матеріал 33

Урок 52. Підмембранні комплекси

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 52. Підмембранні комплекси

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими гіпотезу дослідження – [12 ПРО 1.2.2-1 П]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи дослідження, зважаючи на умови його проведення – [12 ПРО 1.3.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ – [12 ПРО 1.4.1-2 П]
спостерігає/досліджує самостійно або у співпраці з іншими об’єкти і явища за складеним планом із використанням розроблених математичних/реальних/віртуальних моделей – [12 ПРО 1.4.2-1 П]
використовує самостійно або у співпраці з іншими математичні/логічні/графічні методи опрацювання результатів дослідження – [12 ПРО 1.5.1-1 П]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх – [12 ПРО 1.5.2]
оцінює значення наукових знань для забезпечення прогресу і якості життя – [12 ПРО 3.4.2-1 П]

Місце уроку в темі: Цей урок – завершальний у великій темі «Біологія клітин» перед узагальненням і тематичною роботою.

Проблема уроку: Як набір підмембранних структур забезпечує форму і механічну цілісність тканин, одночасно будучи платформами для передачі сигналів? Чому порушення цих контактів призводить до хвороб (інвазивність пухлин, аутоімунні дерматози)?

Очікувані результати для вчителя:

Учнівство навчилось пояснювати зв’язок між підмембранними комплексами та інтеграцією клітини.
Учнівство вміє інтерпретувати прості експериментальні дані і робити обґрунтовані висновки про можливі біологічні наслідки.
Учнівство демонструє компетентності для міждисциплінарної роботи: формулює гіпотези для простих прикладних досліджень.

Очікувані результати для учнівства:

Я можу точно описати будову і функціональну роль кортикального актинового кортексу і основних підмембранних контактів і пояснити, які цитоскелетні елементи з ними пов’язані.
Я розумію механізми, через які порушення адгезії сприяє інвазії пухлин, та можу пояснити клінічні приклади аутоімунних захворювань, що націлені на десмосомні білки.
Я аналізую експериментальні дані і пропоную ідеї, як принципи адгезії використовують у проєктуванні біоматеріалів для тканинної інженерії.

Ключові слова:

кортикальний актин
актинові філамени
фокальні контакти
адгезивні комплекси
десмосоми
інтегрини
механотрансдукція
EMT (епітеліально-мезенхімальний перехід)
тканинна інженерія

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:

Покажіть зображення (мікрофотографію епітелію та схему десмосоми).

Попросіть учнівство описати, що воно бачить і як зображені структури можуть бути пов’язані зі стійкістю тканин.

Зробіть акцент:

Завдяки підмембранним комплексам клітини не існують ізольовано, а обмінюються сигналами.

Зробіть підсумок:

Сьогодні ми дослідимо, як ці комплекси працюють і чому вони одночасно захищають наш організм і стають ключем до розуміння небезпечних хвороб, як-от рак чи аутоімунні ураження.

Чому пухлина, яка виникла в епітелії, може відірватися від тканини й почати міграцію всередині організму?
Чому шкіра не розривається від кожного легкого удару чи дотику, хоча складається з крихітних клітин?

Рис 1. Контакти між клітинами епітелію людини – мікрофотографія. Джерело: Columbia

Рис 2. Схема структури десмомоми. Джерело: Wikimedia

Питання для роздумів:

Що відбувається, коли «містки» між клітинами руйнуються?
Чому для організму важливо мати надійні міжклітинні зв’язки?

Сьогодні ми дізнаємося:

що клітина має підмембранні комплекси – спеціалізовані структури, які утримують її форму, забезпечують міцність тканин і навіть впливають на перебіг хвороб.

2. Тобі може знадобитися

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

🛠 Як провести:

Поясніть коротко роль кортикального актину: як внутрішнього шару клітини, який допомагає утримати форму клітини та єдність її компонентів, а також дозволяє ставити «містки» між клітинами.

Рухайтесь поетапно: покажіть схему епітелію з усіма 6 типами основних міжклітинних контактів, підкреслюючи, що кожен тип контактів має свою спеціалізацію.

Поставте запитання:

Що станеться з тканиною, якщо зруйнувати адгезивні контакти?

Які можуть бути наслідки для організму, якщо щільні контакти втратять свою герметичність?

✅ Підсумок цього блоку: підмембранні комплекси – складні системи, які визначають здоров’я, розвиток організму і навіть майбутні можливості біомедицини.

Рис 3. Основні компоненти підмембранних комплексів. Джерело: Frontiers

Щоб зрозуміти, чому клітини тримаються разом і не розпадаються, треба заглянути під саму мембрану. Там ховається кортикальний актиновий цитоскелет – густе мереживо з тонких актинових філаментів, яке працює як внутрішній каркас клітини. Він підтримує форму клітини, дозволяє їй змінюватися і служить основою для контактів з іншими клітинами.

Рис 4. Кортикальний актиновий цитоскелет. Джерело: Mmegias

Основні підмембранні комплекси:

Адгезивні комплекси (англ. adherens junctions) – ніби «липучки», що з’єднують клітини між собою через білки кадгерини. Вони зв’язані з актиновими філаментами, формуючи міцні «пояси» навколо клітин.
Щільні контакти (англ. tight junctions) – білкові «блоки» (клодини, оклюдини), які герметично з’єднують сусідні клітини, що запобігає вільній дифузії молекул. Завдяки ним у кишечнику поживні речовини проходять тільки контрольованим шляхом крізь клітини, а не поміж ними.
Десмосоми – «заклепки», які міцно скріплюють клітини шкіри та серця. Вони з’єднані з проміжними філаментами (кератин), завдяки чому тканина витримує розтягнення і тиск.
Гемідесмосоми – «якірні точки», які прикріплюють клітину до базальної мембрани через білки-інтегрини.

Рис 5. Основні 6 типів підмембранних протеїнових комплексів. Джерело: ResearchGate

Чому це важливо?

Без цих контактів епітелій перетворився б на розсип окремих клітин.
Руйнування адгезивних зв’язків сприяє інвазії пухлинних клітин.
Аутоімунні хвороби, коли антитіла руйнують десмосоми, призводять до пухирів на шкірі.
У біоінженерії ці принципи використовують, щоб створювати матеріали, до яких клітини надійно кріпляться і потім ростуть та діляться.

Рис 6. Схема інвазії клітин пухлини. Джерело: Frontiers

3. Життєва ситуація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Як провести:

Поділіть клас на групи.

Робота з даними

Групи аналізують свої матеріали, заповнюють таблиці/відповіді.

Роблять 2-3 головних висновки.

Презентація результатів

Кожна група коротко (2 хв) презентує свої висновки.

Обговорення у класі

Зв’язати: рак і порушення клітинних бар’єрів/контактів, відрив клітин від тканин та інвазію пухлин.

Підсумок:

Розуміння дослідницьких даних – інструмент для аналізу реальних проблем.

Дослідницький кейс: «Рак легень»

Рак легень – це захворювання, яке тісно пов’язане з курінням тютюну – на рис. 7 подано зображення здорових легень, та легень курця уражених пухлиною внаслідок паління.

Рис 7. Злорові та уражені легені. Джерело: Pearson

На рис. 8 наведено деякі дані про куріння та рак легень у країні А між 1900 та 2020 роками (дані за 2020 рік були спрогнозовані):

відсоток чоловічого населення, яке курить тютюн
відсоток жіночого населення, яке курить тютюн
кількість смертей чоловіків від раку легень на 100 000 чоловічого населення
кількість смертей жінок від раку легень на 100 000 жіночого населення

Рис 8. Дані щодо захворюваності на рак легень у країні А. Джерело: PandMTutor

Опишіть різницю між відсотками чоловіків і жінок у країні А, які курять, відповідно інформації на рис. 8:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Різниця між чоловіками і жінками (країна А): чоловіки значно більше курили протягом ХХ ст., що відобразилося на вищій смертності; у жінок ріст відсотку курців пізніший, ріст смертності з відставанням.

На рис. 9 показано таку саму статистику куріння для країни B між 1950 і 2020 роками.

Рис 9. Дані щодо захворюваності на рак легень у країні В. Джерело: PandMTutor

Обговоріть докази за і проти цього твердження:«Зміни у відсотковій частці населення, яке курить тютюн, та смертності від раку легень на 100 000 населення відстежують однакові тенденції як у чоловіків, так і у жінок». Використайте інформацію для країни А на рис. 8 та країни Б на рис. 9 у своїй відповіді:

Докази за і проти твердження: є схожість тенденцій між курінням і смертністю, але смертність змінюється із запізненням (латентний період розвитку раку).

Вчені-дослідники шукають способи боротьби з раком легень. Зокрема, вони досліджували вплив препарату під назвою OGF на ріст пухлин у мишей. OGF і таксол вводили різним мишам як окремі методи лікування або як комбінований метод лікування. На рисунках 2 і 3 показано результати цього другого дослідження.

Рис 10. Дослідження ліків проти пузлин у легенях. Джерело: ExamPapers

Метод лікування	Середній об’єм пухлини на 70 добу дослідження (мм³) (+/- стандартне відхилення)
OGF	322 (± 28.3)
Таксол	207 (± 22.5)
OGF + Таксол	190 (± 25.7)
Контроль	488 (± 32.4)

Яку інформацію вченим-дослідникам дає стандартне відхилення про об’єм пухлин у цьому дослідженні?

Стандартне відхилення: показує варіацію даних у вибірці та достовірність даних.

Використайте інформацію на рисунку 10 та у таблиці для оцінки ефективності двох препаратів при їх окремому застосуванні та при комбінованому лікуванні (застосуванні):

Ефективність ліків: таксол і OGF зменшують об’єм пухлини; найбільший ефект дає комбіноване лікування.

Також досліджували вплив віку на рівень смертності від раку у країні В. Ця залежність відображена на рис. 11:

Рис 11. Кількість смертей від раку легень на 100 тис. населення в залежності від віку. Джерело: ExamPapers

Наведіть одну причину зміни рівня смертності від раку легень зі збільшенням віку:

Причина зростання смертності з віком: накопичення мутацій, ослаблення імунної системи.

Стовпчаста діаграма на рис. 12 показує вплив куріння та алкогольних напоїв на ризик розвитку раку легень.

Рис 12. Ризик розвитку раку легень в залежності від вживання алкоголю. Джерело: ExamPapers

Опишіть вплив куріння та вживання алкоголю на ризик розвитку раку легень:

Вплив алкоголю і куріння: комбінація значно підвищує ризик; кожен фактор окремо теж небезпечний, але разом – синергічний ефект.

Назвіть одну причину, чому у людей, які не п’ють і не курять, іноді розвивається рак легень:

Чому рак може виникати у некурців: спадкові мутації, пасивне куріння, вплив забруднення повітря.

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Завдання 1:

Підмембранні комплекси клітин забезпечують механічну міцність і бар’єрні функції епітелію.

Наведіть одну відмінність між десмосомами та щільними контактами (tight junctions).

Скільки з наступних тверджень про щільні контакти є правильними?

вони запобігають вільній дифузії речовин між клітинами;
вони формуються за участю білків-клаудинів і оклюдинів;
вони з’єднують клітини лише у м’язових волокнах.

А – жодне
Б – одне
В – два
Г – три

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 1:

Відмінність: десмосоми з’єднують клітини між собою через білкові «пластини» і проміжні філаменти, а щільні контакти блокують міжклітинний простір і виконують бар’єрну функцію.
Правильна відповідь: В – два (перші два твердження вірні, третє – ні).

Завдання 2:

Нижче наведено зображення епітелію кишечника, де видно різні міжклітинні контакти.

Рис. 13. Контакти у епітелії кишечника. Джерело: CellImageLibrary

Опишіть функції десмосом у цьому епітелії.

Опишіть роль щільних контактів (tight junctions) у кишковому епітелії.

Поясніть, чому втрата адгезивних контактів може сприяти розвитку пухлинних процесів.

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 2:

Функції десмосом:
- забезпечують механічну міцність епітелію,
- з’єднують клітини у «єдине полотно», яке не розривається при навантаженнях.
Роль щільних контактів: створюють бар’єр, що запобігає проходженню молекул між клітинами.
Втрата адгезії і пухлини: клітини можуть відриватися, втрачати контроль над поділом і мігрувати, що сприяє інвазії та утворенню метастазів.

Завдання 3:

Рис. 13. Рука ураженого на пемфігус. Джерело: Вікіпедія

Вчені досліджують аутоімунне захворювання пемфігус, при якому антитіла руйнують білки десмосом. У пацієнтів виникають пухирі на шкірі й слизових оболонках.

Які можливі наслідки для організму, якщо десмосоми масово втрачають свою функцію?

Запропонуйте один спосіб, як знання про підмембранні комплекси клітин можна використати у медицині чи біотехнології.

Очікувані відповіді учнівства:

Завдання 3:

Наслідки: порушення бар’єрної функції шкіри, інфекції, зневоднення.
Використання знань: розробка ліків,; створення штучних тканин у біоінженерії.

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 за допомогою підмембранних комплексів клітини:

Руйнування підмембранних комплексів призводить до:

Оцініть свій рівень розуміння за тематичною емодзі-шкалою:

🌱 – «Я вперше дізнався/лась, що клітини мають такі складні «містки» між собою».

🧩 – «Я зрозумів/ла, як кожен тип контакту виконує свою роль у тканині».

⚡ – «Я можу пояснити, чому їх руйнування призводить до пухлинної інвазії».

🚀 – «Я усвідомлюю, як ці знання можна застосувати у медицині й біоінженерії».

Питання для обговорення:

Який із підмембранних комплексів здається вам найважливішим і чому?
Чи можна сказати, що здоров’я тканини залежить не від окремої клітини, а від «співпраці» між ними?
Як знання про адгезивні контакти допомагає пояснити прогресію раку або появу пухирів на шкірі?
Що ти виніс/винесла для себе особисто: лише факти чи новий погляд на те, як працює організм?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Клітинні контакти – KhanAcademy:
https://www.youtube.com/watch?v=pVWQm-GYK_Y
Контакти епітеліальних клітин:
https://www.youtube.com/watch?v=goa1TkA9VNc
Як відрізняються здорові клітини та клітини ракової пухлини? – TedEd: https://www.youtube.com/watch?v=BmFEoCFDi-w
Чому так важко вилікувати рак? – TedEd:
https://www.youtube.com/watch?v=h2rR77VsF5c

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 52. Підмембранні комплекси

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

Я можу точно описати будову і функціональну роль кортикального актинового кортексу і основних підмембранних контактів і пояснити, які цитоскелетні елементи з ними пов’язані.
Я розумію механізми, через які порушення адгезії сприяє інвазії пухлин, та можу пояснити клінічні приклади аутоімунних захворювань, що націлені на десмосомні білки.
Я аналізую експериментальні дані і пропоную ідеї, як принципи адгезії використовують у проєктуванні біоматеріалів для тканинної інженерії.

Ключові слова:

кортикальний актин
актинові філамени
фокальні контакти
адгезивні комплекси
десмосоми
інтегрини
механотрансдукція
EMT (епітеліально-мезенхімальний перехід)
тканинна інженерія

План уроку

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

1. Мотивація

Чому пухлина, яка виникла в епітелії, може відірватися від тканини й почати міграцію всередині організму?
Чому шкіра не розривається від кожного легкого удару чи дотику, хоча складається з крихітних клітин?

Питання для роздумів:

Що відбувається, коли «містки» між клітинами руйнуються?
Чому для організму важливо мати надійні міжклітинні зв’язки?

Сьогодні ми дізнаємося:

що клітина має підмембранні комплекси – спеціалізовані структури, які утримують її форму, забезпечують міцність тканин і навіть впливають на перебіг хвороб.

2. Тобі може знадобитися

Основні підмембранні комплекси:

Адгезивні комплекси (англ. adherens junctions) – ніби «липучки», що з’єднують клітини між собою через білки кадгерини. Вони зв’язані з актиновими філаментами, формуючи міцні «пояси» навколо клітин.
Щільні контакти (англ. tight junctions) – білкові «блоки» (клодини, оклюдини), які герметично з’єднують сусідні клітини, що запобігає вільній дифузії молекул. Завдяки ним у кишечнику поживні речовини проходять тільки контрольованим шляхом крізь клітини, а не поміж ними.
Десмосоми – «заклепки», які міцно скріплюють клітини шкіри та серця. Вони з’єднані з проміжними філаментами (кератин), завдяки чому тканина витримує розтягнення і тиск.
Гемідесмосоми – «якірні точки», які прикріплюють клітину до базальної мембрани через білки-інтегрини.

Чому це важливо?

Без цих контактів епітелій перетворився б на розсип окремих клітин.
Руйнування адгезивних зв’язків сприяє інвазії пухлинних клітин.
Аутоімунні хвороби, коли антитіла руйнують десмосоми, призводять до пухирів на шкірі.
У біоінженерії ці принципи використовують, щоб створювати матеріали, до яких клітини надійно кріпляться і потім ростуть та діляться.

3. Життєва ситуація

Дослідницький кейс: «Рак легень»

відсоток чоловічого населення, яке курить тютюн
відсоток жіночого населення, яке курить тютюн
кількість смертей чоловіків від раку легень на 100 000 чоловічого населення
кількість смертей жінок від раку легень на 100 000 жіночого населення

Опишіть різницю між відсотками чоловіків і жінок у країні А, які курять, відповідно інформації на рис. 8:

На рис. 9 показано таку саму статистику куріння для країни B між 1950 і 2020 роками.

Метод лікування	Середній об’єм пухлини на 70 добу дослідження (мм³) (+/- стандартне відхилення)
OGF	322 (± 28.3)
Таксол	207 (± 22.5)
OGF + Таксол	190 (± 25.7)
Контроль	488 (± 32.4)

Яку інформацію вченим-дослідникам дає стандартне відхилення про об’єм пухлин у цьому дослідженні?

Також досліджували вплив віку на рівень смертності від раку у країні В. Ця залежність відображена на рис. 11:

Наведіть одну причину зміни рівня смертності від раку легень зі збільшенням віку:

Стовпчаста діаграма на рис. 12 показує вплив куріння та алкогольних напоїв на ризик розвитку раку легень.

Опишіть вплив куріння та вживання алкоголю на ризик розвитку раку легень:

Назвіть одну причину, чому у людей, які не п’ють і не курять, іноді розвивається рак легень:

4. Попрактикуймо самостійно

Завдання 1:

Підмембранні комплекси клітин забезпечують механічну міцність і бар’єрні функції епітелію.

Наведіть одну відмінність між десмосомами та щільними контактами (tight junctions).

Скільки з наступних тверджень про щільні контакти є правильними?

вони запобігають вільній дифузії речовин між клітинами;
вони формуються за участю білків-клаудинів і оклюдинів;
вони з’єднують клітини лише у м’язових волокнах.

А – жодне
Б – одне
В – два
Г – три

Завдання 2:

Нижче наведено зображення епітелію кишечника, де видно різні міжклітинні контакти.

Опишіть функції десмосом у цьому епітелії.

Опишіть роль щільних контактів (tight junctions) у кишковому епітелії.

Поясніть, чому втрата адгезивних контактів може сприяти розвитку пухлинних процесів.

Завдання 3:

Які можливі наслідки для організму, якщо десмосоми масово втрачають свою функцію?

Запропонуйте один спосіб, як знання про підмембранні комплекси клітин можна використати у медицині чи біотехнології.

Рефлексія

Закінчіть речення:

Сьогодні мене здивувало, що:

Тепер я розумію, що за допомогою підмембранних комплексів клітини:

Руйнування підмембранних комплексів призводить до:

Оцініть свій рівень розуміння за тематичною емодзі-шкалою:

🌱 – «Я вперше дізнався/лась, що клітини мають такі складні «містки» між собою».

🧩 – «Я зрозумів/ла, як кожен тип контакту виконує свою роль у тканині».

⚡ – «Я можу пояснити, чому їх руйнування призводить до пухлинної інвазії».

🚀 – «Я усвідомлюю, як ці знання можна застосувати у медицині й біоінженерії».

Питання для обговорення:

Який із підмембранних комплексів здається вам найважливішим і чому?
Чи можна сказати, що здоров’я тканини залежить не від окремої клітини, а від «співпраці» між ними?
Як знання про адгезивні контакти допомагає пояснити прогресію раку або появу пухирів на шкірі?
Що ти виніс/винесла для себе особисто: лише факти чи новий погляд на те, як працює організм?

У вільний від відпочинку час

Відео для допитливих:

Клітинні контакти – KhanAcademy:
https://www.youtube.com/watch?v=pVWQm-GYK_Y
Контакти епітеліальних клітин:
https://www.youtube.com/watch?v=goa1TkA9VNc
Як відрізняються здорові клітини та клітини ракової пухлини? – TedEd: https://www.youtube.com/watch?v=BmFEoCFDi-w
Чому так важко вилікувати рак? – TedEd:
https://www.youtube.com/watch?v=h2rR77VsF5c

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе