§14. Полуавтономные органоиды клетки

Определения и обозначения

Полуавтономный органоид — органоид с собственным генетическим аппаратом, частичной способностью синтезировать белки и размножаться, но зависимый от ядра и цитоплазмы клетки. Это понятие помогает отличать митохондрии и пластиды от обычных органоидов и от самостоятельных клеток.

Митохондрия — двумембранный полуавтономный органоид, обеспечивающий клетку энергией при клеточном дыхании. По работе митохондрий можно понять, откуда берётся АТФ — универсальный источник энергии для клеточных процессов.

Пластид — двумембранный полуавтономный органоид клеток растений и водорослей. Пластиды бывают разными: они участвуют в фотосинтезе, накоплении веществ или окраске органов, поэтому этот термин шире, чем название «хлоропласт».

Эндосимбиотическая теория — представление о происхождении митохондрий и пластид из древних прокариотических клеток, поглощённых клеткой-хозяином. Теория связывает особенности строения современных органоидов с их предполагаемой историей происхождения.

Как это устроено

Митохондрии и пластиды называют полуавтономными, потому что они сочетают признаки самостоятельной клеточной системы и зависимость от клетки-хозяина. Их кольцевая ДНК и рибосомы позволяют синтезировать часть белков, а способность делиться обеспечивает увеличение числа органоидов. Но большинство белков поступает из цитоплазмы по инструкциям ядерных генов, поэтому органоиды не могут полностью обслуживать себя сами.

Наружная мембрана митохондрии отделяет её от цитоплазмы и регулирует обмен веществ с клеткой. Внутренняя мембрана образует складки — кристы, благодаря которым увеличивается площадь для реакций клеточного дыхания. В матриксе находятся ферменты дыхания, собственная ДНК и рибосомы, поэтому разные этапы работы митохондрии распределены между её внутренними частями.

У хлоропласта наружная и внутренняя мембраны окружают строму — внутреннее содержимое органоида с ДНК и рибосомами. Внутри стромы располагается система тилакоидов, содержащих фотосинтетические пигменты; стопки тилакоидов называют гранами. Такое устройство увеличивает поверхность мембран, на которых идут светозависимые реакции фотосинтеза.

Две мембраны, кольцевая ДНК, рибосомы прокариотического типа и деление надвое напоминают признаки бактерий. Совпадение сразу нескольких признаков трудно объяснить случайностью, поэтому оно поддерживает эндосимбиотическую теорию. Согласно ей, древняя клетка поглотила прокариота, не переварила его, а получила полезного постоянного партнёра.

Автономность органоидов ограничена из-за длительного совместного развития с клеткой-хозяином. Значительная часть генов древних симбионтов переместилась в ядро, а их белковые продукты теперь синтезируются в цитоплазме и доставляются обратно в органоиды. Поэтому митохондрии и пластиды сохраняют собственный геном, но их нормальная работа зависит от всей клетки.

Сравнение полуавтономных органоидов

Таблица помогает сначала найти общие признаки митохондрий и пластид, а затем отделить их функции и особенности строения. При ответе на вопрос сравнивайте органоиды по одной строке, не смешивая строение с происхождением.

Разбор задач

Задача 1

Условие. В клетке обнаружены органоид с двумя мембранами, кольцевой ДНК, собственными рибосомами и складками внутренней мембраны. Определите органоид и его основную функцию.

1. Складки внутренней мембраны называют кристами, а они характерны именно для митохондрий.
2. Кольцевая ДНК и собственные рибосомы показывают, что органоид полуавтономный.
3. Митохондрия использует энергию питательных веществ в клеточном дыхании и запасает её в молекулах АТФ.

Ответ. Это митохондрия. Её основная функция — клеточное дыхание и образование АТФ.

Задача 2

Условие. Сравните митохондрии и хлоропласты по строению мембран, генетическому аппарату и функции.

1. У обоих органоидов есть наружная и внутренняя мембраны, а внутренняя мембранная система увеличивает площадь для реакций.
2. Оба содержат собственную кольцевую ДНК и рибосомы, но значительная часть их белков кодируется ядерными генами.
3. Митохондрии проводят клеточное дыхание и образуют АТФ, а хлоропласты используют свет для фотосинтеза.

Ответ. По строению и полуавтономности органоиды сходны, но их специализированные функции различаются: митохондрии получают энергию из органических веществ, а хлоропласты преобразуют энергию света.

Задача 3

Условие. Учёные обнаружили у митохондрий и пластид собственную ДНК, рибосомы прокариотического типа и деление надвое. Объясните значение этих фактов.

1. Кольцевая ДНК и прокариотические рибосомы сходны с генетическим аппаратом бактерий.
2. Деление надвое также характерно для прокариот, поэтому совокупность признаков поддерживает идею древнего симбиоза.
3. Однако органоиды не полностью автономны: основная часть необходимых белков производится по генам ядра и поступает из цитоплазмы.

Ответ. Наблюдения подтверждают эндосимбиотическую теорию происхождения, но одновременно показывают ограниченную, а не полную независимость митохондрий и пластид.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать митохондрии и пластиды полностью самостоятельными клетками. Так думают из-за их ДНК и способности делиться, но органоиды не существуют независимо от клетки-хозяина; проверка проста: вспомните, что большая часть их белков поступает из цитоплазмы.

Ошибка 2. Утверждать, что все белки органоидов кодируются собственной ДНК. Собственный геном содержит только часть необходимых генов, поэтому в ответе нужно учитывать ядерное управление и перенос белков из цитоплазмы.

Ошибка 3. Путать пластиды с хлоропластами. Хлоропласт — только один вид пластида, тогда как хромопласты отвечают за окраску, а лейкопласты могут запасать вещества; проверяйте, говорится ли именно о фотосинтезе.

Ошибка 4. Считать, что любые двумембранные органоиды произошли одинаково. Две мембраны сами по себе не доказывают эндосимбиоз, поэтому вывод делают по совокупности признаков: ДНК, рибосомы, тип деления и особенности строения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении эукариотической клетки, ядре, мембранах, рибосомах и клеточном дыхании. Эти понятия объясняют, почему органоид может частично синтезировать белки, но всё же зависеть от ядра.

Далее тема пригодится при изучении энергетического обмена, фотосинтеза, происхождения эукариот и эволюции клетки. Сравнение митохондрий и пластид показывает, как строение связано с выполняемой функцией.

Связь с генетикой проявляется в распределении генов между ядерным геномом и геномами органоидов. Такое распределение объясняет полуавтономность и зависимость органоидов от клетки.

Что запомнить

• Митохондрии и пластиды — полуавтономные, а не полностью автономные органоиды.
• Оба типа органоидов имеют две мембраны, собственную ДНК и рибосомы.
• Митохондрии обеспечивают клеточное дыхание и образование АТФ.
• Пластиды характерны для растений и водорослей и выполняют разные функции.
• Хлоропласт — фотосинтезирующий тип пластида.
• Митохондрии и пластиды размножаются делением надвое.
• Их особенности подтверждают эндосимбиотическую теорию происхождения.