§ 7. Эукариотическая клетка

Определения и обозначения

Эукариотическая клетка — клетка, в которой генетический материал находится внутри оформленного ядра. Такое расположение позволяет отделить ДНК от многих процессов, происходящих в цитоплазме. Поэтому ядро можно рассматривать как особую часть внутреннего устройства клетки. К эукариотам относятся, например, животные, растения и грибы.

Ядро — органоид, содержащий основную часть ДНК и управляющий жизнедеятельностью клетки. В ДНК записана наследственная информация, по которой клетка производит необходимые вещества и поддерживает свою работу. Ядро помогает согласовывать эти процессы, а его оболочка отделяет содержимое от цитоплазмы. Это не единственная важная структура клетки, но именно наличие ядра отличает эукариот от прокариот.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки между клеточной мембраной и ядром, включающее цитозоль и органоиды. Цитозоль — жидкая среда, в которой находятся структуры клетки и протекает множество химических реакций. Цитоплазма нужна для размещения органоидов и обмена веществ между ними. Она не является пустым пространством: её части постоянно взаимодействуют.

Органоиды — постоянные структуры клетки, выполняющие определённые функции. Одни участвуют в синтезе веществ, другие обеспечивают получение энергии или их перемещение. Такое распределение задач позволяет клетке одновременно выполнять разные процессы. Некоторые органоиды окружены мембраной, а рибосомы мембраны не имеют.

Как это устроено

Оформленное ядро — главный признак эукариотической клетки, потому что оно обособляет основную часть ДНК от цитоплазмы. Оболочка ядра создаёт границу между хранением наследственной информации и многими реакциями, которые идут в клетке. У прокариот, например у бактерий, ДНК не заключена в такое ядро, хотя наследственный материал у них тоже есть. Значит, различие состоит не в наличии ДНК, а в её расположении и организации.

Клеточная мембрана отделяет клетку от внешней среды, потому что образует её наружную границу. Но мембрана не просто закрывает клетку: она избирательно пропускает вещества, необходимые для питания и обмена, и помогает удалять продукты жизнедеятельности. Такой контроль важен, поскольку состав внутренней среды должен оставаться подходящим для работы клеточных структур. Поэтому обмен снаружи не происходит бесконтрольно.

Ядро хранит наследственную информацию в ДНК, но его роль не сводится к хранению. Когда клетке нужны определённые вещества, соответствующие участки генетической программы используются для производства необходимых молекул, в частности белков. Белки могут ускорять реакции, образовывать структуры и выполнять другие задачи. Так ядро влияет на работу органоидов и клетку в целом, хотя сами процессы выполняются в разных её частях.

Разделение цитоплазмы на специализированные органоиды делает процессы эффективнее, потому что каждой структуре отведена своя работа. Внутри некоторых органоидов создаются условия, подходящие для определённых реакций, а разные процессы не мешают друг другу. Одни структуры производят вещества, другие их преобразуют, хранят или перемещают. Благодаря взаимодействию органоидов клетка действует не как набор отдельных частей, а как согласованная система.

Путь многих белков показывает, как органоиды работают совместно. Рибосомы, связанные с шероховатой эндоплазматической сетью, синтезируют белок; сеть помогает его перемещать. Затем белок поступает в аппарат Гольджи, где может измениться и сортируется по назначению. Везикулы — небольшие пузырьки с мембраной — доставляют его к клеточной мембране, с которой их оболочка сливается, и вещество выходит наружу.

Органоиды эукариотической клетки и их функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите знакомую структуру, затем сопоставьте её строение с функцией. Столбец о распространении помогает не приписывать органоид клетке, которой он не свойственен. Помните, что некоторые сведения относятся к типичному строению: у отдельных организмов возможны особенности.

Разбор задач

Задача 1. По описанию определите органоид: двумембранная структура, внутри которой происходит клеточное дыхание и синтез АТФ. Нужно связать указание на две мембраны с названным процессом. Одного признака строения недостаточно, поэтому проверим и функцию.

1. Отметим, что органоид имеет две мембраны. Это помогает отличить его от рибосом и большинства структур, окружённых одной мембраной.
2. Свяжем клеточное дыхание и образование АТФ с получением энергии, доступной для клеточных процессов. Такая функция характерна для митохондрий.
3. Сопоставим оба признака: у митохондрии две мембраны, а внутри неё протекают этапы клеточного дыхания. Значит, описание указывает на один и тот же органоид.

Ответ: митохондрия.

Задача 2. Распределите структуры по группам: только растительная клетка, только животная клетка, клетки обоих типов. Сначала отделим признаки, связанные с фотосинтезом и прочной клеточной оболочкой, от общих клеточных структур. Затем проверим, какие элементы характерны для типичного животного строения.

1. К растительной клетке отнесём хлоропласты, клеточную стенку и крупную вакуоль. Хлоропласты связаны с фотосинтезом, стенка укрепляет клетку, а вакуоль занимает значительный объём.
2. К животной клетке отнесём клеточный центр, который обычно выражен у животных клеток. При этом лизосомы особенно характерны для животных, но не следует считать, что у растений вообще нет внутриклеточного расщепления.
3. В обеих группах найдём мембрану, ядро, рибосомы, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи и митохондрии. Это структуры общего плана эукариотической клетки.

Ответ: только растительная — клеточная стенка, хлоропласты и крупная вакуоль; только животная в школьном сравнении — клеточный центр; у обеих — перечисленные общие структуры. Границы групп для некоторых органоидов зависят от конкретного организма.

Задача 3. Опишите путь белка, который синтезируется для выделения из клетки: от считывания информации до выхода наружу. Здесь важно не перепутать место хранения инструкции с местом сборки белка. Последовательность можно восстановить по функциям органоидов.

1. В ядре находится ДНК, содержащая инструкцию для белка. По нужному участку создаётся копия информации, которая направляется к рибосоме.
2. Рибосома на шероховатой эндоплазматической сети считывает инструкцию и собирает белок. Сеть помогает перемещать его внутри клетки.
3. Белок поступает в аппарат Гольджи, где изменяется, сортируется и упаковывается. Затем секреторная везикула переносит его к клеточной мембране.
4. Везикула сливается с мембраной, и содержимое оказывается снаружи. Такой способ выделения вещества называется секрецией.

Ответ: ядро — рибосома на шероховатой ЭПС — аппарат Гольджи — секреторная везикула — клеточная мембрана — внешняя среда.

Типичные ошибки

Считать ядро единственным органоидом. Так ошибаются, когда сосредотачиваются на главном отличительном признаке эукариот и забывают о структурах цитоплазмы. В клетке есть рибосомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть и другие органоиды. Проверьте себя: можете ли вы назвать хотя бы три структуры вне ядра и их функции?

Путать клеточную стенку с мембраной. Стенка есть у растений, грибов и бактерий, а мембрана есть у всех клеток. Путаница возникает из-за того, что обе структуры находятся снаружи клетки, но их свойства и функции различаются. Для самопроверки спросите, какая структура регулирует избирательный обмен: это мембрана, а не стенка.

Называть хлоропласты органоидами животных клеток. Обычно это происходит, если запомнить перечень органоидов, не связывая их с типом клетки. Хлоропласты осуществляют фотосинтез и характерны для растительных клеток и водорослей. Проверьте ответ вопросом: способен ли данный организм к фотосинтезу и есть ли у его клеток хлоропласты?

Смешивать функции митохондрий и хлоропластов. Оба органоида связаны с преобразованием энергии, поэтому их назначение легко перепутать. Митохондрии участвуют в клеточном дыхании и синтезе АТФ, а хлоропласты — в фотосинтезе. Для проверки сопоставьте название процесса с органоидом: дыхание — митохондрия, фотосинтез — хлоропласт.

Связь с другими темами

Для изучения эукариотической клетки понадобятся основные положения клеточной теории, знания о химическом составе клетки и различиях между прокариотами и эукариотами. Эти представления помогают понять, почему у клетки есть границы, наследственная информация и внутренние структуры. Позже органоиды пригодятся при изучении обмена веществ, деления клетки, наследственности и специализации клеток многоклеточного организма. Знание их строения также помогает распознавать растительные и животные клетки на изображениях и микропрепаратах.

Что запомнить

• Главный признак эукариотической клетки — наличие оформленного ядра.
• Клеточная мембрана отделяет клетку от внешней среды и регулирует обмен веществ.
• Ядро хранит наследственную информацию и управляет работой клетки.
• Органоиды выполняют специализированные функции и работают как единая система.
• Митохондрии обеспечивают клеточное дыхание и синтез АТФ.
• Хлоропласты осуществляют фотосинтез и характерны для растительных клеток.
• Растительные и животные клетки имеют общий план строения, но различаются набором и особенностями органоидов.