§ 9. Внутрішнє середовище клітини: цитоплазма та включення

Ви вже ознайомилися з клітинною мембраною клітин рослин і тварин. «Подорожуємо» далі: уявіть, що через клітинну мембрану ми потрапили всередину клітини.

Проникнувши всередину клітини, ми «опинилися» в цитоплазмі.

Цитоплазма — це весь внутрішній вміст клітини, за винятком ядра.

Який хімічний склад клітин? Усі клітини мають подібний хімічний склад. Вони містять різні неорганічні та органічні речовини (мал. 37). Жива клітина містить велику кількість води (до 70-90 %). Вода надає клітині пружності, визначає її форму. У клітинах рослин з води й вуглекислого газу під час фотосинтезу утворюються вуглеводи. Інші поживні речовини можуть надходити в клітину у складі водних розчинів. Саме завдяки воді забезпечується транспортування по рослині неорганічних та органічних речовин.

Мал. 37. Основні органічні та неорганічні речовини клітин

У клітинах, крім води, містяться гази (кисень, вуглекислий газ) та мінеральні солі.

З органічних речовин у живому вмісті клітини переважають білки. Вони входять до складу клітинної мембрани, органел, інших структур. Білки є будівельним матеріалом для клітини.

Вуглеводи є одним із джерел енергії в клітині. Вуглевод целюлоза – основний компонент оболонок рослинних клітин. Інші вуглеводи надають солодкого смаку плодам рослин. З давніх-давен людина культивує для своїх потреб виноград, кавуни, банани, цукровий буряк, цукрову тростину та інші рослини, які містять значну кількість вуглеводів.

Ліпіди разом з білками входять до складу клітинних мембран. Найпоширеніші серед ліпідів – жири. У рослин жири найбільше відкладаються в насінні олійних культур (соняшник, рижій, гірчиця, ріпак, льон, соя). Є вони і в клітинах плодів маслини, пелюстках квіток троянд. Ліпіди є джерелом енергії, необхідної для забезпечення життєдіяльності клітини.

Білки, вуглеводи і ліпіди можуть відкладатися про запас, утворюючи непостійні структури в цитоплазмі – клітинні включення. Вони то з’являються, то зникають у процесі життєдіяльності клітини. Містяться клітинні включення в цитоплазмі клітин у розчиненому або твердому стані (можуть мати вигляд зерен, краплин) (мал. 38). Це переважно запасні речовини, які відкладаються у великій кількості і використовуються клітиною не відразу.

Мал. 38. Клітинні включення: 1 – білкові зерна в клітинах насіння пшениці; 2 – зерна крохмалю в клітинах бульб картоплі; 3 – краплини ліпідів у клітинах насіння соняшнику

Отже, клітина живиться, тобто поглинає речовини із зовнішнього середовища. Речовини, які надійшли до клітини, змінюються. З простих речовин можуть утворюватися складніші. Складні речовини розпадаються до простіших. При цьому звільняється енергія. Так відбувається обмін речовин – головний прояв життєдіяльності як окремих клітин, так і цілісного організму. Під час обміну речовин утворюються також речовини, не потрібні організму. Вони виводяться з нього назовні.

Які властивості та функції цитоплазми? Цитоплазма як внутрішнє середовище клітини об’єднує в одне ціле всі клітинні структури і забезпечує їхню взаємодію. У ній відбувається транспорт різних речовин, розпадаються одні речовини і створюються інші. Цьому сприяє постійний рух цитоплазми.

Речовини рухаються всередині самої клітини, а також з клітини в клітину. Пригадайте, у клітинних мембранах є ділянки, що забезпечують зв’язки між клітинами. Через ці ділянки проходять так звані цитоплазматичні містки.

Мал. 39. Схематичне зображення «клітинного скелета» в цитоплазмі. Знайдіть на малюнку його елементи: мікроскопічні трубочки (1) та нитки (2). Зверніть увагу на те, як елементи клітинного скелета закріплюють у певному положенні органелу (3)

У цитоплазмі клітини є своєрідний скелет. Це система мікроскопічних білкових трубочок і ниток (мал. 39). Тоненькі білкові волокна допомагають клітині зберігати форму. Ці структури неможливо розглянути за допомогою світлового мікроскопа, їх досліджують лише за допомогою електронного мікроскопа.

УЗАГАЛЬНИМО ЗНАННЯ

• Внутрішній вміст клітини, за винятком ядра, називають цитоплазмою.
• За хімічним складом цитоплазма – це розчин неорганічних та органічних речовин.
• До складу цитоплазми входять різноманітні включення. Це переважно запасні поживні речовини, які відкладаються в клітині у великій кількості у вигляді зерен або краплин.

Поповніть свій біологічний словник: цитоплазма, включення.

ПЕРЕВІРТЕ ЗДОБУТІ ЗНАННЯ

Виберіть одну правильну відповідь

• 1. Цитоплазмою називають: а) увесь внутрішній вміст клітини; б) внутрішній вміст клітини, за винятком ядра.
• 2. Непостійні структури клітини – це; а) органели; б) включення.

Дайте відповідь на запитання

• 1. Які функції цитоплазми в клітині?
• 2. Які речовини входять до складу цитоплазми клітини?
• 3. Які функції скелета цитоплазми клітини? Із чого він складається?

§ 14. Клітина – основна структурно-функціональна одиниця організмів. Методи цитологічних досліджень

Ви пам’ятаєте, що живі істоти складаються з клітин. Виняток становлять віруси, які більшість учених вважає неклітинною формою життя.

• Клітина – основна структурно-функціональна одиниця всіх організмів, елементарна біологічна система. Це означає, що на клітинному рівні організації живої матерії повністю проявляються всі основні властивості живого: обмін речовин і перетворення енергії, здатність до росту, розмноження, руху, збереження і передача спадкової інформації нащадкам тощо.

Сьогодні ми починаємо екскурсію в дивовижний світ клітини, світ, який існує в кожному з нас. Адже організм людини, як і більшості тварин, складається з кількох сотень різновидів клітин (мал. 14.1, 1). Значне різноманіття клітин притаманне також і рослинам (мал. 14.1, 2).

Мал. 14.1. Різноманітність клітин тварин (1) і рослин (2)

• Організація клітин. Незважаючи на багатоманітність форм, організація клітин усіх живих організмів підпорядкована єдиним закономірностям. Так, усі клітини складаються з поверхневого апарату та цитоплазми. Залежно від наявності ядра всі організми поділяють на два надцарства: Прокаріоти та Еукаріоти. Клітини прокаріотів, крім того, що не мають ядра, ще й досить просто організовані. Клітини еукаріотів – грибів, рослин і тварин – організовані складніше і обов’язково мають ядро (розгляньте малюнок 14.2 і з’ясуйте, які складові в різних клітин подібні).

Мал. 14.2. Будова клітин: тваринної (1); рослинної (2); бактеріальної (3)

Клітини еукаріотів, хоча й організовані подібно, також мають певні відмінності. Проаналізуйте таблицю 14.1 і пригадайте основні відмінності між клітинами рослин, тварин і грибів.

Основні відмінності між клітинами рослин, тварин і грибів

Структури клітин

Клітинна стінка

Вакуолі з клітинним соком

Хлоропласти

Трапляються в окремих одноклітинних видів

Псевдоподії (несправжні ніжки)

Наявні в певних типів клітин багатоклітинних та деяких одноклітинних

Внутрішній вміст кожної клітини оточує поверхневий апарат. До його складу входять плазматична мембрана, надмембранні та підмембранні структури. Поверхневий апарат клітини захищає її внутрішній вміст від несприятливих впливів довкілля, забезпечує обмін речовинами та енергією між клітиною і середовищем, що її оточує.

Внутрішнє середовище клітини – це цитоплазма (від грец. китос – клітина та плазма – виліплене). До її складу входять різні органічні та неорганічні сполуки, а також клітинні компоненти: органели та включення. Цитоплазма за допомогою внутрішньоклітинних мембран поділена на окремі функціональні ділянки.

У цитоплазмі розташований внутрішньоклітинний скелет, або цитоскелет (від китос та скелетон – скелет) (див. мал. 16.3). Це система білкових утворів – мікротрубочок і мікрониток, яка виконує насамперед опорну функцію. Крім того, елементи цитоскелета беруть участь у зміні форми та русі клітини, забезпечують певне розташування і переміщення органел.

Органели (від грец. органон – орган, інструмент) – постійні клітинні структури (ще раз погляньте на малюнок 14.2 і пригадайте, які органели клітин вам відомі з попередніх курсів біології та які їхні функції). Кожна з органел забезпечує відповідні процеси життєдіяльності клітини (живлення, рух, синтез певних сполук, зберігання і передачу спадкової інформації тощо). Одні органели обмежені однією мембраною (вакуолі, комплекс Гольджі, ендоплазматична сітка, лізосоми), інші – двома (хлоропласти, мітохондрії, ядро) або ж взагалі не мають мембранної оболонки (клітинний центр, рибосоми, мікротрубочки, мікронитки). Особливості будови тієї чи іншої органели тісно пов’язані з її функціями.

На відміну від органел, клітинні включення – непостійні компоненти клітини. Вони можуть зникати і знову з’являтись у процесі її життєдіяльності. Включення – це запасні сполуки чи кінцеві продукти обміну речовин.

• Основні етапи дослідження клітин. Ви вже знаєте, що будову та процеси життєдіяльності клітини вивчає наука цитологія. Той з вас, хто не полінувався прочитати «Короткий нарис з історії біології» (с. 7), згадає прізвища вчених, які зробили свій внесок у розвиток цієї науки. Простежимо хронологію основних подій у цій галузі.

Сучасні дослідження в галузі цитології спрямовані насамперед на вивчення найдрібніших органел і структур. Адже вдосконалені збільшувальні прилади і новітні технології відкривають нові перспективи перед дослідниками. Нині дедалі більше розвиваються дослідження в галузі клітинної інженерії, цитотехнології тощо.

• Методи дослідження клітин. Першим приладом, який дав змогу вивчати клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп. Методи досліджень, які здійснюють за допомогою цього приладу, називають світловою мікроскопією.

Метод світлової мікроскопії ґрунтується на тому, що через прозорий чи напівпрозорий об’єкт дослідження проходять промені світла, які згодом потрапляють до системи лінз об’єктива та окуляра (мал. 14.3, 1). Ці лінзи збільшують об’єкт дослідження, при цьому кратність збільшення можна визначити як добуток збільшень об’єктива й окуляра. Наприклад, якщо лінзи окуляра забезпечують збільшення в 10 разів, а об’єктива – в 40, то загальне збільшення об’єкта досліджень становитиме 400 разів. Сучасні світлові мікроскопи можуть забезпечувати збільшення до 2-3 тис. разів. Удосконалити свої навички роботи зі світловим мікроскопом ви зможете під час виконання лабораторної роботи № 3 (див. лабораторний практикум, с. 109).

Клітинні структури найдрібніших розмірів (цитоскелет тощо) були відкриті і вивчені за допомогою електронного мікроскопа, винайденого в першій половині XX сторіччя. Електронний мікроскоп здатний збільшувати зображення об’єктів дослідження до 500 тисяч разів і більше.

Конструкція електронного мікроскопа дещо нагадує конструкцію світлового, але замість променів світла в ньому застосовують потік електронів, які рухаються в магнітному полі (мал. 14.3, 2). Роль лінз при цьому виконують електромагніти, здатні змінювати напрямок руху електронів, збирати їх у пучок (фокусувати) й спрямовувати його на об’єкт дослідження.

Частина електронів, проходячи через об’єкт дослідження, може відхилятися, розсіюватися, поглинатися, взаємодіяти з об’єктом або проходити крізь нього без змін. Пройшовши через досліджуваний об’єкт, електрони потрапляють на люмінесцентний екран, спричиняючи його нерівномірне свічення, або на особливий фотоматеріал, за допомогою якого зображення можна фотографувати.

Мал. 14.3. Фотографії амеби, зроблені за допомогою: А – світлового мікроскопа; Б – електронного мікроскопа; В – сканувального мікроскопа. Принцип роботи світлового (1), електронного (2) та сканувального (3) мікроскопів

Поверхні клітин, окремих органел тощо можна вивчати методом сканувальної електронної мікроскопії (мал. 14.3, 3). При цьому потік електронів не проходить крізь об’єкт дослідження, а відбивається від його поверхні.

У живих клітинах вивчають процеси життєдіяльності (рух цитоплазми, поділ тощо). Тонкощі клітинної будови вивчають на певним чином оброблених клітинах. Для цього клітини необхідно попередньо зафіксувати особливими речовинами (спирт, формалін тощо), швидким заморожуванням або висушуванням. Окремі структури фіксованих клітин забарвлюють особливими барвниками та виготовляють мікроскопічні препарати, які можуть зберігатися тривалий час. Аби за допомогою електронного сканувального мікроскопа сфотографувати поверхні клітини чи окремих органел, їх покривають металічним пилом, наприклад золотим.

Постійно мати у своєму розпорядженні клітини різних типів дає змогу метод культури клітин. При цьому живі клітини утримують та розмножують на штучних поживних середовищах (наприклад, виготовлених з агару – речовини, яку добувають з червоних водоростей). Змінюючи компоненти поживного середовища, можна спостерігати, як ті чи інші сполуки впливатимуть на ріст і розмноження клітин, інші їхні властивості. Культури клітин використовують у медицині, ветеринарії та службі захисту рослин для перевірки впливу різноманітних хімічних препаратів, вірусів, одноклітинних організмів, отримання біологічно активних речовин (лікарських, біостимуляторів тощо).

Метод мічених атомів, або авторадіографія, дає змогу з’ясувати місце та перебіг певних фізико-хімічних явищ у клітині. Для цього до клітини вводять речовину, в якій один з атомів певного елемента (Карбону, Фосфору тощо) заміщений його радіоактивним ізотопом. За допомогою особливих приладів, здатних виявляти ізотопи, можна прослідкувати за міграцією цих речовин у клітині, їхніми перетвореннями, виявити місце та характер тих чи інших біохімічних процесів. Наприклад, за допомогою цього методу було доведено, що під час мейотичного поділу хромосоми однієї пари обмінюються своїми ділянками.

Для вивчення різних структур клітин використовують також метод центрифугування. При цьому клітини попередньо подрібнюють і в особливих пробірках поміщають у центрифугу – прилад, здатний розвивати швидкі оберти. Оскільки різні клітинні структури мають неоднакову щільність, при дуже швидких обертах центрифуги вони осідатимуть шарами: щільніші органели – швидше і тому опиняться знизу, а менш щільні – зверху (мал. 14.4). Ці шари розділяють і вивчають окремо.

• Застосування цитологічних методів у визначенні природи (діагностиці) захворювань. Цитологічні методи широко застосовують для діагностики різноманітних захворювань людини, свійських тварин та культурних рослин, вивчення фізіологічного стану організмів. Так, в онкології (наука, яка вивчає причини виникнення, розробляє засоби діагностики та лікування ракових захворювань) ці методи використовують для виявлення злоякісних і доброякісних пухлин, діагностики передракових станів і первісних стадій цих захворювань. Для цього виявляють аномальні клітини та вивчають їхню здатність до швидкого розмноження. Розроблено цитологічні методики розпізнавання захворювань крові, травної системи, нирок, легень, шкіри тощо. Наприклад, значне збільшення кількості еритроцитів свідчить про небезпечну хворобу – еритроцитоз, а лейкоцитів – про білокрів’я (лейкоз).

Мал. 14.4. Метод центрифугування: 1 – принцип роботи центрифуги; 2 – послідовні стадії осідання структур клітин залежно від їхньої маси

Ключові терміни та поняття. Цитоплазма, цитоскелет, органели, клітинні включення.

Коротко про головне

• Клітина – основна структурно-функціональна одиниця всіх живих організмів, елементарна біологічна система. На клітинному рівні організації повністю проявляються всі основні властивості живого: обмін речовин і перетворення енергії, здатність до росту і розмноження, руху, збереження і передача спадкової інформації нащадкам тощо.
• Клітини складаються з поверхневого апарату та цитоплазми. Поверхневий апарат оточує внутрішній вміст клітини. До його складу входять плазматична мембрана, надмембранні та підмембранні структури. Внутрішнє середовище клітини – цитоплазма. До її складу входять різні органічні та неорганічні сполуки, а також органели та включення. Органели – постійні клітинні структури, кожна з яких виконує певні функції. Клітинні включення – непостійні компоненти клітини, які можуть з’являтися та зникати в процесі життєдіяльності клітини.
• Для дослідження клітин використовують різноманітні методи: світлову та електронну мікроскопію, авторадіографію, центрифугування тощо. Клітини можна досліджувати як живими, так і в зафіксованому стані. Для того щоб постійно вивчати клітини певних типів, застосовують метод культури клітин.

Запитання для самоконтролю

1. Чому клітину вважають елементарною структурно-функціональною одиницею всіх організмів? 2. Які структури входять до складу клітин? 3. Що таке поверхневий апарат клітини та цитоплазма? 4. За допомогою яких методів вивчають клітини? 5. Які організми належать до еукаріотів, а які – до прокаріотів?

Що спільного та відмінного між клітинними включеннями та органелами? Відповідь обґрунтуйте.

Біологія 6 клас

Пригадайте основні положення клітинної теорії. Які органічні речовини ви знаєте?

Ви вже знаєте, що всі організми складаються з клітин. Погляньте на малюнок 32. На ньому схематично зображено клітини рослини і тварини. Ви бачите, яку складну будову вони мають. Насамперед, зверніть увагу на те, що клітина складається з клітинної мембрани, ядра та цитоплазми. До складу цитоплазми входять органели. Це постійні структури клітини, які виконують відповідні функції.

Наша уявна подорож у клітину розпочалась. Аби потрапити всередину, ми маємо проникнути через клітинну мембрану. Вона оточує клітину й захищає її внутрішній вміст від несприятливих зовнішніх впливів. Клітинна мембрана є обов’язковою складовою клітин рослин і тварин.

Мал. 32. Будова рослинної (А) і тваринної (Б) клітин:

1 – клітинна оболонка; 2 – клітинна мембрана; 3 – цитоплазма; 4 – ядро; 5-8 – органели

Мал. 33. Участь клітинних мембран в утворенні зв’язків (1) між двома клітинами рослин (А – схема, Б – мікрофотографія). Завдання. Знайдіть мікроскопічні канальці в оболонці клітин

Клітинна мембрана захищає клітину від проникнення хвороботворних мікроорганізмів, вірусів.

У багатоклітинних організмів клітинні мембрани забезпечують зв’язок між окремими клітинами. Погляньте на малюнок 33. Знайдіть на ньому ділянки клітинної мембрани, які утворюють зв’язки між сусідніми рослинними клітинами.

У рослинних клітин над клітинною мембраною є ще клітинна оболонка. Вона щільна і пружна, бо до її складу входять волоконця вуглеводу целюлози (мал. 34). Клітинна оболонка підтримує форму рослинної клітини.

Клітини тварин не мають клітинної оболонки.

Важлива функція клітинної мембрани – забезпечення транспорту різних речовин крізь неї. Механізми транспорту можуть бути різними. Це насамперед звичайна дифузія (пригадайте з курсу природознавства, що таке дифузія).

За допомогою дифузії клітинна мембрана легко пропускає всередину клітини воду і гази (наприклад, кисень і вуглекислий газ) та деякі інші розчинені у воді речовини. Багато речовин клітинна мембрана не пропускає.

Ознайомимося з особливостями будови рослинної клітини на прикладі клітин листка елодеї, виконавши лабораторне дослідження.

Мал. 34. Будова клітинної оболонки рослин. Зверніть увагу, що основу клітинної стінки складають волоконця целюлози, зібрані в пучки (1)

ЛАБОРАТОРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ БУДОВА КЛІТИНИ ЛИСТКА ЕЛОДЕЇ

Обладнання і матеріали: мікроскоп, предметні й накривні скельця, пінцети, препарувальні голки, фільтрувальний папір, дистильована вода, 2 %-й розчин йодиду калію, листок елодеї (мал. 35,1), таблиця «Будова клітини».

1. Перед початком роботи витримайте елодею на сонячному світлі за кімнатної температури.

2. Виготовте тимчасовий мікропрепарат живих клітин елодеї, помістивши їх у краплину води на предметне скло і накривши накривним скельцем.

3. Виготовлений мікропрепарат покладіть на предметний столик мікроскопа і розгляньте його, використовуючи об’єктив малого збільшення (х8).

4. Дивлячись в окуляр одним оком, знайдіть у полі зору мікропрепарат і за допомогою гвинтів мікроскопа налаштуйте його найчіткіше зображення.

5. Знайдіть клітину, у якій добре помітно контури клітинних оболонок, цитоплазму, сірувате ядро, велику вакуолю з клітинним соком, дрібні зелені органели (про них ви дізнаєтеся згодом) (мал. 35, 2).

6. Не зміщуючи препарат на предметному столику, застосуйте об’єктив більшого збільшення.

7. Регулюючи малим гвинтом, налаштуйте чіткість зображення так, щоб можна було розглянути окремі складові клітини.

!Цікаво знати, що елодея канадська – це водна рослина, яка належить до квіткових, адже здатна утворювати квітки. Її часто помилково відносять до водоростей.

Батьківщина цієї водної рослини – Північна Америка.

Мал. 35. Гілочка елодеї канадської (1); клітини під мікроскопом (2)

– Клітини рослин і тварин мають подібну будову: вони складаються з клітинної мембрани та внутрішнього вмісту, до складу якого входять ядро і цитоплазма з органелами.

– Основні функції клітинної мембрани: транспорт речовин у клітину та за її межі, захист від хвороботворних організмів і вірусів, забезпечення зв’язків із сусідніми клітинами.

– Клітини рослин над клітинною мембраною мають ще й клітинну оболонку, що складається з молекул целюлози. Клітини тварин клітинної оболонки не мають.

Поповніть свій біологічний словник: клітинна мембрана, клітинна оболонка, органели.

Виберіть одну правильну відповідь

1. Клітинна оболонка входить до складу клітин: а) тварин; б) рослин.

2. Змінювати форму можуть клітини: а) рослин; б) тварин.

Дайте відповідь на запитання

1. Які функції клітинних мембран?

2. Яка речовина входить до складу клітинної оболонки?

СТОРІНКАМИ МАЙБУТНЬОГО БІОЛОГА

Яка будова клітинної мембрани? На малюнку 36 схематично зображено клітинну мембрану, яка оточує будь-яку клітину. Вона складається з двох шарів ліпідів, у які занурено молекули білків (знайдіть їх на малюнку). Одна з головних особливостей ліпідів полягає в тому, що вони не розчиняються у воді. Зверніть увагу, що ліпіди розташовані в два шари: зовнішній і внутрішній. Молекули білків розташовані у вигляді мозаїки: одні знаходяться на внутрішній поверхні мембрани, інші – на зовнішній, а деякі молекули білків перетинають обидва шари молекул ліпідів. Таке розташування молекул білків і ліпідів у мембрані забезпечує надходження в клітину поживних речовин та виведення з неї тих речовин, які клітині вже не потрібні.

Мал. 36. Схема будови клітинної мембрани: 1 – білки; 2 – ліпіди