Мембранные органеллы клетки
Конспект урока по биологии «Мембранные органеллы клетки» (углубленное изучение) в 10 классе (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Основные темы: Ядро. Гистоны. Кариоплазма. Вакуолярная система клетки. Эндоплазматическая сеть. Аппарат Гольджи. Лизосомы в Пероксисомы. Вакуоли. Митохондрии в Пластиды. Теория симбиогенеза.
Мембранные органеллы клетки
Мембранные органеллы клетки представляют собой отдельные или связанные друг с другом отсеки, содержимое которых отграничено мембраной от цитозоля.
ЯДРО.
Самая крупная органелла эукариотической клетки — ядро; обычно оно имеет диаметр от 3 до 10 мкм. В ядре находятся молекулы ДНК, в которых хранится информация о признаках клетки и организма в целом. ДНК образуют комплексы с гистонами — белками, содержащими большое количество лизина и аргинина (аминокислот с положительно заряженными радикалами), и с негистоновыми белками. Такие комплексы — хромосомы — видны в световой микроскоп в период деления клетки. В неделящейся клетке хромосомы не видны.
Содержимое ядра отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух близко расположенных друг к другу мембран. Каждая мембрана имеет толщину 8 нм, расстояние между ними около 30 нм. Через определённые интервалы обе мембраны сливаются друг с другом, образуя каналы диаметром 70 нм — ядерные поры (рис. 23). Число пор непостоянно, оно зависит от размеров ядра и его функциональной активности. Например, в крупных ядрах половых клеток может быть до 106 пор. Через поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой. Из ядра выходят молекулы мРНК и тРНК, участвующие в синтезе различных белков. В ядро поступают белки, взаимодействующие с молекулами ДНК.
В ядре собираются субчастицы рибосом из рибосомных РНК, образующихся в ядре, и рибосомных белков, синтезирующихся в цитоплазме. Место сборки субчастиц рибосом под микроскопом выглядит как округлое тельце диаметром около 1 мкм. Его называют ядрышком.
В ядре может быть одно или несколько ядрышек. (Ядрышки не являются органеллами, так как не имеют оформленной структуры и не выполняют конкретные функции.) В электронный микроскоп в ядре можно увидеть большое количество гранул — это транзитные субчастицы рибосом, идущие из ядра в цитоплазму.
Ядерный сок, или кариоплазма (от греч. karyon — орех, ядро ореха), в виде бесструктурной массы окружает хромосомы. Вязкость кариоплазмы примерно такая же, как и гиалоплазмы, а кислотность выше. В ядерном соке содержатся различные белки и РНК. Некоторые такие белки представляют собой рецепторы, которые после связывания с лигандами (например, стероидными гормонами) меняют конформацию и начинают выполнять функцию транскрипционных факторов, регулирующих активность генов.
ВАКУОЛЯРНАЯ СИСТЕМА.
Субчастицы рибосом, пройдя через поры в ядерной оболочке, попадают на мембраны эндоплазматической сети (ЭПС). ЭПС — это система соединённых между собой канальцев и полостей различной формы и величины. Их стенки представляют собой мембраны, контактирующие со всеми органеллами клетки. Образуя непрерывную структуру с наружной ядерной мембраной, мембраны ЭПС служат местом прикрепления выходящих из ядра рибосом.
Так называемая шероховатая ЭПС выглядит как система полостей, наружная сторона которых покрыта рибосомами (рис. 24). Рибосомы — это немембранные органеллы, имеющие диаметр 20 нм. На рибосомах осуществляется синтез белков. Белки, синтезированные на связанных с ЭПС рибосомах, проходят через мембрану внутрь полостей и по каналам ЭПС транспортируются к аппарату Гольджи, а от него — к другим клеточным органеллам. Часть ЭПС, не содержащую прикреплённые рибосомы, называют гладкой эндоплазматической сетью. В мембранах гладкой ЭПС находятся ферменты синтеза и расщепления углеводов и липидов. Таким образом, ЭПС представляет собой структурно–функциональную систему, осуществляющую обмен и перемещение веществ внутри клетки.
Часть образуемых в клетке белков, углеводов и липидов по каналам ЭПС поступает в органеллу, называемую аппаратом (комплексом) Гольджи. Аппарат Гольджи состоит из уплощённых цистерн, уложенных в стопку, где происходит сортировка и упаковка поступивших макромолекул (рис. 25). Вещества, необходимые самой клетке, накапливаются в мелких мембранных пузырьках (50 нм), отпочковывающихся от полостей аппарата Гольджи, и разносятся по цитоплазме. Вещества, произведённые клеткой «на экспорт», получают в аппарате Гольджи «удостоверение» в виде присоединённых к ним олиго– и полисахаридов и выводятся из клетки. Наиболее крупные (до 10 мкм) комплексы Гольджи обнаружены в клетках желёз внутренней секреции. Здесь образуются гормоны, которые попадают в кровь путём экзоцитоза и разносятся ко всем клеткам тела. «Удостоверение», полученное в аппарате Гольджи, позволяет гормону дойти до адресата, а не быть уничтоженным за «контрабанду».
Ещё одна функция аппарата Гольджи — образование лизосом. Лизосомы — это мембранные пузырьки диаметром 0,5 мкм, содержащие гидролитические ферменты, способные расщеплять белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты. В мембранах лизосом существует система защиты от самопереваривания.
Ферменты лизосом участвуют в расщеплении «старых» частей клетки, целых клеток и отдельных органов. Например, хвост головастика «растворяется» благодаря действию лизосом. Лизосомы участвуют и в фагоцитозе: образующийся фагоцитарный пузырёк сливается с лизосомой и гидролитические ферменты переваривают содержимое образующейся при таком слиянии фагосомы.
Окислительные реакции с участием кислорода протекают в мельчайших из мембранных органелл — пероксисомах (0,25—0,4 мкм). Они производят пероксид водорода, который используют для окисления ядовитых молекул, таких как фенолы, формальдегид, этанол. Избыток пероксида превращается в воду с помощью фермента каталазы.
Пиноцитозные пузырьки доставляют капли жидкости к вакуолям — мембранным органеллам, которые являются резервуарами воды и растворённых в ней соединений (см. рис. 22). В некоторых зрелых растительных и грибных клетках на долю вакуолей приходится до 90 % объёма. Они поставляют молекулы воды, необходимые для поддержания тургора и процесса фотосинтеза. Животные клетки могут иметь временные вакуоли, занимающие не более 5% их объёма.
Все одномембранные органеллы образуют единую вакуолярную систему клетки, отдельные компоненты которой могут переходить друг в друга при перестройке и изменении функций мембран.
МИТОХОНДРИИ.
Эукариотические клетки содержат «энергетические станции» — митохондрии. Эти палочковидные, нитевидные или шаровидные органеллы диаметром около 1 мкм и длиной около 7 мкм имеют наружную гладкую мембрану и внутреннюю мембрану, образующую многочисленные складки — кристы (рис. 26). В кристы встроены ферменты, участвующие в преобразовании энергии питательных веществ, поступающих в клетку извне, в энергию молекул АТФ. АТФ — «универсальная валюта», которой клетки расплачиваются за все свои энергетические расходы. Складчатость внутренней мембраны увеличивает поверхность, на которой размещаются ферменты, синтезирующие АТФ. Количество крист в митохондрии и количество самих митохондрий в клетке тем больше, чем больше энергии тратит данная клетка. В летательных мышцах насекомых каждая клетка содержит несколько тысяч митохондрий. Меняется их количество и в процессе индивидуального развития (онтогенеза): в молодых эмбриональных клетках они более многочисленны, чем в клетках стареющих.
Внутреннее пространство митохондрий заполнено гомогенным раствором, называемым матриксом. Матрикс имеет более плотную консистенцию, чем окружающая митохондрию гиалоплазма. В матриксе находятся кольцевые молекулы ДНК, различные РНК, а также митохондриальные рибосомы, на которых синтезируются некоторые митохондриальные белки. Большая часть белков митохондрий синтезируется на рибосомах ЭПС и поступает в энергетические органеллы в готовом виде.
ПЛАСТИДЫ.
В растительных клетках обязательно присутствуют пластиды. Эти мембранные органеллы в зависимости от окраски можно разделить на лейко–, хромо– и хлоропласты.
Бесцветные лейкопласты находятся в клетках неосвещённых частей растения. Например, в клетках клубней картофеля лейкопласты накапливают зёрна крахмала.
Хромопласты — цветные (не зелёные) пластиды, располагающиеся в клетках различных частей растения: в цветках, плодах, стеблях, листьях. Именно хромопласты обеспечивают жёлтую, красную, оранжевую окраску этих частей и создают зрительную приманку для животных, способствуя тем самым опылению цветков и распространению семян.
Зелёные хлоропласты способны переходить в хромопласты, поэтому осенью листья желтеют или краснеют, зелёные помидоры краснеют при созревании. Позеленение клубней картофеля на свету свидетельствует о переходе лейкопластов в хлоропласты.
Основная функция хлоропластов — фотосинтез, т. е. синтез органических соединений за счёт энергии солнечного света, преобразованной в энергию молекул АТФ. Хлоропласты высших растений имеют размеры 5—10 мкм и по форме напоминают двояковыпуклую линзу. Под наружной гладкой мембраной располагается складчатая внутренняя мембрана. Между складками можно видеть пузырьки — тилакоиды, уложенные в стопку — грану. В каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке (рис. 27). Такое расположение обеспечивает максимальную освещённость каждой граны.
В мембраны, формирующие тилакоиды, встроены пигменты, улавливающие солнечный свет, и ферменты, синтезирующие АТФ. В строме (внутренней среде) хлоропластов находятся ферменты, синтезирующие органические соединения с использованием энергии АТФ. В клетке листа высших растений содержится около 40 хлоропластов.
ТЕОРИЯ СИМБИОГЕНЕЗА.
Как митохондрии, так и хлоропласты содержат собственную ДНК и рибосомы. Они способны к автономному размножению, не зависящему от времени деления клетки. Размеры и форма митохондрий и хлоропластов, наличие в их матриксе кольцевых двухцепочечных ДНК и собственных рибосом указывают на сходство этих органелл с бактериальными клетками.
Согласно общепринятой в настоящее время теории симбиогенеза — симбиотического происхождения эукариотической клетки, предки современных митохондрий и хлоропластов были когда–то самостоятельными прокариотическими организмами (подробнее об этом будет рассказано в 11 классе).
Симбиоз (от греч. symbiosis — совместная жизнь) — различные формы совместного существования организмов разных видов, составляющих симбионтную систему.
Вопросы и упражнения
- В клетках каких органов в наибольшей степени развит аппарат Гольджи? Как это связано с их функциями?
- Как вы думаете, почему лизосомы сами себя не переваривают, хотя содержат полный набор гидролитических ферментов?
- Как вы думаете, почему молекулы ДНК содержатся только в двухмембранных органеллах?
- Найдите ошибочные высказывания и исправьте их. Запишите в тетради правильные варианты этих утверждений.
Лизосомы и пероксисомы отпочковываются от полостей комплекса Гольджи. Мембрана лизосом более прочная, чем у других одномембранных органелл. В животных клетках содержатся митохондрии, а в растительных вместо них хлоропласты. В клетках грибов есть и митохондрии, и пластиды. Хлоропласты содержатся только в растительных клетках.
Это конспект по биологии (углубленное изучение) для 10-класса по теме «Мембранные органеллы клетки» (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Выберите дальнейшее действие:
- Вернуться к Списку конспектов по Биологии.