veciy.ru

18.12.17
[1]
переходы:56

скачать файл
6.Первичное и вторичное повреждение клеток

Муниципальное Общеобразовательное Учреждение

Средняя Общеобразовательная школа № 20.










Тема работы:


«Изучение факторов, влияющих

на целостность плазматической

мембраны растительной клетки».







Исполнитель: Овод Евгений 9 класс «А»

Руководитель: Шкаликова И. П.,

учитель биологии






2011-2012 учебный год

г. о. Орехово-Зуево

Содержание


Теоретическая часть.


  1. Мембрана растительной клетки……………………………………….6


  1. Мембрана животной клетки……………………………………………7


  1. Функции плазматической мембраны………………………………….8


  1. Транспорт веществ……………………………………………………..9


  1. Нарушения структуры и мембраны клетки………………………….10


а) причины повреждения цитоплазматической мембраны……..11


б) виды повреждений цитоплазматической мембраны…………11


в) результаты повреждения цитоплазматической мембраны…..12


6. Первичное и вторичное повреждение клеток………………………..12


7. Транспорт ядов через клеточные мембраны………………………….15


8. Основные изменения в клетках при повреждении…………………..15


а) окраска цитоплазмы различными красителями………………15


б) снижение мембранного потенциала…………………………..15


в) выход метаболитов……………………………………………..15


г) увеличение объёма (набухание) клеток……………………….16


  1. Понятие о мембранотоксинах и болезнях мембран……………….16



Практическая часть.



  1. «Изучение факторов, влияющих на целостность плазматической мембраны»……………………………………………………………..17

  2. Заключение…………………………………………………………….23

  3. Литература……………………………………………………………..24

  4. Приложение № 1………………………………………………………25

  5. Приложение № 2………………………………………………………26

  6. Приложение № 3………………………………………………………27

  7. Приложение № 4………………………………………………………28








































Введение

Тему своей работы я выбрал не случайно. В 9 классе мы изучали основы цитологии, и я заинтересовался особенностями строения и функционирования клеток. Мне захотелось расширить свои знания и умения по этой теме.

Я думаю, что исследование клетки представляет научный интерес и имеет большое практическое значение, например, для разгадки заболеваний. Ведь именно с клетки начинают развиваться любые патологические изменения, приводящие к возникновению болезней. Вот почему изучение строения, состава, обмена веществ и всех проявлений жизнедеятельности клеток необходимо для биологии, медицины, ветеринарии.

Главной функцией клетки является осуществление обмена со средой веществом, энергией и информацией, что подчинено, в конечном счете, задаче сохранения клетки как единого целого. Клетка как целостная система осуществляет свою деятельность в среде, обеспечивающей ее существование и функционирование.

Нарушение жизнедеятельности организма при заболевании всегда, так или иначе, связано с изменением функционирования клеток. При этом нарушение функций одних клеток может быть первопричиной развития болезни в целом, тогда как состояние других клеток может быть нарушенным вследствие неблагоприятных изменений в организме, связанных с развитием патологического процесса.

Первично или вторично повреждение клеток, оно в любом случае неблагоприятно отражается на состоянии организма и должно быть ликвидировано как можно быстрее. Но для того чтобы найти правильное средство предупреждения или защиты клеток от нарушения их функций, надо знать, почему и как повреждаются клетки в живом организме.

Воздействие внешних или внутренних факторов приводит на начальном этапе к повреждению элементарных структур клетки и нарушению их функций. А в дальнейшем возможно развитие, как патологии отдельной клетки, так и клеточных структур.

В своей работе я исследовал влияние различных химических веществ на целостность клеточной мембраны растительных клеток краснокочанной капусты. Я выявил вещества, воздействия которых способствует разрушению клеточных мембран. К, сожалению, у меня не было возможности провести подобные исследования на животных клетках.


Актуальность темы:

Многочисленными исследованиями доказано, что любой патологический процесс, какой бы степенью функциональных нарушений он не проявлялся, начинается на субклеточном уровне. Любой повреждающий фактор, приводит к структурным изменениям клетки.

Знание строения клетки помогает понимать морфологическую сущность того или иного патологического процесса, происходящего в тканях и органах, расширяя представления о причинах и механизмах возникновения болезни, позволяет определить и наметить рациональные и эффективные пути их лечения и профилактики.

Все вышеперечисленное определяет важность и актуальность выбранной мною темы.


Цель работы:

Выяснить условия, при которых разрушается цитоплазматическая мембрана клеток листа краснокочанной капусты.


Гипотеза:

Нарушение функций клетки, может быть вызвано действием на её мембрану неблагоприятных физических и химических факторов или, например, действием токсических соединений


Задачи:


1. Научиться применять исследовательские методики на практике.

2. Учиться получать теоретические знания с помощью эксперимента.

3. Научиться проходить путь от экспериментальных результатов к теоретическим выводам/
























Теоретическая часть


1.Мембрана растительной клетки


Плазматическая мембрана — обязательный компонент любой клетки. Она отграничивает клетку и обеспечивает сохранение существующих различий между клеточным содержимым и окружающей средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ в клетку и из нее. Цитоплазматическую мембрану растительной клетки обычно называют плазмалеммой.

Как и любая биологическая мембрана, она представляет собой липидный бислой с большим количеством белков. Основу липидного бислоя составляют фосфолипиды. Липиды достаточно активно перемещаются в пределах своего монослоя, но возможны и их переходы из одного монослоя в другой. Такой переход, называемый «флип-флоп» (от англ. flip-flop). Кроме липидов и белков в плазмалемме присутствуют углеводы. Соотношение липидов, белков и углеводов в плазматической мембране растительной клетки составляет приблизительно 40:40:20. Мембранные белки связаны с липидным бислоем различными способами.

Первоначально белки мембран разделяли на два основных типа: периферийные и интегральные. Периферийные белки присоединяются к интегральным белкам или липидному бислою слабыми водородными связями или удерживаются электростатическими и солевыми мостиками. Они в основном растворимы в воде и легко отделяются от мембраны без ее разрушения. Некоторые периферийные белки обеспечивают связь между мембранами и цитоскелетом клетки.

В последнее время показано существование третьей группы белков, так называемых «заякоренных» в мембране белков. Эти белки фиксируются в мембране за счет специальной молекулы, в качестве которой могут выступать жирная кислота. Белки, связанные с жирной кислотой, обратимо соединяются с внутренней поверхностью мембраны.

Основными жирными кислотами плазмалеммы являются пальмитиновая, олеиновая, линолевая. Практически отсутствует стеариновая кислота и арахидоновая, характерные для мембран клеток животных и грибов. Известно, что арахидоновая кислота в очень низких концентрациях является мощным стимулятором фитоиммунитета для некоторых видов растений (например, обеспечивает устойчивость картофеля к фитофторе).

Мембраны растительных клеток часто называют липопротеиновыми («липос» — жир, «протеин» — белок). Многие органоиды клетки построены из липопротеиновых мембран. Однако в каждом случае мембрана построена из жироподобных веществ и белков, присущих именно данной мембране. Качественное разнообразие липидов и особенно белков колоссально, отсюда огромное разнообразие мембран, отличающихся по свойствам, и в пределах одной клетки, и в разных клетках.

Плазмалемма регулирует вход веществ в клетку и выход их из нее, обеспечивает избирательное проникновение веществ в клетку и из клетки. Предполагается, что липидный слой мембраны пронизан порами, через которые осуществляется связь между соседними клетками. Сквозь поры проходят тонкие тяжи цитоплазмы. Это плазмодесмы, которые связывают цитоплазму соседних клеток.

У растительных клеток имеется не только плазматическая мембрана, но еще и вторичная оболочка, которая построена главным образом из целлюлозы. Называется она клеточная стенка. У одних клеток микрофибриллы целлюлозы расположены поперек длины клетки - кольцами. Благодаря этому такие клетки могут растягиваться в длину, но не в ширину (например, клетки сосудов стебля). У других нити целлюлозы лежат продольно. Клетки с такой оболочкой эластичны при растягивании поперек, но очень жестки на продольное растяжение. У третьих они расположены наискось, образуя спираль (лубяные волокна). Все это напоминает железобетонные конструкции, причем нити целлюлозы играют здесь роль железных прутьев, а пектиновые вещества — роль цемента. Клетки, имеющие клеточную стенку, весьма прочны. Они образуют механические, опорные ткани растения. Иногда клеточная стенка играет и роль склада питательных продуктов: образующие ее вещества могут превращаться в другие, более простые, которые расходуются как питание.


2.Мембрана животной клетки

Плазматическую мембрану животной клетки схематически изображают в виде тонкой линии. В электронном микроскопе она представлена трехслойной структурой, состоящей из двух плотных листков, каждый толщиной от 2 до 3 нм, разделенных менее плотным слоем, толщиной от 4 до 5 нм. Общая толщина мембраны составляет от 7,5 до 10 нм.

В состав плазматической мембраны входят белки и липиды. Они упорядоченно расположены и соединены друг с другом хи­мическими взаимодействиями. Плазмалемма стоит из молекул белков и фосфолипидов. Эти молекулы удерживаются с помощью гидрофильно-гидрофобных взаимодействий. Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой фосфолипидов пронизан белковыми молекулами, образуя поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или другой стороны. На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. В состав плазматической мембраны эукариотических клеток входят также полисахариды. Их короткие, сильно разветвленные молекулы ковалентно связаны с белками (образуя гликопротеиды) или липидами (образуя гликолипиды). Содержание полисахаридов в мембранах составляет 2— 10 % по массе.

Полисахаридный слой толщиной 10-20 нм, по­крывающий сверху плазмалемму животных клеток, получил название гликокаликс. Гликокаликс, в отличие от клеточных стенок растений, очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит из разнообразных полисахаридов и белков. Гликокаликс выполняет функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами, опорной роли не выполняет.

Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеидов, липидов и, следовательно, по характеру имеющихся в них рецепторов. В связи, с чем каждый тип клеток характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеидами. Разветвленные цепи гликопротеидов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеидам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу как отдельные элементы цельной структуры.

3.Функции плазматической мембраны

- образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды;
- обеспечивает транспорт веществ;
- обеспечивает связь между клетками в тканях многоклеточных организмов;

Плазматическая мембрана выполняет много важных функций, от которых завидят жизнедеятельность клеток. Одна из таких функций заключается в том, что она образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Но между клетками и внешней средой постоянно происходит обмен веществ. Из внешней среды в клетку поступает вода, разнообразные соли в форме отдельных ионов, неорганические и органические молекулы. Они проникают в клетку через очень тонкие каналы плазматической мембраны. Во внешнюю среду выводятся продукты, образованные в клетке. Транспорт веществ - одна из главных функций плазматической мембраны. Через плазматическую мембрану из клети выводятся продукты обмена, а также вещества, синтезированные в клетке. К числу их относятся разнообразные белки, углеводы, гормоны, которые вырабатываются в клетках различных желез и выводятся во внеклеточную среду в форме мелких капель. Клетки, образующие у многоклеточных животных разнообразные ткани (эпителиальную, нервную, мышечную и др.), соединяются друг с другом плазматической мембраной. В местах соединения двух клеток мембрана каждой из них может образовывать складки или выросты, которые придают соединениям особую прочность.

Скорость проникновения сквозь мембрану разных веществ различна. Хорошо проникают через нее вода и газообразные вещества. Легко проникают также жирорастворимые вещества, — вероятно, благодаря тому, что она имеет липидный слой. Поры несут электрический заряд, поэтому проникновение через них ионов не вполне свободно. При некоторых условиях заряд пор меняется, и этим регулируется проницаемость мембран для ионов. Однако мембрана неодинаково проницаема для разных ионов с одинаковым зарядом. В этом проявляется важнейшее свойство мембраны — избирательность ее проницаемости: для одних молекул и ионов она проницаема лучше, для других хуже.

4.Транспорт веществ.

Существуют различные механизмы транспорта веществ через мембрану.

  • Пассивный транспорт идет без затраты энергии - это диффузия и осмос. Вещества перемещаются из области высокой концентрации в область более низкой, т. е. по градиенту концентрации. Скорость транспорта зависит от величины градиента. Через бислой легко проникают молекулы жирорастворимых веществ. Молекулы воды, которая является растворителем веществ, могут проникать через бислой, т. к. они очень малы и нейтральны (осмос). Через поры проходят молекулы сахаров, аминокислот, нуклеотидов и другие полярные молекулы.

  • Активный транспорт идет против электро - химического градиента.
    Осуществляют его молекулы - переносчики, работа которых требует затрат энергии АТФ. Наиболее изученная система - это калий - натриевый насос Концентрация ионов К+ внутри клетки выше, чем снаружи, а концентрация ионов Na+ в клетке меньше, чем снаружи. Клетка активно перекачивает К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. На это уходит почти треть энергии клетки. Благодаря этому механизму поддерживается в рабочем состоянии мембрана (создается напряжение) и через нее возможен транспорт других веществ. В нервных клетках так проводится нервный импульс.

  • Фагоцитоз
    Молекулы органических веществ, например белков и полисахаридов, частицы пищи, бактерии поступают в клетку путем фагоцитоза (греч. “фагео” - пожирать). В фагоцитозе непосредственное участие принимает плазматическая мембрана. В том месте, где поверхность клетки соприкасается с частицей какого-либо плотного вещества, мембрана прогибается, образует углубление и окружает частицу, которая в “мембранной упаковке” погружается внутрь клетки. Образуется пищеварительная вакуоль, в ней перевариваются поступившие в клетку органические вещества.

  • Пиноцитоз
    Таким же образом клетка поглощает крупные капли воды. Этот процесс называется пиноцитозом ( греч. «пино» - пью). Капля жидкости погружается в цитоплазму в “мембранной упаковке”. Органические вещества, попавшие в клетку вместе с водой, начинают перевариваться под влиянием ферментов, содержащихся в цитоплазме. Пиноцитоз широко распространен в природе и осуществляется клетками животных, растений, грибов, бактерий.

Упрощенно любой биологический барьер, поскольку он формируется клеточными структурами, можно представить как липидную поверхность с определенным количеством пор (каналов) разного диаметра. В качестве гидрофильных каналов в сложных биологических барьерах выступают не только поры клеточных мембран, но и промежутки между клетками. Сравнение площадей непрерывного липидного слоя и суммарной поверхности пор показывает, какова относительная проницаемость конкретного биологического барьера для липофильных и гидрофильных веществ. Хотя такие представления являются более чем упрощенными, они позволяют объяснять поведение токсических веществ внутри организма. В (Приложении №1) представлены характеристики различных биологических барьеров организма млекопитающих.

Транспорт веществ через биологические барьеры порой чрезвычайно сложный процесс. В (Приложении № 2) приведены примеры механизмов проникновения химических веществ через биологические барьеры.

5.Нарушения структуры и функции мембраны клетки.

Нормальная проницаемость цитоплазматической мембраны - главное условие в гомеостазе клетки. Мембрана построена одновременно и как барьер, и как проход для всех субстанций, которые проникают в клетку или ее покидают. Она поддерживает внутренний химический состав клетки посредством избирательной проницаемости и транспортировки.

Нарушение функционирования клетки, вызванное действием неблагоприятных факторов, например недостатком кислорода или действием токсических соединений, может вначале и не привести к повреждению клетки: как только восстановятся нормальные окружающие условия, клетка вновь вернется в состояние, близкое к исходному. Серьезное повреждение клетки может привести к развитию процессов, приводящих к ее гибели. Часто это связано с включением специального механизма апоптоза (запрограммированной смерти клетки).

а) Причины повреждения цитоплазматической мембраны:

  • воздействие ферментами (могут ферментативно повреждать цитомембрану);


  • воздействие вирусами (осуществляется как путем прямой вставки вирусов в мембрану клетки, так и косвенно, через иммунный ответ на вирусные антигены, расположенные на поверхности инфицированных клеток);

  • действие физических и химических факторов (высокая и низкая температура, химические вещества и др.);

  • образование свободных радикалов (очень нестабильных частиц с нечетным числом электронов на внешней орбите);

б) Виды повреждений цитоплазматической мембраны:

  • изменения проницаемости мембран

  • повреждение формы мембран;

  • изменения подвижности мембран и формы клеток;

  • нарушения мембранного транспорта;

  • изменения коммуникации клеток и их "узнавания";

  • нарушениями синтеза и обмена мембран;

  • избыточное увеличение нормальных структур;

Большинство из перечисленных структурных изменений клеточной мембраны сопровождается нарушением ее проницаемости. Важная роль в осуществлении проницаемости мембран принадлежит гликокаликсу и взаимодействию мембранных белков с цитоскелетом.

Изменения проницаемости могут быть тяжелыми (необратимыми) или поверхностными. Наиболее изученной моделью изменения мембранной проницаемости является повреждение тяжелыми металлами (ртуть, уран). Тяжелые металлы резко увеличивают проницаемость мембраны для натрия, калия, хлора, кальция и магния, что приводит к быстрому набуханию клеток, распаду их цитоскелета.

Увеличение поверхности клеточной мембраны за счет мембран микропиноцитозных пузырьков является признаком резкого набухания клетки и ее гибели. Увеличение объема клетки за счет поступления большого количества воды в связи с аномалией осмотического давления сопровождается появлением щелей и даже разрывов в мембране. Если разрывы не увеличиваются, то щели закрываются и исчезают.

Утолщение клеточной мембраны может быть связано с уменьшением количества ионов кальция во внеклеточной жидкости. При этом изменяется проницаемость мембраны для ионов натрия и калия и в клетке накапливается жидкость.

в) Результаты повреждения цитоплазматической мембраны:

  • потеря структурной целостности, вплоть до некроза;

  • нарушение "барьерной" функции, что может привести к избыточному поступлению воды в клетку - вакуольной или гидропической дистрофии.

6.Первичное и вторичное повреждение клеток

Повреждение клетки это изменение функционирования клетки, которое сохраняется после удаления повреждающего агента. Повреждение клетки может быть частичным или полным, обратимым или необратимым. Необратимое повреждение может привести к деструкции и гибели клетки.

Повреждение клетки может быть первичным и вторичным.

Первичное повреждение клетки - это результат непосредственного действия повреждающего фактора.

Различают первичные повреждения:

а) механические,

б) термические,

в) химические,

г) радиационные.

Вторичные повреждения клетки - это такие, когда результат первичного воздействия сам становится повреждающим фактором и вторично повреждает здоровые до этого момента структуры.

Первичные повреждающие клетку факторы вызывают специфические, присущие только им эффекты. Эти эффекты связаны с характером первичного повреждающего фактора:

а) механические - вызывают нарушение целостности структуры ткани, клеток, межклеточных и субклеточных структур

б) термические - связаны с денатурацией белков, и изменением структуры нуклеиновых кислот

в) химические - угнетают активность ферментов, блокируют клеточные рецепторы

г) радиационные - приводят к разрушению молекул с образованием свободных радикалов.

Независимо от природы первичного повреждающего фактора, ответная реакция поврежденной клетки стандартна и называется неспецифической реакцией клетки на повреждение.

Причина такого стандартного ответа заключается в том, что при любом повреждении обязательно:

1) нарушаются барьерные функции мембран ;

2) выключаются ионные насосы;

Следует различать прямое действие неблагоприятного фактора на данную клетку и косвенное его влияние, опосредованное воздействием на другие клетки, органы, ткани и организм в целом. К прямому действию относится повреждающее действие ядов, направленное непосредственно на клетку, например цианистого калия, который угнетает клеточное дыхание. Прямое нарушение жизнедеятельности клетки и ее повреждение могут быть вызваны отсутствием кислорода, чрезмерно низким значением рН, низким осмотическим давлением в окружающей среде, недостатком ионов кальция, действием ультрафиолетовой или ионизирующей радиации (см. Приложение № 3)

7.Транспорт ядов через клеточные мембраны

Мембранные системы организма имеют одинаковое строение, но различаются по функциональным свойствам. Они представляют собой подвижные структуры, образованы белково-фосфолипидными комплексами, обладают ограниченной проницаемостью для различных соединений. В настоящее время за основу принимается гипотеза трехслойной мембраны Доусона—Даниелли. Толщина каждого слоя мембраны 2—3 нм. Имеется предположение, что в клеточных мембранах существуют ультрамикроскопические поры , образованные гидрофильным веществом в липидных частях, причем мембраны и поры имеют определенные электрические заряды.

Механизм прохождения веществ через мембраны достаточно сложный. В целях упрощения объяснения этого механизма выделяют четыре основных типа транспортировки различных веществ.

I тип характерен для нейтральных молекул. При этом быстрее всего диффундируют молекулы веществ, обладающих высоким коэффициентом распределения масло/вода, т.е. липофильными свойствами. Растворимые в липидах вещества (например, многие наркотические) могут свободно с минимумом затраты энергии проходить через клеточные мембраны по законам диффузии.

Коэффициент диффузии яда или лекарственного вещества зависит от его молекулярной массы, степени растворимости в липидах и ионизации, а также от пространственной конфигурации молекулы. Крупные молекулы, например, белков, проникают сквозь эти мембраны через крупные щели или путем пиноцитоза . При этом мембрана образует впячивания и как бы полностью обволакивает всю молекулу, которая оказывается внутри клетки в виде пузырька.

II тип мембранного транспорта связан с определенными структурами, которые обеспечивают веществам более интенсивную диффузию. Этими свойствами обладают некоторые участки мембраны. Транспортируемая молекула обратимо соединяется с носителем в мембране, который свободно движется между внутренней и наружной ее поверхностями. Примером является транспорт глюкозы в эритроцитах человека.

III тип мембранного транспорта связан с потреблением энергии, которая образуется в результате метаболизма АТФ в самой мембране. Предполагают, что при этом так называемом активном транспорте молекула вещества соединяется с носителем, который претерпевает определенные химические превращения. Примерами могут служить процессы транспорта ионов калия в клетках млекопитающих, всасывание и выведение веществ в ионизированной форме почечными канальцами и т.д. В последние годы обнаружена целая группа чужеродных веществ, названных ионофорами, которые способны изменять барьерную функцию мембран и переносить через них тысячи ионов в секунду.

IV тип транспорта касается диффузии через поры, в стенках которых есть положительно заряженные частицы, пропускающие только анионы. Однако существуют каналы, пропускающие неэлектролиты. О максимальной величине этих каналов можно судить по размерам самой крупной молекулы, которую они способны пропускать. Мембраны почечных клубочков человека в норме способны пропускать все молекулы, меньшие, чем молекулы белка альбумина (мол. масса 70 000).

Таким образом, в мембранах этого типа транспорт веществ осуществляется по принципу фильтрации. Некоторые природные яды, своей молекулой воздействуют на проходимость каналов. Первый из них способен полностью, как пробкой, “закупорить” ионный канал для натрия; другой — повредить механизм закрытия “ворот” этих каналов, и они теряют способность избирательно пропускать ионы. Эти данные имеют большое значение для объяснения механизма действия многих ядов.

8.Основные изменения в клетках при повреждении

а) Окраска цитоплазмы различными красителями

Большинство красителей плохо проникает через клеточную мембрану неповрежденных клеток и слабо связывается внутриклеточными структурами. Увеличение проницаемости клеточной мембраны при повреждении клетки приводит к возрастанию количества красителя, вошедшего в клетку и связавшегося с компонентами цитоплазмы. На этом основаны многие гистохимические методы определения жизнеспособности клеток.

б) Снижение мембранного потенциала

Для живых, нормально функционирующих клеток характерно неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей средой, обеспечиваемое постоянной работой ионных насосов в мембранах клеток. Так, внутри клеток содержание Ca2+ примерно в 10000 раз ниже, чем в окружающей среде. В клетках гораздо больше K+ и меньше Na+, чем в плазме крови или межклеточной жидкости (см. Приложение № 4).

Благодаря различию в концентрации ионов в клетке и окружающей среде на цитоплазматической мембране имеется разность потенциалов со знаком "минус" внутри клетки. Уменьшение мембранного потенциала происходит как при увеличении ионной проницаемости мембран, так и при выравнивании концентраций ионов вследствие выключения работы клеточных насосов. Последнее происходит при снижении уровня АТФ вследствие нарушения биоэнергетических процессов в митохондриях. Например, установлено снижение мембранного потенциала клеток печени у лабораторных животных при асфиксии. Снижение мембранного потенциала наблюдается также при холодовом, радиационном, аллергическом и других повреждениях клеток, лизосом и прочих субклеточных структур.

в) Выход метаболитов

Увеличение проницаемости мембран клеток и ухудшение работы насосов приводит к тому, что компоненты цитоплазмы выходят в окружающую среду. Вышедшие из клеток вещества отнюдь не безразличны для других клеток, тканей и органов. Так, среди веществ, выходящих из клеток, поврежденных в результате ишемии (нарушения кровотока) или ожога, имеются полипептиды, обладающие способностью останавливать сокращение сердца (ишемический, ожоговый токсины).

г) Увеличение объема (набухание) клеток

Увеличение объема клеток - один из наиболее ранних признаков ее повреждения, который проявляется, например, при недостатке кислорода в ткани. Сохранение нормальной формы и объема клеток связано с состоянием цитоскелета и поддержанием определенного соотношения между осмотическим давлением белков и электролитов внутри и вне клетки. При этом форма клетки определяется в значительной мере цитоскелетом, тогда как объем - поддержанием осмотического баланса. Поскольку все биологические мембраны хорошо проницаемы для воды, но плохо проницаемы для растворенных в воде веществ, включая соли, клетки, так же как и внутриклеточные структуры, например митохондрии, обладают свойством осмометра: их объем изменяется при изменении концентрации ионов и молекул внутри и вне клетки. При этом строго поддерживается соотношение концентраций всех ионов и молекул внутри и вне клетки.

Как только в клетке начинают накапливаться новые ионы и молекулы, ее объем возрастает, так как вода входит внутрь. Выкачивание ионов мембранным насосом сопровождается уменьшением ее объема за счет самопроизвольного выхода избытка воды. В нормальной клетке имеется, как правило, избыточное по сравнению с окружающей средой количество белков, что приводило бы к появлению избыточного осмотического давления и увеличению объема клетки.

Набухание клеток - процесс, далеко не безразличный для функционирования клеток и ткани в целом. Первым результатом этого оказывается сдавливание кровеносных сосудов и затруднение кровообращения. Так, при ишемии происходит набухание клеток и последующее общее возобновление кровообращения не сразу и не всегда приводит к восстановлению жизнедеятельности, потому, что кровь не проникает в мелкие кровеносные сосуды, сдавленные набухшими клетками. То же происходит при трансплантации органов.

9.Понятие о мембранотоксинах и болезнях мембран.

Доказано, что как избыток, так и недостаток витаминов D и Е повышают проницаемость лизосомных мембран. В этом отношении многие жирорастворимые витамины можно рассматривать как поставляемые с пищей регуляторы или своеобразные “настройщики” свойств биологических мембран. Кроме того, обнаружены соединения, способствующие стабилизации мембран. К ним относятся холестерин, кортизон.

Повреждение мембранных структур клеток является одной из основных причин нарушения их жизнедеятельности при самых разнообразных болезнях. Многие токсичные вещества, ультрафиолетовое облучение и радиация, гормональные нарушения и стрессы, авитаминозы и другие расстройства обмена, действие высоких и низких температур, иммунологические конфликты и прочие патогенные факторы действуют в первую очередь на мембранные структуры клеток.

Существует несколько основных механизмов повреждения мембран: 1) разрушение собственной фосфолипазой, активируемой ионами Са2+; 2) перекисное окисление, активируемое ионами Fe2+, ультрафиолетовым облучением и кислородом; 3) механическое повреждение, проявляющееся, например, при изменении осмотического давления в клетке, и 4) разрушающее действие антител.

Три первые болезни мембран: “кальциевая”, “перекисная” и“осмотическая” относятся как к клеточным (цитоплазматическим), так и ко внутриклеточным мембранам (митохондрии, эндоплазматическая сеть, ядерная мембрана и т.д.). Четвертая “болезнь” — иммунологическая — относится преимущественно к клеточной мембране.

При острых отравлениях наиболее распространенной причиной повреждения является перекисное окисление липидов в мембранах митохондрий., в результате чего происходит увеличение проницаемости мембран для ионов Н+ (или ОН-), К+, Na+, Ca2+. Дальнейшее окисление липидов ведет к полному разрушению мембран и гибели клеток.

Таким образом, повреждение мембранных структур приводит к изменению их проницаемости для ионов, что в свою очередь обусловлено изменениями поверхностного заряда на мембране и степени гидрофобности липидной фазы мембран. Причем оба этих фактора действуют одновременно, хотя их относительный вклад в итоговое изменение проницаемости мембран в разных случаях различен. Эти же факторы определяют, в конечном счете неспецифическое действие на проницаемость мембран различных соединений, например стероидов, белков и многих других.

Практическая часть.

Тема работы: «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны»

Цель работы:

Выяснить условия, при которых разрушается цитоплазматическая мембрана клеток листа краснокочанной капусты.

Приборы и материалы:

Листья краснокочанной капусты; скальпель; линейка; пинцет; пробирки с пробками; лабораторный штатив для пробирок; водяная баня; термометр; кусочки листьев краснокочанной капусты, предварительно вымоченные вводе в течении 3 часов; фильтровальная бумага ; вода; этанол (96%); ацетон; бензин; растворы соляной кислоты, гидроксида натрия и хлорида натрия (10%); смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).


Комментарии к работе:

В данном исследовании я использовал краснокочанную капусту. Выбор этого растения был не случаен. В вакуолях её клеток содержится водорастворимый пигмент антоциан, придающий её листьям характерную окраску. При повреждении мембраны клетки антоциан вытекает наружу. Наличие антоциана в пробирке позволяло мне делать вывод о повреждении мембран клеток этого растения.

Для чистоты эксперимента я пользовалась одинаковыми пробирками, одинаковыми кусочками капусты, добавляя одинаковое количество всех химических веществ.

В первой части работы я разрушил оболочку и мембраны клеток механически - при помощи скальпеля. Разрезая листья капусты на кусочки, я разрушал клетки, при этом антоциан выходил наружу. Пигмент окрашивал воду, в которую помещаются кусочки листьев, в фиолетовый цвет. Чтобы полностью удалить антоциан из разрушенных клеток, я заранее нарезал достаточное количество кусочков капусты и вымочил их в водопроводной воде в течение 3 часов, меняя воду несколько раз. В дальнейшем я пользовался только отмытыми от пигмента кусочками.

Безопасность и чистота эксперимента:

1.Я пользовался только сухими пробирками.

2. Промывал мензурку и пинцет в воде перед каждым опытом.

3. Для опыта с бензином я взял сухую мензурку.

4. Работая с ацетоном и бензином, я быстро закрывал пробирки пробками и ставил пробирки под тягу.

Ход работы.

ЧАСТЬ 1

  1. Я пронумеровал каждую из десяти пробирок.

  2. В пробирку № 1 я поместил кусочки капусты и добавил 5 мл воды.

  3. В пробирку № 2 я положил отмытые от пигмента кусочки капусты, и добавил 5 мл воды

  4. Положил промытые кусочки капусты на фильтровальную бумагу и тщательно промокнул их. Поместил высушенные кусочки капусты в пробирки и добавил вместо воды по 5 мл следующих жидкостей:

в пробирку № 3 - этанол (96%);

в пробирку № 4 - ацетон;

в пробирку № 5 - соляную кислоту (1 М) ;

в пробирку № 6 - гидроксид натрия (1 М);

в пробирку № 7 - раствор хлорида натрия (10%);

в пробирку № 8 - бензин;

в пробирку № 9 - смесь бензина и воды (1:1);

в пробирку № 10 - смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).

В опыте я использовал средство для мытья посуды «Пемолюкс».

  1. Отметил окраску содержимого всех пробирок, используя лист белой бумаги в качестве фона.

ЧАСТЬ 2

  1. Пронумеровал еще 3 пробирки № 11, № 12 и № 13.

  2. Поместил в пробирки № 11, № 12 и № 13 по кусочку капусты и добавил в каждую по 5 мл воды.

  3. Поместил пробирку № 11 в водяную баню при t = 40 °С.

  4. Поместил пробирку № 12 в водяную баню при t = 60 °С.

  5. Поместил пробирку № 13 в водяную баню при t = 100 °С.

  6. Отметил изменения окраски во всех пробирках, используя лист белой бумаги в качестве фона.

  7. Оформил результаты в виде таблицы:

Номер пробирки

Содержимое пробирки и температура

Окраска жидкого содержимого пробирки

Окраска кусочков капусты

1

Кусочки капусты + 5мл воды

фиолетовый

фиолетовая

2

Отмытые от пигмента кусочки капусты + 5 мл воды

почти прозрачный

естественная окраска стала бледнее

3

Кусочки капусты + 5мл этанола (96%)

пурпурно-сиреневый


пурпурно-сиреневая


4

Кусочки капусты + 5мл ацетона

бледно-сиреневый

бледно-сиреневая

5

Кусочки капусты + 5мл соляной кислоты

красный

красная

6

Кусочки капусты + 5мл гидрооксида натрия

жёлтый

жёлтая

7

Кусочки капусты + 5мл хлорида натрия (10%)

бесцветный

естественная окраска, клетки капусты чуть-чуть набухли

8

Кусочки капусты + 5мл бензина

бесцветный

естественная окраска

9

Кусочки капусты + 5мл смеси бензина и воды (1:1)

двухслойный раствор:

верхний слой

светло-желтый,

нижний слой - голубой.

естественная окраска

10

Кусочки капусты + 5мл смесь воды и средства для мытья посуды

слабый жёлтый цвет

жёлтая

11

Кусочки капусты + 5мл воды на водяной бане

при t = 40°С

бесцветный

естественная окраска

12

Кусочки капусты + 5мл воды на водяной бане

при t = 60°С

синий

синяя

13

Кусочки капусты + 5мл воды на водяной бане при t = 100°С

сине-зелёный

сине-зелёная



Наблюдения и объяснения результатов работы:

В пробирке №1 окраска жидкости через некоторое время стала фиолетовой. Когда я резал листья капусты на кусочки, то повреждал вакуоли с клеточным соком и это пигмент антоциан выходит наружу из разрушенной клетки и окрашивает воду в фиолетовый цвет.

В пробирке №2 жидкость стала бледно-голубой, почти прозрачной, а естественная окраска кусочков капусты стала бледнее.

Затем я решил проверить свою гипотезу. Могут ли химические или токсические соединения разрушать мембрану клетки. Выбор веществ, которые я использовал, не случаен: этанол - полярное соединение, соляная кислота и гидроксил натрия - электролиты. Они взаимодействуют, в основном с полярными (гидрофильными) составляющими мембраны (белками, гликопротеидами, полярными головками молекул фосфолипидов) и вызывают денатурацию белков и их частичную экстракцию из мембран. Все это приводит к нарушению целостности клеточных мембран и выходу пигмента в раствор.

В пробирке №3 окраска жидкости стала пурпурно-сиреневой, кусочки капусты такого же цвета.

В пробирке №4 жидкость пробрела бледно сиреневый оттенок, и сами кусочки капусты стали бледно сиреневыми.

В пробирке № 5 жидкость стала красной, как и кусочки капусты, находящиеся в ней.

В пробирке № 6 жидкость и капуста стали желтыми.

В пробирках №5 и №6 мембрана клетки повреждалась, антоциан вытекал из клеток капусты. Соляная кислота и щелочь вступали в химическую реакцию с антоцианом, придавая раствору красную и желтую окраску соответственно. По этой причине антоциан может быть использован как природный индикатор для обнаружения анионов гидроокисла и катионов водорода в одном растворе.

В пробирке № 7 раствор остался бесцветным. Поваренная соль - полярное соединение, и в условиях опыта она не разрушает клеточные мембраны, поэтому раствор в пробирке остается бесцветным. Можно отметить незначительное изменение тургора клеток капусты. Клетки капусты чуть-чуть набухли - это один из наиболее ранних признаков ее повреждения, который может проявляться, например, при недостатке кислорода в ткани.

В пробирке №8 жидкость осталась бесцветной, и кусочки капусты цвета не изменили. Это происходит потому, что бензин неполярный растворитель, взаимодействующий в основном с неполярными (гидрофобными) составляющими мембраны (хвостами молекул фосфолипидов, внутримембранными группами белков). Антоциан в бензине не растворяется , поэтому в опыте окраска бензина не изменяется.

В пробирке № 9 жидкость стала двухслойной. Верхний слой занимал бензин - светло желтое гидрофобное вещество, нижний слой занимала вода - голубое гидрофильное вещество. Мембрана клетки не повредилась. Кусочки капусты сохранили в растворе свою естественную окраску.

В пробирке № 10 содержимое пробирки окрасилось в слабый желтый цвет, что позволяет сделать вывод о наличии в нём щелочи. Бытовое моющее средство обычно содержит несколько компонентов - амфифильных (т.е. проявляющих и гидрофобные, и гидрофильные свойства) соединений, которые воздействуют на различные компоненты мембран, но главным образом на гидрофобные. В данном опыте мембрана клетки повреждается, что приводит к вытеканию из клетки антоциана.

Далее в работе я решил выяснить, как воздействует температура на целостность цитоплазматической мембраны. Я поместил 3 пробирки в водяную баню при t = 40°С; t =60ºС; t = 100ºС. При температуре 40 °С с кусочками капусты никаких изменений не происходит. А при нагревании до t =60ºС белки денатурируют, целостность клеточных мембран нарушается, и антоциан выходит в воду, придавая раствору синюю окраску. При t = 100ºС попавший в воду антоциан подвергается термическому разложению и раствор становится сине - зеленым.

Выводы:

Моя гипотеза подтвердилась. Я доказал опытным путем, что целостность плазматической мембраны клеток листа краснокочанной капусты действительно нарушается:

  1. При воздействии на неё таких химических веществ как - этанол (96%), ацетон, соляная кислота, гидроксид натрия, смеси воды и моющего средства (10:1)

  2. При воздействии на неё такого физического фактора как высокая температура.

Воздействие этих веществ приводит к повреждению элементарных структур клетки и нарушению их функций.


Эта работа стимулировала меня к поиску. Она научила меня мыслить, применять свои теоретические знания на практике. Во время работы я чувствовал себя исследователем, и она показала мне, как можно получить теоретические знания с помощью эксперимента.










































Заключение


Основным строительным элементом клетки являются биологические мембраны. Это далеко не просто поверхность раздела между клеткой и средой. Мембраны — это и пузырьки, микротрубочки, канальцы, образующие внутри клетки целую «водную систему», по которой организованно циркулируют вещества — метаболиты, участники внутриклеточного обмена веществ. Сама мембрана представляет собой образец совершенства, единство подвижности и постоянства, легкости приспособления к условиям и способности оставаться сама собой.

Биологические мембраны выполняют множество функций, нарушение любой из которых может привести к изменению жизнедеятельности клетки в целом и даже ее гибели. Наиболее тяжелые последствия вызывает повреждение липидного слоя мембран. Липидный слой клеточной и внутриклеточных мембран выполняет две основные функции: барьерную и матричную (структурную). В нормально функционирующей клетке срединная часть липидного слоя представляет собой сплошную пленку. Эта пленка практически непроницаема для ионов и молекул водорастворимых веществ, таких, как углеводы, аминокислоты, белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Повреждение этого сплошного барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций.

Эта работа стимулировала меня к поиску дополнительной информации, к работе со справочной и научной литературой. Мне было интересно узнать как можно больше о строении и функционировании клетки. Благодаря этим источникам информации я выяснил следующее. В зависимости от происхождения все факторы, способные при взаимодействии с клеткой вызвать ее повреждение, можно разделить на 3 группы: Факторы физической природы. К ним относятся механическое воздействие, высокая и низкая температура, ультрафиолетовые лучи, ионизирующая радиация и др. Факторы химического происхождения. Повреждение клетки могут вызвать неорганические вещества (кислоты, щелочи), низкомолекулярные органические соединения (фенолы, альдегиды, галогенопроизводные), высокомолекулярные соединения (гидролитические ферменты, иммуноглобулины). В настоящее время описано более 20 000 химических соединений, оказывающих повреждающее действие. Факторы биологической природы. К ним относятся микроорганизмы, способные взаимодействовать с клетками организма — вирусы, бактерии, простейшие.

Со своей исследовательской работой я выступал на школьной Декаде Наук. А также на элективных курсах перед учениками 9-х и 11-х классов. Мне задавали вопросы, я старался на них правильно ответить. Мне было интересно.





Литература:


1.Еженедельное приложение к газете «Первое сентября - Биология , январь 2/2000год.

2.Э.В. Семенов, С.Г. Мамонтов, В.Л.Когар - Биология. Москва, «Высшая школа», 1984 год.

3.Чизмаджев Ю.А. Биоэлектрохимия: из прошлого в будущее // Соросовский Образовательный Журнал. 2000. Т. 6, № 3. С. 23-27.

4.Антонов В.Ф. Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран // Там же. 1998. №10. С. 10-17.

5.Интернет-ресурсы:

http://nmus.net/load/patologicheskaja_anatomija/lekcii/glava_2_ultrastrukturnye_osnovy_patologii_kletki/69-1-0-647#ixzz1cjwxyF1f




























Приложение № 1.

Характеристики различных биологических барьеров




Тип барьера


Проницаемость для веществ

Примеры

Липидная мембрана

Хорошо растворимые в жирах, неионизированные молекулы

Слизистые полости рта, эпителий почечных канальцев, эпителий кожи

Липидная мембрана с порами малого диаметра (0,3 - 0,8 нм)

Хорошо растворимые в жирах и низкомолекулярные водо-растворимые молекулы

Эпителий тонкой и толстой кишки

Липидная мембрана с порами средних размеров (0,8 - 4 нм)

Липофильные и в меньшей степени гидрофильные молекулы

Слизистые оболочки глаз, носоглотки, мочевого пузыря

Липидная мембрана с порами диаметром более 4 - 6 нм

Липофильные и гидрофильные молекулы с молекулярной массой до 1000 Д

Легкие, стенка капилляров кожи, мышц, желчные капилляры

Липидная мембрана с порами большого диаметра

Липофильные и гидрофильные молекулы с большой молекулярной массой

(до 4000 Д)

Печеночные капилляры














Приложение № 2

Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры



ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ:

МЕХАНИЗМЫ

ВЕЩЕСТВА

Липидные мембраны

Свободная диффузия в соответствии с градиентом концентрации

Жирорастворимые ксенобиотики


Ионные каналы ("поры" 0,3 - 0,4 нм)

Затрудненная диффузия в соответствии с градиентом концентрации


Гидрофильные молекулы малых размеров и ионы, проникающие через ионные каналы


Транспортные белки

Активный транспорт против градиента концентрации с потреблением АТФ; каталитическая диффузия

Сахара, органические кислоты и основания


Инвагинация мембран

Фагоцитоз, пиноцитоз


Большие молекулы, капли диаметром до 20 нм


Межклеточные поры

Затрудненная диффузия, избирательная фильтрация


Ионы, большие молекулы, нерастворимых в липидах веществ










Приложение № 3

Повреждающие факторы (т.е. воздействия, непосредственно повреждающие клеточные структуры)



Повреждающий фактор

Примеры повреждающего действия и повреждаемые структуры

Механическое воздействие

Слущивание клеток эпителия в кишечнике. Нарушение межклеточных контактов.

Высокая температура

Денатурация белков, плавление ДНК.

Охлаждение

Повышение вязкости липидного слоя мембран и нарушение их работы.

Действие ядов и токсинов

Частичная или полная потеря активности определенных ферментов и рецепторов.

Ультрафиолетовая радиация

Фотохимическое повреждение нуклеиновых кислот, белков и липидов мембран. Летальное и мутагенное действие УФ на микроорганизмы.

Видимый свет

Окисление клеточных структур

Ионизирующая радиация

Повреждение клеточных структур свободными радикалами.

Недостаток кислорода (гипоксия)

Повреждение клеточных структур вследствие недостатка АТФ.

Избыток кислорода или чрезмерное образование кислородных радикалов

Повреждение клеточных структур свободными радикалами.

Пищевая недостаточность антиоксидантов

Повреждение клеточных структур свободными радикалами.

Изменение ионного состава в окружающей среде

Нарушение возбудимости, спонтанная возбудимость, осмотический дисбаланс, набухание клеток и отек ткани.






Приложение № 4

Распределение ионов калия и натрия внутри и снаружи некоторых клеток



Клетки

Концентрация, моль/л

Отношение внутренней концентрации к наружной

Внутри

Снаружи

K+

Na+

K+

Na+

K+

Na+

Эритроциты человека

112

37

5

143

22:1

1:3,88

Одиночное волокно портняжной мышцы лягушки

125

15

2,6

110

48:1

1:7

Гигантский аксон кальмара

410

49

22

440

19:1

1:10
























































































30


скачать файл | источник
просмотреть