§17. Строение клетки. Митохондрии. Пластиды. Органоиды движения

Определения и обозначения

Органоид — постоянная структура клетки, выполняющая определённые функции и имеющая характерное строение. Например, одни органоиды участвуют в обмене веществ, другие — в движении. Это понятие помогает описывать клетку как систему специализированных частей, а не как однородное содержимое.

Митохондрия — двумембранный органоид, обеспечивающий клетку энергией за счёт клеточного дыхания и синтеза АТФ. АТФ — молекула, энергия которой используется для клеточных процессов. Поэтому по наличию митохондрий можно судить о важных этапах получения клеткой энергии.

Пластида — двумембранный органоид растительных клеток и клеток водорослей, участвующий в фотосинтезе, накоплении веществ или окраске. К пластидам относятся хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Их различия объясняют, почему одни клетки фотосинтезируют, а другие накапливают запасы или окрашивают части растения.

Органоид движения — структура клетки, обеспечивающая её перемещение или движение веществ на поверхности клетки; к таким структурам относят реснички и жгутики. Они позволяют клетке менять положение или перемещать окружающую жидкость и частицы. Это понятие помогает различать движение самой клетки и движение веществ вдоль её поверхности.

Как это устроено

Органоиды имеют особенности строения, подходящие для выполняемых задач. Мембраны отделяют одни процессы от других и создают особые условия для химических реакций, а внутренние структуры увеличивают рабочую поверхность или размещают необходимые вещества. При этом органоиды связаны обменом веществ и сигналами с остальной клеткой. Поэтому нарушение одной части может сказаться на работе других.

У митохондрии две мембраны: наружная отделяет её от цитоплазмы, а внутренняя формирует отдельную среду для процессов клеточного дыхания. Внутренняя мембрана образует складки — кристы; на них размещаются компоненты, участвующие в синтезе АТФ. Чем больше площадь крист, тем больше места для таких компонентов. Матрикс — внутреннее содержимое митохондрии — содержит ферменты реакций, рибосомы и собственную ДНК, необходимые для части её процессов.

Пластиды различаются пигментами и содержимым, поэтому выполняют неодинаковые функции. В хлоропластах есть хлорофилл, поглощающий свет, необходимый для фотосинтеза. Хромопласты содержат другие пигменты и придают окраску, например, плодам и цветкам. Лейкопласты обычно бесцветны: в них нет пигментов, зато могут накапливаться запасы веществ, поэтому они распространены в запасающих тканях.

Реснички и жгутики покрыты клеточной мембраной, а внутри имеют каркас из микротрубочек — тонких белковых трубочек. Их основание связано с базальным тельцем, которое помогает закрепить и организовать структуру. Согласованная работа микротрубочек вызывает изгибы: многочисленные реснички могут перемещать жидкость по поверхности клетки, а жгутик — продвигать клетку. Если движения отдельных ресничек не согласованы, перемещение становится менее эффективным.

Митохондрии и пластиды называют полуавтономными, потому что у них есть собственные ДНК и рибосомы, но полной независимости от клетки нет. Эти органоиды способны синтезировать часть своих белков, однако большинство необходимых белков кодируется генами ядра и поступает из цитоплазмы. Собственная ДНК, рибосомы и способность делиться напоминают особенности прокариот — организмов без оформленного ядра. Такое сходство подтверждает гипотезу, что предками органоидов были древние прокариотические клетки, вошедшие в состав клетки-хозяина.

Сравнение митохондрий, пластид и органоидов движения

Сначала сравните, в каких клетках встречаются структуры и какую задачу выполняют. Затем сопоставьте детали строения с функцией: например, кристы — с синтезом АТФ, а пигменты пластид — с фотосинтезом или окраской. Таблица также показывает, что собственные ДНК и рибосомы есть у митохондрий и пластид, но не у ресничек и жгутиков.

Разбор задач

Задача 1

Условие. В клетке обнаружены двумембранный органоид с многочисленными складками внутренней мембраны, матриксом и собственной ДНК. Определите органоид и его основную функцию. Сопоставьте описание с характерными признаками известных органоидов. Объясните, как найденная особенность строения связана с работой органоида.

1. Отметим, что две мембраны и собственная ДНК встречаются у митохондрий и пластид. Значит, этих признаков по отдельности недостаточно для уверенного ответа.
2. В условии названы многочисленные складки именно внутренней мембраны. Такие складки — кристы — характерны для митохондрий, а внутреннее содержимое этого органоида называется матриксом.
3. Свяжем строение с функцией: на кристах размещаются компоненты энергетического обмена, а в митохондрии происходит клеточное дыхание с синтезом АТФ.

Ответ. Это митохондрия; её основная функция — клеточное дыхание и синтез АТФ. Складки внутренней мембраны увеличивают площадь, на которой могут работать компоненты энергетического обмена. Матрикс содержит ферменты, необходимые для ряда реакций.

Задача 2

Условие. Сравните клетку листа и клетку корня по наличию пластид. Объясните, какие пластиды могут преобладать в каждой клетке и почему. Нужно учесть, что органы растения выполняют разные задачи. Поэтому тип пластид следует определять не только по названию органа, но и по его функции.

1. Лист обычно получает свет и участвует в фотосинтезе. Следовательно, в его фотосинтезирующих клетках ожидаются хлоропласты с хлорофиллом.
2. Корень обычно находится в почве и не выполняет фотосинтез так, как освещённый лист. В его запасающих клетках могут преобладать лейкопласты, накапливающие вещества.
3. Проверим вывод по функциям пластид: хлоропласты нужны для фотосинтеза, лейкопласты — для запасания. В корне могут встречаться и другие типы пластид; нельзя утверждать, что во всех клетках органа есть только один тип.

Ответ. В фотосинтезирующих клетках листа обычно преобладают хлоропласты, а в запасающих клетках корня — лейкопласты. Причина различия — функции органов: листу нужен фотосинтез, корню часто важно накапливать вещества. Тип пластид зависит также от конкретной ткани и её состояния.

Задача 3

Условие. У одноклеточного организма нарушено движение жгутика. Определите, какая структура могла быть повреждена, и объясните, как это отразится на жизнедеятельности клетки. Жгутик состоит из каркаса микротрубочек и связан с базальным тельцем. Для ответа нужно проследить, как неисправность одной из этих частей повлияет на движение.

1. Определим, какая часть непосредственно обеспечивает форму и изгибы жгутика. Это каркас из микротрубочек; повреждение или нарушение его работы может помешать нормальному движению.
2. Проверим и основание органоида: базальное тельце закрепляет и организует жгутик. Если оно повреждено, жгутик может работать неправильно даже при сохранном каркасе.
3. Свяжем нарушение с жизнедеятельностью клетки. Если жгутик перестанет перемещать клетку, ей будет труднее искать благоприятные условия, пищу или уходить от неблагоприятного воздействия.

Ответ. Могли быть повреждены микротрубочки жгутика или базальное тельце. В обоих случаях движение может ослабнуть или прекратиться, но по условию нельзя выбрать единственную повреждённую структуру. Последствие — снижение способности клетки перемещаться и находить подходящие условия.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что митохондрии есть только у растений или только у животных. Такое представление возникает, если запомнить примеры клеток по отдельности и не учесть их общие признаки. Проверьте себя: митохондрии встречаются у большинства эукариот, то есть организмов с клетками, имеющими оформленное ядро.

Ошибка: путать хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Все они относятся к пластидам, поэтому их названия легко смешать, если не связать их с функциями. Для проверки вспомните признаки: хлорофилл и фотосинтез — хлоропласт, окрашивающие пигменты — хромопласт, запасы веществ — лейкопласт.

Ошибка: считать реснички и жгутики одинаковыми по длине и функции. Обе структуры участвуют в движении, но обычно реснички короче и многочисленнее, а жгутики длиннее; движение может быть устроено по-разному. Проверьте, уточнили ли вы, перемещается сама клетка или вещества по её поверхности.

Ошибка: делать вывод, что собственная ДНК превращает митохондрии и пластиды в независимые клетки. Их ДНК действительно позволяет синтезировать часть белков, но многие другие белки кодируются генами ядра. Проверка проста: если органоид зависит от ядерных генов и цитоплазмы, он не является полностью самостоятельным.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны положения клеточной теории, различия прокариотических и эукариотических клеток, знания о клеточной мембране и понятие клеточного дыхания. Позже эти сведения помогут изучать энергетический обмен, фотосинтез, деление клетки и происхождение эукариот. Сравнение органоидов связывает строение с функцией и помогает разбирать растительные, животные и одноклеточные клетки. При анализе любого органоида полезно спрашивать, какие особенности его строения обеспечивают его работу.

Что запомнить

• Митохондрии синтезируют АТФ и имеют две мембраны, кристы и матрикс.
• Кристы увеличивают площадь внутренней мембраны митохондрии для размещения компонентов энергетического обмена.
• Пластиды характерны для растений и водорослей.
• Хлоропласты обеспечивают фотосинтез, хромопласты придают окраску, а лейкопласты накапливают запасные вещества.
• Реснички и жгутики обеспечивают движение клетки или перемещение веществ по её поверхности.
• Митохондрии и пластиды имеют собственные ДНК и рибосомы, но зависят от ядра клетки.
• Строение каждого органоида соответствует выполняемой им функции.