Cell Structure and Function · ⁨Строение и функции клетки⁩

Большая идея 4 — Взаимодействие систем (SYI): Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия проявляют сложные свойства.

Учебная цель 2.1.A: Объяснить, как строение и функции субклеточных компонентов и органелл способствуют функционированию клеток.

• 2.1.A.1 Рибосомы состоят из рибосомной РНК (рРНК) и белков. Эти немембранные субклеточные структуры присутствуют в клетках всех форм жизни и отражают общее происхождение всей известной жизни. Рибосомы синтезируют белки в соответствии с последовательностями матричной РНК (мРНК).
• 2.1.A.2 Эндоплазматическая мембранная система представляет собой группу мембранных органелл и субклеточных компонентов (эндоплазматическую сеть (ЭП), аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли и транспортные везикулы, ядерную оболочку и плазматическую мембрану), которые совместно участвуют в модификации, упаковке и транспорте полисахаридов, липидов и белков внутриклеточно и межклеточно.
• 2.1.A.3 Эндоплазматическая сеть обеспечивает механическую поддержку, помогая клеткам сохранять форму, и участвует в внутриклеточном транспорте.
  • i. Шероховатая ЭП связана с мембранными рибосомами, обеспечивает компартментализацию клетки и помогает осуществлять синтез белков.
  • ii. Функции гладкой ЭП включают детоксикацию клеток и синтез липидов.
  • Исключительное утверждение: Знание конкретных функций гладкой ЭП в специализированных клетках выходит за рамки экзамена AP.
• 2.1.A.4 Аппарат Гольджи — это мембранная структура, состоящая из ряда уплощенных мембранных цистерн. Функции аппарата Гольджи включают:
  • i. Правильное сворачивание (фолдинг) и химическую модификацию Newly synthesized cellular products ( newly synthesized cellular products )
  • ii. Упаковку белков для транспорта.
  • Исключительное утверждение: Знание роли аппарата Гольджи в синтезе специфических фосфолипидов и упаковке специфических ферментов для лизосом, пероксисом и секреторных везикул выходит за рамки экзамена AP.
  • Иллюстративные примеры для 2.1.A.4:
    • Гликозилирование и другие химические модификации белков, происходящие в аппарате Гольджи, которые определяют функцию или таргетинг белка
• 2.1.A.5 Митохондрии имеют двойную мембрану, которая создает компартменты для различных метаболических реакций, участвующих в аэробном клеточном дыхании. Наружная мембрана гладкая, тогда как внутренняя мембрана сильно складчатая, образуя складки, что позволяет более эффективно синтезировать АТФ.
• 2.1.A.6 Лизосомы — это мембранные мешочки, содержащие гидролитические ферменты, переваривающие вещества. Лизосомы также играют роль в программируемой гибели клеток (апоптозе).
• 2.1.A.7 Вакуоли — это мембранные мешочки, выполняющие множество различных ролей.
  • i. В растительных клетках специализированная крупная вакуоль поддерживает тургорное давление за счет запасания питательных веществ и воды.
  • ii. В животных клетках вакуоли меньше по размеру, их больше, чем в растительных клетках, и они хранят клеточные материалы.
• 2.1.A.8 Хлоропласты — это специализированные органеллы, встречающиеся у растений и фотосинтезирующих водорослей. Хлоропласты содержат двойную мембрану и служат местом протекания фотосинтеза.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Учебная цель 2.2.A: Объяснить влияние соотношения площади поверхности к объему на обмен материалами между клетками или организмами и окружающей средой.

• 2.2.A.1 Соотношение площади поверхности к объему влияет на способность биологической системы получать необходимые питательные вещества, выводить продукты обмена, приобретать или рассеивать тепловую энергию, а также обмениваться химическими веществами и энергией с окружающей средой.
  • Соответствующие уравнения:
    • Объем сферы: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Объем куба: $V = s^3$
    • Объем прямоугольного параллелепипеда: $V = lwh$
    • Объем цилиндра: $V = \pi r^2 h$
    • Площадь поверхности сферы: $SA = 4\pi r^2$
    • Площадь поверхности куба: $SA = 6s^2$
    • Площадь поверхности прямоугольного параллелепипеда: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Площадь поверхности цилиндра: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = радиус
    • $l$ = длина
    • $h$ = высота
    • $w$ = ширина
    • $s$ = длина одной стороны куба
  • Иллюстративные примеры для 2.2.A.1:
    • Соотношение SA/V и обмен
      • Корневые волоски
      • Запорные клетки
      • Эпителиальные клетки кишечника
    • Цили
    • Устьица
• 2.2.A.2 Площадь поверхности плазматической мембраны должна быть достаточной для адекватного обмена материалов.
  • i. Соотношение площади поверхности к объему может ограничивать размер и форму клетки. Меньшие клетки, как правило, имеют более высокое соотношение площади поверхности к объему, а также более эффективный обмен материалами с окружающей средой, чем крупные клетки.
  • ii. По мере увеличения объема клетки соотношение площади поверхности к объему уменьшается, а потребность во внутренних ресурсах возрастает.
  • iii. Для адекватного обмена материалов с окружающей средой необходимы более сложные клеточные структуры (например, складки мембран).
  • iv. По мере увеличения размеров организмов их отношение площади поверхности к объему уменьшается, что влияет на такие свойства, как скорость теплообмена с окружающей средой. Меньшие массы пропорционально обмениваются теплом с окружающей средой активнее, чем большие массы. По мере увеличения массы как отношение площади поверхности к объему, так и скорость теплообмена снижаются.
  • v. Существует связь между метаболической скоростью на единицу массы тела и размерами многоклеточных организмов; как правило, чем меньше организм, тем выше метаболическая скорость на единицу массы тела.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.3.A: Опишите роли каждого из компонентов клеточной мембраны в поддержании внутренней среды клетки.

• 2.3.A.1 Фосфолипиды имеют как гидрофильные, так и гидрофобные области. Полярные гидрофильные фосфатные группы фосфолипидов обращены к водной внешней или внутренней среде, в то время как неполярные гидрофобные жирнокислотные области обращены друг к другу внутри мембраны.
• 2.3.A.2 Встроенные белки могут быть гидрофильными (с заряженными и полярными боковыми группами), гидрофобными (с неполярными боковыми группами) или иметь оба типа областей.
  • i. Гидрофильные области белков находятся либо внутри самого белка, либо открыты для цитозоля (цитоплазмы).
  • ii. Гидрофобные области белков образуют поверхность, которая взаимодействует с жирными кислотами во внутренней части мембраны.

Цель обучения 2.3.B: Опишите жидкостную мозаичную модель клеточных мембран.

• 2.3.B.1 Плазматические мембраны состоят из структурного каркаса из молекул фосфолипидов, в которые встроены белки, стероиды (например, холестерин у позвоночных животных), гликопротеины и гликолипиды. Все эти компоненты могут перемещаться по поверхности клетки внутри мембраны, как показано в модели жидкой мозаики.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.4.A: Объясните, как структура биологических мембран влияет на селективную проницаемость.

• 2.4.A.1 Плазматические мембраны отделяют внутреннюю среду клетки от внешней. Селективная проницаемость является результатом наличия гидрофобного внутреннего слоя плазматической мембраны.
• 2.4.A.2 Маленькие неполярные молекулы, включая $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ и $\mathrm{CO_2}$, свободно проходят через мембрану. Гидрофильные вещества, такие как крупные полярные молекулы и ионы, движутся через мембрану с помощью встроенных каналов и транспортных белков.
• 2.4.A.3 Неполярные углеводородные хвосты фосфолипидов препятствуют движению ионов и полярных молекул через мембрану. Маленькие полярные незаряженные молекулы, такие как $\mathrm{H_2O}$ или $\mathrm{NH_3}$ (аммиак), проходят через мембрану в небольших количествах.

Цель обучения 2.4.B: Опишите роль клеточной стенки в поддержании структуры и функции клетки.

• 2.4.B.1 Клеточные стенки бактерий, архей, грибов и растений обеспечивают структурную границу, а также барьер проницаемости для некоторых веществ во внутренние или внешние клеточные среды, защищая от осмотического лизиса.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.5.A: Опишите механизмы, которые организмы используют для поддержания баланса растворенных веществ и воды.

• 2.5.A.1 Селективная проницаемость мембран позволяет формировать градиенты концентрации растворенных веществ через мембрану.
• 2.5.A.2 Пассивный транспорт — это чистое движение молекул из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией без прямого расхода метаболической энергии.
• 2.5.A.3 Активный транспорт требует прямого расхода энергии для перемещения молекул. В некоторых случаях активный транспорт используется для перемещения молекул из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией.

Цель обучения 2.5.B: Опишите механизмы, которые организмы используют для транспорта крупных молекул через плазматическую мембрану.

• 2.5.B.1 Процессы эндоцитоза и экзоцитоза требуют энергии для перемещения крупных веществ или больших количеств веществ внутрь и наружу клеток.
  • i. При эндоцитозе клетка поглощает крупные молекулы и частицы за счет складывания плазматической мембраны на себя и образования новых (малых) везикул, которые захватывают материал из внешней среды.
  • ii. При экзоцитозе внутренние везикулы выбрасывают материал из клетки путем слияния с плазматической мембраной и секреции крупных молекул наружу.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.6.A: Объясните, как структура молекулы влияет на ее способность проходить через плазматическую мембрану.

• 2.6.A.1 Облегченная диффузия требует транспортных или канальных белков для обеспечения движения заряженных ионов через мембрану.
  • i. Мембраны могут поляризоваться в результате движения ионов через мембрану.
  • ii. Заряженные ионы, включая $\mathrm{Na^+}$ (натрий) и $\mathrm{K^+}$ (калий), требуют канальных белков для прохождения через мембрану.
• 2.6.A.2 Облегченная диффузия обеспечивает движение крупных полярных молекул через мембраны без затрат энергии. В этом типе диффузии вещества движутся по градиенту концентрации.
• 2.6.A.3 Аквапорины транспортируют большие количества воды через мембраны.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.7.A: Объясните, как градиенты концентрации влияют на движение молекул через мембраны.

• 2.7.A.1 Внешняя среда может быть гипотонической, гипертонической или изотонической относительно внутренней среды клеток. Движение воды также можно описать как перемещение из гипотонических в гипертонические области. Вода движется осмосом из областей с высоким водным потенциалом в области с низким водным потенциалом.
  • Уравнение (Водный потенциал): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • где:
    • $\psi_p$ = потенциал давления
    • $\psi_s$ = потенциал растворенных веществ
  • Иллюстративные примеры для 2.7.A.1:
    • Сократительная вакуоль у простейших
    • Центральная вакуоль в растительных клетках

Цель обучения 2.7.B: Объяснить, как осморегуляторные механизмы способствуют здоровью и выживанию организмов.

• 2.7.B.1 Рост и гомеостаз поддерживаются за счет постоянного движения молекул через мембраны.
• 2.7.B.2 Осорегуляция поддерживает водный баланс и позволяет организмам контролировать внутренний состав растворенных веществ и водный потенциал. Вода перемещается из областей с низкой осмолярностью или концентрацией растворенных веществ в области с высокой осмолярностью или концентрацией растворенных веществ.
  • Уравнение (Потенциал растворенных веществ раствора): $\psi_s = -iCRT$
    • где:
    • $i$ = константа ионизации
    • $C$ = молярная концентрация
    • $R$ = давление-постоянная $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = температура по Кельвину (°C + 273)

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.8.A: Описать процессы, позволяющие ионам и другим молекулам перемещаться через мембраны.

• 2.8.A.1 Для активного транспорта молекул через мембрану и создания и поддержания электрохимических градиентов требуется метаболическая энергия (например, от АТФ).
  • i. Белки мембраны необходимы для активного транспорта.
  • ii. Натрий-калиевый насос $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ и АТФаза способствуют поддержанию мембранного потенциала.

Большая идея 2 — Энергетика (ENE): Биологические системы используют энергию и молекулярные строительные блоки для роста, размножения и поддержания динамического гомеостаза.

Цель обучения 2.9.A: Описать мембранные структуры эукариотической клетки.

• 2.9.A.1 Мембраны и мембранные органеллы в эукариотических клетках обеспечивают компартментализацию внутриклеточных метаболических процессов и специфических ферментативных реакций.

Цель обучения 2.9.B: Объяснить, как внутренние мембраны и мембранные органеллы способствуют компартментализации функций эукариотической клетки.

• 2.9.B.1 Внутренние мембраны облегчают клеточные процессы путем минимизации конкурирующих взаимодействий и увеличения площади поверхности, где могут происходить реакции.

Большая идея 1 — Эволюция (EVO): Процесс эволюции определяет разнообразие и единство жизни.

Учебная цель 2.10.A: Описать сходства и/или различия в компартментализации между прокариотическими и эукариотическими клетками.

• 2.10.A.1 Мембранные органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, эволюционировали от некогда свободноживущих прокариотических клеток посредством эндосимбиоза.
• 2.10.A.2 Прокариоты обычно не имеют внутренних мембранных органелл, но обладают внутренними регионами со специализированными структурами и функциями.
• 2.10.A.3 Эукариотические клетки поддерживают внутренние мембраны, которые разделяют клетку на специализированные регионы.