§ 18. Прокаріоти й евкаріоти. Порівняння рослинної і тваринної клітин

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Життя на Землі почалося з дуже простих організмів. Багато з них живуть поруч із нами й сьогодні: у ґрунті, воді, повітрі та навіть у нас самих. Як ви вважаєте, чи можуть такі прості істоти, як бактерії, здійснювати життєві процеси так само, як складні клітини організму людини? Чому примітивні бактерії досі існують, хоча є клітини набагато складніші й прогресивніші?

Бактерії здійснюють усі базові життєві процеси (живлення, дихання, розмноження, біосинтез білка та обмін речовин) так само повноцінно, проте простішими механізмами й без спеціалізованих мембранних органел. Вони успішно існують мільярди років завдяки швидкому поділу, неперевершеній швидкості розмноження, невибагливості та здатності миттєво пристосовуватися або перечікувати несприятливі умови у вигляді спор.

ЗАВДАННЯ

Діаметр прокаріотичної клітини становить 0,5–5 мкм, евкаріотичної — 10–100 мкм. Обчисліть приблизні об’єми клітин прокаріотів і евкаріотів, припускаючи, що вони мають сферичну форму (використайте формулу V = 4/3 πr³). З’ясуйте, у скільки разів об’єм клітини евкаріотів більший, ніж у прокаріотів.

Дано:
Діаметр прокаріотичної клітини ($d_1$): $0{,}5\text{ – }5\text{ мкм}$ (радіус $r_1 = 0{,}25\text{ – }2{,}5\text{ мкм}$).
Діаметр евкаріотичної клітини ($d_2$): $10\text{ – }100\text{ мкм}$ (радіус $r_2 = 5\text{ – }50\text{ мкм}$).
Формула об’єму сфери: $V = \frac{4}{3}\pi r^3 \approx 4{,}19 \cdot r^3$.

Розв’язання:

1. Розрахунок діапазону об’єму прокаріотичної клітини:

• для мінімального радіуса $r = 0{,}25\text{ мкм}$:
  $V_{\text{min}} = \frac{4}{3} \cdot 3{,}1416 \cdot (0{,}25)^3 \approx 4{,}189 \cdot 0{,}015625 \approx 0{,}065\text{ мкм}^3$.
• для максимального радіуса $r = 2{,}5\text{ мкм}$:
  $V_{\text{max}} = \frac{4}{3} \cdot 3{,}1416 \cdot (2{,}5)^3 \approx 4{,}189 \cdot 15{,}625 \approx 65{,}45\text{ мкм}^3$.

2. Розрахунок діапазону об’єму евкаріотичної клітини:

• для мінімального радіуса $r = 5\text{ мкм}$:
  $V_{\text{min}} = \frac{4}{3} \cdot 3{,}1416 \cdot 5^3 \approx 4{,}189 \cdot 125 \approx 523{,}6\text{ мкм}^3$.
• для максимального радіуса $r = 50\text{ мкм}$:
  $V_{\text{max}} = \frac{4}{3} \cdot 3{,}1416 \cdot 50^3 \approx 4{,}189 \cdot 125\,000 \approx 523\,599\text{ мкм}^3 \approx 5{,}24 \cdot 10^5\text{ мкм}^3$.

3. Співвідношення об’ємів клітин:
   Якщо порівнювати клітини за їхніми середніми або відповідними межами діаметрів (діаметр евкаріотичної клітини у 20 разів більший: $5 / 0{,}25 = 20$ і $50 / 2{,}5 = 20$), то об’єм пропорційний кубу лінійного розміру:
   $\frac{V_{\text{евк}}}{V_{\text{прок}}} = \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^3 = 20^3 = 8\,000\text{ разів}$.
   Між найменшою бактерією ($0{,}065\text{ мкм}^3$) та найбільшою евкаріотичною клітиною ($523\,600\text{ мкм}^3$) різниця сягає приблизно $8\,000\,000$ разів.

Відповідь: об’єм прокаріотичної клітини становить приблизно від $0{,}065$ до $65{,}5\text{ мкм}^3$, а евкаріотичної — від $524$ до $523\,600\text{ мкм}^3$. За однакового співвідношення параметрів об’єм клітини евкаріотів у середньому у $8\,000$ разів більший за об’єм клітини прокаріотів.

ЗНАЙДІТЬ ІНФОРМАЦІЮ Й ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

Порівняйте будову прокаріотичної та евкаріотичної клітин. Складіть діаграму Венна. Спробуйте визначити, які структури прокаріотичної клітини виконують функції кожної з органел клітини евкаріотів (там, де це можливо).

Функціональні відповідники органел евкаріотів у клітині прокаріотів:

1. Замість ядра збереження й передачу спадкової інформації забезпечує нуклеоїд (кільцева молекула ДНК) та плазміди.
2. Замість мітохондрій синтез АТФ і клітинне дихання здійснюють вгини плазматичної мембрани (мезосоми), де розміщені дихальні ферменти.
3. Замість хлоропластів фотосинтез (наприклад, у ціанобактерій) проводять спеціальні внутрішні фотосинтетичні мембрани — тилакоїди.
4. Замість ендоплазматичної сітки та комплексу Гольджі транспорт і модифікацію речовин виконує безпосередньо цитоплазма разом із плазматичною мембраною.
5. Замість лізосом розщеплення поживних часток відбувається завдяки травним ферментам цитоплазми або ферментам, що виділяються клітиною назовні.

ПОШУК, ОЦІНЮВАННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ТА ПРЕЗЕНТАЦІЯ ІНФОРМАЦІЇ

Про що свідчить подібність клітин прокаріотів та евкаріотів?

Подібність у будові та процесах життєдіяльності свідчить про єдність походження всього живого на Землі від спільного предка. Усі клітини мають універсальний генетичний код, плазматичну мембрану зі схожим ліпідним бішаром, цитоплазму, рибосоми та використовують молекули АТФ як єдине універсальне джерело енергії.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Прокаріотичні клітини виникли приблизно 3,5 млрд років тому, орієнтовно 1,2 млрд років тому з’явилися евкаріотичні клітини. В еволюції евкаріотів важливу роль відіграв ендосимбіогенез. Які структури евкаріотичної клітини виникли таким шляхом?

Шляхом ендосимбіогенезу виникли двозв’язкові автономні органели — мітохондрії та пластиди (зокрема хлоропласти). Їхніми прямими пращурами були вільноживучі аеробні гетеротрофні бактерії та фотосинтезуючі ціанобактерії, які були поглинуті предком евкаріотичної клітини й перетворилися на постійних внутрішньоклітинних симбіонтів. На користь цього свідчить наявність у них власної кільцевої ДНК, дрібних бактеріальних рибосом і здатність самостійно ділитися навпіл.

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

Поміркуйте, як стовбурові клітини можуть використовуватися в медицині. Наведіть приклади.

Стовбурові клітини здатні ділитися й перетворюватися на будь-який інший тип клітин організму, тому лікарі використовують їх для відновлення пошкоджених органів і тканин.

Приклади застосування:

1. Пересадка кісткового мозку для відновлення кровотворення при лікуванні лейкемії.
2. Вирощування штучних шарів шкіри для пересадки пацієнтам із глибокими опіками.
3. Відновлення клітин серцевого м’яза після інфаркту та регенерація пошкоджених суглобових хрящів.

ПРОЄКТНА РОБОТА

Створіть коротку презентацію або постер з ілюстраціями, схемами та прикладами за темою: «Стовбурові клітини та клітинна терапія».

Тематичний план постера-презентації:

1. Що таке стовбурові клітини?
   Це незрілі (недиференційовані) клітини, які мають здатність до самооновлення та можуть перетворюватися на спеціалізовані клітини різних органів (нейрони, еритроцити, кардіоміоцити тощо).

2. Основні типи та культивування:

   • Ембріональні клітини — походять з ранніх зародків і можуть стати абсолютно будь-якою клітиною організму.
   • Стовбурові клітини дорослого організму — містяться в червоному кістковому мозку, жировій тканині та пуповинній крові, їхні можливості перетворення більш обмежені.
   • Індуковані плюрипотентні клітини (iPSC) — звичайні зрілі клітини шкіри, які в лабораторії генетично повертають до ембріонального стану.
   • Культивування відбувається у спеціальних поживних середовищах у біореакторах під суворим температурним і хімічним контролем.

3. Практичне застосування клітинної терапії:

   • Трансплантація гемопоетичних клітин для лікування онкологічних захворювань крові.
   • Загоєння важких опіків і виразок за допомогою пересадки вирощеного епідермісу.
   • Клітинне відновлення рогівки ока після травм для повернення зору.

4. Етичні питання:

   • Використання ембріональних клітин викликає гострі суспільні дискусії через руйнування ранніх зародків.
   • Відкриття технології iPSC частково розв’язало цю проблему, оскільки дозволило отримувати універсальні клітини зі шкіри дорослої людини без використання ембріонів.

5. Перспективи для медицини майбутнього:

   • 3D-біодрук повноцінних цілих органів (нирок, печінки, серця) із власних клітин пацієнта, що повністю виключить ризик відторгнення.
   • Лікування цукрового діабету шляхом заміни пошкоджених клітин підшлункової залози.
   • Відновлення нервових зв’язків після травм спинного мозку та при хворобі Паркінсона.

РОБОТА В ГРУПІ

Порівняйте будову тваринної та рослинної клітин (мал. 18.4), склавши діаграму Венна.

Основні відмінності зведені в таблиці:

РОБОТА В ПАРІ

Раніше гриби належали до царства Рослини, ґрунтуючись на їхньому способі життя. Потім з’ясувалося, що в них багато рис царства Тварини. А зараз виділяють окреме царство — Гриби. Проаналізуйте будову клітини гриба й висловіться стосовно того, як усе-таки їх слід класифікувати. Обґрунтуйте свій висновок.

Гриби необхідно виділяти в окреме самостійне царство живих організмів, тому що їхні клітини поєднують риси як рослин, так і тварин, але водночас мають власні унікальні особливості:

1. З рослинними клітинами їх зближує наявність щільної клітинної стінки, вакуолей із клітинним соком, поглинання поживних речовин шляхом всмоктування (осмотрофно) та нерухомий спосіб життя.
2. З тваринними клітинами їх об’єднує повна відсутність хлоропластів, гетеротрофний тип живлення, а також накопичення глікогену як запасної речовини (замість крохмалю) та утворення сечовини в процесі обміну.
3. Унікальною ознакою грибної клітини є те, що її клітинна стінка побудована з нітрогенвмісного полісахариду — хітину, а не з целюлози.

Через таку комбінацію ознак гриби неможливо віднести ані до рослин, ані до тварин.

ПОШУК, ОЦІНЮВАННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ТА ПРЕЗЕНТАЦІЯ ІНФОРМАЦІЇ

Про що свідчить подібність клітин усіх евкаріотів?

Єдиний план будови клітин рослин, тварин і грибів свідчить про їхнє спільне еволюційне походження від одного прадавнього предка (монофілетичне походження).

Усі евкаріотичні клітини мають:

1. Чітко сформоване ядро, оточене подвійною мембраною з порами, де зберігається спадкова інформація у вигляді лінійних хромосом.
2. Однаковий набір обов’язкових органел: мітохондрії, ендоплазматичну сітку, апарат Гольджі, рибосоми та цитоскелет.
3. Спільні молекулярні механізми життєдіяльності: однаковий генетичний код, схожі процеси синтезу білка, клітинного дихання та універсальні способи поділу клітини (мітоз і мейоз).

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Визначте, прокаріотичними чи евкаріотичними є ці клітини. Зважаючи на будову клітини, що ви можете сказати про спосіб життя кожного організму? Поясніть ваші відповіді.

Обидві зображені клітини є прокаріотичними, оскільки в них відсутнє сформоване ядро та немає мембранних органел на зразок мітохондрій чи комплексу Гольджі.

Перша клітина (зліва) — це бактерія, яка веде рухливий спосіб життя у водному чи рідкому середовищі. Наявність джгутиків дозволяє їй активно плавати в пошуках їжі, а за типом живлення вона є гетеротрофом.

Друга клітина (справа) — це ціанобактерія, яка веде малорухомий або планктонний спосіб життя у воді. Вона є фотоавтотрофом, оскільки має тилакоїди просто в цитоплазмі й здатна самостійно створювати органічні речовини за допомогою фотосинтезу.

2. На малюнку зображено клітини рослин. Як особливості їхньої будови пов’язані з виконанням їхніх функцій?

Ситоподібні клітини флоеми видовжені у формі трубок і мають пористі перетинки на кінцях, тому розчини органічних речовин безперешкодно рухаються крізь них від листків до коренів.

Клітини стовпчастої паренхіми розташовані вертикально й щільно одна до одної під верхньою поверхнею листка та містять величезну кількість хлоропластів, що дозволяє їм максимально вловлювати сонячне світло для фотосинтезу.

Кореневі волоски утворюють довгі вирости з тонкою оболонкою, які багаторазово збільшують площу поверхні кореня та ефективно всмоктують воду з мінеральними солями з ґрунту.

3. На малюнку зображено клітини організму людини. Як особливості їхньої будови пов’язані з виконанням їхніх функцій?

Яйцеклітина має велику кулясту форму, захисні оболонки та містить значний запас поживних речовин у цитоплазмі, що необхідно для живлення та безпечного розвитку зародка після запліднення.

Гладенькі міоцити мають веретеноподібну форму з одним витягнутим ядром і скоротливими нитками всередині, завдяки чому вони щільно з’єднуються в пласти та можуть довго й без утоми змінювати просвіт судин, шлунка й кишківника.

Клітини війчастого епітелію щільно прилягають одна до одної, утворюючи бар’єрний шар, а рухливі війки на їхній поверхні постійно коливаються й виштовхують пил, слиз та бактерії з дихальних шляхів.

4. Знайдіть інформацію й підготуйте коротке повідомлення про те, як і де здійснюється лікування стовбуровими клітинами в Україні.

Лікування стовбуровими клітинами в Україні:

1. Як здійснюється: пацієнтам пересаджують кровотворні стовбурові клітини кісткового мозку або стовбурові клітини пуповинної крові для відновлення кровотворення після хіміотерапії, лікування лейкозів, лімфом, тяжких імунодефіцитів, а також використовують клітинну терапію для загоєння опіків і відновлення пошкоджених тканин.
2. Де здійснюється: трансплантацію кісткового мозку проводять провідні державні заклади — Національна дитяча спеціалізована лікарня «ОХМАТДИТ» у Києві, Національний інститут раку, Київський центр трансплантації кісткового мозку, а також спеціалізовані центри у Львові та Черкасах.
3. Банки клітин: зберігання та дослідження стовбурових клітин пуповинної крові й плаценти для подальшого лікування здійснюють ліцензовані кріобанки, зокрема Кріобанк Інституту клітинної терапії.