніш ня ядерна мембрана з поверхні, зверненої до цито плазми, має на собі рибосоми, внутріш ня мембрана є гладкою. В н ут ріш ня мембрана контактує із хромосомним матеріалом ядра. Ядерна оболонка має пори, через я кі відбувається транспорт речовин. Головний компонент ядра — хроматин (від грец. chroma — забарв лення, колір) — є структурою, що виконує генетичну ф ункцію к л іти ни, він формує хромосоми. Хром атин м істить спадкову інф ормацію про розвиток організму, забезпечуючи її збереження й реалізацію , відіграє керівну роль у ж иттєдіяльності кліти ни. Х ром атин скла дається із Д Н К , об’єднаної з білками. В ін може перебувати у двох структурно-ф ункціональних станах: у робочому, коли він бере участь у синтезі нуклеїнових кислот (тоді його не можна побачити у світло вий мікроскоп), і в неактивному, коли цей синтез не відбувається, а клітина ділиться (тоді його можна побачити у світловий мікроскоп). П ід час поділу кліти ни хроматин максимально конденсований та виявляється у вигляді щ ільних тілець — хромосом. Т акі хромосоми не є активним и і не беруть участі в синтезі Д Н К або Р Н К . Ядерце є ділянкою хромосоми, на якій відбувається синтез рибо- сомних Р Н К та утворення рибосоми. У ядрах різних кліти н , а також у ядрі о д н ієї й т іє ї самої к літи н и залежно від ї ї ф ункціонального стану к іл ьк ість ядерець може коливатися від 1 до 5— 7 й більше. М іж усіма компонентами ядра розташований рідкий компонент кліти нного ядра — каріоплазма (або ядерний сік), у я к ій відбува ється багато біохім ічн и х процесів. У каріоплазма є вільні нуклеоти- ди, необхідні для побудови молекул Д Н К й Р Н К , амінокислоти, усі види Р Н К , а також продукти діяльності ядерця та хроматину, що транспортую ться п отім у цитоплазму. Ядро бере участь у збереженні, передаванні та реалізації спадкової інф ормації, а також у регулюванні процесів обміну речовин, що від буваються у кл іти н і.
- 116. 116 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Без’ядерна кліти на не мож е довго існувати, і ядро також не здат не до самостійного існування, тому цитоплазма та ядро утворюють взаємопов’язану й взаємозалежну систему. Історія в ід к р и ття функцій ядра Значення ядра як сховищ а генетичного матеріалу було встановлене експериментально. Н ім ец ьки й біолог Х ам м ерлін г продемонстрував найваж ливіш у роль ядра в експериментах на одноклітинній морській водорості ацетабулярії. Р із н і види ацетабулярій відрізняю ться передусім будовою «ша почки». У середземноморської ацетабулярії, наприклад, «шапочка» кругла й увігнута, а в ацетабулярії Веттш тейна вона розсічена на лопаті і схожа на квітку. Було проведено такий експеримент: н іж к у без «шапочки» від се редземноморської ацетабулярії пересадили на ризоїди ацетабулярії Веттш тейна. О тримали «вегетативний гібрид». В ін ш видко надбуду вав с о б і«ш апочку », і вона виявилася розсіченою на лопаті. Це означа ло, що саме ядро визначає особливості будови «шапочки» (мал. 19.2). Опорні точки Ядро еукаріотичної кліти н и включає в себе ядерну оболонку, що відділяє його від цитоплазми, хромосоми, ядерце, ядерний білковий скелет — матрикс, каріоплазму (або ядерний сік). Ядро бере участь у збереженні, передаванні та реалізації спадкової інф орм ації, а також у регулю ванні процесів обміну речовин, що від буваються в кліти н і. Мал. 19.2. Схема експерименту на одноклітинній морській водорості ацетабулярії
- 117. Клітина Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які функції виконує клітинна оболонка? 2. Що є головним компонентом ядра? 3. Які особливості є характерними для ядерного апарату клітини? 4. Які функції в ядрі виконує ядерце? 5. Чому без'ядерна клітина не може довго існувати? 6. Як хімічний склад хроматину пов'язаний із його функціями? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5* Тема. Мікроскопічна й ультрамікроскопічна будова ядра Мета: розглянути мікроскопічну та ультрамікроскопічну будову ядра. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, постійні препарати рослинних і тваринних клітин, на яких можна розглянути мікроско пічну та ультрамікроскопічну будову ядра, фотографії із зображенням мікроскопічної та ультрамікроскопічної будови ядра. Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © Розгляньте на препаратах основні компоненти ядра: оболонку, хроматин, ядерце, хромосоми. Замалю йте їх. Зробіть висновок про значення цих структур. © Розгляньте на фотографії зображення ядерної оболонки з пора ми. Замалю йте побачене. © Зробіть висновок про значення цих структур. § 20. Будова клітин прокаріотів. Нуклеоїд прокаріотичних клітин Прокаріотичні організми Будова прокаріотичних організмів дуже проста, тому їх виокремлю ють у самостійне царство Дроб’янки. Типові прокаріотичні клітини — це бактерії. Розміри бактеріальних клітин коливаються від 1до 10— 15 мкм. За формою виділяю ть кулясті клітини — коки, витягнуті — палички, або бацили, та звиті — спірили. Існую ть і ін ш і форми бактерій (мал. 20.1).
- 118. 11Z КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Бацили Спірили Коки Мал. 20.1. Різноманітні форми бактерій Залежно від того, до якого виду належать мікроорганізми, вони іс нують або окремо, або утворюють характерні скупчення. Наприклад, стрептокок (мал. 20.2), що спричиняє запальні захворювання в людини й тварин, утворює ланцюги з декількох бактеріальних клітин; стафіло кок, що уражає дихальні шляхи в дітей, існує у вигляді утворень, які нагадують виноградне гроно (мал. 20.3). За характером таких скупчень бактеріальних клітин і за особливостями їхньої ж иттєдіяльності м і кробіологи можуть визначити, до якого виду належить мікроорганізм. Стаф ілококи є повсюдно поширеними мікроорганізмами, частина з них живе на ш к ір і й слизових оболонках, не спричиняю чи нега тивних наслідків. Захворювання у людини найчастіш е зумовлюють патогенні види, часто стій к і до антибіотиків. Д ля багатьох прокаріотів характерним є спороутворення. Спори утворюються, як правило, через брак пож ивних речовин або нако пичення в середовищі надлиш ків продуктів обміну речовин. Спора оточена клітинною стінкою , часто багатошаровою. Процеси ж и ттєд і яльності всередині спор практично припиняю ться (мал. 20.4). Дізнайтеся більше ...................................................... Спори бактерій у сухому стані дуже стійкі. У такому стані вони зберігають життєздатність багато сотень і навіть тисячі років, ви тримуючи різкі коливання температури. Мал. 20.2 Стрептококи Мал. 20.3. Стафілококи Мал. 20.4. Спори бактерій
- 119. Клітина Будова клітин прокаріотів К л іти н и прокаріотів маю ть кліти нну стін ку. Вона надає к л іти н і певної форми, захищає її вм іст від впливу несприятливих умов се редовища та виконує низку ін ш их ф ункцій. Основу к л іти н н ої стін ки бактерій, як і всіх прокаріотів, становить полісахарид муреїн. Усередині бактеріальної клітини осмотичний тиск у декілька ра зів, а іноді й у десятки разів вищ ий, н іж у зовніш ньому середовищі. Том у кліти н а ш видко розірвалась би, якби не була захищена такою міцною структурою , як клітинна стінка. Багато видів бактерій оточені слизовою капсулою, яка служ ить додатковим захистом для кліти н . Товщ ина капсули може в багато ра зів перевищувати діаметр самої клітини, а іноді вона настільки тонка, що її мож на побачити лиш е завдяки електронному мікроскопу. К ап сула не є обов’язковою частиною клітини, вона утворюється залежно від умов, у я к і потрапляє бактерія. Вона служ ить захисним покривом та бере участь у водному обм іні, запобігаю чи висиханню кліти н и. За х ім іч н и м складом капсули найчастіш е є полісахаридами. Б актер ії часто маю ть органоїди руху — дж гутики, к іл ьк ість яких може бути від 1 до 50 (мал. 20.5). В одних бактерій дж гути ки роз таш овані на одному к ін ц і клітини, r ін ш их — на двох або на всій поверхні. Спосіб розташ ування дж гути ків є однією з характерних ознак при класиф ікації рухомих форм бактерій. У цитоплазмі водних і ґрунтових бактерій, я к і не маю ть д ж гути ків, є газові вакуолі. Регулю ю чи к іл ь к ість газу у вакуолях, водні бактерії м ож уть занурю ватись у товщ у води або п ідн ім атися на її поверхню, а ґрунтові — пересуватися в капілярах ґрунту. Мал. 20.5. Різні бактерії з джгутиками Мал. 20.6. Кільцева молекула ДНК, розташована у нуклеоїді (а), може додатково спіралізуватися (6)
- 120. 120 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ У цитоплазмі к л іти н бактерій часто м істяться гранули різної фор м и та розмірів. Ц е запасні речовини — полісахариди (наприклад крохмаль, глікоген), ж ири, поліфосфати, сірка. Ц і речовини, вклю чаю чись в обм ін н і процеси, м ож уть підтрим увати ж и ття к л іти н и за відсутності зовніш ніх джерел енергії. Нуклеоїд прокаріотичної клітини Спадкова інф орм ація прокаріотів м істи ться в нуклеоїді. «Н ук леоїд» означає «подібний до ядра». У ньому розташована велика кільцева дволанцюгова молекула Д Н К , довжина якої у 700— 1000 ра зів перевищує довж ину самої к літи н и (мал. 20.6). Н уклеоїд не має мембрани, ядерця та набору хромосом. Ф актично це частина цито плазми, де розташована кільцева Д Н К . К р ім того, у більш ості прока р іотів у цитоплазм і є ще й дрібні кільцеві молекули Д Н К , що маю ть назву плазмід. У бактерій Д Н К упакована менш щ ільно, на відм ін у від Д Н К справ ж н іх ядер. Опорні точки П р окар іо ти чн і організми давні та м алі за розмірами. К л іти н и прокаріотів оточені кліти нною стінкою . Багато видів бактерій ма ю ть зовні слизову капсулу, що служ ить захисним покривом к літи н и й бере участь у водному обм іні, захищ аю чи кліти н у від висихання. Основна особливість будови прокаріотів — це відсутність ядра та наявність нуклеоїду, щ о виконує його ф ункції. Запитання для контролю і самоконтролю 1- Які функції виконує клітинна стінка прокаріотів? 2. Які характеристики прокаріотів є важливими для їх класифікації? 3. Що ви знаєте про органели руху прокаріотів? 4. із чого складається нуклеоїд прокаріотичних клітин? 5. Чим відрізняються грампозитивні та грамнегативні бактерії? 6. У чому полягає подібність і відмінності прокаріотичних та еукаріо тичних клітин? Теми для проектної і групової роботи 1. Історія вивчення клітини. 2. Сучасні методи цитологічних досліджень (на вибір учнів). 3. Практичне значення цитологічних досліджень (на вибір учнів).
- 121. 12! Тема 2. Цитоплазма та ї ї компоненти Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • мембранні і немембранні органели еукаріотичної клітини та їхні функції; • процеси синтезу білка; • процеси гліколізу і клітинного дихання; • процес фотосинтезу. Навчитеся: • характеризувати цитоплазму, її складові; • пояснювати значення гліколізу, фотосинтезу, клітинного ди хання: • застосовувати знання про вплив факторів зовнішнього сере довища на клітини для профілактики захворювань людини. § 21. Цитозоль (гіалоплазма), органели, включення Цитозоль (гіалоплазма) Цитоплазма — це позаядерна частина кліти н и ж ивих організмів. Цитозоль (гіалоплазма) — це частина цитоплазми, що займає простір м іж мембранними органелами. Зазвичай цей простір займає близько половини загального об’єму кліти н и. До складу цитозоля входять рибосоми, ферменти та ін ш і білки. О скільки білки становлять близько 20 % маси цитозоля, правильні ше буде уявляти його як високоорганізований гель, а не я к розчин ферментів. Ц итоплазма постійно рухається, перетікає всередині ж и вої к л іти ни, пересуваючи разом із собою р ізн і речовини, вклю чення та орга ноїди. Ц ей рух називається циклозом. У мертвих кліти н ах циклоз припиняється. Цитоплазма здатна до росту та відтворення і за умови частково го видалення може відновлю ватися. Однак нормально ф ункціонує цитоплазма тіл ьк и в присутності ядра. Без нього цитоплазма дов го існувати не може, так само як і ядро без цитоплазми (мал. 21.1). Н айваж ливіш а роль цитоплазми полягає в об’єднанні всіх к л іти н них структур та забезпеченні їх х ім іч н о ї взаємодії. А д ж е саме в ц и топлазмі відбувається більш ість процесів ж иттєдіяльності кліти ни.
- 122. /22 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 21.1. Особливо важливу роль цитоплазма відіграє у яйцеклітині, визначаючи разом із ядром майбутній розвиток зиготи Органели і включення Органелами називаються структури кліти ни, я к і постійно в ній присутні, маю ть певну будову, місцерозташ ування та виконую ть пев ні функції. Органели, постійно присутні в усіх клітинах, називають органелами загального значення. Інш і органели присутні лише в деяких клітинах у зв’язку з виконанням певних специф ічних для тих кліти н ф ункцій. Такі органели називаються органелами спеціального значення. Органели цитоплазми за будовою поділяю ться на мембранні та немембранні. М ембранні органели є замкненими компартаментами (відсіками), обмеженими мембраною. Немембранні органели не є клітинним и ком партаментами й маю ть інш у будову. Включення цитоилазми — це необов’язкові компоненти кліти н и, щ о виникаю ть та зникаю ть залежно від активності обміну речовин у к л іти н і (мал. 21.2, 21.3).
- 123. Цитоплазма та її компоненти Мал. 21.2. Жирові включення в клітинах печінки: 1 — жирові включення (чорні кульки); 2 — ядра клітин Мал. 21.3. Клітини печінки: 1 — включення глікогену (червоне забарвлення); 2 — ядро клітини В иділяю ть кілька видів включень. До трофічних включень належать краплинки нейтральних жирів, що можуть накопичува тися у цитоплазмі та використовуватися за не обхідності. Ін ти м видом трофічних включень е глікоген — полісахарид, який також може відкладатися в гіалоплазмі. Секреторні включення — зазвичай округлі утворення різних розмірів, що містять біо логічно активні речовини, які утворюються в клітинах у процесі життєдіяльності. Екскреторні включення не містять будь-яких ферментів або інших активних речовин. За звичай це продукти обміну речовин, що підля гають видаленню із клітини. Пігментні включення — це каротин, пилові частинки, барвники, гемоглобін, меланін. їх наявність у цитоплазмі може змінювати колір тканини чи органа тимчасово або постійно. Ц итозоль (гіалоплазма) — це частина цитоплазми, що займає про стір м іж мембранними органелами. Вона об’єднує ці органели і забез печує їхн ю взаємодію. Органелами називаються структури, я к і постійно присутні в к л і ти н і, маю ть певну будову, місцерозташ ування й виконую ть певні ф ункції. Вклю чення цитоплазми — це необов’язкові компоненти кліти н и, що виникаю ть та зникаю ть залежно від активності обміну речовин у кл іти н і. Опорні точки
- 124. 124 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Запитання для контролю і самоконтролю 1- Із чого складається цитозоль? 2. Які включення є у клітинах і яку роль вони виконують? 3. Що називається циклозом? 4. Чи здатна цитоплазма функціонувати за умови відсутності ядра? 5. Чим мембранні органели відрізняються від немембранних? 6. Які критерії застосовують цитологи для класифікації органел? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 Тема. Рух цитоплазми в клітинах рослин Мета: переконатися, що в клітинах рослин відбувається рух цито плазми. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметне та на кривне стекла, пінцети, препарувальні голки, фільтрувальний папір, дистильована вода, 9%-й розчин натрій хлориду, листок елодеї. Хід роботи П ідготуйте мікроскоп до роботи. Приготуйте препарат ж ивих клітин листка елодеї. Д ля цього ц і лий листок елодеї покладіть на предметне скло у краплину води, накрийте його накривним склом. Розгляньте препарат при малому збільш енні мікроскопа. Зна йдіть на препараті тонку ділянку, де добре видно клітини. Роз гляньте цю ділянку при великому збільш енні. Замалю йте її. Зверніть увагу на те, що цитоплазма притиснута до клітинних стінок. К л іти н и перебувають у стані повного насичення водою — у стані тургору. При великому збільш енні мікроскопа можна побачити рух цитоплазми та хлоропластів. Я кщ о треба, мож на п ід ігр іти препарат до +38— 40 °С, уводячи під накривне скло теплу воду або поклавши його на декілька хвилин під увімкнену настільну лампу. Замалю йте схему руху хлоропластів. Зробіть висновки.
- 125. Цитоплазма та її компоненти 125 § 22. Немембранні органели: цитоскелет. Клітинний центр. Рибосоми Цитоскелет і органели руху Цитоскелет — це к л іти н н и й каркас, або скелет, розташ ований у цитоплазмі ж и вої кліти ни. В ін присутній у кліти н ах і еукаріотів, і прокаріотів. Ф у н кц іям и цитоскелета є підтримування й адаптація форми кліти н и до зовніш ніх впливів, участь в екзоцитозі та ендоцито- зі, забезпечення руху клітини як цілого, активне внутріш ньоклітинне транспортування та кліти н н ий поділ. Ц итоскелет утворений білками. В ін складається з трьох основних компонентів: м ікроф ілам ентів, п р ом іж н и х ф іламентів, мікротру- бочок (мал. 22.1). Мікрофіламенти — це тон кі білкові н итки діаметром 5— 8 нм, що м істяться практично в усіх типах клітин. Залеж но від хім ічн ого складу мікроф іламенти м ож уть виконувати ф ункц ії цитоскелета і брати участь у забезпеченні руху. М ікроф іла менти є внутріш ньоклітинним и скоротливими апаратами, що забез печують рухом ість к л іти н під час пересування. Мікротрубочки є порож нистими циліндрами діаметром 25 нм. Вони відіграю ть важливу роль у внутріш ньоклітинному транспортуванні та поділі клітин. У цитоплазмі мікротрубочки утворюють веретено к л і тинного поділу. М ікротрубочки також входять до складу центріолі, є основними структурними елементами війок і дж гутиків. Важливе ф ункціональне значення мікротрубочок цитоплазми по лягає також у створенні еластичного і водночас стійкого внутріш ньо клітинного каркаса (цитоскелета), необхідного для підтримування форми клітини. Зовнішня мембрана клітини Мікротрубочки Мікрофіламенти Мал. 22.1. Цитоскелет клітини: а б модель; б — мікрофотографія
- 126. Проміжні філаменти забезпечують механічну м іц н ість кліти н, їх відростків, беруть участь в утворенні м іж к л іти н н и х контактів. Війки та джгутики — це спеціальні органели руху, що є в деяких клітинах. У світловому м ікроскопі ц і органели маю ть вигляд тонких виростів кліти н. Д овж ина війок — 5— 10 м км , а довжина д ж гути ків може сягати 150 м км . В іл ьн і кл іти н и , що маю ть війки та д ж гути ки , здатні рухатися, а нерухомі к літи н и рухом війок мож уть переміщ ати рідину й дрібні частинки. Клітинний центр Клітинний центр (мал. 22.2) є універсальною немембранною ор- ганелою еукаріотичних кліти н. В ін представлений центросомою — щ ільною частинкою розміром близько 0,7 м к м та центросферою — білковими ниткам и, щ о розходяться від центросоми, — мікротру- бочками. До складу клітинного центру входять дві центріолі. К ож на цент- ріоль — це циліндр розміром близько 1 м км , по колу якого розташ о вані дев’ять триплетів мікротрубочок (мал. 22.3). Ц ентріолі розташ о вуються під прям им кутом одна до одної. К літи н н и й центр відіграє важ ливу роль в організації цитоскеле- та, оскільки цитоплазматичні мікротрубочки розходяться в усі боки з ц іє ї ділянки. П ід час підготовки кліти н до поділу відбувається подвоєння цен- тріолей. Ц ен тріолі розходяться, і поряд із кож ною ш ляхом самозби- рання формується нова центріоль. В ід центріолей тягнуться м ік р о трубочки, що утворю ю ть веретено поділу. Ч астина ниток веретена прикріплю ється до хромосом. і26 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ядро а б Мал. 22.2. Клітинний центр Мал. 22.3. Центріоль: а — модель; б — мікрофотографія
- 127. Цитоплазма та її компоненти 127 Власна ф ункція центріолей полягає в тому, щ о вони необхід н і для формування д ж гути ків і війок. П ісл я руйнування центріолі не поновлюються, і кліти на втрачає здатність утворювати ц і орга нели руху. У кліти нах вищ их рослин центріолі відсутні, том у в них немає дж гути ків або війок. Рибосоми' Рибосома — це органела, на я к ій відбувається синтезування білка. На відм ін у від ін ш их органел, рибосом у к л іти н і величезна кількість, оскільки к л іти н і необхідно синтезувати багато білків. Група, що включає до кількох десятків рибосом, я к і поєднанні з однією іР Н К , називається полісомою. У мітохондріях і хлоропластах є рибосоми, менш і за розмірами, н іж ті, що містяться в цитоплазмі. Характеристика рибосом подана у табл. 4. Таблиця 4 Характеристика рибосом Дата відкриття 1953 р. Для яких організмів характерні Містяться в клітинах усіх живих орга нізмів Форма Мікроскопічні тільця округлої форми Діаметр 15— 20 нм Будова однієї рибосоми Кожна рибосома складається із двох не однакових за розмірами частинок: малої та великої субодиниць (мал. 22.4) Кількість п одній клітині Багато тисяч Наявність мембрани Н і, це немембранна органела Розташування в клітині На мембранах гранулярної ендоплазма тичної сітки або вільно в цитоплазмі, усередині мітохондрій та пластид Хімічний склад Білки та рРНК. Мала субодиниця — 1 молекула рРН К і 20 молекул білка, велика — 3 рРН К і 35 молекул білка Функції Синтезування білка Місце, де синтезується рРНК Ядерце Місце, де утворюються субодиниці Ядерце
- 128. m КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ f + — Ф мала субодиниця велика субодиниця рибосома Мал. 22.4. Будова рибосоми Опорні точки Ц итоскелет — це к літи н н и й скелет, розташ ований у цитоплазмі ж ивої кліти ни. Ф у н к ц ія м и цитоскелета є підтримування та присто сування форми кліти н и до зовніш нього впливу, участь в екзоцитозі та ендоцитозі, забезпечення руху к літи н и як цілого, активне вн утр іш ньоклітинне транспортування та поділ кліти н и. К літи н н и й центр є універсальним немембранним органоїдом усіх еукаріотичних кліти н , він відіграє важ ливу роль в організації ц и тоскелета. Рибосоми — це немембранні органели, що беруть участь у синтезі білка. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Яким є хімічний склад рибосом? Які функції виконує цитоскелет? , Чи є центріолі в клітинах вищих рослин? Які немембранні структури беруть участь у внутрішньоклітинному транспортуванні та поділі клітин? Які немембранні структури беруть участь в організації цитоске лета? 6. Як структури цитоскелета пов'язані з його функціями? § 23. Синтез білків Обмін речовин у клітині Клітина — це відкрита система, я к ій властивий обмін речовин та енергії. У клітинах безперервно відбуваються процеси біологічного синтезу. За допомогою ф ерментів із простих низькомолекулярних речовин утворюються складні високомолекулярні сполуки: з ам ін о кислот синтезуються білки, з моносахаридів — складні вуглеводи, з нітратних основ, моносахаридів і залиш ків ортофосфатної кисло ти — нуклеотиди, а з них — нуклеїнові кислоти.
- 129. Цитоплазма та її компоненти С укупність реакцій біосинтезу, я к і відбуваються з поглинанням енергії, називається пластичним обміном (асиміляцією , або анабо лізмом). Процес, протилеж ний синтезу, називається ди си м іляц ією . Д и си м іл яц ія (енергетичний обмін, або катаболізм) — це розщеплення органічних сполук, при яком у виділяється енергія, необхідна для реакцій біологічного синтезу. Процеси обміну речовин забезпечують постійність внутріш нього середовища організму в м інливих умовах існування. У сі процеси обміну речовин у к л іти н і відбуваються під генетичним контролем. Синтез білків — це процес реалізації спадкової інф ормації на основі генетичного коду. Характеристика генетичного коду Генетичний код — це спосіб запису послідовності ам інокислот у білку за допомогою послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кис лотах. Генетичний код має низку особливостей: він є триплетним, однозначним, виродженим, тобто надлиш ковим, та універсальним. Триплетність генетичного коду означає, що одну амінокислоту ко дує послідовність із трьох нуклеотидів. Таку послідовність називають кодоном,або триплетом. Генетичний код є однозначним, кожен триплет кодує тіл ьк и одну певну амінокислоту, а генетична інф ормація зчитується лиш е одним способом. Триплети У А А , У А Г , У Г А не кодую ть амінокислот. їх на зивають стоп-кодонами, кожен із них означає припинення синтезу поліпептидного ланцю га. Триплет А У Г позначає місце, де починає синтезуватися наступний поліпептидний ланцю г. А ле в середині ланцю га він кодує метіонін. Генетичний код є виродженим, тому щ о одна амінокислота може кодуватися декількома триплетами. Наприклад, амінокислоту аланін кодую ть триплети Ц Г А , Ц ГГ , Ц Г Т , Ц Г Ц . Генетичний код однаковий у всіх живих організмів, що існують на Землі, тому він і вважається універсальним. Молекули Д Н К у різних організмів є різними, але спосіб запису спадкової інформації за допо могою послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кислотах — однаковий. У результаті багатьох лабораторних дослідж ень учені склали таблицю генетичного коду (табл. 5). У таблиці в перш ому стовпчику подано перш у основу триплету (у дуж ках для Д Н К , без дуж ок для РН К ), котрий кодує ту чи інш у амінокислоту, у другому — другу основу, у третьому — третю. За кодовані назви амінокислот: аланін (Ала), аргінін (Apr), аспарагін (Асн), аспарагінова кислота (Асп), валін (Вал), гістидин (Гіс), гліцин
- 130. 130 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ (Глі), глутам ін (Глн), глутамінова кислота (Глу), ізолейцин (Іле), лей цин (Лей), лізин (Ліз), метіонін (Мет), пролін (Про), серин (Сер), ти розин (Тир), треонін (Тре), триптофан (Три), ф енілаланін (Фен), цис теїн (Цис). Н априклад, ам інокислота валін кодується чотирма триплета ми в молекулі Д Н К : Ц А А , Ц А Г , Ц А Т , Ц А Ц , а амінокислота трипто фан — тіл ьк и одним — А Ц Ц . V f к ^ ' s ' ^ Генетичний код p u t Ц . 7 f г f t Л ц ^ Етапи синтезу білка Д ля того щоб синтезувався білок, інф орм ація про послідов ність амінокислот у його первинній структурі має бути доставлена до рибосом (мал. 23.1). Цей процес проходить у два етапи — етап транскрипції та етап трансляції. П ерш ий етап синтезу білка — транскрипція. Транскри п ція — це процес синтезу всіх ти пів Р Н К , що відбувається в ядрі к літи н и на матриці — молекулі Д Н К за принципом комплементарності: ти м ін у Д Н К комплементарний аденін Р Н К , цитозину Д Н К — гуанін Р Н К , гуаніну Д Н К — цитозин Р Н К . О скільки в Р Н К замість т и м і ну присутня нітратна основа урацил, то аденіну Д Н К комплемен тарний урацил Р Н К . Перша Друга основа Третя основа У (А) Ц (Г) А (Т) Г(Ц ) основа У (А) Фен Сер Тир Цис У (А) Фен Сер Тир Цис П (Г) Лей Сер Стоп Стоп А (Т) Лей Сер Стоп Три Г(Ц ) Ц (Г) Лей Про Гіс Apr У. (А) Лей Про Гіс Apr Ц (Г) Лей Про Глн Apr А (Т) Лей Про Глн Apr Г(Ц ) А (Т) Іле Тре Асн Cep У (А) Іле Тре Асн Cep Ц (Г) Іле Тре Ліз Apr А (Т) Мет Тре Ліз Apr Г(Ц ) Г(Ц ) Вал Ала Асп Глі У (А) Вал Ала Асп Глі Ц (Г) Вал Ала Глу Глі А (Т) Вал Ала Глу Глі Г(Ц )
- 131. Цитоплазма та її компоненти ' приедмуї .амінокислоту ' поліпептид, що утворюється кодом ІРНК У процесі транскрипції Д Н К передає закодовану в н ій послідов ність ам інокислот білкової молекули інф орм аційній Р Н К . Д ругий етап синтезу білка — трансляція. У процесі трансляції інф ормація, щ о м іститься в іР Н К , реалізується. Синтезується відпо відний білок. Білоксинтезую ча система к л іти н и включає інф орм аційну Р Н К , набір із 20 амінокислот, що входять до складу молекули білка, тран спортні Р Н К , я к і виконую ть ф ункцію трансляційних посередників, набір ферментів, рибосоми. Транскрипція Цитоплазма Трансляція Амінокислоти * АТФ АДФ >НК 1 А тРНК, рибосома Мал. 23.1. Загальна схема синтезу білка С та д ії трансляції Трансляція відбувається у три стадії: ін іц іа ц ії, елонгації і терм інації (мал. 23.2). Стадія ініціації (початок синтезу) починається зі з ’єднання іР Н К з малою субодиницею рибосоми (мал. 23.1). Саме іР Н К виступає матрицею для синтезу білка. У цитоплазмі на один із к ін ц ів ІР Н К ♦сідає» рибосома, і починається синтез поліпептидного ланцю га. Стадія елонгації (продовження синтезу). На початку елонгації до рибосоми підходять дві перш і тР Н К , я к і транспортую ть ам інокисло ти, і утворюється перший пептидний зв’язок м іж амінокислотами. П ісл я цього відбувається переміщ ення рибосоми відносно ІР Н К , іде послідовне нарощ ування поліпептидного ланцю га по одній ам інокис лоті в суворій відповідності до порядку кодонів у молекулі іР Н К . Р и босома переміщ ується по молекулі ІР Н К не плавно, а поривчасто, тр и плет за триплетом. У м іру переміщ ення рибосоми по молекулі ІР Н К до поліпептидного ланцю га одна за одною приєднуються амінокислоти, що відповідаю ть триплетам ІР Н К . Точна відповідність амінокислоти коду триплету іР Н К забезпечується антикодоном тР Н К .
- 132. КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Ініціація Елонгація Термінація Man. 23.2. Стадії трансляції: 1 — велика субодиниця; 2 — ІРНК; 3 — мала субодиниця; 4 — білок Стадія термінації (завершення синтезу). Нарощ ування поліпеп- тидного ланцю га триває доти, доки на ш ляху рибосоми не трапиться один зі стогі-кодонів ІР Н К (У А А , У А Г , У Г А ). У д іл ян ц і цих триплетів відбувається розрив зв’язку м іж пептидом і останньою т Р Н К і ви вільняється готовий білок. Синтез білка закінчується формуванням відповідної структури біл ка — первинної, вторинної, третинної або четвертинної. Синтезовані білки спочатку накопичую ться в каналах і порож нинах ендоплазматичної сітки , а п отім транспортую ться до органел і ділянок к літи н , де вони використовую ться. Ендоплазматична сітка і рибосоми, розм іщ ені на її мембранах, є єдиним апаратом синтезу і транспортування білків. Опорні точки Синтез білків — це процес реалізації спадкової інф орм ації, який відбувається у два етапи (трансляція і транскрипція). Транскрипція — це процес синтезу всіх ти п ів Р Н К , який відбува ється у ядрі кліти ни на матриці — молекулі Д Н К . У процесі тран сл я ц ії інф ормація, щ о міститься в іР Н К , реалізується і синтезується відповідний білок. Д ля синтезу білка необхідні рибосоми, ІР Н К , т Р Н К , амінокислоти, ферменти, молекули А Т Ф тощо. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке генетичний код? 2. Які етапи синтезу білка ви знаєте? 3. Яку роль у синтезі білка відіграють тРНК? 4. Яку роль у синтезі білка відіграють іРНК? 5. Які компоненти входять у білоксинтезуючу систему клітини? 6. Як взаємопов'язані процеси транскрипції і трансляції? 7. Як взаємопов'язані процеси асиміляції та дисиміляції?
- 133. Цитоплазма та її компоненти П Р А К Т И Ч Н А Р О Б О Т А № 6 Розв'язання елементарних вправ із трансляції Д ля розв’язання деяких вправ знадобиться таблиця генетичного коду. О Користуючись таблицею генетичного коду, напиш іть послідов ність амінокислотних залиш ків у молекулі білка, яка була син тезована на іР ІІК з такою послідовністю нуклеотидів: У У У Г У У Г Ц У Г Г Л Г А Ц Г Г Г Ц Г У У Ц У У А У У Г У Г А У Г А Ц У А А © Користуючись таблицею генетичного коду, напиш іть послідов ність амінокислотних залиш ків у білку, що кодується геном із такою послідовністю нуклеотидів: Т Т Г Г Г Ц Ц Ц Ц Г А Г Т А Г А Ц Ц Ц Г А Г Г Г Ц Ц Ц А А А Г Т Т Ц Т А A T T © Користуючись таблицею генетичного коду, напиш іть можливу послідовність нуклеотидів у гені, який кодує пептид із такою послідовністю залиш ків амінокислот: Арг-Ф ен-М ет-Сер-Тре-Лей-Тир-Цис-Ала-Вал-Арг © Користуючись таблицею генетичного коду, напиш іть антикодони тих тР Н К , я к і будуть потрібні для синтезу пептиду з такою по слідовністю залиш ків амінокислот: Глі-Асп-Асн-Глн-Глу-Вал-Ф ен-М ет-Тир 0 Я ка кількість амінокислот входитиме до складу білка, який ко дується геном, що складається із 1290 нуклеотидів? З якої кількості нуклеотидів складатиметься ген, який кодує бі лок, що складається із 576 амінокислотних залиш ків? § 24. Одномембранні органели: ендоплазматична сітка, апарат Гольджі, лізосоми, вакуолі Ендоплазматична сітка У ся внутріш ня зона цитоплазми заповнена численними дрібними каналами і порож нинами, ц і канали розгалуж ую ться, з’єднуються один з одним й утворюють сітку, яка дістала назву ендоплазматична сітка. В ідом і дві ї ї структури — гранулярна і гладенька (мал. 24.1). Н а мембранах каналів і порож нин гранулярної сітки розміщ ується вели ка к іл ькість рибосом, я к і й надають мембранам ш орсткого вигляду. Мембрани гладенької ендоплазматичної сітки не несуть рибосом на своїй поверхні.
- 134. 134 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ядерна оболонка рибос< гранулярна ендоплазматична сітка гранулярна ендоплаз матична сітка гладенька ендоплаз матична гладенька ендоплазматична сітка З* сітка а б Мал. 24.1. Ендоплазматична сітка: гладенька і гранулярна: схема (а) й мікрофотографія (б) Основна ф ункція гранулярної ендоплазматичної сітки — участь у синтезі і транспортуванні білка. Гладенька ендоплазматична сітка — це місце синтезу і транспортування л іп ід ів і вуглеводів. А парат Гольджі А п ар ат Гольдж і — це універсальний мембранний органоїд еука ріоти чн и х к л іти н , від кр итий у 1898 р. іта л ій сь ки м дослідником К. ГольдЖ і (мал. 24.2). Детальна будова апарату Гольдж і була описана Нобелівським лауреатом Д ж . Паладе на початку 50-х pp. X X ст. Д о складу цього органоїда входять: мембранні цистерни, мембран н і бульбаш ки і мембранні трубочки. Основу апарату Гольдж і ста новлять мембранні цистерни, вони ізольовані одна від одної. П о каналах ендоплазматичної сітки до апарату Гольдж і транспор тую ться продукти синтетичної діяльності кліти н и — білки, вуглеводи й ж ири. У с і ц і речовини спочатку накопичую ться в апараті Гольдж і, а п отім у вигляді великих і дрібних бульбаш ок надходять у цито плазму й використовую ться самою кліти н ою або виводяться з неї і використовую ться в організмі. а б ІМал. 24.2. Будова апарату Гольджі: схема (а), мікрофотографія (б)
- 135. Цитоплазма та її компоненти Щ е одна важлива ф ункція цього органоїда полягає в тому, що на його мембранах відбувається синтез ж ирів і вуглеводів (полісахаридів). Завдяки діяльності апарату Гольдж і відбувається також оновлен ня і ріст плазматичної мембрани. В апараті Гольдж і утворюються лізосоми. Лізосоми т а пероксисоми Qc<-i ' г Ш ' Л ізосоми (від грец. lysis — розкладання, розпад і soma — тіло) є невеликими круглими тіл ьц ям и (мал. 24.3). В ід цитоплазми кожна лізосома відмежована мембраною. Усередині лізосоми є ферменти, що розщеплюють білки, ж ири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти. Л ізосом и підходять до пож ивної частинки, що надійш ла в ци топлазму, зливаються з нею, утворю ю чи травну вакуолю. М аю чи здатність активно перетравлювати пож ивні речовини, лізосоми бе руть участь у видаленні частин к літи ни, цілих к л іти н та органів, що відмираю ть у процесі ж иттєдіяльності. Утворення нових лізосом відбувається у к л іти н і постійно. Ф ермен ти, що містяться в лізосомах, як і будь-які ін ш і білки, синтезую ть ся на рибосомах цитоплазми. П о тім ці ферменти транспортую ться по ендоплазматичних каналах до апарату Гольдж і, у порожнинах якого ф ормуються лізосоми. Л ізосоми були відкриті у 1955 р. бельгійським біо х ім ік о м Крис- тіаном де Дю вом, який за дослідження структури і ф ункцій лізосом був удостоєний Нобелівської п рем ії у 1974 р. К ристіан де Дю в відкрив та к о ж пероксисоми. Пероксисоми (від латин, per — через, грец. oxys — кислий і soma — тіло) — це універсальний органоїд еукаріотичних кліти н, мембранні бульбаш ки діаметром 0,15— 0,25 м км . Ф у н кц ія пероксисом — розщеплення довголанцюгових ж ирних кислот, я к і надходять до к літи н и з їж ею . Мал. 24.3. Лізосоми, Мал. 24.4. Скоротливі вакуолі в найпро- мікрофотографія стіших: амеба (а), інфузорія-туфелька (6), інфузорія трубач (в)
- 136. 136 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ На відм іну від лізосом, нові нероксисоми утворюються тіл ьки ш ля хом дроблення вже існую чих, тому клітина, що втратила всі перок- сисоми, не мож е їх відновити. Вакуолі Вакуоля — це наповнений рідиною мембранний м іш ок, стін ка якого складається з одинарної мембрани (мал. 24.5). У тваринних к літи н ах м істяться відносно невеликі вакуолі, я к і беруть участь у фагоцитозі, перетравлюванні їж і, руйнуванні непотрібних к л іти н них структур, у виведенні надлиш ку води з організму. Рослинна кліти на м істи ть велику центральну вакуолю, оточену мембраною, яка називається тонопласт (мал. 24.5). Рідина, що за повнює центральну вакуолю, називається клітинним соком. Це кон центрований розчин, який м істи ть мінеральні солі, цукри, органічні кислоти, Оксиген, діоксин Карбону, пігм енти і деякі відходи ж и ттє діяльності. Вода зазвичай надходить у концентрований клітинний сік ш ляхом осмосу. У результаті в к л іти н і розвивається тургорний тиск і цито плазма притискається до кліти нної стінки . Осмотичне поглинання води відіграє важ ливу роль при розтягуванні кліти н під час росту, а також у загальному водному реж имі рослини. Іноді у вакуолях містяться розчинні пігменти. Саме вони головним чином і визначають забарвлення квітів, плодів, бруньок. У листках вони зумовлюють різні відтінки осіннього забарвлення, яке залежить також від фотосинтетичних пігментів, що містяться у хлоропластах. П ісл я загибелі кліти н и тонопласт, як і всі ін ш і мембрани, втрачає свою вибіркову проникність, і ферменти вивільняю ться із вакуоль, спричиняю чи автоліз — саморозчинення клітини. У вакуолях рослини мож уть накопичуватися кінцеві і деякі вто ринні продукти метаболізму. Вторинні продукти, зокрема алкалоїди і таніни, виконую ть захисну ф ункцію , запобігаючи поїданню таких рослин травоїдними тваринами. клітинний сік тонопласт
- 137. Цитоплазма та її компоненти Д еякі розчинні компоненти клітинного соку, наприклад сахароза і мінеральні солі, відіграю ть роль запасних пож ивних речовин, за необхідності використовую ться цитоплазмою. Опорні точки У к л іти н і є одномембранні органели. Ендоплазматична сітка бере участь у синтезі й транспортуванні білків, ж ирів і вуглеводів. Апарат Гольдж і — це місце накопичення органічних речовин і органела, яка бере участь у їх транспортуванні. Завдяки діяльності апарату Гольдж і відбуваються оновлення і ріст плазматичної мембрани й утворюються лізосоми. Л ізосоми — це одномембранні органели, що м істять гідролітичні ферменти і беруть участь у перетравлюванні пож ивних речовин. Вакуолі рослин виконую ть ф ункцію підтримки тургорного тиску, накопичення кінцевих і деяких вторинних продуктів метаболізму та ін ш і ф ункції. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які одномембранні органели ви знаєте? 2. Які функції виконує апарат Гольджі? 3. Де утворюються лізосоми і яку функцію вони виконують? 4. Завдяки якій органелі відбувається оновлення і ріст плазматичної' мембрани? 5. У якій органелі розщеплюються жирні кислоти, які надходять до клітини з їжею? 6. Яким може бути склад клітинного соку? 7. Що спільного й відмінного між гладенькою і гранулярною ендо плазматичною сіткою? Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А №7* Тема. Вивчення будови одномембранних органел Мета: вивчити будову і функції одномембранних органел клітини на прикладі апарату Гольджі. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, готові препарати (апарат Гольджі в нервових клітинах спинного ганглію кошеняти). Хід роботи О Розгляньте в мікроскоп готовий препарат — апарат Гольдж і в нервових клітинах спинного ганглію кошеняти — і замалюйте його.
- 138. ІЗf КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ На малю нку навколо ядра (1) на світлом у фоні нейроплазми (2) виділяється чорна звивиста сітка апарату Гольдж і (3), яка щ ільно прилягає до ядра або розміщ ується, трохи відступаючи від ядра, ніби утворюючи навколо нього кош ик (4). Спостерігаю ться нейрони, у ци топлазмі яких апарат Гольдж і складається з окремих ф рагментів (5), не зв’язаних м іж собою і розкиданих по всій нейроплазмі. 5 Нервові клітини спинного ганглію кошеняти при великому збільшенні 0 Зробіть висновки. § 25. Мітохондрії та процес дихання Будова й функції мітохондрій У цитоплазмі більш ості клітин тварин і рослин містяться дрібні тіл ь ця — м ітохондрії (від грец. milos — нитка, chondros — зерно, гранула). М ітохондрії добре видно у світловий мікроскоп, за допомогою якого можна розглянути їхн ю форму, розміщ ення, порахувати кількість. Оболонка м іто хо н д р ії складається із двох мембран — зовн іш ньої і внутріш ньої. Зовніш ня мембрана гладенька, вона не утворює н іяки х складок і виростів. В нутріш н я мембрана утворює численні складки, спрямовані в порож нину м ітохондрії. Складки внутріш ньої мембрани називають кристами (від латин, crista — гребінь). Н ові м ітохондрії утворюються ш ляхом поділу вже існую чих у к л і ти н і мітохондрій. Дізнайтеся більше ...................................................... Кількість крист неоднакова в мітохондріях різних клітин. їх може бути від кількох десятків до кількох сотень, причому особливо ба гато крист у мітохондріях клітин, що функціонують активно, напри клад мязових. Це пов'язано з тим, що їм необхідно більше енергії.
- 139. Цитоплазма та її компоненти а б Мал. 25.1. Мітохондрія: схема будови (о) й мікрофотографія (6) М ітох он д р ії називають «силовими станціям и кліти н», оскільки їх н я основна ф ункція — синтез аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ ). Ц я молекула синтезується в м ітохондріях к л іти н усіх організм ів і є універсальним дж ерелом енергії, необхідної для здійснення процесів ж иттєдіяльності кліти н и і цілого організму. Особливості будови м ітохон дрій визначаю ться їх н ім походж ен ням. За симбіотичною гіп отезою м ітохондрія — це стародавня про- каріотична клітина, яка могла використовувати кисень у своєму енер гетичному обміні. Захоплена ш ляхом ендоцитозу інш ою клітиною , якій не була притаманна така властивість, мітохондрія втратила свою самостійність, але зберегла певні к л іти н н і компоненти і здатність до поділу. У с і м ітохо н д р ії маю ть однакову будову — зовніш ню мембрану, між мембранний простір, внутріш ню мембрану і мітохондріальний матрикс (мал. 25.1). У мітохондріальному матриксі, оточеному внутріш ньою мембра ною, розміщ ені ферменти енергетичного обміну. У м атриксі м ітохон дрій також є кільцева молекула Д Н К і м ітохондріальні рибосоми. Основна ф ункція м ітохондрій — участь в енергетичному обміні кліти ни, здійснення клітинного дихання. Клітинне дихання Клітинне дихання — це сукупність б іохім іч н и х реакцій, у ході як и х відбувається окиснення вуглеводів, л іп ід ів і ам інокислот до вуглекислого газу і води. Вивільнена енергія запасається в х ім іч н и х зв’язках молекул А Т Ф та ін ш и х енергетичних молекул. Д ал і ця енер гія використовується для різних потреб клітини, у тому числі й для реакцій біосинтезу.
- 140. 140 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ І К літи нне дихання е останнім етапом енергетичного обміну. - і . f Н а перш ому, підготовчому, етапі енергетичного обм іну вели- v к і ор ган ічн і молекули розкладаю ться на д р іб н іш і компоненти. У ході цих перетворень виділяється мало енергії, вона розсіюється ) у вигляді тепла і А Т Ф не утворюється. Д ругий етап енергетичного обміну — неповне безкисневе розщеп лення речовин — відбувається в цитоплазмі клітин. Речовини, що утворилися під час підготовчого етапу, розкладаються за допомогою ф ерментів за відсутності кисню. П рикладом безкисневого розщеи- А лення речовин є гл ікол із — ферментативне розщеплення глю кози. Гл ікол із відбувається у тваринних клітинах і в деяких мікроорганіз- ч мів. У процесі гл ікол ізу з однієї молекули глю кози утворюються дві молекули трикарбонової піровиноградної кислоти С3Н вО„, а енергії, г- що вивільняється при цьому, достатньо для перетворення двох моле- кул А Д Ф на дві молекули А Т Ф (мал. 25.2). Третій етап енергетичного обміну — повне кисневе розщеплення, або клітинне дихання,— відбувається в матриксі і на кристах м іто хондрій в присутності кисню. П родукт гліколізу — піровиноградна кислота — м істи ть значну к іл ь к ість енергії, і подальше ї ї вивільнення відбувається в м іто хондріях, де здійсню ється повне окиснення піровиноградної кисло ти до С 0 2та H zO. Процес клітинного дихання можна поділити на три стадії: 1) окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти; 2) цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса); 3) заключна стадія окиснення — електронно-транспортний лан цюг. На першій с т а д ії піровиноградна кислота взаємодіє з речови ною, яку називають коензимом А (скорочено КоА), у результаті чого утворюється ацетилкоензим-А (ацетил-КоА) з високоенергетичним зв’язком (мал. 25.2, /). Друга с т а д ія — цикл Кребса (мал. 25.2, 2), названий так на честь англійського дослідника Ганса Кребса, яки й його відкрив. У цикл Кребса вступає ацетил-КоА, утворений на попередній стадії. А ц ети л -К о А взаємодіє з щавлевооцтовою кислотою (чотирикар- бонова сполука). Д ал і у результаті циклу Кребса розкладається молекула піровиноградної кислоти, виділяється С 0 2й утворюються енергетичні молекули. Т р е т я с т а д ія — електронно-транспортний ланцю г (мал. 25.2, 3). Н а цьому етапі синтезуються енергетичні молекули А Т Ф . П ри цьо му використовую ться спеціальні переносники електронів, я к і роз таш овані на вн утр іш н ій мембрані м ітохондрій у вигляді ланцю га. Завдяки д ії електронно-транспортного ланцю га виникає різни ця
- 141. Цитоплазма та її компоненти 141 піровиноградна молочна кислота кислота потенціалів за рахунок того, що з одного боку мембрани концент рую ться електрони, а з другого — протони. Енергія ц ієї різниці по тенціалів також витрачається для синтезу А Т Ф . У результаті розщеплення у процесі клітинного дихання двох мо лекул піровиноградної кислоти синтезується в цілом у 36 молекул А Т Ф . Сумарне рівняння енергетичного обміну має вигляд: СвН І20 6+ 60, + б Н р + 3 8 А Д Ф + 38Н 3Р 0 4 -> -> 6С 02 + 12Нг0 + 3 8А ТФ . Н а другому етапі енергетичного обміну синтезується 2 молекули А Т Ф , на третьому — 36 молекул А Т Ф . Т аки м чином, кисневе розщеплення дає енергії у 18 разів більше, н іж її запасається у результаті гліколізу. Опорні точки М іто х о н д р ії — двомембранні органели, основною ф ункцією яких є участь в енергетичному обм іні клітини, здійснення внутріш ньо клітинного дихання. К літинне дихання — це сукупність біохім ічн их реакцій у к л іти н і, у ході яких відбувається окиснення вуглеводів, л іп ід ів і ам інокислот до вуглекислого газу і води. Вивільнена у цих
- 142. ■‘ ■:V КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ реакціях енергія запасається в х ім іч н и х зв’язках молекул А Т Ф і ін ш их енергетичних молекул. Д алі ця енергія використовується для різних потреб кліти н и , у тому числі й для реакцій біосинтезу. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які двомембранні органели ви знаєте? 2. Яка будова мітохондрій? 3. Як мітохондрії відновлюються? 4. Яку роль відіграють мітохондрії в енергетичному обміні клітини? 5. У чому полягає біологічна природа гліколізу? 6. Як будова мітохондрій пов'язана з їхніми функціями? § 26. Пластиди та процес фотосинтезу Будова і функції пластид Пластиди (від грец. plastos — утворений, виліплений, оформле ний) — це органели, характерні для рослинних кліти н. У клітинах тварин пластиди відсутні. Розрізняю ть три основні типи пластид: зелені — хлоропласти; червоні, ж овтогарячі й ж овті — хромопласти; безбарвні — лейко пласти. У с і різновиди пластид утворю ю ться із дрібних безбарвних пластид — округлих мембранних тілець діаметром приблизно 1 мкм , я к і маю ть слабкорозвинену систему тилакоїдів. П ластиди мож уть розмножуватися. Хлоропласт — органела кліти н рослин, у я к ій відбувається процес фотосинтезу. Хлоропласти м істяться в кліти н ах ли стків та інш их зелених органів рослин, а також у різних водоростях. У вищ их рос лин в одній к л іти н і зазвичай буває к іл ьк а десятків хлоропластів. Зелене забарвлення хлоропластів залежить від вм істу в них пігм енту хлорофілу. За будовою хлоропласти подібні до м ітохондрій (мал. 26.1). Від цитоплазми хлоропласт відділений двома мембранами — зовніш ньою і внутріш ньою . Зовніш ня мембрана гладенька, без складок і виростів, а внутріш ня утворює багато складчастих виростів, спрямованих усе редину хлоропласта. Тому всередині хлоропласта зосереджена велика кіл ьк ість мембран, що утворюють особливі структури — тилакоїди. Тилакоїди утворю ю ть грани. Саме в мембранах гран розміщ ую ться молекули хлорофілу, і тому тут відбувається фотосинтез. У стромі (матриксі) хлоропласту, оточе ному внутріш ньою мембраною, є кільцева Д Н К і рибосоми.
- 143. Цитоплазма та її компоненти 1 Х ром опласти містяться в цитоплазмі кліти н різних частин рос лини: у квітках, плодах, стеблах, листках. Вони впливають на за барвлення віночків квіток, плодів, осіннього листя. Л ейкопласти — безбарвні пластиди, розміщ ені в цитоплазмі к л і тин незабарвлених частин рослин, наприклад у стеблах, коренях, бульбах. Ф орма лейкопластів різноманітна. У цих пластидах відкла дається запас пож ивних речовин. Хлоропласти, хромопласти і лейкопласти мож уть здійснювати вза ємний перехід. Так, під час достигання плодів чи зм іни забарвлення листя восени хлоропласти перетворюються на хромопласти, а лейко пласти мож уть перетворюватися на хлоропласти (наприклад, якщ о зеленіють бульби картоплі). Еволю ційним и попередниками пластид згідно із симбіотичною ги- потезою вважаються бактерії, я к і набули здатності використовувати світлову енергію і були «захоплені» ін ш и м и видами бактерій. Ф отосинтез Слово «фотосинтез» буквально означає: створення п ід впливом світла. Ф отосинтез — це процес, який відбувається у хлоропластах під дією сонячного світла. П ід час фотосинтезу відбувається процес перетворення енергії со нячного світла на енергію х ім іч н и х зв’язків органічних сполук (глю кози), які синтезую ться з неорганічних сполук — води та вуглекис лого газу. Сумарна формула фотосинтезу має такий вигляд: 6 С0 2+ 6 Н 20 = С вН 120 в + 602. Фотосинтез здійснюється в хлоропластах. Основним фотосинтетич ним пігментом вищ их рослин є хлорофіл. За хім ічною структурою а б Мал. 26.1. Схема будови хлоропласта (а): — строма, 2 — зовнішня мембрана, 3 — внутрішня мембрана, 4 — тилакоїди; мікрофотографія (б) .
- 144. m КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ розрізняю ть декілька видів хлороф ілів. К р ім хлороф ілів, у хлоро пластах як допом іж н і пігменти присутні каротиноїди (ж иророзчинні пігм енти, виявлені у всіх рослин). Процес фотосинтезу складається з двох взаємопов’язаних етапів — світлової та темнової фаз. Світлова фаза відбувається лиш е за наявності світла, за допомогою ф отосинтетичних пігм ен тів у тилакоїдах хлоропластів (мал. 26.2, /). Тилакоїди — це мембранні пухирці, розташ овані у стромі хлороплас тів. У мембранах тилакоїдів є молекули хлорофілу. У світловій фазі фотосинтезу відбувається поглинання світла мо лекулами хлороф ілу і перетворення енергії світла в х ім іч н у енергію молекул А Т Ф та ін ш и х переносників енергії, а також виділення ки с ню в атмосферу. Темпова фаза не вимагає світла, відбувається у стромі хлоропласта (мал. 26.2, 2). У ній енергетичні молекули витрачаються на синтез органічних сполук. У світловій фазі ф отосинтезу беруть участь дві ф отосистеми: фотосистема 1 (ФС1) і фотосистема 2 (ФС2). У кож ній ф отосистемі є антенний комплекс, який складається з хлорофілу і призначений для вловлювання енергії світла різної довжини хвилі та передачі її на реакційний центр. До реакційного центру ФС1 входять молекули хлорофілу, я к і поглинають світло з довжиною хвилі максимум 700 нм, а до реакційного центру Ф С2 — молекули хлорофілу, я к і поглинають світло з довжиною хвилі максимум 680 нм. біохімічні реакції, що не залежать від світла темноваМал. 26.2. Фази фотосинтезу: 1 — світлова, 2 —
- 145. Цитоплазма та її компоненти Енергія електрону витрача ється на синтез енергетич них молекул НАДФН Акцептор електронів приймас високоенерге тичний електрон ьАкцептор елем^онів хлорофіл Електрон переміщу ється по ланцюгу, втрачаючи енергію, яка іде на синтез АТФ Квант світла переводить електрон хлорофілу на більш високу енергетичну орбіту >0, Акцептор елекцюнів сНАДФ' НАДФН Електрон з фото- системи 2 закриває електронну дірку в хлорофілі фотосистсми 1 Н.о 2Н Фотохімічні реакції У результаті фотолізу води утворюються е , Н‘ і О, СО Енергія АТФ і НАДФН витрачається на синтез глюкози Біохімічні реакції, що не залежать від світла Рис. 26.3. Схема фотосинтезу Процеси у світловій ф азі здійсню ю ться за схемою, зображеною на мал. 26.3. Утворені в результаті ф отохім ічних реакцій молекули А Т Ф і Н А Д Ф Н (переносники енергії) використовую ться для здійс нення реакцій темпової фази. П ід час темнової фази фотосинтезу енергія, накопичена у світловій фазі, витрачається на синтез глюкози. Д ля цього синтезу потрібен вуг лекислий газ, Карбон якого ф іксується у ц и кл і Кальвіна (мал. 26.3), названого на честь ученого М елвіна Кальвіна, який його відкрив. Значення ф отосинтезу Ф отосинтез має загальнобіологічне значення, оскільки це єдиний процес, у результаті якого на наш ій планеті енергія сонячного світла перетворюється на х ім іч н у енергію вуглеводів, а потім на енергію всіх ін ш и х органічних речовин будь-яких організмів. В основному завдяки фотосинтезу атмосфера Зем лі збагачується вільним киснем, який потрібен для дихання більш ості меш канців наш ої планети, а також для самих рослин. Таким чином, фотосинтез — це не лиш е первинний синтез орга нічних речовин, а й процес, унаслідок якого на Землі створюються умови, необхідні для існування ж ивих організмів.
- 146. 146 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Наука — практиці ........................................................... Учені з'ясували, що можна підвищувати рівень ефективності фото синтезу і цим поліпшувати продуктивність сільськогосподарських рослин. На продуктивність фотосинтезу впливає концентрація вуглекислого газу в повітрі, рівень освітленості, рівень мінераль ного живлення, забезпечення вологою та інші чинники. Регулюю чи ці чинники, можна змінювати продуктивність фотосинтезу. Значення двомембранних органел Двомембранні органели хлоропласти і м ітохо н др ії називають ор ганелами енергетичного обміну. Саме в них мож уть синтезуватися молекули А Т Ф , я к і є універсальними переносниками енергії в к л і ти ні. Та якщ о м ітохо н др ії синтезую ть А Т Ф «на експорт» для потреб кліти н и в цілому, то А Т Ф , щ о синтезується у хлоропластах, у них же і витрачається на синтез вуглеводів. І вже ці вуглеводи активно використовую ться і клітиною , і організмом в цілому. Значення цих двомембранних органел в енергетичному обм іні над звичайно важливе, тому що саме в них утворюється основна частина необхідної для ж иттєдіяльн ості к літи н и енергії. К р ім того, у м ітохондріях і хлоропластах є спадкова інф ормація, вміщ ена в їх кільцевих молекулах Д Н К . Ц я позаядерна інф ормація відіграє важ ливу роль у визначенні властивостей і якостей кліти н та організмів. Опорні точки М ітох он д р ії і хлоропласти — це енергетичні органели кліти ни. Хлоропласти — основні органоїди к л іти н рослин, у яких відбува ється процес фотосинтезу. Фотосинтез — це процес перетворення енергії сонячного світла на енергію х ім іч н и х зв’язків органічних сполук (глюкози), я к і синтезу ються з неорганічних сполук — води й вуглекислого газу. Основним ф отосинтетичним пігм ентом вищ их рослин є хлорофіл. Процес фотосинтезу складається з двох взаємопов’язаних етапів: світлової й темнової фаз. У світловій фазі фотосинтезу відбувається поглинання світла молекулами хлороф ілу і трансф ормація енергії світла в х ім іч н у енергію А Т Ф та ін ш и х переносників енергії. П ід час темнової фази фотосинтезу енергія, накопичена у світловій фазі, ви трачається на синтез глюкози.
- 147. Цитоплазма та її компоненти 147 Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які двомембранні органели ви знаєте? 2. Яку роль відіграють хлоропласти в енергетичному обміні клітини? 3. Як побудований хлоропласт? 4. Чим подібні й відмінні пластиди рослинної клітини? 5. Яка роль світлової і темнової фаз фотосинтезу? 6. У чому полягає біологічне і планетарне значення фотосинтезу? Тема. Вивчення будови двомембранних органел Мета: вивчити будову і функції двомембранних органел на прикладі готових і тимчасових препаратів. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметні і накрив ні стекла, препарувальні голки, скальпель, коренеплід моркви, листок елодеї, дистильована вода, піпетки, готові постійні препарати: мітохон дрії в ниркових канальцях ссавців. Хід роботи О Приготуйте препарат хлоропластів у листку елодеї. Д ля цього пінцетом акуратно відірвіть молодий листок елодеї. Покладіть його н и ж н ім боком у краплю води на предметне скло, накрийте накривним склом і розгляньте при малому і великому збільшен нях мікроскопа. Порівняйте побачене з малюнком. Клітини листка елодеї: А — крайові клітини: 1 — хло ропласти; 2 — клітини у вигляді зубців; 3 — ядро; 4 — цито плазма; Б — клітини середньої жилки та прилеглі до них клітини: 1 — пластиди; 2 — цитоплазма; Б 3 — вакуоля © Приготуйте препарат хромопластів у коренеплоді моркви. Для цього необхідно зробити тонкий повздовжній чи поперечний
- 148. 14Z КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ зріз коренеплоду моркви й розмістити його на предметному склі в краплі води чи гліцерину, прикрити накривним склом. Роз гляньте препарат при малому та великому збільшеннях. П орів няйте побачене з малюнком. © Розгляньте постійний препарат мітохондрій в ниркових каналь- цях ссавців. Порівняйте побачене з малюнком. © Зробіть висновки. Теми для проектної і групової роботи 1. Можливості регулювання продуктивності фотосинтезу. 2. Можливості штучного синтезу білків для діагностування та лі кування хвороб людини. ' 3. Гіпотези походження органел еукаріотичних клітин. 4. Вплив факторів зовнішнього середовища на клітини. План виконання проектної р об оти © Визначення мети проекту. © Аргументування актуальності теми проекту. © Визначення джерел інформації. © Опрацювання зібраної інформації, її аналіз та узагальнення. © Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). © Формулювання висновків. © Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо). Хромопласти в клітинах коренеплоду моркви: 1 — оболонка: 2 — краплі ефірних олій; З — кристали каротину; 4 — вакуолі; 5 — хромопласти; 6 — цитоплазма 2 3 4 Мітохондрії в клітинах ниркових канальців: 1 — цитоплазма; 2 — ядро; 3 — клітина; 4 — мітохондрії
- 149. . m Тема 3. Клітина як цілісна система Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • клітинний цикл, мітоз і мейоз; • обмін речовин та енергії в клітині; • сучасну клітинну теорію; • цитотехнології. Навчитеся: • характеризувати клітину як цілісну систему; • розуміти, як і для чого застосовуються цитотехнології; • пояснювати значення вивчення каріотипу для діагностування і профілактики спадкових хвороб людини. § 27. Хромосоми. Каріотип Хромосоми Х ром осом и (від грец. chroma — колір і soma — тіло) — це най важ ливіш ий органоїд ядра, утворений Д Н К у комплексі з основними білкам и — гістонами. Цей комплекс становить приблизно 90 % речо вини хромосом. До складу хромосом входять також Р Н К , кислі білки, ліпіди, мінеральні речовини і фермент ДНК-полімераза. У період м іж поділом к л іти н и хромосоми деспіралізовані, спо стерігаю ться тіл ьк и в електронний мікроскоп і являю ть собою довгі тонкі нитки хроматину (мал. 27.1, а). У період поділу спіралізую ться, стаю ть компактними і їх видно у світловий мікроскоп. Існую ть р ізн і р івні компак гизації (упаковування) молекули Д Н К (мал. 27.1). П ерш ий рівень — нуклеосомний — утворює структуру у вигляді «намистинок на нитці*, при цьому відбувається укорочення Д Н К приблизно у сім разів (мал. 27.1, б). Д ругий рівень — нуклеомерний, де відбувається об’єднання 8— 10 нуклеосом у вигляді глобули (мал. 27.1, в). Третій рівень — хромомерний, де нуклеомери формую ть численні петлі, об’єднані скріпкам и із негістонових білків (мал. 27.1, г). Четвертий етап — хромонемний — утворюється за рахунок збли ження у лін ій н о м у порядку хромомерних петель з утворенням хро- монемної нитки (мал. 27.1, д ). П ’ятий рівень — хромосомний — утворюється в результаті спіраль ного вкладання хромонеми (або хроматиди) (мал. 27.1, е). Х ром осоми найкращ е вивчати в момент їх найбільш ої конден са ц ії — у фазі поділу кліти н и, що називається метафазою.
- 150. 150 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ O ' а б в г д е Мал. 27.1. Рівні компактизації ДНК К іл ьк ість хромосом у клітинах більш ості видів ж ивих організмів парна. Ц е поясню ється тим, щ о в кліти н ах тіла є парні хромосоми, однакові за формою і розміром, одна з батьківського організму, а друга — з материнського. Хромосоми, що є однаковими за формою та розміром і несуть однакові гени, називають гомологічними хро мосомами. Хромосомний набір соматичної клітини, у якому кожна хромосома має собі пару, називається подвійним, або диплоїдиим, і позначаєть ся 2п, а хромосомний набір, у якому кож на хромосома не має пари, називається одинарним, або гаплоїдним, і позначається п. Каріотип Сукупність кількісних (кількість і розміри) та якісних (форма) ознак хромосомного набору соматичної клітини називають каріотипом. Н ай важ ли віш и м показником каріотипу є к іл ь к ість хромосом. Д ля соматичних кліти н багатоклітинних організм ів характерний диплоїдний хромосомний набір. У ньому кож на хромосома має пар ного собі гомологічного партнера, який повторює у деталях розміри й особливості її морф ології. Таким чином, у хромосомному наборі соматичних к л іти н виділяю ть гомологічні (з однієї пари) і иегомо- логічн і (із різних пар) хромосоми. Статеві кліти ни маю ть удвічі менш ий — гаплоїдний — набір хро мосом, у якому наявна тіл ьки одна хромосома з кож н ої гомологічної пари хромосом.
- 151. Клітина як цілісна система Щ )с ЩК ) І)( |( К К М І( 6 7 8 9 10 11 12 » ) ( П « Н X 13 14 15 16 17 18 I I Я » r t Г І 19 20 21 22 J у Мал. 27.2. Статеві хромосоми Мал. 27.3. Каріотип людини чоловічого організму Хром осомному комплексу властиві статеві від м інн ості. Набори хромосом самця і самиці відрізняю ться за однією парою статевих хромосом. Наприклад, у всіх ссавців статеві хромосоми в самиці го мологічні і називаються Х-хромосомами. А в самця статеві хромосо ми негомологічні, тобто різні (мал. 27.2). Одна це Х-хромосома, а друга Y -хромосома. У X - та Y -хромосомах різні гени, і ці хромосоми відрізняю ться морфологічно. Видова сталість кількості, розміру і форми хромосом відіграє важ ливу роль у процесі еволюції ж ивих організмів. Саме сталість каріо типу зберігає адаптивні властивості, характерні для певного виду (мал. 27.3). Поруш ення кількості та морфології хромосом, як правило, спричиняє серйозні порушення ж иттєдіяльності організму. Вивченням каріотипів організмів займається наука каріосистема- тика. Це розділ систематики, що вивчає структури клітинного ядра у різних груп організмів із метою виявлення ступеня їх споріднен ня і використання цих даних для побудови природної системи т іє ї чи ін ш о ї групи організмів (мал. 27.4). Мал. 27.4. Каріотипи різних видів: 1 — скереди (рослина), 2 — коника, З — плодової мушки, 4 — метелика, 5 — півня f t
- 152. 152 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Дізнайтеся більше ................................................... Каріосистематика рослин інтенсивно розвивається від початку XX ст. Уперше визначення кількості хромосом у рослин провели у 1882 p. Е. Страсбургер та Л. Гіньяр. А у 1915 р. німецький цитолог Г. Тишлер описав хромосомні набори у 400 видів рослин. У 1967 р. було описано каріотипи понад 35 000 видів квіткових рослин. Каріосистематика тварин розвивалася повільніше, і лише засто сування сучасних методів дослідження сприяло у 60— 70-х pp. XX ст. її значному прогресу. Вивчення каріотипу людини Вивчення каріотипу лю дини важливе для діагностики і проф ілак ти ки спадкових хвороб людини. Х ром осомний набір здорової лю дини має 46 хромосом: 22 пари аутосом (це всі хромосоми, к р ім статевих) і 1 пара статевих хромосом (ж ін ка — X X , чоловік — X Y ). Х ром осом ні хвороби (синдроми) — це група вроджених патоло гічн и х станів, я к і проявляються аномаліями розвитку й зумовлені поруш еннями кількості або структури хромосом. Учені виявили хвороби, спричинені поруш енням кількості ауто сом. Наприклад, синдром Дауна — це поява однієї зайвої хромосо ми. Зам ість 46 їх стає 47. Ц е пов’язано із серйозними поруш еннями в розвитку і ф ункціонуванні організму. Є хвороби, пов’язані з поруш енням кількості статевих хромосом. Наприклад, у лю дини синдром ІІІерешевського— Тернера — це від сутність однієї Х-хромосоми в ж ін ок. Тобто замість двох Х-хромосом у клітинах організму є тіл ьк и одна. Уч е н і розробили р ізн і методи проф ілактики спадкових захворю вань. У багатьох м істах У к р аїн и працю ю ть медико-генетичні кон сультації, в яких мож на отримати кваліф іковану допомогу щодо за побігання проявам у потомства спадкових хвороб. Опорні точки Х ром осом и — н ай в аж л и віш і органели ядра, утворені Д Н К у комплексі з основними білкам и — гістонами. Існую ть р ізн і рівні ком пакти зації Д Н К у хромосомах. Хромосоми, що визначають стать, називають статевими, а всі ін ш і хромосоми називають аутосомами. С укупн ість к іл ьк існ и х (кіл ьк ість та розмір) та я к існ и х (форма) ознак хромосомного набору соматичної кліти н и називають каріоти пом. Вивченням каріотипів організмів займається наука каріосисте матика.
- 153. Клітина як цілісна система Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке каріотип? 2. Яке практичне значення має наука каріосистематика? 3. Про які статеві відмінності хромосомного комплексу ви знаєте? 4. Чому вивчення каріотипу людини надзвичайно важливе для меди цини? 5. Які кількісні та якісні ознаки хромосомного набору враховуються під час опису каріотипу? 6. Яку роль відіграє видова постійність кількості, розміру і форми хромосом? 7. Як будова хромосоми пов'язана з її функціями? Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 9 Тема. Будова хромосом Мета: вивчити зовнішню будову хромосом, навчитися знаходити гомо логічні хромосоми й розрізняти аутосоми та статеві хромосоми. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, предметні й накрив ні стекла, постійні препарати хромосом ссавців і комах, фотокаріогра- ми людини. Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © При малому збільш енні мікроскопа на постійному препараті зна йдіть ділянку, у якій кліти н и діляться. При великому збільшен ні розгляньте хромосоми. П олічіть їх. Зверніть увагу на їх н і роз міри та форму. Замалю йте побачене. Є Ознайомтеся з чотирма фотокаріограмами людини. )( М II(І II0 %‘t П II н u п m ( 1К [і п 011 )і 11 V і; о о П If Н І ) (1 !<а ї ї а X II 14It х< II і і «1 м ї ї І< її ї ї і*.. 1. л и а її <г u u 44 11 14 4* 14 44 ш.( I II * • Фотокаріограми людини: а — здоровий чоловік; б — здорова жінка; в — хромосомний набір хворого із синдромом Шерешевського—Тернера (моносомія за статевими хромосомами); г — хромосомний набір хворого із синдромом Клайнфельтера генотип XXXV.
- 154. 154 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ © Розгляньте ф отокаріограму здорової людини. Знайдіть гомологіч н і хромосоми й позначте пари гомологічних хромосом цифрами © Зробіть висновок. § 28. Механізми відтворення і загибелі клітин. Клітинний цикл еукаріотичних клітин. Мітоз Утворення клітин У с і нові к л іти н и виникаю ть у результаті поділу вже існую чих. Б агатоклітинний організм починає свій розвиток найчастіш е з однієї- єдиної клітини. П о тім ш ляхом неодноразового поділу утворюється багато клітин, я к і й становлять організм. У багатоклітинних організмах є кліти н и , я к і не мож уть ділитися через їх високу спеціалізацію . Наприклад, нервові і м ’язові к літи н и після завершення ембріонального періоду розвитку організму при пиняю ть поділ і ф ункціоную ть протягом усього подальшого ж и ття організму. Багато спеціалізованих кл іти н не розмнож ую ться за звичайних умов, але при уш кодж енні органів і тканин, до складу яких вони вхо дять, їх здатність ділитися відновлюється. До таких кліти н належать кліти ни печінки, ендокринних залоз та ін ш и х органів. Є клітини, наприклад кліти н и епітелію тонкого киш ечнику, епі дермісу, я к і у процесі виконання свосї специф ічної ф ункції гинуть, тому їх заміню ю ть ін ш і, утворені ш ляхом поділу. У рослин постійний поділ кліти н верхівкової і бічної меристем за безпечує тривалий р іст пагонів і коренів у довж ину і товщ ину. 1— 23. ^ ^ ь ч. — ft Пригадайте Меристеми — твірні тканини рослин.
- 155. Клітина як цілісна система Новоутворені к літи н и набувають здатності ділитися після певного періоду росту. К р ім того, поділу передує подвоєння кліти н них струк тур: хлоропластів, мітохондрій, центріолей та ін ш и х органел. Механізми загибелі клітин' До механізмів загибелі к л іти н належать апоптоз, некроз, автофа- гія, мітотична катастрофа, кліти н не старіння, а також фагоцитоз, унаслідок появи на мембрані кл іти н и «сигналів загибелі». Апоптоз (від грец. apoptosis — опадання листя) — це явище програ мованої клітинної смерті, яка супроводжується набором характерних цитологічних ознак, так званих маркерів апоптозу, і молекулярних процесів, які мають відмінності в одноклітинних і багатоклітинних організмів. Апоптоз — форма загибелі кліти н и , яка проявляється зменш ен ням її розміру, конденсації і ф рагментації хроматину, ущ ільненням зовніш ньої і цитоплазматичної мембран без виходу вм істу кліти ни у навколиш нє середовище. У численних експериментах учені довели, щ о програмована за гибель є обов’язковою і невід’ємною властивістю будь-якої к л іти ни будь-якого багатоклітинного організму. Щ одня приблизно 50 % кл іти н організму піддаються апоптозу, а їхнє місце займаю ть нові. Апоптоз може відбуватися від 15 хвилин до двох годин. А втоф агія (від грец. autos — сам і phagos — пожирач) — це захоп лення і перетравлювання клітиною власних зруйнованих органел, особливо в кліти нах, що атрофуються через недостатність ж ивлення або у зв’язку із виливом гормонів. М ітотична катастроф а — це загибель кліти ни внаслідок грубих поруш ень мітозу та в результаті різних впливів на цей процес. К літинне старіння визначається трьома процесами: немож ливістю поділу, зниж енням «працездатності» кліти н , я к і не повинні д іл и тися (більш ість нервових і м ’язових клітин) або втратили здатність до поділу, а також старінням к л іти н унаслідок різних генетичних м утацій. Ф агоцитоз через появу на мембрані к л іти н и «сигналів загибе лі» призводить до того, що кліти на сама «просить» себе знищ ити. Д о таких явищ належ ить, наприклад, фагоцитоз еритроцитів, гцо старію ть. Клітинний цикл еукаріотичних клітин Ж и ття кліти ни від одного поділу до наступного називається к л і тинним циклом, або ж иттєвим циклом кліти ни (мал. 28.1). К літи нн ий цикл складається з інтерфази та мітозу.
- 156. 156 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ М ітоз Мал. 28.1. Клітинний цикл Івтерф аза — це стадія ж иттєвого циклу к літи н и м іж двома поді лами, а м ітоз — це період поділу еукаріотичної клітини. Інтерфаза охоплює три періоди: — постмітотичний (Gt — від англ. grow — рости, збільш увати ся). Коли кліти на ж иве і здійсню є процеси ж иттєдіяльності, але не подвоює свою Д Н К ; — синтетичний (S — від англ. synthesis — синтез), коли в к л і ти н і відбувається подвоєння молекул Д Н К , подвоєння цент- ріолей, а також поділ мітохондрій, збільш ується кіл ьк ість ін ш и х органел клітини; — премітотичний (G2), у якому кліти на готується до поділу. 9 інтерфаза 8 — телофаза Мал. 28.2. Фази мітозу 2 — профаза профаза
- 157. Клітина як цілісна система П отім настає поділ клітини. Н ові дочірні кліти ни знову переходять в інтерфазу. Регуляція клітинного циклу дуж е складна і здійсню ється при вза єм одії спеціальних б ілків і ф акторів росту. М ітоз, або непрямий поділ,— цс основний спосіб поділу еукаріо тичних клітин. М ітоз — це поділ кліти ни, результатом якого є утво рення двох дочірніх к літи н , у к о ж н ій з яких є такий самий набір хромосом, я к і в материнській. О скільки під час мітозу на одне подвоєння Д Н К припадає тіл ьки один поділ кліти ни, то цей процес зберігає постійність к іл ькості хро мосом у клітинах. М ітоз — процес безперервний, але для зручності вивчення біологи поділяю ть його на чотири стадії залежно від того, яки й вигляд маю ть хромосоми в цей час у світловому мікроскопі. У м іто зі виділяю ть профазу, метафазу, анафазу та телофазу (мал. 28.2). У профазі відбувається спіралізація Д Н К , зникає ядерце і фраг- ментується (розпадається на частини) ядерна оболонка, хромосоми розміщ ую ться в цитоплазмі. Н ап р и кін ц і профази починається утво рення веретена поділу. У метаф азі завершується утворення веретена поділу, що склада ється з мікротрубочок двох типів: хромосомних, я к і з двох полюсів М іто з 4 — профаза 5 — метафаза 7 — анафаза б — анафаза
- 158. 15Z КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ зв’язую ться з центромерами хромосом, і дентросомних (полюсних), я к і тягнуться від полюса до полюса кліти н и . Центромери хромосом ніби виш товхую ться мікротрубочками в діл ян ку екватора кліти ни, утворюється так звана «метафазна пластинка». У метафазі ч ітк о видно подвійну будову хромосом, з’єднаних тіл ь ки в д іл ян ц і центромери. У цей період легко підрахувати кіл ьк ість хромосом, вивчати особливості їх н ьої морф ологічної будови. В анаф азі хроматиди подвоєних в інтерф азі хромосом розходяться до полю сів кліти ни. У телоф азі відбуваю ться процеси, зворотні ти м , я к і спостеріга ю ться у профазі: починається деспіралізація хромосом, вони набряка ю ть і погано розрізняю ться у світловому мікроскопі. Навколо хромо сом у кожного полюса з мембранних структур цитоплазми формується ядерна оболонка, в ядрах виникаю ть ядерця. Руйнується веретено поділу. Н а стадії телофази відбувається розділення цитоплазми з утворен ням двох кліти н. У результаті мітозу з однієї кліти ни виникаю ть дві дочірні з тим самим набором хромосом. Біологічне значення м ітозу полягає у суворо однаковому поділі м іж дочір н ім и кл іти н ам и носіїв спадковості — молекул Д Н К , я к і входять до складу хромосом материнської клітини. Завдяки рівном ір ному розподілу хромосом м іж дочірнім и кліти нам и забезпечується утворення генетично рівноцінних кліти н і зберігається спадкоємність у ряді кліти нн их поколінь. М ітотичний поділ кл іти н — це цитологічна основа нестатевого роз множ ення організмів. А м ітоз, або п рям ий поділ,— це поділ інтерфазного ядра ш ляхом перетягування. П ід час амітозу веретено поділу не утворю ється і хро мосоми у світловому м ікроскопі не розрізняю ться. Такий поділ спо стерігається у деяких одноклітинних організмів, а також у деяких дегенеруючих, приречених на загибель кліти нах рослин і тварин або під час різних патологічних процесів (злоякісний ріст кліти н , запа лення та ін.). Опорні точки Існую ть певні м еханізм и утворення й загибелі к л іти н . Ж и ття к л іти н и від одного поділу до наступного поділу називається к л іти н н им циклом, яки й вклю чає інтерф азу і мітоз. М іто з — це основ ний спосіб поділу еукаріотичних к л іти н . У м іто зі виділяю ть про фазу, метафазу, анафазу, телофазу.
- 159. Клітина як цілісна система 159 У результаті мітозу з однієї кл іти н и виникаю ть дві дочірні з тим самим набором хромосом. Б іологічний зм іст мітозу полягає в суво ро однаковому розподілі м іж до чір н ім и к л іти н ам и н осіїв спадко вості — молекул Д Н К , що входять до складу хромосом материнської клітини. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Навіщо потрібне утворення клітин? 2. Що таке мітоз? 3. У чому полягають особливості інтерфази? Чому виникли механізми загибелі клітин? Що відбувається у клітині в період профази? Як можна на практиці застосувати знання про процес апоптозу? 7. У чому полягає біологічне значення мітозу? ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10 Тема. Мітотичний поділ клітин Мета: навчитися розпізнавати різні фази мітозу. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, постійні препарати на різних стадіях мітотичного циклу, мікрофотографії різних стадій мі тотичного поділу клітин. Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препараті к л іти ни, що діляться. Розгляньте їх. © При великому збільш енні мікроскопа знайдіть клітини, я к і пе ребувають на стадії профази. Замалю йте їх. Н апиш іть, що від бувається в ц ій фазі. П ри великому збільш енні мікроскопа знайдіть клітини, я к і пе ребувають у стадії метафази. Замалю йте їх. Н апиш іть, що від бувається в ц ій фазі. © При великому збільшенні мікроскопа знайдіть клітини, я к і пе ребувають у стадії телофази. Замалю йте їх. Н апиш іть, що від бувається в ц ій фазі.
- 160. 160 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ О Порівняйте побачені вами фази мітозу з мікрофотограф іями різ них стадій мітотичного поділу клітин. профаза метафаза анафаза телофаза Є Зробіть висновки. § 29. Мейоз Мейоз Мейоз (від грец. meiosis — зменшення) — це особливий спосіб по ділу кліти н, у результаті якого відбувається редукція (зменшення) кількості хромосом удвічі й перехід кліти н із диплоїдного стану (2л) в гаплоїдний (п). За допомогою мейозу утворю ю ться статеві к л іти н и — гамети, а у вищ их рослин — спори. У результаті редукції хромосомного на бору в кож ну гаплоїдну гамету й спору потрапляє по одній хромосомі з кож ної пари гомологічних хромосом. профаза І профаза І профаза І інтерфаза телофаза II анафаза II Мал. 29.1. Фази мейозу
- 161. Клітина як цілісна система 161 У ході подальш ого процесу запліднення (злиття гамет) в орга н ізм і нового покоління відновиться диплоїдний набір хромосом. Завдяки мейозу каріотип організм ів даного виду в ряді поколінь залиш ається постійним. Б іологічне значення мейозу полягає в забезпеченні постійності каріотипу в ряді поколінь організмів даного виду, для чого в мейозі на одне подвоєння Д Н К припадає два поділи кліти ни, що дозволяє скоротити к іл ьк ість хромосом удвічі. Фази мейозу П ерш ий поділ мейозу складається з фаз: профаза І, метафаза І, анафаза І, телофаза І. У профазі І відбувається спіралізація Д Н К , зникає ядерце і фраг- ментується (розпадається на частини) ядерна оболонка, хромосоми розміщ ую ться у цитоплазмі. У к ін ц і профази починає утворюватися веретено поділу, яке формується з мікротрубочок. Але, на відм іну від м ітозу, у мейозі у профазі І відбувається кон ’ю гація — тісне зближ ення гомологічних хромосом. Завдяки такому тісном у збли ж енню стає мож ливим процес кросинговеру. Кросинговер — це перехрестя гомологічних хромосом, що супро воджується обміном відповідними ділянкам и м іж їх н ім и хромати- дами. П ісл я кросинговеру в процесі поділу розходяться вже змінені хромосоми, тобто в них уже інш е поєднання генів. Кросинговер — одне із джерел комбінативної мінливості. метафаза І анафаза І телофаза І Другий поділ метафаза II профаза II інтеркінез
- 162. /62 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Завдяки кросинговеру профаза І мейозу тривала і проходить дуже складно (мал. 29.2). У метаф азі І завершується формування веретена поділу. Н и тк и ве ретена прикріплю ю ться до центромерів хромосом. Центромери «ш и куються» по екватору клітини, утворюється метафазна пластинка. В анаф азі І гомологічні пари хромосом розходяться до полюсів клітини. У телоф азі І утворюються дві диплоїдні клітини. Ц і кліти н и відра зу ж розпочинають другий поділ. П р ом іж ок м іж двома поділами називається інтеркінез. Інтеркінез відрізняється від інтерфази тим, що в ньому не відбувається репліка ц ія Д Н К . Д ругий поділ мейозу складається з фаз: профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II. Проф аза II нетривала, кросинговер у ній не відбувається. У мета фазі II утворюється веретено поділу, хромосоми центромерами при кріплю ю ться до його мікротрубочок. У метаф азі II хромосоми «шикуються» своїми центромерами по екватору клітини. В анаф азі II до полю сів розходяться по одному гомологу з кож ної пари гомологічних хромосом. У телоф азі II відбувається поділ клітин. Із двох диплоїдних клітин утворюються чотири гаплоїдні дочірні клітини. Отже, біологічне значення мейозу полягає в підтриманні постій ної кількості хромосом за наявності статевого процесу. К р ім того, внаслідок кросинговеру відбувається рекомбінація — поява нових поєднань спадкових задатків у хромосомах. Мейоз забезпечує також комбінативну м інливість — появу нових поєднань спадкових задатків при подальш ому заплідненні. Х ід мейозу перебуває під контролем генотипу організму, на нього впливають статеві гормони у тварин і ф ітогормони в рослин. Мал. 29.2. Схема кросинговеру
- 163. Клітина як цілісна система Порівняння м ітозу й мейозу' М ітоз і мейоз розрізняю ться за своїм біологічним значенням. М ітоз — це спосіб передавання інф ормації від кліти ни до клітини, її мейоз — це спосіб передавання інф орм ації від покоління до поко ління. У м іто зі на одне подвоєння Д Н К припадає один поділ кліти н и, у результаті чого утворюються клітини з таким самим складом хромо сом, як і в материнської. Л в мейозі на одне подвоєння Д Н К припадає два поділи клітини, у результаті чого утворюються дочірні клітини м гаплоїдним набором хромосом, що відрізняю ться від материнської кількістю хромосом. У мейозі більш тривала і складна профаза І, тому що в н ій відбу вається кросинговер. Д ля мітозу цей процес не характерний. Опорні точки Мейоз — це особливий спосіб поділу кліти н , у результаті якого відбувається редукція кількості хромосом удвічі й перехід кліти н із диплоїдного стану (2л) у гаплоїдний (л). За допомогою мейозу утворюються статеві кліти ни (гамети) і спори вищ их рослин. Біологічне значення мейозу полягає в забезпеченні постійності каріотипу в ряді поколінь організмів даного виду, для чого в мейозі на одне подвоєння Д Н К припадає два поділи клітини, щ о дозволяє іменш ити к іл ьк ість хромосом удвічі. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке мейоз? 2. Які клітини утворюються після першого поділу мейозу? 3. Який механізм дозволяє під час мейозу зменшити кількість хромо сом удвічі? 4. Яку біологічну роль відіграє кросинговер? 5. Чим подібні й відмінні мітоз і мейоз? 6. у чому полягає біологічна роль мейозу? ПРАКТИЧНА РОБОТА № 7* Тема. Порівняння мітозу й мейозу Мета: навчитися порівнювати фази мітозу і мейозу та робити висновки. Обладнання й матеріали: світловий мікроскоп, постійні препарати клітин на різних стадіях мітотичного і мейотичного циклу, малюнки різних стадій мітотичного та мейотичного поділу клітин.
- 164. /64 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. 0 Знайдіть на препараті клітини, що діляться за допомогою мітозу. Розгляньте їх і порівняйте з мал. 28.2, с. 156— 157. Знайдіть на препараті клітини, як і діляться за допомогою мейозу. Розгляньте їх і порівняйте з мал. 29.1, с. 160— 161. © При великому збільш енні мікроскопа знайдіть клітини, я к і пе ребувають на стадії метафази мітозу. При великому збільшенні мікроскопа знайдіть клітини, що перебувають у стадії метафази І мейозу. Порівняйте побачене з мал. 28.2 (с. 156— 157) і мал. 29.1 (с. 160— 161). © Зробіть висновки. § ЗО. Обмін речовин та енергії у клітині Обмін речовин Обмін речовин та енергії у к л іти н і називають також метаболізмом. М етаболізм здійсню ється не лиш е на кліти н ном у рівні, а й на тк а нинному й організмовому рівнях. В ін забезпечує постійність внут ріш нього середовища кліти ни й організму в безперервно зміню ваних умовах існування. Така постійність називається гомеостазом. Обмін речовин складається із двох взаємопов’язаних і взаємоза леж них процесів. Це процеси дисиміляції, у яких відбувається роз щеплення органічних речовин і виділена енергія використовується для утворення АТФ , і процеси асиміляції, в яких енергія А ТФ ви трачається на синтез власних необхідних для організму речовин. Обмін речовин і енергії = метаболізм Зовнішній обмін Поглинання і виділення речовин Внутрішній обмін 1' Пластичний обмін = Енергетичний обмін — асиміляція дисиміляція 1 Сукупність процесів син t Сукупність процесів тезу складних органічних розщеплення складних речовин із простих речовин до простих (супроводжується (супроводжується поглинанням енергії) виділенням енергії)
- 165. Клітина як цілісна система Процеси д и си м іл я ц ії називають також катаболізмом та енерге- ііічішм обміном, а процеси асим іл яції — анаболізмом і пластичним обміном. Так багато синонім ів щодо того самого поняття виникло тому, що реакції обміну речовин вивчали вчені різних біологічних спеціальностей: біохім іки, ф ізіологи, молекулярні біологи, цитологи, пчіетики. Проте всі назви приж илися й активно використовуються науковцями. Енергетичний обмін Енергетичний обмін (катаболізм, ди сим іляція) — це сукупність | и - и к ц і й розщеплення складних органічних сполук до більш простих молекул із виділенням енергії. Частина ц іє ї енергії йде на синтез молекул А Т Ф , багатих на енергетичні зв’язки. Розщ еплення органічних речовин здійсню ється в цитоплазмі без участі кисню і в мітохондріях за участю кисню. Енергетичний обмін відбувається поетапно. На підготовчому етапі під впливом ферментів полісахариди роз щеплюються на моносахариди, ж ири розщеплюються до гліцерину і ж ирних кислот, білки — до амінокислот, нуклеїнові кислоти — до нуклеотидів. П ри цьому виділяється незначна кількість енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Незкисневий етап (анаеробне дихання, або гліколіз) — моноступін- часте розщеплення глю кози без участі кисню. Речовини, що утворилися на підготовчому етапі,— глюкоза, гліце рин, органічні кислоти, амінокислоти та ін .— починають свій подаль ший розпад. Ц ескладний багатоступінчастий процес. В ін складаєть ся з низки послідовних ферментативних реакцій. Сумарне рівняння гліколізу: С6Н 120 6+ 2Н3Р04+ 2АДФ = гС ^ Н ^ + 2АТФ + 2Н,0 Енергія, що вивільняється під час реакцій гліколізу, не вся пе реходить у тепло. Частина її іде на синтез двох багатих на енергію фосфатних зв’язків. П ри розпаданні однієї молекули глю кози під час гл ікол ізу і спиртового бродіння утворюються дві молекули А Т Ф . Таким чином клітина зберігає 40 % енергії. Етап кисневого розщеплення, або дихання. Пригадайте ...................................................... Кисневе дихання — етап аеробного дихання, або кисневого роз щеплення, який відбувається на кристах мітохондрій. На цьому етапі речовини попереднього етапу розщеплюються до кінцевих продуктів розпаду — води й вуглекислого газу. У результаті роз щеплення двох молекул молочної кислоти утворюються 36 мо лекул АТФ.
- 166. ї 66 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Кисневе дихання основний етап у забезпеченні клітини енергі єю. В ін у 18 разів еф ективніш ий за безкисневий етап. Сумарне рівняння кисневого розщеплення: 2С3Н в0 3 + 6 0, + 36Н :іРО , + 36А Д Ф = 600., + 38Н.О + 36А Т Ф Енергетичний обмін в аеробних клітинах рослин, грибів і тварин відбувається однаково. Це свідчить про їх спорідненість. Аеробні організми Аеробні організми, або аероби, — це організми, я к і мож уть ж ити й розвиватися лиш е за наявності в середовищі вільного кисню , який вони використовую ть як окисник. До аеробних організмів належать усі рослини, більш ість найпрості ш их і багатоклітинних тварин, майже всі гриби. Тобто значна частина відомих ж ивих істот. У деяких тварин здатність існувати без кисню (анаеробіоз) спостерігається як вторинне пристосування. Особливе місце серед аеробних організм ів посідаю ть організми, здатні до фотосинтезу, — рослини та ціанобактерії. Кисень, що вони виділяю ть, забезпечує розвиток усіх ін ш и х аеробних організмів. Анаеробні організми Анаеробні організми; або анаероби, — це організми, я к і не потребу ють кисню для нормальної ж иттєдіяльності. Є облігатні (обов’язкові) анаеробні організми, я к і мож уть існувати тіл ьки за відсутності кисню і гинуть від зіткнення з ним. Це переважно бактерії. Але є й ф акуль тативні анаероби, здатні рости в середовищі, де є кисень. До них на лежать деякі бактерії та гриби, найпростіш і, черви та ін ш і організми. Термін «анаероби» увів Л у ї ІІастер, який у 1861 р. відкрив бактерії маслянокислого бродіння. О блігатні анаероби здійсню ю ть азотф іксацію в кореневих бульбоч ках бобових рослин або у ґрунті, розщ еплю ють кліткови ну в киш еч никах ж уй них тварин. Вони тіл ьки частково розкладають рослинні залиш ки, утворюючи торф. Процеси розкладання субстрату анаероб ними організмами називають бродінням, гн и ттям тощо. Пластичний обмін Пластичний обмін (анаболізм, асиміляція) — один із виявів обміну речовин, який охоплює процеси синтезу амінокислот, моносахаридів, ж ирних кислот, нуклеотидів, полісахаридів, макромолекул білків, нуклеїнових кислот. Пластичний обмін — синтез власних органічних сполук з отрима них пож ивних речовин, відбувається з використанням енергії, отри маної під час окиснення. Процес відбувається у три етапи.
- 167. Клітина як цілісна система IIn першому етапі йде синтез п ром іж них сполук із низькомолеку лярних речовин. IIn другому стані здійсню ється синтез «будівельних блоків» із про м іж них сполук. ІІа третьому етапі відбувається синтез макромолекул білків, нукле- іионих кислот, полісахаридів, ж и р ів із «будівельних блоків». У результаті пластичного обміну синтезуються властиві організму т и к и , ж ири, вуглеводи, я к і, у свою чергу, ідуть на створення нових і 'і ітин, органів, м іж к л іти н н о ї речовини. Прикладом пластичного обміну є біосинтез білків, який ви вивчали раніше. Значення пластичного обміну полягає у забезпеченні к літи н и буді- иельним матеріалом для створення кліти нних структур і органічними речовинами, я к і використовую ться в енергетичному обм іні. Опорні точки Обмін речовин та енергії у к л іти н і забезпечує підтримання гомео стазу. Обмін речовин складається із двох взаємопов’язаних і взаємо залежних процесів — процесів д и си м іл яц ії, у яких відбувається роз щеплення органічних речовин і виділена енергія використовується для утворення А Т Ф , і процесів аси м іл яц ії, в яких енергія А Т Ф ви трачається на синтез власних необхідних для організму речовин. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що називають метаболізмом? 2. Які організми називають аеробними, а які — анаеробними? 3. Чому саме кисневий етап є основним етапом у забезпеченні кліти ни енергією? 4. Які етапи характерні для енергетичного обміну? 5. Які етапи характерні для пластичного обміну? 6. У чому полягають відмінності аеробних та анаеробних організмів? 7. Як взаємопов'язані пластичний та енергетичний обміни? ^31. Сучасна клітинна теорія. Цитотехнології Сучасна к/іітинна теорія Клітина є елементарною структурно-ф ункціональною одиницею ї ї і ного. Уперш е це встановили М аттіас ІІІлейден і Теодор ІІІванн, нк і є засновниками к л іти н н ої теорії. У своїй роботі «М ікроскопічні дослідження про відповідність у структурі й рості тварин і рослин», написаній у 1839 p., Т. Ш ванн так сформулював основні положення клітинної теорії:
- 168. Ш КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 1. У с і організми складаються з однакових частин — клітин; вони утворюються і ростуть за одними й тим и самими зако нами. 2. Загальний принцип розвитку для елементарних частин орга нізм у — утворення клітин. 3. Кож на кліти на в певних межах є індивідуумом. Але ці інди відууми дію ть спільно, так що виникає гармонійне ціле. У с і тканини складаються із клітин. 4. Процеси, як і виникаю ть у клітинах рослин, мож уть бути зведені до таких: 1) виникнення нових клітин; 2) збільш ен ня розміру клітини; 3) перетворення клітинного вм істу на потовщення кліти н ної стінки. М . ПІлейден і Т . Ш ванн помилково вважали, що кліти н и в організ м і виникаю ть із первинної неклітинної речовини. П ізн іш е, у 1859 p., Рудольф Віхров сформулював одне з найваж ливіш их положень к л і тинної теорії: «Будь-яка клітина походить з ін ш о ї клітини... Там, де виникає клітина, їй повинна передувати клітина, подібно до того, як тварина походить тіл ьки від тварини, а рослина — тіл ьки від рос лини». Клітинна теорія розвивалася. У межах ц ієї теорії був сформульова ний висновок про те, що клітина — це не лиш е одиниця певної струк тури, а й основа розвитку багатоклітинного організму, основа для перебігу ф ізіологічних і біохім ічних процесів в організмі. Б іо х ім іч н і дані дозволили зробити висновок про подібність хім ічного складу всіх кліти н і ще раз підтвердили єдність усього органічного світу. Сучасна клітинна теорія включає такі положення: 1. К літина основна одиниця будови й розвитку всіх ж ивих організмів, найменш а одиниця живого. 2. К літи н и всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за своєю будовою, х ім іч н и м складом, основними про явами ж иттєдіяльності й обміну речовин. 3. Розмнож ення кліти н відбувається ш ляхом їх поділу, і к о ж на нова клітина утворюється в результаті поділу материн ської клітини. 4. У складних багатоклітинних організмах кліти ни спеціалізо вані за виконуваними ф ункціями й утворюють тканини; із тканин складаються органи, як і нерозривно взаємопов’я зані й підпорядковані нервовим і гуморальним системам ре гуляції. Дослідження кліти ни тривають, але теоретичною основою для них, як і раніше, є клітинна теорія. К літинна теорія — одне з найваж ли віш их узагальнень біологічної науки.
- 169. Клітина як цілісна система 169 Цитотехнології — це сукупність методів, я к і використовую ться і пі конструювання нових клітин. Серед цих методів — культивуван ні) і клонування клітин на спеціально дібраних середовищах, гібриди- іація кліти н, пересадження кліти нн их ядер та ін ш і м ікр охір ургічн і операції з «розбирання» і «збирання» ж иттєздатних кліти н з окремих ф рагментів. Ц итотехнології, або кл іти н н і технології, — це основа к літи н н ої інж енерії, перспективного напряму розвитку сучасної біотехнології. Учені розробили різноманітні методи вирощування (культивуван- іпі) у ш тучних умовах кліти н рослин, тварин і лю дини. Досягнення цитотехнології' Одним із досягнень к літи н н ої ін ж енерії рослин є клональне мікро- імммноження рослин на основі культури тканин. Цей метод ґрунту- гться на дивовиж ній властивості рослин: з окремої кліти н и чи ш м а точка тканини за певних умов може вирости ціла рослина, здатна нормально рости і розвиватися. Завдяки цьому методу з невеликої частини рослини мож на отримати до 1 млн рослин за рік. Клональне мікророзмнож ення використовується для ш видкого розмноження рідкісних, цінних сортів сільськогосподарських куль тур та для створення нових сортів. Методи кліти н н ої інж енерії дозволяють значно прискорити селек ційний процес при виведенні нових сортів хлібних злаків та інш их пажливих сільськогосподарських культур. Термін їх отримання змен шується до 3— 4 років, тоді як за умови застосування звичайних ме тодів селекції на цей процес витрачається 10— 12 років. Щ е одним перспективним способом виведення нових сортів цінних і ільськогосподарських культур є метод злиття клітин, що дозволяє отримувати гібриди, я к і не мож уть бути створені звичайним ш ляхом схрещування через бар’єр між видової несумісності. М етодом злиття клітин отримані, наприклад, гібриди різних видів картоплі, томатів, р іп а к у й турнепсу. Принципом ш тучного вирощ ування клітин рослин на ж ивильних середовищах є вирощування у вигляді суспензії в рідкому ж иви ль ному середовищ і або калусної культури на твердому ж ивильном у середовищі. ІСалусом називають недиференційовані кліти ни, з яких може роз ітн у ти ся ціла рослина (мал. 31.1). У біології рослин калусом нази- нають також кліти ни, що утворюються на рановій поверхні рослини. ІСалусна тканина сприяє заростанню ран. Цитотехнології
- 170. 170 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 31.1. Калус Перевага кл іти н н о ї ін ж ен ер ії в тому, щ о вона дозволяє експери ментувати з клітинам и, а не з ц іли м и організмами. К літинна ін ж е нерія застосовується для розв’язання творчих проблем у біотехно- л огії, для створення нових форм рослин, яким притаманні корисні властивості, наприклад висока продуктивність, і водночас стій кість до хвороб. Опорні точки За сучасною клітинною теорією, кліти на — основна одиниця бу дови й розвитку всіх ж ивих організмів, найменш а одиниця живого. К л іти н и всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за своєю будовою, х ім іч н и м складом, основними проявами ж и ттєд іял ь ності й обміном речовин. Розмнож ення кл іти н відбувається ш ляхом їх поділу. Ц итотехнології — це сукупність методів, я к і використовую ться для конструю вання нових кл іти н і є основою к л іти н н о ї інж енерії. К літинна інж енерія застосовується для створення нових форм орга нізм ів, яким притаманні корисні ознаки. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що є елементарною структурно-функціональною одиницею живого? 2. Що є спільного й відмінного в сучасній клітинній теорії і тій, що була створена у XIX ст.? 3. Як використовуються калусні культури? 4. Яку практичну користь дає клональне мікророзмноження рослин на основі культури тканин? 5. У чому полягають переваги клітинної інженерії? 6. З якою метою застосовуються методи культивування і клонування клітин на спеціально дібраних середовищах?
- 171. Клітина як цілісна система т Теми для проектної і групової роботи 1. Подібність і відмінності в будові клітин організмів різних царств у зв'язку зі способом їхнього життя. 2. Значення стабільності каріотипу для існування виду. 3. Значення вивчення каріотипу для діагностування і профілак тики спадкових хвороб людини. 4. Можливості цитотехнологій. План виконання проектної роботи О Визначення мети проекту. 0 Аргументування актуальності теми проекту. Є Визначення джерел інф ормації. © Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. О Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). О Формулювання висновків. Є Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо). Тестова перевірка знань за розділом II. Клітинний рівень організації життя Укажіть правильні відповіді 1. К літинну теорію у 1839 р. сформулювали вчені: а) Роберт Гук і А н то н і ван Левенгук; б) Д ж ейм с Уотсон і Ф ренсіс Крік; в) Теодор Ш ванн і М аттіас Ш лейден; г) Альф ред Уоллес і Чарлз Дарвін. 2. Б актерії круглої форми називаються: а) коками; в) вібріонами; б) бацилами; г) спірилами. 3. Молекули ф осф оліпідів розташовуються в мембрані у вигляді: а) одинарного шару; в) потрійного шару; б) подвійного шару; г) узагалі не входять до складу мембран. 4. У більш ості бактерій клітинна стінка складається з високомо- лекулярної речовини: н) целюлози; в) муреїну; б) хітину; г) крохмалю .
- 172. ft 2 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 5- К літинна органела, що бере безпосередню участь в утворенні оболонки ядра: а) лізосома; в) ендоплазматична сітка; б) центріолі; г) апарат Гольдж і. 6. Аутосом и — це: а) статеві хромосоми; в) усі хромосоми, крім статевих; б) великі хромосоми; г) малі хромосоми. Ц ентріолі необхідні для формування: а) дж гути к ів і війок; в) хлоропластів; б) мітохондрій; г) апарату Гольдж і. 8. На мембранах гранулярної ендоплазматичної сітки відбуваєть ся синтез: а) вуглеводів; в) ж ирів; б) білків; г) вітам інів. 9- Усередині первинних лізосом містяться: а) вітаміни; в) гід роліти чн і ферменти; б) ж ири; г) синтетази. Ю. Вакуолі рослинних кліти н утворюються: а) з апарату Гольдж і; б) бульбашок, щ о відокремлю ю ться від ендоплазматичної сітки; в) первинних лізосом; г) плазматичної мембрани. II* Оболонка м ітохон др ії складається з: а) з двох мембран — зовніш ньої та внутріш ньої; б) однієї мембрани — зовнішньої; в) трьох мембран — зовніш ньої, середньої та внутріш ньої; г) крист. 12. Н ові м ітохо ндр ії утворюються: а) з апарату Гольдж і; б) ш ляхом поділу вже існую чих у к л іти н і мітохондрій; в) ш ляхом перетворення ендоплазматичної сітки; г) ш ляхом самозбирання. 13. У результаті гліколізу утворюється: а) одна молекула А Т Ф ; в) 36 молекул А Т Ф ; б) дві молекули А Т Ф ; г) 38 молекул А Т Ф . 14. А втоном ія мітохондрій полягає в тому, що вони: а) двомембранні; б) маю ть власну кільцеву молекулу Д Н К ; в) більш і, н іж ін ш і органели; г) м істять власний апарат із рибосом та всіх видів Р Н К . 15. Тилакоїди — це компоненти структури: а) мітохондрії; в) хлоропластів; б) ядра; г) апарату Гольдж і.
- 173. Клітина як цілісна система / 16. За будовою хлоропласти подібні з: а) апаратом Гольдж і; б) лізосомами; в) мітохондріями; г) ендоплазматичною сіткою . 17. Кисень, щ о виділяється в процесі фотосинтезу, походить із мо лекули: а) глюкози; в) води; б) вуглекислого газу; г) крохмалю. 18. Хроматиди — це дочірні хромосоми, які: а) не є гомологами; б) м істять різний набір генів; в) м істять подібний набір генів; г) маю ть різну морф ологічну будову. 19. У процесі мітозу ядерця зникаю ть у: а) метафазі; б) профазі; в) телофазі; г) інтерфазі. 20. У процесі мейозу кросинговер відбувається у: а) метафазі II; в) телофазі II; б) профазі І; г) анафазі І. 21. Посередником м іж реакціями енергетичного та пластичного обміну є: а) молекула глюкози; в) молекула Д Н К ; б) молекула А Т Ф ; г) молекула Р Н К . 22. Синтез нуклеїнових кислот у ядрі називають: а) трансляцією ; в) транслокацією; б) транскрипцією ; г) трансдукцією . 23. Ц итотехнології — це сукупність методів конструювання нових: а) молекул; в) екосистем; б) клітин; г) біоценозів. 24. На безкисневому етапі енергетичного обміну на одну молекулу глю кози синтезується: а) 2 молекули А Т Ф ; в) 8 молекул А Т Ф ; б) 6 молекул А Т Ф ; г) 38 молекул А Т Ф . 25. Визначте послідовність дій у процесі синтезу білка: а) трансляція; б) вихід ІР Н К з ядра у цитоплазму; в) утворення просторової структури молекули білка; г) транскрипція. 26. Визначте послідовність д ій у мітозі: а) гом ологічні пари хромосом розходяться до різних полюсів клітини; б) починається спіралізація хроматину; в) подвоюється кількість Д Н К ; г) утворюється метафазна пластинка.
- 174. / 74 КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 27. Визначте послідовність дій у мейозі: а) утворення гаплоїдних клітин; б) утворення диплоїдних клітин; в) кросинговер; г) подвоєння Д Н К . 28. Визначте послідовність пластичного обміну: а) виконання синтезованими сполуками їх н іх біологічних ф унк цій; б) синтез «будівельних блоків» із п ром іж них сполук; в) синтез макромолекул білків, нуклеїнових кислот, полісаха ридів, ж и р ів із «будівельних блоків»; г) синтез п ром іж них сполук із низькомолекулярних речовин. 29. Визначте відповідність м іж назвою органели й виконуваними нею ф ункціями: 1) система синтезу й транспор тування вуглеводів і ліпідів; 2) система синтезу й тран спортування білків; 3) інф ормаційний центр к л і тини, відповідальний за процеси збереження, зміни, передавання й реалізації спадкової інф ормації; 4) місце нагромадження, сор тування, упакування й по дальш ого транспортування речовин по к л іти н і. 30. Визначте відповідність м іж молекулами нуклеїнових кислот та їх н ім и ф ункціям и під час синтезу білка: а) є універсальним переносни ком енергії; б) є матрицею для синтезу всіх типів РН К ; в) будучи частиною рибосоми, бере участь у синтезі білка, ф ункціонує в цитоплазмі; г) переносить до м ісц я синтезу білка амінокислоту й визна чає, у яке місце білкового ланцю га ї ї треба поставити, ф ункціонує в цитоплазмі; д) є матрицею для синтезу б іл ка, ф ункціонує в цитоплаз м і разом із рибосомою. 1) інф ормаційна РН К ; 2) транспортна РН К ; 3) рибосомна Р Н К ; 4) Д Н К . а) ядро; б) рибосоми; в) гранулярна ендоплазма тична сітка; г) гладенька ендоплазматич на сітка; д) апарат Гольдж і.
- 175. r РОЗДІЛ III. ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Тема 1. Неклітинні форми життя Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • віруси, пріони, їхню будову, життєві цикли; • роль вірусів і пріонів у природі й житті людини; • профілактику ВІЛ-інфекції/СНІДу та інших вірусних хвороО ми» дини. Навчитеся: • обґрунтовувати способи боротьби з вірусними захворюваннями, • застосовувати знання про процеси життєдіяльності вірусів дим профілактики вірусних хвороб людини, тварин, рослин; • дотримуватися правил поведінки в місцях, де можливе мр.і ження вірусами. § 32. Віруси та їхня будова Неклітинні форми ж и т т я К літи н а — де елементарна структурно-ф ункціональна одиниця живого. Але є ф орми ж и ття, я к і розмнож ую ться тіл ьк и всередині ж иви х кліти н і, не маю чи власного обміну речовин, виявляю ть так і властивості ж ивого, я к спадковість, м ін ливість. Т а к і форми ж и т тя вчені назвали неклітинними формами життя. До них належать віруси.
- 176. 176 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ За своєю природою віруси є облігатними (обов’язковими) вн утріш ньоклітинним и паразитами. Віруси розпізнаю ться за наслідками свого розвитку в клітинах ха зяїна. Вони руйную ть ц іл і комплекси клітин, спричиняю ть ураження тканин, щ о призводить до різних захворювань. Х азяїнам и вірусів є рослини, тварини та мікроорганізми. К р ім вірусів, є й ін ш і структури, я к і демонструю ть окремі влас тивості ж ивого і м ож уть спричинити захворювання в різних групах організмів, наприклад віроїди, вірусоїди і пріони. Віроїди — це позбавлені оболонки невеликі молекули кільцевої, за звичай одноланцюгової, Р Н К , що спричиняють захворювання рослин. В ірусоїди сх о ж і на віроїди, але вклю чені у структуру вірусу- помічника і реплікую ться лиш е з його допомогою. П ріони — це особливий клас інф екційних агентів, винятково біл кових, як і не м істя ть нуклеїнових кислот; вони спричиняю ть тя ж к і захворювання центральної нервової системи в лю дини та деяких ви щ их тварин. Історія в ід к р и ття вірусів Уперш е віруси (від латин, virus — отрута) були описані ботаніком Д . Івановським у 1892 р. Учений виявив, щ о збудник тю тю нової мозаїки проходить крізь ф ільтр, що затримує бактерії. В ін показав, що профільтрований крізь такий фільтр екстракт рослин тю тю ну, за ражених тю тюновою мозаїкою , зберігає здатність спричиняти захво рювання у здорових рослин. Збудник ящ уру великої рогатої худоби, який ф ільтрується, був виявлений у 1897 р. німецьким бактеріологом Ф . Лефлером. П ерш им виявленим вірусом лю дини був вірус ж овтої пропасниці, відкритий американським хірургом У . Рід ом у 1901 р. Походження вірусів Існує кілька гіпотез, що поясню ють походження вірусів. По-перше, вчені припускаю ть, щ о великі Д Н К -в м існ і віруси похо дять від більш складних внутріш ньоклітинних паразитів, що втрати ли значну частину свого геному. І справді, великі Д Н К -в м існ і віруси, наприклад вірус віспи, мож уть мати надлиш кову інф ормацію . Інш і дослідники вважають, що деякі Д Н К -вм існ і віруси еукаріотів, імовірно, походять від мобільних (рухливих) елементів —■ділянок Д Н К , я к і мож уть здійсню вати самостійну реплікацію в кліти н і. Походження деяких РН К -вм існих вірусів пов’язують із віроїдами. Вваж ається, що віроїди є частиною іР Н К — «втікачкою», яка випад ково набула здатності до реплікації. Б іл к ів віроїди не кодують. В ідом і
- 177. Неклітинні форми життя приклади вірусів, як і м істять вираж ені віроїдоподібні ділянки , на приклад вірус гепатиту Дельта. У ц ілом у вваж ається, що віруси виникли внаслідок відокрем лення певних генетичних елементів кліти н и , я к і набули здатності передаватися від організму до організму. Я к це може відбуватися? Відомо, що в нормальній к л іти н і відбувається переміщ ення гене тичних структур — мобільних елементів. М обільні елементи геному — це послідовності Д ІІК , я к і мож уть переміщ уватися всередині геному ж ивих організм ів. Існує кілька класів мобільних елементів геному, як і відрізняю ться будовою і спо собом переміщ ення. Н айпростіш им різновидом мобільних елементів є інсерційні еле менти, я к і не несуть н ія ко ї генетичної інф ормації, за винятком тієї, що необхідна для транспозиції — переміщення. Транспозони — це сегменти Д Н К , я к і контролю ю ть власне пере міщ ення з однієї ділянки Д Н К в інш у ш ляхом вирізання з вихідної ділянки і проникнення в нову. Плазміди — це чинники спадковості, розміщ ені в клітинах поза хромосомами. До плазмід належать Д Н К м ітохондрій і хлоропластів та генетичні фактори, я к і не виступають обов’язковими компонента ми кл іти н (наприклад епісоми). Т а к і рухливі елементи в процесі еволю ції могли набути білкових оболонок і започаткувати нові н еклітинні форми ж и ття — віруси. О скільки це автономні генетичні структури, їм притаманна низка атрибутів ж и ття, зокрема здатність розмнож уватися і еволю ціону вати. Будова вірусів В іруси тривалий час залиш алися недослідж еними через те, що були дуж е дрібними (від 20 до 300 нм). Т іл ьк и поява електронного мікроскопа дозволила вивчити їхн ю будову. Зріла вірусна частинка (або віріон) складається з нуклеїнової кислоти (Д Н К або Р Н К ), оточеної білковою оболонкою (капсидом) (мал. 32.1) одного або кількох типів. Д еякі віруси маю ть також зо вніш ню оболонку, яка м істи ть ліпіди. Ж одних ін ш и х структур в і руси не маю ть, у них немає власного обміну речовин, вони мож уть розмнож уватися тіл ьки всередині клітин, використовую чи їх н ій бі- локсинтезую чий апарат, речовини і енергетичні ресурси. Усередині капсиду можуть бути необхідні для реплікації вірусу біл ки, такі як фермент зворотна транскриптаза, характерний для РН К- ретровірусів і необхідний для утворення молекули вірусної Д Н К .
- 178. m ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ капсид вірусна нуклеїнова кислота Мал. 32.1. Будова вірусу Віруси відрізняю ться від мікроорганізмів такими особливостями: • вони м істять нуклеїнову кислоту лиш е одного типу — або Д Н К , або Р Н К ; • для їх репродукції необхідна тіл ьки вірусна нуклеїнова к и с лота; • вони не мож уть розмнож уватися поза ж ивою клітиною ; • поза ж ивою клітиною вони не виявляю ть ж одних властивос тей живого. Бактеріофаги Віруси, що ураж аю ть бактерії, називаються бактеріоф агами. Б а к теріофаги (від слова «бактерія» та грец. phagos — пожирач: букваль но пож ирачі бактерій), фаги, бактеріальні віруси спричиняю ть руйнування бактерій та ін ш и х мікроорганізмів. Бактеріофаги складаються з ікосаедричної головки з молекулою Д Н К або Р Н К всередині, що прилягає до стриж ня, на к ін ц і якого є основна пластинка з хвостовими відростками (мал. 32.2). ікосаедрична голівка / ДНК або РНК — стрижень основна пластинка о б Мал. 32.2. Будова булавоподібного бактеріофага (а); мікрофотографія (б)
- 179. Опорні точки Неклітинні форми життя В іруси — це неклітинн і форми ж и ття , вн утр іш н ьокліти н н і па разити. Кож на вірусна частинка складається з невеликої кількості генетичного матеріалу (Д Н К або РИ К ), оточеного білковою оболонкою (капсид). У складі деяких вірусів є вуглеводи і ж ири. Д е я кі віруси маю ть додаткову оболонку, що утворю ється із плазматичної мембра ни клітини-хазяїна. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Що таке віруси? 2. Яку роль можуть відігравати вірусні білки? 3. У якому вигляді представлений у вірусах генетичний матеріал? 4. Чим віруси відрізняються від мікроорганізмів? 5. Що спільного й відмінного в будові вірусів рослин і вірусів тварин? 6. Яку роль могли відігравати рухливі генетичні елементи в похо дженні вірусів? 7. Чому віруси називають неклітинними формами життя? § 33. Життєві цикли вірусів С та д ії ж и ттєв о го циклу вірусів Ж и ттєв і цикли мож уть дуже відрізнятися у різних вірусів. Н ай більш типовий процес потрапляння вірусу до кліти н и починається із приєднання вірусного капсиду до специфічного для даного вірусу ре цептора, який є на поверхні мембрани клітини-м іш ені. Проникнення до кліти н и приєднаного до мембрани вірусу відбувається за рахунок ендоцитозу або злиття к л іти н н ої мембрани й оболонки вірусу. Усередині клітини-хазяїна вірусний капсид руйнується під впли вом кліти нн их ферментів, вивільняю чи вірусний генетичний мате ріал, на основі якого синтезуються вірусні ІР Н К і починається утво рення вірусних білків та реплікація вірусного геному. П о тім відбувається самозбирання вірусних частинок. В и хід гото вих віріонів із зараженої к л іти н и часто супроводжується її руйну ванням. Таки м чином, мож на виділити три стадії вірусної інф екції: • адсорбція вірусу на к л іти н н ій мембрані і проникнення віру су в кл іти н у (мал. 33.1, 1); • експресія і реплікація вірусного геному (мал. 33.1, 2); • збирання вірусів і їх вихід із кліти ни (мал. 33.1, 3).
- 180. 1%0 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 33.1. Життєвий цикл вірусів: 1 — проникнення вірусу в клітину; 2 — експресія і реплікація вірусного геному; 3 — збирання вірусів і їх вихід із клітин Адсорбція вірусу на клітинній мембрані і механізм проникнення вірусу в клітину Зараж ення к л іти н и вірусами починається з адсорбції вірусу на к л іти н н ій мембрані, яка відбувається через взаємодію поверхневих білків вірусу з мембранними рецепторами клітини. Р ізн і віруси ви користовую ть для зв’язку з мембраною к л іти н и р ізні к л іти н н і ре цептори. Адсорбовані віруси потрапляю ть у к л іти н у за допомогою ендо цитозу або ш ляхом злиття з клітинною мембраною. О пинивш ись у цитоплазмі, віруси звільняю ться від більш ості білків і починають реплікуватися. На різних поверхнях епітеліальних тканин механізми адсорбції вірусів та їх проникнення у клітину неоднакові. Віруси рослин, кліти ни яких захищ ені м іцною оболонкою із к л іт ковини, мож уть проникати в них лише в м ісц ях механічних уш ко джень. Ц і віруси м ож уть розносити комахи. К літи н и тварин, я к і мають глікокалікс, більш уразливі для вірусів, передусім через свою здатність до фаго- і піноцитозу. Захоплю ю чи пож ивні речовини, вони часто «ковтають» і зр іл і вірусні частинки.
- 181. Неклітинні форми життя Я к щ о кліти н и з’єднані одна з одною, то вірус мож е мандрувати, за ражаючи одну кл іти н у за інш ою . У багатьох вірусів тварин розвиваються спеціальні пристосування для проникнення у кліти н у. Наприклад, кл іти н и , що вистилаю ть дихальні ш ляхи, вкриті захисним шаром слизу, але вірус грипу роз рідж ує цей слиз і проникає до мембрани клітини. Бактеріофаги проникають у к літи н и бактерій за допомогою своєї незвичайної будови. Вони являю ть собою «живий ш приц», який впор скує свою нуклеїнову кислоту в кліти ну хазяїна. П орож ня оболонка віріону залишається зовні — вона вже не потрібна, оскільки виконала свою ф ункцію . Експресія і реплікація вірусного геному' П ісля проникнення вірусів у кліти ну і «роздягання» вірусний ге ном і зв’язані з ним вірусні білки опиняються у цитоплазмі. Всередині зараженої кліти ни відбувається реплікація вірусного геному і синтез структурних вірусних білків, із яких збираються нові віруси. Існує певний порядок тр ан скр и п ц ії вірусних ІР Н К , я к і п отім транслю ю ться з утворенням білка. Р е п л ік ац ія вірусного геному більш ості РН К -в м існ и х вірусів відбувається в цитоплазм і, а біль ш ості Д Н К -вм існ и х вірусів — у ядрі. Є віруси, як і не мають у своєму складі ферментів. В ін ш и х вірусів є ф ерменти, наприклад РН К-полімераза, яка проникає у кл іти н у разом із вірусним геномом. Зараж аю чись вірусом, к л іти н а активує спеціальні м еханізм и противірусного захисту, відбувається перепрограмування кліти ни. Вона починає синтезувати сигнальні молекули — інтерферони, що активую ть системи ім унітету. П ош кодж ення, спричинені розмно ж енням вірусу в к л іти н і, виявляю ться системами внутріш нього клітинного контролю, і така кліти на сама себе вбиває під час апоп- тозу, або програмованої к літи н н о ї смерті. В иж ивання вірусу залеж ить від його здатності долати системи противірусного захисту. Том у велика к іл ьк ість вірусів у ході ево л ю ц ії набула здатності пригнічувати синтез інтерферонів і програму здійснення апоитозу. К р ім цьрго, віруси прагнуть створити в к л іти н і максимально сприятливі умови для свого розмноження. Д еякі віруси мож уть переходити в латентний (прихований) стан і активуватися лиш е за певних умов. При цьому вірус успадковуєть ся дочірнім и клітинам и і нерідко включається у кліти н ний геном. Я кщ о к л іти н и потрапляю ть у несприятливе середовище, то вірус стає активним і починає розмножуватися.
- 182. /%2 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Збирання вірусів і вихід їх із клітини Я к тіл ьки вірусні нуклеїнові кислоти і вірусні білки синтезовані в достатній кількості, починається збирання вірусів. Включення ну клеїнових кислот у вірусні капсиди у Р Н К -вм існ и х вірусів відбува ється у цитоплазмі, а у Д Н К -вм існих вірусів — у ядрі. На останньому етапі репродукції віруси повинні вийти із зараженої кліти ни і не зв’язуватися знову з її поверхнею. Вірус, щ о активно розмнож ується, не завж ди вбиває кліти ну- хазяїна. Багато вірусів виходять із кліти ни ш ляхом відбрунькування від кл іти н н ої мембрани, набуваючи при цьому зовніш ньої оболонки. У цьому випадку кліти на мож е продовжувати ж и ти і продукувати вірус. В ихід із кліти н и вірусів, я к і не маю ть зовніш ньої оболонки, м о ж ливий лиш е за умови загибелі кліти н и й розпаду її мембрани. Опорні точки Ж и ттєв і цикли вірусів м ож уть відрізнятися в різних видів, але відбуваються за загальною схемою. М ож на виділити три стадії вірус ної інф екції: адсорбція вірусу на к л іти н н ій мембрані і проникнення вірусу в клітину; експресія і реплікація вірусного геному; збирання вірусів та їх вихід із клітини. М еханізми проникнення вірусів у к літи н и лю дини, тварин, рос лин, бактерій відрізняю ться своїми особливостями. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які особливості мають віруси? 2. Як відбувається проникнення вірусу в клітину? 3. Як здійснюється збирання вірусів і вихід їх із клітини? 4. У чому полягають особливості життєвого циклу вірусів? 5. Що відбувається після проникнення вірусу в клітину? 6. Де відбувається реплікація вірусного геному ДНК-вмісних вірусів і РНК-вмісних вірусів? 7. Чим відрізняються механізми проникнення вірусів у клітини люди ни і тварин, рослин, бактерій? § 34. Роль вірусів у природі й житті людини Роль вірусів у природі За своєю чисельністю віруси є однією з найбільш пош ирених форм існування органічної матерії на планеті. Вони є внутріш ньоклітинни ми паразитами усіх царств ж ивих організмів. З їх допомогою може
- 183. здійсню ватися горизонтальне перенесення генів від од н ієї сис тем атичної групи організм ів до ін ш ої. У цьому полягає важлива еволюційна роль вірусів. В іруси пош ирені у природі повсюдно. Вони ураж аю ть усі групи ж иви х організмів. Описано приблизно 500 вірусів, я к і ураж аю ть теплокровних хребетних, і понад 300 вірусів, що ураж аю ть вищ і рос лини. Д е я кі види ракових пухлин у тварин і, можливо, у людини маю ть вірусну природу. Виступаю чи інф екційним и агентами, віруси маю ть не лиш е основ них хазяїнів, а й ін ш и х , у яких вони розмнож ую ться, але ш коди не завдають. Так, наприклад, вірус сказу в природі зберігається серед гризунів, для яких зараження цим вірусом не є смертельним. Природним резервуаром для вірусів кін ських енцефалітів, особли во небезпечних для коней і дещо менше для лю дини, залиш аються птахи. Ц і віруси переносяться кровосисними комарами, у яких вірус розмнож ується без істотної ш коди для комара. Іноді віруси мож уть передаватися комахами пасивно, тобто без розмнож ення в них, але найчастіш е віруси розмнож ую ться в ти х організмах, я к і виступаю ть переносниками вірусів. Д ля багатьох вірусів, наприклад кору, герпесу, основним природ ним резервуаром є людина. Передавання цих вірусів відбувається повітряно-краплинним ш ляхом. Репродукція вірусів у природі підтримується різними організмами: бактеріями, грибами, найпростіш ими, рослинами (мал. 34.1, 34.2), тваринами. Наприклад, комахи часто страждаю ть від вірусів, я к і на копичую ться в їх н іх клітинах у вигляді великих кристалів. Рослини нерідко ураж аю ться дрібними і просто побудованими РН К -вм існ и м и вірусами. Ц і віруси навіть не маю ть спеціальних механізм ів для про никнення у кліти ну. Вони переносяться комахами (які ж ивляться кліти н н и м соком), круглим и червами і контактним способом, зара ж аю чи рослину внаслідок її механічного уш кодж ення. Неклітинні форми життя ( S 3 Мал. 34.1. Вірус кільцевої плямистості Мал. 34.2. Вірус мозаїчної малини, мікрофотографія хвороби люцерни, мікрофотографія
- 184. Віруси тварин В іруси є збудниками багатьох небезпечних хвороб тварин і лю ди ни. Вони передаються під час безпосереднього ф ізичного контакту, повітряно-краплинним ш ляхом та ін ш и м и способами. В іруси м о ж уть також пош ирю ватися організмами-переносниками. Наприклад, вірус сказу переносять собаки й кажани. В ід ом і також кілька вірусів тварин, я к і м ож уть інф ікувати лю ди ну. Д еякі віруси мож уть набувати такої здатності за певних обставин, наприклад надзвичайно відомий останнім часом вірус пташ иного гри пу (мал. 34.3). До серйозних вірусних захворювань тварин можна віднести ящ ур великої рогатої худоби, рожисте запалення у свиней, чуму птахів і міксоматоз кролів. Віруси рослин У природних умовах віруси рослин пош ирю ю ться ш ляхом прямого контакту або через переносників. Нерідко віруси потрапляю ть у лис ток через пош кодж ення, що виникло внаслідок тертя ли стків один об одного. Передаванню вірусів м ож уть сприяти і рослини-паразити, багато вірусів переносять комахи. Генетичним матеріалом вірусів рослин найчастіш е виступає Р Н К . Вірусне зараження рослин зазвичай призводить або до появи ж ов тих цяточок на листках (так званої мозаїки листків) (мал. 34.4), або до зморш куватості чи карликовості ли стків. В іруси спричиняю ть і затримання росту рослин, щ о пізн іш е призводить до зменш ення врожаю. Н и зку серйозних захворювань спричиняю ть віруси ж овтої мозаїки турнепсу, тю тю нової мозаїки, карликової кущ истості і брон- зовості томатів. Поява см уг на пелю стках деяких сортів тю льпанів також зумовлена вірусом. ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 34.3. Вірус пташиного грипу, мікрофотографія Мал. 34.4. Модель вірусу тютюнової мозаїки
- 185. Неклітинні форми жигтя Мал. 34.5. Вірус грипу, Мал. 34.6. Вірус гепатиту С, мікрофотографія мікрофотографія Роль вірусів у ж и т т і людини В и вже знаєте, що понад десять основних груп вірусів мож уть спричиняти ін ф екц ій н і захворювання у лю дини. Д Н К -в м існ і віру си спричиняю ть, наприклад, натуральну віспу, герпес, гепатит В, а Р Н К -в м існ і віруси — п ол іо м ієл іт, гепатит А , гострі застудні за хворю вання, р ізні форми грипу, кору та епідемічного паротиту (свинки). У наш час вір усн і ін ф е к ц ії становлять переважну частину ін ф екційної патології лю дини. Н айпош иреніш им и серед них'є гострі р еспіраторні (ГРВ І) та ін ш і в ір усн і ін ф е к ц ії, щ о передаються повітряно-краплинним ш ляхом, збудники яких належать до зовсім різни х родин, найчастіш е це Р Н К -в м існ і віруси (вірус грипу А , В, С, вірус епідемічного паротиту, віруси парагрипу, кору, риновіруси та ін.) (мал. 34.5). Не менш пош ирені й киш кові вірусні інф екційні захворю вання, я к і спричиняю ть віруси, щ о також належать до різних родин Р Н К - та Д Н К -вм існ и х вірусів. Д уж е пош ирені в усьому св іті та к і вірусні інф екц ій ні захворюван ня, я к вірусні гепатити, особливо гепатит В, що передається транс м ісивним і статевим ш ляхом. їх збудники — віруси гепатиту А , В, С, D, Е, G, Т Т — маю ть р ізні механізми передачі, але вони мож уть потрапляти в кліти н и печінки (мал. 34.6). Одна з найбільш відом их вірусних інф екц ій — B IJI-інф екція (мал. 34.7). Досить пош ирені в наш час арбовірусні інф екційні захворювання. Природні хазяїни їх збудників — дрібні гризуни та їх н і зовніш ні пара зити. Л ю дині ц і віруси передаються через укуси кровосисних комах. Б ільш ість цих вірусів є збудниками енцефалітів і геморагічних про- пасниць (пропасниці Ебола, М арбурзької пропасниці та ін.). Доведена роль вірусів і в розвитку деяких пухлин тварин і лю дини (онкогенні, або онковіруси). Серед відомих вірусів, я к і виявляю ть онкогенну дію , є представники як Д Н К -вм існих, так і РН К -вм існ и х вірусів.
- 186. 1X6 ОРГАНІЗМОВИЙ Мал. Опорні точки Віруси пош ирені в природі повсюди й ураж аю ть усі групи ж ивих організмів. До вірусних захворювань тварин належать, наприклад, ящ ур ве ли кої рогатої худоби, рожисте запалення у свиней, чума птахів, м ік соматоз кролів. У рослин віруси спричиняю ть різном анітні мозаїки листя, затримання росту, зменшення врожаю. До вірусних захворювань лю дини належ ать натуральна віспа, герпес, гепатит В, поліом ієліт, гепатит А , гострі застудні захворюван ня, р ізн і форми грипу, кору та епідемічного паротиту. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Яку роль віруси відіграють у природі? 2. Які природні резервуари вірусів ви знаєте? 3. Які вірусні захворювання рослин існують? До яких наслідків вони призводять? 4. Які є вірусні захворювання тварин? До яких наслідків вони призво дять? 5. Які є вірусні захворювання людини? До яких наслідків вони при-' зводять? 6. Чому саме віруси можуть здійснювати горизонтальне перенесення генів від однієї систематичної групи організмів до іншої? § 35. Пріони, їхня будова, життєві цикли Пріони Пріони (від англ. proteinaceous infectious particles — білкові ін ф екційні частинки) — особливий клас інф екційних агентів, що скла даю ться з білків. П ріони спричиняю ть т я ж к і захворювання цент ральної нервової системи в людини і багатьох вищ их тварин. 34.7. Вірус імунодефіциту людини (ВІГІ), модель РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ
- 187. Неклітинні форми життя П р іон н и й білок має аномальну тр и ви м ір н у структуру і може спричиняти структурне перетворення гомологічного (тобто схожого на нього) нормального клітинного білка на собі подібний (пріонний). П ріон приєднується до білка-м іш ені й зміню є його конф ірмацію (мал. 35.1). П р іон н і білки існую ть у двох конф ірмаціях: нормальній і пато генній, пріоновій. Н ормальні білки (природні компоненти клітини), стикаю чись із пріонами, мож уть перетворюватися на пріони. Д ія л ь ність клітини з такими білками поруш ується, вона гине. Вивільнений пріон може проникати в сусідн і к л іти н и , також спричиняю чи їх загибель. Уч е н і ще остаточно не вивчили механізм спонтанного виникнення пріонних інф екцій. М ож ливо, пріони утворюються внаслідок поми лок у біосинтезі білків. Є дані, я к і дають підстави вважати, що пріони не тільки виступають інф екційним и агентами, але й беруть участь у процесах генетично зумовленого старіння. Ж иттєвий цикл пріонів має свої особливості. За нормальних умов пріони — це неш кідливі кл іти н н і білки, проте вони маю ть природ ну здатність перетворюватися на стій к і структури, як і спричиняю ть деякі смертельні захворювання головного мозку в людей і тварин. Ураж ена ділянка мозку має характерну губчасту структуру, яка свід чить про ураження великої кількості нервових клітин, що призводить до виражених неврологічних симптомів, таких як зниж ення тонусу м ’язів, недоумство, втрата пам’яті і безсоння. Таким чином, цикл пріонів здійснюється за допомогою трансформа ц ії нормального клітинного білка у пріон при зіткн ен ні з нріоном. П р іон ні хвороби м ож уть бути спадковими, передаватися від хворої до здорової тварини чи лю дини або виникати спонтанно. а б Мал. 35.1. Зміна укладки поліпептидного ланцюга під час перетворення нормального білка (а) на пріон (б)
- 188. 1%%ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Дізнайтеся більше Пріони відрізняються складом амінокислот, характерних для пев ного виду. Відомо багато пріонних родів. Пріони дуже стійкі до звичайних методів дезінфекції. Йонізуюче, ультрафіолетове чи мікрохвильо ве випромінювання на них практично не впливають. Дезінфекцій ні засоби, що зазвичай використовуються у медичній практиці, ді ють на них лише дуже обмежено. Пріони стійкі до впливу високих температур. Вони витримують температуру +134 °С упродовж 18 хвилин. Хвороби людини, спричинені пріонами Н айбільш відом им и пріонними інф екціям и, пов’язаними з ура ж енням головного мозку, є хвороба Крейтцф ельдта— Якоба, без соння, хвороба Куру, синдром Герстманна— Ш тройслера— Ш ейнкера. Ц і захворю вання називаю ть губчастими енцеф алопатіями, вони є повільними інф екціям и, що спричиняю ть ураж ення сір ої речовини головного мозку і призводять до рухових порушень, психічних роз ладів, недоумства, вреш ті-реш т — до смерті (мал. 35.2). По-перше, людина може заразитися пріонами, що м істяться в їж і, оскільки вони не руйную ться ферментами травного тракту. П роника ючи через стінку тонкого киш ечнику, вони потрапляють у центральну нервову систему (мал. 35.3). Ilo -друге, за певних умов в організмі лю дини може відбутися спон танна трансф ормація пріонного протеїну у пріон. По-третє, є особлива група пріонних спадкових захворювань, спри чинених м утацією гена пріонного протеїну (білка), яка призводить до перетворення їх на пріони. Мал. 35.2. Мікрофотографія мозку хворого на губчасту енцефалопатію Мал. 35.3. Велика рогата худоба може хворіти на губчасту енцефалопатію
- 189. Неклітинні форми життя Із деяких експериментів відомо, що для виникнення пріонів у тк а н ині достатньо лиш е тимчасового контакту тканини з матеріалом, що м істи ть пріони (наприклад із використаними хірур гічн им и інстру ментами, зараженими пріонами). Роль пріонів у природі й ж и т т і людини Насамперед пріони — це інф екц ій ні агенти, щ о спричиняю ть за хворювання лю дини і тварин. Але учені вважають, що пріони вико ную ть певні ф ункції у нормальних біохім іч н и х і ф ізіологічних про цесах. Так, наприклад, існує гіпотеза, щ о через пріони здійсню ється механізм генетично зумовленого старіння. Учені припускають, щ о пріони беруть участь у м іж к л іти н н о м у роз пізнаванні і к л іти н н ій активації. Установлено також , що кліти нний пріонний білок підтримує навколодобові ритми активності і спокою у клітинах, тканинах, органах і в організмі в цілому. Ц ей білок ви конує ф ункцію своєрідного «заспокійливого засобу», з певною періо дичністю гальмую чи активність кліти н, тканин і організму в цілому. Відомо, що у своїй нормальній ф ормі пріони відповідають за зв’язок м іж нейронами. М ож ливо, пріони виконую ть ф ункцію перемикачів у багатьох важ ливих біологічних процесах. Загалом ж е слід відзначити, що ф ун кц ії пріонів ще недостатньо вивчені. Опорні точки П ріони — це особливий клас інф екційних агентів, що складаються з білків і не м істять нуклеїнових кислот. П ріони спричиняю ть тя ж к і захворювання центральної нервової системи в лю дини і деяких ви щ их тварин. П р іон н і білки існую ть у двох конф ірмаціях: нормальній і патоген ній, пріоновій. Н ормальні білки (природні компоненти клітини), сти каю чись із пріонами, мож уть перетворюватися на пріони. Д іяльн ість к літи н и з такими білкам и поруш ується, вона гине. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чи можна ліквідувати пріони за допомогою високої температури і звичайних засобів дезінфекції? 2. Чи може людина заразитися пріонами, що містяться в їжі? 3. Чим пріони відрізняються від вірусів? 4. У чому особливості життєвого циклу пріонів? 5. Що є спільного в перебігу захворювань, які спричиняють пріони? 6. Яку роль відіграють пріони у природі і житті людини?
- 190. /90 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ § 36. Профілактика ВІЛ-інфекції (СНІДу) та інших вірусних захворювань людини Шляхи поширення вірусних захворювань Віруси мож уть спричинити захворювання лю дини різного ступеня тяж кості. В ірусні захворювання поділяю ть на такі, що на них хворіє тіл ьки людина, і такі, що передаються від тварин лю дині. Існує к іл ьк а основних ш л ях ів передавання вірусної ін ф е кц ії (мал.36.1). Харчовий ш лях, при якому вірус потрапляє в організм лю дини із забрудненими продуктами харчування і водою (вірусний гепатит А , Е та ін.) Парентеральний шлях (через кров), при якому вірус потрапляє безпосередньо у кров або внутріш нє середовище лю дини. Ц е відбу вається переважно внаслідок застосування заражених хірургічних інструм ентів або ш приців, при незахищ еному статевому контакті, а також транснлацентарно від матері до дитини. Т аки м ш ляхом передаються віруси, що ш видко руйную ться у навколиш ньому се редовищі, наприклад вірус гепатиту В, ВІЛ, вірус сказу. Дихальний шлях, для якого характерний повітряно-краплинний механізм передавання, гіри якому пірус потрапляє в організм лю ди ни разом із вдихуваним повітрям, що м істи ть частинки мокротиння і слизу, викинутих хворою людиною чи твариною. Це найбільш не безпечний ш лях, оскільки з повітрям вірус може переноситися на значні відстані і спричиняти епідемії. Так передаються, наприклад, віруси грипу, вітряної віспи. Контактний шлях, коли хворий витирає ніс чи сякається, ін ф і кований слиз потрапляє йому на руки. П о тім під час прямого кон такту (потисканні рук) або через ін ш і предмети (наприклад дверні ручки, посуд, спільні руш ники, іграш ки, телефон) вірус потрапляє на ш к ір у ін ш о ї лю дини. Мал. 36.1. Шляхи поширення вірусних захворювань
- 191. Неклітинні форми життя 191 Дізнайтеся більше ...................................................... Більшість вірусів мають певну спорідненість з тим чи іншим ор ганом. Наприклад, віруси гепатиту розмножуються переважно у клітинах печінки. За типом органів-мішеней, які уражаються під час тієї чи іншої хвороби, розрізняються такі види вірусних захво рювань: кишкові, респіраторні (дихальні), такі, що уражають цен тральну і периферичну нервову систему, внутрішні органи, шкіру і слизові оболонки, судини, імунну систему та ін. Первинне розмноження вірусу на м ісц і його проникнення в ор ганізм зміню ється стадією проникнення вірусу в кров, з током якої він розноситься в р ізн і органи, де спричиняє вторинні уш кодж ен ня. Для таких інф екцій характерний тривалий інкубаційний період, а імунітет, що залишається після перенесеного захворювання, як пра вило, тривалий час захищ ає організм від повторного зараження цим самим вірусом. Профілактика ВІЛ-інфекції, геп ати тів т а іншцх вірусних захворювань людини Інф екційні вірусні захворювання виникаю ть за наявності трьох основних чинників: джерел інф екц ії, сприятливих умов для пош и рення збудників і сприйнятливої до захворювань лю дини. Я кщ о із цього ланцюга вилучити хоча б одну ланку, епідемічний процес при пиняється. Н айбільш надійним способом боротьби з вірусними захворювання ми є їх профілактика. Принципи профілактики вірусних захворювань ґрунтую ться на знаннях про будову й особливості ж иттєвих циклів вірусів. П роф ілактика інф екційних хвороб — це система комплексних за ходів, я к і включають: запобігання появі інф екційних захворювань, обмеження пош ирення інф екційних захворювань, ліквідац ію кон кретних інф екційних хвороб ш ляхом створення в лю дини ім унітету до них. У процесі проф ілактики вірусних інф екційних захворювань проводяться спеціальні заходи, діагностичні дослідження, застосову ються різном анітні лікувально-проф ілактичні засоби. Важливе значення має своєчасне виявлення інф екційних хворих, їх рання ізоляція і госпіталізація. Д ля розриву ш ляхів передавання інф екції необхідно контролю вати дотримання правил особистої та громадської гігієни. До специф ічної проф ілактики вірусних захворювань належать: • діагностика — проведення вірусологічних та ін ш и х дослі дж ень для виявлення та ідентиф ікації збудників хвороб;
- 192. 192 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ • застосування спеціальних лікувально-проф ілактичних засо бів, щ о попереджають зараження лю дини і підвищ ую ть при родну стій к ість до вірусів; • імунопроф ілактика — попередження певних інф екційних хвороб ш ляхом проведення ім у н іза ц ії для створення ш туч ного ім унітету. Сучасні методи вакцинації та ім у н іза ц ії поділяю ться на три основні групи. ІІо-перше, це використання ослабленого ш таму вірусу, котрий стим улю є в ор ган ізм і продукування ан ти тіл, щ о ефективно дію ть проти більш патогенного ш таму. По-друге, введення вбитого вірусу, котрий теж індукує утворення антитіл. Третій варіант — «пасивна» ім ун ізац ія, тобто введення уже готових «чужих» антитіл. Система протиепідемічних заходів, спрямованих на ізоляцію осе редку зараження і ліквідац ію інф екційних захворювань у ньому, на зивається карантином. Наприклад, при гепатиті А тривалість каран тину — 35 днів. Особливо важливою є проф ілактика B lJI-інф екції. В ІЛ — це добре вивчений вірус, і кож на лю дина мож е використо вувати знання про нього, щоб захистити себе. О скільки ВІЛ -інф екція невиліковна, то головною зброєю у боротьбі з пош иренням інф екц ії є проф ілактика — запобігання новим зараженням. Дізнайтеся більше ...................................................... Тестування на ВІЛ, згідно із законодавством України, добровільне і безкоштовне. Інформація про результати обстеження конфіден ційна. У кожному обласному центрі є медичні установи боротьби зі СНІДом. У районних лікарнях приймають аналіз крові на ВІЛ- інфекцію з подальшим відправленням забраної крові для лабора торної діагностики в обласні центри. Інф ормацію про те, чи є в організмі лю дини В ІЛ , дає тестування. Про що говорить результат аналізу? Негативний результат означає, що у крові лю дини антитіла не виявлені, вона не заражена ВІЛ . П озитивний результат означає, щ о у крові лю дини були виявлені антитіла. Це означає, що людина інфікована ВІЛ . Остаточний діагноз визначається лиш е після повторних тестів. Проф ілактика С Н ІД у нерозривно пов’язана зі здоровим способом ж иття. Здоровий спосіб ж и ття різко зменш ує ризик зараження ВІЛ . Я кщ о лю дина усвідомлю є важ ливість своїх ріш ень, пов’язаних зі збереженням здоров’я, розуміє ш ляхи передавання вірусу, небезпеку СН ІД у, його ф актичну невиліковність, то вона зможе уникнути не безпечних ситуацій. До груп ризику належать люди, що вж иваю ть
- 193. Неклітинні форми життя наркотики, ведуть безладне статеве ж и ття, поруш ую ть норми саніта рії. У небезпечному становищ і опиняю ться і недосвідчені підлітки. Особистим захистом від В ІЛ є: • відсутність ранніх статевих зв’язків; • відмова від наркотиків; • використання презерватива; • знання про ш ляхи передавання вірусу; • дотримання норм санітарії. Дізнайтеся більше ...................................................... У наш час немає методів лікування СНІДу, які дозволяють повністю вилікувати ВІЛ-інфікованого. Існуючі лікарські препарати дозво ляють лише зменшити кількість вірусу в організмі і призупинити руйнування імунної системи. До лікарських препаратів належать противірусні препарати, що руйнують.сам вірус, препарати, що зміцнюють імунну систему, лікарські засоби для лікування інфек цій, що виникають унаслідок ослаблення імунної системи. Опорні точки Віруси мож уть спричиняти захворювання лю дини різного ступеня тяж кості. Найбільш надійним способом боротьби з вірусними захворюван ням и (зокрема ВІЛ -інф екцією ) є проф ілактика. П ринципи проф і лактики вірусних захворювань ґрунтую ться на знаннях про будову й особливості ж иттєвих циклів вірусів. Знаючи особливості поширен ня вірусів, учені розробляють правила поведінки в м ісцях, де можна заразитися вірусами. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які принципи профілактики вірусних захворювань ви знаєте? 2. Як здійснюється специфічна профілактика вірусних захворювань? 3. Чому профілактика СНІДу тісно пов'язана зі здоровим способом життя? 4. Що ви знаєте про особливості поведінки в місцях, де можна зара зитися вірусами? 3. Які методи вакцинації та імунізації використовуються для профі лактики вірусних захворювань? 6. Порівняйте основні шляхи передавання вірусної інфекції.
- 194. Теми для проектної і групової роботи 1. Віруси, їхня будова, життєві цикли. 2. Пріони, їхня будова, життєві цикли. 3. Механізми проникнення вірусів у клітини людини, тварин, рослин, бактерій. 4. Способи боротьби з вірусними захворюваннями. План виконання проектної роб оти О Визначення мети проекту. @ Аргументування актуальності теми проекту. © Визначення джерел інф ормації. © Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. 0 Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). © Формулювання висновків. О Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо). І 9 4 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Тема 2. Одноклітинні організми Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • одноклітинні прокаріотичні, еукаріотичні та колоніальні орга нізми; • бактерії та їхню роль у природі й житті людини; • профілактику бактеріальних хвороб людини. Навчитеся: • обґрунтовувати відмінності одноклітинних еукаріотичних ор ганізмів та клітин багатоклітинних організмів; • пояснювати роль бактерій в екосистемах і житті людини; • застосовувати знання про процеси життєдіяльності бактерій для профілактики інфекційних хвороб.
- 195. Одноклітинні організми § 37. Прокаріоти Одноклітинні організми Існую ть організми, у яких усі ф ун к ц ії ж ивого виконує одна к л іти на. Вищ ий рівень організації ж и ття у них кліти н ний. Ф ізіологічн о кл іти н а одноклітинних організм ів — це ц іл існ и й організм, якому притаманні всі прояви ж иття: обмін речовин, подразливість, ріст, розмноження й ін ш і властивості. Прокаріоти — це прості за будовою одноклітинні організми, у к л і тинах яких немає оформленого ядра. До прокаріотів належать бак те р ії і ціанобактерії. Дізнайтеся більше ............................................... Унікальними представниками прокаріотичних організмів є архе бактерії. Вони можуть існувати в гарячих джерелах за температу ри понад +100 °С, в океанських глибинах із тиском 260 атм, у на сичених сольових розчинах (ЗО % NaCI), у яких інші організми гинуть. Напевне, архебактерії є дуже давньою групою ор ганізмів. їхні «екстремальні» можливості свідчать про умови, що були характер ними для поверхні Землі в архейську еру. Вважають, що архебактерії найбільш близькі до гіпотетичних «проклітин», які пізніше породили все розмаїття життя єдиний мешканець на Землі. Мертвого моря Обмін речовин, енергії т а інформації у прокаріотів Д л я бактерій характерна значна різн о м ан ітн ість здійсню ваних ними у природі перетворень речовин. За типом ж ивлення вони поді ляю ться на автотрофів і гетеротрофів.
- 196. 1 9 6 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Б актер ії автотрофи синтезую ть речовини для ж иттєдіяльн ості із неорганічних речовин. Автотроф ні бактерії хемосинтетшси синте зую ть органічну речовину з мінеральних сполук за рахунок енергії деяких х ім іч н и х реакцій. Наприклад, ґрунтові бактерії окислю ю ть амоніак до солей н ітр и тн ої та нітратної кислот і використовую ть ви вільнену енергію. О киснення бактеріями неорганічних речовин — сірки, амоніаку, нітратів, сполук Ф еруму, Гідрогену та ін., у процесі якого відбувається синтез органічних речовин із вуглекислоти, на зивається хемосинтезом. Автотроф ні бактерії фогосинтетики здатні до фотосинтезу, при яком у дж ерелом Гідрогену для відновлення вуглекислого газу є не вода, а гідроген сульфід. Існую ть бактерії, я к і потребують готових органічних речовин — амінокислот, вуглеводів, в іта м ін ів,— оскільки самі не мож уть їх син тезувати. Т а к і м ікроорганізми називаються гетеротрофами. Б актерії сапротрофи (від грец. наpros — гнилий і trophe — їж а, живлення) є гетеротрофами, вони використовую ть мертві органічні субстрати як джерело ж ивлення. Бактерії-наразити є гетеротрофами і існую ть за рахунок хазяїна (мал. 37.1). Вони спричиняю ть інф екц ій ні захво рювання. Але є бактерії, я к і дають організму хазяїна користь. Н а приклад, бактерії-симбіонти лю дини становлять її нормальну м ік р о флору. Вони ж ивуть у киш ечнику, на ш к ір і, на слизових оболонках, забезпечуючи захист, беручи участь у перетравлюванні їж і й синтезі деяких необхідних лю дині вітам інів. Дізнайтеся більше ...................................................... Місцем найбільшого скупчення бактерій-симбіонтів в організмі людини є система травлення. Мікрофлора кишечнику налічує 100 трильйонів бактеріальних клітин. Кількість мікроорганізмів у кишечнику людини істотно переважає кількість її власних клі тин, які формують організм. Перші бактерії потрапляють в організм дитини з першим у її жит ті молоком матері. У міру дорослішання дитини змінює свій склад і мікрофлора ЇЇ кишечнику. Кишкова паличка (мал. 37.2) — це гетеротрофна бактерія, яка за звичай живе у киш ечниках людей і тварин. Вона є одним із найти- повіш их представників нормальної мікрофлори киш ечнику ссавців. За відношенням до кисню бактерії поділяють на анаеробні й аероб ні. Анаеробні бактерії для біосинтезу клітини не потребують кисню
- 197. Одноклітинні організми Рис. 37.1. Сальмонелла, паразитична бактерія Мал. 37.2. Бактерія-симбіонт кишкова паличка з повітря, вони використовують кисень, отриманий у результаті біоло гічного розкладання води або солей неорганічних сполук. В основному це бактерії гниття. Бактерії-аероби мож уть ж и ти тіл ьк и в середови щ і, що м істить вільний молекулярний кисень. Бактерії мож уть здійснювати спиртове бродіння (процес окиснення вуглеводів, у результаті якого утворюються етанол, вуглекислий газ і виділяється енергія), молочнокисле бродіння (при якому кінцевим продуктом с молочна кислота), маслянокисле бродіння (перетворення вуглеводів з утворенням масляної кислоти). Ц і типи бродіння пов’язані м іж собою — початкові ш ляхи розкладання вуглеводів у них однакові. Процеси дихання і бродіння є основними джерелами енергії, необ хідн ої бактеріям для нормальної ж иттєдіяльності. Дізнайтеся більше ...................................................... Оскільки вільний кисень, який є на нашій планеті, утворився в результаті фотосинтезу, що виник на пізніших етапах розвитку життя на Землі, то очевидно, що анаеробний спосіб добування енергії — бродіння — більш давній, ніж процес дихання. Існують бактерії, я кі мож уть фіксувати атмосферний азот. Ц і аеробні азотф іксуючі бактерії називають ще бульбочковими, тому що вони живуть на коренях бобових рослин в утворених ними буль бочках (мал. 37.3). Це взаємовигідний симбіоз бактерій і рослин. Бак терії засвоюють атмосферний азот і забезпечують ним рослини, а рос лини натомість постачають їм пож ивні речовини. Бульбочкові бактерії є у 10 % рослин, що належать до родини Бобові. У процесі ж иттєдіяльн ості бактерії м ож уть обміню ватися одна з одною спадковою інформацією. П ри кон’ю гації клітина-донор пере дає клітині-реципієнту частину свого геному. Д іл ян ки Д Н К донора м ож уть обмінюватися на гомологічні ділян ки Д Н К реципієнта.
- 198. m ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 37.3. Бульбочки на коренях бобових рослин Пригадайте .................................................... Кон'югація — це щільне прилягання клітин чи хромосом. Таки м чином від бактерії до бактерії м ож уть передаватися такі, наприклад, ознаки, я к капсулоутворення, синтез необхідних к л іти н і речовин, ферментативна активність, стій к ість до отрут, антибіотиків та ін ш и х лікарських речовин. Опорні точки Прокаріоти просто побудовані одноклітинні організми, у к л іти нах яких немає оформленого ядра. До прокаріотів належать бактерії і ціанобактерії. Б актерії здійсню ю ть у природі велику к іл ьк ість різноманітних пе ретворень речовин. Процеси дихання і бродіння є основними джерела ми енергії, необхідної бактеріям для нормальної ж иттєдіяльності. У процесі ж и ттєд іял ьн о сті бактерії м ож уть обміню ватися одна з одною спадковою інф ормацією . Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чи можуть бактерії фіксувати азот? 2. Які бактерії-симбіонти ви знаєте? 3. У чому полягають особливості автотрофних бактерій? 4. У чому полягають особливості гетеротрофних бактерій? 5. Чим відрізняються бактерії-аероби від анаеробів? 6. Чи зможе організм людини нормально функціонувати, якщо в ньо му зовсім не буде бактерій?
- 199. Одноклітинні організми § 38. Роль бактерій у природі та в житті людини Роль бактерій в екосистемах Б актерії відіграю ть надзвичайно важ ливу роль у процесах, що від буваються у природі. В ід їхн ьої ж иттєдіяльності залежить постійність газового складу атмосфери. Вони беруть активну участь у м інералі зац ії органічних сполук, утворюючи необхідні для рослин пож ивні речовини. Б актерії гниття розкладають білок з утворенням амоніаку, який азотф іксую чі бактерії окисню ю ть до нітр и тів, а вже ін ш и м и формами до н ітратів і вільного азоту. Ґрунтові бактерії справляю ть значний вплив на ріст і розвиток рослин (мал. 38.1). Навколо коренів і на коренях рослин розвиваєть ся велика кіл ьк ість бактерій, причому не всіх видів, а лиш е певних, специф ічних для кож ного виду рослин. Ц я мікроф лора може бути корисною або ш кідливою для рослин, залежно від навколиш нього середовища і стану самої рослини. Д еякі бактерії є симбіонтами тварин, наприклад, оселяються у трав ному тр акті тварин, забезпечуючи перетравлювання клітковини. Торф, кам ’яне вугілля, нафта, горючий газ — це корисні копалини, в утворенні яких у надрах Зем лі беруть участь бактерії. Ж и ттєд ія л ь ність бактерій зумовлює родю чість ґрунтів і леж ить в основі само очищ ення, що відбувається у природних водоймах. Н айваж ливіш а ф ункція бактерій в екосистемах — це участь у кру гообігу речовин, який відбувається у природі безперервно й забез печує ж и ття на Землі. Роль бактерій у ж и т т і людини Людина використовує бактерії в харчовій промисловості для отри мання продуктів харчування. Так, молочнокислі бактерії ш ироко застосовуються для виробництва кефіру, сметани, сиру (мал. 38.2). За допомогою молочнокислих бактерій відбувається закваш ування капусти. Мал. 38.1. Рухлива Грунтова Мал. 38.2. Продукти, що виробляються бактерія за допомогою молочнокислих бактерій
- 200. 2 0 0 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ а б Мал. 38.3. Рентгенівський знімок людини, хворої на туберкульоз (а); паличка Коха, яка є збудником туберкульозу (б) Лю дина застосовує бактерії у ф армацевтичній промисловості для отримання деяких л ік ів , синтезування біологічно активних речо вин антибіотиків, вітам ін ів, ферментів, амінокислот. Бактерії ш ироко застосовуються у промисловості для вилуговуван ня металів із руд, добування різних органічних речовин, наприклад спиртів і кетонів. Стає більш важ ливим значення бактерій як джерела харчового і кормового білка, а також енергетичних продуктів — ме тану, водню. Б актерії також застосовуються у тваринництві, наприклад, для силосування кормів. Утворювана при цьому молочна кислота запобі гає розкладанню овочів і корму для худоби. Б актерії використовують для очищ ення стічних вод та для боротьби із сільськогосподарськими ш кідникам и. М ікробіологія дедалі ш ирш е запроваджується у текстильну і ш к і ряну галузі. Т акі технологічні процеси, як вимочування льону, об робка ш к ір и , не м ож уть відбуватися без використання продуктів ж иттєдіяльності бактерій. Проте бактерії м ож уть не тіл ьки приносити користь, а й завдавати ш коди. Вони розмнож ую ться у харчових продуктах, спричиняю чи їх псування. Щ об запобігти розмноженню бактерій, продукти слід зберігати на холоді, можна пастеризувати, висуш увати (в’ялити або коптити), солити чи маринувати. Б актерії спричиняю ть такі тя ж к і захворювання лю дини, як тубер кульоз (мал. 38.3), сибірка, ангіна, харчові отруєння, чума, холера, дифтерія, ботулізм. Значення мікробіологічної промисловості М ікробіологічна промисловість — це галузь промисловості, у я к ій виробничі процеси ґрунтую ться на м ікробіологічному синтезі цінних
- 201. Одноклітинні організми продуктів із різних видів нехарчової сировини: вуглеводнів нафти й газу, гідролізатів (деревини), а також відходів переробки цукрового буряку, кукурудзи, олійних і кр у п ’яних культур. М ікр обіологічн а ін дустр ія випускає білково -вітам ін н і концен трати, амінокислоти, вітам іни, ферментні препарати, антибіотики. Підприємства ц ієї галузі виробляють біологічно повноцінні комбікор ми, засоби для боротьби зі ш кідн и кам и і збудниками хвороб рослин, бактеріальні добрива. Опорні точки Б актерії беруть участь у кругообігу речовин, мінералізації органіч них сполук, утворенні корисних копалин, впливають на постійність газового складу атмосфери, забезпечують родю чість ґрунтів, сприя ю ть самоочищ енню водойм і багатьом ін ш и м процесам, я к і відбува ються у природі. Л ю дина використовує бактерії у народному господарстві, рослин ництві, тваринництві, у різних галузях харчової та ф армацевтичної промисловості. Водночас бактерії спричиняю ть інф екційні захворювання людини, псують продукти харчування, завдають ш коди деяким технологічним процесам. Запитання для контролю і самоконтролю 1. В утворенні яких корисних копалин беруть участь бактерії? 2. Як людина може використовувати молочнокислі бактерії? 3. Виробництво яких біологічно активних речовин здійснюється за допомогою бактерій? 4. Як ґрунтові бактерії впливають на ріст і розвиток рослин? 5. Яке значення має розвиток мікробіологічної промисловості для України? 6. Яку роль у природі відіграють азотфіксуючі бактерії? Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 11 Тема. Різноманітність бактерій, їх значення у природі та житті людини Мета: ознайомитися з різноманітністю бактерій, визначити їх значення у природі і житті людини.
- 202. 2 0 2 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Обладнання та матеріали: мікроскопи, предметні і накривні стекла, піпетки, склянки з водою, туш, готові препарати бактерій, настій різних продуктів (м'яса, риби, білка яйця, овочів). Підготовчий етап Д ля вивчення різноманітності бактерій необхідно заздалегідь при готувати настій із різних матеріалів: м ’яса, риби, білка яйця, овочів. Д ля цього подрібніть невелику кількість матеріалу, покладіть його в колбу, додайте невелику кількість крейди (на к ін чи к у скальпеля) і залийте водопровідною водою на 2/3 об’єму. Колбу з настоєм ви тримайте у термостаті за температури 25— 28 °С або в теплому при м іщ енні в темряві протягом 3— 5 днів. За цей час у середовищі на копичується велика к іл ьк ість різноманітних бактерій. Хід роботи О П ом істіть на предметне скло краплю настою, найбільш багато го на мікрофлору. Приготуйте тимчасовий препарат і розгляньте його при різному збільш енні мікроскопа. Замалю йте бактерії, звертаючи увагу на їхню форму, взаємне розміщ ення клітин і співвіднош ення розмірів. © Додайте в краплю настою туш , приготуйте тимчасовий препарат. Розгляньте під мікроскопом на загальному темному фоні ту ш і незабарвлені кліти н и бактерій. © Розгляньте постійні препарати бактерій. Замалю йте їх. О Зробіть висновок. § 39. Профілактика бактеріальних захворювань людини Шляхи поширення бактеріальних захворювань Б актеріальні захворювання, як і вірусні, м ож уть пош ирю вати ся різним и ш ляхами: контактним, при якому відбувається пряме зіткнення хворої лю дини зі здорового; контактно-побутовим, при яко му передавання ін ф екц ії відбувається через предмети домаш нього вж итку (білизна, руш ник, посуд, іграш ки), забруднені виділеннями хворого; повітряно-краплинним — через повітря; водним — при ви користанні інф ікованої води для пиття, побутових і господарських потреб, а також під час купання. Нерідко в поширенні бактеріальних інф екцій беруть участь харчові продукти і готова їж а. Хвороботворні бактерії мож уть потрапляти
- 203. I у продукти харчування різними ш ляхами: через забруднені руки хво рого чи носія, під час м иття харчових продуктів в інф ікованій воді, під час перевезення на випадковому транспорті, при розрізанні харчових продуктів на брудних столах, внаслідок зараження їх мухами, гризу нами й ін ш и м и переносниками бактеріальних захворювань. Особливе місце в передаванні бактеріальної інф екц ії посідає ґрунт, оскільки він є місцем тимчасового перебування збудників деяких за хворювань, наприклад правця. Багато інф екційних хвороб, я к і спричиняю ть бактерії, передають ся комахами, наприклад кліщ ам и, комарами, мухами. Терм іни виживання хвороботворних бактерій у різних середови щ ах різні. Наприклад, на м ’яких іграш ках із тканини дифтерійна паличка зберігається довше, н іж на гладеньких поверхнях пластма сових іграш ок. Профілактика бактеріальних захворювань П роф ілактичні заходи, спрямовані на запобігання бактеріальним інф екціям, включають раннє виявлення джерел і ш ляхів передавання інф екц ії, ізолювання інф екційних хворих, карантинні і дезінфек цій н і заходи, Щеплення. Головне — не допустити подальшого пош и рення інф екційних захворювань і якомога швидше ліквідувати їх. В аж ливим є створення ш тучного ім у н іте ту ш ляхом вакцина ц ії, яка проводиться, наприклад, проти диф терії, туберкульозу (мал. 39.1), правця. В осередку інф екційного захворювання за необхідності проводять дезінфекцію з метою знищ ення чи видалення бактерій з об’єктів зо вніш нього середовища, до яких може торкатися лю дина, а також для знищ ення к л іщ ів та ін ш и х комах, переносників збудників ін ф екційних захворювань, і дератизацію — для знищ ення гризунів, переносників збудників інф екційних захворювань. Одноклітинні організми
- 204. 204 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Д ля проф ілактики інф екційних захворювань необхідно дотриму ватися правил особистої гігієни: ' — м ити руки з милом після роботи і перед уж иванням їж і; — регулярно обмивати тіло в бані, ванні, під душ ем зі зміною натільної і постільної білизни; — систематично чистити і струш увати верхній одяг та постіль ні речі; — підтримувати чистоту в ж итлових і робочих приміщ еннях; — чистити меблі та предмети інтер’єру від бруду й пилу, вити рати взуття перед входом у приміщ ення; — уж ивати лиш е перевірені продукти харчування, к и п ’ячену воду й молоко, пром иті к и п ’яченою водою ф рукти й овочі, ретельно проварені м ’ясо й рибу. Залежно від того, яка саме бактеріальна інф екція загрожує, пра вила мож уть бути розш ирені з урахуванням особливостей збудника інф екції. Правила застосування антибіотиків для лікування бактеріальних захворювань Бактеріальні захворювання лікую ть за допомогою антибіотиків. А н тибіотики призначає тільки лікар! Саме лікар може дібрати анти біотик з урахуванням імовірного збудника і ступеня його чутливос ті. Призначаю чи антибіотик, лікар обов’язково враховує ім овірність алергії в пацієнта, особливості ф ункціонування його нирок і печінки, його вік, тя ж к ість захворювання й ін ш і особливості. Важливо застосовувати антибіотики в суворій відповідності до ін струкції. Будь-яке поруш ення ц іє ї ін стр у к ц ії може призвести до не гативних для організму наслідків. Б ільш ість бактеріальних захворювань без застосування антибіо ти ків вилікувати практично неможливо. Том у дуже важливо завжди виконувати рекомендації лікаря і не відмовлятися від призначеного препарату, пам ’ятаю чи про те, що будь-яке інф екційне захворювання завжди значно серйозніше, н іж м ож ливі небажані реакції від засто сування антибіотиків, що використовую ться для його лікування. Опорні точки Пош ирення бактеріальних захворювань відбувається контактним, контактно-побутовим, повітряно-краплинним ш ляхом і через забруд нені воду й продукти. П роф ілактичні заходи, спрямовані на запобігання поширенню бак теріальних інф екцій, вклю чаю ть раннє виявлення джерел і ш ляхів
- 205. Одноклітинні організми 205 передавання інф екції, ізолювання інф екційних хворих, карантинні, дезінф екційні й дератизаційні заходи, щеплення. А н ти біоти ки для лікування бактеріальних захворювань призна чає тіл ьки лікар, застосовувати їх слід у суворій відповідності до ін струкції. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які роботи проводять в осередку бактеріологічного зараження? 2. У чому полягають особливості шляхів поширення бактеріальних захворювань? 3. Яку роль у передаванні бактеріальної інфекції відіграє ґрунт? 4. Яких правил поведінки необхідно дотримуватися в місцях, де мож ливе зараження бактеріальними інфекціями? • 5. На що спрямовані профілактичні заходи для запобігання поширен ню бактеріальних інфекцій? • • 6. Яка роль антибіотиків у лікуванні бактеріальних інфекцій і яких правил щодо їх застосування необхідно дотримуватися? § 40. Одноклітинні еукаріоти. Колоніальні організми. Організація колоній одноклітинними еукаріотами Особливості організації т а ж иттєдіял ьності одноклітинних еукаріотів К р ім прокаріотів, до одноклітинних організмів належать одноклі ти н н і еукаріоти, серед яких є рослини, тварини і гриби. За загальним планом будови і набору органел кліти н и одноклітин них організмів подібні до кліти н багатоклітинних організмів. Існують організми одноклітинних тварин з дуж е простою будовою, наприклад амеба (мал. 40.1), хлорела (мал. 40.2), і доволі складною, наприклад інфузорія-туф елька (мал. 40.3), ацетабулярія (мал. 40.4). Мал. 40.1. Амеба Мал. 40.2. Водорість хлорела
- 206. 206 ОРГАНІЗМОІІИИ PIBUHb ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 40.3. Інфузорія-туфелька Я кщ о для к л іти н багатоклітинних організм ів характерне дифе ренціювання ф ункцій і немож ливість виконувати відразу всі ф ункції живого, то одноклітинні цю здатність зберігають. Представниками одноклітинних тварин є найпростіш і. їхнє тіло складається з однієї кліти ни. Представниками найпростіш их є, на приклад, прісноводна амеба та інфузорія-туфелька. Розміри найпростіш их м ікроскопічно малі. їх н є тіло складається із цитоплазми, у я к ій розрізняю ть зовн іш н ій шар — ектоплазму, і внутріш ній — ендоплазму. У більш ості видів кліти на ззовні вкрита оболонкою, яка надає одноклітинній тварині постійної форми. Дізнайтеся більше ...................................................... До найбільш високоорганізованих одноклітинних тварин нале жать інфузорії. Органоїдами руху в них є війки, тіло вкрите міц ною еластичною оболонкою, яка надає йому постійної форми. У більшості інфузорій два ядра: велике й мале. Велике ядро — ве гетативне — регулює процеси руху, живлення, виділення, а також нестатеве розмноження, що здійснюється поперечним поділом клітини навпіл. Мале ядро — генеративне, воно виконує важливу функцію у статевому процесі. У найпростіш их є органели, що виконую ть ф ун кц ії травлення (травні вакуолі), виділення (скоротливі вакуолі), руху (дж гутики, війки), сприйняття світла (світлочутливе вічко) та ін ш і органели, що забезпечують перебіг усіх процесів ж иттєдіяльності. За способом ж ивлення це гетеротрофні організми. Н айпростіш им властива подразливість, яка виявляється в різних рухах — таксисах. Розрізняю ть позитивні таксиси — рухи до подраз ника, і негативні таксиси — рухи від подразника. Мал. 40.4. Ацетабулярії
- 207. Одноклітинні організми Мал. 40.5. Форамініфери (о) та радіолярія (6) П отрапляю чи в несприятливі умови, найпростіш і утворю ю ть цис ту. Інцистування — важлива біологічна риса найпростіш их. Воно не лиш е забезпечує переживання несприятливих умов, а й сприяє ш ирокому розселенню. М орські одноклітинні тварини, наприклад форамініфери і радіо лярії, маю ть зовніш ній скелет у вигляді вапняної м уш л і (мал. 40.5). У природі багато не тіл ьки одноклітинних тварин, а й одноклітин них рослин і грибів. Наприклад, серед зелених водоростей до пред ставників одноклітинних належать хламідомонада і хлорела, а серед грибів одноклітинними є д р іж д ж і. О дноклітинні рослини і тварини є типовими еукаріотичними к л і тинами, що маю ть поверхневу мембрану, ядро, м ітохондрії, апарат Гольдж і, ендоплазматичну сітку, рибосоми, ін ш і органели. В ід м ін ності одноклітинних тварин і рослин виникаю ть у зв’язку з в ід м ін ностями способу їх ж ивлення. Д ля рослинних к л іти н характерна наявність пластид, вакуолі, к л іти н н о ї стін ки , ін ш и х особливос тей, пов’язаних із фотосинтезом. Д ля тваринних кліти н характер на наявність глікокаліксу, травних вакуолей, ін ш и х особливостей, пов’язаних із гетеротрофним ж ивленням. У грибів клітина має кліти н н у стінку, у цьому виявляється схо ж ість грибів із бактеріями і рослинами. Але гриби — гетеротрофи, і це споріднює їх із тваринами. О дноклітинні еукаріоти розмнож ую ться в основному нестатевим ш ляхом, але в деяких із них, наприклад в інф узорії-туф ельки, спо стерігається статевий процес — обмін генетичною інф ормацією , а в деяких, наприклад у хламідомонади, відбувається статеве розмно ження. Нестатеве розмноження відбувається ш ляхом поділу клітини навпіл за допомогою мітозу. При статевому розмнож енні утворюються гамети, я к і потім зливаються з утворенням зиготи.
- 208. г о я ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Поведінка одноклітинних організмів Поведінка — це здатність організмів зміню вати свої д ії, реагуючи на вплив внутріш ніх і зовніш ніх чинників. Поведінка одноклітинних організмів складається в основному з автоматичних переміщ ень у бік подразника або від нього — позитивні й негативні таксиси. Т акси сом називають спрямоване переміщ ення окремих клітин, що ж ивуть у природі вільно, під впливом стимулу, що діє однобічно. Учені виділяю ть термотаксис (рух під дією теплових стимулів), фототаксис (рух під дією світла), реотаксис (рух проти те ч ії води або струменя повітря), гальванотаксис (рух під дією електричного стру му), геотаксис (рух під дією сил гравітації). Роль одноклітинних організмів у природі й ж и т т і людини Роль одноклітинних еукаріотів у природі та ж и тті лю дини значна. Вони є учасниками ланцю гів ж ивлення, відіграю ть важ ливу роль у ґрунтоутворювальних процесах, деякі з них, відмираю чи, утворю ють поклади вапняних і сіліцієвих порід, що входять до складу земної кори. Серед найпростіш их є паразити рослин, тварин і лю дини. Так, м а лярійний плазмодій, оселяючись в еритроцитах лю дини, руйнує їх , спричиняю чи виникнення тяж кого захворювання — м алярії, а дизен терійна амеба, паразитуючи в клітинах стін ок товстого киш ечнику лю дини, спричиняє тя ж к е захворювання киш ечнику. Д ж гу ти к ові трипаносоми і л ей ш м ан ії (переважно тр оп іч н і види) спричиняю ть такі захворювання, як сонна хвороба і лейш маніози. Проф ілактика захворювань людини, я к і спричиняю ть паразитичні одноклітинні еукаріоти, включає дотримання правил гігієн и, терм іч ну обробку їж і, проведення заходів із переривання ж иттєвого циклу паразита на тій чи ін ш ій його стадії. В аж ливу роль у природі відіграю ть і одноклітинні водорості, я к і є одним з основних постачальників органічної речовини та кисню. Це початкова ланка в ланцю гу ж ивлення меш канців водойм, корм для багатьох тварин. Лю дина використовує здатність водоростей очищ увати водойми ш ляхом поглинання розчинених у воді речовин. Водорості збагачують водойми киснем, який виділяю ть у процесі фотосинтезу. П ід дією кисню органічні залиш ки руйную ться і стіч н і та забруднені води очищ ую ться. Отже, одноклітинні водорості беруть участь у процесі природного очищ ення водойм (мал. 40.6).
- 209. Одноклітинні організми Мал. 40.6. Одноклітинні водорості Мал. 40.7. Завдяки дріжджам у водоймах є постачальниками виготовляють хлібобулочні вироби органічних речовин і кисню Багато видів одноклітинних водоростей поширені в ґрунті й на його поверхні. Вони поліпш ую ть ф ізичні властивості ґрунту, збагачують його органічними речовинами. Д еякі види водоростей виконують функ цію біологічного індикатора у визначенні токсичності водойм і ґрун тів унаслідок забруднення гербіцидами чи інш ими отрутохімікатами. О дноклітинні водорості входять до складу лиш айників, я к і спри яли утворенню ґрунту з гір ськи х порід і відіграли велику роль у заселенні суходолу. Лю дина використовує у своїй господарській діяльності одноклі ти н ні гриби. Так, спеціальні види д р іж д ж ів, що виділяю ть багато карбон(ІУ) оксиду, використовую ться у хлібопекарнях для п ід н і мання тіста (мал. 40.7). Д р іж д ж і також застосовую ть у виробни цтві лимонної кислоти. О дноклітинні гриби відіграю ть велику роль у кругообігу речовин у природі. Організація колоній одноклітинними еукаріотами К літи н и одноклітинних організмів мож уть об’єднуватися в колонії для спільного виконання ж иттєвих ф ункцій. Але при цьому кожна клітина колонії, як і раніше, може сама виконувати всі ф ун кц ії ж иво го і є окремим самостійним організмом. О дними із представників колоніальних організмів є колоніальні зелені водорості, наприклад вольвокс. Д уж е пош ирені колоніальні форми й серед ін ш и х груп водоростей — діатомових, золотистих. З-пом іж гетеротрофних дж гутиконосців та інфузорій також чимало колоніальних форм, існую ть колоніальні радіолярії. Ум ови ж и ття кл іти н у колон ії різні. Одні ж ивуть у середині коло н ії, ін ш і на периферії. У прим ітивни х колоніях спостерігається рівномірне розміщ ення кліти н у товщ і слизу, що їх об’єднує, а в більш високоорганізованих
- 210. 2 1 0 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 40.8. Колонія вольвокс колоніях відбувається певне диференціювання, при якому к літи н и відходять до периферії колонії. Колоніальні організми, що належать до роду вольвокс (мал. 40.8), мають вигляд слизових кульок діаметром до 2 мм, у периферичному ш арі яких розміщ ено до 50 тис. кліти н із дж гутикам и. Ц і кліти ни зрослися своїми бічними стінкам и одна з одною і з’єднані плазмодес мами — цитоплазматичними м істкам и. В нутріш ня порожнина кулі заповнена рідким слизом. Завдяки рухові дж гути к ів вольвокс перекочується у воді. Назва вольвокс означає «той, що котиться». Кож на клітина має вигляд са мостійного найпростіш ого організму. Та оскільки вони утворюють колонію, то можлива узгоджена робота дж гути к ів усіє колонії. Давні колоніальні форми, утворені одноклітинними еукаріотами, є проміж ною ланкою м іж одноклітинними й багатоклітинними ор ганізмами. К л іти н и багатоклітинних організмів диференціюються і вже не мож уть існувати поза межами організму. їх об’єднання є більш повним, н іж те, що характерне для колоній. Виконувати всі ф ункції цілісного організму клітина багатоклітинних організмів не може, вона повністю залежить від інш их клітин і структур організму. Опорні точки В одноклітинних еукаріотів усі ф ун кц ії ж ивого організму виконує одна клітина. Окрема клітина одноклітинних організмів — це ц іл іс ний організм, котрому притаманні всі прояви ж иття: обмін речовин, подразливість, ріст, розмноження та ін ш і властивості живого. К літи ни одноклітинних організмів мож уть об’єднуватися у колонії для спільного виконання ж иттєвих ф ункцій, але при цьому кож на клітина може сама виконувати всі ф ун к ц ії живого.
- 211. Одноклітинні організми Запитання для контролю і самоконтролю 1. Які організми називають колоніальними? 2. Яку роль відіграють у природі одноклітинні еукаріоти? 3. У чому полягають особливості клітин колоніальних організмів? 4. Як організована колонія представників роду вольвокс? 5. Чим колоніальні організми відрізняються від багатоклітинних орг.» нізмів? 6. Чим примітивні колонії відрізняються від більш високоорганію ваних? 7. Як будова одноклітинних рослин пов'язана з їхніми життєвими функціями? 8. Яку еволюційну роль відіграли колоніальні організми? Теми для проектної і групової роботи 1. Роль бактерій у природі та житті людини. 2. Профілактика бактеріальних захворювань людини. 3. Значення бактерій у господарській діяльності людини. 4. -Значення мікробіологічної промисловості. 5. Роль одноклітинних грибів у природі й господарстві. План виконання проектної роботи Визначення мети проекту. Аргументування актуальності теми проекту. Визначення джерел інформації. Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). Формулювання висновків. Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо).
- 212. 2 1 2 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Тема 3. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Вивчаючи цю тему, ви дізнаєтеся про: • багатоклітинні організми без справжніх тканин та зі справжні ми тканинами, колонії багатоклітинних організмів; • будову і функції тканин та використання гістотехнологій; • органи багатоклітинних організмів і регуляцію їхніх функцій. Навчитеся: характеризувати типи тканин рослин і тварин, пояснювати взаємозв’язок їхньої будови і функцій; розуміти принципи організації та функціонування багатоклі тинних організмів; пояснювати значення процесу диференціювання клітин, утво рення тканин і органів; • застосовувати знання про регуляцію функцій організму люди ни для збереження власного здоров'я. § 41. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Багатоклітинні організми без справжніх тканин Особливості організації і ж иттєдіяльності багатоклітинних організмів До багатоклітинних належать т і організми, тіло яких складаєть ся з багатьох кліти н і їх похідних, наприклад різних видів м іж к л і тинної речовини. Характерною ознакою багатоклітинних організмів є якісна нерівноцінність к л іти н , я к і становлять тіло, їх диферен цію вання й об’єднання у комплекси р ізної складності — тканини, органи, ф ізіологічні системи, що виконую ть р ізні ф ун кції в цілісно му організмі. Д ля багатоклітинних організмів характерний також індивідуальний розвиток — онтогенез, що починається в більш ості випадків із поділу й диференціювання однієї кліти ни, наприклад зи готи чи спори. Серед багатоклітинних еукаріотів є тварини, рослини, гриби (мал. 41.1)
- 213. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Мал. 41.1. Багатоклітинні організми Пристосовані до виконання певних ф ункцій, кліти н и багатоклі тинних організмів не мож уть виконувати решти ф ункцій і для нор мальної ж иттєдіяльності користую ться результатами роботи інш их кліти н. Наприклад, кліти ни киш ечнику беруть участь у процесах травлення, забезпечуючи всі кліти н и пож ивними речовинами, але самі потребують кисню, який їм постачають еритроцити. К л іти н и багатоклітинного організму взаємопов’язані, взаємоза леж ні й постійно підтримую ть зв’язок одна з одною. Вони мож уть перебувати в безпосередньому кон такті й обміню ватися сигналами на відстані, синтезуючи спеціальні х ім іч н і речовини. Пригадайте ...................................................... Онтогенез — це індивідуальний розвиток організму. Взаємодія клітин" Велику кількість процесів, що відбуваються в багатоклітинних ор ганізмах, контролюю ть гормони. У лю дини й ін ш их ссавців їх відомо кілька десятків. Гормони є не лиш е у хребетних, а й у високорозвине- них безхребетних тварин: молю сків, ракоподібних, комах. К літи н и рослин також мож уть виробляти гормони (фі гогормони), як і регулю ю ть і координую ть індивідуальний розвиток: ауксини, гібереліни, ц и токін ін и . Ф ітогорм он и виробляються в тканинах, що ростуть інтенсивно: у кінчиках коренів, верхівках стебел, у мо лодих листках, а потім током рідини переносяться до ін ш их частин рослини, стимулю ю чи їх н ій ріст і розвиток. Особливу роль у регуляції ф ункцій відіграю ть нейрони — клітини нервової системи (мал. 41.2). Вони передають одна одній сигнали як за допомогою прям ої електричної взаємодії через спеціальні к л іти н н і контакти, так і через х ім іч н і речовини — медіатори, що ви робляються нервовими і рецепторними клітинами.
- 214. 214 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Мал. 41.2. Нейрони Регуляція діяльності к л іти н багатоклітинного організму вираж а ється і в контролі за участю к л іти н у м ітоти чни х поділах, У м іру розвитку зародка більш ість кліти н поступово спеціалізую ться на ви конанні тих чи ін ш и х ф ункцій і перестають ділитися. К літи н и , що збереі'ли в дорослому організм і здатність розмнож у ватися і диференціюватися у певному напрямі, називаються стовбу ровими. П ісля кож ного поділу стовбурової кліти ни одна з новоутво рених починає диференціюватися у спеціалізовану клітину, а друга залиш ається у стовбуровій л ін ії. Дізнайтеся більше ..................................... ................. Деякі клітини і в диференційованому стані не втрачають потен ційної здатності ділитися і за умови пошкодження частин організ му можуть вступити в мітоз. Наприклад, клітини печінки ссавців, які починають ділитися після видалення частини органа. Цілісність багатоклітинного організму Багатоклітинний організм є цілісною, саморегульованою системою. До основних принципів його ф ункціональної організації належать: гомеостаз, ім унологічна реактивність, саморегуляція, адаптація. Це означає, що організм може підтримувати постійність свого вну тріш нього середовища, боротися із чуж орідними агентами, коорди нувати діяльність своїх клітин, тканин і органів, виживати в певних умовах навколиш нього середовища та пристосовуватись до нього. Д ля багатоклітинних організм ів характерним є обмін речовин, енергії та інф орм ації, який здійсню ється на молекулярному, к л і тинному, тканинному рівнях і на рівні цілісного організму. Це до зволяє багатоклітинним організмам самозберігатися, рости, роз виватися і самовідтворю ватися в певних умовах навколиш нього середовища, а також адаптуватися до нього.
- 215. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Багатоклітинні організми без справжніх тканин У природі існую ть п р им ітивні багатоклітинні тварини, у яких не має тканин. їх об’єдную ть у піддарство Паразої (від грец. — біля тварин). Єдиний тип цього царства, щ о зберігся, називається тип Губки. Губки належать до найбільш п р им ітивн и х багатоклітинних ор ганізм ів, я к і не маю ть диференційованих тканин і відокремлених органів (мал. 41.3). Ц і п р и м іти вн і багатоклітинні тварини ведуть сидячий спосіб ж иття, прикріпивш ись до твердих субстратів у воді. Відомо приблизно 5000 видів, більш ість із них — морські. К літи ни губок зв’язані м іж собою слабко і більш ою мірою ф ункціо ную ть незалежно одна від одної. У губок дуже висока здатність до ре генерації. їхн є тіло радіально-симетричне і складається з центральної порож нини, оточеної двошаровою стінкою . Вода входить через пори у стін ц і в цю порож нину, а звідти виходить назовні через ш ироке устя — на її верхньому к ін ц і. У деяких губок устя редуковане або його немає, що призводить до посилення току води крізь пори. Її рух зумовлений биттям дж гути ків, яким и забезпечені кліти н и , щ о ви стилають канали у стінках. їж а , кисень, статеві продукти і продукти ж иттєдіяльності переносяться цією водою. Скелет губок складається з мільйонів м ікроскопічних кристаліч них спікул (голок) або органічних волокон. Його будова є головним критерієм при розподілі типу на класи. Є й ін ш і багатокліти н н і організм и, я к і не маю ть тканин, це водорості (мал. 41.4). Саме тому, щ о у водоростей немає справж ніх тканин, їх виділяю ть у підцарство Талом ні рослини. У водоростей існує багато типів морф ологічної організації їхнього тіла — талома. Наприклад, нитчастий талом утворений простими або розгалуженими нитками, а пластинчастий — клітинам и, розміщ ени ми в одній площ ині. У багатоклітинних водоростей часто наявні ри зоїди — вирости талома, я к і служ ать для прикріплення до субстрату. Мал. 41.3. Губки Мал. 41.4. Водорості
- 216. 216 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Опорні точки Б агатокл іти н н і еуїсаріоти характеризую ться якісною нерівно цінністю клітин, диференціацією і об’єднанням клітин у комплекси (тканини, органи), залежністю цих комплексів один від одного, на явністю онтогенезу. Клітини багатоклітинного організму взаємопов’я зані, взаємозалежні і постійно підтримую ть зв’язок одна з одною. Багатоклітинний організм є цілісною , саморегульованою системою. До основних принципів його ф ункціональної організації належать: гомеостаз, ім унологічн а реактивність, саморегуляція, адаптація. Запитання для контролю і самоконтролю 1. У чому полягають особливості розмноження багатоклітинних орга нізмів? 2. У чому полягають переваги статевого розмноження? 3. Які характеристики мають багатоклітинні організми? 4. Як здійснюється взаємодія клітин багатоклітинних організмів? 5. Що являють собою багатоклітинні організми, які не мають справж ніх тканин? 6. Які основні принципи структурно-функціональної організації бага токлітинних організмів? § 42. Тканини. Багатоклітинні організми зі справжніми тканинами Будова і функції тканин Тканиною називають групу клітин, схож их за формою, розмірами, ф ункціями, походж енням, продуктами своєї ж иттєдіяльності. У всіх рослин і тварин, за винятком найбільш примітивних, тіло складаєть ся із тканин. У вищ их рослин і високоорганізованих тварин тканини вирізняю ться значною структурно-ф ункціональною різноманітністю і складністю своїх продуктів. Взаємодію чи одна з одною, різні ткан и ни утворюють окремі органи тіла. Тканини тварин вивчає наука гістологія. Анатомія рослин дослі дж ує рослинні тканини. Д ля вивчення тканин учені використовую ть техніку заморожених зрізів, фазово-контрастну мікроскопію , гісто х ім іч н и й аналіз, культивування тканин, електронну мікроскопію . У тварин виділяю ть епітеліальну, сполучну, м ’язову і нервову тканини. У рослин вирізняю ть твірну, покривну, основну, провідну, механічну та ін ш і тканини. Будова тканин тісно пов’язана з їх н ім и ф ункціями. Ц ей взаємо зв’язок простежується і у тваринних, і у рослинних тканин.
- 217. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Значення процесу диференціювання клітин. Стовбурові клітини Тканини як системи, що складаю ться із кл іти н та їх похідних, виникли з появою багатоклітинних організмів. У м іру іх історичного розвитку відбувалося закріплення властивостей окремих тканин. Розвиток тканин в онтогенезі відбувається внаслідок диференці ювання к літи н . Під диференціюванням розумію ть зм іни у структурі кліти н у результаті їх спеціалізації. Вибір ш ляху диф еренціації к л і тин визначається м іж к л іти н н о ю взаємодією. Д ля тканин характерна властивість регенерації (відновлення). Розрізняю ть регенерацію ф ізіологічну, яка здійсню ється постійно у здоровому орган ізм і, і репаративну унаслідок уш кодж ення. У різних тканин мож ливості регенерації неоднакові. У деяких тканин загибель к л іти н генетично запрограмована і здійсню ється постійно, наприклад у багатошаровому зроговілому еп ітелії ш кіри. К літи н и, здатні трансформуватися в різні типи біологічних тканин в організмі, називають стовбуровими. Стовбурові кліти н и маю ть де я к і спільні характеристики, що відрізняю ть їх від ін ш их клітин. Нони здатні самі підтримувати свої властивості і якості, диференціювати^я в р ізні спеціалізовані кліти н и . Завдяки цьому стовбурові кліти ни дозволяють відновлювати всі ф ункціональні елементи тканини. В ідкри ття стовбурових кл іти н змінило уявлення учених про ор ганізацію тканин і про механізми відновлювальних процесів у них. З ’явилася надія за допомогою стовбурових кліти н позбутися хвороб, пов’язаних із незворотним пош кодж енням тканин. Це, наприклад, хвороба Альцгеймера, при я к ій деградує тканина мозку; діабет, спри чинений поруш енням острівців Лангерганса у підш лунковій залозі, цироз, пов’язаний із переродженням тканини печінки. Щ об пересаджувати стовбурові клітини, їх необхідно вм іти виро щувати і вирізняти, але зробити це дуж е складно (мал. 42.1, 42.2). Мал. 42.1. Стовбурові клітини Мал. 42.2. Вирощування стовбурових клітин
- 218. 2П ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Man. 42.3. Кишковопорожнинні Багатоклітинні організми зі справжніми тканинами Вваж аю ть, що перш ими тваринними організмами, у яких з’яви лися пр и м іти вн і тканини, були киш ковопорож нинні. Д о них нале ж ать гідроїдні, сциф оїдні медузи і коралові поліпи. Киш ковопорож нинні — це найбільш низькоорганізовані багато кл іти н н і тварини (мал. 42.3). Т іло киш ковопорож нинних складаєть ся із двох ш арів кліти н ектодерми і ентодерми, м іж яки м и є більш чи менш розвинутий неклітинний шар, який називається мезоглія. Свою назву ці тварини дістали через те, що в них є тіл ьки одна по рожнина, яка називається киш ковою . У с і триш арові тварини, що складаються з трьох зародкових ли ст ків — ектодерми, мезодерми та ентодерми, маю ть складніш ітканини , н іж киш ковопорож нинні. У рослин тканини з’явилися у зв’язку з виходом на суходіл і необ хідністю пристосовуватися до нових наземно-повітряних умов сере довища. У процесі еволю ції вищ их рослин відбувалося ускладнення їх н іх тканин і органів. Опорні точки Тканиною називають групу кліти н, схож их за формою, розміра ми, ф ункціям и, походж енням, продуктами своєї ж иттєдіяльності. Взаємодіючи одна з одною, різні тканини утворюють окремі органи тіла. У тварин виділяю ть епітеліальну, сполучну, м ’язову і нервову тканини. У рослин вирізняю ть твірну, покривну, основну, провідну, механічну та ін ш і тканини. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Як учені вивчають структурно-функціональну організацію тканин? 2. Завдяки якій здатності стовбурові клітини дозволяють відновлюва ти всі функціональні елементи тканини?
- 219. Багатоклітинні організми. Взасмодія клітин. Тканини 3. У зв'язку з чим у рослин з'явилися спеціалізовані тканини? 4. У чому полягає значення процесу диференціювання клітин при утворенні тканин? 5. Що ви знаєте про регенерацію тканин? 6. Яке значення можуть мати стовбурові клітини для лікування хво роб, пов'язаних із незворотним пошкодженням тканин? § 43. Будова і функції тканин тваринного організму Тканини тварин В організмі тварин виділяю ть чотири типи тканин: епітеліальну, сполучну, м ’язову і нервову. Епітеліальна тканина (епітелій) укриває поверхню тіла, вистилає слизові оболонки порож нистих органів травної системи, дихальної системи, сечостатевого апарату й утворює залозисту паренхіму залоз зовніш ньої і внутріш ньої секреції. Епітелій виконує покривну і захис ну ф ункції, тому в епітеліальній тканині мало м іж к л іти н н о ї речовини і кліти ни щ ільно прилягаю ть одна до одної (мал. 43.1). Сполучна тканина дуж е різноманітна за своєю будовою, але в ній завжди багато м іж к л іти н н о ї речовини (мал. 43.2). Основними ф унк ціям и сполучної тканини є троф ічна (живильна) і опорна ф ункції. До сполучної тканини належ ить кров, лімф а, хрящ ова, кісткова і жирова тканини. г Мал. 43.1. Види епітеліальної тканини: а — одношарова; 6 — війчаста; в — багатошарова; г — залозиста
- 220. У -ІЇО ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ в г Мал. 43.2. Види сполучної тканини: а — кісткова; б — хрящова; в — жирова; г — кров і лімфа М ’язова тканина здійснює рухові процеси в організмі тварин і лю дини. Вона утворена м ’язовими волокнами, у цитоплазмі яких є дуже тон кі нитки, що мож уть скорочуватися (мал. 43.3). Розрізняю ть гладку (непосмуговану) м ’язову тканину, поперечно смугасту скелетну (посмуговану) і серцеву поперечносмугасту (по креслену) м ’язові тканини. Гладка м ’язова тканина входить до складу стінок внутріш ніх ор ганів, а з поперечносмугастої м ’язової тканини складаються скелетні м ’язи і м ’язи серця. а б в Мал. 43.3. Види м'язової тканини: а — гладенька; б — поперечносмугаста серцева; в — поперечносмугаста скелетна
- 221. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Мал. 43.4. Нервова тканина Нервова тканина складається із нервових кл іти н — нейронів і ней- роглій, я к і утворюють нервову систему (мал. 43.4). Основною одиницею нервової системи є нейрон, що має тіло і від ростки різної довжини. За кількістю відростків виділяю ть уніполярні нейрони з одним відростком, біполярні — з двома відростками і муль- типолярні — з кількома відростками. Серед відростків нейрона один, найдовш ий, називається аксо ном. Його кінцевий апарат закінчується на ін ш ій нервовій кл іти н і, на м ’язових клітинах (волокнах) чи на клітинах залозистої тканини. По аксону нервовий імпульс рухається від тіла нервової к літи н и до робочих органів — м ’яза, залози або до наступної нервової кліти ни. А ксони утворюють нервові волокна. Ін ш і відростки нейрона називаються дендритами. Вони короткі, галузисті. їх н і закінчення сприймаю ть нервове подразнення і про водять нервовий імпульс до тіла нейрона. Основною властивістю нейрона є здатність збуджуватися і прово дити це збудження по нервових волокнах. К л іти н и нейроглії виконую ть опорну, ж ивильну, захисну й ін ш і ф ункції. Ц і кліти ни вистилають порож нини головного мозку і спин номозковий канал, утворюють опорний апарат центральної нервової системи й оточують тіла нейронів та їх н і відростки. Тканина являє собою біологічну систему, але самі тканини виступа ють компонентами більш складних біологічних систем — органів. Утворення тк а н и н твар ин , їхня регенерація Утворення тканин (гістогенез) у тварин відбувається з ектодерми, ентодерми, мезодерми і мезенхіми в період ембріогенезу, а основними елементами тканин є кліти ни та їх н і похідні у вигляді неклітинних структур. Регенерація — утворення нових структур замість видалених або загиблих у результаті пош кодж ення чи втрачених у процесі ж и ттє діяльності.
- 222. 222 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Пригадайте .................................................... Ембріогенез — зародковий розвиток організму. У багатьох безхребетних мож лива регенерація цілого організму з частини тіла. У високоорганізованих тварин це неможливо — реге нерують лиш е окремі тканини, органи чи їх н і частини. Регенерація може здійсню ватися ш ляхом росту тканин на рановій поверхні, перебудови частини органа, що залиш илася, на новий або ш ляхом росту залиш ку органа без зм іни його форми. Регенерація залеж ить від рівня організації тварини і від багатьох ін ш и х чинників. Опорні точки В організм і тварин існую ть чотири типи тканин: епітеліальна, сполучна, м ’язова й нервова. Епітеліальна тканина виконує покрив ну, захисну й секреторну ф ункції. О сновними ф ункціям и сполуч ної тканини є троф ічна (живильна) й опорна. М ’язова тканина здій снює рухові процеси в організмі тварин і лю дини. Нервова тканина складається із нервових кліти н — нейронів, що утворюють нервову систему — основну регуляторну систему тваринного організму. Запитання для контролю і самоконтролю 1- Які типи тканин характерні для тваринного організму? У чому по лягають їх особливості? 2. Яка м'язова тканина входить до складу стінок внутрішніх органів?* З- Які функції виконує епітеліальна тканина? 4. За яким критерієм поєднуються сполучні тканини? 5. Як структура нервової тканини пов'язана з її функцією? 6. Чим сполучні тканини відрізняються від епітеліальних? 7. у чому полягають особливості регенерації у тварин? Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 12 Тема. Будова тканин тваринного організму Мета: узагальнити і систематизувати знання про будову та функції тка нин тваринного організму. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, постійні препарати епітеліальної, сполучної, нервової і м'язової тканин; мікрофотографії цих тканин.
- 223. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах к л і тини епітеліальної тканини. Розгляньте цю тканину при вели кому збільш енні мікроскопа. Зверніть увагу на форму клітин, взаємне розміщ ення кліти н і м іж к л іти н н ої речовини. Зама лю йте побачене. Порівняйте з інш им и видами епітеліальної тк а нини, поданими на малюнку. плоска кубічна кубічна війчаста одношарова одношарова багатошарова багатошарова © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах клі тини сполучної тканини. Розгляньте цю тканину при великому збільш енні мікроскопа. Зверніть увагу на форму клітин, взаємне розміщ ення клітин і м іж к л іти н н ої речовини. Намалю йте побаче не. Порівняйте з ін ш им и видами сполучної тканини, поданими на малюнку. волокниста хрящова кісткова О При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах к л і тини м ’язової тканини. Розгляньте цю тканину при великому збільш енні мікроскопа. Зверніть увагу на форму клітин та їх взаємне розміщ ення. Замалю йте побачене. Порівняйте з інш им и видами м ’язової тканини, поданими на малюнку. » поперечносмугаста поперечносмугаста скелетна серцева гладенька
- 224. 224 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах к л і тини нервової тканини. Розгляньте цю тканину нри великому збільш енні мікроскопа. Зверніть увагу на форму клітин та вза ємне їх розміщ ення. Замалю йте побачене. © Зробіть висновок відповідно до мети лабораторної роботи. § 44. Будова і функції тканин рослинного організму Тканини рослинного організму У рослинах спостерігаю ться такі групи тканин: тв ір н і (дають по чаток усім ін ш и м тканинам), покривні (захищ ають рослину), опорні, або механічні (протистоять силі тяж інн я), провідні (проводять воду й пож ивні речовини), аси м іляційн і (забезпечують ж ивлення рослин), запасні (у них запасаються речовини, повітря чи вода), основна тк а нина (заповнює простір м іж спеціалізованими тканинами). Твірні тканини. Ф у н к ц ія цих тканин — утворення нових кліти н ш ляхом поділу. Твірна тканина складається з дрібних кл іти н із ве ли ки м и ядрами і без вакуоль. К л іти н и ц ієї тканини постійно д іл ять ся. Одна частина дочірніх кліти н, доростаючи до розмірів материн ської, знову ділиться, а друга частина поступово перетворюється на кліти н и постійних тканин. Постійними називають усі тканини, к р ім твірних. К л іти н и постійних тканин зазвичай не мож уть д іл и тися. Т вір н і тканини розміщ ую ться на кін чи ку кореня й на верхів ц і стебла. Вони забезпечують постійний р іст рослини в довж ину. Усередині коренів і стебел є кільце твірної тканини із видовже них кліти н. Його називають камбієм. К ам бій забезпечує розростан ня коренів і стебел у товщ ину. Покривні тканини. Ц і тканини вкриваю ть зовні органи рослини і захищ аю ть їх від ш кідливих впливів навколиш нього середовища. К р ім того, покривні тканини захищ аю ть органи рослин від виси хання (мал. 44.1). У рослин є кілька видів покривних тканин. Л истя і молоді зеле н і стебла вкриті ш кірочкою , яка складається з одного ш ару прозо рих кліти н . Прозорість покривної тканини дуже важлива, оскільки, захищ аю чи орган, ш кірочка не переш коджає потраплянню світла у кліти ни з хлоропластами, що леж ать глибше. Захисні властивості ш кірочки визначаються тим, що її кліти н и щ ільно зім кнені, зовніш ня оболонка к л іти н потовщена, ін оді вкрита воском. Ц е захищ ає органи від висихання і проникнення всередину грибків і бактерій, я к і спричиняю ть хвороби рослин.
- 225. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини 225 Мал. 44.1. Поперечний зріз листкової пластинки: 1 — покривна тканина; 2 — асиміляційна тканина; 3 — міжклітинники; 4 — продих Проте рослина не може бути повністю відокремленою від повітря ного середовища. їй постійно потрібен кисень для дихання кліти н і вуглекислий газ для фотосинтезу. К р ім того, рослина постійно ви паровує воду. У рослині весь час повинен відбуватися газообмін. Ш к і рочка не перешкоджає цьому, оскільки в н ій є спеціальні утворення для газообміну — продихи. Продих — це щ ілина, оточена двома замикальними клітинам и, я к і, на відм іну від кліти н ш кірочки, маю ть бобоподібну форму. П ро дихи мож уть відкриватися і закриватися. Замикальні кліти н и ири цьому розходяться або зближ ую ться. П ід продихами розміщ ені м іж кліти нн ики, по я к и х повітря доходить до всіх кл іти н листка або мо лодого стебла. У багатьох рослин (особливо деревних) стебло вкрите інш ою по кривною тканиною — пробкою. Ц е багатошарова тканина. К літи н и її щ ільно зім кн уті. їх ж ивий вм іст відмирає, порож нини кліти н за повнюються повітрям. Пробка — більш надійний захист для рослин, н іж ш кірочка. У деяких дерев (пробковий дуб) шар пробки може бути дуж е тов стим, до 20— 30 см. Газообмін рослин, укритих пробкою, відбувається через сочевички. Сочевички — це розриви у пробці, через я к і повітря проникає всередину стебла. Опорні, або механічні, тканини. Д уж е розчленоване тіло рослини потребує опори. П ід тр им ую ть і зм іцню ю ть органи рослини опорні тканини. Характерною особливістю цих тканин є сильне потовщ ен ня кліти н н и х стінок, я к і забезпечують виконання їх н іх ф ункцій. Часто к л іти н н і оболонки дерев’янію ть і ж ивий вм іст кліти ни від м и рає. К л іти н и опорної тканини мож уть мати витягнуту форму, тоді їх називають волокнами, але мож уть бути й округлими. Проте в будь- якому разі кл іти н н і оболонки ц іє ї тканини дуж е товсті. Провідні тканини. У рослинах є два види провідних тканин. Один вид складається із судин і проводить воду та мінеральні речовини з коренів у листя (мал. 44.2). Ц ю тканину називають ксилемою. Другий
- 226. 226 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ вид бкладається із ситоподібних клітин, які проводять поживні речови ни, що утворюються в листі під час фотосинтезу, вниз по рослині. Цю тканину називають флоемою. Судини утворюються з ряду клітин, які ростуть, витягуючись, їх н і оболонки дерев’яніють, живий вміст від мирає, а поперечні стінки руйнуються. Утворюються трубки, а на місці поперечних перегородок залишаються вузькі обідки, за якими можна визначити, що судини утворилися з ряду клітин. Ситоподібні клітини мають видовжену форму, що сприяє проведенню речовин. У поперечних клітинних оболонках утворюється багато дрібних отворів, що робить їх схож ими на сито (звідси й назва клітин). Отвори полегшують про ходження поживних речовин з однієї ситоподібної клітини в інш у. Асиміляційні тканини здійсню ю ть процес фотосинтезу, тому їх ще називають фотосинтезуючими тканинами (мал. 44.1). їх н і к л і тини маю ть округлу або трохи витягнуту форму. Вони зім кнені або мають м іж к л іти н н и к и . А си м іл я ц ій н і тканини в основному розміщ ені в листках, але зелені кліти н и спостерігаю ться і в молодих стеблах. Запасаючі тканини. У цих тканинах відкладаються про запас по ж ивні речовини, я к і утворилися в асим іляційних тканинах. К літи н и цих тканин великі, іноді дуж е великі. Основна тканина. К літи н и ц ієї тканини заповнюють п ром іж ки м іж спеціалізованими тканинами. Її кліти ни мож уть бути великими або дрібними, з тонким и чи потовщ еними оболонками, щ ільно зім кнен и ми або з м іж кліти н н и кам и . Основна тканина в різних органах рослин може виконувати різні ф ункції: асим іляційну, запасаючу, опорну. Рослинні тканини не існую ть самі по собі, вони об’єднуються в ор гани, я к і, у свою чергу, об’єднані в ц ілісн ий організм. І вегетативні, і генеративні органи рослин складаються з різних тканин, залежно від того, як і ф ун к ц ії їм необхідно виконувати. Утворення тканин рослин, їхня регенерація Ростуть усі тканини й органи рослин за рахунок твірних тканин, я к і ще називають меристеми. Вони тривалий час зберігають здатність до поділу. Важлива властивість клітин меристем полягає в тому, що вони дають початок спеціалізованим клітинам, які утворюють постійні тканини — покривні, основні, провідні, механічні, видільні. Залежно від розподілу на тіл і рослини, що формується, виділяю ть чотири види меристем. Верхівкові меристеми забезпечують ріст па гонів і коренів у довжину. Бічні меристеми зумовлю ю ть наростання стебел і коренів у товщ ину. Вставні, або інтеркалярні, меристеми ти м часово зберігаються у між вузлях стебла і в основах молодих листків, забезпечуючи ріст цих ділянок, але потім перетворюються на постійні тканини. Ранені, або травматичні, меристеми виникаю ть у місцях пош кодж ення рослини, де утворю ю ть захисний калус (мал. 44.3).
- 227. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Мал. 44.2. Ш ар захисної тканини, що утворюється на зрізі стеблового чи лист кового черешка, зрізаного для розмноження, теж є калусом. Регенерація у рослин може відбуватися на м ісц і втраченої частини організму або на інш ом у м ісці. Наприклад, при відрізанні верхівки пагона починаю ть посилено розвиватися бічні пагони. Розмнож ення рослин череш ками — це типовий випадок регенера ц ії, при якому з невеликої вегетативної частини відновлюється ціла рослина. Регенерація рослин леж ить в основі однієї з форм вегетативного розмноження і має важливе значення для рослинництва, плодівни цтва, лісівництва, декоративного садівництва. Опорні точки Тканини рослин виконую ть багато ф ункцій. Т вір н і дають початок усім ін ш и м тканинам, покривні захищ аю ть рослину, опорні, або ме ханічні, протистоять силі тяж ін н я, провідні проводять воду і пож ивні речовини, асим іл яц ійн і забезпечують ж ивлення рослин, запасаючі створюють запас речовин, повітря або води, основна тканина запо внює простір м іж спеціалізованими тканинами. У с і тканини рослин формуються з твірних тканин, я к і тривалий час зберігають здатність до поділу. Запитання для контролю і самоконтролю 1. У чому полягають особливості рослинних тканин? 2. Як структура покривних тканин пов'язана з їхніми функціями? 3. Які функції може виконувати основна тканина? 4. Яку роль відіграють меристеми в житті рослин? 5. Чим ксилема відрізняється від флоеми? 6. У чому полягають особливості регенерації у рослин? Судини — складова частина ксилеми Мал. 44.3. Захисний калус
- 228. ггх ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 13 Тема. Будова тканин рослинного організму Мета: узагальнити й систематизувати знання про будову та функції тканин рослинного організму. Обладнання та матеріали: світловий мікроскоп, постійні препарати покривної, провідної, механічної, твірної та основної тканини рослин; мікрофотографії цих тканин. Хід роботи О П ідготуйте мікроскоп до роботи. © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах к л і тини твірної тканини кореня. Розгляньте цю тканину при вели кому збільш енні мікроскопа. Замалю йте побачене. © При малому збільш енні мікроскопа знайдіть на препаратах к л і тини епідерми листка. Розгляньте цю тканину ири великому збільшенні мікроскопа. Замалю йте побачене. © Розгляньте препарат поперечного зрізу багаторічного дерев’я нистого стебла. Знайдіть пробку й ін ш і елементи кори, ситопо дібні трубки, камбій, судини, а також серцевину, річні кільця. Замалю йте побачене. © Порівняйте всі розглянуті препарати з малюнками. Твірна тканина кореня Будова стебла продихова щілина © Зробіть висновки.
- 229. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини § 45. Гістотехнології. Принципи організації і функціонування молекулярного, клітинного і тканинного рівнів життя Гістотехнології Одним із напрямів біотехнології, що займається створенням біо логічних зам існ иків тканин і органів, є тканинна інж енерія, або гістотехнології. Сучасна тканинна інж енерія почала оформлюватися в самостійну дисципліну після праць Д. Р. Волтера і Ф . Р. Мейєра. Ц и м ученим у 1984 р. вдалося відновити уш кодж ену рогівку ока за допомогою плас тичного матеріалу, ш тучно вирощеного з кліти н, узятих у пацієнта. Із 1987 р. тканинну інж енерію почали вважати новим науковим на прямом у медицині, що ґрунтується на використанні сучасних гісто- технологій. Тканинна інж енерія займається вирощ уванням культури тканин (мал. 45.1, 45.2) і на цій основі створенням ш тучних органів. Цей процес складається з кількох етапів. Спочатку відбирають донорський клітинний матеріал, виділяю ть тканинно-специф ічні клітини, потім культивую ть їх. До складу тканинно-інж енерної конструкції, к р ім культури к л і тин, входить спеціальний носій — матриця. К л іти н и отриманої культури наносяться на матрицю , після чого починається їх куль тивація. М атриц і мож уть бути виготовлені з різних біоматеріалів. Б іл ьш ість біом атеріалів ткан и н н о ї ін ж е н е р ії легко руйную ться в організмі й заміщ ую ться його власними тканинами. Першою за допомогою гістотехнологій була отримана ш тучна пе чінкова тканина. Інш ий успіш ний напрям тканинної ін ж енерії — реконструкція сполучної тканини, особливо кісткової. Гладенько- м ’язові тканинні конструкції використовують для відтворення таких 0 W J § sgpasf v - Ш і Мал. 45.1. Епітеліоподібні клітини в культурі тканини Мал. 45.2. Первинна культура ниркової тканини мавпи
- 230. 220 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ органів, як сечовід, сечовий м іхур, киш кова трубка. О станнім часом значна увага приділяється створенню ш тучних клапанів серця, ре конструкції великих судин і капілярних сіток. Одним із найбільш важ ливих напрямів у ткан и н н ій ін ж ен ер ії є виготовлення еквівалентів ш кіри. Відновлення органів дихання (гортані, трахеї, бронхів), слинних залоз, підш лункової залози також можливе за допомогою тканинних конструкцій. Одним із найваж ливіш их завдань тканинної ін ж енерії є віднов лення органів і тканин нервової системи, як центральної, так і пе риферичної. Створення ш тучних органів дозволить успіш но лікувати р ізн і за хворювання лю дини, дасть м ож ливість відмовитися від донорських органів. Але створення ш тучних тканин пов’язане з багатьма проблемами. Наприклад, кл іти н и під час культивування м ож уть зміню вати свої властивості й перетворюватися з нормальних на близькі за харак теристиками до пухлинних. Ім овірність такого переродження зрос тає через стимулю вання розмноження клітин. К р ім того, сам процес культивування має реальну загрозу зараження клітин. Джерелом ін ф екції мож уть бути ж иви льні середовища, сироватки або поруш ення регламенту робіт, адже технологія створення тканин досить складна і копітка. Багато проблем виникає всередині організму після пере садження ш тучних тканин. Незважаючи на це, тканинна інж енерія є найбільш перспективним напрямом у біотехнології, який ш видко розвивається. Принципи організації т а функціонування молекулярного, клітинного, тканинного, організмового рівнів ж и т т я К літи ни, тканини, органи, системи органів, організми — це біоло гіч н і системи, я к і складаються з елементів. Наприклад, елементами кліти ни як цілісн ої системи виступають її органели, взаємозв’язані мілс собою, елементами тканин тварин є к літи н и і м іж к л іти н н а речо вина, а органи є елементами цілісного організму. Б іологічним системам притаманна ієрархічність. Це означає, що система одного рівня організації може бути елементом системи ви щого рангу. Наприклад, кліти на — це система, що складається з елементів — органел. Але сама клітина може розглядатися як елемент ще склад н іш о ї системи тканини. Тканина — це система, щ о складається із кліти н, але ця сама тканина є елементом ще складніш ої системи — органа. Орган — система, яка складається із кліти н і тканин, але він ж е є елементом більш складної системи — організму.
- 231. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Б агатоклітинний організм — це цілісна система, що складається із взаємозв’язаних і взаємозалежних компонентів — кліти н , тканин, органів і ф ізіологічних систем. Ж оден компонент багатоклітинного організму не може довго існувати самостійно, оскільки не може ви конувати одночасно всіх ф ункцій живого. Взаємозв’язки компонен тів, поява м іж ними відмінностей у процесі взаємодії призводять до взаємної залежності, яка не дозволяє компонентам системи існувати поза нею. М олекулярний, клітинний, тканинний, організмовий рівні ж и ття маю ть спільні принципи організації та функціонування. По-перше, вони є відкритим и системами і для пих характерний обмін речовин. По-друге, усі ж и в і системи стій к і. Будь-яка ж ива система може протистояти впливам зовніш нього середовища, використовую чи отримувану ззовні енергію. Ж и ви м системам властива адаптація, тоб то пристосованість до середовища. їм притаманний гомеостаз здат ність підтримувати постійність свого внутріш нього середовища. По-третє, ж иві системи м ож уть зміню ватися в ході індивідуально го й історичного розвитку, тобто еволюціонувати. Але властивості ж ивих систем на цьому не вичерпуються. Так, ж и вим організмам притаманні спадковість, мінливість, подразливість, ци кл ічність та ін ш і важливі ф ундаментальні властивості. Б іологічні системи ниж чого рівня, наприклад кліти ни, хоча й п ід порядковані системам вищого рівня (організму), але маю ть певну са мостійність, оскільки пов’язані з навколиш нім середовищем обміном речовин, енергії та інф ормації. В ід рівня до рівня спостерігається ускладнення біологічних систем і поява в них нових властивостей і якостей. Опорні точки Тканинна інж енерія — це один із напрямів біотехнології, який займається створенням біологічних замісників тканин і органів. Ство рення ш тучних органів дозволить успіш но лікувати р ізні захворю вання людини. М олекулярний, клітинний, тканинний, організмовий рівні ж иття маю ть спільні принципи організації та ф ункціонування. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чи можуть компоненти багатоклітинного організму довго існувати самостійно? 2. Які завдання тканинної інженерії?
- 232. 232 ОРГАНІЗМОВИИ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 3. Чи можна відновити органи дихання за допомогою тканинних кон струкцій? 4. Які хвороби можна буде лікувати за допомогою методів тканинної інженерії? ! 5. Які проблеми виникають під час створення й використання штуч них тканин? 6. Які основні принципи організації та функціонування молекулярно го, клітинного, тканинного, організмового рівнів життя? § 46. Органи багатоклітинних організмів Органи і системи органів тварин Орган це частина тіла, що має певну форму, займає певне м іс це в організмі і виконує характерну ф ункцію . Органи складаються з тканин. В утворенні кожного органа беруть участь р ізні тканини, але одна з них є головною — провідною, робочою. Наприклад, для мозку це нервова тканина, для м ’язів — м ’язова, для залоз — епіте ліальна. Ін ш і тканини, представлені в органі, виконую ть допоміж ну ф унк цію . Так, епітеліальна тканина вистилає слизові оболонки органів системи травлення, дихальної системи і сечостатевого апарату, а спо лучна тканина виконує опорну й ж ивильну ф ункції, утворює сполуч нотканинний к істяк органа, м ’язова тканина бере участь в утворенні стінок порож нистих органів. Орган є біологічною системою, але самі органи виступають ком понентами більш складних систем, я к і називаються фізіологічними системами. Системи органів взаємопов’язані і взаємозалеж ні, а процеси, що в них відбуваються, узгоджені. Розрізняю ть такі ф ізіологічні системи й апарати органів: опорно- руховий апарат, покривна система, система травлення, кровоносна, лімф атична, імунна, дихальна, видільна, статева, ендокринна, нер вова системи. Опорно-руховий апарат складається зі скелета і м ’язів. К істк о вий скелет — це тверда основа організму (мал. 46.1). До кісток при кріплені скелетні м ’язи, за допомогою як и х здійсню ю ться різні рухи, наприклад ходіння, біг, фізична робота. До покривної системи належать ш кіра і слизові оболонки, що ви стилаю ть зсередини порожнини носа, рота, дихальних ш ляхів і сис теми травлення. Головна ф ункція покривної системи — захисна.
- 233. Багатоклітинні організми. Взасмодія клітин. Тканини Man. 46.1. Опорно-руховий апарат Мал. 46.2. Система травлення Система травлення починається порожниною рота, у я к ій розміщ е н і язик, зуби, слинні залози. Звідти їж а надходить у глотку, а потім у стравохід. Подальше перетравлювання їж і відбувається у ш лунку й киш ечнику. Перетравлювана їж а піддається впливу травних фер ментів, я к і виробляються у травних залозах. У результаті утворю ються речовини, необхідні для побудови тіла, добування енергії, за безпечення діяльності організму (мал. 46.2). Кровоносна (серцево-судинна) система утворена серцем і крово носними судинами, по яких кров розноситься до всіх органів і тканин. Кровоносна система забезпечує всі органи пож ивними речовинами й киснем і видаляє з органів продукти обміну речовин, у том у числі й вуглекислий газ (мал. 46.3). Рух крові по кровоносних судинах відбувається завдяки скорочен ням м ’язового органа — серця. Мал. 46.3. Кровоносна система Мал. 46.4. Лімфатична система
- 234. 234 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Л ім ф атична система — це частина серцево-судинної системи, ко тра доповнює венозну систему (мал. 46.4). Ц е мережа судин і органів, щ о є джерелом і переносником клітин, я к і забезпечують ім унітет, а також повертає надлиш ок тканинної рідини в кров. До структури лімф атичної системи входять лімф атичні капіляри, лім ф атичні суди ни, лім ф атичні вузли, лім ф атичні стовбури і протоки. Імунна система — це комплекс анатомічних структур, я к і забез печують захист організму від різних інф екційних агентів і продуктів їх н ьо ї ж и ттєд іяльн ості, а також тканин і речовин, що виявляю ть чуж орідні антигенні властивості. Імунна система лю дини включає залози внутріш ньої секреції. Дихальна система бере участь у процесі газообміну, забезпеченні організму киснем і виведенні вуглекислого газу (мал. 46.5). Видільна система виконує ф ункцію виведення продуктів обміну речовин. Основними органами ц іє ї системи є нирки. Статева система виконує ф ункцію розмноження. В органах стате вої системи ф ормую ться чоловічі і ж ін о ч і статеві клітини. Ендокринна система включає різні залози внутріш ньої секреції. К ож на з них виробляє і виділяє у кров особливі х ім іч н і речовини — гормони, я к і беруть участь у регуляції ф ункцій усіх органів. Нервова система об’єднує всі ін ш і системи, регулює та узгоджує їхн ю діяльність. Будь-який орган мож е нормально ф ункціонувати лиш е за умови збереження його зв’язків із нервовою системою. К р ім того, за допомогою нервової системи й органів чуття здійсню ється регуляція поведінки організму в навколиш ньому середовищі. Мал. 46.6. Нервова системаМал. 46.5. Дихальна система
- 235. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Нервова система утворена головним і спинним мозком, від яких відходять нерви, що пронизують усі ділянки тіла. Головний і спинний мозок утворюють центральну нервову систему, а нерви — периферич ну (мал. 46.6). Органи рослин Корені, стебла і листя забезпечують процеси ж иттєдіяльності, ріст і розвиток рослин — це вегетативні органи. К вітки, плоди й насіння виконують ф ункцію розмноження рослин — це генеративні органи. К орінь — осьовий вегетативний орган. В ін закріплю є рослину у ґрунті (опорна ф ункція), поглинає із ґрунту воду і мінеральні ре човини (всмоктувальна ф ункція) і проводить їх у стебло (провідна ф ункція) (мал. 46.7). К р ім того, у коренях часто відкладаю ться про запас пож ивні речовини (запасаюча ф ункція). У цьому випадку вони потовщ ую ться і перетворюються на коренеплоди (буряк, морква, ре диска). Стебло — теж осьовий вегетативний орган рослин. В ін утримує листя, піднімаю чи його до світла, а також квітк и і плоди, є для них опорою (опорна ф ункція). ІІо стеблу вода і мінеральні речовини ру хаються із кореня в листя, а пож ивні речовини — із листка в корені (провідна функція). Л исток — бічний орган рослин. Л и стки виконую ть дві важ ливі ф ункції: фотосинтезу і випаровування води (мал. 46.8). Корені, стебла й листки не мож уть виконувати свої ф ун кц ії окремо одне від одного. Т іл ьк и за умови тісн ої взаємодії всіх вегетативних органів можливе ж и ття рослинного організму. К вітки, плоди й насіння виконую ть ф ункцію розмноження рос лин (мал. 46.9). А ле ц вітін ня, дозрівання плодів і насіння неможливе без пож ивних речовин, я к і надходять до генеративних органів із веге тативних. Таки м чином, робота коренів, стебел і листя створює умови для утворення квіток і плодів, тобто для розмноження рослин. Мал. 46.7. Корінь Мал. 46.8. Листок Мал. 46.9. Квітка
- 236. 236 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Рослина — це єдина цілісна система, усі частини як о ї тісно вза ємодію ть і залежать одна від одної. Для нормальної ж иттєдіяльності рослин необхідний розвиток і взаємозв’язок усіх органів. Опорні точки Частина тіла, що має певну форму, визначене місце в організмі й виконує характерну ф ункцію , називається органом. Органи складаються із тканин. В утворенні кож ного орі’ана беруть участь різні тканини. У рослин органи поділяю ться на вегетативні та генеративні, я к і є взаємопов’язаними і взаємозалежними компонен тами цілісного організму. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Чим органи відрізняються від тканин? 2. Які органи утворюють організм тварини? 3. Назвіть системи органів тварин і людини. 4. Які органи організму тварин беруть участь у процесах регуляції? 5. Як взаємопов'язані структура і функції органів рослин? 6. Як взаємопов'язані між собою вегетативні і генеративні органи рослин? § 47. Регуляція функцій у багатоклітинних організмів Регуляція функцій тваринного організму Ф ізіологічні процеси відбуваються в організмі тварин і людини узго джено, тому що існують певні механізми їх регуляції. Основними ре гуляторними системами організму є нервова й ендокринна системи, у яких використовуються механізми нервової і гуморальної регуляції. Пригадайте ...................................................... Гуморальна регуляція (від латин, humor — рідина) здійснюється за допомогою хімічних речовин, які надходять від різних органів і тканин тіла у кров і розносяться нею по всьому організму. Нервова регуляція фізіологічних процесів відбувається за допо могою впливу нервової системи на клітини, тканини й органи. Не рвові впливи завжди призначаються певним органам і тканинам та поширюються набагато швидше, ніж хімічні речовини.
- 237. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Нервовий і гуморальний м еханізм и р е гу л я ц ії ф ун кц ій тісно пов’язані м іж собою. На діяльність нервової системи постійно впли вають х ім іч н і речовини, я к і несе кров, а утворення більш ості х ім іч них речовин і виділення їх у кров перебуває під постійним контролем нервової системи. Регуляція ф ізіологічних ф ункцій в організмі не може здійсню вати ся з використанням тіл ьки нервової чи тіл ьки гуморальної регуляції, це єдиний комплекс нейрогуморальної регуляції ф ункцій. Нервова регуляція —- це координуючий вилив нервової системи на кліти ни, тканини і органи, один з основних м еханізмів саморегуляції ф ункцій цілісного організму. Нервова регуляція здійсню ється за до помогою нервового імпульсу — це хвиля збудження, що поширюється по нервовому волокну. Нервова регуляція ш видка і локальна. Така ш видкість та адресність особливо важ ливі при регуляції рухів. У тва рин нервова регуляція охоплює всі системи організму. В основі нервової регуляції леж ить рефлекторний принцип регу л я ц ії ф ункцій. Пригадайте ...................................................... Рефлекс — універсальна форма взаємодії організму з навко лишнім середовищем, це реакція організму у відповідь на по дразнення, яка здійснюється через центральну нервову систему і нею контролюється. Структурною основою рефлексу є рефлекторна дуга — послідовно з’єднаний ланцю ж ок нервових кліти н , що забезпечує відповідь на подразнення. У с і рефлекси здійсню ю ться завдяки діяльності цен тральної нервової системи — головного і спинного мозку. К рім збудження, у нервовій системі здійснюється і гальмування — це два протилежні нервові процеси, взаємодія яких забезпечує діяльність нервової системи, регуляцію роботи органів і систем органів. Гуморальна регуляція — координація ф ізіологічних і біохім ічних процесів, здійснювана через р ідкі середовища організму (кров, лімфу, тканинну рідину) за допомогою біологічно активних речовин, я к і виділяю ть клітини, органи і тканини у процесі їхн ьої ж иттєдіяль ності. Гуморальна регуляція підпорядкована нервовій р егуляц ії і становить разом із нею єдину систему нейрогуморальної регуляції ф ункцій організму. Гуморальна регуляція виникла в процесі еволю ції раніш е, н іж нервова. Система гуморальної регуляції ускладнювалася у процесі еволю ції, у результаті чого виникли залози внутріш ньої секреції, я к і виділяю ть у кров біологічно активні речовини — гормони.
- 238. 23% ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Нейрогуморальна регуляція відіграє важ ливу роль у підтриманні відносної постійності складу і властивостей внутріш нього середови ща організму та його пристосування до зміню ваних умов існування. Відносна динамічна постійність складу і властивостей внутріш нього середовища і стій к ість основних ф ізіологічних ф ункцій організму на зивається гомеостазом. Гомеостаз забезпечується нейрогуморальною регуляцією. Регуляція функцій рослинного організму З появою багатоклітинності в рослин розвиваються й удоскона лю ю ться м іж к л іти н н і системи регуляції, що охоплю ю ть взаємодію кліти н, тканин і органів. Вони вклю чаю ть троф ічну, гормональну та електроф ізіологічну регуляторні системи. Трофічна регуляція — взаємодія за допомогою пож ивних речо вин — найбільш простий спосіб зв’ язку м іж клітинами, тканинами й органами рослин. У рослин усі органи залежать від надходження продуктів, що утворюються в листках у процесі фотосинтезу. У свою чергу, надземні частини потребують мінеральних речовин і води, я к і поглинаю ть корені із ґрунту. Троф ічна регуляція має к іл ькісн и й ха рактер. Наприклад, при обмеженому ж ивленні в рослин, як правило, розвиток продовжується відповідно до внутріш ніх закономірностей, але в них формуються органи зменшеного розміру, скорочується к іл ь кість листків, плодів і насіння. Б іл ьш важ ливою для рослин є гормональна регуляція. Горм о нальна система — найваж ливіш ий чинник регуляції й управління у рослин. К літи ни, тканини й органи рослин взаємодіють м іж собою за допомогою ф ітогормонів. Ф ітогорм онам и є ауксин, ц и токін ін и , гібереліни й ін ш і ф ізіологічно активні речовини, наявні в рослинних тканинах у дуже низькій концентрації. Я к правило, ф ітогормони виробляються в одних тканинах, а дію ть в інш их, проте в деяких випадках вони ф ункціоную ть у тих самих клітинах, де утворюються. М ісце синтезу ауксину — бруньки, що розвиваються, і молоді лис точки, я к і ростуть, звідки ауксин рухається по ж ивих клітинах судин до к ін ч и к ів коренів. Ц и то кін ін и утворюються в корені й по судинах ксилеми транспортую ться в усі частини рослини. Синтез гіберелінів відбувається в листі, звідки вони переносяться в ін ш і частини рос лини по ситоподібних трубках флоеми. Характерною особливістю ф ітогормонів, що відрізняє їх від ін ш их ф ізіологічно активних речовин (вітам інів, мікроелементів), є те, що вони реалізую ть ф ізіол огічн і і морф огенетичні програми, наприк лад такі, як коренеутворення, достигання плодів.
- 239. Багатоклітинні організми. Взасмодія клітин. Тканини 229 У с і ф ітогормони складають єдину гормональну систему. Електрофізіологічна система регуляції в рослин включає виник нення градієнтів біоелектричних потенціалів м іж різним и частина ми рослини і генерацію пош ирю ваних потенціалів. Добре відомим прикладом регулювальної ф ун кц ії електричних ім пульсів є рухова реакція у мім ози — складання листочків, опускання череш ків і гілок під час дотику до них. У с і три системи регуляції тісно взаємопов’язані. Наприклад, ф іто гормони впливають на транспортування пож ивних речовин, а елек трична сигналізація діє на транспортування ф ітогормонів. Опорні точки О сновними регуляторними системами організм у тварин є не рвова й ендокринна системи, в яких використовую ться механізми нервової та гуморальної регуляції. Обидва механізми дію ть спільно, формуючи єдиний комплекс нейрогуморальної регуляц ії ф ункцій систем органів. Нервова регуляція здійсню ється за допомогою рефлексів, а гумо ральна — через р ід к і середовища організму за допомогою біологіч но активних речовин. Нейрогуморальна регуляція відіграє важ ливу роль у підтриманні гомеостазу. Системи регуляції в рослин вклю чаю ть троф ічну, гормональну та електроф ізіологічну регуляторні системи. Запитання для контролю і самоконтролю 1. Який принцип лежить в основі нервової регуляції? 2. Чим відрізняються нервова і гуморальна регуляція? 3. Чи може регуляція фізіологічних функцій в організмі здійснюватися з використанням тільки нервової регуляції? 4. Які системи регуляції існують у рослин? 5. Чим системи регуляції в рослин відрізняються від систем регуляції у тварин? 6. Які механізми регуляції фізіологічних функцій ви знаєте? § 48. Колонії багатоклітинних організмів Принцип організації колоній багатоклітинних організмів К олон ія — це група особин одного чи кількох видів, що ж ивуть разом, мож уть ж ити самостійно, але іноді виконують різні ф ун кц ії або служ ать своєрідними органами єдиного цілого.
- 240. 240 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ Особини в колонії маю ть користь від спільного живлення, близь кості до м ісць добування корму, колективного захисту від хи ж аків тощо. Б агатоклітин н і організми мож уть утворювати колонії з кількох особин, більш чи менш тісно зв’язаних м іж собою, я к і зазвичай мають однаковий генотип і спільний обмін речовин та системи регуляції. Серед тварин до таких організмів належать багато видів коралових поліпів, моховаток, губок. Одні колоніальні організми, наприклад моховатки, ведуть при кріплений спосіб ж и ття на нерухомому субстраті і маю ть більш чи менш розвинутий скелет. Ін ш і, наприклад сифонофори, ж ивуть у товщ і води, зазвичай напівпрозорі, скелета не мають. У колоніях окремі особини займають певне місце і виконую ть спе ціальні ф ункції, важ ливі для всієї колонії. У сифонофорів, напри клад, ф ун кц ії окремих організмів у колон ії різні, а всі разом вони утворюють колонію , яка зовні має вигляд єдиної особини. Ф акти чно справж ня колонія має спільне тіло, що не належ ить окремо ж одній особині, яка входить до його складу. У с і члени ко л он ії мож уть мати однакову будову, але частіш е спостерігається їх диференціювання за будовою і ф ункціями. Наприклад, одні особини виконують ф ункції живлення, ін ш і — захисту, треті — розмноження. У результаті спеціалізації окремі учасники колон ії залежать один від одного настільки, що не мож уть існувати поза колонією. У прим ітивних колоніях окремі їх учасники обміню ю ться пож ив ними речовинами, у високоорганізованих колоніях вони мож уть ще передавати подразнення, здійсню вати узгодж ені рухи. Сама колонія може розглядатися як індивід вищ ого порядку. З такими колоніями не слід сплутувати родини гуртосімейних тва рин, наприклад мурах, бджіл, терм ітів, окремі члени яких органічно не зв’язані м іж собою, а також так і гурти тварин, у яких особини хоча й тісно пов’язані одна з одною, але не маю ть спільного тіла. К олон і альними іноді називають також організми, я к і ведуть тимчасово або постійно суспільний спосіб ж и ття, але і в цьому випадку йдеться про зовсім ін ш і колонії. Приклади колоній багатоклітинних організмів Д о тварин, щ о утворю ю ть колон ії, належ ать біл ьш ість губок і киш ковопорожнинних, практично всі моховатки, багато оболонників і деякі ін ш і тварини. Н айбільш цікавим и з них, певно, є коралові поліпи і сифонофори. Коралові поліпи ж ивуть у теплих тропічних морях, де темпера тура води не ниж ча за +20 °С і на глибинах не більш н іж 20 метрів
- 241. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини є рясний планктон, яким вони ж ивляться. ГІоліпи нерухомо закріпле н і на спільному для всієї колонії скелеті і зв’язані м іж собою ж ивою мембраною, що їх укриває, а іноді і трубками, що пронизую ть вапняк (мал. 48.1). Скелет утворюється зовніш нім епітелієм поліпів, причому голов ним чином їх основою, том у ж и ві особини залиш аю ться на поверхні коралової споруди, а вся вона безперервно росте. К іл ь к ість поліпів, щ о становлять колонію , постійно збільш ується ш ляхом їх нестате вого розмнож ення — відбрунькування. Т а к і колонії мож уть розтя гуватися на десятки кілометрів (мал. 48.2). П ливучі колоніальні гідроїди учені виділяю ть в окремий підклас сиф оноф орів (мал. 48.3). Сифонофори прозорі, найчастіш е маю ть райдуж не забарвлення. Вони є колоніями, до складу яких входять як особини у вигляді поліпів, так і особини у вигляді медуз. У колонії сифонофорів окремі особини виконують роль спеціалі зованих органів, у результаті чого утворюється певний надорганізм. У го р і кол о н ії розміщ ується пневматофор — видозмінена медуза, що виконує одночасно роль повітряного міхура, який підтримує всю колонію на плаву, і вітрила, що забезпечує його рух за рахунок в і тру. Залозисті кліти ни ендодерми пневматофора мож уть виділяти газ, який дозволяє спливати нагору, а через скорочення його стінок повітря із газової порожнини витискається, так що колонія занурю ється на глибину. П ід міхуром на стовбурі колонії розміщ ую ться плавальні дзво ни (теж медузи), потім гастрозоїди (мисливці, що збирають їж у), а за ними — гонофори (побудовані як медузи і містять статеві залози). Ж ивляться сифонофори дрібними організмами, яких ловлять за допомогою особливих арканчиків, по всій довж ині густо вкритих ж алким и клітинами. а Мал. 48.1. Коралові поліпи: грибний корал (а); гігантська килимова актинія (б) Мал. 48.2. Кораловий атол
- 242. 242 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ а б е Рис. 48.3. Сифонофори: португальський кораблик {а); плавуча філофора (б); наномія (в) Колонія сифонофорів може досягати кількох метрів завдовжки. До сифонофорів належать деякі отруйні форми, смертельно не безпечні для лю дини, наприклад португальський кораблик. В ін во диться у тр оп іч н ій частині А тл ан ти к и , у водах Карибського моря і в Середземному морі. Інколи португальські кораблики потрапляю ть у Гольф стрім і переносяться цією течією у протоку Л а-М анш . П ортугальський кораблик дістав таку назву за яскравий різно- кольоровихї плавальний міхур, що нагадує вітрило середньовічного португальського судна. Опорні точки Б агатокл ітинн і організми мож уть утворювати колон ії з кількох особин, більш чи менш тісно зв’язаних м іж собою, зазвичай таких, що маю ть однаковий генотип і спільний обмін речовин та системи регуляції. Колонія має спільне тіло, яке не належить окремо ж од ній особині, що входить до її складу. У с і члени колонії мож уть мати однакову будову, але частіш е спостерігається їх диференціювання за будовою і ф ункціями. Серед тварин до таких організм ів належ ать р ізн і види корало вих поліпів, моховаток, губок. Запитання для контролю і самоконтролю ■Чим небезпечний португальський кораблик? 2. У чому полягають особливості колоній коралових поліпів? 3. Які функції можуть виконувати члени колонії? 4. Яку будову мають пливучі колоніальні гідроїди? 5. Чому колонії можна назвати надорганізмами? 6. Якими є принципи організації колоній багатоклітинних організмів?
- 243. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини Теми для проектної і групової роботи Досягнення гістотехнологій. Регуляція функцій у багатоклітинних організмів. Значення процесу диференціювання клітин, утворення тканин і органів. Принципи організації та функціонування багатоклітинних ор ганізмів. 5. Регуляторні системи організму людини. План виконання проектної р оботи Визначення мети проекту. © Аргументування актуальності теми проекту. © Визначення джерел інф ормації. О Опрацювання зібраної інф ормації, її аналіз та узагальнення. © Створення самостійного інформаційного продукту (оригінально го тексту). © Формулювання висновків. © Оформлення результатів проекту (стаття, реферат, доповідь тощо). Тестова перевірка знань за розділом III. Організмовий рівень організації життя 1. У к а ж іть , за яких умов віруси виявляю ть властивості живого: а) ири нагріванні; б) при охолодженні; в) при проникненні в кліти н у хазяїна; г) при потраплянні у воду. 2. У к а ж іть , чим відрізняю ться складні віруси від простих вірусів: а) вони додатково вкриті мембраною; б) вони маю ть у своєму складі вірусну нуклеїнову кислоту; в) вони мож уть розмнож уватися поза клітиною хазяїна; г) до їхнього складу не входять білки. 3. У к а ж іть , яка особливість не характерна для кліти н бактерій: а) відсутність оточеного оболонкою клітинного ядра; б) наявність нуклеоїду; в) наявність двомембранних органел; г) наявність рибосом.
- 244. 244 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ 4. У к а ж іть , у яки х тварин бактерії беруть участь у перетравлю ванні рослинної їж і: а) лев; б) антилопа; в) сокіл сапсан; г) гепард. 5.‘ У каж іть, у яких випадках можна побачити бактеріальну к л і тину: а) без збільш увальних приладів; б) розглядаючи в лупу; в) використовую чи світлові мікроскопи; г) взагалі неможливо. 6. У к а ж іть , як називають бактерії, що маю ть форму палички або циліндра із заокругленими кінцями: а) коки; б) спірили; в) бацили; г) спірохети. 7. У к а ж іть органели, характерні для бактеріальної клітини: а) рибосоми; б) хромосоми; в) лізосоми; г) пероксисоми. 8. У к а ж іть спосіб розмноження, характерний для бактерії: а) партеногенез; б) андрогенез; в) статеве розмноження; г) нестатеве розмноження. 9. У к а ж іть , який спосіб ж ивлення м ож уть використовувати бак терії: а) тіл ьки автотрофний; б) тіл ьки хемотрофний; в) тіл ьки гетеротрофний; г) усі перелічені способи живлення. 10. У к а ж іть , з як и м и рослинами м ож уть вступати в симбіоз азот ф іксую чі бактерії: а) картопля; б) кукурудза; в) квасоля; г) пирій.
- 245. Багатоклітинні органіїми. Взаємодія клітин. Тканини 245 11. У к а ж іть , у яких галузях виробництва не використовуються бактерії: а)виробництво сиру; б) виробництво кисломолочних продуктів; в)виробництво оцту; г) виробництво чаю. 12. У к а ж іть , чим відрізняю ться покритонасінні рослини від голо насінних: а) наявністю насіння; б) наявністю тканин; в) наявністю кореня; г) наявністю плодів. 13. У к а ж іть , чим відрізняю ться однодольні рослини від дводоль них: а) наявністю квіток; б) наявністю плодів; в) наявністю камбію; г) наявністю подвійного запліднення. 14. У к а ж іть , яка характеристика відповідає твір н ій тканині: а) покриває зверху органи рослини й захищ ає їх від ш кідливих впливів; б) підтримує і зміцню є органи рослини; в) складається із дрібних кліти н і таких, що ш видко діляться, забезпечує постійний р іст рослини в довжину; г) здійсню є транспортування речовин із листя у корінь, а також із кореня в листя. 15. У к а ж іть правильне розташування ш арів на поперечному зрізі стебла: а) корок — луб — камбій — деревина — серцевина; б) камбій — корок — луб — серцевина — деревина; в) корок — деревина — камбій — луб — серцевина; г) луб — камбій — корок — серцевина — деревина. 16. У к а ж іть , як називають залози, я к і не маю ть власних проток і виділяю ть свої секрети в кров: а) залози зовніш ньої секреції; б) залози внутріш ньої секреції; в) слинні залози; г) потові залози. 17. У к а ж іть , я к і тканини не входять до складу кореня: а) покривні; б) механічні;
- 246. 246 ОРГАНІЗМОВИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ в) провідні; г) фотосинтезуючі. 18. У к а ж іть , із чого складаються колоніальні організми: а) з однієї клітини; б) різном анітних тканин; в) групи кліти н , схож их за будовою та ф ункціями; г) органів і тканин. 19. У к а ж іть водорості, що належать до колоніальних організмів: а) улотрикс; б ) пандорина; в)хлорела; г) ульва. 20.У к а ж іть , яких тварин називають триш аровими: а) органи й тканини яких розташ овані трьома ш арами — н и ж ній, середній і верхній; б) органи й тканини яких утворені із трьох зародкових листків; в) до складу тіл а яких входять три типи тканин; г) органи й тканини яких розвиваються з ектодерми й мезо дерми. 21. У к а ж іть , до як ої групи тканин належ ить кров: а) сполучна; б) епітеліальна; в) м ’язова; г) нервова. 22. У к а ж іть прізвищ е вченого, який відкрив віруси: а) Роберт Кох; б) Д. І. Івановський; в) 1.1. М ечников; г) Л у ї Пастер. 23. У к а ж іть , який вірус був відкритий ученими першим: а) бактеріофаг; б) вірус грипу; в) вірус тю тю нової мозаїки; г) вірус імунодеф іциту лю дини. 24. Установіть відповідність м іж назвами вірусів та організмами, я к і вони уражають: 1) ВІЛ; а) людина; 2) бактеріофаг; б) гриби; 3) віруси, що спричиню ю ть в) рослини; мозаїки; г) тварини; 4) вірус герпесу. д) бактерії.
- 247. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Тканини 247 25.Устан овіть відповідність м іж назвами гормонів та залозами, як і їх виробляють: 1 )тироксин; 2 )адреналін; 3) мелатонін; 4 ) вазопресин. а) б) в) г) Д) епіфіз; підш лункова залоза; щ итоподібна залоза; гіпофіз; наднирковики. 26.Установіть відповідність м іж вони спричиняють: 1) бліда спірохета; 2) паличка Коха; 3) холерний вібріон; 4) дизентерійна паличка. бактеріями та хворобами, я к і а) правець; б) холера; в) сифіліс; г) дизентерія; д)туберкульоз. 27.Установіть відповідність м іж назвами органів та ф ізіологічних систем, до яких вони належать: 1) підш лункова залоза; 2) червоний кістковий мозок; 3) наднирковики; 4) нирки. а) кровоносна система; б) травна система; в) імунна система; г) видільна система; д) ендокринна система. 28.У каж іть послідовність подій під час інфікування клітини вірусом: а) дозрівання віріонів і вихід із клітини; б) приєднання вірусу до кл іти н н ої мембрани; в) перепрограмування к літи н и й створення нових вірусних компонентів; г) проникнення вірусу в кліти ну.
- 248. АЛФАВІТНИЙ ПОКАЖЧИК 24Z А Авторегуляція, 19 Автотроф и, 196 Автотроф ні бактерії, 196 Аеробні бактерії, 196 Аеробні організми, 35 А ктивне транспортування, 111 Альдегідна група, 47 Альдози, 47 А м ін оки слоти , 59 Анаеробні бактерії, 196 Анаеробні організми, 35, 166 А парат Гольдж і, 134 Аспартам, 42 А Т Ф , 77 Аутосом и, 153 Б Б агатоклітинні організми, 212 Б актерії, 120 Бактеріофаги, 178 Б ілки , 59 Б іологічно активні добавки, 88 Б іологія, 4 Біополімери, 59 Бродіння, 35 В Вакуолі, 136 В ітам ін и , 67 В іроїди, 176 Віруси, 175 Вірус імунодеф іциту лю дини (ВІЛ), 185 Вірусоїди, 176 Вклю чення кліти н и, 123 Вода, 31 В о с к и ,56 Вуглеводи, 47 Г Галактоза, 48 Ген, 81 Генетична інф ормація, 78 Генетичний код, 81 Генетично модіф іковані сільгоспкультури, 5 Генна інж енерія, 5 Гетеротрофи, 196 Гіалоплазма, 101, 121 Гідроксильна гр у п а ,47 Гістотехнології, 229 Глікокал ікс, 112 Глікоген, 50 Гліколіз, 140 Глобулярні білки, 62 Глю коза, 48 Гормони, 68 Гранично допустима концентра ц ія (ГД К) речовин, 43 д Денатурація, 62 Д еплазмоліз, 113 Дисахариди, 48
- 249. АЛФАВІТНИЙ ПОКАЖЧИК 249 Д искретність, 19 Диф узія, 110 Д Н К , 75 Е Екзоцитоз, 109 Ендем ічні захворювання людини, 42 Ендоплазматична сітка, 102, 133 Ендоцитоз, 109 Енергетичний обмін у кл іти н і, 140 Еукаріоти, 101 Є Єдність хім іч н ого складу організмів, 17 Л і Ж и р и , 53 Ж и р н і кислоти, 52 Ж иттєвий цикл вірусів, 179 Ж и ття, 16 З З в’язок пептидний, 60 І Індивідуальний розвиток, 19 Історичний розвиток, 19 К Калус, 169 Каріотип, 150 Кетози, 47 Кетонна група, 47 К літи на, 129 К літи нн а теорія Т. Ш ванна, 167 К літи н н е дихання, 139 К л іти н н и й центр, 126 К л іти н н и й цикл, 155 К л іти н н і мембрани, 108 — органели, 101 К літковина, 51 К олоніальні організми, 209 К олонія, 239 Комплементарність, 74 Консерванти, 41 Крохмаль, 50 Л Лактоза, 49 Лейкопласти, 143 Л ізосоми, 102, 135 Л іп ід и , 52 М М акроелементи, 28 М альтоза, 49 М едичні препарати, 89 М езосоми, 103 Мейоз, 160 М ембрани, 109 Методи — біологічних досліджень, 23 — вивчення кліти н , 98 М ікроелементи, 28 М інеральні солі, 37 М інливість, 18 М ітоз, 157 М ітохондрії, 103, 138 Моносахариди, 48 Н Н е кл іти н н і форми ж и ття, 175 Н ітр а тн і основи, 74 Н уклеїнові кислоти, 71
- 250. 2 5 0 АЛФАВІТНИЙ ПОКАЖЧИК • •••••••••а Н уклеоїд, 120 Нуклеотиди, 72 О О дноклітинні організми, 195 Органели цитоплазми, 122 Органи — рослин, 235 — тварин, 232 О рганічні речовини, 45 Органогенні елементи, 27 О смотичний тиск, 30 Основні властивості живого, 17 П П аразитичні бактерії, 196 П ептид, 60 П ептидний зв’язок, 60 Пероксисоми, 135 Пестициди, 5 П іноцитоз, 110 Плазмалема, 111 Плазматична мембрана, 101, 111 П лазміди, 177 П лазмоліз, 112 Пластиди, 142 П ластичний обмін у к л іти н і, 129,166 Поверхневий апарат кліти н и , 111 Подразливість, 19 П ож и вн і добавки, 41 Полісахариди, 50 Правило Чаргаффа, 74 П ріони, 176, 186 П рокаріоти, 103, 195 П рості цукри, 48 Р Ренатурація, 62 Реп лікац ія, 79 Рибосома, 101, 127 Р и тм ічн ість, 20 Р ів н і організації — білкової молекули, 61 — ж и вої матерії, 21 — ж и ття, 21 Р іст, 18 Р Н К , 75 — в и д и ,80 Розвиток, 18 С Сапротрофні бактерії, 196 Сахароза, 49 С им біотичні бактерії, 196 Синтез білка, 128 Система біологічних наук, 6 Системи органів тварин, 232 Спадковість, 18 Статеві хромосоми, 153 Стероїди, 56 Стовбурові кліти ни, 217 Структура білка, 61 Т Тилакоїди, 103 Тканини — р о сл и н ,224 — тв а р и н ,219 Транскрипція, 81, 130 Трансляція, 81, 131 Транспозони, 177 Триацилгліцероли, 53
- 251. АЛФАВІТНИЙ ПОКАЖЧИК 251 у Ультрамікроелементи, 28 Ф Фагоцитоз, 110 Ф актори росту, 69 Ферменти, 65 Ф ібрилярні білки, 62 Фотосинтез, 143 Фосф оліпіди, 54 Фруктоза, 48 Ф у н к ц ії води, 33 — білків, 63 — вуглеводів, 51 — ліпідів, 56 X Харчові добавки, 41 Х ім іч н и й склад — води, 39 — їж і, 40 Х іти н , 51 Хлоропласти, 142 Х р о м а ти н ,114 Хромопласти, 143 Хромосоми, 149 ц Цитозоль, 121 Цитоплазма, 101, 121 Ц итоскелет, 125 Ц итотехнології, 169 Я Ядро, 116
- 252. 2 5 2 r , ................................................. ЗМІСТ ВСТУП ................................................................................................ 4 § 1. Значення біологічної науки в житті людини й суспільства.......... 4 Енциклопедичні сторінки.......................................................................8 § 2. Сучасне визначення поняття «життя». Основні властивості живого..........................................................16 § 3. Рівні організації живої матерії. Методи біологічних досліджень.................................................... 21 РО ЗДІЛ І. М О Л Е К У Л Я Р Н И Й РІВЕНЬ О РГАН ІЗАЦ ІЇ Ж И ТТЯ ТЕМ А 1. НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ § 4. Елементний склад живих організмів. Хімічні елементи в живій і неживій природі........................................ , .............. 26 § 5. Вода. Особливості молекули води. Роль води в життєдіяльності організмів.......................... ........................... 31 § б. Неорганічні речовини в клітині. Роль неорганічних речовин у життєдіяльності організмів........................................ 35 Практична робота № Г. Визначення вмісту води у власному організмі........................... 38 § 7. Хімічний склад води. Контроль хімічного складу води та їжі людини.............................................................................. 39 ТЕМ А 2. ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ § 8. Структура та функції вуглеводів ................................ ................ 45 § 9. Структура і функції ліпідів..........................................................52 Лабораторна робота № 1. Визначення деяких органічних речовин та їхніх властивостей.............................................................. 58 § 10. Структура і функції білків........................................................... 59 § 11. Структура і функції ферментів. Вітаміни, гормони, фактори росту, їх роль у життєдіяльності організмів................65 Лабораторна робота № 2. Вивчення властивостей ферментів.............................................. 70 § 12. Структура нуклеїнових кислот.................................................... 72 § 13. Функції нуклеїнових кислот........................................................ 78
- 253. ЗМІСТ 253 Практична робота 2. Розв'язання елементарних вправ із транскрипції та реплікації Вправи на моделювання реплікації та транскрипції .......................................................................... 82 Практична робота № З*. Розв’язання елементарних вправ із молекулярної біології.........83 § 14. Єдність хімічного складу організмів........................................... 83 § 15. Особливості використання окремих хімічних речовин, хімічний склад продуктів харчування........................................ 87 Практична робота № 4. Ознайомлення з інструкціями з використання окремих хімічних речовин як медичних препаратів, засобів побутової хімії тощо й оцінювання їх небезпеки....................................... 90 Практична робота № 5. Оцінювання продуктів харчування за їх хімічним складом..: — 90 Тестова перевірка знань за розділом 1................................................92 РОЗДІЛ II. КЛІТИННИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ ТЕМА 1. КЛІТИНА § 16. Історія вивчення клітини. Методи цитологічних досліджень......96 § 17. Будова клітин прокаріотів і еукаріотів......................................101 Лабораторна робота № 3. Особливості будови клітин прокаріотів і еукаріотів................. 105 § 18. Клітинні мембрани. Транспортування речовин через мембрани. Поверхневий апарат клітини, його функції............. 108 Лабораторна робота № 4. Спостереження явища плазмолізу та деплазмолізу в клітинах рослин..................................................................... 113 § 19. Ядро. Будова ядра. Функції ядра.............................................. 114 Лабораторна робота № 5. Мікроскопічна й ультрамікроскопічна будова ядра................... 117 § 20. Будова клітин прокаріотів. Нуклеоїд прокаріотичних клітин— 117 ТЕМА 2. ЦИТОПЛАЗМА ТА ЇЇ КОМПОНЕНТИ § 21. Цитозоль (гіалоплазма), органели, включення ...........................121 Лабораторна робота № 6. Рух цитоплазми в клітинах рослин........................................... 124
- 254. § 22. Немембранні органели: цитоскелет. Клітинний центр. Рибосоми.... ................ ............................................................125 § 23. Синтез білків.............................................................................128 Практична робота № б. Розв'язання елементарних вправ із трансляції.......................... 133 § 24. Одномембранні органели: ендоплазматична сітка, апарат Гольджі, лізосоми, вакуолі............................................. 133 Лабораторна робота № 7*. Вивчення будови одномембранних органел.............................. 137 § 25. Мітохондрії та процес дихання................................................. 138 § 26. Пластиди та процес фотосинтезу.............................................. 142 Лабораторна робота № 8*. Вивчення будови двомембранних органел................................147 ТЕМ А 3. КЛІТИНА ЯК ЦІЛІСНА СИСТЕМА § 27. Хромосоми. Каріотип.................................................................149 Лабораторна робота № 9. Будова хромосом.......................................................................153 § 28. Механізми відтворення і загибелі клітин. Клітинний цикл еукаріотичних клітин. Мітоз....................................................... 154 Лабораторна робота № 10. Мітотичний поділ клітин........................................................... 159 § 29. Мейоз.............................................. ......................................... 160 Практична робота № 7*. Порівняння мітозу й мейозу.................................................... .163 § 30. Обмін речовин та енергії у клітині.......................................... 164 § 31. Сучасна клітинна теорія. Цитотехнології...................................167 Тестова перевірка знань за розділом II............................................. 171 РОЗДІЛ III. О РГА Н ІЗМ О В И Й РІВЕНЬ О РГАН ІЗАЦ ІЇ Ж И ТТЯ ТЕМА 1. НЕКЛІТИННІ ФОРМ И ЖИТТЯ § 32. Віруси та їхня будова................................................................175 § 33. Життєві цикли вірусів................................................................179 § 34. Роль вірусів у природі й житті людини................................... 182 § 35. Пріони, їхня будова, життєві цикли.......................................... 186 § 36. Профілактика ВІЛ-інфекції (СНІДу) та інших вірусних захворювань людини................................................................. 190 254 ЗМІСТ
- 255. зміст 2 5 5 § 37. Прокаріоти................................................................................. 19'» § 38. Роль бактерій у природі та в житті людини.............................І Лабораторна робота № 11. Різноманітність бактерій, їх значення у природі та житті людини.................................... Л)І § 39. Профілактика бактеріальних захворювань людини...................А)) § 40. Одноклітинні еукаріоти. Колоніальні організми. Організація колоній одноклітинними еукаріотами.................... Д)‘> ТЕМА 3. БАГАТОКЛІТИННІ ОРГАНІЗМИ. ВЗАЄМОДІЯ КЛІТИН. ТКАНИНИ § 41. Багатоклітинні організми. Взаємодія клітин. Багатоклітинні організми без справжніх тканин....................... 212 § 42. Тканини. Багатоклітинні організми зі справжніми тканинами ...216 § 43. Будова і функції тканин тваринного організму.........................219 Лабораторна робота № 12. Будова тканин тваринного організму........................................ 222 § 44. Б/дова і функції тканин рослинного організму.........................224 Лабораторна робота № 13. Будова тканин рослинного організму....................................... 228 § 45. Гістотехнології. Принципи організації і функціонування молекулярного, клітинного і тканинного рівнів ж иття.............229 § 46. Органи багатоклітинних організмів........................................... 232 § 47. Регуляція функцій у багатоклітинних організмів....................... 236 § 48. Колонії багатоклітинних організмів........................................... 239 Тестова перевірка знань за розділом III.............................................243 ТЕМА 2. ОДНОКЛІТИННІ ОРГАНІЗМИ Алфавітний покажчик 248
- 256. t ■■' K** V< " ' ' •■ ‘4.. . , . ' • > ’ ' , '■ • • ' • ' ' ' if#' 4 ’ ■ ’ ■■■-■ І 1 ■■ ' .. Щ і& $ . •■■■; ■’ ,"1-' «* ■ ' л Ш • іЦе ■ ' : • .• Щ ■'■■■ ' 1 ' ЇЩ У * І ■ ; Навчальне виданая 0. ТАГЛІНА ОльгаВалентинівна і • -• ; ф wVvv.-, , і ■ • • ■. $ і л- ■ : ' . .' БІОЛОГІЯ. 10 КДАС іч ( р ів е н ь с т а н д а р т у , а к а д е м іч н и й , р і в е н ь ) >'• 'А: ■■ ■■■■■. I Редактор І.Г. Шахова. Технічний редактор О.А Федосеева. Коректори: Я. Є.Дояженко, С. В.Гйлосна. Дизайнер JG. і Веляееа ТОВВидаввицтво «Ранок*. Свідоцтво ДК*Й 8322 від 26.11.2008. И 61071 Харків, вул. Кібадьшгча, 27, к. 186. V У? Адреса редакції: бП4бХАркіВ,вуД. Космічна, 21а, ; твл, (vev^aip^ w , •. і г Дая листів: 61045 Харків, а/с 8355. E-mail: dffice^anok.kharkov.ua е' ' ' few ■ ' ' ' ■' • ■' . k <: ■(> '.''І V ; ' ї ; Щ ■ •• ? : v ' !a&viv-* V':•.<<> і : ;-V.^ ’Л" ш .у» '■ і ■їі •• . У ‘ ' « ® ;Д - . ■ ' : , ' V :Л ? ■Є Ії'іФіІр,$І; -ї" Гарнітура шкільна. Друк офсетний. Ум. друк. арк. 16,0: Обл.-вид. арк. 17,6. Зал.»* 0607-10. Наклад 208860(Завод8:130001-208860). v і , f # SЙ 0 ■ ; . ■ Ж : : Щ & - ' ' : І . - І Ш л ‘/а й д р у їй тм у друирю ПП «>І№ +» і. ЇІМ^В№йІГшпінві (СІТ#»я 7П1ЛЗ.?> Л *Ці Xepicfc*,іуд. Хиртзькж, 19. Тея. 75748-16,703.IJ.2I, Л ' ■.,W- : • > : .;Ж ;щ . і . .'«ЙЕ'і.