§ 13. Мембранные органоиды

1. Что представляет собой эндоплазматическая сеть? Какие существуют виды ЭПС, каковы их функции?

Эндоплазматическая сеть — это замкнутая система, которая состоит из соединенных между собой уплощенных полостей — цистерн и разветвленных каналов. Цистерны и каналы ЭПС пронизывают гиалоплазму клетки. Они ограничены мембраной, переходящей в наружную мембрану ядра.

Существуют два вида ЭПС — шероховатая и гладкая.

Шероховатая ЭПС участвует в синтезе белков, а гладкая — различных углеводов и липидов.

2. Охарактеризуйте строение комплекса Гольджи. Какие функции он выполняет?

Комплекс Гольджи представляет собой стопку плоских дисковидных цистерн и связанную с ними систему пузырьков. В комплексе Гольджи выделяют два полюса. Полюс, расположенный ближе к ядру клетки, принимает вещества, синтезированные в ЭПС. Сюда поступают мембранные пузырьки, которые отделились от ЭПС, и происходит их слияние с цистернами аппарата Гольджи. Вещества, поступившие в комплекс Гольджи, перемещаются по цистернам к противоположному полюсу, обращенному к цитоплазматической мембране. При этом они претерпевают различные биохимические превращения.

В цистернах полюса, обращенного к плазмалемме, происходит разделение и сортировка молекул по химическому составу и назначению. Далее вещества упаковываются в мембранные пузырьки, которые отделяются от цистерн аппарата Гольджи. Внутреннее содержимое этих пузырьков выводится из клетки путем экзоцитоза, а их мембраны включаются в состав плазмалеммы. Так происходит секреция клеткой различных веществ во внеклеточную среду и обновление цитоплазматической мембраны. Кроме того, из некоторых пузырьков комплекса Гольджи формируются лизосомы и вакуоли.

3. Как образуются и что содержат лизосомы? Вакуоли растительных клеток? Каковы функции этих органоидов?

Молекулы лизосом изначально синтезируются в рибосомах на мембранах шероховатой ЭПС и затем переносятся в комплекс Гольджи. От него отделяются так называемые первичные лизосомы — мембранные пузырьки, содержащие ферменты, которые подверглись необходимым превращениям. Первичные лизосомы могут сливаться с эндоцитозными пузырьками. Так образуются вторичные лизосомы, или пищеварительные вакуоли.

Лизосомы содержат ферменты, способные расщеплять различные органические соединения (белки, углеводы, липиды и др).

Лизосомы участвуют не только в расщеплении веществ, поступивших в результате эндоцитоза, но и в переваривании структурных компонентов клетки, и даже целых клеток. Благодаря лизосомам могут уничтожаться, например, дефектные или отслужившие свой срок органоиды, поврежденные или погибшие клетки.

Вакуоли растительных клеток образуются из небольших мембранных пузырьков, которые являются производными ЭПС или комплекса Гольджи.

Содержимое вакуоли — клеточный сок — представляет собой водный раствор различных веществ. Так, в состав клеточного сока могут входить запасные вещества, например углеводы, карбоновые кислоты, аминокислоты, пигменты, ферменты или конечные продукты метаболизма клетки.

Вакуоли обеспечивают накопление, хранение и изоляцию различных веществ. За счет пигментов, содержащихся в клеточном соке, они способны придавать окраску разным частям растений. Клеточный сок является более концентрированным раствором, чем гиалоплазма, поэтому в вакуоль путем осмоса поступает вода. За счет этого вакуоль оказывает давление на гиалоплазму и тем самым на клеточную стенку. Так в клетке поддерживается тургорное давление, которое обусловливает сохранение ее формы. Поглощение воды вакуолями играет важную роль в растяжении молодых клеток при их росте и в регуляции водного режима растения.

4. Для каких организмов характерны сократительные вакуоли? В чем заключается их роль?

Сократительные вакуоли характерны для одноклеточных пресноводных протистов.

Роль сократительных вакуолей заключается в выведении из клетки избытка воды. Это способствует поддержанию определенного объема клетки, что препятствует ее разрыву. Кроме того, вместе с водой из клетки выводятся растворенные в ней продукты обмена веществ. 

5. Как устроены митохондрии? Какую основную функцию они выполняют?

Каждая митохондрия ограничена двумя мембранами — наружной и внутренней, между которыми находится межмембранное пространство. Наружная мембрана митохондрии гладкая, не образует впячиваний и складок. Она отделяет органоид от гиалоплазмы и обладает высокой проницаемостью для ионов и небольших молекул. Внутренняя мембрана характеризуется гораздо меньшей проницаемостью. Она образует многочисленные складки — кристы, которые значительно увеличивают площадь ее поверхности.

Содержимое митохондрии, ограниченное внутренней мембраной, называется матриксом. В матриксе содержатся различные неорганические и органические вещества (в том числе разнообразные ферменты), кольцевые молекулы ДНК, все виды РНК, а также находятся рибосомы.

Основная функция митохондрий — обеспечение клетки энергией в виде АТФ. 

6. Какие типы пластид выделяют у растений? Чем они различаются? Охарактеризуйте строение и функции хлоропластов.

У растений выделяют три типа пластид: хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Они различаются строением, окраской и выполняемыми функциями.

При развитии хлоропластов их внутренняя мембрана образует впячивания, направленные в строму. Далее они отделяются от внутренней мембраны, преобразуясь в тилакоиды — плоские одномембранные мешочки. Дисковидные тилакоиды, расположенные друг над другом, формируют граны, напоминающие стопки монет. Отдельные граны соединяются между собой вытянутыми в длину тилакоидами.

Главной функцией хлоропластов является осуществление процесса фотосинтеза.

7. Докажите справедливость утверждения: «Одномембранные органоиды клетки взаимосвязаны и образуют единую мембранную систему, каждый компонент которой специализирован на выполнении определенных функций».

Одномембранные органоиды — это эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли. Каждый из данных органоидов представляет собой отсек или систему отсеков, обособленных от других компартментов и гиалоплазмы. В каждом органоиде содержатся или синтезируются определённые вещества, протекают специфические биохимические процессы.

Вместе с тем одномембранные органоиды взаимосвязаны транспортом веществ и способностью перехода мембран одних органоидов в мембраны других. Так пузырьки, которые отделяются от ЭПС, сливаются с мембранами комплекса Гольджи. При этом вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, поступают в комплекс Гольджи для накопления, модификации и последующего выведения из клетки. Лизосомы, которые содержат пищеварительные ферменты, отделяются от цистерн комплекса Гольджи. Вакуоли формируются из пузырьков комплекса Гольджи или пузыревидных расширений ЭПС. Всё это доказывает специализацию одномембранных органоидов по выполняемым функциям, а также их тесную взаимосвязь.

8. Биологические мембраны имеют общий план строения, но могут отличаться по составу и свойствам. Так, миелиновая оболочка аксона, образованная плазмалеммой клеток глии, содержит около 75 % липидов и только 25 % белков. В цитоплазматической мембране количество липидов и белков примерно равное, а во внутренней мембране хлоропластов и митохондрий содержание белков достигает 75 %. Как вы думаете, с чем это связано?

Строение мембран различных клеток и внутриклеточных органелл обуславливается особенностями выполняемых ими функций.

Цитоплазматическая мембрана, окружающая каждую клетку, определяет её величину, обеспечивает транспорт малых и больших молекул из клетки и в клетку, поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны. Мембрана участвует в межклеточных контактах, воспринимает, усиливает и передаёт внутрь клетки сигналы внешней среды. С мембраной связаны многие ферменты, катализирующие биохимические реакции. В цитоплазматической мембране количество липидов и белков примерно равное, что обеспечивает клетке структурную устойчивость с сохранением необходимой способности к межклеточному взаимодействию.

Мембраны митохондрий и хлоропластов содержат большое количество белков, которые выполняют в основном каталитическую и транспортную функции. Белки мембран митохондрий и хлоропластов обеспечивают избирательный перенос веществ. Белки-ферменты митохондриальных мембран участвуют в транспорте электронов (цепи переноса электронов) и синтезе АТФ. Белки-ферменты мембран хлоропластов участвуют в транспорте электронов (цепи переноса электронов) и синтезе хлорофилла. 

Миелин – специализированная мембрана нервного волокна многослойна и содержит большое количество липидов. Благодаря чему мембрана становится более «пластичной». Миелин изолирует большую часть поверхности нервного волокна и ускоряет прохождение нервного импульса. Поэтому из-за узкой специализации мембрана нервного волокна имеет особую структуру.