Л.П. ШУМОВА,
учитель биологии,
г. Кызыл, Республика Тыва

Обобщающий урок по теме: «Основы цитологии»

В форме игры «Что? Где? Когда?»

Цель урока: обобщение знаний о клеточном уровне жизни, знакомство с отдельными этапами развития цитологии.

Оборудование: таблицы по теме: «Основы цитологии», игровое поле, конверты с вопросами, магнитофонная запись.

В классе формируются 3 команды по 6 человек; 3 человека – статистики (подсчитывают количество баллов у команд); 2 человека – эксперты (оценивают ответы команд); остальные – болельщики.

Командам к игре нужно приготовить небольшие сообщения по темам: «Из истории цитологии», «Современные достижения в области цитологии». По ходу игры через 3–4 сектора можно делать сообщения «На научной волне».

Схема строения эукариотической клетки:
1 – вакуоли, 2 – комплекс Гольджи, 3 – клеточная стенка, 4 – липидные капельки,
5 – митохондрии, 6 – микротрубочки, 7 – поры с плазмодесмами,
8 – плазматическая мембрана, 9 – секреторные пузырьки,
10 – хлоропласты, 11 – цитоплазма, 12 – ядро

ХОД УРОКА

Учитель. Сегодня мы проводим обобщающий урок по теме: «Основы цитологии». Девизом вам будут служить слова: «Прикинем, представим, найдем». Прослушав внимательно вопрос, вы можете прикинуть, представить и найти правильный ответ на него. Итак, в путь.

На игровом поле лежат конверты с вопросами. Ведущий при помощи рулетки выбирает вопрос и зачитывает его. На обсуждение вопроса отводится одна минута. Команда, которая первой поднимет руку, отвечает на вопрос. Затем зачитывается правильный ответ. Ответы оценивают эксперты, статистики ведут учет баллов на доске. На некоторые вопросы отвечают сразу все команды.

Сектор 1

Вместе с пищей растительного и животного происхождения в организм человека поступают нуклеиновые кислоты. Могут ли нуклеотиды этих нуклеиновых кислот, использоваться организмами без химического расщепления или необходимо предварительное их расщепление на составные компоненты? (Не могут. В стенку кишечника всасываются только нуклеозиды и другие продукты деградации нуклеиновых кислот. После всасывания при отсутствии авитаминозов нуклеозиды подвергаются дальнейшему расщеплению, но могут и использоваться для синтеза нуклеотидов.)

Сектор 2

Блиц-турнир. (Команда отвечает на 3 вопроса, на обсуждение каждого вопроса – 20 секунд. Правильный ответ на все 3 вопроса оценивается 1 баллом.

1. Какие «носильщики» работают в клетке, что и куда они переносят? (т-РНК переносят аминокислоты к месту синтеза белка.)

2. Где и с помощью чего происходит перевод текстов ДНК на язык белков? (В ядре клетки информация с матрицы ДНК переписывается на и-РНК, которая затем поступает к месту синтеза белка на гранулярную ЭПС.)

3. Почему очень длинная нуклеотидная запись дает в результате сравнительно небольшие белковые молекулы? (Триплет нуклеотидов кодирует одну аминокислоту, белковая цепь сворачивается, приобретая вторичную, третичную и четвертичную структуры.)

Сектор 3

Кого из русских ученых называли «солнцепоклонником» и почему?

(«Солнцепоклонником» называли К.А. Тимирязева, он изучал процесс фотосинтеза.)

Сектор 4

Музыкальная пауза.

Сектор 5

Блиц-турнир.

1. Какие органоиды можно уподобить сборочному цеху? (Рибосомы.)

2. Какой органоид играет роль «силовой станции»? (Митохондрии.)

3. Внутри какого органоида находятся ферменты, способные расщеплять белки, жиры и углеводы? (В лизосомах.)

Сектор 6

Уважаемые знатоки! Вирусы – это неклеточные формы жизни. Они имеют настолько простое строение, что их нередко вообще не считают живыми организмами.

Каждая вирусная частица состоит из одной молекулы генетического материала (ДНК или РНК), которая окружена оболочкой, состоящей, главным образом, из белка. Все вирусы условно делят на простые и сложные. Простые вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки – капсида. Сложные – помимо белков капсида и нуклеиновой кислоты могут содержать липопротеиновую мембрану, углеводы и неструктурные белки – ферменты.

Вирусы являются возбудителями многих болезней человека, животных (грипп, полиомиелит) и растений (мозаичная болезнь табака, гороха).

1. Кем и когда были открыты вирусы? (Вирусы открыты Д.И. Ивановским в 1892 г.)

2. На каком этапе эволюции появились вирусы? Укажите последовательность возникновения в процессе эволюции: эукариоты, доклеточные структуры, вирусы, прокариоты. (Вирусы могут размножаться только в живых клетках, поэтому они должны были появиться в процессе эволюции после возникновения клетки: доклеточные структуры ––> прокариоты ––> вирусы ––> эукариоты.)

3. Почему наличие нуклеиновой кислоты не обеспечивает размножение вирусов? (Размножение вирусов возможно лишь при наличии ферментативных систем соответствующих клеток хозяина.)

Сектор 7

Почему клетку называют саморегулирующейся, самовоспроизводящейся и открытой системой?

(В клетке протекают реакции обмена веществ, обеспечивающие постоянство внутренней среды, поэтому клетка – саморегулирующаяся система. Размножение происходит путем деления с образованием дочерней клетки, которая при отсутствии мутаций неотличима от материнской. Клетка является открытой системой, т.к. она обменивается веществом и энергией с окружающей средой.)

Сектор 8

Вам предлагается тест. Выберите правильные ответы и запишите их номера. На выполнение этого задания – одна минута.

1. При гидролизе АТФ образуется АДФ и фосфат.

2. Расщепление молекулы АТФ называется окислением.

3. АТФ – адениловый нуклеотид с присоединенными к нему двумя остатками фосфорной кислоты.

4. В состав АТФ входит три остатка фосфорной кислоты.

5. Молекула АТФ содержит две макроэргические связи.

6. Расщепление молекулы АТФ называется гидролизом.

7. АТФ образуется в лизосомах.

8. АТФ образуется в митохондриях клетки.

9. Молекула АТФ содержит три макроэргические связи.

10. АТФ – это разменная энергетическая валюта клетки.

(Правильные ответы: 1, 4, 5, 6, 8, 10.)

Сектор 9

Представьте себе, что вы находитесь внутри клетки, увеличенной в миллион раз. Попробуйте описать, что вы видите вокруг себя?

(Ответ зависит от фантазии членов команды. Эксперты дают ему оценку.)

Сектор 10

Чем определяется многообразие белков и их специфичность?

(Многообразие белков определяется различным составом аминокислот и порядком их следования в цепи. Специфичность белка определяется его сложной структурой, сформировавшейся в процессе эволюции для выполнения определенной функции.)

Сектор 11

Блиц-турнир.

1. В каком органоиде клетки происходит процесс фотосинтеза? (Фотосинтез происходит в хлоропласте.)

2. В каком органоиде накапливаются продукты синтетической деятельности, которые затем поступают в цитоплазму? (Ферменты накапливаются в комплексе Гольджи.)

3. Как называется процесс поглощения мелких капель жидкости клетками? (Пиноцитоз.)

Сектор 12

Уважаемые знатоки! Вам предлагается решить задачу. Какое изменение в коде вызывает заболевание серповидно-клеточной анемией? Генетический код у вас лежит на столах. При серповидно-клеточной анемии одному из фрагментов молекулы гемоглобина соответствует следующая последовательность оснований в ДНК: АЦЦТГТАААЦААЦЦАЦГГГТГТАГТТТТ. Назовите аминокислоты и их порядок в этом фрагменте белка.

Нормальному гемоглобину соответствует следующий код в цепочке ДНК: АЦЦТГТАААЦААЦЦАЦГГГАГТАГТТТТ. Назовите аминокислоты и их порядок в этом фрагменте белка. Какое изменение в коде ДНК вызывает заболевание?

(У больных фрагмент белка: Три-Тре-Лей-Лей-Вал-Про-Тре-Сер-Лиз. У здоровых фрагмент белка: Три-Тре-Лей-Лей-Вал-Про-Сер-Сер-Лиз. Вероятно, произошла точковая мутация: аденин заменился на тимин, при этом остаток серина в нормальном белке заменился на треонин в дефектном.)

Сектор 13

Паразитические организмы, обитающие во внутренних органах позвоночных, в своем организме накапливают питательные вещества в виде гликогена, а не более энергоемких жиров. Чем это обусловлено?

(Паразиты внутренних органов позвоночных, например печеночный сосальщик, бычий цепень, живут в условиях дефицита кислорода и запасают в своем организме преимущественно гликоген, а не жиры, хотя при расщеплении жиров энергии образуется почти в два раза больше, чем при расщеплении углеводов. Это происходит потому, что для паразитов в этих условиях основным источником энергии является бескислородное расщепление глюкозы – гликолиз.)

Сектор 14

Если нанести пероксид водорода на срезы сырого и вареного картофеля, выделение кислорода наблюдается лишь на одном срезе. На каком и почему? (Кислород выделяется на срезе сырого картофеля, потому что растения имеют ферменты, разлагающие пероксид водорода. При варке ферменты денатурируют, т.е. теряют активность.)

Сектор 15

Двое студентов оперируют лягушку. Они все время смачивают открытые внутренние органы лягушки солевым раствором, и, тем не менее, через некоторое время эти органы начинают сморщиваться. Заглянув в учебник, студенты обнаруживают, что концентрация солевого раствора взята неверно: 9% вместо нужных 0,9% (именно такая концентрация соли поддерживается в клетках лягушки).

1. Объясните, почему во время операции лягушка погибла. (Вода переходила из клеток лягушки в более концентрированный внешний раствор, которым пользовались студенты. Клетки погибли, поэтому погибла и сама лягушка.)

2. Какой процесс имел здесь место? (Осмос.)

3. Участвовали ли в этом процессе молекулы-переносчики? (Нет. В данном случае для молекул воды не требуется переносчик, они свободно проходят через клеточные мембраны.)

Сектор 16

Блиц-турнир.

1. Где образуются первичные лизосомы? (В аппарате Гольджи.)

2. Как называется процесс удаления так называемых «бессмысленных» кодонов из иРНК? (Удаление интронов происходит при сплайсинге иРНК.)

3. Почему анаэробный гликолиз уступил в процессе эволюции место аэробному дыханию? (Кислородное дыхание энергетически более выгодно.)

Сектор 17

Английский ученый Пристли обнаружил, что мышь не погибает в закрытом сосуде, если там находится живое растение. Что еще требуется в этих условиях для того, чтобы мышь осталась жива?

(Необходим еще солнечный свет.)

Сектор 18

Блиц-турнир.

1. Какая структурная единица генетического кода ответственна за синтез определенной молекулы белка? (Ген.)

2. Какие клетки поражает вирус СПИДа? (Лимфоциты.)

3. Для чего организм использует химическую энергию питательных веществ? (Для синтеза белков и других биомолекул, обеспечения обмена веществ и регуляции этих процессов, а также для размножения.)

Сектор 19

Уважаемые знатоки, во второй колонке таблицы перечислены различные клеточные структуры. Укажите, какие из названных в первой колонке функций или характеристик соответствуют каждой из этих структур.

Таблица

(Ответы: 1л, 2г, 3б, 4ж, 5в, 6м, 7з, 8а, 9и, 10к.)

Сектор 20

Блиц-турнир.

1. Какие связи обеспечивают поддержание вторичной структуры белка? (Водородные.)

2. Куда транспортируются белки, синтезированные в гранулярной ЭПС? (В аппарат Гольджи.)

3. Какую функцию в клетке выполняют ядрышки? (Синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом.)

«На научной волне»

Что изучает цитология. Закономерности строения и функций клеток, лежащие в основе организации всех одноклеточных и многоклеточных организмов, исследует цитология. Специалист-цитолог наблюдает и сопоставляет тонкие детали строения клеточных структур, анализируя объекты при помощи современных светооптических и электронных микроскопов. В этой работе ему помогают зрительная память и навыки рисования. Однако понимание исследуемых структур невозможно без анализа их химической организации. Поэтому цитолог должен владеть тонкими цитохимическими методами исследования, которые позволяют проследить биохимические процессы, протекающие в клетке. Обширной и широко разрабатываемой областью цитологии является сейчас культивирование вне организма клеток животных и растительных организмов. Цитолог, специализирующийся в этой области, владеет методом прижизненного микроскопирования, умеет быстро распознавать и устранять неблагоприятные факторы, препятствующие росту клеток. Современная цитология представляет собой одну из важнейших фундаментальных биологических дисциплин.
Сложность работы цитолога заключается в том, что методы цитологических исследований весьма трудоемки и требуют от специалистов большого упорства, природной наблюдательности, способности к многократным повторным операциям, умения вовремя устранить даже незначительные огрехи в работе.
Цитологи нужны в академических институтах, занимающихся разработкой фундаментальных проблем современной биологии, в медицинских и ветеринарных научных институтах, в учреждениях, разрабатывающих основы биотехнологии.

Как образуются амилоиды

Рон Вецел из фармацевтической компании «Смит-Клайн» и Джеффри Келли из Техасского университета (США), основываясь на работах предшественников, начали исследования причин образования белковых отложений при амилоидных болезнях. Для своих опытов Келли выбрал один из наиболее изученных образующих амилоид белков – транстиренин, обычно присутствующий в плазме крови. Будучи измененным в результате какой-либо мутации, он откладывается в сердце, легких и кишечнике, вызывая семейную амилоидную полиневропатию, жертвы которой в конечном итоге умирают от дисфункции органа.
Агрегация частично развернутых молекул белков может быть причиной и наиболее распространенного амилоидного заболевания – болезни Альцгеймера, от которой только в США страдают 4 млн человек. Однако способ образования амилоида при этом заболевании может отличаться от того, который установлен для семейной амилоидной полиневропатии.
При болезни Альцгеймера мозг людей с поражением памяти усеян бляшками – аномальными структурами, которые имеют оболочку из амилоидных отложений. («Биология», № 4/1998.)

Прионовые болезни животных и человека

Скрепи – болезнь овец, впервые описанная в Исландии в XVIII в. Перенесена в Шотландию в 1940-е гг. Аналогичное заболевание поражает и других животных, например, норок, кошек и оленей.
«Коровье бешенство» (губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота). В Англии коровы были заражены ею из-за того, что в их рацион попали потроха овец, больных скрепи. Эпидемия возникла в 1985 г., но из-за длительного инкубационного периода она достигла пика лишь к 1992 г.
Куру («смеющаяся смерть») – болезнь, открытая в 1956 г. в племени форе в Новой Гвинее. Свое название получила из-за периодически начинающегося у больных бесконтрольного смеха. От появления первых симптомов до смерти проходит от 3 до 12 месяцев. Американский ученый Д.К. Гайдузек выяснил, что болезнь передавалась из-за ритуала погребения, в ходе которого аборигены съедали мозг умершего. За эту работу Гайдузек в 1976 г. был удостоен Нобелевской премии.
Болезнь Гертсманна–Штраусслера–Шейнкера – наследственное заболевание, вызываемое мутацией гена, кодирующего прионовый белок человека. Выявлено примерно 50 семей с подобными мутациями. От появления первых симптомов до смерти может пройти от 2 до 6 лет.
Фатальная семейная бессонница вызывается другой мутацией гена, кодирующего прионовый белок человека. Носители такой мутации обнаружены в 9 семьях. От появления первых симптомов до смерти может пройти около одного года.
Болезнь Крейтцфельдта-Якоба. Этим заболеванием поражено около 1 млн человек. В 85–90% случаев было показано, что болезнь возникла спонтанно. В 10–15% случаев заболевание вызывалось мутацией гена, кодирующего прионовый белок. В редких случаях причиной болезни была инфекция, переданная через препараты, полученные из мозга больных. Известно около 100 семей, являющихся носителями мутаций, вызывающих эту болезнь. От первых симптомов болезни до смерти проходит около одного года.
Новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба происходит, вероятно, от «коровьего бешенства».

Антибиотики

Лечебное действие ряда антибиотиков основано на подавлении синтеза белка у возбудителя болезни. Поскольку рибосомы бактерий несколько отличатся от рибосом эукариотических клеток, некоторые антибиотики подавляют синтез белка только у бактерий, не нарушая его в клетках организма-хозяина. Есть и такие антибиотики, которые подавляют синтез белка во всех клетках: их применение при бактериальных и грибковых заболеваниях основано на том, что у этих паразитов синтез белка протекает обычно быстрее, нежели у их хозяев.
Тетрациклин препятствует связыванию тРНК с рибосомами. Пуромицин связывается с рибосомой и присоединяется к растущей полипептидной цепи, а т.к. пуромицин не может перемещаться на рибосоме, то дальнейший синтез белка в его присутствии приостанавливается. Циклогексимид, блокирующий синтез белка только на рибосомах небактериальных клеток, применяется при грибковых заболеваниях.
Наука развивается от простого к сложному. Сначала было установлено атомное строение простейших кристаллов – каменной соли, железа, алмаза, элементарная ячейка которых включала всего лишь несколько атомов. Потом кристаллографы научились определять более сложные структуры минералов и кристаллов органических веществ. В 1935 г. знаменитый английский физик и философ Джон Бернал понял, что ключом к определению белковых молекул может служить кристаллическая структура, поэтому нужно получить кристалл, построенный из белковых молекул. Тогда методом рентгенографии можно определить его строение и строение отдельной белковой молекулы.
Но от получения первых рентгенограмм до первых реальных определений структуры белковых кристаллов прошло еще 25 лет: в начале 1960-х гг. английские ученые Кендрью и Перутц сделали первые расшифровки белков миоглобина и гемоглобина. Кристаллы белков очень сложны и расшифровка их – дело трудное. Развитие биохимической техники, автоматизация эксперимента и расчетов – все это ускорило расшифровку структур белков.
В настоящее время уже известно несколько тысяч белковых структур. Все они построены из 20 главных аминокислот.

Причина многих болезней – неправильное сворачивание молекулы белка

Несколько десятилетий назад было обнаружено, что белки в растворе имеют неприятную тенденцию образовывать нерастворимые агрегаты. Эти агрегаты исследователи воспринимали как отбросы, грязь, от которой каждый хотел бы избавиться. Но теперь оказалось, что изучение этих отбросов может оказаться весьма полезным.
В последние годы стало понятно, что агрегация белков в пробирке очень похожа на образование амилоидных отложений в тканях. Эти отложения являются признаками дюжины различных заболеваний, из которых самое известное – болезнь Альцгеймера, сопровождающая общим расстройством памяти в пожилом возрасте.
Общеизвестно, что белок представляет длинную цепь аминокислот – полипептидную цепь. У нормальных активных белков она не линейна, а свернута в специфическую трехмерную структуру. Процесс сворачивания полипептидной цепи называют фолдингом (от англ. folding – складывание, сворачивание). Исследования показали, что как агрегация белка в пробирке, так и образование амилоидных отложений происходит при дефектах фолдинга: не полностью свернутые молекулы сцепляются друг с другом и образуют нерастворимые волокнистые агрегаты. («Биология», № 4/1998.)

Аминокислоты стимулируют иммунитет.

В последние годы ученые все глубже понимают устройство защитных сил организма, его иммунную систему. Очень интересен вопрос о том, как возбуждается активность иммунитета, что именно заставляет организм при появлении «чужака» вырабатывать антитела. Известно, что таким действием обладает ряд природных пептидов – малых белков. Но ведь пептиды, как и всякие белки, состоят из аминокислот и сами по себе обладают способностью стимулировать иммунитет!
Ученые петербургского Института экспериментальной медицины провели специальное исследование. Подопытным животным вводили различные аминокислоты и затем определяли, какие из них ускоряют преобразование клеток костного мозга в Т-лимфоциты и какие увеличивают выработку антител в ответ на появление чужака.
Выяснялось, что из 20 аминокислот 9 обладают способностью ускорять производство Т-лимфоцитов. Они же усиливают иммунный ответ – выработку антител. Своеобразным лидером оказалась аспарагиновая кислота.
Ученые проанализировали первичные структуры многих биологически активных пептидов и обнаружили, что стимулирующие иммунитет аминокислоты присутствуют преимущественно в иммуноактивных пептидах тимуса; высоко их содержание и в головном мозге.
Результаты этих опытов имеют большое значение для понимания механизмов иммунитета и регуляции гомеостаза организма в целом, а также могут быть использованы и в медицинской практике. («Наука и жизнь», № 8/1988.)

Знаменательные даты в развитии цитологии

• 1600 г. – изготовлен первый микроскоп (Г.Галилей).

• 1665 г. – обнаружена клеточная структура пробки (Р.Гук).

• 1831 г. – открыто клеточное ядро (Р.Броун).

• 1839 г. – сформулирована клеточная теория (Т.Шванн).

• 1862 г.– показано фотосинтическое происхождение крахмала (Ю.Сакс).

• 1871 г. – открыты нуклеиновые кислоты (Ф.Мишер).

• 1892 г. – открыты вирусы (Д.Ивановский).

• 1903 г. – привлечено внимание к роли зеленых растений в космическом круговороте энергии и веществ (К.Тимирязев).

• 1953 г. – сформулированы представления о структуре ДНК (Д.Уотсон и Ф.Крик). (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Биология», № 1/1984.)

Микрофиламенты

Сделать шаг, второй и третий, взмахнуть рукой и повернуть голову, а также многое другое мы можем благодаря существованию актина – белка, из которого состоят микрофиламенты.
У микрофиламентов и микротрубочек много общего. И актин, и тубулин – глобулярные белки. Оба объединяются в длинные фибриллярные структуры, что сопровождается гидролизом трифосфатов (АТФ и ГТФ). И микротрубочки, и микрофиламенты – полярные структуры, что обеспечивается определенной ориентацией их асимметричных субъединиц. Эти полимеры быстрее растут с одного конца, чем с другого, и прикрепляются к определенным клеточным структурам всегда концами одного типа. Оба фибриллярных белка в клетке могут быть очень лабильны, т.е. быстро собираться и разбираться, обеспечивая образование и разрушение каких то временных структур или их передвижение. Например, маленькие одноклеточные создания – солнечники – дрейфуют в воде, выставив в разные стороны много лучей, в середине каждого из которых находятся сотни параллельно упакованных микротрубочек. Как только к лучу прилипнет что-то съедобное, микротрубочки внутри быстро распадаются, луч втягивается и солнечник может подкрепиться. Затем лучи так же быстро образуются вновь. Ну а слияние половых клеток голотурии происходит благодаря тому, что спермий выбрасывает в сторону яйцеклетки, как гарпун, в виде отростка, который удлиняется благодаря быстрой полимеризации актиновых волокон (Знание. Биология. Научно-популярная серия. «Как работает живая клетка», № 11/1990.)

Итог урока

Статистики подсчитывают количество баллов, полученных командами. Команда, набравшая большее количество баллов, занимает первое место. Самый активный участник получает приз зрительских симпатий.