Конспект уроку з біології Диференціація клітин

Тема. Диференціація клітин еукаріотів. Сучасна клітинна теорія. Еволюційна історія клітини. Цитоекологія.

Мета: сформувати поняття диференціації клітин; ознайомити учнів з теоріями клітинної диференціації, розглянути типи морфологічної диференціації клітин; встановити суть терміну «детермінації клітин»; розглянути та сформувати поняття потенції клітин, стовбурові клітини, диферон. Розглянути сучасну клітинну теорію, еволюційну історію клітини. Дати визначення цитоекології.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний етап

ІІ. Актуалізація опорних знань і чуттєвого досвіду учнів.

1. Дайте визначення анаболізму.

2. Дайте визначення катаболізму. (Ферментні процеси, спрямовані на розщеплення в організмі органічних сполук на простіші речовини з вивільненням енергії.)

3. Де відбувається підготовчий етап енергетичного обміну? (Відбувається в просвіті кишечника. Під впливом травних ферментів біополімери розщеплюються (гідролізуються) до мономерів: білки - до амінокислот, полісахариди - до моносахаридів, ліпіди - до спиртів і жирних кислот).

4. Що таке анаеробний гліколіз? (Гліколіз - процес розщеплення цукру до піровиноградної кислоти, що відбувається в гіалоплазмі і супроводжується виділенням енергії).

5. Де відбувається аеробний етап енергетичного обміну? (Аеробний етап енергетичного обміну відбувається в мітохондріях, під впливом ферментів циклу Кребса настає остаточне розщеплення речовин до СО₂ і Н₂О при цьому звільняється понад 90% енергії).

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

У попередніх розділах описані структура і функції клітин в загальному. Проте клітини в організмі різні. Процес, який веде до утворення різних клітин з початково однорідних, у цитології називається диференціацією клітин. Процес диференціації клітин здійснюється як у період ембріонального розви­тку організму, так і під час його постнатального життя. В ембріональний пе­ріод (ембріогенез) ці процеси відбуваються як на рівні ембріональних зачат­ків, так і під час спеціалізації клітин і тканин.

Розвиток організму супроводжується двома процесами: клітинною про­ліферацією (від лат. рroles - нащадок, потомок і fero - несу) - розростан­ням тканин унаслідок багаторазового поділу клітин та диференціацією (від лат. differentia - відмінність) - утворенням різних клітин із початково од­норідних.

1. Диференціація клітин

Цитодиференціація звичайно настає після пролі­ферації. Клітини, які швидко розвиваються є, як правило, малодиференційованими (наприклад, мезенхімні клітини або клітини базального шару епітелію шкіри). Високодиференційовані клітини звичайно втрачають здатність до проліферації. Проліферацію, як і ріст, стимулюють різні гуморальні фактори, зокрема фактори росту.

Цитодиференціація, поява відмінностей між клітинами у багатьох тварин є незворотним процесом. Вона здійснюється лише в одному напрямку - від менш диференційованої до більш диференційованої клітини. Результатом ди­ференціації є спеціалізована клітина конкретної морфології, здатна виконува­ти певні, визначені функції. Цитодиференціація у рослин і нижчих тварин - процес зворотний.

2. Теорії клітинної диференціації.

Якщо розглядати процес диференціації з точки зору генної теорії, то необхідно зазначити, що диференційовані кліти­ни містять такий же набір генів (генотип), як і недиференційовані. Проте пе­реважна більшість генів неактивна, заблокована. У процесі диференціації, з одного боку, включаються гени, під дією яких клітина повинна перетворитися в певний один тип, а з другого боку - репресувати (пригнічувати) ті гени, які могли б спрямувати її на інший шлях диференціації. При диференціації клі­тини експресують суворо визначену частину геному, транскрибують специфі­чні РНК і синтезують специфічні білки, що й визначає морфологічні та функ­ціональні ознаки спеціалізації клітин. Отже, відмінності між клітинами, які мають однаковий набір генів, визначає диференціальна активність генів.

Диференціація клітин приводить до утворення ліній із різним ступенем диференціації. Серед мільйонів клітин організму вдається визначити під мікроскопом близько 100 різних типів. Диференційовані клітини характеризу­ються морфологічними і особливо функціональними властивостями, що обу­мовлено специфічними властивостями білків. Отже, в основі будь-якої дифе­ренціації лежать структурні зміни білків. Оскільки білковим синтезом керує ДНК, то тим самим вона управляє диференціацією. Однак жорстка програма синтезу білка, визначена ДНК, модифікується низкою умов. Реалізацію дії структурних генів, які беруть участь у диференціації, здійснюють гени-регулятори, зокрема для диференціації необхідна узгоджена відрегульована дія активацій і депресій різних генів, гра, яка регулювала б послідовність по­тенціальної активності генів.

3. Типи морфологічної диференціації.

Диференціація клітин відбувається, починаючи з ранніх стадій ембріоге­незу, і продовжується формуванням тканин. Під час диференціації настають зміни в цитоплазмі клітин внаслідок її взаємодії з ядром. Проте найбільш по­мітною є морфологічна диференціація.

У ході розвитку виділяють ряд етапів (типів) морфологічної диференціації.

1. Оотипічна, яка проявляється вже під час запліднення. Особливо на­глядно вона виступає в зиготі амфібій. На анімальному полюсі появляється так званий сірий серп, а в базальному - нагромаджується жовток.

2. Бластомерна - на рівні перших декількох дроблень. У деяких тварин чітко помітна різниця між окремими групами бластомерів, у жаби - це мікробластомери і макробластомери.

3. Зачаткова. У період утворення мезодерми відзначається різниця між клітинами окремих зачатків, коли в сомітах вони інші, ніж у сегментних ніж­ках чи спланхнотомі.

4. Тканинний тип диференціації триває весь період ембріонального і на­віть постнатального розвитку. Найбільш помітна така диференціація в проце­сі розвитку мезенхіми, з якої утворюються всі види сполучної тканини (пухка, щільна, хрящова, кісткова) і формені елементи крові (еритроцити, всі види лейкоцитів).

4. Детермінація.

У ході диференціації клітини певної тканини реалізують закріплені детермінацією потенції. Детермінація клітин (тканин) (від лат. determinatio - визначення) - процес, який програмує напрямок розвитку клітин, характерний для даного виду тканин. У результаті детермінації ком­петентна клітинна система обирає один із багатьох можливих шляхів розвит­ку. Отже, детермінація клітини - це процес визначення шляху її дальшого розвитку, виникнення якісної своєрідності клітин.

Клітина, детермінована в одному напрямку, продукує клітини, детерміновані таким же чином: «подібне породжує подібне». Немає єдиної теорії механізму де­термінації. Вважають, що детермінація відбувається внаслідок дії низки факторів. Оскільки в процесі детермінації не має значення блокування генів, бо під час реплікації ДНК всі гени повинні бути деблоковані, то виникає думка, що детерміно­ваність у різних клітинних лініях мабуть залежить від постійності цитоплазми протягом послідовних поколінь. Цитоплазма впливає певним чином на активацію або гальмування генів, що приводить до синтезу певних молекул РНК, а тим са­мим і синтезу білків відповідних даному типові клітин.

5. Потенції клітин.

У процесі диференціації відбувається поступове обме­ження (рестрикція) потенцій клітин, у результаті чого клітини набувають структурних і функціональних властивостей зрілих.

Клітини організму відрізняються своєю потенцією (від лат. роtentia - сила), «можливістю, яка не обов'язково реалізована». Тотипотентні (від лат. totus - весь), або омніпотентні (від грец. отnis - кожний) клітини - це за­пліднені яйцеклітини, які служать предковими клітинами для всіх інших клі­тин організму; тотипотентними є практично усі рослинні клітини. Поліпотентні (від грец. роli - багато), або плюрuпотентні (від лат. рluralis - мно­жинний), чи стовбурові клітини частково втратили свої потенції, апе з них можуть утворюватися багато типів клітин, наприклад, мезенхімні клітини, які дають початок клітинам крові, власне сполучної тканини, хрящової, кісткової та гладкої м'язової тканини. Уніпотентні (від грец. unis - один) клітини не зберігають потенцій і лише здатні утворювати собі подібні клітини, напри­клад, клітини епітелію шкіри.

Стовбурові клітини - найменш диференційовані клітини певної ткани­ни, зі збереженими високими потенціями, які є джерелом розвитку інших клі­тин тканин. Вони наявні в усіх тканинах під час їх ембріонального розвитку і зберігаються в багатьох тканинах зрілих організмів. Стовбурові клітини ма­ють ряд характерних особливостей. Вони: (1) утворюють клітинну популяцію, яка сама себе підтримує; (2) рідко діляться; (3) стійкі до дії шкідливих факто­рів; (4) у деяких тканинах вони плюрипотентні, тобто можуть стати джерелом розвитку декількох видів диференційованих клітин.

6. Диферон.

У тканинах звичайно присутні клітини різного ступеня дифере­нціації, серед них є стовбурові, родоначальні (напівстовбурові), диференційо­вані, старі. Таку закономірну сукупність клітин певного типу тканини нази­вають дифероном. Диферон (від лат. differo - розповсюджувати), або гістогенетичний ряд - це угруповання всіх клітин, які складають ту чи іншу лінію диференціації - від найменш диференційованих (стовбурових) до найбільш зрілих - диференційованих.

7. Сучасне формулювання клітинної теорії

Із винайденням електронного мікроскопа (1931) і застосуванням його для біологічних досліджень цитологія зробила значний крок уперед. У середині XX ст, вченими з використанням електронного мікроскопа була описана суб­мікроскопічна будова клітини та її компонентів. У 40-50-х рр. XX ст. розви­ток науки у передових країнах досяг такого рівня, що відкриття і дослідження структур клітини, її органел за допомогою електронного мікроскопа здійсню­валися дослідниками різних країн майже одночасно. Так, Р. Портер, А. Клод і Е. Фулман описали ендоплазматичну сітку (1945-1946), А. Далтон, Е. Фелікс, Ф. С. Шестранд і Ц. Нансон дослідили електронномікроскопічну будову ком­плексу Гольджі (1953 -1954). К. Р. де Дюв із використанням фракційного центрифугування виявив лізосоми, Дж. А. Родін відкрив пероксисоми (1954). Більш детально були описані субмікроскопічні структури клітини у 60-70-х рр. X X століття.

У наш час учені продовжують досліджувати біологію клітини, поглиб­люючи знання про її будову, хімізм, функції, розвиток, диференціацію, ста­ріння, генетику і патологію. Генна інженерія, суть якої полягає у виділенні й штучному створенні рекомбінантних молекул ДНК із наступним введенням їх в організм з метою цілеспрямованої перебудови його генотипу, стала об'єктом детального вивчення.

Сучасна клітина теорія включає такі основні положення:

1. Усе живе складається з однієї або багатьох клітин. Усі клітини різних живих організмів подібні (гомологічні за побудовою).

2. Клітина є найменшою основною одиницею живого. У ній відбувають­ся всі хімічні реакції, які уособлюють життя.

3. Усі клітини виникають із клітин, які вже існують.

4. Клітини зберігають, переробляють і передають генетичну інформацію з покоління в покоління.

5. Багатоклітинні організми є складними клітинними ансамблями, які утворюють цілісні системи.

ІV. Рефлексія.

1. Дайте визначення диференціації клітин.

2. Що таке процес детермінації клітин?

3. Дайте визначення диферона.

4. Що таке потенції клітин? Чи всі клітини мають однакові потенції?

5. Сформулюйте положення сучасної клітинної теорії.

V. Домашнє завдання.

Вивчити конспект.

VІ. Підсумки уроку.