Строение клетки: органоиды и их функции

В любой эукариотической клетке выделяют три обязательные части: наружную плазматическую мембрану, цитоплазму с органоидами и ядро. Сама клетка — структурная и функциональная единица живого, способная к самовоспроизведению и обмену веществ.

Плазматическая мембрана отграничивает содержимое клетки от внешней среды и регулирует поступление веществ. Цитоплазма — внутренняя полужидкая среда, в которой расположены органоиды и протекает большинство реакций обмена веществ. В ядре хранится наследственная информация, там же регулируются процессы жизнедеятельности.

Органоиды — постоянные структуры цитоплазмы, и у каждого своя функция. По строению их делят на:

• двумембранные — митохондрии, пластиды;
• одномембранные — ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, пероксисомы;
• немембранные — рибосомы, клеточный центр, цитоскелет, реснички и жгутики.

Ядро в разных учебниках описывают по-разному: как органоид или как отдельный компонент клетки. Чаще его рассматривают отдельно от органоидов цитоплазмы, поскольку оно окружено собственной двумембранной оболочкой и содержит наследственный материал. Если ядро относят к органоидам, оно попадает в группу двумембранных вместе с митохондриями и пластидами.

[СХЕМА: обобщённая эукариотическая клетка в разрезе с подписями: плазматическая мембрана, цитоплазма, ядро с ядрышком, митохондрия, шероховатая и гладкая ЭПС, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосома, клеточный центр, цитоскелет]

В таблице собраны органоиды клетки и их функции, а рядом — ядро и плазматическая мембрана: их обычно разбирают вместе с органоидами. Функции сформулированы через конкретное действие. Общая фраза «участвует в обмене веществ» не описывает работу органоида и в ответе бесполезна. В графе «Строение» указан тип органоида по числу мембран — по этому основанию строится классификация.

Плазматическая мембрана построена по жидкостно-мозаичной модели: основу составляет двойной слой фосфолипидов, в который встроены белки. Гидрофильные головки фосфолипидов обращены наружу и внутрь клетки, гидрофобные хвосты — друг к другу. Белки либо пронизывают мембрану насквозь, либо располагаются на её поверхности; они выполняют транспортную, рецепторную и ферментативную функции. У животных клеток над мембраной расположен гликокаликс — слой углеводов, связанных с белками и липидами.

Транспорт веществ через мембрану делят на пассивный и активный:

• пассивный протекает по градиенту концентрации без затрат АТФ; к нему относят диффузию (перемещение молекул газов и мелких веществ), осмос (диффузию воды) и облегчённую диффузию через белки-переносчики;
• активный идёт против градиента концентрации, и энергия АТФ здесь расходуется обязательно. Школьный пример — калий-натриевый насос: он выводит ионы натрия из клетки и переносит ионы калия внутрь.

Крупные частицы поступают в клетку путём эндоцитоза. Фагоцитоз — захват твёрдых частиц выростами мембраны; так лейкоциты поглощают бактерии. Пиноцитоз — захват капель жидкости с растворёнными веществами. Обратный процесс, экзоцитоз, выводит содержимое пузырька из клетки: его мембрана сливается с плазматической. У растительных клеток фагоцитоз затруднён, поскольку поверх мембраны расположена жёсткая клеточная стенка.

Осмос нередко относят к активному транспорту. Это неверно: вода перемещается по градиенту концентрации, энергия АТФ при этом не расходуется.

Ядро хранит наследственную информацию и регулирует процессы жизнедеятельности. Оно окружено оболочкой из двух мембран, пронизанной ядерными порами: через поры в цитоплазму выходят молекулы иРНК и субъединицы рибосом, а внутрь поступают белки и нуклеотиды. Внутреннее содержимое ядра — кариоплазма (ядерный сок).

Ядрышко — плотное тельце внутри ядра. В нём синтезируется рРНК и собираются субъединицы рибосом. Собственной мембраны у ядрышка нет, и в начале деления клетки оно исчезает.

ДНК в ядре существует в виде хроматина — комплекса ДНК с белками-гистонами. В неделящейся клетке хроматин деспирализован и служит матрицей для синтеза РНК. Перед делением он спирализуется, и каждая молекула ДНК с белками образует компактную хромосому. Хроматин и хромосома — не разные вещества, а два состояния одного комплекса; это различие проверяют в заданиях на клеточный цикл.

Основной объём ДНК эукариотической клетки хранится в ядре. Собственные небольшие кольцевые молекулы ДНК содержат также митохондрии и пластиды.

Митохондрии и пластиды — двумембранные органоиды. Наружная мембрана митохондрии гладкая, внутренняя образует складки, кристы: они увеличивают поверхность для ферментов клеточного дыхания. Внутреннее пространство заполнено матриксом. В митохондриях протекает окисление органических веществ кислородом, за счёт энергии которого синтезируется АТФ, поэтому функцию митохондрий формулируют как энергетическую.

Пластиды характерны для клеток растений и многих водорослей. Их три вида:

• хлоропласты — зелёные, содержат хлорофилл, в них протекает фотосинтез;
• лейкопласты — бесцветные, запасают крахмал;
• хромопласты — жёлто-оранжевые, определяют окраску плодов, лепестков и осенних листьев.

Пластиды способны к взаимопревращениям: при освещении некоторые бесцветные пластиды могут преобразовываться в хлоропласты. Внутренняя мембрана хлоропласта образует тилакоиды, собранные в стопки — граны, а пространство между гранами заполнено стромой.

Оба органоида полуавтономны. Они содержат собственную кольцевую ДНК и мелкие рибосомы, сходные с бактериальными, синтезируют часть своих белков и делятся независимо от деления клетки. По набору признаков «двумембранный, собственная ДНК, кольцевая молекула, деление» митохондрию или пластиду опознают в задании по описанию.

Иногда рассуждают так: в растительной клетке есть хлоропласты, значит митохондрии ей не нужны. Вывод неверный: фотосинтез и дыхание — разные процессы, и растительная клетка содержит оба органоида.

Рибосомы, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и лизосомы образуют единую систему синтеза, транспорта и упаковки веществ.

Рибосома — немембранный органоид из двух субъединиц, состоящих из рРНК и белков; на ней протекает трансляция, то есть синтез белка по матрице иРНК. Рибосомы располагаются свободно в цитоплазме или прикрепляются к мембранам эндоплазматической сети, образуя шероховатую ЭПС. Синтезированный на ней белок поступает в полости ЭПС и транспортируется по канальцам. Гладкая ЭПС рибосом не несёт: на её мембранах синтезируются липиды и углеводы, происходит обезвреживание токсичных веществ.

От ЭПС отшнуровываются мембранные пузырьки с веществами и направляются к аппарату Гольджи, стопке уплощённых цистерн. Здесь белки и липиды модифицируются, например к белку присоединяются углеводные компоненты, затем накапливаются и упаковываются в новые пузырьки. Часть пузырьков выделяет содержимое из клетки путём экзоцитоза. Часть остаётся в цитоплазме в виде лизосом — одномембранных пузырьков с гидролитическими ферментами, которые расщепляют белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты при внутриклеточном переваривании.

Порядок стадий удобно запоминать по последовательности «рибосома → шероховатая ЭПС → аппарат Гольджи → пузырёк»: синтез, доработка, упаковка, выведение. Это схема этапов, а не характеристика механизма — в ответе нужны точные названия структур и процессов.

Функции гладкой и шероховатой ЭПС путают часто. Различие задают рибосомы: есть рибосомы — синтез белка, нет рибосом — синтез липидов и углеводов.

Строение клетки растительной отличают от животной по трём опознавательным признакам: клеточная стенка из целлюлозы, пластиды и крупная центральная вакуоль с клеточным соком. У животной клетки свои опознавательные структуры — клеточный центр с центриолями и гликокаликс. Ниже сравниваются типичные растительная и животная клетки.

Общие для обоих типов структуры: плазматическая мембрана, цитоплазма, ядро, митохондрии, рибосомы, ЭПС, аппарат Гольджи, цитоскелет.

[СХЕМА: животная клетка с подписями: плазматическая мембрана, гликокаликс, ядро, ядрышко, митохондрия, шероховатая ЭПС, гладкая ЭПС, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосома, клеточный центр с центриолями, цитоскелет]

[СХЕМА: растительная клетка с подписями: клеточная стенка, плазматическая мембрана, ядро, ядрышко, хлоропласт, митохондрия, крупная центральная вакуоль, ЭПС, рибосомы, аппарат Гольджи, цитоплазма]

Признак «клеточная стенка» абсолютизировать не стоит. Стенка есть и у грибов (из хитина), и у бактерий (из муреина). Для растений отличителен именно целлюлозный состав.

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра; к ним относятся бактерии и археи. Эукариоты — организмы с оформленным ядром: растения, животные, грибы, одноклеточные эукариоты (простейшие).

В бактериальной клетке отсутствуют ядро, митохондрии, ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, пластиды и клеточный центр. Рибосомы у прокариот есть: синтез белка протекает во всех живых клетках. Реакции энергетического обмена у бактерий идут не в митохондриях: ферментные комплексы дыхательной цепи расположены на плазматической мембране (у ряда групп её поверхность увеличена впячиваниями). Частая потеря балла — вычеркнуть рибосомы из состава бактериальной клетки заодно с мембранными органоидами.

Клеточную теорию сформулировали немецкие учёные Маттиас Шлейден и Теодор Шванн в 1838–1839 годах, обобщив данные о строении клеток растений и животных. В 1855 году Рудольф Вирхов сформулировал положение о том, что каждая клетка происходит от клетки путём деления; оно вошло в клеточную теорию.

Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка — структурная и функциональная единица строения, жизнедеятельности и развития всех живых организмов.
2. Клетки всех организмов сходны по строению, химическому составу и процессам жизнедеятельности.
3. Новые клетки образуются путём деления исходной материнской клетки.
4. Многоклеточный организм представляет собой систему клеток, объединённых в ткани и органы и связанных между собой.

Клеточная теория подтверждает единство происхождения живого: сходство клеток разных царств служит доказательством родства организмов. В развёрнутом ответе нужна именно связка «положение теории → вывод о единстве органического мира».

Типовые форматы заданий, в которых проверяют органоиды клетки и их функции:

1. Определение органоида по описанию. Даётся набор признаков («двумембранный органоид с собственной кольцевой ДНК, внутренняя мембрана образует кристы») — требуется назвать митохондрию.
2. Установление соответствия «органоид — функция» или «органоид — тип клетки»: синтез АТФ, синтез белка, внутриклеточное переваривание, образование веретена деления.
3. Работа с рисунком: узнать органоид по изображению, охарактеризовать его строение и функцию.
4. Сравнение растительной, животной, грибной и бактериальной клеток в заданиях с множественным выбором.
5. Развёрнутый ответ на положения клеточной теории и на полуавтономность митохондрий и пластид.

Разбери типичные ловушки заранее:

• Ядро. Формулировки учебников различаются, поэтому надёжнее описывать ядро не через слово «органоид», а через строение и функцию: двумембранная оболочка с порами, хранение наследственной информации, регуляция процессов жизнедеятельности.
• Виды ЭПС. Гладкую и шероховатую путают. Выручает привязка «рибосомы — белок»: шероховатая ЭПС синтезирует и транспортирует белки, гладкая — липиды и углеводы.
• Клеточная стенка. Неверно: «клеточная стенка есть только у растений». Верно: стенка есть у растений, грибов и бактерий, различается её состав — целлюлоза, хитин, муреин.
• Митохондрии растений. Неверно: «в растительной клетке митохондрий нет, есть хлоропласты». Верно: растительная клетка содержит и митохондрии, и хлоропласты, поскольку дыхание и фотосинтез — разные процессы.
• Рибосомы бактерий. Неверно: «у бактерий нет рибосом». Верно: рибосомы есть у всех клеток, у прокариот они мелкие, немембранные.
• Точность функций. «Митохондрия участвует в обмене веществ» не описывает работу органоида. Точная формулировка: «митохондрия синтезирует АТФ в процессе клеточного дыхания».

Повторить в первую очередь стоит три блока: таблицу органоидов со строением и функциями, три отличия растительной клетки от животной и перечень структур, которых нет у прокариот. Дальше на них опирается вся цитология — и разбираться с фотосинтезом, дыханием и делением клетки будет заметно легче.