§ 21. Органоиды как структурные компоненты цитоплазмы

Определения и обозначения

Органоид — постоянная специализированная структура цитоплазмы, выполняющая определённые функции. Например, рибосомы синтезируют белки, а митохондрии участвуют в клеточном дыхании. Органоиды следует отличать от включений: включения, такие как капли жира или зёрна крахмала, обычно служат временными запасами либо представляют собой продукты обмена и могут исчезать.

Мембранные органоиды — структуры, ограниченные одной или двумя мембранами. К ним относят эндоплазматическую сеть, комплекс Гольджи и лизосомы с одной мембраной, а также митохондрии и пластиды с двумя. Мембраны отделяют внутреннюю среду органоида от цитоплазмы и помогают разделить процессы, чтобы они не мешали друг другу.

Немембранные органоиды — структуры, не окружённые собственной мембраной. Примеры — рибосомы и клеточный центр. Отсутствие мембраны не означает, что структура неспециализированна: рибосома обеспечивает синтез белка, а клеточный центр участвует в организации деления клетки.

Эндоплазматическая сеть — система мембранных каналов и полостей в цитоплазме, связанная с синтезом и перемещением веществ. На шероховатой разновидности расположены рибосомы, а на гладкой их нет. Такое различие отражает специализацию участков сети: шероховатая связана прежде всего с белками, гладкая — в частности, с липидами.

Как это устроено

Мембраны делят цитоплазму на функциональные участки, или компартменты, — области, где создаются условия для определённых реакций. Внутри органоида могут поддерживаться свой состав и подходящая концентрация веществ, поэтому процессы идут эффективнее. Одновременно в разных участках клетки могут происходить реакции, которым требуются разные условия. Мембраны также избирательно пропускают вещества и помогают регулировать их перемещение.

Эндоплазматическая сеть образует разветвлённую систему каналов и полостей, по которой вещества могут перемещаться внутри клетки. На шероховатой ЭПС рибосомы собирают белковые молекулы; близость мембран позволяет направлять многие из этих белков в полости сети и дальше транспортировать их. Гладкая ЭПС не покрыта рибосомами и участвует, среди прочего, в синтезе липидов. Таким образом, строение поверхности связано с тем, какие вещества синтезируются на конкретном участке.

Комплекс Гольджи принимает вещества, поступающие в пузырьках от эндоплазматической сети, и последовательно их преобразует. Затем он сортирует содержимое: разные молекулы направляются к тем участкам клетки, где они нужны. Упакованные в пузырьки вещества могут доставляться к мембране, другим органоидам или выводиться из клетки. Часть пузырьков превращается в лизосомы — органоиды с ферментами, расщепляющими вещества.

Митохондрия окружена двумя мембранами, а её внутренняя мембрана образует складки. На внутренних мембранных структурах идут этапы клеточного дыхания, при которых энергия органических веществ используется для образования АТФ — молекулы, служащей источником энергии для клеточных процессов. Пластиды также двумембранные; хлоропласты содержат структуры, необходимые для фотосинтеза, а другие виды пластид связаны с окраской или запасанием веществ. У митохондрий и пластид есть собственный генетический аппарат, включая ДНК и рибосомы.

Рибосомы состоят из двух частей и могут находиться свободно в цитоплазме или быть прикреплёнными к шероховатой ЭПС. Они синтезируют белки, считывая информацию, перенесённую с ДНК. Клеточный центр организует микротрубочки, которые участвуют в формировании структур, необходимых для распределения хромосом при делении. Микротрубочки и другие элементы цитоскелета поддерживают форму клетки и помогают перемещать внутри неё органоиды и вещества.

Органоиды цитоплазмы: строение и функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, есть ли у органоида мембрана и каковы заметные особенности его строения. Затем свяжите эти особенности с функцией: например, рибосомы указывают на синтез белка, а складки внутренней мембраны митохондрии — на процессы клеточного дыхания. Такое сравнение помогает не путать органоиды со сходным мембранным строением.

Разбор задач

1. Шероховатая эндоплазматическая сеть

Условие. В клетке обнаружена система мембранных каналов с прикреплёнными рибосомами. Назовите органоид и укажите его основную роль. Рибосомы здесь служат главным признаком, поэтому важно связать их не только с названием структуры, но и с процессом, который они обеспечивают.

1. Определяем структуру. Система каналов и полостей указывает на эндоплазматическую сеть. Прикреплённые к её поверхности рибосомы отличают шероховатую разновидность от гладкой.
2. Связываем строение с функцией. Рибосомы синтезируют белки, а полости сети дают возможность направлять и перемещать многие из них внутри клетки. Поэтому роль органоида включает синтез белков на рибосомах и их внутриклеточный транспорт.
3. Проверяем вывод. Если бы рибосом на мембранах не было, оснований называть сеть шероховатой не возникло бы. Наличие рибосом — признак, который подтверждает выбор.

Ответ: шероховатая эндоплазматическая сеть; она связана с синтезом белков рибосомами и их транспортом внутри клетки.

2. Митохондрия и хлоропласт

Условие. Сопоставьте митохондрию и хлоропласт по числу мембран, наличию собственного генетического аппарата и функциям. Чтобы не смешать их задачи, сначала сравним строение, а затем отдельно назовём энергетические процессы. Оба органоида относятся к двумембранным, но выполняют разные функции.

1. Сравниваем оболочки. И митохондрия, и хлоропласт окружены двумя мембранами. Значит, по числу мембран они сходны.
2. Учитываем генетический аппарат. У обоих органоидов имеются собственные ДНК и рибосомы. Это не отменяет их связи с клеткой, но позволяет отличить их от органоидов, не имеющих собственного генетического аппарата.
3. Разделяем функции. Митохондрия участвует в клеточном дыхании и образовании АТФ. Хлоропласт улавливает энергию света и использует её при фотосинтезе, поэтому его функцию нельзя приписывать митохондрии.

Ответ: оба органоида двумембранные и имеют собственный генетический аппарат; митохондрия связана с клеточным дыханием и образованием АТФ, хлоропласт — с фотосинтезом.

3. Путь вещества от ЭПС к пузырьку

Условие. Вещество синтезируется на мембранах с рибосомами, затем изменяется и упаковывается в пузырьки. Нужно описать путь вещества и назвать участвующие структуры. По условию можно определить начальный участок по рибосомам, а последующий — по сортировке и упаковке.

1. Находим место синтеза. Рибосомы на мембранах означают, что синтез идёт на шероховатой эндоплазматической сети. В её полости или мембране синтезированное вещество может перемещаться к участку отправки.
2. Прослеживаем транспорт. От ЭПС отделяются транспортные пузырьки, которые переносят содержимое к комплексу Гольджи. Так вещество попадает в органоид, где его дальнейшая обработка отличается от первоначального синтеза.
3. Определяем дальнейший этап. Комплекс Гольджи изменяет и сортирует вещество, а затем упаковывает его в пузырёк. Пузырёк доставляет груз к месту назначения; если речь идёт о ферментах, он может участвовать в образовании лизосомы.

Ответ: рибосомы шероховатой ЭПС синтезируют белок; транспортный пузырёк переносит его к комплексу Гольджи, где белок изменяется, сортируется и упаковывается для дальнейшей доставки.

Типичные ошибки

Ошибка: называть органоидами любые структуры цитоплазмы. Её допускают, потому что органоиды и включения расположены в одной клеточной среде, однако включения обычно временные, а органоиды постоянно выполняют специализированные функции. Проверяйте, есть ли у структуры собственная закономерная роль в работе клетки, а не только запасённое или образовавшееся вещество.

Ошибка: считать мембранными все органоиды. Внешний вид клетки может создавать впечатление, что каждая её структура отделена оболочкой, но у рибосом и клеточного центра собственной мембраны нет. Чтобы проверить себя, сопоставьте органоид с его строением, а не выводите наличие мембраны из самого названия.

Ошибка: путать функции гладкой и шероховатой ЭПС. Поскольку обе разновидности относятся к одной системе, их легко воспринимать как одинаковые участки; однако только шероховатая ЭПС покрыта рибосомами и связана с синтезом белка, а гладкая участвует, в частности, в синтезе липидов. Проверьте, есть ли в описании рибосомы, прежде чем называть функцию сети.

Ошибка: приписывать митохондриям и пластидам сортировку и упаковку веществ. Это происходит, когда любую функцию мембранного органоида связывают с другими такими структурами. Сортирует и упаковывает вещества комплекс Гольджи, митохондрии участвуют в клеточном дыхании, а пластиды — в фотосинтезе или накоплении веществ. Проверяйте, соответствует ли названная функция основному назначению органоида.

Связь с другими темами

Для понимания органоидов нужны знания о строении эукариотической клетки, составе цитоплазмы и роли клеточной мембраны. Эти сведения помогают объяснить, как мембранные участки отделяют процессы и регулируют перемещение веществ. Тема связана с обменом веществ, синтезом белка, клеточным дыханием, фотосинтезом и делением клетки: во всех этих процессах работают разные органоиды. Сравнение их набора помогает понять различия клеток растений, животных и грибов.

Что запомнить

• Органоиды — специализированные постоянные структуры цитоплазмы.
• Органоиды бывают мембранными и немембранными.
• Шероховатая эндоплазматическая сеть связана с рибосомами и синтезом белка.
• Комплекс Гольджи изменяет, сортирует и упаковывает вещества.
• Митохондрии обеспечивают процессы клеточного дыхания и образование АТФ.
• Пластиды характерны для растительных клеток и связаны с фотосинтезом или запасанием веществ.