Лабораторная работа физиологические свойства клеточной мембраны. Сравнение проницаемости мембран живых и мертвых клеток Лабораторная работа физиологические свойства клеточной мембраны

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра физиологии и биохимии растений

ФИЗИОЛОГИЯ

РАСТИТЕЛЬНОЙ

КЛЕТКИ

к лабораторным занятиям практикума

«Физиология растений»

для студентов биологического факультета

В. М. Юрин, А. П. Кудряшов, Т. И. Дитченко, О. В. Молчан, И И. Смолич Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 16 июня 2009 г., протокол № Рецензент кандидат биологических наук, доцент М. А. Джус Физиология растительной клетки: метод. рекомендации к лабораторным занятиям практикума «Физиология растений» для Ф студентов биологического факультета / В. М. Юрин [и др.].

– Минск: БГУ, 2009. – 28 с.

Данное пособие является составным элементом учебно-методического комплекса по дисциплине «Физиология растений» и включает в себя лабораторные работы по разделу «Физиология растительной клетки».

Предназначено для студентов биологического факультета, обучающихся по специальностям «Биология» и «Биоэкология».

УДК 581. ББК 28. © БГУ,

ОТ АВТОРОВ

Методические рекомендации к лабораторным занятиям являются неотъемлемой частью курса «Физиология растений». Цель издания – активизация самостоятельной работы студентов с учетом того, что индивидуальный процесс обучения должен быть эффективным. Практикум по курсу «Физиология растений» предназначен для закрепления теоретического материала, приобретения навыков практической работы и ознакомления с основными методами исследований физиологических процессов растений. Студентам предлагаются задания, детализирующие фактический материал, которым они должны овладеть самостоятельно.

Это позволит использовать аудиторное время более эффективно.

1. РАСТИТЕЛЬНАЯ КЛЕТКА КАК

ОСМОТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Осмотические системы – это системы, состоящие из двух растворов веществ разных концентраций или раствора и растворителя, разделенных полупроницаемой мембраной. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы растворителя и не проницаема для молекул растворенного вещества. Во всех биологических системах растворителем служит вода. Разница в составе и концентрации веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны является причиной осмоса – направленной диффузии молекул воды через полупроницаемую мембрану.

Если абстрагироваться от детального строения растительной клетки и рассматривать ее с точки зрения осмотической модели, то можно утверждать, что растительная клетка представляет собой живую осмотическую систему.

Плазматическая мембрана полупроницаема, а цитоплазма и тонопласт выступают как единое целое. Снаружи от полупроницаемой мембраны находится клеточная стенка, которая хорошо проницаема для воды и растворенных в ней веществ и не препятствует перемещению воды. Основную роль осмотического пространства клетки играет вакуоль, которая заполнена водным раствором различных осмотически активных веществ – сахаров, органических кислот, солей, растворимых в воде пигментов (антоцианов и др.). Однако это достаточно упрощенное представление о клетке как об осмотической системе, поскольку любая органелла цитоплазмы, окруженная мембраной, также представляет собой осмотическую ячейку. В результате осмотическое передвижение воды происходит и между отдельной органеллой и цитозолем.

МОДЕЛИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

Вводные замечания. Уникальные физико-химические характеристики биомембран обеспечивают поступление воды и создание высокого гидростатического давления (тургора) в растительной клетке, сохранение анизотропного распределения веществ между клеткой и окружающей ее средой, избирательное поглощение и выделение веществ, и ряд других функций.

Гипотеза о существовании плазматической мембраны на поверхности клетки была выдвинута во второй половине XIX в. Научное обоснование этой гипотезы (концепции) дал В. Пфеффер на основе объяснения явлений плазмолиза и деплазмолиза. По мнению Пфеффера, эта мембрана, обладала свойством «полупроницаемости», т. е. была проницаема для воды и непроницаема для растворенных в воде веществ. В последующие годы были проведены исследования, позволившие не только доказать существование подобной структуры на поверхности клетки, но и изучить некоторые свойства этой невидимой в оптические микроскопы структуры. Однако, вплоть до второй половины ХХ в. биомембраны оставались лишь гипотетическими структурами живой клетки. Поэтому исследователи для демонстрации тех или иных свойств плазматической мембраны и объяснения закономерностей функционирования связанных с плазмалеммой механизмов создавали модели клеток («искусственные клетки»).

В разные периоды времени появились модельные системы – «искусственные клетки» Пфеффера, Траубе, Якобса и др. Первые две из упомянутых моделей демонстрировали явления осмоса, третья – закономерности переноса через биомембрану слабых электролитов. При выполнении лабораторной работы предлагается создать модельные системы «искусственная клетка» по Траубе и Якобсу (в модификации).

При формировании моделей «искусственной клетки» Пфеффера и Траубе на границе контакта растворов желтой кровяной соли и медного купороса образуется нерастворимая в воде аморфная масса железосинеродистой меди, обладающая почти идеальными осмотическими свойствами – проницаемостью для воды и непроницаемостью для растворенных веществ. Поскольку мембрана из железосинеродистой меди разделяет два раствора, то направление и величина потока воды через нее будут определяться разностью химических потенциалов молекул воды по разные стороны мембраны. Если бы такая мембрана разделяла два раствора одного и того же вещества, то химический потенциал молекул воды был бы выше в более разбавленном растворе, и вода двигалась бы со стороны раствора меньшей концентрации. При определении направления движения воды в системе, содержащей разные вещества по обе стороны мембраны, следует учитывать степень диссоциации веществ, валентность и проницаемость мембраны для ионов. Для упрощения обсуждения эксперимента по получению «искусственной клетки» по Траубе предполагаем, что мембрана из железосинеродистой меди абсолютно непроницаема для растворенных веществ, степень диссоциации желтой кровяной соли и медного купороса в растворах одинакова. В этом случае для сравнения величин химического потенциала молекул воды можно пользоваться нормальными концентрациями указанных солей.

Основные закономерности процесса диффузии веществ различной полярности через плазматические мембраны были установлены в первой половине ХХ века. Согласно исследованиям Колландера и Барлунда коэффициент проницаемости мембраны к какому-либо веществу может быть предсказан по молекулярной массе последнего и коэффициенту равновесного распределения (kр) его между водой и растительным маслом:

где СМ и СВ – концентрации вещества, которые установились в системе контактирующих между собою растворителей – масло и вода – в состоянии равновесия. Для большинства веществ, диффундирующих через плазматическую мембрану, отмечается прямая пропорциональность между произведением Рi M i и kр (Pi – коэффициент проницаемости мембраны по отношению к веществу i; Мi – молекулярная масса вещества i).

Коэффициент kр в данном случае выступает как количественная мера степени гидрофобности: более гидрофобные вещества аккумулируются в масле и характеризуются большим значением kр, гидрофильные наоборот – накапливаются в водной фазе, для них величина kр меньше. В соответствии с этим неполярные соединения должны проникать внутрь клетки в результате процесса диффузии через слой мембранных липидов легче, чем полярные. Степень гидрофобности определяется структурой молекулы вещества. Однако показатели гидрофобности вещества в значительной мере зависят от степени ионизации его молекул в растворе. В свою очередь, степень ионизации многих органических и неорганических веществ (слабых электролитов) определяется величиной рН раствора.

«Искусственная клетка» Якобса моделирует избирательную проницаемость плазматической мембраны растительных клеток по отношению к электрически нейтральным молекулам слабых электролитов. В своей оригинальной конструкции «искусственной клетки» Якобс использовал в качестве аналога плазмалеммы лоскут лягушачьей кожи. В предлагаемой для выполнения работе в качестве модели плазмалеммы используется пленка из гидрофобного (полимерного) материала. Это сделано не только из соображений гуманности – полимерная пленка более наглядно моделирует физико-химические свойства липидного бислоя плазмалеммы.

Являясь слабым основанием, аммоний существует в водных растворах в виде NH3 и NH4+, соотношение концентраций которых зависит от рН среды и для разбавленных водных растворов определяется показателем константы диссоциации рКа, который при 25 оС равен 9,25:

где и – концентрации молекул аммиака и ионов аммония соответственно.

Если через мембрану могут проникать лишь незаряженные молекулы аммиака, то нетрудно показать, что концентрации ионов аммония по разные стороны мембраны в равновесии будут зависеть от рН контактирующих с мембраной растворов. Для демонстрации процесса переноса аммиака через мембрану в «искусственной клетке» Якобса используется его способность сдвигать рН.

Цель работы. Получить «искусственные клетки» методами Траубе и Якобса и пронаблюдать явление осмоса – перемещение воды через полупроницаемую мембрану по градиенту осмотического потенциала.

Материалы и оборудование: 1,0 N растворы желтой кровяной соли, медного купороса, хлорида аммония, гидрата окиси натрия и соляной кислоты, 1 % водноспиртовой раствор нейтрального красного, бумага индикаторная универсальная, фрагменты оплавленных с торца стеклянных трубок, полимерная пленка, нитки, пробирки, 3 стакана вместимостью 150–200 мл, секундомер.

1. Получение «искусственной клетки» Траубе. Путем разбавления приготовьте 1,0 N раствор желтой кровяной соли (K4Fe(CN)6), 0,5 N и 1, N растворы медного купороса (CuSO45 H2O). Возьмите две пробирки. В одну налейте 0,5 N, а в другую 1,0 N раствор медного купороса. Осторожно пипеткой по стенке пробирок введите в каждую 1,0 N раствор желтой кровяной соли. На поверхности контакта растворов медного купороса и желтой кровяной соли образуется мембрана из железосинеродистой меди:

Аморфный осадок железосинеродистой меди обладает почти идеальными осмотическими свойствами, поэтому при различии величин химического потенциала молекул Н2О должен наблюдаться поток воды, который приводит к изменению объема «искусственной клетки». Следует отметить, что мембрана из железосинеродистой меди обладает слабой эластичностью. Поэтому при увеличении объема «искусственной клетки» мембрана рвется.

Задание. Проследите за поведением «искусственных клеток» в 0,5 N и 1,0 N растворах медного купороса. Зарисуйте «искусственные клетки»

и опишите динамику изменения их формы.

2. Получение «искусственной клетки» Якобса. Путем разбавления приготовьте 200 мл 0,5 N раствора хлорида аммония и 100 мл 0,5 N гидрата окиси натрия. Налейте раствор гидрата окиси натрия в стакан, а раствор хлорида аммония разделите на две равные части и перелейте их в стаканы, вместимостью 150–200 мл. Пользуясь индикаторной бумагой и 1,0 N растворами соляной кислоты и гидрата окиси натрия, доведите показатель кислотности раствора в первом стакане до рН 9,0, а во втором – до рН 7,0.

Возьмите 3 фрагмента стеклянной трубки. На оплавленный торец каждого положите по лоскуту полимерной пленки и тщательно перевяжите их нитью. К 50 мл воды добавьте 5–10 капель раствора нейтрального красного и слегка подкислите среду 1–2 каплями соляной кислоты.

Указанным раствором индикатора заполните на «искусственные клетки» Якобса (фрагменты стеклянных трубок с мембранами). Поместите «искусственные клетки» Якобса в стаканы с растворами гидрата окиси натрия и хлорида аммония таким образом, чтобы указанные среды контактировали с полимерной мембраной.

Аммиак способен диффундировать через гидрофобную фазу полимерной мембраны. А поскольку внутри «искусственной клетки» его концентрация ничтожно мала, то молекулы NH3 переносятся из раствора внутрь «клетки» и вызывают подщелачивание содержимого стеклянной трубки, что отмечается по исчезновению малиново-красной окраски «внутриклеточного» содержимого.

Задание. Определите время, необходимое для исчезновения красной окраски индикатора в каждом из вариантов опыта.

1. Почему у поверхности «искусственной клетки» в 0,5 N растворе медного купороса увеличивается концентрация соли?

2. Почему «искусственная клетка» в 0,5 N растворе медного купороса разбухает, а в 1,0 N растворе ее поверхность стабильна?

3. От каких факторов зависит степень диссоциации слабых кислот и оснований?

4. Почему при помещении «искусственной клетки» в раствор гидрата окиси натрия не отмечает исчезновения окраски нейтрального красного?

5. Почему при помещении «искусственной клетки» в нейтральный раствор хлорида аммония отмечается сдвиг рН «внутриклеточного» содержимого до слабо основных значений?

6. Что такое осмос?

7. Какие растворы называются гипо-, изо- и гипертоническими?

ЯВЛЕНИЕ ПЛАЗМОЛИЗА И ДЕПЛАЗМОЛИЗА

РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Процесс выхода воды из растительной клетки и поступления ее в клетку через полупроницаемую мембрану можно проследить, наблюдая явления плазмолиза и деплазмолиза. При помещении клетки в гипертонический по отношению к клеточному соку раствор происходит плазмолиз – отделение протопласта от клеточной стенки изза уменьшения его объема вследствие выхода воды из клетки в наружный раствор. В ходе плазмолиза форма протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в некоторых местах, чаще всего уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым. При увеличении продолжительности инкубации растительной клетки в гипертоническом растворе наблюдается следующая форма плазмолиза – вогнутый плазмолиз. Для него характерно сохранение контактов протопласта с клеточной стенкой в отдельных местах, между которыми отделившиеся поверхности протопласта приобретают вогнутую форму. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого.

После замены наружного раствора на чистую воду последняя начинает поступать внутрь клетки. Объем протопласта при этом увеличивается и происходит деплазмолиз. После его завершения протопласт вновь заполняет весь объем клетки.

Цель работы. Доказать на основании явлений плазмолиза и деплазмолиза, что растительная клетка – это осмотическая система.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор сахарозы, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

С выпуклой стороны поверхности чешуи лука, клетки которого окрашены в фиолетовый цвет благодаря присутствию в вакуолях антоцианов, препаровальной иглой снимают эпидермис, помещают его в каплю воды на предметное стекло, накрывают покровным стеклом и рассматривают в микроскоп. Затем заменяют воду 1 М раствором сахарозы. Для этого наносят на предметное стекло рядом с покровным большую каплю раствора и отсасывают воду кусочком фильтровальной бумаги, прикладывая его с другой стороны от покровного стекла. Повторяют этот прием 2–3 раза до полной замены воды раствором. Препарат рассматривают под микроскопом. Обнаруживают постепенное отставание протопласта от стенок клетки сначала в уголках, а затем и по всей поверхности стенок. В конце концов, протопласт полностью отделяется от клеточной стенки и принимает округлую форму.

Затем описанным выше способом заменяют 1 М раствор сахарозы на воду. Вода поступает в клетку, что приводит к увеличению объема протопласта, который постепенно занимает прежнее положение. Клетка возвращается в первоначальное состояние.

Задание. Зарисовать наблюдаемые формы плазмолиза, а также стадии деплазмолиза. Сформулировать выводы.

1. Какие особенности строения растительной клетки придают ей свойства осмотической системы?

2. Что такое плазмолиз? Охарактеризуйте основные формы плазмолиза.

3. Что такое деплазмолиз? В каких условиях он наблюдается?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

КЛЕТОЧНОГО СОКА ПЛАЗМОЛИТИЧЕСКИМ

МЕТОДОМ

Вводные замечания. При контакте двух растворов, содержащих разное количество растворенных веществ, вследствие присущего молекулам теплового движения происходит взаимная диффузия, которая приводит к выравниванию концентрации растворенных веществ во всем объеме, что равноценно ситуации перемешивания жидкостей. Если же эти растворы разделены полупроницаемой мембраной, задерживающей молекулы растворенных веществ, то через границу контакта растворов будут проходить лишь молекулы растворителя (воды). Причем, возникает однонаправленный ток воды через мембрану (осмос). Давление, которое надо приложить к одному из растворов системы, чтобы воспрепятствовать поступлению в него растворителя, называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления раствора прямо пропорциональна его концентрации и абсолютной температуре. Вант-Гофф установил, что осмотическое давление разбавленных растворов подчиняется газовым законам и может быть рассчитано по формуле:

где R – газовая постоянная (0,0821); Т – абсолютная температура (273 оС + t оС) раствора; С – концентрация растворенного вещества в молях; i – изотонический коэффициент.

Величина изотонического коэффициента определяется особенностями процессов растворения вещества. Для неэлектролитов (например, для сахарозы) i равен 1. Для растворов электролитов величина i зависит от числа ионов, на которые распадается молекула, и от степени диссоциации. Значения i для растворов NaCl даны в таблице.

Значения изотонического коэффициента растворов хлорида натрия Концентрация NaCl Значение i Величина осмотического давления клеточного сока выражает способность растительной клетки «всасывать» воду и указывает на возможность произрастания растения на почвах различной водоудерживающей силы. В тоже время повышение осмотического давления клеточного сока при засухе является критерием обезвоживания растений и необходимости их полива.

Плазмолитический метод определения осмотического давления клеточного содержимого основан на том, что осмотическое давление растворов, обуславливающее перемещение воды через мембрану может быть создано различными веществами (осмолитиками). Поэтому для определения осмотического давления клеточного сока не требуется знание его качественного состава и концентрации отдельных веществ, а следует найти концентрацию какого-либо вещества в наружном раствор, при которой движения воды через плазмалемму не будет при отсутствии тургора и плазмолиза. Для этого срезы исследуемой ткани погружают в ряд растворов известной концентрации, а затем их рассматривают в микроскоп. Исходя из того, что плазмолиз способны вызывать только гипертонические растворы, находят самый слабый из них, в котором обнаруживается лишь начальный плазмолиз в отдельных клетках. Следующий за ним более разбавленный раствор не будет плазмолизировать клетки.

Следовательно, концентрация изотонического раствора для этих клеток будет равна (с известной долей погрешности) среднему арифметическому между концентрациями соседних растворов.

Для удобства работа проводится с тканями, клетки которых содержат в клеточном соке антоцианы: эпидермис чешуи синего лука, нижний эпидермис листа традесканции. В качестве плазмолитика используют растворы сахарозы или NaCl.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, растворы 1 М NaCl и 1 М сахарозы, листья традесканции или луковицы синего лука.

Используя 1 М раствор сахарозы или NaCl, приготовьте путем разбавления по 5 мл растворов согласно таблице.

Тщательно перемешав растворы, налейте их в стеклянные бюксы или тигельки, куда поместите на 30 мин по 2–3 среза исследуемой ткани.

При этом необходимо следить за тем, чтобы срезы не плавали на поверхности, а были погружены в жидкости (если срез всплывает, его следует «утопить» при помощи препаровальной иглы). Бюксы закрыть крышками или предметными стеклами для предотвращения испарения.

По истечении указанного времени инкубации срезы рассматрите в микроскоп в капле соответствующего раствора (не в воде!) в той же последовательности, в которой они погружались в растворы. Стеклянную палочку или пипетку, которыми наносился раствор на предметные стекла, после каждого раствора необходимо тщательно ополаскивать дистиллированной водой и вытирать салфеткой или фильтровальной бумагой.

Задание. Определите в исследуемой ткани наличие плазмолиза и его степень. Степень плазмолиза выражается понятиями: «сильный», «слабый», «начальный», «отсутствие плазмолиза». Результаты внести в таблицу.

Степень плазмолиза Изотоническая концентрация, М Осмотическое давление клеточного сока в атм и кПа Установите изотоническую концентрацию хлорида натрия, т. е. то содержание NaCl, которое создает осмотическое давление аналогичное клеточному соку в исследуемой ткани. Вычислите осмотическое давление по уравнению (1). Используя коэффициент 101,3 рассчитайте осмотическое давление в кПа.

1. Что такое осмотическое давление?

2. Как рассчитывается величина осмотического давления?

3. От чего зависит величина изотонического коэффициента?

4. Критерием какого процесса является повышение осмотического давления клеточного сока?

2. СВОЙСТВА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

Важнейшее свойство клеточных мембран – избирательная проницаемость. Наружная цитоплазматическая мембрана, отделяя клетку от окружающей среды, контролирует транспорт веществ между клеткой и свободным пространством. Внутриклеточные мембраны благодаря присущей им избирательной проницаемости обеспечивают функцию компартментализации, которая позволяет клетке и органоидам удерживать в небольших объемах необходимые ферменты и метаболиты, создавать гетерогенную физико-химическую микросреду, осуществлять на разных сторонах мембраны разнообразные, иногда противоположно направленные биохимические реакции.

Проницаемость клеточных мембран для различных веществ может быть критерием жизнеспособности клеток. Избирательная проницаемость мембраны сохраняется до тех пор, пока клетка остается живой.

ИЗУЧЕНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

ПЛАЗМАЛЕММЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Сравнить проницаемость плазматической мембраны для различных веществ можно на основе простых наблюдений, характеризующих продолжительность сохранения плазмолиза в растительных клетках, находящихся в гипертонических растворах исследуемых веществ. В случае достаточно низкой проницаемости плазмалеммы для растворенного вещества либо полного отсутствия способности его молекул свободно диффундировать в растительную клетку будет иметь место стойкий плазмолиз, при котором плазмолизированные клетки могут находиться в неизменном состоянии длительное время. Однако если же молекулы растворенного вещества проходят через мембрану, но медленнее, чем молекулы воды, то начавшийся плазмолиз носит временный характер и вскоре исчезает. В результате постепенного проникновения растворенного вещества в клетку будет наблюдаться поступление воды из наружного раствора по градиенту концентрации, что в конечном итоге вызовет переход клетки в деплазмолизированное состояние.

Цель работы. Сравнить проницаемость клеточных мембран для различных веществ на основе наблюдения стойкого и временного плазмолиза.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор сахарозы, 1 М раствор карбамида, 1 М раствор глицерина, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

На три предметных стела наносят по капле раствора: на одно – 1 М раствор сахарозы, на другое – 1 М раствор карбамида, на третье – 1 М раствор глицерина. В каждую каплю помещают по фрагменту окрашенного эпидермиса лука, накрывают покровными стеклами и рассматривают под микроскопом. Находят участки, в которых хорошо видны плазмолизированные клетки. Отмечают время начала плазмолиза – начала наблюдения. Оставляют препараты на 10–30 мин, затем вновь их рассматривают под микроскопом. В растворе сахарозы наблюдается стойкий плазмолиз, а в растворах карбамида и глицерина – временный. Причиной деплазмолиза в двух последних растворах является проницаемость плазмалеммы для молекул карбамида и глицерина.

Задание. Проведите исследование характеристик плазмолиза растительных клеток в растворах различных веществ. Результаты наблюдений занесите в таблицу, отмечая степень плазмолиза через каждые 10 мин после начала наблюдений. На основе анализа результатов экспериментов выявите различия в продолжительности сохранения плазмолизированого состояния, вызванном различными осмолитиками, и сделайте вывод об относительной проницаемости плазмалеммы для исследуемых веществ.

Растворенное вещество Примечание: +++ – сильный плазмолиз, ++ – средний плазмолиз, + – слабый плазмолиз.

1. Что такое избирательная проницаемость клеточных мембран?

2. Какие вещества легче проникают через клеточные мембраны?

3. Как свойство избирательной проницаемости может быть использовано для определения жизнеспособности растительной клетки?

ИЗУЧЕНИЕ ДИФФУЗИИ НЕЙТРАЛЬНОГО

КРАСНОГО ЧЕРЕЗ ПЛАЗМАЛЕММУ

РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Плазматическая мембрана изолирует внутриклеточное содержимое от внешней среды. Обмен веществ между внутриклеточным содержимым и окружающей клетку средой происходит путем их транспорта через мембрану. Липидный бислой является барьером на пути движения веществ. Большинство экзогенных физиологически значимых веществ поступает внутрь клетки в результате функционирования на плазмалемме систем пассивного и активного транспорта. Однако возможна и простая пассивная диффузия через липидный бислой, который представляет собой гидрофобную фазу.

Основные закономерности диффузии веществ через липидный бислой были установлены в конце XIX – начале ХХ веков, т. е. в тот период времени, когда биомембраны оставались лишь гипотетическими структурами клетки. Именно тот факт, что вещества гидрофобные лучше проникают внутрь клетки, чем гидрофильные, явился основой для предположения исследователей о наличия липидов в мембране.

Процесс диффузии веществ через мембрану подчиняется первому закону Фика, математическое выражение которого применительно к мембране описывается формулой:

где Pi – коэффициент проницаемости мембраны для вещества i; CiII и CiI – концентрации вещества i по обе стороны мембраны.

Слабые кислоты и основания характеризуются тем, что степень ионизации их молекул в разбавленных растворах зависит от рН (см. Лабораторную работу 1, формула (2)). Это значит, что степень диссоциации молекул слабого электролита в области значений рН численно равных рКа равна 50 %. При уменьшении рН на единицу более 90 % молекул слабого основания будут ионизированы, а при увеличении рН на ту же величину – менее 10 %.

Еще в первой половине ХХ века было продемонстрировано, что электрически нейтральные неионизированные молекулы слабых электролитов достаточно хорошо проникают через плазматическую мембрану внутрь клеток растений, в то время как для соответствующих ионов мембраны оказывается практически непроницаемой. Например, коэффициенты проницаемости плазмалеммы для аммиака и иона аммония различаются более чем 100-кратно. Таким образом, сдвиг рН значений лишь на 1–2 ед. приводит к более, чем 10-кратному изменению концентрации транспортируемых через мембрану форм молекул вещества.

Среди слабых электролитов особый интерес представляют кислотно-основные индикаторы, поскольку для молекул этих веществ характерно изменение их оптических свойств при ионизации. Кроме того, благодаря характерной окраске растворов указанных соединений довольно просто определить их содержание колориметрически. Нейтральный красный (НК) – слабое основание. Ионизированные молекулы НК (при рН 6,8 и ниже) окрашивают растворы в интенсивно малиновый цвет. При повышении рН от 6,8 до 8,0 происходит постепенное изменение окраски до бледно-желтой в связи с уменьшением степени диссоциации молекул НК. В щелочных растворах преобладают хорошо транспортируемые через липидный бислой плазматической мембраны электрически незараженные молекулы НК, а в кислых – слабопроницаемые для мембраны ионы НК.

Поступающие через плазмалемму внутрь клетки молекулы НК могут диффундировать и через другие клеточные мембраны, однако проникнув внутрь вакуоли (кислотного компартмента растительной клетки) молекулы НК ионизируются, окрашивая содержимое вакуоли в малиновый цвет. При этом ионы НК оказываются “замкнутыми” в пространстве вакуоли, т. е. имеют тенденцию к аккумуляции.

Цель работы. Изучить закономерности диффузии нейтрального красного через плазмалемму растительной клетки Материалы и оборудование: ножницы, водно-спиртовой раствор нейтрального красного, децинормальные растворы гидрата окиси натрия и соляной кислоты, бумага индикаторная универсальная, чашки Петри, микроскоп, секундомер, культура водоросли Nitella flexilis.

К 100 мл воды добавьте 5 капель раствора нейтрального красного.

Этот раствор разлейте поровну в 4 чашки Петри. Контролируя кислотность содержимого чашек Петри универсальной индикаторной бумагой при помощи растворов НСl и NaOH доведите показатель кислотности в первой чашке Петри до рН 9,0, во второй – до рН 8,0, в третьей – до рН 7,0, в четвертой – до рН 5,0. Сделайте маркировку чашек Петри.

Осторожно отделите ножницами от таллома Nitella flexilis 8–12 клеток междоузлий водоросли. Рассматривая междоузлия под микроскопом убедитесь в нативности отпрепарированных клеток: у живых неповрежденных клеток сохраняются непрерывные ряды хлоропластов, расположенные параллельно светлой линии, кроме того наблюдается интенсивное движение цитоплазмы – циклоз.

Поместите в чашки Петри по 2–3 клетки междоузлий водоросли.

Включите секундомер.

Задание. Определите время, необходимое для окрашивания клеток водоросли в каждом варианте опыта. Для этого по истечении 5 мин сравните клетки междоузлий водоросли каждого из вариантов по интенсивности окраски. Повторите операцию через 10, 20, 30 мин. Результаты наблюдений занесите в таблицу. Сделайте заключение относительно диффундируемых через мембрану форм слабого основания.

Значение рН среды Примечание: +++ – интенсивная окраска, ++ – средняя окраска, + – слабая окраска, – окраска отсутствует.

1. От каких факторов зависит степень диссоциации слабых кислот и оснований?

2. Почему биомембраны более проницаемы по отношению к недиссоциированным формам слабых электролитов?

3. При каких условиях отмечается аккумуляция слабого электролита в клетке?

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТОНОПЛАСТА

И ПЛАЗМАЛЕММЫ ДЛЯ БЕТАЦИАНИНА ПОД

ДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ

Вводные замечания. Избирательная проницаемость клеточных мембран изменяется под действием различных факторов. Определить влияние каких-либо веществ или условий на мембранную проницаемость можно, измеряя выход различных метаболитов из клетки.

Бетацианин – пигмент столовой свеклы – относительно большая, хорошо растворимая в воде молекула, находящаяся в клеточном соке.

Чтобы попасть во внешнюю среду, молекула бетацианина должна пройти через тонопласт, основной цитоплазматический матрикс и плазмалемму. Тонопласты живых клеток непроницаемы для молекул этого пигмента. Диффузия бетацианина из вакуоли в среду может проходить достаточно быстро при действии различных факторов или агентов, вызывающих увеличение проницаемости мембран. Измеряя оптическую плотность инкубационной среды через определенный промежуток времени, можно оценить степень воздействия того или иного фактора на проницаемость мембран.

Цель работы. Определить влияние температуры, а также кислот и спиртов на проницаемость клеточных мембран для бетацианина по его выходу в наружный раствор.

Материалы и оборудование: дистиллированная вода, 30 %-ный раствор уксусной кислоты, 50 %-ный раствор этанола, фильтровальная бумага, пробирки, штатив для пробирок, водяная баня, спектрофотометр или фотоколориметр, корнеплод столовой свеклы.

Корнеплод свеклы после удаления покровных тканей разрезают на кубики (сторона кубика 5 мм) и тщательно промывают водой в течение 5–10 мин, чтобы удалить пигмент, вышедший из поврежденных клеток.

Затем их помещают по одному в каждую из 4 пробирок, в которые наливают по 5 мл различных сред в соответствии со схемой опыта: дистиллированную воду (2 пробирки), растворы уксусной кислоты и этанола.

Первую пробирку с дистиллированной водой оставляют в штативе, а содержимое второй нагревают на водяной бане в течение 2–3 мин. Через 30 мин все пробирки интенсивно встряхивают, кубики свеклы извлекают, а интенсивность окраски растворов определяют на фотоколориметре с зеленым светофильтром или спектрофотометре =535 нм.

Оптическая плотность раствора, Интенсивность окрашивания, Вариант опыта Задание. Проведите исследования. Результаты измерений оптической плотности занесите в таблицу. Выявите различия в проницаемости тонопласта и плазмалеммы для бетацианина клеток корнеплода свеклы, подвергнутых воздействию различных факторов, и сделайте вывод о причинах этих различий.

1. Какое значение имеет избирательная проницаемость клеточных мембран?

2. От чего зависит избирательная проницаемость мембран растительной клетки?

3. СВОЙСТВА ЦИТОПЛАЗМЫ

Основной объем цитоплазмы, заполняющий пространство между клеточными органеллами называется цитозолем. На долю воды в цитозоле приходится приблизительно 90 %. В растворенном виде в цитозоле содержатся практически все основные биомолекулы. Истинные растворы образуют ионы и малые молекулы (соли щелочных и щелочноземельных металлов, сахара, аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и растворенные газы). Крупные же молекулы, такие как белки, образуют коллоидные растворы. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) и гелем (вязким). От вязкости цитозоля зависит интенсивность протекания большинства внутриклеточных процессов.

Важнейшим свойством цитоплазмы является ее активное движение.

Это характерная особенность живой растительной клетки, показатель активности процессов ее жизнедеятельности. Движение цитоплазмы обеспечивает внутриклеточный и межклеточный транспорт веществ, перемещение органелл внутри клетки, играет важную роль в реакциях раздражимости. В его осуществлении принимают участие элементы цитоскелета – микрофиламенты и микротрубочки. Источником энергии для этого движения служит АТФ. Движение цитоплазмы (циклоз) – один из наиболее чувствительных показателей жизнеспособности клетки. Многие даже незначительные воздействия останавливают или, наоборот, ускоряют его.

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ КАЛИЯ И КАЛЬЦИЯ НА

ВЯЗКОСТЬ ЦИТОПЛАЗМЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Отдельные катионы способны существенно изменять вязкость цитоплазмы. Установлено, что ионы калия способствуют повышению ее оводненности и снижению вязкости. Меньшая вязкость цитоплазмы благоприятствует протеканию синтетических процессов, внутриклеточному транспорту веществ, но понижает устойчивость растительных клеток к неблагоприятным внешним условиям. В отличие от калия кальций увеличивает вязкость цитоплазмы. При большей вязкости цитозоля медленнее идут физиологические процессы, что повышает устойчивость клетки к неблагоприятным условиям внешней среды.

Об изменениях вязкости цитоплазмы под действием ионов калия и кальция можно судить по форме плазмолиза в клетках, находящихся в гипертонических растворах их солей. При длительной инкубации растительных клеток в растворах, содержащих ионы калия, наблюдается колпачковый плазмолиз. При этом ионы калия проходят через плазмалемму в цитоплазму, но достаточно медленно проникают через тонопласт в вакуоль. В результате набухания цитоплазмы протопласт принимает выпуклую форму, отделяясь только от поперечных участков клеточных стенок, со стороны которых и наблюдается образование так называемых «колпачков». Вызываемое кальцием увеличение вязкости цитоплазмы легко обнаружить, наблюдая за изменением формы плазмолизирующегося протопласта: если плазмолитик содержит кальций, то вогнутый плазмолиз часто переходит в судорожную форму.

Цель работы. Изучить характер влияния ионов калия и кальция на вязкость цитоплазмы растительной клетки на основе наблюдений колпачкового и судорожного плазмолиза.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор KNO3, 1 М раствор Ca(NO3)2, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

На одно предметное стекло наносят каплю 1 М раствора нитрата калия, на другое – 1 М раствора нитрата кальция. В обе капли помещают по кусочку эпидермиса лука, снятого с вогнутой поверхности одной и той же чешуи луковицы, накрывают покровными стеклами. Через 30 минут препараты рассматривают под микроскопом в тех растворах, в которых они находились. Наблюдается явление плазмолиза. В некоторых клетках эпидермиса, выдержанного в растворе КNO3, со стороны поперечных стенок клетки цитоплазма образует «колпачки», появление которых обусловлено повышением оводненности цитозоля под действием ионов калия. Ионы кальция, наоборот, повышают вязкость цитоплазмы, увеличивают силы сцепления ее с клеточной стенкой, и протопласт принимает неправильные очертания, характерные для судорожного плазмолиза.

Задание. Зарисуйте наблюдаемые формы плазмолиза. Выявите зависимость формы плазмолиза от вязкости цитоплазмы в присутствии ионов калия и кальция.

1. Каким образом ионы калия и кальция влияют на вязкость цитоплазмы?

2. В каких условиях наблюдается судорожный плазмолиз?

3. Чем обусловлено образование «колпачков» в результате инкубации клеток в растворе KNO3?

НАБЛЮДЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЦИТОПЛАЗМЫ

РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ИЗМЕРЕНИЕ ЕГО

СКОРОСТИ

Вводные замечания. Наиболее удобны для наблюдения за перемещением цитоплазмы крупные растительные клетки с большими вакуолями (клетки междоузлий харовых водорослей, морские сифоновые зеленые водоросли, клетки листьев водных растений элодеи, валлиснерии и др.). Выделяют несколько типов движения цитоплазмы. Наиболее широко распространено колебательное движение. Его считают наименее упорядоченным, так как при этом одни частицы находятся в покое, другие скользят к периферии, третьи – к центру клетки. Движение имеет неустойчивый, случайный характер. Циркуляционное движение характерно для клеток, которые имеют цитоплазматические тяжи, пересекающие центральную вакуоль. Направление и скорость движения частиц, находящихся внутри или на поверхности слоя цитоплазмы, а также в цитоплазматических слоях, непостоянны. При ротационном движении цитоплазма перемещается только на периферии клетки и движется подобно приводному ремню. Движение этого типа, в отличие от циркуляционного, имеет более или менее постоянный и упорядоченный характер, поэтому удобно для количественного изучения. Помимо перечисленных выделяют еще движения цитоплазмы, например фонтанирующее и челночное. Типы движения различаются между собой условно и в одной и той же клетке могут переходить от одного в другой.

Движение цитоплазмы можно охарактеризовать, определив его скорость, которая зависит не только от движущей силы, но и вязкости цитоплазмы. Скорость движения цитоплазмы можно измерить под микроскопом, наблюдая за передвижением ее частиц.

Цель работы. Ознакомиться с ротационным типом движения цитоплазмы и провести измерения его скорости у разных растительных объектов.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, раствор искусственной прудовой воды, лист валлиснерии, интернодальные клетки нителлы.

От листовой пластинки валлиснерии острой бритвой отрезают небольшой кусочек, стараясь как можно меньше травмировать лист, помещают его в каплю воды на предметное стекло и рассматривают под микроскопом сначала при малом, затем при большом увеличении. Делать срезы с листа не рекомендуется, так как клетки при этом сильно травмируются, и движение в них останавливается. Движение цитоплазмы легко наблюдать по перемещению всех хлоропластов в одном направлении вдоль клеточной стенки. Такое движение называется ротационным.

Для наблюдения циклоза в клетках нителлы предварительно отпрепарированные клетки помещают в специальные камеры, которые заполняют раствором искусственной прудовой воды. У всех харовых водорослей также наблюдается ротационный тип движения цитоплазмы, однако хлоропласты в этих клетках неподвижны. Непосредственно к целлюлозной оболочке у них примыкает плотный и неподвижный слой цитоплазмы, называемый эктоплазмой. В этом слое фиксированы хроматофоры, которые образуют один слой плотно примыкающих друг к другу правильных продольных рядов. Между вакуолью и слоем эктоплазмы находится внутренний жидкий подвижный слой цитоплазмы, так называемая эндоплазма. Его интенсивное передвижение можно наблюдать по перемещению более мелких, чем хлоропласты органелл – мелких бесцветных включений, взвешенных в цитоплазме.

Для определения скорости движения цитоплазмы используют секундомер и окулярную линейку, помещенную в окуляр микроскопа. С помощью секундомера отсчитывают время, в течение которого хлоропласт или другая движущаяся частица проходит расстояние между двумя выбранными делениями окулярной линейки. Такие измерения в одной и той же клетке проводят 3–5 раз. Для расчета скорости движения цитоплазмы проводят измерение цены деления окулярной линейки. Для этого на столик микроскопа кладут объектмикрометр, который рассматривают в окулярмикрометр. Фиксируют выбранный объектив на делениях объектмикрометра и подсчитывают число делений объектмикрометра. Цену делений окулярмикрометра рассчитывают по формуле где N – цена делений окулярмикрометра; 10 мкм – цена деления объектмикрометра; b – число делений окулярмикрометра, умещающихся в (а) делениях объектмикрометра.

Скорость движения частиц – отношение величины расстояния в микрометрах к числу секунд, за которое движущаяся частица проходит это расстояние (мкм/с).

Задание. Проведите определения величин скорости движения цитоплазмы в клетках водных растений. Результаты измерений занесите в таблицу. Сделайте схематические рисунки клеток рассмотренных объектов и стрелками укажите направление движения цитоплазмы, сравните характер и скорость циклоза.

Объект Тип движущихся Расстояние Время пробега частицей, с Скорость циклоза, 1. Что представляет собой цитозоль?

2. Каким образом форма плазмолиза зависит от вязкости цитоплазмы растительных клеток?

3. В чем заключается биологическое значение движения цитоплазмы?

4. Назовите основные типы движения цитоплазмы?

5. От чего зависит скорость движения цитоплазмы?

От авторов………………………………………………………….

1. РАСТИТЕЛЬНАЯ КЛЕТКА КАК ОСМОТИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА………………………………………………………….

Лабораторная работа Модели растительных клеток……………………………………... Лабораторная работа Явление плазмолиза и деплазмолиза растительной клетки..……. Лабораторная работа Определение осмотического давления клеточного сока плазмолитическим методом………………………………….……………. 2. СВОЙСТВА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН………..…………..

Лабораторная работа Изучение избирательной проницаемости плазмалеммы растительной клетки…………………….……………………………….. Лабораторная работа Изучение диффузии нейтрального красного через плазмалемму Лабораторная работа Изменение проницаемости тонопласта и плазмалеммы для бетацианина под действием физических и химических факторов... 3. СВОЙСТВА ЦИТОПЛАЗМЫ………………………………... Лабораторная работа Влияние ионов калия и кальция на вязкость цитоплазмы растительной клетки………………………………..……………………. Лабораторная работа Наблюдение движения цитоплазмы растительных клеток и измерение его скорости……………………………………………….

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

практикума «Физиология растений»

для студентов биологического факультета Ответственный за выпуск А. П. Кудряшов Подписано в печать 31. 08. 2009. Формат 6084/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,62. Тираж 50 экз. Зак.

Белорусский государственный университет 220030, Минск, проспект Независимости, 4.

Отпечатано с оригинала-макета заказчика на копировально-множительной технике Белорусского государственного университета.

Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯИЯ РОССИИ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России) Курс лечебной физкультуры и спортивной медицины УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА ЛЕЧЕБНАЯ ФИЗКУЛЬТУРА И ВРАЧЕБНЫЙ КОНТРОЛЬ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ специальности: 060103 (040200) – Педиатрия (ПЕД), 5 курс ТЕМА ЗАНЯТИЯ: ЛФК В СИСТЕМЕ МЕДИЦИНСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ. ОСНОВЫ...»

« УНИВЕРСИТЕТ Кафедра безопасности жизнедеятельности, анатомии и физиологии ФИЗИОЛОГИЯ (ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ) Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальности 020201 Биология Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2008 Печатается по решению методического совета Горно-Алтайского государственного...»

«Рецензенты: доктор биологических наук, профессор Панов Валерий Петрович - МСХА; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Груздев Николай Васильевич - зав. кафедрой частной зоотехнии РУДН. Блохин Г. И. и др. К64 Кинология. Учебное пособие для вузов / Г. И. Блохин, М. Ю. Гладких, А. А. Иванов, Б. Р. Овсищер, М. В. Сидорова - М.: ООО Издательство Скрипторий 2000, 2001. - 432 с. с ил. Учебное пособие включает сведения по анатомии, физиологии, кормлению, содержанию, разведению и генетике собак....»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) УНИВЕРСИТЕТ Биолого-почвенный факультет Кафедра физиологии человека и животных ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДАМ В БИОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Яковлева О.В., Ситдикова Г.Ф., Яковлев А.В. Казань-2010 1 Печатается по решению учебно-методического совета биолого-почвенного факультета КФ(П)У протокол № от Заседание кафедры физиологии человека и животных № от Рецензент: Яковлева О.В., Ситдикова Г.Ф., Яковлев А.В. Практикум по физико-химическим методам...»

«Бюллетень новых поступлений (ноябрь 2008 г.) 1. ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 1.1. Философия. Психология. Логика 1. Ю9я7 Богомолова, Н. Н. Социальная психология массовой коммуникации: учеб. поБ 74 собие для вузов / Н. Н. Богомолова. - М. : Аспект Пресс, 2008. - 191 с. а - 1; ч/зо - 1; 2. Юя7 Введение в философию: учеб. пособие для вузов / И. Т. Фролов [и др.]. - 4-е В 24 изд., перераб. и доп. - М. : Культурная революция, 2007. - 623 с. уч/б - 1; 3. Ю Голдобина, Л. А. Общество как особый род бытия:...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра ботаники ОСНОВЫ БОТАНИКИ Методические указания к лабораторным занятиям для студентов 1 курса дневного отделения специальностей 1-31 01 02 Биохимия; 1-31 01 03 Микробиология МИНСК 2013 УДК 581.4(077) ББК 28.56р.я73 О-75 С о с т а в и т е л и: Т. А. Сауткина, В. Д. Поликсенова, А. К. Храмцов, В. Н. Тихомиров, М. А. Джус Рекомендовано советом биологического факультета Белорусского государственного университета 27 февраля 2013...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра физиологии человека и животных РАЗВИТИЕ ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ: ПТИЦЫ Методические указания по курсу Биология индивидуального развития для студентов биологического факультета специальности 1-31 01 01 Биология МИНСК 2007 УДК 611.06 ББК 28.706 Р 17 Авторы-составители: Г. Т. Маслова, А. В. Сидоров Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 7 декабря 2007 г., протокол № 5 Рецензент кандидат биологических наук, доцент C....»

«Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации Сердечно-сосудистая система: анатомо-физиологические особенности, методы исследования и семиотика основных поражений Учебно-методическое пособие Иркутск ИГМУ 2012 1 УДК ББК 57.319я73 С 32 Рекомендовано ФМС педиатрического факультета ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России в качестве...» ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО ВОЛГГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Утверждаю _ зав. кафедрой патологической физиологии, д.м.н., профессор Л.Н. Рогова МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА для студентов по проведению практических занятий дисциплины Патофизиология, патофизиология головы и шеи по специальности...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра безопасности жизнедеятельности, анатомии и физиологии ЧЕЛОВЕК Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальности 020201 Биология Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2009 Печатается по решению методического совета Горно-Алтайского государственного университета УДК 611; 591.4 ББК Авторский...»

«Донецкий национальный медицинский университет им. М.Горького Кафедра медицинской химии МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по медицинской химии для студентов первого курса международного медицинского факультета. Донецк - 2011 1 Методические указания подготовили: зав. кафедрой, доцент Рождественский Е.Ю. доцент Сидун М.С., ст. преподаватель Павленко В.И., ассистенты кафедры Игнатьева В.В., Бойцова В.Е., Бусурина З.А., Стрелецкая Л.П., Сидоренко Л.М. Методические указания утверждены на...»

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра коммунальной гигиены и гигиены детей и подростков ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К Д Е Т С К О Й ОБУВИ (учебно-методическое пособие для студентов педиатрического факультета) Иркутск, 2010 Гигиенические требования к детской обуви: Учебно-методическое пособие/ Погорелова И.Г., Попов И.П., Макарова Л.И.- Иркутск: Изд-во ИГМУ, 2010 г. Учебно-методическое пособие подготовили под редакцией зав. кафедрой профессора Игнатьевой Л.П. сотрудники кафедры...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра физиологии человека и животных РАЗВИТИЕ АМФИБИЙ Методические указания по курсу Биология индивидуального развития для студентов биологического факультета специальности 1-31 01 01 Биология МИНСК 2007 УДК 611.06 ББК 28.706 Р 17 Авторы-составители: Г. Т. Маслова, А. В. Сидоров Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 10 апреля 2007 г., протокол № 7 Рецензент кандидат биологических наук, доцент C. В. Глушен...»

«Обеспечение образовательного процесса иными библиотечно-информационными ресурсами и средствами обеспечения образовательного процесса, необходимыми для реализации заявленных к лицензированию образовательных программ Специальность Автор, наименование, место издания, издательство, год Количество Число издания экземпляров изучающих дисциплину Лечебное дело 060101 Акушерство.учеб. для студентов мед. вузов Савельева, Акушерство 537 432 Шалина, Сичинава, Панина, Курцер. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2009...»

«Пятигорский филиал Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Волгоградский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ И МИКРОБИОЛОГИИ Е.Г. ДОРКИНА ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ. ЧАСТЬ 2 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Методические указания для самостоятельной (внеаудиторной) работы студентов 1 курса (очная форма обучения) по дисциплине С2.Б.11 – МИКРОБИОЛОГИЯ Пятигорск 2013 1 УДК...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ А.Т. Епринцев, В.Н. Попов, Д.Н. Федорин ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Учебно-методическое пособие для вузов Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2008 Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 14 февраля 2008 г., протокол № Рецензент доктор биологических...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА, ЗАОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ КУРСК – 2005 УДК: 54:57 (072) ББК: 24:28 Я7 Печатается по решению редакционноиздательского совета КГМУ Пособие для самоподготовки по биологической химии...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО ВОЛГГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Утверждаю зав. кафедрой патологической физиологии, д.м.н., профессор Л. Н. Рогова МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА для студентов по проведению практических занятий дисциплины Патофизиология, патофизиология головы и шеи по специальности...»

«1 2 Н. И. Федюкович АНАТОМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов медицинских училищ, обучающихся по специальности 0406 Сестринское дело Издание второе Ростов-на-Дону Феникс 2003 ББК 28.8я723 Ф32 3 Федюкович Н. И. Ф 32 Анатомия и физиология человека: Учебное пособие. Изд. 2-е. - Ростов н/Д: изд-во: Феникс, 2003. - 416 с. В учебном пособии освещены вопросы нормальной, анатомии и физиологии человека с учетом...»

Пояснительная записка.

Предлагаемый элективный курс содержит сведения о клетке - единице живой природы, предназначен для учащихся профильных классов, проявляющих интерес к цитологии и биохимии. Предлагаемый элективный курс поддерживает и углубляет базовые знания по биологии. Изучение элективного курса поможет в выборе дальнейшего обучения и профессиональной деятельности.

Курс опирается на знания и умения, полученные учащимися при изучении биологии. В процессе занятий предполагается приобретение учащимися опыта поиска информации по предлагаемым вопросам. Учащиеся совершенствуют умения подготовки рефератов, докладов, сообщений по избранной теме, отрабатывают технику эксперимента.

Элективный курс рассчитан на 35 часов. Программой предусмотрено изучение теоретических вопросов, проведение лабораторных работ, проведение семинаров.

Цель курса. Формировать умение выявлять, раскрывать, использовать связь строения и функции клетки. Закрепить умения необходимые для проведения лабораторных работ. Привлечь учащихся к самостоятельной работе с дополнительной литературой.

Задача курса: формирование умений и навыков комплексного осмысления знаний в биологии, помощь учащимся в удовлетворении интересов, увлекающихся цитологией и биохимией.

Основная концепция курса.

1. Комплексный подход при изучении живых организмов на разных уровнях организации.

2. При рассмотрении вопросов строения клетки основное внимание уделяется формированию эволюционного мышления.

Общее количество часов - 35 часов.

Тема I. Клетка: история изучения. Клеточная теория. (3 часа)

Введение в цитологию клетки. Задачи современной цитологии. Клетка - целостная система. История изучения клеток. Создание клеточной теории. Методы изучения клетки. Параллельность в эволюции микроскопической техники и уровня цитологических исследований.

Лабораторная работа 1. Устройство микроскопа и техника микроскопирования.

Тема II. Химия клетки (8 час).

Химически элементы клетки. Особенности химического состава живого. Ионы в клетке и организме. Содержание химических соединений в клетке. Роль воды в живой системе.

Органические соединения. Химия белков. Белки - коллоиды, белки - амфотерные электролиты, белки - гидрофильные соединения. Патологические явления при отсутствии в пище белков.

При нарушении обмена нуклеопротеидов развивается падагра. Сущность этого заболевания состоит в том, что в организме откладывается большое количество солей мочевой кислоты в хрящах и других тканях. В крови повышено содержание мочевой кислоты в 2 - 3 раза и даже в 5 раз против нормы. Этот процесс сопровождается болезненностью и деформацией суставов. Отложение мочевой кислоты в почках характеризуется понижением выведения ее из организма, в результате уровень мочевой кислоты еще более повышается.

Лабораторная работа 2. Обнаружение белков в биологических объектах.

Углеводы - самые распространенные органические вещества на Земле. Связь строения углеводов с биологическими функциями. Патологии в связи с нарушением обмена углеводов в организме.

Уровень сахара в крови в норме отличается постоянством. В крови у плода составляет 35 - 115 мг%, у новорожденных - 20 - 30 мг%, у детей - 80 - 120 мг%, у взрослых - 70 - 100 мг%,у пожилых - 85 - 110 мг%. Изменение сахара в крови характеризуется определенные нарушения обмена углеводов.

Гипергликемия - состояние организма, которое характеризуется повышением уровня сахара в крови. Причинами гипергликемий могут быть физиологические (потребление больших количеств углеводов, различные эмоциональные состояния и т. д.), так и патологические факторы (сахарный диабет, хронические заболевания, опухоли мозга, психические заболевания). Формой нарушения углеводного обмена является сахарный диабет.

Лабораторная работа 3. Обнаружение углеводов в биологических объектах.

Доказать присутствие в биологических объектах углеводов - важнейших биологических веществ.

Липиды. Роль липидов в появлении определенной автономности такой биологической системы как клетка.

Лабораторная работа 4. Обнаружение липидов в биологических объектах.

Нуклеиновые кислоты. Модель Уотсона и Крика.

Лабораторная работа 5. Качественная реакция на ДНК.

Тема III. Общий план строения клеток живых организмов. (10 час.)

Мембранные органеллы клетки. Немембранные органеллы клетки. Прокариоты и эукариоты. Животная и растительная эукариотическая клетка.

Лабораторная работа 6. Особенности строения прокариот и эукариот.

Мембрана. Современная модель строения клеточной мембраны.

Цитоскелет - его компоненты и функции в разных типах клеток.

Эндоцитоз и рецепторная функция мембраны.

Крупные молекулы биополимеров практически не транспортируются через мембраны, но могут попасть внутрь клетки в результате эндоцитоза. Его разделяют на фагоцитоз и пиноцитоз. Эти процессы связаны с активной деятельностью и подвижностью цитоплазмы.

Перспективы развития мембранологии.

Лабораторная работа 7. Физиологические свойства клеточной мембраны.

Тема IV. Метоболизм. (6 часов).

Источники энергии клетки. Гетеротрофы и автотрофы. Митохондрии - энергетические станции. Схема синтеза АТФ.

Механизм фотосинтеза и хемосинтез.

Рибосомы. Типы и структуры рибосом прокариот и эукариот. Биосинтез белков. Трансляция. Регуляция транскрипции и трансляции.

Тема V. Ядерный аппарат и репродукция клеток (6 часа).

1. Понятие о хроматине. Ядро эукариотической клетки. Кариоплазма.

2. Жизненный цикл клетки. Репродукция клеток. Понятие о "стволовых клетках". "Теория стволовых клеток" - прорыв в современной биологии и медицине.

3. Старение клеток.

Рак - самое опасное заболевание человека и других живых существ.

Лабораторная работа 8. Митоз в клетках корешка лука.

Тема VI. Эволюция клетки. (2 час).

Итоговая конференция "Первичные этапы биологической эволюции на Земле".

Теория эволюции прокариот и эукариот.

Тематическое планирование элективного курса " Загадки живой клетки".

Тема	Число
Тема 1. Клетка: история изучения (3 часа) 1. История клетки. Введение в цитологию. 2. Создание клеточной теории. Методы изучения клетки. 3. Л. р. № 1. Устройство микроскопа и техника микроскопирования.
Тема 2. Химия клетки. (8 часов) 1. Химические элементы клетки. Роль воды в живой системе. 2. Химия белков. Л.р. №2. Доказательство белков как биокатализаторов (ферментов) 3. Патологические явления при отсутствии в пище белков. 4. Л.р. № 3. Обнаружение белков в биологических объектах. 5. Углеводы - самые распространенные органические вещества на Земле. 6.Л.р. № 4. Обнаружение углеводов в биологических объектах. 7.Липиды. Л.р. № 5. Обнаружение липидов в биологических объектах. 8. Н.К. Л.р. № 6. Качественная реакция на ДНК.
Тема 3. (10 часов). 1.Мембрана. Современная модель строения клеточной мембраны. 2.Цитоскелет - его компоненты и функции в разных типах клеток. 3.Мембранный транспорт. 4.Эндоцитоз и рецепторная функция мембран. 5 - 6.Мембранные органеллы. 7 - 8.Немембранные органеллы клетки. Л.р.№7. Особенности строения прокариот и эукариот 9.Л.р. № 8.Физиологические свойства клеточной мембраны. 10.Семинар.
Тема 4. Метоболизм (6 часов). 1.Источники энергии клетки. Гетеротрофы и автотрофы. 2.Схема синтеза АТФ. Митохондрии - энергетические станции. 3. Механизм фотосинтеза. Хемосинтез. 5. Биосинтез белков. Семинар. 6.Семинар.
Тема 5. 1.Понятие о хроматине. Ядро эукариотической клетки. Кариоплазма. 2.Жизненный цикл клетки. Репродукция клеток. 3.Теория стволовых клеток. 4.Старение и смерть. 5.Л.р. № 9.Митоз в клетках корешка лука. 6.Семинар.
Тема 6.Эволюция клетки (2 часа).Семинар. 1-2. Итоговая конференция "Первичные этапы биологической эволюции на Земле".

Лабораторная работа. Тема. Устройство световых микроскопов и техника микроскопирования.

Цель. На основе знаний устройства светового микроскопа освоить технику микроскопирования и приготовления временных микропрепаратов. Ознакомиться с правилами оформления лабораторной работы.

Оборудование . Микроскоп на каждого ученика. Предметные и покровные стекла, пипетки, стаканчики с водой, вата, пинцеты, ножницы, тетрадь, альбом. Схема устройства микроскопа и его частей.

Ход работы.

Рассмотрите основные части микроскопа: механическую, оптическую и осветительную.

К механической части относятся штатив, предметный столик, тубус, револьвер, макро- и микрометрические винты.

Оптическая часть микроскопа представлена окулярами и объективами. Окуляр (лат.okulus -глаз) находится в верхней части тубуса и обращен к глазу.

Это система линз, заключенных в гильзу. По цифре на верхней поверхности окуляра можно судить о кратности его увеличения (х 7, х 10, х 15). Окуляр можно вынуть из тубуса и заменять по мере необходимости. На противоположной стороне тубуса вращающая пластина, или револьвер (лат. rewolvo) - вращаю), в которой три гнезда для объективов. Объектив - система линз, они имеют различную кратность. Различают объектив малого увеличения (х 8), объектив большого увеличения (х 40) и иммерсионный объектив для изучения мелких объектов (х 90).

Общее увеличение микроскопа равно увеличению окуляра, умноженному на увеличение объектива.

Осветительная часть состоит из зеркала, конденсора и диафрагмы.

Конденсор находится между зеркалом и предметным столиком. Он состоит из двух линз. Для перемещения конденсора существует винт, расположенный кпереди от микроскопа и макрометрического винта. При опускании кондесора освещенность уменьшается, приподнимании увеличивается. Меняя положение пластинок диафрагмы, с помощью специальной ручки можно регулировать освещение.

Задание. Зарисовать микроскоп и пометить его части.

Правила работы с микроскопом.

1.Установить микроскоп штативом к себе, предметным столиком от себя.

2.Поставить в рабочее положение объектив малого увеличения.

3.Глядя в окуляр левым глазом, вращайте зеркало в разных направлениях, пока поле зрения не будет освещено ярко и равномерно.

4.Положите на предметный столик приготовленный препарат (покровным стеклом вверх), чтобы объектив находился в центре отверстия предметного столика.

5.Под контролем зрения медленно опустить тубус с помощью макровинта, чтобы объектив находился на расстоянии 2мм от препарата.

6.Смотреть в окуляр и медленно поднимать тубус, пока не появится изображение объекта.

7.Для того чтобы перейти к рассмотрению объекта при большом увеличении микроскопа, надо отцентрировать препарат, т.е. поместить объект в центр поля зрения.

8.Вращая револьвер, перевести в рабочее положение объектив большого увеличения.

9.Опустить тубус под контролем глаза (смотреть не в окуляр, а сбоку) почти до прикосновения с препаратом.

10.Глядя в окуляр, медленно поднимать тубус, пока не появится изображение.

11.Для тонкой фокусировки использовать микроскопический винт.

12.При зарисовке препарата смотреть в окуляр левым глазом.

Задание. Переписать правила работы с микроскопом в тетрадь для лабораторных работ.

Методика приготовления временного препарата.

1.Взять предметное стекло, держа его за боковые грани, положить на стол.

2.Поместить в центр стекла объект, например кусочки ваты длиной 1,5 см. Пипеткой нанести на объект одну каплю воды.

3.На предметное стекло положить покровное стекло.

4.Рассмотреть готовый препарат.

5.Зарисовать в альбом, как выглядят волокна ваты при малом и большом увеличении.

Микроскопирование простейших.

1.Взять воду из давно аквариума. Взять каплю вместе с веточкой водоросли или листочком ряски и смотреть в микроскоп под малым увеличением. Обычно видны разнообразные простейшие: туфельки, амебы - свободно живущие и прикрепленные к водоросли (сувойки). В воде могут быть мелкие черви и ракообразные (циклопы, дафнии). Рассматривая этот препарат, можно потренироваться в наведении микроскопа на движущиеся объекты. (То есть научиться фиксировать микроскоп).

Правила оформления лабораторной работы.

Необходимым элементом микроскопического изучения объекта является его зарисовка в альбом; иметь альбом 30х21 см и карандаш (простой и цветные).

1.Рисовать можно только на одной стороне листа.

2.До начала зарисовки вверху страницы записать название темы.

3.Рисунок должен быть крупным, детали хорошо различимы.

4.Рисунок должен правильно отображать формы; соотношение объема и размеров отдельных частей и целого.

Сначала надо нарисовать контур объекта (крупно), затем внутри контуры деталей, и после этого четко вырисовать их.

5.Рисовать, четко повторяя все линии объекта. Для этого надо не отрывать глаз от микроскопа, а только переключать внимание с объекта на рисунок (этому надо учиться).

6.К каждому рисунку надо дать обозначение частей. Все надписи должны быть параллельны друг другу. К отдельным частям объекта ставят стрелочки, против каждой писать название. Для выполнения лабораторных работ надо иметь альбом и тетрадь для записи текстового материала и выполнения схем.

Лабораторная работа. Тема. Особенности строения клеток прокариот и эукариот. Клетки растений и животных.

Цель. На основе изучения клеток бактерий (прокариот), растений и животных (эукариот), обнаружить основные черты сходства в строении бактерий, животных и растений как показатель единства организации живых форм.

Оборудование.

1.Микроскоп.

2.Предметные стекла и покровные.

3.Пипетки, стаканы с водой, пинцеты, скальпели, настой йода, водный раствор туши.

4.Фуксин, метиленового синего, настой мяса, рыбы или овощей, пленка лука.

Таблица строения бактериальных, растительных и животных клеток.

Ход работы.

1.Заранее приготовить настой из различных продуктов: мяса, рыбы, белка яйца.

2.Небольшое количество материала измельчить и поместить в колбу, добавить на кончик скальпеля мела. Залить водой на 2/3 объема.

3.Колбу с настоем выдержать в тепле (темнота) 3 - 5 дней. За это время в среде накапливается много разнообразных бактерий.

4.На предметное стекло поместить каплю настоя. Препарат рассмотреть, пользуясь объективом х 40, но можно попробовать и х 90. (Временный препарат готовят по правилам, представленным в предыдущей работе).

5.Добавить каплю туши. На общем фоне клетки бактерий неокрашенные.

6.Зарисовать клетки бактерий.

7.Приготовить временные препараты растительной и животной клеток.

От кусочка луковицы отделить мясистую чешуйку. На внутренней стороне находится тонкая пленка. Снять пленку, отрезать. Положить на предметное стекло, набрать пипеткой раствор йода, капнуть на пленку, накрыть покровным стеклом. Рассмотреть при малом увеличении. Крупные округлые ядра в клетках окрашены йодом в желтый цвет.

Перевести на большое увеличение и найти оболочку клетки. В ядре можно заметить 1 -2 ядрышка, иногда видна зернистая структура цитоплазмы.

Неокрашенные пустоты в цитоплазме клеток представляют собой вакуоли.

8.Зарисовать несколько клеток. Обозначить: 1)оболочку; 2)цитоплазму; 3)ядро; 4) вакуоли (если они видны).

Можно приготовить препарат листа элодеи. Можно увидеть хлоропласты - пластиды зеленого цвета. Ядра в неокрашенных клетках не видны.

9.Клетки животного можно рассмотреть на готовом препарате. Зарисовать. На рисунке должны быть обозначены: 1)оболочка; 2)цитоплазма; 3)ядро.

10.Провести совместное обсуждение.

Какие положения клеточной теории можно подтвердить результатами проведенной работы?

Лабораторная работа. Тема. Обнаружение белков в биологических объектах.

Цель. Доказать присутствие в биологических объектах белков.

Оборудование.

Штатив с пробирками, пипетка, водяная баня, капельница.

Раствор яичного белка, 10% - ный раствор NaOH, 1% сульфата меди, нингидрин (0,5% - ный водный раствор), азотная кислота (концентрированная).

Биуретовая реакция на определение пептидной связи. Метод основан на способности пептидеой связи в щелочной среде образовывать с сульфатом меди окрашенные комплексные соединения.

Ход работы.

1.В пробирку внести 5 капель 1% - го яичного белка (белок фильтруют через марлю, затем разводят дистиллированной водой 1:10), три капли 10% раствора гидроксида натрия и 1 каплю 1% раствора сульфата меди и перемешивают.

Содержимое пробирки приобретает сине - фиолетовое окрашивание.

Нингидриновая реакция. Белки, полипептиды и свободные аминокислоты дают с нингидрином синее или фиолетовое окрашивание.

Ход работы.

1.Взять 5 капель 10% раствора яичного белка, прилить 5 капель 0,5% - го водного раствора нингидрина и нагреть.

Через 2 -3 мин развивается розовое или сине - фиолетовое окрашивание.

Ксантопротеиновая реакция (греч. xantos - желтый). С помощью этой реакции в белке обнаруживают циклические аминокислоты, которые имеют в составе бензольные кольца (триптофан, тирозин и другие).

Ход работы.

1.5 капель 1% - го раствора яичного белка, добавить 3 капли концентрированной азотной кислоты (осторожно) и нагреть. После охлаждения в пробирку добавить 5 - 10 капель 10% - го раствора едкого натра до появления оранжевого окрашивания (оно связано с образованием натриевой соли этих нитросоединений).

Лабораторная работа. Тема. Обнаружение углеводов в биологических объектах.

Цель. Доказать присутствие углеводов в биологических объектах.

Оборудование. Штатив с пробирками. Пипетки, водяная баня.

1% раствор крахмала, 1% раствор сахарозы, 1% раствор фруктозы, 1% раствор йода, растворенного в иодиде калия, нафтол, растворенного в 50 мм спирта (перед употреблением разведенного в 5 раз водой), 1% спиртовой раствор, тимол.

Серная кислота концентрированная, реактив Селиванова: 0,5 г резорцина, растворенного в 100 мл 20% соляной кислоты

Обнаружение крахмала.

Ход работы.

1.В пробирку внести 10 капель 1% - го раствора крахмала и одну каплю 1% раствора йода в иодиде калия.

Наблюдается сине - фиолетовое окрашивание.

Обнаружение углеводов.

С помощью реакции с нафтолом или тимолом обнаруживаются незначительные количества углеводов или углеводные компоненты в сложных соединениях.

Ход работы.

1.В две пробирки внести по 10 капель 1% - го раствора сахарозы.

В одну добавить 3 капли 1% спиртового раствора нафтола. В другую пробирку - 3 капли 1% спиртового раствора тимола. В обе (осторожно) налить 0,5 мл концентрированной серной кислоты и на границе двух жидкостей наблюдать фиолетовое окрашивание в пробирке с нафтолом и красное в пробирке с тимолом.

Обнаружение фруктозы (реакция Селиванова).

Фруктоза при нагревании с соляной кислотой и резорцином дает вишнево - красное окрашивание.

Ход работы.

1.В пробирку налить 10 капель реактива Селиванова 2 капли 1% - го раствора фруктозы и осторожно нагреть (появится красное окрашивание).

Лабораторная работа. Тема. Обнаружение липидов в биологических объектов.

Цель. Доказать присутствие липидов в биологических объектах.

Оборудование.

1.Штатив с пробирками, водяная баня, пипетка, стеклянные стаканчики, палочки, марля.

2.Летицин, спиртовой раствор (желток куриного яйца), холестерин,1% - ный хлороформный раствор, концентрированная серная кислота, ацетон.

Обнаружение лецитина.

Лецитин относится к группе фосфолипидов, входит в состав клеточных оболочек. Составляет основную массу мозговой ткани.

Ход работы.

1.В сухую пробирку налить 10 капель ацетона; в стаканчик положить? желтка куриного яйца.

Помешивая палочкой, по каплям прилить 40 мл горячего спирта.

Когда раствор остынет, отфильтровать его в сухую пробирку. Фильтрат должен быть прозрачным. Реактив надо готовить перед употреблением. Выпадает белый осадок.

Обнаружение холестерина.

Холестерин - жироподобное вещество, для организма имеет большое значение. Входит в мембраны многих органов и тканей, является предшественником желчных кислот, витамина D, половых гормонов, гормонов коры надпочечников. В основе реакции лежит его способность отдавать воду и конденсироваться в окрашенные соединения.

Ход работы.

1.В сухую пробирку налить 10 капель 1% - го хлороформного раствора холестерина и (осторожно) по стенке сосуда налить 0,5 мл концентрированной серной кислоты. Встряхнуть (осторожно). Появляется красно - оранжевое окрашивание верхнего хлороформного слоя.

Лабораторная работа. Тема. Доказательства функционирования белков как биокатализаторов (ферментов).

Цель. Доказать каталитическое действие белков - ферментов, показать их высокую специфичность, наивысшую активность в физиологической среде.

Оборудование. Штатив с пробирками, пипетки на 1 мл, водяная баня, термостат.

1% раствор крахмала, раствор сахарозы, 1% - ный раствор йода в иодиде калия, 5% раствор сульфата меди, 10% раствор гидроксида натрия, 2% раствор сахарозы, 0,2% раствор соляной кислоты.

Ход работы.

1.Ферментативный гидролиз крахмала.

В качестве фермента, гидролизующего крахмал на его составные части (мальтозу, глюкозу), выступает амилаза слюны. Оценка результатов опыта проводится с помощью цветных реакций с йодом реакции Троммера.

Негидролизованный крахмал дает синее окрашивание с йодом и отрицательную реакцию Троммера. Продукты гидролиза крахмала не дают реакции с йодом, но положительно реагируют на реактив Троммера.

1.В две пробирки налить по 10 капель 1% - го раствора крахмала.

2.В одну из них (пробирка № 1) внести 4 капли воды (контроль).

Во вторую (пробирка № 2) внести 4 капли раствора слюны, развести в 5 раз слюну.

3.Перемешать и поставить на водяную баню или термостат на 15 мин. при 37 град.С.

4.Из пробирки взять 4 капли исследуемого вещества и внести в 2 разные пробирки.

5.В одну добавить одну каплю 1% - ного раствора йода в иодиде калия.

В другую добавить одну каплю 5% -ного раствора сульфата меди и 4 капли 10% - ного раствора гидроксида натри и осторожно нагреть до кипения (реакция Троммера).

6.Точно также выполняем с содержимым пробирки № 2. Результат должен показать, что в присутствии воды гидролиза крахмала не происходит и реакция с йодом должна быть положительной. Реакция Троммера - отрицательной (гидроксид оксида меди - голубой цвет). В присутствии амилазы слюны результаты должны быть противоположными, так как произошел гидролиз крахмала.

Нет реакции с йодом и произошло окрашивание в кирпично - красный цвет (оксид меди I) в реакции Троммера.

II. Специфичность действия ферментов.

Каждый фермент действует только на одно вещество или группу сходных субстратов. Это обусловлено соответствием структуры фермента, его активного центра и структуры субстрата. Например, амилаза действует только на крахмал.

Приготовление сахарозы.

1.100 г дрожжей растереть и залить водой (400мл). Через 2ч отфильтровать и хранить в холодильнике.

2.В две пробирке (№ 1 и № 2) внести по 10 капель 1% - ного раствора крахмала.

В пробирки № 3 и № 4 внести по 10 капель 2 % - ного раствора сахарозы.

3.В пробирки № 1 и № 3 добавить 4 капли раствора слюны, разведенной в 5 раз.

В пробирки № 2 и № 4 внести 4 капли сахарозы.

4.Перемешать и оставить в термостате на 15 мин при температуре 37 град. С.

5.Затем с содержимым всех четырех пробирок проделать реакции с йодом и Троммера

Определение специфичности действия ферментов

В выводах надо отметить, в какой пробирке и при каких условиях обнаружено действие ферментов и почему.

III. Влияние pH среды на активность ферментов.

Для каждого фермента существует определенное значение реакции среды, при котором он проявляет наивысшую активность. Изменение pH среды вызывает снижение или полное торможение деятельности фермента.

1.В 8 пробирок прилить по 1 мл дистиллированной воды.

2.В пробирку № 1 внести 1 мл 0,2 % - го раствора соляной кислоты. Перемешать.

3.Отобрать из пробирки № 1 один мл смеси и перенести в пробирку № 2. Перемешать, отлить 1 мл и перенести в пробирку № 3 и т. д.

4.Из пробирки № 8 отобрать 1 мл и вылить. Получим различные pH среды.

4.В каждую пробирку добавить по 2 мл 1% - го раствора крахмала и по 1 мл раствора слюны, разведенного 1: 10.

5.Пробирки встряхнуть и поставить в термостат на 15 мин при 37 град. С.

6.Охладить и добавить во все пробирки по одной капле 1% - го раствора йода в йодиде калия.

Полный гидролиз произойдет в пробирках № 5 и № 6, где pH среды раствора находится в пределах 6,8 - 7,2, т.е. оптимальных для действия амилазы.

Лабораторная работа. Тема. Выделение дезоксинуклеопротеида из ткани селезенки (печени). Качественная реакция на ДНК.

Цель. Доказать, что в большом количестве нуклеиновые кислоты содержаться в виде соединения с белками (дезоксинуклопротеид - ДНП), в тканях, богатых ядрами (селезенка, зобная железа).

Оборудование. Штатив с пробирками, ступка с пестиком, стеклянный порошок, пипетка, кристаллизатор, мерные цилиндры на 50 мл и 300 мл, пипетки вместимостью 1 мл, деревянные палочки с насечками, водяная баня, марля для фильтрования, хлорид натрия, 5 % - ный раствор, содержащий 0,04 % трехзамещенного нитрата натрия, 0,4 % - ный раствор гидроксида натрия, дифениламиновый реактив (1 г дифениламина растворить в 100 мл ледяной уксусной кислоты. К раствору прибавить 2,75 мл концентрированной кислоты)., селезенка (печень свежая или мороженая. РНК дрожжевая, свежеприготовленный 0,1 % раствор.

Ход работы.

1.Выделение дезоксинуклеопротеида (ДНП) из ткани селезенки (печени).

Метод основан на способности ДНП растворяться в солевых растворах большой ионной силы и выпадать в осадок при снижении их концентрации.

2 - 3 г ткани селезенки тщательно растереть в ступке со стеклянным порошком, постепенно приливая 35 - 40 мл раствора хлорида натрия.

Полученный вязкий раствор профильтровать через два слоя марли в кристаллизатор. Цилиндром отмерить шестикратный (по отношению к фильтрату) объем дистиллированной воды и медленно вылить в фильтрат.

Образовавшиеся нити ДНП осторожно наматывать на деревянную палочку, перенести в пробирку для использования.

2.Качественная реакция на ДНК.

Метод основан на способности дезоксирибозы, которая входит в ДНК дезоксирибонуклеопротеида, образовывать соединения синего цвета с дифениламином при нагревании в среде, которая содержит смесь ледяной уксусной кислоты и концетрированной серной кислот.

С рибозой РНК аналогичная реакция дает зеленое окрашивание.

К 1/4 части осадка ДНП прилить 1 мл 0,4 % - го раствора гидроксида натрия (до растворения). Добавить 0,5 % мл дифениламинового реактива. Содержимое пробирки перемешать и поставить на кипящую водяную баню (15 - 20 мин).

Аналогичную реакцию выполнить в другой пробирке с 1 мл раствора РНК.

Отметить характерное окрашивание.

Лабораторная работа. Тема. Физиологические свойства клеточной мембраны.

Цель. Показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза, а также ознакомиться с плазмолизом клетки - процессом отделения протопласта (содержимого клетки) от клеточных стенок.

Оборудование.

Микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, фильтровальная бумага, пипетки, тушь.

Культура инфузорий или культура ткани на питательной среде, культура амеб, кусочки растения элодеи.

Растворы хлористого калия, растворы хлористого кальция, хлористого магния, 2 % - ный раствор альбумина, 10 % - ный раствор хлорида натрия, дистиллированная вода.

Ход работы.

1.В слабый раствор хлорида натрия или калия поместить инфузории или кусочки культивируемой ткани.

2.Приготовить препарат для микроскопа.

3.Можно увидеть сморщивание клеток, указывает на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду.

4.Перенести клетки в каплю дистиллированной воды или оттянуть из - под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и заменить его на дистиллированную воду. Пронаблюдать, как клетки набухают, так как в них поступает вода.

5.Поместить инфузории или кусочки культивируемой ткани в раствор хлорида кальция или хлорида магния небольшой концентрации.

Инфузории и культивируемые клетки продолжают жить. Ионы кальция и магния понижают проницаемость клеточной оболочки. Передвижение воды через оболочку не происходит.

6.Поместить амеб в каплю 2 % - го раствора альбумина (белок куриного яйца).

Приготовить препарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб образовываются пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб "кипит". Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны.

Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы, которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно. Это говорит о том, что капельки жидкости вместе с растворимым в ней веществом захватывается быстро. Пиноцитоз вызывают вещества, которые понижают поверхностное натяжение клеточной оболочки. Например, аминокислоты, некоторые соли.

7.В каплю жидкости, в которой находятся амебы, ввести немного туши. Приготовить препарат. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии (ложноножки).

Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму.

Под микроскопом наблюдается явление фагоцитоза у амебы.

Основные требования.

Учащиеся должны знать:

1.устройство микроскопа и работа с ним;

2. положение клеточной теории;

3.сходство и различие растительной и животной клеток;

4.роль химических веществ и соединений в клетке;

5.основные компоненты и органоиды клетки;

6.особенности прокариот и эукариот;

7.патологию обмена белков, углеводов;

8.значение отдельных минеральных элементов.

Учащиеся должны уметь:

1.работать с микроскопом;

2.называть основные части клетки, "узнавать" их на схеме, фотографии;

3.изготовлять простейшие препараты для микроскопического исследования;

4.правильно оформлять лабораторные работы;

5.самостоятельно работать с дополнительной литературой и использовать современные технологии.

Литература для учителя.

1.Вельш У., Шторх Ф. Введение в цитологию. Перевод с нем. М. Мир, 1986 г.

2.Заварзин А.А. и другие. Биология клетки. - изд. СпбГУ, 1992 г.

3.Свенсон К., Уэбстер П. - М. Мир, 1982 г.

4.Лямб М. Биология старения - М. Мир, 1980 г.

5.Маркосян А.А. Физиология - М. Медицина, 1968 г.

6.Либерман Е.А. Живая клетка. М.Мир, 1985 г.

7.М.В.Ермолаев Биологическая химия. Москва "Медицина", 1984 г.

8.Общая биология. А.О. Рувинский Москва "Просвещение", 1993 г.

Литература для учащихся.

1.Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология.

2.Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки. М.Мир, 1982 г.

3.Либерман Е.А. Живая клетка. М. Мир, 1987 г.

4.Кемп П., Армс К. Введение в биологию.

Основной аспект при изучении курса должен быть направлен на активную работу учеников в классе в форме диалога учитель - ученик, активного обсуждения в форме ученик - ученик, ученик - учитель.

Цель работы: показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза.

Оборудование: микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, стаканчики для воды и растворов, фильтровальная бумага, пипетки, тушь. Культура инфузорий, амеб, лист элодеи. Растворы NaCl илиKCl, растворыCaClилиMgCl, 2%-ный раствор альбумина, 10%-ный раствор NaCl, дистиллированная вода.

Ход работы:

В слабый раствор NaCl или KClпоместите инфузории. Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Можно увидеть сморщивание клеток, указывающее на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду. Перенесите клетки в каплю дистиллированной воды или оттяните из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и замените его на дистиллированную воду. Пронаблюдайте, как клетки набухают вследствие поступления в них воды.

Поместите инфузорий в раствор CaClилиMgClнебольшой концентрации (такой же, как и предыдущий раствор). Инфузории продолжают жить, каких-либо деформаций не наблюдается. ИоныCaиMgпонижают проницаемость клеточной оболочки, в противоположность ионам Na иK. Передвижения воды через оболочку не происходит.

Поместите амеб в каплю 2%-ного раствора альбумина (белок куриного яйца). Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб начинают образовываться пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны. Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы. Которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно, что говорит о быстром захвате капельки жидкости вместе с растворимым в ней веществом.

Поместите амеб в раствор сахара. Пиноцитоз отсутствует. Пиноцитоз вызывают лишь вещества, понижающие поверхностное натяжение клеточной оболочки, например аминокислоты, некоторые соли. В каплю жидкости, в которой находятся амебы, введите немного мелкорастертой туши. Приготовьте препарат для микроскопа. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии. Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, затем медленно окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму. Под микроскопом наблюдайте явление фагоцитоза у амебы.

В цитоплазме клеток элодеи видно множество округло-овальных телец зеленого цвета – это хлоропласты. Рассмотрите клетки вблизи центральной жилки листа. В них можно обнаружить движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок. Если движение малозаметно, подогрейте препарат под электролампой.

Зарисуйте все, что вы видели на микропрепаратах. Обсудите в группах увиденные процессы, попробуйте дать им объяснение.

Лабораторная работа выявление ароморфозов и идиоадаптаций у растений и животных

Цель работы: показать на конкретных примерах происхождение крупных систематических групп путем ароморфоза, познакомиться с примерами возможных идиоадаптаций организмов (дегенераций), раскрыть влияние деятельности человека на главные направления органической эволюции

Оборудование: гербарии растений (мох, подорожник, хвойные, покрытосеменные), растения с колючками, ворсом (верблюжья колючка, шиповник), рисунки клюва и ног птиц, животных с покровительственной (маскирующей) окраской, рыбы-ската.

Ход работы:

Анализируя основные особенности споровых, голосеменных и покрытосеменных растений, понять ароморфозы растений

Определить идиоадаптацию по колючке растений и железистым волокнам

Разобрать примеры идиоадаптации: строение клюва и ног птиц, обитающих в различных условиях среды

Выявить причины идиоадаптации в строении рыбы-ската

Пояснительная записка

Предлагаемый элективный курс содержит сведения о клетке – элементарной единице живой природы – и предназначен для учащихся профильных классов, проявляющих интерес к цитологии и биохимии. Предлагаемый элективный курс поддерживает и углубляет базовые знания по биологии. Изучение элективного курса поможет в выборе дальнейшего обучения и профессиональной деятельности.

Курс опирается на знания и умения, полученные учащимися при изучении биологии. В процессе занятий предполагается приобретение учащимися опыта поиска информации по предлагаемым вопросам. Учащиеся совершенствуют умения подготовки рефератов, докладов, сообщений по избранной теме, отрабатывают технику эксперимента.

Элективный курс рассчитан на 35 ч. Программой предусмотрено изучение теоретических вопросов, проведение семинаров и лабораторных работ.

Цель курса: углубленное изучение строения и свойств клетки, необходимое для комплексного осмысления биологических фактов, явлений и процессов.

Задачи курса: формирование умения выявлять, раскрывать, использовать связь строения и функции клетки при рассмотрении биологических процессов и явлений; закрепление навыков и умений, необходимых для проведения лабораторных работ; привлечение учащихся к самостоятельной работе с дополнительной литературой; стимулирование познавательной деятельности учащихся, интересующихся цитологией и биохимией; формирование умений и навыков комплексного осмысления знаний в биологии.

Основная концепция курса: использование комплексного подхода при изучении организмов на разных уровнях организации, формирование эволюционного мышления.

В результате изучения курса учащиеся должны знать:

– устройство микроскопа и приемы работы с ним;
– положения клеточной теории;
– сходство и различия растительной и животной клеток;
– роль различных химических соединений в клетке;
– основные компоненты и органоиды клетки;
– особенности строения клеток прокариот и эукариот;
– нарушения обмена белков, углеводов;
– значение отдельных минеральных элементов.

Учащиеся должны уметь:

– работать с микроскопом;
– называть основные части клетки, узнавать их на схемах, фотографиях;
– изготовлять простейшие препараты для микроскопического исследования;
– правильно оформлять лабораторные работы;
– самостоятельно работать с дополнительной литературой и использовать современные технологии.

Статья опубликована при поддержке электронного курса подготовки к ЕГЭ по математике. ЕГЭ по математике базовый уровень и профильный уровень. Видео-лекции, онлайн-презентации и удобные тесты для подготовки к ЕГЭ 2016. Быстрая и эффективная подготовка к ЕГЭ по математике для поступления в ведущие ВУЗы России. Подробнее смотрите на сайте, который располагается по адресу: "егэ-по-математике.онлайн".

Тема 1. Клетка: история изучения (3 ч)

Урок № 1. Введение в цитологию клетки. Клетка – целостная система. История изучения клеток. Задачи современной цитологии.

Урок № 2 . Создание клеточной теории. Методы изучения клетки. Параллелизм в эволюции микроскопической техники и уровня цитологических исследований.

Урок № 3 . Лабораторная работа № 1. «Устройство микроскопа и техника микроскопирования».

Тема 2. Химия клетки (8 ч)

Урок № 1. Химические элементы в составе клетки. Особенности химического состава живого. Ионы в клетке и организме. Содержание химических соединений в клетке. Роль воды в живой системе.

Урок № 2 . Органические соединения. Химия белков. Белки – коллоиды, белки – амфотерные электролиты, белки – гидрофильные соединения.

Лабораторная работа № 2. «Доказательство биокаталитической функции белков-ферментов».

Урок № 3 . Незаменимые аминокислоты. Патологические явления при отсутствии в пище белков и нарушениях белкового обмена.

Урок № 4 . Лабораторная работа № 3. «Обнаружение белков в биологических объектах».

Урок № 5 . Углеводы – самые распространенные органические вещества на Земле. Связь строения углеводов с биологическими функциями. Патологии, связанные с нарушением обмена углеводов в организме: уровень сахара в крови в норме и при патологиях, гипер- и гипогликемия, сахарный диабет.

Урок № 6 . Лабораторная работа № 4. «Обнаружение углеводов в биологических объектах».

Урок № 7 . Липиды. Роль липидов в появлении определенной автономности такой биологической системы, как клетка.

Лабораторная работа № 5. «Обнаружение липидов в биологических объектах».

Урок № 8 . Нуклеиновые кислоты. Модель Уотсона и Крика.

Лабораторная работа № 6. «Выделение дезоксинуклеопротеида из ткани селезенки (печени). Качественная реакция на ДНК».

Тема 3. Общий план строения клетки (10 ч)

Урок № 1 . Мембрана. Современная модель строения клеточной мембраны. Клеточная стенка, гликокаликс.

Урок № 2 . Цитоскелет, его компоненты и функции в клетках разных типов.

Урок № 3 . Мембранный транспорт.

Урок № 4 . Эндоцитоз и рецепторная функция мембраны.

Уроки № 5–6 . Мембранные органеллы клетки.

Уроки № 7–8. Немембранные органеллы клетки. Прокариоты и эукариоты. Животная и растительная эукариотическая клетка.

Лабораторная работа № 7. «Особенности строения прокариот и эукариот».

Урок № 9 . Лабораторная работа № 8. «Физиологические свойства клеточной мембраны».

Урок № 10 . Семинар. Перспективы развития мембранологии.

Тема 4. Метаболизм (6 ч)

Урок № 1 . Источники энергии клетки. Гетеротрофы и автотрофы.

Урок № 2 . Митохондрии – энергетические станции клетки. Схема биосинтеза АТФ.

Урок № 3 . Механизм фотосинтеза. Хемосинтез.

Урок № 4 . Биосинтез белков. Структура гена. Транскрипция.

Урок № 5 . Рибосомы. Типы и структуры рибосом прокариот и эукариот.

Урок № 6 . Трансляция. Регуляция транскрипции и трансляции. Эпигенетические факторы.

Тема 5. Ядерный аппарат и репродукция клеток (6 ч)

Урок № 1 . Понятие о хроматине. Ядро эукариотической клетки. Кариоплазма.

Урок № 2 . Жизненный цикл клетки. Репродукция клеток.

Урок № 3 . Понятие о стволовых клетках.

Урок № 4 . Старение и смерть клеток. Некроз и апоптоз. Рак.

Урок № 5 . Лабораторная работа № 9 . «Митоз в клетках корешка лука».

Урок № 6 . Семинар.

Тема 6. Эволюция клетки (2 ч)

Уроки № 1–2 . Теория эволюции прокариот и эукариот. Итоговая конференция «Первичные этапы биологической эволюции».

Лабораторная работа № 1. «Устройство светового микроскопа и техника микроскопирования»

Цель работы: на основе знаний устройства светового микроскопа освоить технику микроскопирования и приготовления временных микропрепаратов. Ознакомиться с правилами оформления лабораторной работы.

Оборудование: микроскоп на каждого ученика. Предметные и покровные стекла, пипетки, стаканчики с водой, вата, фильтровальная бумага, пинцеты, ножницы, тетрадь, альбом. Схема устройства микроскопа и его частей.

Ход работы

Рассмотрите основные части микроскопа: механическую, оптическую и осветительную.

К механической части относятся: штатив, предметный столик, тубус, револьвер, макро- и микрометрические винты.

Оптическая часть микроскопа представлена окуляром и объективами. Окуляр (лат. okulus – глаз) находится в верхней части тубуса и обращен к глазу. Это система линз, заключенных в гильзу. По цифре на верхней поверхности окуляра можно судить о кратности его увеличения (×7, ×10, ×15). При необходимости окуляр можно вынуть из тубуса и заменить на другой. На противоположной стороне тубуса – вращающаяся пластина, или револьвер (лат. revolvo – вращаю), в которой находятся гнезда для объективов. Объектив – система линз, они имеют различную кратность. Различают объектив малого увеличения (×8), объектив большого увеличения (×40) и иммерсионный объектив для изучения мелких объектов (×90). Общее увеличение микроскопа равно увеличению окуляра, умноженному на увеличение объектива.

Осветительная часть состоит из зеркала, конденсора и диафрагмы.

Конденсор находится между зеркалом и предметным столиком. Он состоит из двух линз. Для перемещения конденсора предназначен специальный винт. При опускании конденсора освещенность уменьшается, при поднимании – увеличивается. Меняя положение пластинок диафрагмы, с помощью специальной ручки можно также регулировать освещение.

Задание: зарисовать микроскоп и пометить его части.

Правила работы с микроскопом

1. Установить микроскоп штативом к себе, предметным столиком от себя.

2. Поставить в рабочее положение объектив малого увеличения.

3. Глядя в окуляр левым глазом, вращайте зеркало в разных направлениях, пока поле зрения не будет освещено ярко и равномерно.

4. Положите на предметный столик приготовленный препарат (покровным стеклом вверх), чтобы он находился в центре отверстия предметного столика.

5. Под визуальным контролем (смотреть не в окуляр, а сбоку) медленно опустить тубус с помощью макровинта, чтобы объектив находился на расстоянии 2 мм от препарата.

6. Глядя в окуляр, медленно поднимать тубус, пока не появится изображение объекта.

7. Для того чтобы перейти к рассмотрению объекта при большом увеличении микроскопа, надо отцентрировать препарат, т.е. поместить объект в центр поля зрения.

8. Вращая револьвер, перевести в рабочее положение объектив большого увеличения.

9. Опустить тубус под визуальным контролем почти до соприкосновения с препаратом.

10. Глядя в окуляр, медленно поднимать тубус, пока не появится изображение.

11. Для тонкой фокусировки использовать микроскопический винт.

12. При зарисовке препарата смотреть в окуляр левым глазом.

Задание: переписать правила работы с микроскопом в тетрадь для лабораторных работ.

Методика приготовления временного препарата

1. Взять предметное стекло, держа его за боковые грани, положить на стол.

2. Поместить в центр стекла объект, например кусочки ваты длиной 1,5 см. Пипеткой нанести на объект одну каплю воды.

3. На предметное стекло положить покровное стекло. Убрать лишнюю воду кусочком фильтровальной бумаги.

4. Рассмотреть готовый препарат.

5. Зарисовать в альбом, как выглядят волокна ваты при малом и большом увеличениях.

Микроскопирование простейших

Из давно не чищенного аквариума взять каплю вместе с веточкой растения или листочком ряски и рассмотреть под микроскопом при малом увеличении. Обычно видны разнообразные простейшие: инфузории туфельки, амебы – свободно живущие и прикрепленные к водоросли (сувойки). В воде могут быть и многоклеточные организмы – мелкие черви и ракообразные (циклопы, дафнии). Рассматривая этот препарат, можно потренироваться в наведении микроскопа на движущиеся объекты.

Правила оформления лабораторной работы

Необходимым элементом микроскопического изучения объекта является его зарисовка в альбом. Для этого надо иметь альбом 21×30 см и карандаши (простой и цветные). Для записи текстового материала и выполнения схем необходима тетрадь.

1. Рисовать можно только на одной стороне листа.

2. До начала зарисовки вверху страницы записать название темы.

3. Рисунок должен быть крупным, детали хорошо различимы.

4. Рисунок должен правильно отображать формы, соотношение объема и размеров отдельных частей и целого.

Сначала надо нарисовать контур объекта (крупно), затем внутри – контуры деталей и после этого четко вырисовать их.

5. Рисовать, четко повторяя все линии объекта. Для этого надо не отрывать глаз от микроскопа, а только переключать внимание с объекта на рисунок (этому надо учиться).

6. К каждому рисунку надо дать обозначение частей. Все надписи должны быть параллельны друг другу. К отдельным частям объекта ставят стрелочки, против каждой пишется название части объекта.

Лабораторная работа № 2. «Доказательство биокаталитической функции белков-ферментов»

Цель работы: доказать каталитическое действие белков-ферментов, показать их высокую специфичность, оптимальная активность в физиологических условиях.

Оборудование: штатив с пробирками, пипетки на 1 мл, водяная баня, термостат; 1% раствор крахмала, 1% раствор йода в йодиде калия, 5% раствор сульфата меди, 10% раствор гидроксида натрия, 2% раствор сахарозы, 0,2% раствор соляной кислоты, раствор слюны, разведенной водой в 5 раз (к 1 объему слюны добавить 4 объема воды).

Ход работы

1. Ферментативный гидролиз крахмала

В качестве фермента, гидролизующего крахмал на его составные части (мальтозу, глюкозу), выступает амилаза слюны. Результаты опыта оцениваются с помощью цветных реакций – с йодом и реакции Троммера (качественная реакция на глюкозу). Негидролизованный крахмал дает синее окрашивание с йодом и отрицательную реакцию Троммера. Продукты гидролиза крахмала не дают реакции с йодом, но дают окрашивание в реакции Троммера.

Объемы можно измерять каплями: 1 капля – это приблизительно 0,2 мл.

1. Взять две пробирки (№ 1 и № 2) и в каждую внести по 10 капель 1% раствора крахмала.

2. В пробирку № 1 добавить 4 капли воды (контроль), содержимое осторожно перемешать и поставить пробирку на водяную баню или в термостат при 37 °С на 20 мин.

3. Через 5 мин в пробирку № 2 внести 4 капли разбавленного раствора слюны и тоже поставить в термостат на 20 мин,

4. После выдержки в термостате из пробирки № 1 перенести по 4 капли в 2 разные пробирки.

5. В одну из пробирок добавить 1 каплю 1% раствора йода в йодиде калия, в другую – 1 каплю 5% раствора сульфата меди и 4 капли 10% раствора гидроксида натрия и эту пробирку осторожно нагреть до кипения.

6. То же повторить с содержимым пробирки № 2.

В присутствии воды гидролиза крахмала не происходит, и в реакции с йодом должно появиться синее окрашивание крахмала, а в реакции Троммера раствор должен остаться голубого цвета. Амилаза слюны гидролизует крахмал до глюкозы: реакции с йодом нет, а в реакции Троммера происходит окрашивание сначала в желтый (образование CuOH), а затем в кирпично-красный цвет (образование Cu(OH) 2).

2. Специфичность действия ферментов

Каждый фермент действует только на одно вещество или группу сходных субстратов. Это обусловлено соответствием структуры фермента (его активного центра) и структуры субстрата. Например, амилаза действует только на крахмал, а сахараза только на сахарозу.

1. Приготовление раствора сахаразы. Взять 10 г свежих или 3 г сухих пекарских дрожжей, растереть в фарфоровой ступке с 6 мл дистиллированной воды, добавить 20 мл воды и профильтровать через вату (хранить в холодильнике).

2. Приготовление раствора амилазы. Отмеряют 50 мл дистиллированной воды и ополаскивают ею рот в 2–4 приема в течение 3–5 мин. Собранную жидкость фильтруют через вату и используют в качестве раствора амилазы.

3. Взять 4 пробирки. В пробирки № 1 и № 2 внести по 10 капель 1% раствора крахмала. В пробирки № 3 и № 4 внести по 10 капель 2% раствора сахарозы. В пробирки № 1 и № 3 добавить по 5 капель раствора амилазы. В пробирки № 2 и № 4 внести по 5 капель раствора сахаразы. Перемешать и выдержать в термостате при температуре 38–40 °С 15 мин.

С содержимым всех четырех пробирок провести реакции с йодом и Троммера. Заполнить таблицу.

Таблица. Определение специфичности действия ферментов

В выводах надо отметить, в какой пробирке и при каких условиях обнаружено действие ферментов и почему.

3. Влияние pH среды на активность ферментов

Для каждого фермента существует определенное значение реакции среды, при котором он проявляет максимальную активность. Изменение pH среды вызывает снижение или полное торможение деятельности фермента.

В 8 пробирок прилить по 1 мл дистиллированной воды. В пробирку № 1 внести 1 мл 0,2% раствора соляной кислоты, перемешать. Отобрать 1 мл смеси из пробирки № 1 и перенести в пробирку № 2, перемешать, 1 мл перенести в пробирку № 3 и т.д. Из пробирки № 8 отобрать 1 мл и вылить. Получим среды с различными значениями pH. Значения pH можно проконтролировать pH-метром или по универсальной индикаторной бумаге.

В каждую пробирку добавить по 2 мл 1% раствора крахмала и по 1 мл раствора амилазы (см. выше). Пробирки встряхнуть и поставить в термостат при 37 ° С на 15 мин.

После охлаждения добавить во все пробирки по одной капле 1% раствора йода в йодиде калия. Полный гидролиз произойдет в пробирках № 5 и № 6, где pH среды раствора находится в пределах 6,8–7,2, т.е. в оптимальных для действия амилазы условиях.

Лабораторная работа № 3. «Обнаружение белков в биологических объектах»

Цель работы: доказать присутствие в биологических объектах белков.

Оборудование: штатив с пробирками, пипетка, водяная баня, капельница; раствор яичного белка; 10% раствор NaOH, 1% раствор сульфата меди, 0,5% водный раствор нингидрина; азотная кислота (концентрированная).

Ход работы

1. Биуретовая реакция для определения пептидных связей.

Метод основан на способности пептидной связи в щелочной среде образовывать с сульфатом меди окрашенные комплексные соединения.

В пробирку внести 5 капель 10% раствора яичного белка (белок фильтруют через марлю, затем разводят дистиллированной водой 1:10), три капли 10% раствора гидроксида натрия и 1 каплю 1% раствора сульфата меди и перемешать.

Содержимое пробирки приобретает сине-фиолетовое окрашивание.

2. Нингидриновая реакция.

Белки, полипептиды и свободные аминокислоты дают с нингидрином синее или фиолетовое окрашивание.

В пробирку внести 5 капель 10% раствора яичного белка, прилить 5 капель 0,5% водного раствора нингидрина и нагреть. Через 2–3 мин развивается розовое или сине-фиолетовое окрашивание.

3. Ксантопротеиновая реакция (греч. xantos – желтый). С помощью этой реакции в белке обнаруживают аминокислоты, содержащие бензольные кольца (триптофан, тирозин др.).

В пробирку внести 5 капель 10% раствора яичного белка, добавить 3 капли концентрированной азотной кислоты (осторожно) и нагреть. После охлаждения в пробирку добавить 5–10 капель 10% раствора едкого натра до появления оранжевого окрашивания (оно связано с образованием натриевой соли циклических нитросоединений).

Кристаллы в клетках растений

Лабораторная работа № 4. «Обнаружение углеводов в биологических объектах»

Цель работы: доказать присутствие углеводов в биологических объектах.

Оборудование: штатив с пробирками; пипетки, водяная баня; 1% раствор крахмала, 1% раствор сахарозы, 1% раствор фруктозы, 1% раствор йода (в растворе йодида калия); 1% спиртовой раствор нафтола, 1% спиртовой раствор тимола; серная кислота (концентрированная); реактив Селиванова (0,5 г резорцина в 100 мл 20% соляной кислоты).

Ход работы

1. Обнаружение крахмала.

В пробирку внести 10 капель 1% раствора крахмала и одну каплю 1% раствора йода в йодиде калия. Содержимое пробирки приобретает сине-фиолетовое окрашивание.

2. Обнаружение углеводов.

С помощью реакции с нафтолом или тимолом обнаруживаются незначительные количества углеводов или углеводные компоненты в сложных соединениях.

В две пробирки внести по 10 капель 1% раствора сахарозы. В одну пробирку добавить 3 капли 1% спиртового раствора нафтола. В другую пробирку – 3 капли 1% спиртового раствора тимола. В обе (осторожно) налить по 0,5 мл концентрированной серной кислоты и на границе двух жидкостей наблюдать фиолетовое окрашивание в пробирке с нафтолом и красное в пробирке с тимолом.

3. Обнаружение фруктозы (реакция Селиванова).

Фруктоза при нагревании с соляной кислотой и резорцином дает вишнево-красное окрашивание.

В пробирку налить 10 капель реактива Селиванова, 2 капли 1% раствора фруктозы и осторожно нагреть. Наблюдается красное окрашивание.

Лабораторная работа № 5. «Обнаружение липидов в биологических объектах»

Цель работы: доказать присутствие липидов в биологических объектах.

Оборудование: штатив с пробирками, водяная баня, пипетка, стеклянные стаканчики, палочки, марля; желток куриного яйца, 1% раствор холестерина в хлороформе; концентрированная серная кислота, ацетон.

Ход работы

1. Обнаружение лецитина.

Лецитин относится к группе фосфолипидов, входит в состав клеточных мембран, составляет основную массу мозговой ткани. Лецитин не растворяется в воде и ацетоне, но хорошо растворяется в этиловом спирте, эфире и хлороформе.

В стаканчик поместить часть желтка куриного яйца. Помешивая палочкой, по каплям прилить горячий этиловый спирт (из расчета 80 мл на целый желток). Спирт нагревать только на водяной бане! Когда раствор остынет, отфильтровать его в сухую колбу. Фильтрат должен быть прозрачным. Его нужно использовать сразу же.

В сухую пробирку внести 10 капель ацетона и по каплям добавить спиртовой раствор лецитина. Выпадает белый осадок.

2. Обнаружение холестерина.

Холестерин – жироподобное вещество, для организма имеет большое значение. Входит в мембраны многих органов и тканей, является предшественником желчных кислот, витамина D, половых гормонов, гормонов коры надпочечников. Реакция Сальковского основана на том, что под действием концентрированной серной кислоты происходит дегидратация холестерина с образованием холестерилена, имеющего красную окраску.

В сухую пробирку внести 15–20 капель 1% хлороформного раствора холестерина и (осторожно) по стенке сосуда добавить 0,5 мл концентрированной серной кислоты. На границе жидкостей появляется красное кольцо.

Лабораторная работа № 6. «Выделение дезоксинуклеопротеида из ткани селезенки (печени). Качественная реакция на ДНК»

Цель работы: доказать, что нуклеиновые кислоты в большом количестве содержатся в виде соединений с белками (дезоксинуклопротеиды – ДНП) в тканях, богатых ядрами (селезенка, зобная железа, печень и т.п.).

Оборудование: штатив с пробирками, ступка с пестиком, стеклянный порошок или промытый песок, кристаллизатор, мерные цилиндры на 50 мл и 300 мл, пипетки вместимостью 1 мл, деревянные палочки с насечками, водяная баня, марля для фильтрования; 5% раствор хлорида натрия (содержащий 0,04% трехзамещенного фосфата), 0,4% раствор гидроксида натрия; дифениламиновый реактив; селезенка (печень) свежая или мороженая; РНК дрожжевая, свежеприготовленный 0,1% раствор.

Ход работы

1. Выделение дезоксинуклеопротеида (ДНП) из ткани селезенки (печени).

Метод основан на способности ДНП растворяться в солевых растворах большой ионной силы и выпадать в осадок при снижении их концентрации.

В ступке с небольшим количеством стеклянного порошка тщательно растереть 2–3 г ткани, постепенно приливая раствор хлорида натрия порциями по 10–15 мл (всего расходуют около 40 мл раствора) в течение 12–15 мин.

Полученный вязкий раствор профильтровать через два слоя марли в кристаллизатор. Цилиндром отмерить шестикратный (по отношению к фильтрату) объем дистиллированной воды и, медленно помешивая деревянной палочкой, вылить в фильтрат. Образовавшиеся нити ДНП наматываются на палочку, после чего их можно перенести в пробирку для дальнейшего использования.

2. Качественная реакция на ДНК.

Метод основан на способности дезоксирибозы, которая входит в ДНК дезоксирибонуклеопротеидов, образовывать соединения синего цвета с дифениламином при нагревании в среде, которая содержит смесь ледяной уксусной и концетрированной серной кислот. С рибозой РНК аналогичный реактив дает зеленое окрашивание.

Приготовление дифениламинового реактива: 1 г дифениламина растворить в 100 мл ледяной уксусной кислоты, к раствору прибавить 2,75 мл концентрированной серной кислоты.

К 1/4 части осадка ДНП прилить 1 мл 0,4% раствора гидроксида натрия (до растворения). Добавить 0,5 мл дифениламинового реактива. Содержимое пробирки перемешать и поставить на кипящую водяную баню на 15–20 мин. Отметить характерное окрашивание.

Лабораторная работа № 7. «Особенности строения клеток прокариот и эукариот»

Цель работы: на основе изучения клеток бактерий (прокариот), растений и животных (эукариот), обнаружить основные черты сходства в строении бактерий, животных и растений как показатель единства организации живых форм.

Оборудование: микроскоп; предметные и покровные стекла; пипетки, стаканы с водой, пинцеты, скальпели, раствор йода, водный раствор туши; фуксин, раствор метиленового синего, кусочки мяса, рыбы или белок яйца, лук репчатый; таблица строения бактериальной, растительной и животной клеток.

Ход работы

1. Заранее приготовить настои из различных продуктов: мяса, рыбы, белка яйца.

Небольшое количество материала измельчить и поместить в колбу, добавить мела на кончике скальпеля. Залить водой на 2/3 объема. Колбу с настоем выдержать в тепле (в темном месте) 3–5 дней. За это время в среде накапливается много разнообразных бактерий.

2. На предметное стекло поместить каплю настоя. Препарат рассмотреть, пользуясь объективом ×40, но можно попробовать и ×90 (временный препарат готовят по правилам, описанным в предыдущей работе).

3. Добавить каплю туши. На общем фоне клетки бактерий неокрашенные.

4. Зарисовать клетки бактерий.

5. Приготовить временный препарат растительной клетки. Ядра в неокрашенных клетках не видны.

От кусочка луковицы отделить мясистую чешуйку. На внутренней стороне находится тонкая пленка, которую надо снять и отрезать. Положить кусочек пленки на предметное стекло, набрать пипеткой раствор йода, капнуть на пленку, накрыть покровным стеклом.

Можно приготовить препарат листа элодеи, в котором видны хлоропласты – пластиды зеленого цвета.

6. Рассмотреть препарат при малом увеличении. Крупные округлые ядра в клетках окрашены йодом в желтый цвет.

7. Перевести микроскоп на большое увеличение и найти оболочку клетки. В ядре можно заметить 1–2 ядрышка, иногда видна зернистая структура цитоплазмы. Неокрашенные пустоты в цитоплазме клеток представляют собой вакуоли.

8. Зарисовать несколько клеток. Обозначить: оболочку, цитоплазму, ядро, вакуоли (если они видны).

9. На готовом препарате рассмотреть животные клетки, зарисовать. На рисунке должны быть обозначены: оболочка, цитоплазма, ядро.

10. Провести совместное обсуждение. Какие положения клеточной теории можно подтвердить результатами проведенной работы?

Лабораторная работа № 8. «Физиологические свойства клеточной мембраны»

Цель работы: показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза, а также ознакомиться с плазмолизом клетки – процессом отделения протопласта (содержимого клетки) от клеточных стенок.

Оборудование: микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, фильтровальная бумага, пипетки, тушь; культура инфузорий или амеб, культура ткани на питательной среде, кусочки листьев элодеи; растворы: хлорида калия, хлорида кальция, хлорида магния,
2% раствор альбумина, 10% раствор хлорида натрия; дистиллированная вода.

Ход работы

1. В 10% раствор хлорида натрия или калия поместить инфузорий, амеб или кусочки культивируемой ткани. Приготовить препарат для микроскопа. Можно увидеть сморщивание клеток, которое указывает на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду.

2. Перенести клетки в каплю дистиллированной воды или оттянуть из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и заменить его на дистиллированную воду. Пронаблюдать, как клетки набухают, т.к. в них поступает вода.

3. Поместить инфузорий или кусочки культивируемой ткани в раствор хлорида кальция или хлорида магния небольшой концентрации. Инфузории и культивируемые клетки продолжают жить. Ионы кальция и магния понижают проницаемость клеточной оболочки. Передвижение воды через оболочку не происходит.

4. Поместить амеб в каплю 2% раствора альбумина (белок куриного яйца). Приготовить препарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб образовываются пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны. Капли жидкости окружаются выступами цитоплазмы, которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно. Это говорит о том, что капельки жидкости вместе с растворенными в ней веществами захватываются быстро. Пиноцитоз вызывают вещества, которые понижают поверхностное натяжение клеточной оболочки. Например, аминокислоты, некоторые соли.

В каплю жидкости, в которой находятся амебы, ввести немного туши. Приготовить препарат. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии (ложноножки). Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму. Под микроскопом наблюдается явление фагоцитоза у амебы.

Литература для учителя

1. Вельш У., Шторх Ф. Введение в цитологию. Перевод с нем. – М.: Мир, 1986.
2. Заварзин А.А. и др. Биология клетки. – СПб.: Изд-во СПбГУ, 1992.
3. Свенсон К., Уэбстер П. – М.: Мир, 1982.
4. Лямб М. Биология старения. – М.: Мир, 1980.
5. Маркосян А.А. Физиология. – М.: Медицина, 1968.
6. Либерман Е.А.
7. Ермолаев М.В. Биологическая химия. – М.: Медицина, 1984.
8. Рувинский А.О. Общая биология. – М.: Просвещение, 1993.

Литература для учащихся

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. В 3 т. – М.: Мир, 1993.
2. Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки. – М.: Мир, 1982.
3. Либерман Е.А. Живая клетка. – М.: Мир, 1987.
4. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. – М.: Мир, 1988.

Введение 2

1.Основные факты о строении клеточной мембраны 3

2. Общие представления о проницаемости 4

3. Перенос молекул через мембрану 4

3.1. Диффузия 5

3.2 Уравнение Фика 6

3.3 Пассивный транспорт 7

3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой 8

4. Закон Дарси 8

5. Активный транспорт 9

6. Строение и функции ионных каналов 11

Заключение 15

Список литературы 17

ВВЕДЕНИЕ

Мембранный транспорт – транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов – простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10-2, для глицерина – 10-5, для глюкозы – 10-7, а для одновалентных ионов – меньше 10-10.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток – водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт.

Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развитие тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной системы.

1. Основные факты о строении клеточной мембраны.

К клеточным мембранам относятся плазмолемма, кариолемма, мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе с белками). Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40%) и белки (60%); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10%).

Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

Основу любой молекулярной мембраны составляют молекулы липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана, в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогощена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.

Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

Первые опыты, подтверждающие это, были проведены в 1925 году.

Формирование бислоя является особым свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки. Важнейшие свойства бислоя: способность к самосборке – текучесть – ассиметричность.

2. Общие представления о проницаемости.

Xарактеристика мембран, стенок сосудов и эпителиальных клеток, отражающая способность проводить химические вещества; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную П. (фагоцитоз И пиноцитоз ); пассивная и (в ряде случаев) активная П. (крупных молекул) обеспечиваются мембранными порами, П. для низкомолекулярных веществ (например, ионов) обеспечивается специфическими мембранными структурами с участием молекул-переносчиков.

3. Перенос молекул через мембрану.

Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

3.1 Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

3.2 Уравнение Фика

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Питание, дыхание животных и растений;

Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

3.3 Пассивный транспорт

Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она дифундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют.

Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна.

Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии.

3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

4.Закон Дарси

Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) - закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Получен экспериментально. Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:

где: - скорость фильтрации, K - коэффициент фильтрации, - градиент напора. Закон Дарси связан с несколькими системами измерений. Среда с проницаемостью 1 Дарси (Д) позволяет протекать 1 см³/с жидкости или газа с вязкостью 1 сп (мПа·с) под градиентом давления 1 атм/см, действующего на площадь 1 см². 1 миллидарси (мД) равен 0,001 Дарси.

В системе измерения СИ, 1 Дарси эквивалентен 9,869233×10−13м² или 0,9869233 мкм². Такое преобразование обычно аппроксимируется как 1 мкм². Следует заметить, что это число, обратное к 1,013250 - коэффициент преобразования из атмосфер в бары.

Транспорт сквозь липидный бислой (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков

5. Активный транспорт

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Симпорт, антипорт и унипорт

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

1) Унипорт - транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

2) Симпорт - транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

3) Антипорт - перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия.

Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередью создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой.

Антипорт осуществляет, например, натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки - ионы натрия.

Работа натрий-калиевой АТФазы как пример антипорта и активного транспорта

Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na +. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.

Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na + и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na + отщепляются, а замещается на два иона K +. Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K + оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K + отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.

Более кратко действия АТФазы можно описать так:

1) Она изнутри клетки «забирает» три иона Na +, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат

2) «Выбрасывает» ионы Na + и присоединяет два иона K + из внешней среды.

3) Отсоединяет фосфат, два иона K + выбрасывает внутрь клетки

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na +, а внутри клетки - высокая концентрация K +. Работа Na +, K + - АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней - отрицательный.

6. Строение и функции ионных каналов.

Модель возбудимой мембраны предполагает регулируемый перенос ионов калия и натрия через мембрану. Однако, непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, поэтому плотность потока ионов была бы очень мала, если бы ион проходил непосредственно через липидную фазу мембраны. Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры – проводящие ионы.

Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.

Основные свойства ионных каналов:

1) селективность;

2) независимость работы отдельных каналов;

3) дискретный характер проводимости;

4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.

Рассмотрим их по порядку.

1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.

Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы натрия и калия по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы калия меняют потенциал покоя, а ионы натрия - потенциал действия.

Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы), либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит и ток через нее, будет существенно ниже, например, для натриевого канала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации.

2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, калиевые каналы могут быть включены или выключены, но ток через натриевые каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы.

Количество ионных каналов на 1 мкм поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно-меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток. Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.

Результаты экспериментов выполненных на различных ионных каналах показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Выбросы тока обусловлены одновременным открытием 2-х или 3-х каналов. Переходы между состояниями ионного канала происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.

Ионные каналы описывают характерными временами жизни открытого и закрытого состояний.

4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. На языке «ионных каналов» этот процесс происходит следующим образом. Ион-селективный канал имеет так называемый

«сенсор» -некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (см. рисунок). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания «ворот» – своеобразных заслонок, действующих по закону «все или ничего».

Структура ионного канала

Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.

«Ворота» ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала – закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.

Если ион «подходит» по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сбросить его гидратную оболочку. У «подходящего» иона сброшенная вода замещается на связи с атомами кислорода, расположенными в фильтре, у «неподходящего» иона стерическое соответствие хуже. Поэтому ему труднее пройти через фильтр и проводимость канала для него ниже.

Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов калия, натрия и кальция могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.

Заключение

Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузии веществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроницаемости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относительной растворимости в жирах.

Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные незаряженные молекулы - СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина - также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана непроницаема.

Транспорт таких молекул возможен благодаря наличию в мембранах либо белков, формирующих в липидном слое каналы (поры), заполненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диффузией, либо специфических белков-переносчиков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их перенос через мембрану (облегчённая диффузия).

Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концентрации в область большей. Этот процесс, называемый активным транспортом, осуществляется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диализа, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).

Уравнение Фика

Знак «–» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения плотности, D –коэффициент диффузии. Формула показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.).

Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части. Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость. Кальциевые каналы играют существенную роль в клетках сердца.

Список литературы

2. Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. Гистология. М.

4. Филлиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., Высшая школа, 1985.Диффузия

5. Басниев К. С., Кочина Н. И., Максимов М. В. Подземная гидромеханика. // М.: Недра, 1993, с. 41-43

6. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М., Мир, 1997