Что общего в строении пластид и митохондрий
Научная электронная библиотека
§ 3.1.4. Строение клетки
Размеры клетки широко варьируют от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса). У всех клеток, независимо от их формы, размеров, функциональной нагрузки обнаруживается сходное строение (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Схема строения живой клетки: 1 – оболочка; 2 – мембрана; 3 – цитоплазма; 4 – ядро; 4а – ядрышко; 5 – рибосомы; 6 – эндоплазматическая сеть (ЭПС); 7 – митохондрии; 8 – комплекс гольджи; 9 – лизосомы; 10 – пластиды; 11 – клеточные включения
Снаружи клетка одета мембраной. Внутренняя часть клетки содержит многочисленные органоиды – структурные образования клетки, выполняющие определенные функции жизнедеятельности клетки.
1. Оболочка. Присутствует только у растительных клеток. Состоит из волокон целлюлозы. Функции оболочки: защита клетки от внешних повреждений, придает стабильную форму клетки, эластичность растительным тканям.
Повреждение наружной оболочки приводит к гибели клетки (цитолиз).
2. Мембрана. Тончайшая структура (75 Ǻ), состоит из двойного слоя молекул липидов и одного слоя белков. Такая структура обеспечивает уникальную эластичность и прочность мембране
участие в обмене веществ. Эта функция связана с избирательной проницаемостью в клетку определенных веществ и выведение из нее продуктов обмена. В процессе питания в клетку могут проникать определенные растворы веществ (пиноцитоз) и твердые частицы (фагоцитоз).
Явление фагоцитоза – поглощение клеткой твердых частиц – впервые было описано русским врачом Мечниковым. Фагоцитарная особенность лежит в основе процесса иммунитета. Особенно развита у лейкоцитов, клеток костного мозга, лимфатических узлов, селезенки, надпочечников и гипофиза.
Пиноцитоз – поглощение клеткой растворов – состоит в том, что мельчайшие пузырьки жидкости втягиваются через образующуюся воронку, проникают через мембрану и усваиваются клеткой.
3. Цитоплазма – внутренняя среда клетки. Представляет собой гелеобразную жидкость (коллоидная система), состоит на 80 % из воды, в которой растворены белки, липиды, углеводы, неорганические вещества. Цитоплазма живой клетки находится в постоянном движении (циклоз).
транспортировка питательных веществ и утилизация продуктов обмена клетки;
буферность цитоплазмы (постоянство физико-химических свойств) обеспечивает гомеостаз клетки, поддерживает постоянные нужные параметры жизнедеятельности;
поддержание тургора (упругость) клетки;
все биохимические реакции происходят только в водных растворах, что обеспечивается в среде цитоплазмы.
4. Ядро – обязательный органоид эукариотических клеток. Впервые было исследовано и описано Р. Броуном в 1831 г. В молодых клетках расположено в центре клетки, в старых – смещается в сторону. Снаружи ядро окружено мембраной с крупными порами, способными пропускать крупные макромолекулы. Внутри ядро заполнено клеточным соком – кариоплазмой, основная часть ядра заполнена хроматином – ядерным веществом, содержащим ДНК и белок. Перед делением хроматин образует палочковидные хромосомы. Причём, хромосомы одинакового строения (но содержащие разные ДНК!) образуют пары, зрительно воспринимаемые как одно целое (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Хромосомный набор человеческой клетки перед началом деления
Структурирование всех хромосом в пары свидетельствует о том, что число хромосом – чётное. Поэтому, его часто обозначают 2n, где n – количество хромосомных пар, а соответствующий набор хромосом называют диплоидным. Например, у голубей n = 40 (80 хромосом), у мухи n = 6 (12 хромосом), у собаки n = 39 (78 хромосом), у аскариды n = 1 (2 хромосомы). У человека n = 23 (46 хромосом). Однако, в половых клетках число хромосом в два раза меньше. Поэтому набор хромосом в половых клетках называется гаплоидным. Клетки, не являющиеся половыми называются соматическими. Иногда клетки с гаплоидным набором хромосом называют гаплоидными клетками, а с диплоидным набором хромосом – диплоидными клетками.
При слиянии двух родительских гаплоидных половых клеток образуется диплоидная клетка, дающая начало новому организму с набором генов отца и матери
Совокупность всех хромосом ядра (а значит и генов) клетки называется генотип. Именно генотип определяет все внешние и внутренние признаки конкретного организма.
В соматических клетках 44 Х-образные хромосомы (22 пары) у женщин и мужчин идентичны (сходны по строению), их называют аутосомами. А 23-я пара имеет конфигурацию ХХ – у женщин и ХY – у мужчин. Эти пары хромосом именуются половыми хромосомами.
В половых клетках 22 хромосомы также одинаковые у яйцеклеток и у сперматозоидов, а 23-я хромосома конфигурации Х – у яйцеклетки и Х или Y – у сперматозоидов. Поэтому при слиянии половых клеток и образовании пар хромосом, 23-я пара будет ( <ХY>или <ХХ>) определять пол будущего ребенка.
Необходимо помнить, что хотя в соматических клетках набор хромосом диплоидный (2n), однако, перед началом деления клеток происходит репликация ДНК, то есть, удвоение их количества, а, значит, и удвоение
количества хромосом. Поэтому перед началом деления соматической клетки в ней насчитывается 4n хромосом (рис. 16). Она становится тетраплоидной.
– хранение генетической информации;
– контроль за всеми процессами, происходящими в клетке: делением, дыханием, питанием и др.
4а. Ядрышко – структура, содержащаяся в ядре. Ядро может содержат 1, 2 или более ядрышек. Функция ядрышка – формирование рибосом.
Следует отметить, что не все клетки имеют оформленное ядро. Клетки, имеющие ядро называются эукариотическими или эукариотами. Клетки, не имеющие ядра, называются прокариотическими или прокариотами. Функции ядра у прокариот несёт одна нить ДНК (именуется хромосома), в которой хранится вся генетическая информация. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Как правило, у прокариотов отсутствуют и некоторые другие органоиды. Размеры прокариотических клеток меньше, чем размеры эукариот.
5. Рибосомы – самые мелкие органоиды клетки. Были обнаружены в 1954 г. Французским ученым Паладом. Рибосомы были обнаружены в цитоплазме, а также на гранулярной ЭПС и в ядре.
Функция рибосом: обеспечение биосинтеза белка.
6. Эндоплазматическая сеть. Представляет собой каналы и полости, ограниченные мембраной. Различают две разновидности ЭПС: гранулярная ЭПС и агранулярная ЭПС. Гранулярная ЭПС морфологически отличается от агранулярной наличием на ее поверхности многочисленных рибосом (на агранулярной ЭПС рибосомы отсутствуют).
Функции эндоплазматической сети:
– участие в синтезе органических веществ: на гранулярной ЭПС синтезируются белки, на агранулярной – липиды и углеводы;
– транспортировка продуктов синтеза ко всем частям клетки.
Несложно уяснить, что гранулярная ЭПС характерна для клеток, синтезирующих белки (например клетки желез внутренней секреции), агранулярная ЭПС характерна для клеток-производителей углеводов и липидов (например клетки жировой ткани).
7. Митохондрии – крупные органоиды, состоящие из двойного слоя мембран: наружная – гладкая, внутренняя образует многочисленные гребнеобразные складки – кристы. Внутри митохондрии заполнены жидкостью (матрикс).
Функции митохондрий: основная функция митохондрий – обеспечение клетки энергией. Этот процесс происходит за счет синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) (рис. 3.15), в которой фрагмент
Рис. 3.15. Структурная формула аденозинфосфорных кислот. Для аденозинтрифосфорной кислоты n = 3, для аденозиндифосфорной кислоты n = 2, для аденозинмонофосфорной кислоты n = 1
При взаимодействии молекулы аденозинтрифосфорной кислоты с водой отщепляется один остаток фосфорной кислоты, в результате чего образуется аденозиндифосфорная кислота – АДФ и выделяется огромное количество энергии:
АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + 10 000 калорий.
Впоследствии от АДФ может отщепляться еще один остаток фосфорной кислоты, образуя АМФ – аденозинмонофосфорную кислоту.
АДФ + Н2О = АМФ + Н3РО4 + 10 000 калорий[37].
Освободившаяся энергия используется для жизнедеятельности клетки (КПД процесса превышает 80 %!).
Наряду с распадом АТФ и выделением энергии в клетке постоянно происходит синтез АТФ и накопление энергии (обратные реакции).
Количество митохондрий в клетке зависит от потребности последней в энергии. Так, в клетках кожи человека находится в среднем 5–6 митохондрий, в клетках мышц – до 1000, в клетках печени – до 2500!
8. Комплекс Гольджи. Итальянский ученый Гольджи обнаружил и описал структуру клетки, напоминающую стопки мембран, цистерны, пузырьки и трубочки. Расположена эта система чаще всего возле ядра.
Функции комплекса Гольджи: в полостях комплекса накапливаются всевозможные продукты обмена клетки, которые по каким-либо причинам не вывелись наружу. В последствии эти продукты могут быть использованы клеткой для процессов жизнедеятельности. Из пузырьков и цистерночек комплекса Гольджи в растительных клетках образуются вакуоли, заполненные клеточным соком.
9. Лизосомы – мелкие органоиды. Представляют собой пузырьки, окруженные мембраной. Внутри лизосомы заполнены пищеварительными ферментами (обнаружено 12 ферментов), которые расщепляют и переваривают крупные макромолекулы (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты).
Функции лизосом: растворение и переваривание макромолекул. Лизосомы участвуют в фагоцитозе. Понятно, что основная функция по перевариванию поступающих в клетку частиц принадлежит лизосомам.
10. Пластиды. Эти органоиды характерны только для растительных клеток. Форма напоминает двояковыпуклую линзу. Структура пластид напоминает таковую у митохондрий: двойной слой мембраны. Наружная – гладкая, внутренняя образует складки, называемые тилакоидами. На тилакоидах происходит основной жизненно важный для всех зеленых растений процесс – фотосинтез:
Пластиды бывают трех типов:
1) Хлоропласты – зеленые пластиды. Их цвет обусловлен наличием хлорофилла. Хлорофилл – основное вещество хлоропластов (имеет зеленый цвет). Только благодаря хлорофиллу возможен процесс фотосинтеза (см. раздел 4.2). Хлоропласты придают зеленый цвет растительным организмам.
2) Хромопласты – пластиды, имеющие различные окраски: от ярко-желтого до пурпурно-багряного. Наличие различных пигментов окрашивают плоды, цветки и осенние листья растений в соответствующие цвета. Этот факт особенно важен для привлечения насекомых к цветкам, как природный индикатор созревания плодов и др.
3) Лейкопласты – бесцветные пластиды, в которых происходит накопление запасных питательных веществ (например, крахмала).
Некоторые виды пластид могут переходить друг в друга: например, переход хлоропластов в хромопласты: созревание томатов, яблок, вишни, и т. д.; изменение окраски листьев в осенний период времени. Лейкопласты могут переходить в хлоропласты: позеленение картофеля на свету. Это доказывает общность происхождения пластид.
11. Клеточные включения. Вакуоли. Это непостоянные и необязательные составляющие клетки. Они могут появляться и исчезать в течение всей жизни клетки. К ним относятся капли жира, зерна крахмала и гликогена, кристаллы щавелево-кислого кальция и др. Жидкие продукты обмена называются клеточным соком и накапливаются они в вакуолях. В клеточном соке растворены сахара, минеральные соли, пигменты и т. д. Чем старше клетка, тем больше клеточного сока накапливает клетка. Молодые клетки практически не содержат вакуолей.
Помимо перечисленного некоторые специализированные клетки обладают специальными органоидами. К ним относятся:
– реснички и жгутики, представляющие собой выросты мембраны клетки, осуществляющие движения клетки. Они имеются у одноклеточных организмов и многоклеточных (кишечный эпителий, сперматозоиды, эпителий дыхательных путей);
– миофибриллы – тонкие нити мышечных клеток, участвующие в сокращении мышц;
– нейрофибриллы – органоиды, характерные для нервных клеток и участвующие в проведении нервных импульсов. Кроме того, в состав клеток входят центриоли – две (иногда более) цилиндрические структуры диаметром около 0,1 мкм и длиной 0,3 мкм. Место расположения центриолей в период между делениями клетки считается серединой клеточного центра. При делении клетки центриоли расходятся в противоположные стороны – к полюсам, определяя ориентацию веретена деления (рис. 16).
Следует иметь в виду, что, хотя животные и растительные клетки имеют много общего, но между ними существуют и серьёзные различия (табл. 3.1).
Более общая классификация клеток представлена на рис. 3.16.
Одно из основных отличий бактерий от архей, состоит в химическом составе мембраны. Бактерии отделены от внешней среды двойным слоем липидов (жиров и жироподобных веществ). Мембраны архей состоят из терпеновых спиртов.
Митохондрии. Пластиды. Органоиды движения
Урок 17. Общая биология 10 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Митохондрии. Пластиды. Органоиды движения»
Растение тянется к солнцу; муравей поднимает груз; превышающий его собственный вес; улитка переползает в более защищённое место; енот переплывает реку. Все движется и перемещается благодаря энергии. Но откуда берётся эта энергия?
Кажется, что такое большое количество энергии образуется в каком-то большом органе. Но как не странно энергетическими станциями являются крохотные органоиды − митохондрии, диаметром 0,2–1 мкм и длиной до 7 мкм. Они располагаются практически во всех клетках…растений, животных и грибов. Именно здесь в митохондриях образуется и аккумулируется энергия.
Митохондрии – это органоиды клетки, которые участвуют в процессе клеточного дыхания и запасающие для клетки энергию в виде АТФ. То есть в такой форме, в которой энергия доступна для использования во всех процессах клетки, требующих затрат энергии.
Количество митохондрий в клетках может быть различным, оно зависит от такого какую функцию выполняет клетка. Их больше в тех клетках, которые нуждаются в большем количестве энергии. Например, в клетках способных к движению. Особенно много митохондрий в мышечных клетках и клетках печени.
Различается не только количество митохондрий, но и их форма. Чаще всего митохондрии имеют овальную форму. Но бывают округлые, палочковидные и другие.
Однако несмотря на разнообразие форм, все они имеют единый план строения.
Митохондрии имеют двуслойную мембрану. Наружная гладкая.
Внутренняя мембрана образует многочисленные складки – кристы. Складки увеличивают поверхность мембраны.
Ограниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом.
В матриксе митохондрии, находятся ферменты, необходимые для многих биохимических реакций.
На кристах митохондрий с участием ферментов при клеточном дыхании синтезируются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, сокращённо АТФ.
Эти молекулы являются универсальными источниками энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.
АТФ относится к так называемым макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе (разрыве) которых происходит освобождение значительного количества энергии.
Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, что приводит к выделению, по различным данным, от 40 до 60 кДж/моль.
Высвобожденная энергия используется в разнообразных процессах, протекающих с затратом энергии, например, при делении клетки.
В покое человеком расходуется 28 грамм АТФ в минуту, что составляет 1,5 кг в час. При физической нагрузке расход составляет 0,5 кг в минуту. Через транспортные белки наружной мембраны митохондрий проникают крупные молекулы.
На стороне мембраны, обращённой к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы (это группа ферментов). Благодаря АТФ-синтезам происходит синтез АТФ.
Из матрикса в межмембранное пространство выкачиваются ионы водорода.
Между двумя сторонами внутренней мембраны получается разная концентрация этих ионов. Эта разница называется разницей градиента концентрации ионов водорода.
Энергия градиента используется на синтез АТФ из АДФ и фосфата. Это происходит в АТФ-синтазе. АТФ-синтаза работает как вращающаяся машина.
Один протон из межмембранного пространства входит в АТФ-синтазу. А второй покидает ее уходя в матрикс.
Мембранная часть АТФ-синтазы проворачивается, когда приходит новый протон. При прохождении трёх протонов в матрикс, высвобождается достаточно энергии для синтеза 1-й молекулы АТФ.
К АДФ (аденозин дифосфорной кислоте) присоединится фосфат и получится молекула АТФ. (аденозин трифосфорная кислота).
Когда концентрация протонов по обе стороны мембраны становится одинаковая, процесс синтеза АТФ прекращается. Синтезированные молекулы АТФ переносятся в разные части клетки, при помощи белков переносчиков.
Однако в биологических системах градиент концентрации всегда поддерживается. Он создаётся при прохождении электронов по трём мембранным комплексам электронно-транспортной цепи на внутренней мембране митохондрий. Этот процесс мы рассмотрим позже.
Благодаря синтезу АТФ, митохондрии называют энергетическими органоидами клетки. Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (например, жирных кислоты, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.
Митохондрия функционирует в среднем 10 суток. Обновление митохондрий происходит путём их деления.
Митохондрии и хлоропласты предположительно произошли от бактерий, проникших в эукариотическую клетку путём эндоцитоза и начавших участвовать в её окислительных процессах.
В связи с этим митохондрии имеют собственный геном. Как и у прокариот, ДНК митохондрий представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу, которая обеспечивает их самовоспроизведение.
Растительные клетки помимо митохондрий содержат пластиды.
Рассмотрим строение и функции пластид.
Пластиды являются основными цитоплазматическими органеллами растительных клеток.
В зависимости от окраски и выполняемой функции выделяют три типа пластид: лейкопласты, хромопласты, хлоропласты.
В пластидах также содержатся пигменты, обусловливающие их цвет.
Итак, лейкопласты представляют собой бесцветные пластиды.
Размеры этих органелл относительно небольшие. Они имеют округлую либо слегка продолговатую форму. Основная функция лейкопластов обычно запасающая. В них содержатся ферменты, с помощью которых из простых веществ образуются сложные. Например, крахмал, жиры, белки, которые сохраняются про запас в клубнях, корнях, семенах и плодах.
Амилопласты – это пластиды, которые накапливают крахмал.
Олеопласты − накапливают жиры.
Протеинопласты накапливают белки.
А также этиопласты – это лейкопласты, на которые не попал солнечный свет.
Следующий вид лейкопластов хромопласты – это пластиды, окраска которых бывает жёлтого, оранжевого или красного цвета, из-за накопления в них каротиноидов. Каротиноиды – это природные органические пигменты, которые окрашены в жёлтый, оранжевый или красный цвета.
Хромопласты наиболее характерны для клеток околоцветников растений. Яркая окраска цветков привлекает насекомых-опылителей.
Как и хлорофилл, хромопласты участвуют в фотосинтезе, однако они улавливают ту часть солнечного спектра, которая осталась вне поля зрения хлорофилла.
Кроме того, пигменты, расположенные в хромопластах, выполняют роль светофильтров, которые защищают чувствительные к свету ферменты от разрушения.
Самые важные пластиды клеток растений — это хлоропласты.
Обычно в клетках листа содержится до 20-100 штук хлоропластов.
Как и митохондрии, они имеют двумембранное строение. Внутренняя мембрана, врастая в строму, образует систему основных структурных единиц хлоропластов в виде уплощённых мешков стопок — тилакоидов, в которых локализованы пигменты.
Каждая отдельная стопка называется граной. Граны состоят из тилакоидов. Мембрана тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые реакции фотосинтеза. Эти реакции идут при участии фотосинтетических пигментов хлорофиллов, расположенных на мембране тилакода. Так как именно хлорофилл обладает способностью поглощать лучи света.
А реакции использования запасной энергии для синтеза органических веществ (темновая стадия фотосинтеза) протекают в строме пластид.
Строма – это пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами.
Хлоропласты созданы для того, чтобы ловить энергию солнечного света. И если посмотреть под микроскоп на срез листа, то можно увидеть, как в его клетках происходит их движение с током цитоплазмы.
Такое движение необходимо для лучшего улавливания хлорофиллом солнечного света. Так как солнце меняет своё положение в течении суток, меняется также и положение растения относительно солнца.
Все виды пластид имеют общее происхождение и способны переходить из одного вида в другой.
Так, превращение лейкопластов в хлоропласты наблюдается при озеленении картофельных клубней на свету. А в осенний период в хлоропластах зелёных листьев разрушается хлорофилл, и они превращаются в хромопласты, что проявляется пожелтением листьев. Зелёные хлоропласты теряют хлорофилл и превращаться в хромопласты также при созревании плодов.
У амёбы движение цитоплазмы вызывает движение всего одноклеточного организма. Выпячивая цитоплазму амёба захватывает пищу.
Амёбоидное движение также свойственно и некоторым клеткам многоклеточных организмов. Например, макрофагам.
Они способны к активному захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и других чужеродных или токсичных для организма частиц.
Другой тип клеточного движения − жгутиковое. Оно осуществляется при помощи поверхностной структуры- жгутика. Активное участие в данном движении принимают микротрубочки.
На поперечном срезе можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре 2 пары. Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счёт энергии АТФ. Это приводит к тому что пары микротрубочек начинают двигаться относительно дгуг друга. Жгутик изгибается, и клетка начинает движение.
Сходно со жгутиковым ─ ресничное движение. Например, как у инфузории-туфельки. Обычно у одной клетки только один жгутик, а ресничек может быть много.
Реснички идентичны по своему строению жгутику, но более короткие. Жгутики и реснички крепятся к цитоплазме клеток благодаря базальным тельцам.
Рядом с базальным тельцем располагается особая органелла, которая обеспечивает выработку энергии. Все реснички изгибаются согласованно, чем и обеспечивается движение всей клетки.
На поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек. С помощью которых она передвигается со скоростью 3 миллиметра в секунду.
Клетки эпителия дыхательных путей тоже имеют подвижные реснички. Их колебания создают ток жидкости удаляющее твёрдые частицы.