Двумембранные органоиды: строение и функции

Что общего между меланхоличной улиткой, стремительно летящей птицей и мальчиком, играющим на скрипке? Вы думаете, ничего? И все-таки есть то, что объединяет не только их, но и все другие живые организмы между собой. Это клеточное строение тела. Клетка – элементарная частица жизни на Земле, состоящая из структурных частей, называемых органоидами. Одномембранные и двумембранные, или же совершенно лишенные оболочки органоиды, выполняют в клетке определенные функции. В нашей статье мы изучим их подробнее.

Митохондрии

Откуда клетка берет энергию для того, чтобы расти, делиться и даже двигаться? Посмотрите на строение органеллы митохондрии, которую называют клеточной силовой станцией. Все предельно просто и совершенно.

Двумембранные органоиды представляют собой удлиненные тельца, покрытые двумя мембранами. Внутренняя оболочка имеет выросты – кристы. Они погружены в коллоидный раствор - матрикс. Химический анализ показал, что в его составе находятся магниевые и кальциевые соли, рибонуклеиновые кислоты, множество рибосом, и даже собственное вещество наследственности.

ДНК двумембранных органелл имеет вид кольца и, по сути, является плазмидой, по строению аналогичной наследственному материалу прокариотов. На кристах уютно примостились многочисленные ферменты, окисляющие органические вещества. Химические реакции, происходящие на выростах митохондрий, относятся к третьему этапу энергетического обмена. Его результатом является синтез 36 молей АТФ, образующихся при расщеплении одного моля глюкозы.

Выделившаяся при этом энергия накапливается в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты. Она является главным энергетическим запасом, который расходуется на процессы клеточной жизнедеятельности, такие как, например, митоз, ростовые процессы, перемещение веществ цитоплазмы.

О чем говорит количество митохондрий в клетке?

Многие представители простейших организмов, например, амеба, имеют одну крупную митохондрию. Вырабатываемых ею молекул АТФ оказывается достаточно для сравнительно невысокого уровня обмена веществ и консервативного способа жизни животного.

Клетки подкожной жировой клетчатки бедны на митохондрии. Это и понятно: низкая активность жировой ткани, выполняющей защитную и запасающую функцию, не требует значительного расходования энергии. У сперматозоида млекопитающих в его промежуточном отделе, находящемся позади шейки, расположены несколько митохондрий. Накапливаемой ими энергии в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты должно хватить на поступательные и вращательные движения хвоста. Для сперматозоида жизненно важно обладать высокой скоростью, позволяющей ему первым проникнуть в яйцеклетку.

Еще одни высокоактивные клетки, например миофибриллы скелетных мышц, содержат в своей цитоплазме так много двумембранных органоидов, что они, сливаясь между собой, формируют митохондриальный ретикулум. Синтезируемая ним энергия, используется для проведения мышечных сокращений белков актина и миозина при физических нагрузках организма.

Хлоропласты

Если митохондрии, о которых речь шла ранее, являются обязательными органеллами всех видов клеток, то о хлоропластах такое не скажешь. Они – типичные представители внутреннего строения растительных организмов.

Эти двумембранные органоиды растительной клетки именуют зелеными пластидами. Окраска стеблей, листьев, незрелых плодов обусловлена присутствием в хлоропластах хлорофилла – пигмента зеленого цвета. Внутренняя мембрана образует тонкие пластинчатые структуры – тилакоиды. Они компактно упакованы в стопки, которые называются гранами. Отдельные их участки функционируют, как антенны, улавливающие и фокусирующие безграничные потоки солнечной энергии. Она преобразуется в двумембранном органоиде, хлоропласте, в химический вид энергии, запасаемый в форме макроэргических связей в молекулах АТФ.

В этом процессе важная роль принадлежит ионам магния, входящим вместе с многоатомным спиртом фитолом в состав хлорофилла. Под действием квантов света электроны последнего энергетического уровня атома магния переходят в возбужденное состояние. При этом они на доли секунды занимают более высокий энергетический уровень. Возвращаясь на прежние орбитали, электроны отдают часть энергии активным центрам гран. Запускается механизм проведения реакций световой фазы фотосинтеза.

Фотосинтез и его роль в эволюции жизни на Земле

Появление зеленых пластид в цитоплазме растительной клетки ознаменовало собой возникновение такого процесса, как кислородное дыхание. Оно стало происходить с использованием молекул O₂, выделяющихся из двумембранных органоидов в световой фазе фотосинтеза.

Накопление кислорода в атмосфере планеты вызвало глобальное изменение газового состава атмосферы Земли. Это, в конечном итоге, привело к выходу животных организмов на сушу. Для своего обмена веществ они стали использовать молекулы O₂, находящиеся не в воде, а в воздухе. Таким образом, благодаря двумембранным органеллам - хлоропластам, кардинально изменилась картина развития жизни на нашей планете.

Биологические системы в присутствии молекул кислорода, находящихся в воздухе, стали быстро распространяться как в литосфере, так и в атмосфере Земли. Оставшиеся в воде растения - водоросли, клетки которых содержат хлоропласты, продолжают процесс фотосинтеза. Они обогащают гидросферу кислородом и органическими соединениями, обеспечивая жизнедеятельность организмов - гидробионтов.

Лейкопласты и хромопласты

Другие виды пластид, окрашивающие плоды, семена, венчики цветков во все возможные оттенки радуги – это хромопласты и лейкопласты. Первая группа содержит такие пигменты, как каротин, фукоксантин, ксантофилл, дающих оранжевый, красный, фиолетовый цвета.

Лейкопласты же вообще лишены пигментов. Они встречаются, например, в кожуре томатов молочной спелости. От зеленых пластид они отличаются, прежде всего, отсутствием тилакоидов и гран. Особенностью двумембранных лейкопластов является то, что они вмещают в себя множество ферментов класса протеаз и амилаз, способных расщеплять белки и крахмал.

Хромопласты и лейкопласты - органеллы, устроенные проще, чем хлоропласты, и развиваются они из зеленых пластид – двумембранных органоидов, о которых мы упоминали ранее.

Ядро

Органелла, о которой пойдет речь далее, настолько важна, что ее отсутствие или наличие в клетке позволило разделить все существующие живые организмы на две группы. Это прокариоты и эукариоты.

Первая группа в своих клетках не содержит ядра и хранит наследственную информацию в виде кольцеобразной плазмиды в уплотненном участке цитоплазмы. Другая группа, а к ней относится большинство организмов, имеет двумембранные органоиды – ядра, хранящие генное вещество. Во время деления материнской клетки наследственная информация поровну распределяется между дочерними клетками, чьи ядра содержат идентичное количество хромосомного материала.

Ядерная оболочка

Каково строение оболочки самой важной органеллы клетки? Опытным путем доказано, что удалив из клетки ядро, мы, тем самым, обрекаем ее на гибель. Оболочка двумембранных органоидов, ядер, имеет сложный состав и является продолжением эндоплазматической сети. Вся ее поверхность пронизана отверстиями – порами, в которых внешняя и внутренняя мембраны переходят друг в друга.

Однако поры – это не обычные отверстия. Они содержат специальные сигнальные пептиды, осуществляющие фейс-контроль над веществами, поступающими в цитоплазму клетки из межклеточной жидкости и удаляющимися из клетки наружу. Не только ядро, но и другие двумембранные органоиды имеют аналогичное строение своей оболочки.

Эндосимбионты

После рассмотрения строения и функций митохондрий и хлоропластов, остается открытым вопрос их появления в клетке. Гипотетически можно предположить, что они возникли у первичных прокариотов, вступивших в особую форму симбиоза с бактериями, обитавшими в теле безъядерной клетки – прокариота. Такая идея принята многими учеными – биологами, считающими, что фотосинтез и окисление питательных соединений происходили в прокариотических клетках задолго до появления первых ядерных организмов, содержащих двумембранные органоиды.

В нашей статье мы изучили строение двумембранных органоидов, их функции, а также значение в жизнедеятельности растительных и животных клеток.