5.2. Эукариотическая клетка

Определения и обозначения

Эукариотическая клетка — клетка, в которой наследственный материал заключён в оформленное ядро, отделённое от цитоплазмы ядерной оболочкой. К таким клеткам относятся клетки животных, растений и грибов. Наличие ядра помогает упорядочить хранение и использование наследственной информации.

Ядро — органоид, содержащий основную часть ДНК клетки и участвующий в хранении и реализации наследственной информации. ДНК несёт инструкции, по которым клетка строит белки и регулирует свою работу. Поэтому ядро связывает наследственные сведения с процессами, происходящими в клетке.

Органоиды — постоянные структуры клетки, выполняющие определённые функции. Мембранные органоиды окружены одной или несколькими мембранами, а немембранные собственной мембраны не имеют. Такое разделение позволяет клетке распределять задачи между разными структурами.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки между плазматической мембраной и ядром, включающее гиалоплазму, органоиды и включения. Гиалоплазма — водная среда, в которой находятся клеточные структуры и протекают реакции. Включения представляют собой временные запасы или продукты обмена, а не постоянные органоиды.

Как это устроено

Плазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды, но не изолирует её полностью: через неё проходят необходимые вещества и удаляются продукты обмена. Её избирательная проницаемость помогает поддерживать подходящий состав внутренней среды. На поверхности мембраны есть молекулы-рецепторы, которые распознают сигналы и позволяют клетке отвечать на изменения вокруг неё.

Ядерная оболочка состоит из мембран и имеет поры, через которые некоторые молекулы перемещаются между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра ДНК соединена с белками и образует хроматин. Такая упаковка позволяет разместить длинные молекулы ДНК, а перед делением хроматин уплотняется в хорошо различимые хромосомы, чтобы наследственный материал распределился между дочерними клетками.

Мембранные органоиды создают внутри клетки отдельные пространства — компартменты, где могут одновременно идти разные процессы. Эндоплазматическая сеть, или ЭПС, представляет собой систему мембранных каналов и полостей: на её шероховатых участках находятся рибосомы, синтезирующие белки, а гладкие участки участвуют в образовании липидов. ЭПС также помогает перемещать вещества, а аппарат Гольджи принимает их, изменяет, сортирует и упаковывает в пузырьки для доставки по клетке или наружу.

Митохондрии расщепляют органические вещества при клеточном дыхании и используют высвобождаемую энергию для синтеза АТФ — молекулы, служащей переносчиком энергии в клетке. Поэтому клеткам с высокими энергетическими затратами обычно нужно много митохондрий. Пластиды есть у растений и некоторых других эукариот: хлоропласты обеспечивают фотосинтез, а другие виды пластид могут запасать вещества или содержать пигменты.

Рибосомы собирают белки из аминокислот по информации, поступающей от ДНК через молекулы-посредники. Цитоскелет — сеть белковых нитей и трубочек — поддерживает форму клетки и помогает перемещать органоиды и другие структуры. Некоторые его элементы участвуют также в движении клетки, поэтому цитоскелет одновременно служит опорой и системой внутриклеточного перемещения.

Основные структуры эукариотической клетки и их функции

Сначала определите, есть ли у структуры мембрана и где она встречается, а затем сопоставьте её строение с функцией. Таблица показывает основные роли, но в реальной клетке работа органоидов связана. Некоторые структуры встречаются не у всех эукариот, поэтому при сравнении клеток учитывайте их тип.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите, какие признаки позволяют отнести клетку с ядром и митохондриями к эукариотам. Нужно не просто перечислить видимые структуры, а объяснить, почему они подходят для распознавания типа клетки.

1. Проверяем наличие оформленного ядра. Оно отделено оболочкой от цитоплазмы и содержит основную часть ДНК, поэтому это главный признак эукариот.
2. Учитываем митохондрии. Это мембранные органоиды, в которых происходит клеточное дыхание; их наличие также характерно для эукариотической организации клетки.
3. Сопоставляем оба признака: ядро указывает на эукариотический тип, а митохондрии подтверждают наличие сложной системы мембранных органоидов.

Ответ: клетка относится к эукариотам, потому что у неё есть оформленное ядро и митохондрии — мембранный органоид, характерный для эукариот. Одного только факта наличия ДНК было бы недостаточно: она есть и у прокариот.

Задача 2

Условие: в клетке активно синтезируются и выводятся белки. Назовите участвующие структуры и расположите их работу в правильной последовательности. Проследим путь белка от сборки до выхода из клетки.

1. Сначала рибосома соединяет аминокислоты в белковую цепь. Если белок предназначен для вывода из клетки, его синтез обычно связан с рибосомами на шероховатой ЭПС.
2. Далее белок поступает в полости ЭПС и перемещается к аппарату Гольджи. Там он может измениться, после чего сортируется и упаковывается в транспортный пузырёк.
3. Пузырёк доставляет белок к плазматической мембране. Пузырёк сливается с ней, и содержимое оказывается снаружи клетки.

Ответ: рибосомы → эндоплазматическая сеть → аппарат Гольджи → транспортный пузырёк → плазматическая мембрана. Это последовательность показывает, что синтез, обработка и выведение белка — этапы единого процесса.

Задача 3

Условие: в клетках ткани обнаружены многочисленные митохондрии, а в клетках листа — хлоропласты. Объясните, с какими особенностями работы этих клеток связаны наблюдения. Сравним функцию каждого органоида с задачами клетки.

1. Митохондрии обеспечивают клеточное дыхание и синтез АТФ. Если клетка ткани активно выполняет работу и тратит много энергии, большое число митохондрий помогает покрывать её энергетические потребности.
2. Хлоропласты содержат хлорофилл и обеспечивают фотосинтез. В клетках листа они позволяют использовать свет для образования органических веществ.
3. Количество и набор органоидов зависят от специализации клеток. Поэтому наблюдения отражают не случайное различие, а приспособленность строения к выполняемой функции.

Ответ: многочисленные митохондрии связаны с высокой потребностью клеток ткани в энергии, а хлоропласты в клетках листа — с фотосинтезом. При этом растительная клетка тоже содержит митохондрии: клеточное дыхание необходимо ей наряду с фотосинтезом.

Типичные ошибки

Не следует считать, что у всех эукариот есть клеточная стенка и пластиды. Эти структуры характерны не для всех групп: например, у животных клеток нет пластид и клеточной стенки. Ошибку часто вызывает обобщение сведений о растительной клетке на все клетки; проверьте себя, уточнив, о каком организме идёт речь.

Ядро не является единственным местом хранения ДНК в эукариотической клетке. Собственная ДНК есть также у митохондрий и пластид, хотя основная её часть находится в ядре. Чтобы проверить ответ, различайте основное место хранения наследственной информации и органоиды, имеющие собственный генетический материал.

Эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи не выполняют одну и ту же работу. ЭПС связана с синтезом и транспортом веществ, а аппарат Гольджи — с их модификацией, сортировкой и упаковкой. Путаница возникает из-за участия обеих структур в перемещении веществ; проверяйте, на каком именно этапе пути находится молекула.

Органоиды не работают независимо друг от друга. Например, белок может синтезироваться на рибосоме, пройти через ЭПС и аппарат Гольджи и затем быть выведен через мембрану. Представьте путь вещества по этапам: если в объяснении каждый органоид действует отдельно и связи между ними нет, описание неполное.

Связь с другими темами

Для понимания строения эукариотической клетки нужны знания о плазматической мембране и основных положениях клеточной теории: все организмы состоят из клеток, а клетка является единицей их строения и жизнедеятельности. Эта тема помогает разобраться в обмене веществ и энергии, фотосинтезе, клеточном дыхании, синтезе белка и делении клетки. Сравнение эукариот с прокариотами показывает разнообразие клеточной организации и служит основой для обсуждения эволюции организмов.

Что запомнить

• Главный отличительный признак эукариот — наличие оформленного ядра.
• Цитоплазма включает гиалоплазму, органоиды и клеточные включения.
• Мембраны органоидов разделяют клетку на функциональные компартменты.
• Митохондрии участвуют в клеточном дыхании и синтезе АТФ.
• Пластиды встречаются у растений и некоторых других эукариот, но отсутствуют у животных.
• Органоиды выполняют разные функции, но работают согласованно.