Задания 5-8, 23-26. Органоиды эукариот

***

Клеточная теория

Прежде чем разбираться, из чего состоит клетка, полезно понять, что вообще такое клетка и почему её так важно изучать.

Клетка - это самый маленький «кирпичик» жизни. Из клеток состоят и бактерии, и растения, и животные, и мы с тобой. У любой клетки есть три способности, которые делают её живой: она умеет сама себя обновлять (заменять изношенные части), сама себя воспроизводить (делиться и давать новые клетки) и сама себя регулировать (управлять своими процессами).

К этому выводу учёные шли долго. Первым увидел клетки под микроскопом англичанин Роберт Гук - в XVII веке он рассматривал срез пробки и заметил там ячейки, похожие на пчелиные соты. Их-то он и назвал «клетками». Позже Матиас Шлейден и Теодор Шванн объединили накопленные знания в единую клеточную теорию, а Рудольф Вирхов добавил в неё важнейшее уточнение: новая клетка не появляется из ниоткуда - она всегда возникает делением другой клетки.

Главные положения современной клеточной теории:

• Клетка - единица строения и работы всего живого; ей присущи все признаки жизни.

• У клеток разных организмов сходный химический состав и общий план строения.

• Новая клетка образуется только делением уже существующей (дополнение Вирхова).

• Многоклеточный организм развивается из одной клетки - оплодотворённой яйцеклетки (зиготы).

• Похожесть клеток у всех живых существ говорит о едином происхождении жизни.

Дальше речь пойдёт только про эукариотические клетки - те, у которых есть ядро. Про бактерии (прокариот) поговорим отдельно.

***

Приятного изучения статьи! Если хочешь подготовиться на 80+, то обязательно посмотри вот эти способы подготовки (жми, чтобы перейти на сайт и узнать подробнее) ❤️

***

Какое строение у эукариотической клетки?

У любой эукариотической клетки есть три главные части:

1) Оболочка - отделяет клетку от внешней среды.
2) Цитоплазма - внутреннее содержимое, в котором плавают все органоиды.
3) Ядро - центр с генетической информацией.

Органоиды делят на три группы по количеству мембран:

• Немембранные - своей оболочки нет: рибосомы, клеточный центр, цитоскелет, жгутики и реснички.

• Одномембранные - окружены одной мембраной: эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, вакуоли.

• Двумембранные - с двойной оболочкой: митохондрии и пластиды (только у растений).

Помимо органоидов, в цитоплазме можно встретить включения - временные скопления веществ, которые то появляются, то исчезают. Это либо запасы (крахмал у растений, гликоген у животных и грибов, капли жира, белковые зерна), либо отходы - то, что клетка собирается выбросить.

***

Ядро

Важно для ЕГЭ: ядро - это не органоид, а отдельная часть клетки. Можно назвать её двумембранной структурой.

Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой (кариолеммой) - двойной мембраной с большим количеством ядерных пор. Через эти поры ядро обменивается веществами с цитоплазмой: наружу выходят РНК и собранные субъединицы рибосом, а внутрь заходят белки, нужные для работы ядра.

Внутри ядра - жидкость, которая называется кариоплазма (или нуклеоплазма). В ней «плавают»:

• Хроматин - это ДНК, «намотанная» на специальные белки-гистоны. Когда клетка собирается делиться, хроматин уплотняется и превращается в хромосомы - самую компактную форму хранения генетической информации.

• Ядрышко - плотная структура, в которой собираются субъединицы рибосом. Готовые субъединицы уходят через поры в цитоплазму, где объединяются в рибосому во время синтеза белка. В активно работающих клетках ядрышек может быть несколько.

Основные функции ядра:

1) Хранит генетическую информацию (ДНК).
2) Управляет клеточным циклом - ростом и делением клетки.
3) Регулирует обмен веществ, то есть всю жизнь клетки.
4) Участвует в синтезе рибосом (через ядрышко).
5) Участвует в синтезе ДНК и РНК.

***

Двумембранные органоиды

К двумембранным органоидам относятся митохондрии и пластиды.

Их особенность - полуавтономность: они умеют делать часть работы без ядра. У них есть собственная кольцевая ДНК, собственные мелкие рибосомы (70S, как у бактерий), они сами делятся надвое и передаются по материнской линии - через яйцеклетку.

Согласно теории эндосимбиоза митохондрии и пластиды произошли от бактерий. Согласно этой теории, древняя клетка-хозяин поглотила более мелкие бактерии, которые не переварились, вступили в симбиоз и со временем стали органоидами - митохондриями и хлоропластами.

Митохондрии есть у всех эукариот. Пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты) есть у растений и некоторых простейших (эвглены зелёной). У прокариот (бактерий) нет мембранных органоидов.

Митохондрии

Митохондрии называют «энергетическими станциями клетки». Их главная задача - производить АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), универсальную «валюту» энергии для всех процессов клетки. Работают они только при наличии кислорода, поэтому отвечают за аэробный (кислородный) энергетический обмен.

Строение:

• Наружная мембрана - гладкая.

• Внутренняя мембрана образует складки - кристы. Кристы нужны, чтобы увеличить площадь мембраны: чем больше площадь, тем больше ферментов на ней помещается и тем больше АТФ клетка может произвести.

• На внутренней мембране сидят ферменты АТФ-синтазы (раньше их называли «грибовидными телами») и белки дыхательной цепи.

• Межмембранное пространство - между внешней и внутренней мембраной; там во время работы дыхательной цепи накапливаются протоны водорода (H⁺).

• Матрикс - жидкое содержимое внутри митохондрий. В нём - кольцевая ДНК митохондрии, рибосомы 70S, РНК, ферменты и молекулы АТФ.

Функции:

• Окисление органических веществ до CO₂ и H₂O с помощью кислорода.

• Синтез АТФ - энергии для всей клетки.

• Выделение тепла.

Логика простая: чем активнее клетка - тем больше в ней митохондрий. 

Пластиды

Пластиды есть только у фотосинтезирующих эукариот: высших растений, водорослей и некоторых простейших (например, эвглены зелёной).

Выделяют три вида пластид:

1) Хлоропласты - зелёные, с пигментом хлорофиллом. Единственные пластиды, где идёт фотосинтез - синтез глюкозы из CO₂ и воды под действием света. Встречаются в зелёных листьях, стеблях, бутонах, незрелых плодах. Могут временно откладывать крахмал в виде мелких зёрен.
2) Хромопласты - содержат каротиноиды (красные, жёлтые и оранжевые пигменты). Именно они окрашивают морковь, спелые томаты, лепестки цветов и осенние листья.
3) Лейкопласты - бесцветные, без пигментов. Они запасают питательные вещества, чаще всего крахмал в виде крупных зерен. Живут в корнях, семенах, клубнях (картошка!), луковицах и корневищах.

Развиваются пластиды из общей предшественницы - пропластиды - в молодых, активно делящихся клетках. Также пластиды умеют превращаться друг в друга. Классический пример: клубень картошки полежал на свету - лейкопласты в нём стали хлоропластами, и картошка позеленела.

Строение хлоропласта нужно знать особенно хорошо:

• Наружная мембрана - гладкая.

• Внутренняя мембрана - тоже гладкая, окружает строму.

• Строма - полужидкое содержимое, в нём есть кольцевая ДНК, рибосомы 70S, РНК, ферменты, молекулы АТФ и крахмальные зёрна.

• Тилакоиды - плоские мембранные мешочки внутри стромы. Внутри каждого - своя полость (тилакоидное пространство, или люмен).

• Граны - стопки из тилакоидов, сложенных как монетки.

• Ламеллы - длинные тилакоиды, которые соединяют граны между собой, как «мостики».

На мембранах тилакоидов расположены молекулы хлорофилла, белки электрон-транспортной цепи и АТФ-синтазы - именно здесь и происходит световая фаза фотосинтеза.

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (или ретикулум) - это сеть плоских «мешочков» и трубочек, которая пронизывает всю цитоплазму и разделяют её на отсеки. Что-то вроде метро клетки: по ней вещества перемещаются от места производства к месту, где они нужны. ЭПС является продолжением ядерной оболочки.

ЭПС бывает двух видов:

• Шероховатая (гранулярная) - на её поверхности сидят рибосомы. Отсюда её «шероховатый» вид. Задача - синтезировать белки и передавать их дальше - в аппарат Гольджи.
• Гладкая (агранулярная) - рибосом на ней нет. Она синтезирует липиды (жиры) и углеводы и тоже отправляет их в аппарат Гольджи.

Комплекс Гольджи

Аппарат (комплекс) Гольджи - это стопка плоских цистерн с отходящими от них канальцами. С одного края стопки поступают вещества с ЭПС, с другого от цистерн отпочковываются везикулы - маленькие мембранные пузырьки с готовым «грузом».

Функции аппарата Гольджи:

• дозревание белков и других веществ (окончательная сборка, присоединение углеводов);

• сортировка и упаковка - как на почте;

• транспорт веществ в нужные части клетки или наружу.

Вещества движутся слева направо

Важнейшая функция аппарата Гольджи - синтез лизосом.

Лизосомы

Лизосомы - маленькие пузырьки с гидролитическими ферментами внутри. Их задача - переваривать внутри клетки всё, что туда попало: питательные вещества, старые органоиды, крупные молекулы.

Ключевые процессы с участием лизосом:

• Внутриклеточное пищеварение - разбор поступивших извне веществ на «кирпичики».

• Аутофагия - переваривание собственных повреждённых органоидов (клетка «чинит себя»).

• Автолиз - саморазрушение клетки. 

• Апоптоз - генетически запрограммированная гибель клетки, необходимая для нормального развития. Именно так у головастика исчезает хвост, когда он превращается в лягушку.

Вакуоли

Вакуоли - одномембранные пузырьки. У всех царств они устроены и работают немного по-разному:

• У растений в зрелой клетке - одна большая центральная вакуоль с клеточным соком (вода + питательные и запасные вещества, иногда пигменты). В молодой клетке вакуолей много и они мелкие, а с возрастом они сливаются. Центральная вакуоль поддерживает тургор - давление, из-за которого растение не вянет.
• У грибов вакуоли более мелкие.
• У многоклеточных животных центральной вакуоли нет. Могут быть только временные пищеварительные вакуоли.
• У простейших встречаются сократительные вакуоли для откачивания лишней воды и ненужных веществ из клетки. Такие есть у пресноводных амеб, инфузории-туфельки, эвглены зелёной.

Пероксисомы

Пероксисомы - маленькие пузырьки с ферментами, которые разлагают перекись водорода (H₂O₂) и обезвреживают другие токсичные для клетки вещества. В школьной программе их часто просто упоминают.

Рибосомы

Рибосомы - крошечные «фабрики белка». Именно на них идёт трансляция - сборка белка по инструкции с матричной РНК.

Строение простое: рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. Каждая субъединица собрана из рРНК (рибосомальной РНК) и белков.

Рибосомы бывают двух размеров:

• 80S - крупные, лежат в цитоплазме и на шероховатой ЭПС.

• 70S - мелкие, работают в митохондриях, пластидах и у бактерий. Это одно из главных доказательств теории эндосимбиоза.

Немного о том, что такое 70S и 80S…

S - сведберг, единица измерения коэффициента седиментации. Этот коэффициент показывает, насколько быстро частица оседает при центрифугировании. Чем больше значение S, тем быстрее оседает частица. Скорость зависит от её массы, плотности и формы. Так, крупные рибосомы 80S эукариот оседают быстрее, чем мелкие рибосомы 70S бактерий, митохондрий и пластид.

Клеточный центр

Клеточный центр (центросома) состоит из двух центриолей, расположенных перпендикулярно друг другу. Каждая центриоль - это цилиндр из 9 триплетов микротрубочек, скрепленных белковыми перемычками (всего 27 микротрубочек в одной центриоли).

Главная функция клеточного центра - формировать веретено деления во время деления клетки (митоза и мейоза). Веретено деления обеспечивает равномерное расхождение хромосом между двумя клетками. Также центросома является центром организации микротрубочек цитоскелета.

Важно: у высших растений клеточного центра нет - веретено деления у них формируется без центриолей.

Цитоскелет

Цитоскелет - «скелет» клетки, сеть белковых нитей и трубочек, пронизывающих цитоплазму. Он выполняет сразу несколько задач:

• поддерживает форму клетки;

• удерживает и перемещает органоиды внутри;

• участвует в движении самой клетки и в изменении её формы;

• лежит в основе ресничек и жгутиков - выростов, с помощью которых клетки плавают или гонят жидкость по своей поверхности.

***

Плазматическая мембрана

Плазмалемма ограждает клетку и регулирует, что в неё входит и выходит, с ней сливаются секреторные везикулы аппарата Гольджи. Плазмалемма состоит из двойного слоя (бислоя) фосфолипидов, её пронизывают белки.

***

Клеточная стенка

Поверх плазмалеммы у некоторых клеток есть клеточная стенка - плотный внешний каркас:

• у растений - из целлюлозы,

• у грибов - из хитина,

• у бактерий - из муреина (пептидогликана).

У животных клеточной стенки нет - их клетки поддерживаются цитоскелетом и держатся в тканях друг за друга. Над плазмолеммой вместо клеточной стенки находится гликокаликс (слой из олигосахаридов), которые выполняют рецепторную функцию.

***