§ 25. Митохондрии. Пластиды. Включения

Определения и обозначения

Митохондрия — двумембранный органоид, в котором происходят клеточное дыхание и синтез основной части АТФ — универсального переносчика энергии в клетке. При дыхании энергия органических веществ постепенно высвобождается и используется для образования АТФ. Поэтому митохондрии особенно важны для клеток, которым требуется много энергии.

Криста — складка внутренней мембраны митохондрии. Складки увеличивают площадь поверхности, на которой могут размещаться белки дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Это помогает органоиду эффективнее участвовать в энергетическом обмене.

Пластида — двумембранный органоид растительных клеток и некоторых водорослей. Основные типы пластид — хлоропласты, хромопласты и лейкопласты: они соответственно связаны с фотосинтезом, накоплением пигментов и запасанием веществ. Определив тип пластиды, можно предположить, какую задачу выполняет клетка.

Клеточные включения — непостоянные образования, которые служат запасом веществ или возникают как продукты обмена. К ним относятся, например, крахмальные зёрна и капли жира. В отличие от органоидов, включения могут появляться и исчезать и обычно не имеют постоянного сложного строения.

Как это устроено

Митохондрии и пластиды окружены двумя мембранами, которые отделяют их внутреннее содержимое от цитоплазмы. Такое разделение позволяет поддерживать внутри органоида условия, отличающиеся от условий в остальной клетке. Наружная мембрана ограничивает органоид, а внутренняя и его содержимое приспособлены к конкретным процессам. Поэтому общая особенность строения не означает одинаковых функций.

Внутренняя мембрана митохондрии образует складки — кристы. На мембране размещаются белки дыхательной цепи и АТФ-синтаза, участвующие в преобразовании энергии. Складки увеличивают доступную для этих белков площадь, поэтому клетка с высокой потребностью в энергии может иметь много митохондрий и развитые кристы. В матриксе — внутреннем содержимом митохондрии — находятся ферменты цикла Кребса.

У митохондрий есть собственная кольцевая ДНК и рибосомы, поэтому они могут делиться и синтезировать часть своих белков. Эти особенности помогают органоидам поддерживать работу и увеличивать их количество при делении клетки. Однако собственная ДНК кодирует не все нужные белки: значительная часть информации находится в ядре, а произведённые по ней белки поступают в митохондрии. Значит, митохондрия частично самостоятельна, но зависит от клетки.

Пластиды различаются содержимым и задачами. Хлоропласты содержат хлорофилл и связаны с фотосинтезом, хромопласты накапливают пигменты, а лейкопласты обычно запасают питательные вещества. Такое разделение позволяет клеткам листа, цветка или запасающего органа выполнять разные функции. Все эти типы относятся к пластидам, но фотосинтез характерен именно для хлоропластов.

В хлоропласте световые реакции фотосинтеза происходят на мембранах тилакоидов, содержащих фотосинтетические пигменты. Тилакоиды собраны в стопки — граны; отдельные граны соединены мембранными участками, называемыми ламеллами. Такая система увеличивает площадь мембран, на которых идут световые реакции. В строме, внутренней среде хлоропласта, происходит фиксация углекислого газа и образование органических веществ.

Пластиды развиваются из небольших зачатков — пропластид. Их дальнейшее развитие зависит от типа клетки и условий, в которых формируется орган. Поэтому пластиды могут приобретать разные особенности и при определённых условиях превращаться из одного типа в другой. Например, при созревании плода хлоропласты могут сменяться хромопластами, и зелёная окраска уступает место другой.

Включения возникают, когда клетка накапливает вещества или формирует продукты обмена. К ним относятся крахмальные зёрна, капли жира, гранулы гликогена и кристаллы. Их количество и наличие могут меняться в зависимости от состояния клетки: запас расходуется или накапливается вновь. Включения не являются постоянными органоидами и обычно не обладают их характерной мембранной организацией.

Сравнение митохондрий, пластид и клеточных включений

Сначала сравните число мембран и постоянство строения: так проще отделить органоиды от включений. Затем сопоставьте функцию с типичными веществами и тканями. Обратите внимание, что собственная ДНК характерна для митохондрий и пластид, но не для включений.

Разбор задач

Задача 1

В клетке много митохондрий, а их внутренние мембраны образуют многочисленные складки. Нужно объяснить, почему клетке требуется интенсивное обеспечение энергией и как складки связаны с этой потребностью. Важно установить связь между устройством митохондрий и количеством АТФ, которое может производиться. Рассуждение можно провести от потребности клетки к работе мембран.

1. Большое число митохондрий указывает на значительную потребность клетки в энергии: ей необходимо активно расходовать АТФ.
2. Митохондрии участвуют в клеточном дыхании, при котором энергия органических веществ используется для синтеза АТФ.
3. На внутренней мембране расположены белки дыхательной цепи и АТФ-синтаза, а складки увеличивают площадь для их размещения.

Ответ: клетка нуждается в большом количестве АТФ, поэтому в ней много митохондрий. Развитые складки внутренней мембраны обеспечивают большую площадь для белков, участвующих в энергетическом обмене. Это соответствует высокой потребности клетки в энергии.

Задача 2

Сопоставьте клетки зелёного листа и запасающего корня по ожидаемым типам пластид и их функциям. Нужно учитывать, какая задача важнее для каждой ткани, а не предполагать, что во всех клетках растения пластиды одинаковы. Сначала определите функцию органа, затем подберите подходящий тип пластид. Учитывайте, что в запасающем корне могут встречаться и другие пластиды.

1. Зелёный лист получает свет и осуществляет фотосинтез, поэтому в его зелёных клетках ожидаются хлоропласты.
2. Запасающий корень накапливает питательные вещества, поэтому в его клетках вероятны лейкопласты, в том числе запасающее формы, накапливающие крахмал.
3. Если корень или другая ткань имеет заметную окраску, в ней могут присутствовать хромопласты с пигментами.

Ответ: в зелёном листе основную роль играют хлоропласты, обеспечивающие фотосинтез. В запасающем корне ожидаются лейкопласты, связанные с запасанием питательных веществ. Хромопласты возможны в окрашенных тканях, но их функция не состоит в фотосинтезе.

Задача 3

В клетке растения обнаружены крахмальные зёрна, хлоропласты и митохондрии. Распределите структуры на органоиды и включения и объясните, какие из них могут изменять количество в зависимости от обмена веществ. Чтобы не смешать понятия, проверьте, является ли структура постоянной частью клетки с определённой организацией. Затем свяжите её с выполняемой функцией.

1. Хлоропласт и митохондрия — органоиды: у них есть мембранное строение и специализированные процессы.
2. Крахмальные зёрна — клеточные включения, представляющие собой запас вещества, а не отдельные органоиды.
3. Количество крахмальных зёрен может увеличиваться при накоплении крахмала и уменьшаться при его расходовании; число органоидов также может меняться, но они остаются структурно организованными органоидами.

Ответ: к органоидам относятся хлоропласты и митохондрии, к включениям — крахмальные зёрна. Включения особенно наглядно меняют количество вслед за запасанием или расходованием вещества. Изменение числа органоидов не превращает их во включения, поскольку различие определяется строением и ролью, а не только количеством.

Типичные ошибки

Ошибка — считать митохондрии и пластиды полностью автономными из-за собственной ДНК. Так думают потому, что наличие генетического материала напоминает устройство самостоятельной клетки. Но органоиды кодируют только часть нужных белков и зависят от генов ядра. Проверьте себя вопросом: могут ли они синтезировать все необходимые им белки без участия клетки? Нет.

Кристы иногда называют отдельными органоидами или складками наружной мембраны. Путаница возникает потому, что кристы заметны как самостоятельные структуры на схемах. На деле это складки внутренней мембраны митохондрии. Чтобы проверить ответ, найдите, какую именно мембрану они образуют: внутреннюю, а не наружную.

Неверно приписывать фотосинтез всем пластидам. Такая ошибка появляется из-за того, что хлоропласты, хромопласты и лейкопласты объединены общим названием. Фотосинтез связан с хлоропластами, содержащими хлорофилл и фотосинтетические мембраны. Самопроверка проста: спросите, есть ли у названной пластиды необходимые для улавливания света пигменты.

Клеточные включения не следует приравнивать к органоидам. Их принимают за органоиды, когда видят внутри клетки отчётливые зёрна или капли. Однако включения непостоянны и обычно не имеют характерной мембранной организации. Проверьте себя: это специализированная структура с устойчивой функцией или запас либо продукт обмена, способный появляться и исчезать?

Связь с другими темами

Чтобы понять устройство митохондрий и пластид, нужно знать строение эукариотической клетки, назначение мембран и различия между органоидами. Эти знания позволяют объяснить, почему внутренние мембраны создают отдельные условия для работы белков и ферментов. Роль митохондрий пригодится при изучении клеточного дыхания, энергетического обмена и синтеза АТФ. Пластиды и включения связаны с темами фотосинтеза, растительной клетки и запасания веществ.

Что запомнить

• Митохондрии участвуют в клеточном дыхании и образовании АТФ.
• Кристы — складки внутренней мембраны митохондрии.
• Митохондрии и пластиды имеют две мембраны, собственные ДНК и рибосомы, но зависят от генов ядра.
• Хлоропласты обеспечивают фотосинтез; хромопласты содержат пигменты, а лейкопласты обычно запасают вещества.
• У пластид световые реакции фотосинтеза идут на мембранах тилакоидов, а фиксация углекислого газа — в строме.
• Клеточные включения — непостоянные образования, например запасы крахмала или жира.