9. Пластиды и митохондрии. Рибосомы

Определения и обозначения

Митохондрия — двумембранный органоид, в котором при клеточном дыхании синтезируется значительная часть АТФ. АТФ — молекула, служащая для клетки источником энергии при выполнении различных процессов. Поэтому митохондрии особенно важны для энергетического обмена: они помогают превращать энергию питательных веществ в форму, доступную клетке.

Пластиды — двумембранные органоиды клеток растений и водорослей. К основным типам относятся хлоропласты, хромопласты и лейкопласты; их объединяют наличие двух мембран и способность развиваться и изменяться в течение жизни клетки. Различия между типами связаны с пигментами и выполняемыми задачами: фотосинтезом, окраской или запасанием веществ.

Рибосома — немембранная структура, состоящая из рибосомной РНК (рРНК) и белков. Она обеспечивает синтез белка, соединяя аминокислоты в нужном порядке согласно информации матричной РНК (мРНК). Благодаря рибосомам клетка создаёт белки, необходимые для её строения и работы.

Хлоропласт — зелёная пластида, в которой происходит фотосинтез: образование органических веществ из неорганических с использованием энергии света. Его пигменты улавливают свет, а система внутренних мембран помогает разделить этапы процесса. Строение хлоропласта делает возможным преобразование световой энергии в химическую энергию органических веществ.

Как это устроено

Наружная и внутренняя мембраны митохондрии ограничивают разные внутренние пространства, то есть образуют компартменты. Такое разделение позволяет поддерживать условия, нужные для отдельных этапов клеточного дыхания. Внутренняя мембрана образует складки — кристы, увеличивающие её площадь. На этой поверхности размещаются белковые комплексы дыхательной цепи, поэтому большая площадь даёт больше места для их работы и синтеза АТФ.

Внутреннее содержимое митохондрии называют матриксом. В нём расположены ферменты, собственная ДНК и рибосомы: ферменты участвуют в реакциях обмена, а генетическая информация и рибосомы позволяют производить часть белков на месте. Но этих возможностей недостаточно для создания всех белков органоида. Значительная часть белков синтезируется рибосомами клетки в цитоплазме и затем поступает в митохондрию, поэтому она зависит от клетки.

Хлоропласт окружён двумя мембранами, а внутри него находятся жидкая строма и система мембранных мешочков — тилакоидов. Тилакоиды собраны в стопки, называемые гранами; на их мембранах расположены пигменты и белковые комплексы, необходимые для световых реакций фотосинтеза. Такое устройство помогает сосредоточить компоненты процесса на мембранах, где они могут взаимодействовать. В строме протекают другие реакции фотосинтеза, поэтому внутреннее пространство хлоропласта разделено на функциональные области.

Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты различаются набором пигментов и функциями. Хлоропласты содержат зелёный хлорофилл и проводят фотосинтез, тогда как хромопласты накапливают окрашивающие пигменты и придают цвет, например, плодам или цветкам. Лейкопласты обычно не имеют окрашивающих пигментов и служат для запасания веществ, в том числе крахмала. Следовательно, наличие пластид не означает, что клетка обязательно фотосинтезирует: это зависит от типа пластиды.

У митохондрий и пластид есть собственные ДНК и рибосомы, а размножаются они делением. Эти особенности вместе с двойной мембраной рассматривают как аргументы в пользу того, что органоиды произошли от древних бактерий, вступивших в тесное взаимодействие с предками эукариотических клеток. Такое объяснение называют эндосимбиотической гипотезой. Однако наличие собственного генетического аппарата не делает органоиды полностью самостоятельными: многие необходимые им белки кодируются ДНК клетки и создаются её рибосомами.

Сравнение митохондрий, пластид и рибосом

Сначала сравните наличие мембран и основные части: это помогает отличить органоиды по устройству. Затем сопоставьте их расположение в клетках и функции, учитывая, что пластиды бывают нескольких типов. Последняя строка показывает, как особенности строения помогают выполнять работу.

Разбор задач

Задача 1

В клетке активно расходуется АТФ. Какой органоид особенно важен для её энергетического обеспечения и какие особенности строения помогают ему выполнять эту роль?

1. Определяем, что требуется клетке: восполнять запас АТФ, используемой в процессах жизнедеятельности.
2. Связываем эту задачу с клеточным дыханием: значительная часть АТФ образуется в митохондриях.
3. Учитываем строение органоида: складки внутренней мембраны — кристы — увеличивают площадь для размещения белковых комплексов дыхательной цепи.

Ответ: клетке особенно важны митохондрии. Кристы увеличивают площадь внутренней мембраны, где работают комплексы, связанные с клеточным дыханием и синтезом АТФ.

Задача 2

В клетках корня растения обнаружены пластиды без хлорофилла, накапливающие крахмал. Определите их тип и объясните, почему они не осуществляют фотосинтез.

1. Сопоставляем описание с функциями пластид: запасание веществ характерно для лейкопластов.
2. Проверяем указание на отсутствие хлорофилла: это согласуется с тем, что пластиды не являются зелёными хлоропластами.
3. Делаем вывод о фотосинтезе: без нужных пигментов и соответствующей организации пластиды не проводят этот процесс.

Ответ: это лейкопласты, накапливающие крахмал. Они не осуществляют фотосинтез, потому что в них нет хлорофилла, улавливающего свет для этого процесса.

Задача 3

В эксперименте нарушили образование рибосом в цитоплазме клетки. Объясните, как это повлияет на синтез белков и работу митохондрий и пластид.

1. Рибосомы цитоплазмы собирают белки по информации мРНК, поэтому нарушение их образования затруднит синтез многих клеточных белков.
2. Митохондрии и пластиды синтезируют собственными рибосомами лишь часть своих белков, поэтому их внутренний синтез не сможет полностью компенсировать нехватку.
3. Многие белки органоидов создаются в цитоплазме и поступают внутрь; при недостатке таких белков работа митохондрий и пластид нарушится.

Ответ: синтез белков клетки снизится, а работа митохондрий и пластид будет нарушена. Их собственные рибосомы обеспечивают производство только части белков, поэтому органоиды зависят от рибосом цитоплазмы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все пластиды проводят фотосинтез. Такое заблуждение возникает потому, что чаще всего говорят о зелёных хлоропластах, но пластиды бывают и других типов. Хромопласты придают окраску, а лейкопласты запасают вещества. Проверьте себя: если в условии говорится о накоплении крахмала или окраске плода, определите тип пластиды по функции, а не называйте её хлоропластом.

Рибосомы иногда ошибочно называют двумембранными органоидами. Путаница может возникнуть из-за того, что рибосомы встречаются рядом с мембранами эндоплазматической сети или внутри митохондрий и пластид. Но сама рибосома мембраны не имеет и состоит из рРНК и белков. Проверка простая: мембрана окружает органоид, а не является частью структуры рибосомы.

Неверно утверждать, что митохондрии и пластиды полностью автономны. Собственные ДНК и рибосомы создают впечатление, будто органоиды могут обеспечивать себя всем необходимым. На деле они синтезируют только часть собственных белков и зависят от белков, созданных клеткой. Чтобы проверить ответ, вспомните, что собственный генетический аппарат не содержит всей информации, необходимой для полной самостоятельности.

Кристы нельзя путать с тилакоидами. Оба названия относятся к мембранным структурам, поэтому их легко смешать, если запоминать слова без органоида. Кристы — складки внутренней мембраны митохондрии, а тилакоиды входят в систему мембран хлоропласта. Проверяйте себя вопросом: с каким органоидом связана структура и в каком процессе она участвует?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении эукариотической клетки, роли мембран и назначении органоидов. Работа митохондрий связана с клеточным дыханием, АТФ и энергетическим обменом: эти понятия объясняют, откуда клетка получает энергию для процессов жизнедеятельности. Хлоропласты понадобятся при изучении фотосинтеза, а рибосомы — при разборе того, как наследственная информация реализуется в синтезе белка. Так строение органоидов помогает связать обмен веществ с устройством клетки.

Что запомнить

• Митохондрии участвуют в клеточном дыхании и синтезе АТФ.
• Кристы увеличивают площадь внутренней мембраны митохондрии.
• Пластиды характерны для клеток растений и водорослей.
• Хлоропласты осуществляют фотосинтез; лейкопласты запасают вещества, хромопласты содержат окрашивающие пигменты.
• Рибосомы — немембранные структуры, на которых синтезируются белки.
• Митохондрии и пластиды имеют собственные ДНК и рибосомы, но не полностью автономны.