Клетка – единица жизни

Сахаров Николай Николаевич, учитель биологии

Разделы: Биология, Конкурс «Презентация к уроку»

Презентация к уроку

Загрузить презентацию (965 кБ)

Основные этапы урока:

1. Постановка целей

(в ходе поисковой беседы отвечая на предложенные вопросы, формулируются цели урока)

Как вы понимаете фразу: «Клетка – единица жизни»?

Клетка – система закрытая или открытая?

Процессы, происходящие в клетке, взаимосвязаны или протекают независимо друг от друга?

Следовательно, какова основная цель урока?

1. Раскрыть динамические процессы, происходящие в клетке и их взаимосвязь во время жизни

Деятельность клетки может влиять на работу организма?

Существует ли обратная связь организм – клетка?

Следующая цель:

2. Определить роль клетки в поддержании гомеостаза организма.

При изучении анатомии и физиологии человека мы рассматривали механизмы регуляции функций и третья цель: Углубить и закрепить знания о взаимодействия систем организма и определить роль клетки в процессе регуляции функций.

2. Введение в тему урока (слайды № 3-5)

Для успешного усвоения учебного материала нам необходимо вспомнить

Какие компоненты внешней среды влияют на клетку? (факторы живой и неживой природы)

И через какие системы органов они могут воздействовать? (кровеносную, дыхательную, нервную и др. систем органов) слайд 3. Клетка является сложной физической системой. В один и тот же момент времени в ней происходят десятки тысяч разнообразных динамических процессов.

Какие вещества, и какие процессы могут они регулировать, проникая в клетку в клетку? слайд 4.

Клетка является сложной открытой динамической системой, содержащей множество входов и выходов. Условно входы разделим на две группы:

Входы подсистемы жизнеобеспечения, которая обеспечивает поддержание стабильности подсистемы жизнеобеспечения за счет выработки энергии, трансмембранного переноса вещества, синтеза клеточных и тканевых структур, размножения клеток.
Входы подсистемы специфических функций определяют проникновение в клетку гормонов, медиаторов, биологически активных веществ и других соединений. Например, работа нервных клеток заключается в восприятии сигнала, его передаче, переработке и хранении информации.

Какие вещества выделяются клеткой, и на какие группы их можно разделить? слайд 5.

Выделения веществ из клетки мы условно также разделим на две группы:

Выходы подсистемы жизнеобеспечения, обеспечивающие удаление из клетки отработанных веществ.
Выходы, выполняющие специфические функции клетки: выделение гормона, проведение нервного импульса, сокращение мышечной клетки и др. Именно реализация специфических функций клеток обеспечивает слаженную работу организма как единого целого. Выходы подсистемы специфических функций характеризуются выполнением каждой клеткой определенной задачи, которая, в свою очередь, определяется генетически запрограммированным алгоритмом.

3. Постановка проблемы урока слайд 6

Обратимся к теме урока: «Клетка – единица жизни»можем мы сейчас ответить обоснованно на этот вопрос. Пока сложно.

Таким образом, основную проблему урока озвучим так: Доказать, что клетка является единицей жизни и, что именно на уровне клетки выполняются основные функции организма.

4. Основная часть урока

1. Реализацию этой проблемы будем осуществлять поэтапно и сначала вспомним с вами механизм реализации наследственной информации (слайды 7 – 11). Жизнь начинается с клетки, наименьшей единицы живого, которая содержит наследственную информацию своего вида. Эта информационная жизньобеспечивается уникальными алгоритмами, которые управляют действиями клетки

Мы наблюдаем в клетке биофизические и биохимические процессы, при протекании которых перерабатывается информация. Часть из них мы понимаем. Так, нам известны процессы, приводящие к переносу информации при диффузии и осмосе (за счет разности концентраций вещества по разные стороны мембраны клетки). Но в то же время существуют явления, биофизика которых нам по-прежнему не ясна. Например, что за сила влечет РНК из ядра в цитоплазму, где она соединится с рибосомой?

Информация и материя не существуют независимо друг от друга:

Так в клетке информация обеспечивает реализацию жизненного цикла. Каждое мгновение, с помощью алгоритмов, клетка получает информацию и “делает следующий шаг” в жизненном цикле. Так продолжается на протяжении всей ее жизни. И мы на этом уроке попробуем смоделировать некоторые процессы жизнедеятельности клетки.

Для начала мы пронаблюдаем за ходом реализации информации при синтезе белка слайд 7. (Работа на уроке проводится в форме беседы, в ходе которого выясняем этапы синтеза белка). Как известно информация о структуре белка закодирована в ДНК в виде последовательности нуклеотидов и это нам известно. Участок ДНК, на котором находятся гены, ответственные за реализацию одного комплекса биохимических реакций называется опероном. Фермент РНК - полимеразаобеспечивает синтез структурных генов и образование про и-РНК, т. е происходит транскрипция, за которой следует процесс процессинга – слайд 8.

Ген состоит из активных участков, несущих закодированную информацию – экзонов и интронов – не активных участков. В ходе процессинга происходит вырезание интронов и сплайсингэкзонов. В конечном итоге образуется зрелая или матричная РНК, готовая к синтезу белка. Матричная РНК кепируется (по гиперссылке слайд 26) и полиаденилируется (по гиперссылке слайд 27), то есть стабилизируется и таким образом защищается от разрушения агрессивной средой цитоплазмы и вступает в следующую стадию синтеза – трансляцию.

Первый этап трансляции – активация аминокислоты при помощи фермента т-РНК-амионацил–синтетазы происходит «узнавание» аминокислоты и ее связывание с т-РНК слайды 9, 32.

Стадия инициации трансляции происходит образование комплекса «и РНК – рибосома» при участии т РНК – мет слайды 10, 33.

Стадия элонгации, то есть сборки молекулы белка. тРНК с аминокислотой соединяется с и-РНК согласно антикодону в аминоацильном центре рибосомы, а затем при перемещении рибосомы переводится в пепетидильный центр, в амиоацильный центр поступает следующая аминокислота между первой и второй аминокислотами происходит образование пептидной связи. В конечном итоге образуется белок, который является дальнейшим носителем информации и будет реализовывать информацию, т.е. является «рабочей молекулой», реализующей информацию слайд 11.

Рассматривая схему модели реализации информации в клетке, можно увидеть функциональное различие белков, синтезируемых на разных рибосомах клетки слайд 12:

а) При синтезе на рибосомах цитоплазмы часть белков являются ферментами клеточного дыхания, и их информация реализуется в митохондриях: этот процесс рассмотрим на примере работы Электронно-транспортной цепи на кристах митохондрий в процессе окислительного фосфорилирования (слайд 14 по гиперссылке). В ходе этого процесса происходит формирования мембранного потенциала, движения электронов по ЭТЦ, синтеза АТФ при участии фермента Н+АТФ – азы и образовании воды.

б) и следующее направление – это синтез белка на рибосомах ЭПС (слайд 12 – вернуться по гиперссылке). Белки проникают в полость ЭПС модифицируются, то есть происходит их метка: к ним присоединяются, например, углеводные остатки и белки уже в ЭПС программируются для их дальнейшей деятельности. Затем в составе мембранных пузырьков транспортируются к комплексу Гольджи. Здесь они подвергаются сортировке, согласно меткам, полученным в полостях ЭПС. И белки попадают в различные структурные образования клетки:

- формируют секреторные пузырьки которые выделяются большей части в межклеточное пространство в виде гормонов, секретов пищеварительных и других желез. Чуть позже мы рассмотрим их роль для организма.

- и образуют лизосомы, периксосомы. (по гиперссылке слайд 13). Здесь рассмотрим модель образования первичной лизосомы. В аппарате Гольджи есть специальный фермент, который узнает лизосомную последовательность и прикрепляет к белку моносахаридный остаток – манозо-6–фосфат. На мембране аппарата Гольджи есть особый белок – рецептор маннозо-6-фосфата. Белки с маннозо-6-фосфатом связываются с рецептором и формируются специальные пузырьки, которые отшнуровываются от аппарата Гольджи. При помощи особых мембранных белков в пузырек закачиваются ионы Н+. Среда становится кислой, а в кислой среде лизосомальные белки отделяются от рецепторов маннозо-6-фосфата. Лизосома готова к работе, рецепторы маннозо-6-фосфата собираются на определенном участке лизосомы, формируются мембранные пузырьки, отшнуровываются и вновь возвращаются в аппарат Гольджи.

Обобщим сказанное, рассмотрев взаимосвязь органоидов клетки в ходе синтеза белка слайд 15. Первичная лизосома сливаясь с фагоцитозным пузырьком или обеспечивая аутофагию какой-либо клеточной структуры образует вторичную лизосому (у одноклеточных пищеварительная вакуоль). В дальнейшем происходит гидролиз органических веществ за счет ферментов активных в кислой среде в присутствии воды: образуются мономеры – аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды и др. Аминокислоты могут вновь использоваться для синтеза белков на рибосомах ЭПС или цитоплазмы. Белки, синтезированные на ЭПС, могут формировать первичные лизосомы или секреторные пузырьки. Белки цитоплазмы могут вновь поступать в митохондрии и в качестве катаболических ферментов. В данном примере мы ясно видим «логические цепочки» взаимодействия компонентов клетки при реализации внутриклеточных функций. Однако, как реализуется деятельность клетки через функциональные выходы? Попробуем ответить на этот вопрос.

Предположим, мы съели пирожное. После такой углеводной нагрузки клеткам срочно потребуется переработать углеводы. “Нужен инсулин!” – кричат клетки, и мозг посылает указание бета-клеткам поджелудочной железы: “Прошение удовлетворить. Выработать инсулин!” Дальше начинается самое интересное. Как клетки вырабатывают белок, в частности инсулин мы с вами уже рассмотрели. Только инсулин имеет особую модификацию и попадает в секреторный пузырек и путем экзоцитоза выделяется за пределы клетки слайд 16.

Глюкоза сама по себе не может проникнуть внутрь клетки без участия инсулина. Некоторые органы способны усваивать глюкозу вне инсулиновым путем. Так, например, усваивают глюкозу головной мозг печень, хрусталик глаза. В нормальных физиологических условиях внутри целостного организма самым сильным стимулятором секреции инсулина поджелудочной железой является глюкоза. Повышение содержания глюкозы в крови вызывает увеличение секреции инсулина панкреатическими островками. Снижение ее, наоборот, замедляет секрецию инсулина. Таким образом, содержание в крови инсулина регулируется по типу отрицательной обратной связи, и главным регулятором является глюкоза

В мембранах клеток-мишеней имеются белки-каналы слайд 17. Они предназначены для проникновения внутрь клеток глюкозы. Однако без инсулина они закрыты, и глюкоза проникнуть внутрь клетки не может (по гиперссылке слайд 28). Вот почему у больных сахарным диабетом уровень сахара в крови повышен до тех пор, пока им не сделают инъекцию инсулина. Без инсулина у них, с одной стороны, наблюдается повышенное содержание сахара в крови, а, с другой стороны, клетки испытывают жесточайший дефицит энергии из-за нехватки глюкозы именно внутри клеток. Инсулин «открывает» белки-каналы в клеточных мембранах, и глюкоза поступает внутрь клетки, где происходит ее утилизация (по гиперссылке слайд 29).

Глюкоза, поступившая в клетку, превращается в гликоген или идет усвоение её энергетической системой клетки слайд 18. Начинается процесс с бескислородного этапа – гликолиза. Затем продукт гликолиза – пирвиноградная кислота должна попасть в митохондрию – силовую станцию клетки. Эти внутриклеточные образования синтезируют АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). В АТФ энергия запасается для того, чтобы потом расходоваться по мере необходимости организма.

Утилизация глюкозы внутри митохондрий также не может обойтись без инсулина. Основной путь утилизации глюкозы нашим организмом - это окисление, для чего мы, собственно говоря, и дышим (кислородное окисление). Только вот прежде чем начать окисляться, молекула глюкозы должна быть подвергнута нескольким реакциям фосфорилирования - пусковым. Она является лимитирующей, и от нее зависят все остальные реакции. Стоит только ограничить первую реакцию, как все остальные уже автоматически не срабатывают, Первая реакция фосфорилирования - это претворение действия фермента гексакиназы с затратой энергии АТФ. Гексакиназа может быть "запущена" только инсулином и больше ничем другим (по гиперссылке слайд 30). Поэтому без инсулина, даже если глюкоза и проникнет в клетку, она не может подвергнуться фосфорилированию без участия гексакиназы. Также инсулин посредством гексакиназыфорфорилирует помимо глюкозы и все остальные простые углеводы - фруктозу, маннозу, галактозу (по гиперссылке слайд 31). Подъем энергетики, таким образом, носит тотальный характер.

Однако энергетика клетки зависит от состояния организма слайд 19. В условиях, требующих мобилизации организма (страх, нервное напряжение, предстартовое состояние) надпочечники выбрасывают в кровь порцию адреналина, который достигает мышечной клетки (на мембраны органов, которые имеют рецепторы адреналина). Адреналин взаимодействует с рецептором на мембране клетки, что приводит к активизации фермента аденилатциклазы и синтезу циклического АМФ из АТФ. Он является активатором протокиназы А, которая в присутствии цАМФ начинает модифицировать белки мишени и образуется фермент гликоген-фосфорилаза, расщепляющий гликоген до глюкозы. И в дальнейшем процесс протекает по уже известной схеме рассмотренной выше слайд 18.

5. Закрепление знаний слайд 20

Для этого перед обучающимися ставится логическая задача: нарисовать логическую схему утилизации глюкозы в организме при выполнении физической нагрузки, начиная синтеза инсулина и образованием АТФ в мышечных клетках.
Задания при выполнении этой работы можно дифференцировать:

Первая группа может составить логическую схему образования инсулина и его доставка до мышечной клетки слайд 21;
Вторая группа образование адреналина и его влияние на энергетику клетки слайд 22;
Третья группа логическую схему анаболизма и катаболизма слайд 23;
Четвертая группа связь внутриклеточных процессов и внешних регуляторов (инсулина и адреналина) слайд 24.

В ходе обсуждения логических схем обобщаем изученный материал. Здесь мы наблюдаем, как происходит взаимодействие клеток разных органов: например, в бета-клетках поджелудочной железы образуется инсулин, который обеспечивает транспорт глюкозы, например, в мышечную клетку. Клеток коркового слоя надпочечников, синтезирующих адреналини запускающие процессы энергообеспечения организма в стрессовых ситуациях. Внутри клетки анаболическая система обеспечивает синтез необходимых катаболических и анаболических ферментов. В ходе катаболизма выделяется энергия для процессов анаболизма и на работу клетки. В конечном итоге происходит их взаимодействие при реализации метаболических процессов в клетке. Таким образом, клетки обеспечивают регуляции функций различных органов и систем органов.

Обратимся к проблеме урока: Доказать, что клетка является единицей жизни и, что именно на уровне клетки выполняются основные функции организма (по гиперссылке слайд 6):

Конечной целью всех биохимических реакций, протекающих в организме, является выполнение двух основных функций слайд 25:

Первая из них – обеспечение постоянства внутренней среды (гомеостаза), непосредственное поддержание стабильности “подсистемы жизнеобеспечения”.

Вторая – выполнение специальных функций, заключающихся в реагировании на определенные внешние воздействия (например, проведение нервного импульса нейроном, выработка гормона, перенос кислорода эритроцитом, сокращение мышечной клетки) т.е. работа по выполнению функций обеспечивающих жизнедеятельность организма в целом.

Каждая подсистема поддерживает режим деятельности, реализовывает свои программы. Каждое мгновение клетка одновременно должна решать важные задачи, задействовав несколько алгоритмов. Один из них поддерживает на генетически заданном уровне параметры подсистемы жизнеобеспечения, другой позволяет изменять оптимальным образом параметры, обеспечивающие выполнение специфических функций, следующий отслеживает фазу жизненного цикла. Эти алгоритмы работают синхронно. Используя подсистему поддержания жизнедеятельности и подсистему выполнения специфических функций, клетка проходит присущий ей жизненный цикл. И эта деятельность клетки происходит примерно по следующему алгоритму:

Любое значение параметра определяется определенной генетической программой.
Затем в клетке происходит сравнение заданного значения параметра с текущим.
Это определяет функции состоянии системы, на которое может оказывать влияние факторы внешней среды.
Вместе определяется текущее значение параметра системы, который может внести коррективы на заданный алгоритм программы (механизм обратной связи).

Следовательно: Клетка – единица жизни и в ней «замыкаются» все основные процессы жизнедеятельности организма.

6. Подведение итогов урока:

рефлексия, оценка знаний

7. Домашнее задание:

Составить логические цепочки взаимодействия органидов клетки.

Литература

М. Б. Беркинблит, С.М. Глаголев, В.А. Фуралев. Общая биология. М, МИРОС, 1999 г.
В. А. Голиченков, Е.А. Иванов, Е.Н. Никерясова Эмбриология. М, АКАДЕМИЯ, 2004 г.
В. Б. Захаров и др. Общая биология. М, Дрофа, 2002 г.
Н. В. Чебышев и др. Биология пособие для поступающих в вузы. М. Новая Волна, 2004 г.
С. Гилберт. Биология развития. в 3-х томах. «Мир» Москва. 1993

Интернет-ресурсы, материалы которых, использованы при подготовке урока и презентации:

Буклет (Приложение 2)

20.05.2012