матеріал 32

Урок 51. Надмембранні комплекси

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 51. Надмембранні комплекси

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ – [12 ПРО 1.1.1-1 П]
формулює самостійно або у співпраці з іншими дослідницьку проблему, аргументує вибір проблеми дослідження – [12 ПРО 1.1.1-2 П]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи дослідження, зважаючи на умови його проведення – [12 ПРО 1.3.1-1 П]
продукує самостійно або у співпраці з іншими ідеї щодо створення математичних/реальних/віртуальних моделей об’єктів і явищ – [12 ПРО 1.4.1-1 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/віртуальні моделі об’єктів і явищ – [12 ПРО 1.4.1-3 П]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки відповідно до завдань дослідження – [12 ПРО 1.5.2-2 П]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими можливість використання результатів дослідження для розв’язання навчальної/життєвої проблеми – [12 ПРО 1.5.2-3 П]

Місце уроку в темі: Цей урок один з завершальних у великій темі «Біологія клітин». Наступний урок буде про підмембранні комплекси.

Проблема уроку: Як надмембранні комплекси клітин впливають на рух речовин, беруть участь у сигнальних взаємодіях та яке це має значення у прикладному використанні в харчовій промисловості і медицині?

Очікувані результати для вчителя:

Учнівство навчилось визначати й пояснювати молекулярні компоненти клітинної стінки та глікокаліксу й пов’язувати будову з функцією.
Учнівство вміє використовувати науковий метод: формулювати гіпотезу, будувати просту модель/експеримент, збирати та інтерпретувати дані, робити аргументовані висновки.
Учнівство аналізує прикладні аспекти теми та демонструє розуміння практичного застосування знань.

Очікувані результати для учнівства:

Я можу точно описати структуру клітинної стінки та склад глікокаліксу, пояснити, як їх молекулярні властивості визначають механічні та бар’єрні функції клітини.
Я можу порівнювати функції надмембранних комплексів і пояснити, що відбувається при порушенні їх цілісності.
Я вмію спроєктувати простий експеримент/модель, інтерпретувати отримані результати та пов’язати їх із реальним застосуванням.

Ключові слова:

целюлоза
мікрофібрили
пектин
лігнін
глікокалікс
адгезія
міжклітинна комунікація

План уроку

Мотивація (5 хв)
Тобі може знадобитися (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Попрактикуймо самостійно (10 хв)
Рефлексія (5 хв)

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

🛠 Як провести:

Почніть із інтригуючих запитань: «Чому джем густий, а кора дерева витримує бурю? Чи є тут біологічний секрет?»

Покажіть два зображення – шматочок дерева під мікроскопом і фото судинного ендотелію з глікокаліксом.

Запропонуйте учням знайти спільні риси.

✅ Головна ідея: надмембранні комплекси – це структури завдяки яким клітини захищаються, взаємодіють між собою і довкіллям.

Уявіть дві побутові ситуації:

Чому яблучний джем густіє під час варіння, перетворюючись на щільну масу?

Рис 1. Яблучний джем. Джерело: CreativeCanning

Чому кора деревина рослин витримує пориви вітру, не розривається і не зминається?

Рис 2. Деревина у трансмісійному електронному мікроскопі. Джерело: Springernature

Обидва явища мають спільний секрет – особливі структури над клітинною мембраною.

У рослин це клітинна стінка з її целюлозою, геміцелюлозами, пектинами й лігніном.

Рис 3. Клітинна стінка рослин. Джерело: ThougtCo

У тварин – це глікокалікс, «антенний» поверхневий щар клітини, що відіграє значну роль у роботі кровоносних судин, імунної системи та розвитку серцево-судинних захворювань.

Рис 4. Глікокалікс ендотелію кровоносних судин. Джерело: ResearchGate

Сьогодні ми з’ясуємо:

що спільного між кухнею, деревиною й нашими судинами;
чому надмембранні комплекси є важливими для медицини та біотехнологій;
як мікроскопічні структури забезпечують виживання клітин і життя організмів.

2. Тобі може знадобитися

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

🛠 Як провести:

Поясніть, що клітинна стінка рослин поєднує міцність (целюлоза) і гнучкість (пектин).

Проведіть паралель із медициною: покажіть схему глікокаліксу судин. Запитайте: «Що може статися з організмом, якщо цей захисний шар буде пошкоджений?» (приклади захворювань: діабет, атеросклероз).

Використовуйте запитання для дискусії:

Чим клітинна стінка відрізняється від глікокаліксу?

Чому пектин утримує воду, а лігнін – навпаки, робить стінки водонепроникними?

Чому целюлозна клітинна стінка важлива не тільки для рослини, але й для діяльності людини (деревина, папір, харчові волокна)?

Клітина не обмежується мембраною й внутрішніми органелами. Над поверхнею клітини є додаткові структури, які виконують роль покриву, чи навіть своєрідного «екзоскелета». Вони визначають, форму клітини, як вона захищається і взаємодіє з іншими клітинами.

Рис 5. Склад клітинної стінки рослин. Джерело: ResearchGate

Клітинна стінка у рослин

Целюлоза – довгі ланцюги β-1,4-глюкози, зібрані у міцні мікрофібрили. Вони створюють «арматуру» клітинної стінки, подібно до сталевих прутів у бетоні.

Геміцелюлози – «сітка», що переплітається з целюлозними волокнами, утримуючи їх разом.

Пектин – речовина, яка утримує воду й надає клітинній стінці еластичності; саме завдяки пектину яблучне повидло перетворюється на густий джем.

Лігнін – додатковий компонент, який робить клітинні стінки жорсткими й водонепроникними (його багато у деревині).

Функції компонентів: захист від механічних ушкоджень, формування форми клітини, запобігання надмірному надходженню води до клітин, участь у міжклітинних з’єднаннях.

Рис 6. Глікокалікс яйцеклітини людини – зліва (мікрофотографія), та схема основних компонентів глікокаліксу – справа. Джерело: ResearchGate

Глікокалікс у тваринних клітин

Це «вуглеводна хмара» з глікопротеїнів, гліколіпідів і протеогліканів, яка покриває поверхню мембрани.

Він працює як «візитівка клітини» – завдяки ньому клітини розпізнають одна одну, прикріплюються й передають сигнали.

У судинному ендотелії глікокалікс діє як фільтр і бар’єр, захищаючи стінки судин. При його пошкодженні виникають проблеми з нормальним перебігом кровообігу і виникають запалення.

Функції компонентів: адгезія (злипання клітин), сигнальна роль (передача інформації між клітинами), захист від механічних і хімічних ушкоджень.

Рис 7. Наслідки порушень структури і функцій глікокаліксу ендотелію судин. Джерело: AmericanJournalOfPathology

3. Хімічний склад деяких компонентів

• Целюлоза – довгі полімерні ланцюги глюкози, з’єднані особливим β-зв’язком (целюлоза не перетравлюється у травному тракті людини, є основою клітинних стінок рослин).

• Пектин – полімер галактуронової кислоти, який добре зв’язує воду.

• Глікокалікс – суміш білків та вуглеводів, утворює покрив, схожий на шар слизу.

3. Життєва ситуація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Як провести:

Підготовка матеріалів:

Для «стінки»: з учнівством (краще заздалегідь за можливості) приготуйте два типи желе (одне густе, інше – більш рідке).

Для «глікокаліксу»: підготуйте два прозорі стакани з водою (один із доданим цукром/сиропом).

Майте під рукою пластикові палички та харчові барвники.

Організація роботи:

Поділіть клас на групи.

Кожна група отримує набір зразків для «стінки» та «глікокаліксу».

Дайте інструкцію: спостерігати, описувати, робити висновки й коротко презентувати.

Запитання для дискусії:

Чому желе з більшою кількістю пектину виявилось міцнішим?

Як пектин у клітинній стінці впливає на утримання води?

Сьогодні ви станете дослідниками, які перевіряють, чому клітинна стінка рослини міцна, а глікокалікс у тваринних клітинах працює як захисний покрив. Ми створимо прості моделі цих структур і дослідимо їхні властивості.

Етап 0. Приготування моделей (разом із учителем/або завчасно вдома)

Для досліду «Модель клітинної стінки» (желе):

Приготуйте два види желе.
- одне з більшою кількістю пектину/желатину/агару (густе – «міцна стінка»),
- друге з меншою кількістю пектину/желатину/агару (рідке – «слабка стінка»). Можна варіювати відсоток доданого пектину/агару/желатину, щоб наочно побачити зміни властивостей желе.
Розлийте у пластикові стаканчики й охолодіть у холодильнику.

Для досліду «Модель глікокаліксу» (сироп):

У прозорий стакан додайте кілька ложок цукру або сиропу до води (отримаєте в’язкий розчин).
Підготуйте другий стакан із чистою водою (контроль).

Етап 1. Модель клітинної стінки

Ви працюєте в групах. Кожна група отримує два зразки «штучних клітинних стінок»:

Желе з пектином (густий зразок – імітація стінки з нормальною кількістю пектину).
Розведене желе (рідший зразок – імітація стінки зі зменшеною кількістю пектину).

Ваше завдання:

Обережно спробуйте натиснути на зразки пальцем або пластиковою паличкою.
Запишіть, який із них стійкіший до тиску.
Поміркуйте, який матеріал більше нагадує молоду трав’яну рослину, а який – деревину.

Рис 9. Дифузія барвника у рідині. Джерело: SciencePhoto

Етап 2. Модель глікокаліксу

Використаємо два стакани з водою. В одному розчинено цукор або сироп (імітація глікокаліксу, який утримує воду), в іншому – чиста вода.

Внесіть у кожен стакан невелику кількість харчового барвника.
Спостерігайте, та зафіксуйте час як швидко розповсюджується барвник у чистій воді і у сиропі і коли він розподілиться рівномірно.

Етап 3. Обговорення результатів

Який зразок виявився міцнішим?
Як пектин і целюлоза разом забезпечують жорсткість клітинної стінки?
Як глікокалікс впливає на проникність мембрани?

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Завдання 1:

У лабораторії виміряли міцність зразків клітинних стінок з різною концентрацією пектину.

Концентрація пектину (%)	Середня сила тиску до руйнування (Н)
0	2,1
0,5	4,3
1,0	6,8
2,0	11,5

• Побудуйте графік залежності міцності зразків клітинної стінки від вмісту пектину:

• Чому пектин робить клітинну стінку більш стійкою?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 1:

Залежність пряма: збільшення концентрації пектину → зростання міцності клітинної стінки.
Пектин утворює гель, що зв’язує воду і «цементує» волокна целюлози, підвищуючи жорсткість.

Завдання 2:

Глікоген і целюлоза – це полімери. На рис. 9 показано невеликі, репрезентативні ділянки молекули глікогену та молекули целюлози.

Рис 9. Глікоген і целюлоза. Джерело: CIAE

Детально опишіть, Опишіть три відмінності молекули глікогену від молекули целюлози, показані на рис. 9:

1. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Поясніть, як структура молекул целюлози в клітинних стінках рослин пов’язана з їхньою функцією, та чому глікоген не здатний виконувати аналогічні функції:

Клітинна мембрана

_______________________________________________________________________________________________

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 2:

Тип зв’язків: у глікогені глюкозні залишки з’єднані α-1,4- та α-1,6-глікозидними зв’язками (галуження), тоді як у целюлозі – β-1,4-глікозидними зв’язками (пряма лінійна молекула).
Будова ланцюга: глікоген має розгалужену структуру, а целюлоза складається з довгих нерозгалужених ланцюгів.
Просторова організація: у целюлозі паралельні ланцюги утворюють міцні мікрофібрили, у глікогені такої упорядкованої структури немає.

Як структура пов’язана з функцією:

Целюлоза: її довгі прямі ланцюги з β-1,4-зв’язками і численні водневі зв’язки між ними утворюють жорсткі мікрофібрили, що забезпечує механічну міцність клітинної стінки рослин і підтримку клітини.
Глікоген: розгалужена та компактна структура з α-зв’язками дозволяє швидко мобілізувати глюкозу як джерело енергії. Але він м’який, розчинний і не утворює волокнистих структур, тому не може виконувати механічну функцію клітинної стінки.

Завдання 3 – повторення:

Рис 10.Схема бактеріальної клітини. Джерело: PapaCambridge

У таблиці наведено деякі назви, функції або способи використання, а також ідентифікаційні літери частин, позначених на рис. 10.

• Заповніть таблицю:

Назва	Функція чи використання	Підпис на рис. 10
Джгутик
		G
	Синтезує білки
Клітинна стінка
	Використовується для генетичних модифікацій

Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Формати рефлексії:

Запропонуйте учням завершити речення-підсумки (на дошці чи усно).

Проведіть «ланцюжкову рефлексію»: кожен/кожна додає коротке спостереження.

Використайте емодзі-шкалу для швидкої оцінки: нехай учнівство намалює необхідні емодзі у зошиті.

Закінчіть речення:

Сьогодні мене здивувало, що:

Тепер я розумію, що надмембранні комплекси…

Моє питання для подальшого дослідження: …

Оцінть свій рівень розуміння за тематичною емодзі-шкалою:

🟢 – Я зрозумів/ла, родь клітинної стінки для захисту клітин.
🟡 – Я розумію загальну будову надмембранних комплексів, але хочу більше прикладів застосування.
🔵 – Я розумію, як глікокалікс уповільнює рух молекул.
🌀 – В мене плутанина, треба пізніше повернутись до пояснень.

Поділіться своїм висновком у форматі ланцюжка: один/на учень/иця починає, наступний/а додає своє, і так створюється «ланцюжок знань».

Питання для дискусії:

Який приклад із сьогоднішнього уроку вас найбільше вразив?
Що було складніше: зрозуміти структуру чи функцію цих комплексів?
Як знання про пектин чи глікокалікс може допомогти у житті поза межами школи?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Структура клітинної стінки рослин – анімація:
https://www.youtube.com/watch?v=zp2WW2TYcng
Як утворюється клітинна стінка рослин – 3D-анімація:
https://www.youtube.com/watch?v=ohEVDuw_p2s
Структура глікокаліксу ендотелію судин:
https://www.youtube.com/watch?v=NQAS-pTpAbg
Виробництво наноцелюлози – від рослинного до наноматеріалу: https://www.youtube.com/watch?v=vxqbuOjWV2s
Як зробити власний джем?:
https://www.youtube.com/watch?v=KUGjgUA-BWU

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 51. Надмембранні комплекси

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

Я можу точно описати структуру клітинної стінки та склад глікокаліксу, пояснити, як їх молекулярні властивості визначають механічні та бар’єрні функції клітини.
Я можу порівнювати функції надмембранних комплексів і пояснити, що відбувається при порушенні їх цілісності.
Я вмію спроєктувати простий експеримент/модель, інтерпретувати отримані результати та пов’язати їх із реальним застосуванням.

Ключові слова:

целюлоза
мікрофібрили
пектин
лігнін
глікокалікс
адгезія
міжклітинна комунікація

План уроку

Мотивація (5 хв)
Тобі може знадобитися (10 хв)
Життєва ситуація (15 хв)
Попрактикуймо самостійно (10 хв)
Рефлексія (5 хв)

1. Мотивація

Уявіть дві побутові ситуації:

Чому яблучний джем густіє під час варіння, перетворюючись на щільну масу?

Чому кора деревина рослин витримує пориви вітру, не розривається і не зминається?

Обидва явища мають спільний секрет – особливі структури над клітинною мембраною.

У рослин це клітинна стінка з її целюлозою, геміцелюлозами, пектинами й лігніном.

У тварин – це глікокалікс, «антенний» поверхневий щар клітини, що відіграє значну роль у роботі кровоносних судин, імунної системи та розвитку серцево-судинних захворювань.

Сьогодні ми з’ясуємо:

що спільного між кухнею, деревиною й нашими судинами;
чому надмембранні комплекси є важливими для медицини та біотехнологій;
як мікроскопічні структури забезпечують виживання клітин і життя організмів.

2. Тобі може знадобитися

Клітинна стінка у рослин

Целюлоза – довгі ланцюги β-1,4-глюкози, зібрані у міцні мікрофібрили. Вони створюють «арматуру» клітинної стінки, подібно до сталевих прутів у бетоні.

Геміцелюлози – «сітка», що переплітається з целюлозними волокнами, утримуючи їх разом.

Пектин – речовина, яка утримує воду й надає клітинній стінці еластичності; саме завдяки пектину яблучне повидло перетворюється на густий джем.

Лігнін – додатковий компонент, який робить клітинні стінки жорсткими й водонепроникними (його багато у деревині).

Функції компонентів: захист від механічних ушкоджень, формування форми клітини, запобігання надмірному надходженню води до клітин, участь у міжклітинних з’єднаннях.

Глікокалікс у тваринних клітин

Це «вуглеводна хмара» з глікопротеїнів, гліколіпідів і протеогліканів, яка покриває поверхню мембрани.

Він працює як «візитівка клітини» – завдяки ньому клітини розпізнають одна одну, прикріплюються й передають сигнали.

У судинному ендотелії глікокалікс діє як фільтр і бар’єр, захищаючи стінки судин. При його пошкодженні виникають проблеми з нормальним перебігом кровообігу і виникають запалення.

Функції компонентів: адгезія (злипання клітин), сигнальна роль (передача інформації між клітинами), захист від механічних і хімічних ушкоджень.

3. Хімічний склад деяких компонентів

• Пектин – полімер галактуронової кислоти, який добре зв’язує воду.

• Глікокалікс – суміш білків та вуглеводів, утворює покрив, схожий на шар слизу.

3. Життєва ситуація

Етап 0. Приготування моделей (разом із учителем/або завчасно вдома)

Для досліду «Модель клітинної стінки» (желе):

Приготуйте два види желе.
- одне з більшою кількістю пектину/желатину/агару (густе – «міцна стінка»),
- друге з меншою кількістю пектину/желатину/агару (рідке – «слабка стінка»). Можна варіювати відсоток доданого пектину/агару/желатину, щоб наочно побачити зміни властивостей желе.
Розлийте у пластикові стаканчики й охолодіть у холодильнику.

Для досліду «Модель глікокаліксу» (сироп):

У прозорий стакан додайте кілька ложок цукру або сиропу до води (отримаєте в’язкий розчин).
Підготуйте другий стакан із чистою водою (контроль).

Етап 1. Модель клітинної стінки

Ви працюєте в групах. Кожна група отримує два зразки «штучних клітинних стінок»:

Желе з пектином (густий зразок – імітація стінки з нормальною кількістю пектину).
Розведене желе (рідший зразок – імітація стінки зі зменшеною кількістю пектину).

Ваше завдання:

Обережно спробуйте натиснути на зразки пальцем або пластиковою паличкою.
Запишіть, який із них стійкіший до тиску.
Поміркуйте, який матеріал більше нагадує молоду трав’яну рослину, а який – деревину.

Етап 2. Модель глікокаліксу

Внесіть у кожен стакан невелику кількість харчового барвника.
Спостерігайте, та зафіксуйте час як швидко розповсюджується барвник у чистій воді і у сиропі і коли він розподілиться рівномірно.

Етап 3. Обговорення результатів

Який зразок виявився міцнішим?
Як пектин і целюлоза разом забезпечують жорсткість клітинної стінки?
Як глікокалікс впливає на проникність мембрани?

4. Попрактикуймо самостійно

Завдання 1:

У лабораторії виміряли міцність зразків клітинних стінок з різною концентрацією пектину.

Концентрація пектину (%)	Середня сила тиску до руйнування (Н)
0	2,1
0,5	4,3
1,0	6,8
2,0	11,5

• Побудуйте графік залежності міцності зразків клітинної стінки від вмісту пектину:

• Чому пектин робить клітинну стінку більш стійкою?

Завдання 2:

Детально опишіть, Опишіть три відмінності молекули глікогену від молекули целюлози, показані на рис. 9:

Поясніть, як структура молекул целюлози в клітинних стінках рослин пов’язана з їхньою функцією, та чому глікоген не здатний виконувати аналогічні функції:

Клітинна мембрана

_______________________________________________________________________________________________

Завдання 3 – повторення:

• Заповніть таблицю:

Назва	Функція чи використання	Підпис на рис. 10
Джгутик
		G
	Синтезує білки
Клітинна стінка
	Використовується для генетичних модифікацій

Рефлексія

Закінчіть речення:

Сьогодні мене здивувало, що:

Тепер я розумію, що надмембранні комплекси…

Моє питання для подальшого дослідження: …

Оцінть свій рівень розуміння за тематичною емодзі-шкалою:

Питання для дискусії:

Який приклад із сьогоднішнього уроку вас найбільше вразив?
Що було складніше: зрозуміти структуру чи функцію цих комплексів?
Як знання про пектин чи глікокалікс може допомогти у житті поза межами школи?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Структура клітинної стінки рослин – анімація:
https://www.youtube.com/watch?v=zp2WW2TYcng
Як утворюється клітинна стінка рослин – 3D-анімація:
https://www.youtube.com/watch?v=ohEVDuw_p2s
Структура глікокаліксу ендотелію судин:
https://www.youtube.com/watch?v=NQAS-pTpAbg
Виробництво наноцелюлози – від рослинного до наноматеріалу: https://www.youtube.com/watch?v=vxqbuOjWV2s
Як зробити власний джем?:
https://www.youtube.com/watch?v=KUGjgUA-BWU

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе