§ 9. Цитоплазма: энергетический и опорно-сократительный аппараты

Определения и обозначения

Митохондрия — органоид, в котором при клеточном дыхании образуется основная часть АТФ, используемой клеткой. Клеточное дыхание — совокупность процессов, при которых органические вещества окисляются и высвобождают энергию. АТФ запасает эту энергию в доступной для клетки форме. Поэтому митохондрии помогают обеспечивать энергией разные процессы жизнедеятельности.

Пластиды — органоиды растительных клеток и некоторых водорослей; хлоропласты обеспечивают фотосинтез, другие пластиды могут запасать вещества или содержать пигменты. Пластиды различаются составом и назначением. Это помогает клеткам выполнять разные задачи: получать органические вещества на свету, хранить запасы или приобретать окраску. Не всякая пластида является хлоропластом.

Цитоскелет — система белковых нитей и трубочек в цитоплазме, поддерживающая форму клетки и участвующая в движении и перемещении веществ. Он не похож на неподвижную опору: его элементы могут собираться, разрушаться и перестраиваться. Благодаря этому клетка сохраняет форму или меняет её, а внутриклеточные структуры перемещаются в нужном направлении. Цитоскелет также участвует в делении клетки.

Микротрубочки и микрофиламенты — элементы цитоскелета: трубчатые структуры из тубулина и тонкие нити, образованные главным образом актином. Их различия в строении связаны с тем, что они выполняют не полностью одинаковые задачи. Микротрубочки особенно важны для транспорта и разделения хромосом, а микрофиламенты — для движений и сокращений. Вместе они образуют часть опорно-сократительного аппарата клетки.

Как это устроено

Митохондрии обеспечивают клетку энергией благодаря клеточному дыханию: при окислении органических веществ высвобождается энергия, часть которой запасается в АТФ. АТФ клетка использует для процессов, требующих затрат энергии, поэтому её образование связано с работой многих систем. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, называемые кристами. Складки увеличивают площадь мембраны, на которой размещаются структуры, участвующие в связанных с дыханием реакциях, и тем самым создают условия для эффективной работы органоида.

Пластиды различаются строением и функциями, потому что клеткам растений нужны и получение веществ, и их запасание, и пигментация. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, который поглощает свет; его энергия используется в фотосинтезе для образования органических веществ. Лейкопласты обычно находятся в клетках, где запасаются питательные вещества, например крахмал. Хромопласты содержат пигменты, придающие клеткам и органам растения жёлтую, оранжевую или красную окраску.

Цитоскелет образован белковыми структурами, которые постоянно перестраиваются, а не просто удерживают клетку в одной форме. Когда меняется расположение или длина его элементов, клетка может изменять форму и перемещать структуры внутри цитоплазмы. Такая гибкость нужна для процессов, где требуется быстро менять расположение клеточных компонентов. Цитоскелет также помогает упорядочить внутреннее пространство клетки, поддерживая связь между движением и расположением её частей.

Микротрубочки служат своеобразными путями, вдоль которых могут перемещаться внутриклеточные структуры. При делении клетки из них формируется веретено деления — система, которая помогает распределить хромосомы между дочерними клетками. Микротрубочки также образуют основу ресничек и жгутиков, участвующих в движении клеток или жидкости около их поверхности. Микрофиламенты тоньше и состоят преимущественно из актина; взаимодействуя с другими белками, они обеспечивают сокращения и движения клеток.

Энергетический и опорно-сократительный аппараты работают согласованно, потому что движение и перестройка клеточных структур требуют затрат энергии. Митохондрии помогают снабжать клетку АТФ, а элементы цитоскелета используют её при выполнении своих функций. Например, внутриклеточный транспорт или сокращение не происходят независимо от обмена веществ. Поэтому нормальная работа клетки зависит и от получения энергии, и от способности её структур организованно двигаться.

Органоиды и структуры цитоплазмы: строение и функции

Сначала найдите в таблице нужную структуру, затем сопоставьте её строение с функцией. Последний столбец помогает не смешивать органоиды растений с элементами цитоскелета, встречающимися у эукариот шире. Сравнение также показывает, что разные структуры могут совместно обеспечивать работу клетки.

Разбор задач

Задача 1

В клетке активно расходуется АТФ. Укажите органоид, связанный с её образованием, и назовите процесс, при котором энергия органических веществ запасается в АТФ. Нужно различить источник энергии и процесс её преобразования. Не следует забывать, что образование АТФ не ограничено одним органоидом, хотя вопрос просит назвать основной связанный с ним вариант.

1. Определяем, что именно спрашивают: органоид, связанный с образованием основной части АТФ.
2. Вспоминаем, что в митохондриях идёт клеточное дыхание и при окислении органических веществ высвобождается энергия.
3. Связываем запасание этой энергии в молекулах АТФ с клеточным дыханием.

Ответ: органоид — митохондрия, процесс — клеточное дыхание. При нём энергия органических веществ запасается в АТФ. АТФ затем расходуется на процессы, требующие энергии.

Задача 2

Сравните клетку листа и клетку корня растения: в какой из них ожидается больше хлоропластов и почему? Для решения важно учесть, что хлоропласты нужны для фотосинтеза, а этому процессу необходим свет. Также следует помнить, что клетки разных частей растения выполняют разные функции. Поэтому сравниваем не просто органы, а условия и задачи клеток.

1. Определяем, в какой части растения клетки обычно получают больше света: это клетки листа.
2. Связываем свет с фотосинтезом, в котором участвуют содержащие хлорофилл хлоропласты.
3. Учитываем, что корень обычно находится в почве и его клетки не выполняют фотосинтез так, как клетки освещённого листа.

Ответ: больше хлоропластов ожидается в клетках листа. Они получают свет и могут использовать его для фотосинтеза. Клетки корня обычно не освещены, поэтому хлоропласты для этой функции им не нужны.

Задача 3

После повреждения микротрубочек нарушились перемещение внутриклеточных структур и расхождение хромосом при делении. Объясните, почему одно изменение могло повлиять на оба процесса. Здесь важно искать общую клеточную структуру, а не предполагать, что процессы напрямую вызывают друг друга. Нужно сопоставить функции микротрубочек в транспорте и делении.

1. Вспоминаем, что микротрубочки — элементы цитоскелета, участвующие во внутриклеточном перемещении структур.
2. Учитываем, что при делении из микротрубочек образуется веретено деления, помогающее распределять хромосомы.
3. Делаем вывод: повреждение одного типа элементов нарушает обе функции, поскольку обе зависят от микротрубочек.

Ответ: микротрубочки нужны и для внутриклеточного транспорта, и для образования веретена деления. Поэтому их повреждение может одновременно нарушить перемещение структур и расхождение хромосом. Оба нарушения имеют общую причину — нарушение работы элемента цитоскелета.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что АТФ образуется только в митохондриях. Так думают, потому что митохондрии обычно называют энергетическими станциями клетки, но АТФ синтезируется и в других структурах, например в хлоропластах при фотосинтезе. Проверьте себя, если формулировка содержит слово «только»: оно делает утверждение неверным. Точнее говорить, что в митохондриях образуется основная часть АТФ при клеточном дыхании.

Ошибка — называть все пластиды хлоропластами. Это происходит, если запомнить только самый известный пример и не учитывать различия между пластидами. Хлоропласты участвуют в фотосинтезе, лейкопласты запасают вещества, а хромопласты содержат пигменты. Чтобы проверить себя, сопоставьте название каждой пластиды с её строением и функцией.

Ошибка — представлять цитоскелет неподвижным каркасом. Сравнение с каркасом удобно для запоминания его опорной роли, но скрывает способность элементов к перестройке. Именно эта динамичность помогает клетке менять форму и перемещать содержимое. Проверка проста: если объяснение исключает движение и перестройку, представление о цитоскелете неполное.

Ошибка — путать микротрубочки и микрофиламенты. Их смешивают, потому что оба типа являются элементами цитоскелета и участвуют в работе клетки. Но микротрубочки состоят из тубулина и имеют трубчатое строение, а микрофиламенты — тонкие нити из актина. Проверьте ответ по двум признакам: из какого белка построен элемент и как он выглядит.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужно знать строение эукариотической клетки, состав цитоплазмы и назначение органоидов. Представление о функциях АТФ и клеточном дыхании помогает понять, откуда берётся энергия для процессов жизнедеятельности. Эти знания пригодятся при изучении фотосинтеза, деления клеток, движения клеток и внутриклеточного транспорта. Связь тем становится особенно заметной, когда одна структура участвует сразу в нескольких процессах.

Что запомнить

• Митохондрии связаны с клеточным дыханием и образованием АТФ.
• Хлоропласты — пластиды, в которых происходит фотосинтез.
• Пластиды выполняют не только фотосинтетическую функцию.
• Цитоскелет поддерживает форму клетки и участвует в её движениях.
• Микротрубочки и микрофиламенты — разные элементы цитоскелета.
• АТФ необходима для многих процессов движения и перестройки клеточных структур.