§ 25. Биология клетки. Повторение

Определения и обозначения

Клеточная теория — учение о клетке как основной единице строения и жизнедеятельности организмов. Согласно её положениям, все живые организмы состоят из клеток, а новые клетки образуются из существующих. Сходство клеток указывает на единство живого, а их работа позволяет понять процессы в организме.

Прокариотическая клетка — клетка без оформленного ядра и мембранных органоидов. Её ДНК расположена в нуклеоиде — участке цитоплазмы, не окружённом оболочкой. Такое устройство помогает распознать прокариот, к которым относятся бактерии и археи.

Эукариотическая клетка — клетка с ядром и мембранными органоидами. Оболочка ядра отделяет ДНК от цитоплазмы, а органоиды создают внутренние отделы для разных процессов. Такое разделение помогает клетке организовать сложную работу.

Органоид — постоянная структура клетки, выполняющая определённую функцию. Например, митохондрии участвуют в получении энергии, а рибосомы собирают белки и не имеют мембраны. Знание функций органоидов позволяет связать строение клетки с её жизнедеятельностью.

Как это устроено

Клетку считают минимальной живой системой, потому что в ней одновременно присутствуют условия для самостоятельной жизнедеятельности. Мембрана отделяет её от среды, но обмен веществами и сигналами не прекращается. Наследственный материал хранит инструкции, а клеточные реакции обеспечивают рост и поддержание внутреннего равновесия. По отдельности эти свойства не образуют целостную систему, но вместе позволяют клетке жить и делиться.

Основу плазматической мембраны составляет двойной слой липидов с белками. Гидрофобная середина этого слоя затрудняет проход многих растворённых веществ, поэтому клетка не пропускает всё подряд. Мембранные белки помогают переносить нужные молекулы и распознавать сигналы, а некоторые вещества проходят через мембрану по градиенту концентрации. Благодаря избирательной проницаемости клетка регулирует состав цитоплазмы и взаимодействует со средой.

Функции распределены между ядром, цитоплазмой и органоидами не случайно. Ядро хранит основную часть ДНК и участвует в управлении синтезом РНК, а рибосомы собирают белки по инструкциям этой РНК. Митохондрии обеспечивают значительную часть клеточного дыхания и образования АТФ — переносчика энергии; эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи участвуют в создании, переработке и перемещении клеточных веществ. Такая специализация позволяет выполнять разные задачи в нужных местах.

Прокариотические клетки устроены проще: их ДНК не отделена оболочкой от цитоплазмы, а мембранных органоидов нет. У эукариот ядро и другие компартменты — внутренние отделы, отграниченные мембранами, — создают условия для разных реакций. В одних отделах вещества синтезируются, в других изменяются или расщепляются. Разделение помогает процессам идти одновременно, не мешая друг другу, и поддерживать подходящие условия для каждого из них.

Работа клетки — связанная цепочка, а не набор независимых функций. Информация ДНК определяет последовательность аминокислот в белке, а белки могут быть ферментами, ускоряющими химические реакции. Эти реакции обеспечивают обмен веществ, в ходе которого клетка получает энергию и строительные материалы. Поэтому сбой в хранении или считывании информации может изменить синтез белков и повлиять на работу всей клетки.

Сравнение прокариотической и эукариотической клеток

Сравнивайте клетки не по одному признаку, а по их совокупности: отсутствие ядра вместе с отсутствием мембранных органоидов указывает на прокариота. Строки о клеточной стенке и получении энергии показывают, что внутри каждой группы тоже есть различия. Слово «обычно» важно: в биологии встречаются специализированные клетки с особенностями, например эукариотические клетки без ядра.

Разбор задач

Задача 1. По описанию определить тип клетки: есть плазматическая мембрана, цитоплазма, кольцевая молекула ДНК и рибосомы, но нет ядра и митохондрий. Рассуждать нужно по сочетанию признаков, поскольку мембрана, цитоплазма и рибосомы есть у клеток обоих типов. Отсутствие митохондрий само по себе не следует считать единственным доказательством.

1. Отметим, что мембрана, цитоплазма и рибосомы встречаются у прокариот и эукариот, поэтому пока не определяют тип.
2. Проверим наличие ядра и мембранных органоидов: по условию их нет. Это характерно для прокариотической клетки.
3. Кольцевая ДНК в сочетании с отсутствием ядра согласуется с тем, что генетический материал находится в нуклеоиде.

Ответ: это прокариотическая клетка. Вывод основан на совокупности признаков, а не только на форме ДНК или отсутствии митохондрий.

Задача 2. Объяснить, почему эритроцит млекопитающего не имеет ядра и большинства органоидов и как это связано с его функцией. Эритроцит переносит кислород благодаря гемоглобину, поэтому для него особенно важно вместить достаточно этого белка. Особенности зрелой клетки нужно рассматривать как приспособление к её специализации.

1. Определим основную задачу эритроцита: связывать и переносить кислород с помощью гемоглобина.
2. Учтём, что при созревании эритроцит теряет ядро и большинство органоидов. Это освобождает внутреннее пространство и позволяет разместить больше гемоглобина.
3. Свяжем изменение с последствиями: зрелый эритроцит эффективно переносит кислород, но не может делиться и ограничен в обновлении собственных компонентов.

Ответ: отсутствие ядра и большинства органоидов освобождает место для гемоглобина и связано со специализацией эритроцита. Это приспособление повышает эффективность переноса кислорода, но сокращает возможности клетки к восстановлению.

Задача 3. Растительную клетку поместили в раствор, где солей больше, чем в её цитоплазме. Нужно определить, куда движется вода и что произойдёт с клеткой. Осмос — движение воды через избирательно проницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ.

1. Сравним концентрации: раствор снаружи более концентрированный, чем содержимое клетки.
2. При осмосе вода выходит из клетки, пересекая плазматическую мембрану и мембраны внутри клетки.
3. Вакуоль и цитоплазма уменьшаются в объёме, тургор — давление содержимого клетки на стенку — падает. При сильной потере воды содержимое отходит от клеточной стенки: это плазмолиз.

Ответ: вода перемещается из клетки в более концентрированный раствор. Растительная клетка теряет тургор, а при выраженной потере воды может произойти плазмолиз.

Типичные ошибки

Ошибка — считать клеточную стенку обязательной частью любой клетки. Её часто связывают со словом «клетка» вообще, хотя стенка есть у растений, грибов и большинства прокариот, но отсутствует у животных. Проверяйте себя вопросом, о какой группе организмов идёт речь.

Ошибка — называть рибосомы мембранным органоидом. Путаница возникает потому, что рибосомы выполняют важную клеточную работу и могут быть прикреплены к мембранам. Однако собственной мембраны у них нет, а их главная функция — синтез белка.

Ошибка — смешивать ядро с нуклеоидом. Оба содержат ДНК, поэтому легко запомнить только их сходство и упустить различие в строении. Проверка проста: ядро окружено оболочкой, а нуклеоид — участок цитоплазмы прокариота без мембранной оболочки.

Ошибка — сводить функцию митохондрий только к «дыханию». Так упускают результат клеточного дыхания: в митохондриях образуется значительная часть АТФ при аэробном расщеплении веществ. Чтобы проверить себя, называйте и процесс, и его значение для энергоснабжения клетки.

Связь с другими темами

Для повторения темы понадобятся знания об уровнях организации живого, неорганических и органических веществах клетки и строении биологических мембран. Они помогают понять, из чего состоят клетка и её структуры и как вещества проходят через мембрану. Далее клеточное строение станет основой для изучения обмена веществ, дыхания, фотосинтеза, деления клетки и генетики. Связь строения и функции также объясняет специализацию тканей, происхождение многоклеточных организмов и действие лекарств на клетки.

Что запомнить

• Клетка — структурная, функциональная и генетическая единица живого.
• Все клетки имеют мембрану, цитоплазму, наследственный материал и рибосомы.
• Прокариоты не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов.
• Эукариотические клетки содержат ядро и систему мембранных компартментов.
• Строение органоида соответствует выполняемой им функции.
• Мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и средой.
• Клеточные процессы образуют взаимосвязанную систему, а не набор изолированных функций.