Только митохондрии и пластиды, в отличие от других органоидов клетки, имеют собственную генетическую систему, обеспечивающую их самовоспроизводство. ДНК митохондрии имеет форму замкнутого кольца, как у прокариот. В митохондриях также имеется собственная РНК и особые рибосомы. Если клетке предстоит деление или она интенсивно расходует энергию, митохондрии начинают делиться и их число возрастает. Если же потребность в энергии снижена, то число митохондрий в клетках заметно уменьшается.
Пластиды. Органоиды, характерные только для растительных клеток, – это пластиды. (Исключение составляют некоторые жгутиковые простейшие, такие как эвглена зелёная и вольвокс.) Так же как митохондрии, они имеют двумембранную структуру и собственный генетический аппарат. Пластиды подразделяют на хлоропласты, содержащие хлорофилл; хромопласты, содержащие красные, оранжевые и фиолетовые пигменты, и лейкопласты, бесцветные, выполняющие в основном запасающие функции. Под воздействием яркого света лейкопласты начинают вырабатывать зелёный пигмент хлорофилл и становятся хлоропластами. Поэтому, кстати, зеленеют на свету клубни картофеля.
Рис. 34. Строение митохондрии: А – расположение в клетке; Б – схема строения; В – электронная фотография участка митохондрии
В клетках листьев растений осенью хлорофилл разрушается, и окраску листьев начинают определять другие пигменты – каротиноиды и антоцианы. Поэтому листья осенью окрашиваются в жёлтый, красный или оранжевый цвет.
В клетке листа обычно содержится несколько десятков хлоропластов (20–100 штук). Они имеют форму двояковыпуклых линз, их размер примерно 5×10 мкм. Под наружной гладкой мембраной находится внутренняя, складчатая. Из её складок формируются плоские мешочки, называемые тилакоидами (рис. 35), а между тилакоидами располагается внутренняя среда хлоропласта – строма. Часто тилакоиды собираются в стопки, которые называются граны.
Хлоропласты – органоиды фотосинтеза. Реакции фотосинтеза, связанные с получением энергии за счёт света (световая фаза), протекают на мембранах тилакоидов, а реакции использования запасённой энергии для синтеза органических веществ (темновая фаза) – в строме пластид. По-видимому, пластиды, так же как и митохондрии, имели свободноживущих предков, причём считается, что этими предками пластид были древние цианобактерии.
Рис. 35. Строение хлоропласта
Органоиды движения. Многие клетки способны к движению, причём механизмы двигательных реакций могут быть различными. Выделяют амебоидное (амёбы, лейкоциты), ресничное (инфузория туфелька, клетки мерцательного эпителия дыхательных путей), жгутиковое (сперматозоиды, эвглена зелёная) и мышечное виды движения.
Жгутик всех эукариотических клеток имеет длину около 100 мкм. На поперечном срезе можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре – 2 микротрубочки.
Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счёт энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ. Это приводит к тому, что пары микротрубочек начинают двигаться друг относительно друга, жгутик изгибается и клетка начинает движение. Таков же механизм движения ресничек, длина которых составляет всего 10–15 мкм. Обычно у одной клетки бывает только один жгутик, а ресничек может быть очень много, и все их движения скоординированы, чем и обеспечивается движение клетки. Например, на поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек, с помощью которых она может передвигаться со скоростью 3 мм/с. На каждой клетке ресничного эпителия, выстилающего верхние дыхательные пути, насчитывается до 250 ресничек.
Митохондрии. Пластиды. Тилакоиды. Граны. Строма. Органоиды движения.
1. Сколько митохондрий может содержаться в различных клетках?
2. Почему ДНК митохондрий наследуется только по линии матери?
3. Какую функцию выполняют лейкопласты?
4. Какое строение имеет хлоропласт?
5. В каких частях хлоропластов протекают реакции световой фазы фотосинтеза?
Приведите примеры различных видов движения клеток. Сравните механизм движения у разных видов клеток.
Наличие в митохондриях кольцевой ДНК, их способность к делению, а также отсутствие митохондрий в клетках прокариот позволили выдвинуть гипотезу о том, что предки митохондрий были свободноживущими прокариотами, ставшими затем паразитами (или жертвами) эукариотических клеток. Со временем они превратились в симбионтов всех клеток эукариот, обеспечивая их энергией. У млекопитающих митохондрии наследуются только по линии матери, так как все митохондрии будущего организма содержатся в яйцеклетке, а при оплодотворении из сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки проникает только ядро. Поэтому, анализируя митохондриальную ДНК, можно проследить родственные связи по линии матери.
У одной из самых древних групп растений – водорослей в каждой клетке обычно находится всего по одному большому органоиду – хроматофору. У хламидомонады хроматофор чашевидный, у спирогиры – спиральный.
Клетки, имеющие жгутики, могут двигаться либо жгутиком вперёд, либо жгутиком назад. Например, у эвглены зелёной жгутик расположен на переднем конце клетки.
§ 18. Сходства и различия в строении прокариотических и эукариотических клеток
1. Вспомните примеры многоядерных клеток.
2. Какую форму могут иметь бактерии?
Прокариоты. Древнейшие на Земле организмы не имеют клеточного ядра и называются прокариотами, т. е. доядерными. Они объединяются в отдельное царство – Дробянки, к которому относятся бактерии и сине-зелёные водоросли. Каковы же отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?
Рис. 36. Схема строения прокариотической клетки: 1 – слой клейкой слизи; 2 – клеточная стенка; 3 – плазматическая мембрана; 4 – мезосомы; 5 – хромосома (кольцевая молекула ДНК); 6 – капли питательных веществ; 7 – складчатая фотосинтезирующая мембрана; 8 – рибосомы; 9 – жгутики
Клетки прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот – их размеры редко превышают 10 мкм, а бывают клетки размером даже 0,3 X 0,2 мкм. Правда, есть и исключения – описана огромная бактериальная клетка размером 100 X 10 мкм.
Строение и обмен веществ прокариот. Прокариоты, как следует из их названия, не имеют оформленного ядра. Единственная кольцевая молекула ДНК, находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не окружена мембраной и располагается непосредственно в цитоплазме (рис. 36).
Снаружи клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной. Строение мембран у двух этих групп организмов одинаковое. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки – мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке. Поверх плазматической мембраны клетки прокариот покрыты оболочкой, состоящей из углеводов, напоминающей клеточную стенку растительных клеток. Однако эта стенка образована не клетчаткой, как у растений, а другими полисахаридами – пектином и муреином.
В цитоплазме прокариотических клеток нет мембранных органоидов: митохондрий, пластидов, ЭПС, комплекса Гольджи, лизосом. Их функции выполняют складки и впячивания наружной мембраны – мезосомы. В цитоплазме прокариот беспорядочно располагаются мелкие рибосомы. Цитоскелета в прокариотических клетках тоже нет, но иногда встречаются жгутики.
Рис. 37. Схема образования спор у бактерий
Большинство эукариот являются аэробами, т. е. используют в энергетическом обмене кислород воздуха. Напротив, многие прокариоты являются анаэробами, и кислород для них вреден. Некоторые бактерии, называемые азотфиксирующими, способны усваивать азот воздуха, чего эукариоты делать не могут.
Те виды прокариот, которые получают энергию благодаря фотосинтезу, содержат особую разновидность хлорофилла, который может располагаться на мезосомах.
Образование спор. В неблагоприятных условиях (холод, жара, засуха и т. д.) многие бактерии способны образовывать споры. При спорообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется особая плотная оболочка, а остальное содержимое клетки отмирает (рис. 37). Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из неё снова прорастает активная бактерия. Недавно немецкие исследователи сообщили, что им удалось «оживить» споры бактерий, которые образовались 180 млн лет назад при высыхании древних морей!
