§ 17. Митохондрии. Пластиды

Определения и обозначения

Митохондрия — двумембранный органоид, в котором происходит клеточное дыхание и образуется значительная часть АТФ. АТФ — молекула, используемая клеткой как источник энергии. Поэтому митохондрия помогает обеспечивать энергией процессы, необходимые для жизни клетки.

Пластиды — двумембранные органоиды растительных клеток и водорослей, участвующие в фотосинтезе, накоплении веществ и окраске клеток. Они различаются по строению и содержимому, поэтому разные пластиды выполняют разные задачи. По их типу можно понять, какие процессы преобладают в клетке или части растения.

Криста — складка внутренней мембраны митохондрии, увеличивающая площадь для размещения компонентов клеточного дыхания. Такие складки позволяют разместить больше участников реакций на мембране. Поэтому строение митохондрии связано с её ролью в энергетическом обмене.

Тилакоид — уплощённый мембранный мешочек пластиды, в мембране которого находятся пигменты и компоненты фотосинтеза. В хлоропластах тилакоиды образуют стопки, а пигменты, включая хлорофилл, улавливают свет. Мембрана тилакоида служит местом важных этапов фотосинтеза.

Как это устроено

Митохондрия окружена наружной и внутренней мембранами, между которыми находится межмембранное пространство; внутреннее содержимое называют матриксом. Такое разделение создаёт разные условия внутри органоида и помогает упорядочить реакции. Внутренняя мембрана образует кристы, потому что для работы клеточного дыхания нужна большая площадь с расположенными на ней компонентами. Чем больше таких складок, тем больше пространства для протекания связанных с мембраной реакций.

В матриксе находятся ферменты — белки, ускоряющие химические реакции, а также кольцевая ДНК и рибосомы. ДНК хранит часть наследственной информации органоида, а рибосомы участвуют в сборке белков. Поэтому митохондрия способна синтезировать некоторые собственные белки, хотя большинство её белков создаётся под контролем клеточного ядра. Наличие собственной ДНК и рибосом также связано с тем, что митохондрии могут увеличиваться и размножаться делением.

Пластиды, как и митохондрии, имеют две мембраны, но их внутреннее строение зависит от типа органоида. Это связано с различием задач: одним пластидам необходимо улавливать свет, другим — накапливать вещества или пигменты. Например, у хлоропласта развита система тилакоидов, тогда как у других пластид набор внутренних структур и содержимое иные. Поэтому по одному лишь наличию двух оболочек нельзя определить функцию пластиды.

В мембранах тилакоидов хлоропласта находится хлорофилл — зелёный пигмент, поглощающий свет. Тилакоиды собраны в стопки, которые называются гранами, и их мембраны содержат компоненты фотосинтеза. Светозависимые реакции связаны именно с тилакоидными мембранами, поскольку там расположены пигменты и необходимые белки. Внутренняя среда хлоропласта участвует в других этапах фотосинтеза и обеспечивает условия для превращения веществ.

Хромопласты содержат каротиноиды — пигменты, придающие органам растения жёлтую, оранжевую или красную окраску. Лейкопласты обычно не имеют заметных пигментов, поэтому выглядят бесцветными, и могут запасать крахмал и другие вещества. Разные типы пластид не всегда остаются неизменными: при развитии растения они могут превращаться друг в друга. Такая смена позволяет клеткам менять функции в соответствии с этапом развития органа.

Сравнение митохондрий и пластид

Сначала сравните число мембран и наличие собственной ДНК: эти признаки общие для митохондрий и пластид. Затем сопоставьте внутреннее строение с пигментами и функцией, чтобы различить типы органоидов. Таблица помогает быстро проверить, не перепутаны ли процессы клеточного дыхания и фотосинтеза.

Разбор задач

Задача 1. На схеме органоида показаны две мембраны, матрикс и складки внутренней мембраны. Определите органоид и назовите складки. Для решения важно сопоставить не один признак, а весь набор деталей. Матрикс вместе со складками внутренней мембраны характерен для митохондрии.

1. Две мембраны сами по себе не дают однозначного ответа: они есть и у митохондрий, и у пластид.
2. Матрикс и складки именно внутренней мембраны указывают на строение митохондрии.
3. Складки называются кристами; они увеличивают площадь внутренней мембраны для компонентов клеточного дыхания.

Ответ: это митохондрия, складки её внутренней мембраны — кристы. Проверка рассуждения проста: у хлоропласта мембранные мешочки называются тилакоидами. Следовательно, термин «кристы» подходит к митохондрии, а не к пластиде.

Задача 2. В клетках клубня картофеля обнаружены бесцветные пластиды с запасом крахмала. Определите их тип и объясните выбор. В условии даны два признака: пластиды не окрашены и содержат запасное вещество. Оба признака нужно связать с функциями разных типов пластид.

1. Сначала отметьте, что это пластиды: значит, речь идёт об органоидах растительной клетки.
2. Бесцветность не соответствует хлоропластам с хлорофиллом и не указывает на окрашивающие каротиноидами хромопласты.
3. Запас крахмала вместе с отсутствием заметной окраски характерен для лейкопластов.

Ответ: это лейкопласты. Их функция — накапливать запасные вещества, в том числе крахмал. Вывод основан не только на том, что пластиды бесцветны, но и на указанной в условии роли запаса.

Задача 3. В клетке растения одновременно обнаружены хлоропласты и митохондрии. Объясните, какие процессы идут в каждом органоиде и почему их функции не следует считать одинаковыми. Сам факт совместного присутствия не означает, что один органоид заменяет другой. Нужно назвать процессы, характерные для каждого, и сравнить их вклад в обмен веществ и энергии.

1. Хлоропласты содержат хлорофилл и связаны с фотосинтезом: при использовании энергии света образуются органические вещества.
2. В митохондриях идёт клеточное дыхание, при котором органические вещества расщепляются и образуется значительная часть АТФ.
3. Эти процессы связаны с разными органоидами и имеют разные роли: фотосинтез создаёт органические вещества, а дыхание обеспечивает клетку доступной энергией.

Ответ: в хлоропластах идёт фотосинтез, в митохондриях — клеточное дыхание. Их функции нельзя считать одинаковыми, поскольку отличаются и место протекания процессов, и их значение для клетки. Наличие обоих органоидов позволяет растительной клетке одновременно осуществлять эти разные процессы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что митохондрии есть только в растительных клетках. Её допускают, потому что митохондрии часто обсуждают вместе с фотосинтезом растений, хотя они есть также у животных и других эукариот. Проверьте себя: если речь идёт о клеточном дыхании, помните, что оно необходимо клеткам обоих царств.

Ошибка: называть все пластиды хлоропластами. Это происходит, когда название одного знакомого типа переносят на всю группу, хотя пластиды отличаются пигментами и функциями. Для проверки спросите себя, есть ли хлорофилл и идёт ли фотосинтез; запас крахмала или окраска плода указывают на другие типы.

Ошибка: путать кристы и тилакоиды. Оба термина обозначают мембранные структуры, но кристы — складки внутренней мембраны митохондрии, а тилакоиды входят в состав пластид. Проверьте название органоида: кристы связаны с клеточным дыханием, тилакоиды — с фотосинтезом.

Ошибка: утверждать, что фотосинтез происходит в митохондриях или клеточное дыхание — функция хлоропластов. Их путают из-за общей связи с превращением энергии, но эти процессы протекают в разных органоидах. Чтобы проверить ответ, соотнесите фотосинтез с хлоропластом, а клеточное дыхание — с митохондрией.

Связь с другими темами

Для понимания строения этих органоидов нужно знать, как устроена эукариотическая клетка, что делают мембраны и чем органоиды отличаются друг от друга. Эти знания помогают понять, почему внутренние мембраны образуют складки или мешочки и где размещаются компоненты реакций. Сравнивайте не только форму органоидов, но и их функции.

Тема непосредственно связана с клеточным дыханием, фотосинтезом и обменом веществ и энергии. Фотосинтез в хлоропластах и дыхание в митохондриях по-разному участвуют в преобразовании энергии и веществ. Поэтому изучать эти процессы полезно вместе, не смешивая их места протекания.

Знание строения митохондрий и пластид пригодится при изучении происхождения эукариотических клеток и эволюции растений. Собственные ДНК и рибосомы этих органоидов — важные особенности для обсуждения их происхождения. Разнообразие пластид также помогает понять, как клетки растений приспосабливаются к разным функциям.

Что запомнить

• Митохондрия — двумембранный органоид клеточного дыхания.
• Кристы — складки внутренней мембраны митохондрии.
• Пластиды характерны для клеток растений и водорослей.
• Хлоропласты содержат хлорофилл и участвуют в фотосинтезе.
• Хромопласты содержат пигменты, придающие окраску.
• Лейкопласты обычно бесцветны и накапливают запасные вещества.
• Митохондрии и пластиды имеют собственные ДНК и рибосомы.