§13. Цитоплазма и одномембранные органоиды клетки

Определения и обозначения

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки между плазматической мембраной и ядром. Она включает жидкую основу, органоиды, включения и элементы цитоскелета. Клеточный сок — не цитоплазма, а водный раствор веществ внутри вакуоли, ограниченной собственной мембраной.

Гиалоплазма — жидкая основа цитоплазмы, в которой растворены вещества и находятся клеточные структуры. В ней протекают реакции обмена веществ, а также перемещаются молекулы и органоиды. Благодаря этому разные участки клетки могут обмениваться веществами.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — система мембранных канальцев и полостей внутри клетки. На шероховатой ЭПС расположены рибосомы, поэтому она участвует главным образом в синтезе белков. На гладкой ЭПС рибосом нет; она связана, в частности, с синтезом липидов и обезвреживанием веществ.

Аппарат Гольджи — система уплощённых мембранных цистерн и пузырьков. Он принимает вещества, поступившие из ЭПС, изменяет их, сортирует и распределяет по клетке. Такая упаковка помогает доставить каждое вещество туда, где оно должно работать.

Как это устроено

Цитоплазму рассматривают как единую внутреннюю среду, потому что её части не существуют изолированно: вещества переходят между гиалоплазмой и органоидами. Гиалоплазма служит средой для реакций и перемещения молекул, а органоиды выполняют отдельные задачи обмена. Включения могут запасать вещества или быть продуктами обмена, а цитоскелет поддерживает форму клетки и помогает перемещать её части. Поэтому изменение работы одного участка способно повлиять на связанные с ним процессы.

Шероховатая ЭПС связана с синтезом белков благодаря рибосомам на её мембранах. Белки, предназначенные для секреции, мембран или лизосом, поступают в полости ЭПС и затем могут переноситься в пузырьках. Гладкая ЭПС не имеет рибосом, поэтому выполняет другие задачи: синтезирует липиды, участвует в обезвреживании некоторых веществ и может накапливать ионы кальция. Различия строения помогают каждой части ЭПС выполнять свой набор функций.

Пузырьки отпочковываются от ЭПС и перемещаются к аппарату Гольджи, затем сливаются с его мембранами и передают содержимое. В цистернах вещества могут изменяться, например белки получают дополнительные химические группы, а затем распределяются по разным направлениям. Сортировка возможна потому, что состав и метки молекул помогают клетке распознавать их назначение. Одни пузырьки направляются к плазматической мембране, другие — к органоидам, включая лизосомы.

Лизосомы формируются из пузырьков, связанных с аппаратом Гольджи, в которые упакованы гидролитические ферменты — вещества, расщепляющие крупные молекулы. Мембрана отделяет ферменты от цитоплазмы, а внутренняя кислая среда создаёт условия для их работы. Лизосомы переваривают поступившие в клетку частицы и перерабатывают изношенные структуры. Получившиеся небольшие молекулы могут повторно использоваться клеткой.

Вакуоль — ограниченная мембраной полость, особенно крупная в зрелой растительной клетке; в ней накапливаются вода, ионы, сахара, пигменты и другие вещества. Вода в вакуоли создаёт давление на клеточную стенку и помогает поддерживать тургор — упругость клетки. Пероксисома, напротив, обычно представляет собой небольшой мембранный органоид с ферментами окислительных реакций. Она помогает расщеплять некоторые вещества и превращать опасную перекись водорода в менее вредные продукты.

Одномембранные органоиды клетки: строение и функции

Сначала сравнивайте строение органоидов: наличие рибосом сразу отличает шероховатую ЭПС от гладкой, а пузырьки и цистерны указывают на аппарат Гольджи. Затем соотнесите строение с функцией и веществами, которые органоид обрабатывает или накапливает. Последний столбец помогает проверить, не перепутаны ли органоиды со сходными задачами.

Разбор задач

Задача 1. Система уплощённых цистерн и пузырьков принимает вещества от ЭПС, изменяет их и направляет к мембране или в лизосомы. Нужно определить органоид по строению и функции. Решать удобнее, сопоставляя признаки, а не опираясь только на один из них.

1. Уплощённые мембранные цистерны вместе с пузырьками характерны для аппарата Гольджи.
2. Приём веществ из ЭПС и их последующее изменение показывают, что органоид участвует в обработке клеточных продуктов.
3. Направление веществ к мембране и лизосомам указывает на сортировку и упаковку по назначению.

Ответ: аппарат Гольджи. Совпадают и его строение, и описанная функция.

Задача 2. В клетке нарушена работа шероховатой ЭПС. Определите, синтез каких веществ пострадает в первую очередь и объясните почему. Здесь важно отличать само место синтеза белка от органоида, который позже изменяет и распределяет вещества.

1. На шероховатой ЭПС расположены рибосомы — структуры, синтезирующие белки.
2. Особенно пострадает образование белков, которые должны поступить в мембраны, лизосомы или быть выделены из клетки.
3. Липидный синтез гладкой ЭПС не является прямой функцией шероховатой части, поэтому его нельзя назвать главным последствием.

Ответ: в первую очередь нарушится синтез и дальнейший транспорт предназначенных для секреции, мембран и лизосом белков. Причина — связь рибосом шероховатой ЭПС с производством этих белков.

Задача 3. В секреторной клетке заблокирован транспорт пузырьков от аппарата Гольджи к плазматической мембране. Определите последствия для белка, лизосом и клеточной поверхности. Чтобы сделать вывод, проследите путь белка от места синтеза до точки доставки и учтите направление перемещения пузырьков.

1. Белок синтезируется на рибосоме шероховатой ЭПС, затем поступает в пузырьке к аппарату Гольджи.
2. В аппарате Гольджи белок изменяется и сортируется; блокировка последующего транспорта задержит предназначенную для секреции часть белка.
3. Если не образуются или не доставляются нужные пузырьки, нарушится доставка материала к мембране и обновление её компонентов. Созревание и доставка ферментов могут также затруднить образование и пополнение лизосом, если блок влияет на соответствующие маршруты.

Ответ: секреция белка уменьшится, а клеточная поверхность будет хуже получать новые белки и мембранные компоненты. Работа лизосом может нарушиться при блокировке доставки к ним ферментов или мембранных компонентов; один только запрет движения пузырьков к плазматической мембране не позволяет утверждать, что все пути к лизосомам заблокированы.

Типичные ошибки

Ошибка: отождествлять цитоплазму только с гиалоплазмой. Так происходит, если воспринимать слово «цитоплазма» как название жидкости и не учитывать клеточные структуры. Проверьте себя: в перечислении состава цитоплазмы должны быть также органоиды, включения и элементы цитоскелета.

Ошибка: считать шероховатую и гладкую ЭПС разными органоидами. Такое впечатление возникает из-за разных функций и внешнего вида, однако это части одной мембранной системы. Проверьте, в чём отличие: на одной части есть рибосомы, на другой их нет.

Ошибка: приписывать аппарату Гольджи самостоятельный синтез всех белков. Его часто путают с рибосомами, потому что оба участвуют в работе с белками. Проверьте последовательность: белки синтезируют рибосомы, а аппарат Гольджи главным образом изменяет, сортирует и упаковывает поступившие вещества.

Ошибка: называть лизосомы местом синтеза веществ или забывать об их мембране. Путаница возникает из-за того, что внутри лизосом много ферментов. Проверьте функцию органоида: ферменты расщепляют вещества в изолированной полости, а продукты расщепления клетка может использовать повторно.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении плазматической мембраны, роли белков и липидов и работе рибосом: без них трудно проследить синтез и перемещение веществ. Связь ЭПС и аппарата Гольджи помогает объяснить секрецию белков, внутриклеточный транспорт и обновление мембран, а также понять специализацию клеток. Вакуоли пригодятся при изучении растительной клетки и осмоса, а пероксисомы — при разборе обмена веществ и клеточного дыхания.

Что запомнить

• Цитоплазма включает гиалоплазму, органоиды, включения и элементы цитоскелета.
• ЭПС и аппарат Гольджи образуют связанную систему синтеза, обработки и транспорта веществ.
• Шероховатая ЭПС участвует преимущественно в синтезе белков.
• Гладкая ЭПС участвует в синтезе липидов, обезвреживании веществ и обмене кальция.
• Аппарат Гольджи изменяет, сортирует и упаковывает вещества в пузырьки.
• Лизосомы расщепляют вещества и участвуют в переработке изношенных клеточных структур.
• Вакуоли запасают вещества и поддерживают тургор растительной клетки.