10. Эукариотическая клетка. Цитоплазма. Органоиды

Определения и обозначения

Эукариотическая клетка — клетка, у которой наследственный материал заключён в оформленном ядре, а внутри есть мембранные органоиды. Этим она отличается от прокариотической клетки, в которой оформленного ядра нет. Ядро защищает и организует наследственную информацию, а органоиды разделяют клеточные задачи. Такое устройство помогает клетке поддерживать сложную работу.

Цитоплазма — содержимое клетки между плазматической мембраной и ядром; в широком смысле в неё входят цитозоль, органоиды и включения. Цитозоль представляет собой жидкую внутреннюю среду, а включения — временные образования, например запасы веществ. В цитоплазме протекает значительная часть реакций обмена веществ. Она также служит средой, в которой располагаются и взаимодействуют клеточные структуры.

Органоид — постоянная структура клетки, выполняющая определённые функции. Одни органоиды окружены мембраной, другие, например рибосомы, мембраны не имеют. Разделение на такие структуры позволяет клетке выполнять разные задачи в подходящих условиях. Их особенности строения помогают понять, почему каждый органоид специализируется на своей работе.

Цитоскелет — система белковых структур внутри клетки, которая поддерживает её форму и участвует во внутриклеточном движении. В его состав входят тонкие нити и трубочки, способные перестраиваться. Они помогают перемещать органоиды и другие клеточные компоненты. Благодаря этому цитоскелет не только служит внутренней опорой, но и участвует в изменениях формы клетки.

Как это устроено

Внутри эукариотической клетки мембраны образуют отдельные пространства — компартменты. В каждом из них могут поддерживаться условия, подходящие для определённых реакций. Поэтому процессы с разными требованиями не мешают друг другу и могут идти одновременно. Мембраны также помогают удерживать нужные вещества рядом с теми структурами, которые их используют.

Плазматическая мембрана отделяет содержимое клетки от внешней среды, но не превращает клетку в герметичную оболочку. Она состоит из двойного слоя липидов с встроенными белками: липидный слой служит барьером, а белки участвуют в переносе веществ и приёме сигналов. Одни молекулы проходят через мембрану легче других, а часть веществ переносится специальными белками. Такая избирательность позволяет клетке получать необходимые соединения и удалять продукты обмена.

Мембранные органоиды работают не изолированно, а передают вещества друг другу. На рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью, синтезируются белки, которые затем перемещаются внутри её каналов. Пузырьки переносят вещества к аппарату Гольджи, где они изменяются, сортируются и направляются по назначению. Лизосомы содержат ферменты для расщепления веществ и участвуют во внутриклеточном переваривании; так клетка может перерабатывать поступившие частицы и ненужные компоненты.

Митохондрии и пластиды связаны с преобразованием энергии, но выполняют разные задачи. В митохондриях при клеточном дыхании энергия органических веществ используется для процессов жизнедеятельности. Хлоропласты, разновидность пластид, улавливают свет и обеспечивают фотосинтез; другие пластиды могут запасать вещества или придавать клеткам окраску. Пластиды характерны для растительных клеток и встречаются у некоторых других эукариот, а наличие пластид не означает отсутствия митохондрий.

Рибосомы и цитоскелет работают без окружающей мембраны. Рибосома состоит из молекул РНК и белков и собирает белок по информации, поступающей от клетки; свободные рибосомы синтезируют одни белки, а связанные с эндоплазматической сетью — другие. Цитоскелет образован белковыми нитями и микротрубочками, которые поддерживают форму клетки и создают пути для перемещения структур. Это показывает, что мембрана нужна не каждой клеточной структуре для выполнения важной функции.

Органоиды эукариотической клетки: строение и функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала соотнесите особенности строения органоида с его основной функцией. Затем сравните, в каких клетках он встречается: это помогает не переносить признаки одного типа клеток на все остальные. Помните, что указанные функции — главные, но у некоторых органоидов их несколько.

Разбор задач

Задача 1

Назовите органоид, в котором синтезируются белки, и объясните, как его функция связана со строением. Нужно не просто вспомнить название, а указать, какие признаки позволяют органоиду выполнять эту работу. Учтите, где в клетке может находиться этот органоид.

1. Ищем структуру, которая собирает белок из аминокислот по клеточной инструкции. Эту работу выполняют рибосомы, а не аппарат Гольджи: он обрабатывает и сортирует уже созданные вещества. Поэтому ответ связан с синтезом белка.
2. Рибосома состоит из двух субъединиц, образованных РНК и белками. На ней считывается информация и соединяются аминокислоты в определённой последовательности. Так строение рибосомы обеспечивает сборку белковой молекулы.
3. Проверяем, не ограничены ли рибосомы одним местом: они бывают свободными в цитоплазме и связанными с эндоплазматической сетью. Значит, формулировка должна включать оба варианта расположения. Это также объясняет, почему часть белков сразу включается в путь транспорта по клетке.

Ответ: белки синтезируются на рибосомах. Они могут располагаться свободно в цитоплазме или быть связанными с эндоплазматической сетью.

Задача 2

В клетке обнаружены развитая зернистая эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. Предположите, какие процессы в ней особенно активны. Чтобы ответить, нужно восстановить путь вещества, а не рассматривать органоиды по отдельности. Сначала выясните, какую роль в этой цепочке играет каждый из них.

1. Зернистой называют эндоплазматическую сеть с рибосомами на поверхности. Рибосомы синтезируют белки, а сеть помогает перемещать их внутри клетки. Развитость этой системы позволяет предположить интенсивный синтез и транспорт белков.
2. Далее белки поступают к аппарату Гольджи. Там они могут изменяться, сортироваться и упаковываться в пузырьки для доставки. Значит, развитый аппарат Гольджи согласуется с активной обработкой и распределением веществ.
3. Сопоставляем оба признака: синтез и перемещение обеспечиваются рибосомами и эндоплазматической сетью, а обработка и сортировка — аппаратом Гольджи. Поэтому в клетке, вероятно, активно производятся белки, предназначенные для использования или переноса в другие места. По одним признакам нельзя определить точный тип клетки.

Ответ: особенно активны синтез белков, их перемещение по эндоплазматической сети, последующая обработка, сортировка и упаковка аппаратом Гольджи.

Задача 3

Сравните клетку листа и клетку мышцы по органоидам, связанным с фотосинтезом и обеспечением энергией. Объясните различия, учитывая специализацию клеток. Важно не сделать вывод, будто один органоид заменяет другой.

1. Клетка листа обычно содержит хлоропласты — пластиды, в которых происходит фотосинтез. Благодаря этому в клетках листа может улавливаться световая энергия и использоваться для образования органических веществ. Клетка мышцы на фотосинтез не специализируется и хлоропластов не имеет.
2. Митохондрии участвуют в клеточном дыхании, при котором энергия органических веществ становится доступной для клеточных процессов. Они есть и в клетках листа, и в клетках мышцы. Мышечная клетка активно расходует энергию при сокращении, поэтому её работа особенно тесно связана с обеспечением энергией.
3. Сравниваем не только наличие органоидов, но и их задачи: хлоропласты нужны для фотосинтеза, митохондрии — для клеточного дыхания. Специализация клетки определяет набор и активность её структур. Наличие пластид у растения не отменяет потребности в митохондриях.

Ответ: клетка листа имеет хлоропласты и митохондрии, а клетка мышцы — митохондрии, но не хлоропласты. Пластида связана с фотосинтезом, митохондрия — с клеточным дыханием и обеспечением энергией.

Типичные ошибки

Считать цитоплазмой только жидкую часть клетки — значит смешивать цитоплазму и цитозоль. Так ошибаются, потому что в бытовом представлении внутреннее содержимое кажется однородной жидкостью. Проверьте себя: цитоплазма в широком смысле включает также органоиды и включения. Если речь только о жидкой среде, точнее употребить слово «цитозоль».

Представление, что все органоиды окружены мембраной, неверно: рибосомы и элементы цитоскелета мембран не имеют. Ошибка возникает из-за того, что мембраны хорошо заметны при описании многих структур клетки. Проверяя ответ, спросите себя, есть ли у органоида собственная оболочка. Не смешивайте наличие сложного строения с обязательным наличием мембраны.

Приписывать каждому органоиду только одну функцию — чрезмерное упрощение. Его допускают, когда учат отдельные определения и не прослеживают обмен веществ между структурами. Чтобы проверить себя, восстановите путь вещества: например, белок синтезируется на рибосоме, перемещается по эндоплазматической сети, а затем обрабатывается и сортируется в аппарате Гольджи. Такой порядок показывает связь органоидов.

Нельзя считать, что пластиды есть у всех эукариот или что митохондрии встречаются только у животных. Первая ошибка появляется из-за чрезмерного обобщения признаков растений, вторая — из-за неверного противопоставления растительной и животной клетки. Проверьте себя: у растений есть и пластиды, и митохондрии, а пластиды характерны также для некоторых других эукариот. Функции этих органоидов различаются.

Связь с другими темами

Для изучения органоидов нужны основные положения клеточной теории, представление о строении мембраны и различиях прокариотических и эукариотических клеток. Эти знания помогают понять, почему у клетки есть ядро, как вещества проходят через мембрану и чем различаются клеточные структуры. Далее тема пригодится при изучении обмена веществ и энергии, фотосинтеза, клеточного дыхания и синтеза белка. Связь органоидов также важна для понимания деления клетки и распределения её компонентов.

Что запомнить

• Эукариотическая клетка имеет оформленное ядро и мембранные органоиды.
• Цитоплазма включает цитозоль, органоиды и клеточные включения.
• Строение органоида связано с выполняемой им функцией.
• Эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи участвуют в синтезе, обработке и транспорте веществ.
• Митохондрии участвуют в клеточном дыхании, а пластиды — в фотосинтезе и других процессах растительной клетки.
• Рибосомы синтезируют белки, а цитоскелет поддерживает форму клетки и обеспечивает движение.