Строение и функции клетки — элементарной живой системы

Определения и обозначения

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого. Она называется структурной, потому что из клеток построены организмы, и функциональной, потому что в ней происходят процессы, необходимые для жизни. Даже одноклеточный организм способен выполнять их в пределах одной клетки.

Органоид — постоянная специализированная структура клетки, выполняющая определённые функции. Например, одни органоиды участвуют в получении энергии, другие — в синтезе или перемещении веществ. Такое разделение помогает клетке выполнять множество процессов одновременно и согласованно.

Прокариотическая клетка — клетка без оформленного ядра и мембранных органоидов. Её наследственный материал не исчезает, а находится в цитоплазме и не отделён от неё ядерной оболочкой. К прокариотам относятся бактерии.

Эукариотическая клетка — клетка, в которой есть оформленное ядро и мембранные органоиды. Ядро отделяет основную часть наследственного материала от цитоплазмы, а органоиды создают отдельные участки для разных процессов. Эукариотами являются животные, растения, грибы и многие одноклеточные организмы.

Как это устроено

Плазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды, но не превращает её в полностью закрытый мешок. Через мембрану вещества проходят избирательно: одни клетке нужны для питания и реакций, другие должны покинуть её как продукты обмена. Такой контроль помогает сохранять подходящие условия внутри клетки, даже если среда вокруг меняется.

Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки, в котором находятся органоиды и протекает много химических реакций. В ней вещества могут перемещаться между участками клетки, поэтому работа отдельных структур не оказывается изолированной. У эукариот основная часть наследственного материала находится в ядре: его отделённость помогает организовать хранение и использование клеточной информации.

Органоиды различаются строением, потому что специализируются на разных задачах. Митохондрии участвуют в клеточном дыхании и обеспечивают клетку энергией, необходимой для многих процессов. Рибосомы собирают белки из более мелких компонентов; поскольку белки нужны клетке для строения и работы, синтез белка важен для её жизнедеятельности.

Растительные, животные и грибные клетки имеют общие основные компоненты, но некоторые структуры у них различаются. У растений обычно есть клеточная стенка, а у грибов стенка тоже присутствует, но отличается составом; у животных клеток стенки нет. Пластиды характерны для растений, однако их набор зависит от типа клетки: например, зелёные пластиды нужны для фотосинтеза не во всех тканях. Вакуоли могут различаться размером и ролью, поэтому нельзя считать, что у каждой клетки растений они устроены одинаково.

Клетка работает как единое целое, потому что её структуры обмениваются веществами и зависят друг от друга. Мембрана регулирует поступление нужных компонентов, цитоплазма служит средой реакций, а органоиды выполняют специализированную работу. Ядро эукариот хранит наследственную информацию, по которой клетка производит необходимые вещества. Если один участок работы нарушается, это может повлиять и на другие процессы.

Строение клетки и функции её компонентов

Сначала найдите в таблице нужную структуру, затем сопоставьте её строение с функцией: особенности устройства часто объясняют, почему она выполняет именно эту работу. Последний столбец помогает сравнить типы клеток, но не означает, что каждая клетка внутри одной группы имеет совершенно одинаковый набор органоидов.

Разбор задач

Задача 1

Условие. В клетке обнаружены мембрана, цитоплазма и ядро. Назовите два признака, по которым её можно отнести к эукариотической. Чтобы решить задачу, важно отделить общие признаки клеток от тех, которые характерны именно для эукариот. Мембрана и цитоплазма встречаются также у прокариот.

1. Сравним указанные структуры с определением эукариотической клетки.
2. Установим, что наличие оформленного ядра — прямой признак эукариот.
3. Уточним, что у эукариот также есть мембранные органоиды; одна лишь плазматическая мембрана таким органоидом не является.

Ответ. Клетка эукариотическая, потому что в ней есть оформленное ядро и, согласно признаку этой группы, мембранные органоиды. Плазматическая мембрана сама по себе не позволяет отличить эукариот от прокариот.

Задача 2

Условие. Сравните растительную и животную клетки: укажите два общих компонента и две структуры, отличающиеся наличием или особенностями. Сравнение требует не смешивать признаки, общие для большинства клеток, с теми, по которым различаются их группы. При этом не следует объявлять любой органоид исключительным признаком одного типа клеток.

1. Выберем общие компоненты: и растительная, и животная клетки имеют плазматическую мембрану и цитоплазму.
2. Назовём отличия: у растительной клетки есть клеточная стенка, а у животной её нет.
3. Добавим ещё один контраст: у растений встречаются пластиды, а у животных пластид нет; учитываем, что конкретный набор пластид зависит от типа растительной клетки.

Ответ. Общие компоненты — плазматическая мембрана и цитоплазма. Отличия — наличие клеточной стенки и пластид у растительных клеток при отсутствии этих структур у животных.

Задача 3

Условие. В клетках ткани снизилась активность митохондрий. Объясните, какие клеточные процессы могут пострадать и почему. Нужно связать функцию митохондрий с потребностями всей клетки, а не рассматривать органоид отдельно. Энергия необходима не для одной конкретной структуры, а для множества клеточных процессов.

1. Вспомним, что митохондрии участвуют в клеточном дыхании и обеспечении клетки энергией.
2. Проследим последствие: при снижении их активности клетке может стать доступно меньше энергии.
3. Свяжем нехватку энергии с работой других структур: могут замедлиться синтез веществ, их перемещение и другие процессы, требующие затрат энергии.

Ответ. Могут пострадать энергозависимые процессы, например синтез и перемещение веществ. Причина в том, что при снижении активности митохондрий клетка получает меньше энергии для согласованной работы своих структур.

Типичные ошибки

Клеточную стенку иногда принимают за плазматическую мембрану, потому что обе структуры находятся на границе клетки. Но стенка располагается снаружи мембраны и не заменяет её избирательное пропускание веществ. Проверка простая: спросите себя, какая структура регулирует обмен с внешней средой; это мембрана.

Другая ошибка — утверждать, что у прокариот нет наследственного материала. Её допускают, путая отсутствие ядра с отсутствием генетической информации. У прокариот материал есть, но он не заключён в оформленное ядро. Если в ответе сказано, что прокариоты совсем не наследуют признаки, он неверен.

Нельзя считать, что все растительные клетки содержат одинаковые пластиды. Такое представление возникает, если переносить свойства зелёных клеток на все ткани растения. Состав органоидов связан с функцией клетки: некоторые клетки фотосинтезируют, а другие выполняют иные задачи. Проверяйте вывод вопросом: обязательно ли этой клетке нужен фотосинтез?

Органоиды не работают как независимые части, каждая из которых не связана с остальными. Так можно ошибочно представить их из-за того, что функции органоидов описывают по отдельности. На деле веществам нужно перемещаться, а для многих процессов требуется энергия, поэтому нарушения одной функции отражаются на других. Проверить себя можно, проследив, какие структуры обеспечивают процесс веществами и энергией.

Связь с другими темами

Для изучения клетки полезно знать основные признаки живых организмов и иметь представление о химических веществах клетки: из них состоят структуры и с их участием идут реакции. Устройство органоидов помогает объяснить обмен веществ, фотосинтез и клеточное дыхание. Работа ядра и наследственного материала связана с делением клетки и наследственностью. Эти темы раскрывают, как клеточная организация влияет на свойства целого организма.

Что запомнить

• Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого.
• Мембрана отделяет клетку от среды и регулирует обмен веществ.
• Цитоплазма объединяет клеточные структуры и служит средой для реакций.
• У эукариот есть оформленное ядро, у прокариот его нет.
• Органоиды специализированы, но работают согласованно.
• Растительные, животные и грибные клетки имеют общие черты и различия.