Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 49

Митохондрии и пластиды: две мембраны, собственные геномы и происхождение

У митохондрий и пластид есть собственные геномы и рибосомы, но их работа зависит от ядра и всей клетки. Разберём устройство мембран, различие хлоропласта, хромопласта и лейкопласта, а также смысл первичного и вторичного эндосимбиоза без мифа об «автономных клетках внутри клетки».

Строение и функции клетки

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Строение и функции клетки

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Наружная и внутренняя мембраны митохондрии
  • Кристы и матрикс
  • Митохондриальная ДНК и рибосомы
  • Пластиды растений
  • Тилакоиды, строма и пигменты хлоропласта
  • Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты
  • Первичные пластиды
  • Вторичные и сложные пластиды
  • Эндосимбиотическое происхождение
  • Пределы автономности органоидов
Один маршрут секретируемого белкаРибосома + ЭПСАппарат ГольджиПузырёкСборка цепи → обработка и сортировка → перенос к мембране.Митохондрии и пластиды имеют иные функции и собственную ДНК.Не все белки проходят ЭПС и аппарат Гольджи; это путь определённой группы.
Митохондрии и пластиды показаны как отдельные компартменты; их мембраны не являются частью обычного пути ЭПС — Гольджи.

Как это устроено

Митохондрия имеет наружную и внутреннюю мембраны; внутренняя образует кристы, а между мембранами и в матриксе существуют разные условия. Дыхательная цепь и АТФ-синтаза у типичных эукариот размещены во внутренней мембране, поэтому нельзя помещать их «просто в жидкость митохондрии». Органоид участвует и в других процессах, а число и форма митохондрий меняются между клетками. Наличие собственной ДНК и рибосом не отменяет зависимости от ядерного генома и поступающих веществ.

Хлоропласт окружён оболочкой и содержит внутренние мембраны тилакоидов. Световые реакции связаны с тилакоидами, а фиксация CO₂ — главным образом со стромой. Хромопласты и лейкопласты высших растений отличаются составом и функцией, но не образуют три неизменные категории: пластиды способны превращаться друг в друга при развитии ткани. Не вся зелёная структура в живой природе — хлоропласт растения: у фотосинтезирующих прокариот хлоропластов нет.

Эндосимбиотическая гипотеза опирается на совокупность независимых данных: двойные мембраны у типичных первичных органоидов, собственные геномы, некоторые особенности рибосом, способы деления и родство генов с бактериальными линиями. Одна только круглая форма под микроскопом не доказывает происхождение. Первичный пластидный путь связывают с включением цианобактерии; вторичные пластиды возникали после включения фотосинтезирующего эукариота другим эукариотом. Поэтому число мембран и история пластиды у разных водорослей могут различаться.

Фраза «полуавтономный органоид» точнее, чем «самостоятельная клетка»: большая часть белков органоида часто кодируется в ядре, синтезируется в цитозоле и импортируется внутрь. Органоид обменивается метаболитами с цитоплазмой и не существует отдельно от клеточного контекста. При сравнении микрофотографий указывают масштаб и метод: световая микроскопия может показать расположение крупного хлоропласта, но тилакоидные мембраны или кристы различают методами с более высоким разрешением. Из фотографии нельзя вывести генетическое родство без молекулярных данных.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Митохондрия

Органоид многих эукариот с наружной и внутренней мембранами, участвующий в различных путях обмена и энергетического сопряжения.

Пример: Во внутренней мембране митохондрии многих животных клеток расположены компоненты дыхательной цепи.

Криста

Складка внутренней мембраны митохондрии, увеличивающая её площадь и организующая мембранные белковые комплексы.

Пример: На электронной микрофотографии кристы видны внутри митохондрии, но их форма зависит от ткани и состояния клетки.

Матрикс митохондрии

Внутреннее пространство митохондрии, ограниченное внутренней мембраной и содержащее ферменты, ДНК и рибосомы.

Пример: Реакции цикла лимонной кислоты у типичных эукариот протекают главным образом в матриксе.

Митохондриальный геном

Совокупность наследственного материала митохондрии, содержащая только часть инструкций, нужных для работы органоида.

Пример: Многие белки митохондрии кодируются ядерными генами, синтезируются вне неё и затем импортируются.

Пластида

Группа органоидов фотосинтезирующих эукариот, происхождение и функции которых связаны с древними эндосимбиотическими событиями.

Пример: Хлоропласт листа и хромопласт плода относятся к пластидным формам растения.

Хлоропласт

Фотосинтезирующая пластида с пигментами и мембранами тилакоидов, где осуществляются световые стадии фотосинтеза.

Пример: В листе покрытосеменного растения хлоропласты обычно многочисленны в клетках мезофилла.

Тилакоид

Мембранный компартмент хлоропласта, на мембране которого находятся комплексы световых реакций фотосинтеза.

Пример: Разность концентрации протонов между просветом тилакоида и стромой участвует в синтезе АТФ.

Строма хлоропласта

Внутренняя водная среда хлоропласта вокруг тилакоидов, содержащая ферменты, часть генома и рибосомы.

Пример: Фиксация углерода цикла Кальвина у растений происходит в строме.

Хромопласт

Пластида ряда высших растений с заметными каротиноидными пигментами, придающими окраску некоторым цветкам и плодам.

Пример: При созревании томата часть пластид мякоти меняет состав и становится заметно окрашенной.

Лейкопласт

Слабо окрашенная или неокрашенная пластида некоторых растительных тканей, часто связанная с синтезом и запасанием веществ.

Пример: Амилопласты клубня картофеля — пример пластид, в которых накапливается крахмал.

Первичный эндосимбиоз

Эволюционное событие, при котором предок эукариота включил бактериальную клетку и её потомок стал органоидом.

Пример: Первичные пластиды линий Archaeplastida связывают с включением цианобактериального предка.

Вторичный эндосимбиоз

Эволюционный путь образования пластиды после включения уже фотосинтезирующего эукариота другим эукариотом.

Пример: У ряда водорослей пластиды имеют дополнительные окружающие мембраны, связанные с таким происхождением.

Полуавтономный органоид

Органоид с частью собственного генетического аппарата, который всё же нуждается во множестве продуктов других компартментов клетки.

Пример: Митохондрия делится и синтезирует часть белков, но не может существовать как независимый организм вне подходящей клетки.

Пример по шагам

На снимке водоросли пластида окружена дополнительными мембранами. Можно ли назвать её «не настоящим хлоропластом»?

  1. Сначала определяют, выполняет ли органоид фотосинтетическую функцию и какие у него мембраны и геном.
  2. Дополнительные мембраны совместимы со вторичной эндосимбиотической историей, а не с отсутствием пластидной природы.
  3. Для точной реконструкции сравнивают несколько линий молекулярных и структурных данных.

Вывод: Число мембран сообщает о возможном происхождении, но одно изображение не определяет всю эволюционную историю.

Практическая работа

Четыре линии доказательств происхождения органоидов

  1. На готовых схемах митохондрии и пластиды отметьте мембраны, внутреннее пространство, геном и рибосомы.
  2. Сопоставьте эти наблюдения с данными о родстве последовательностей органоидов и бактерий.
  3. Для каждого признака запишите альтернативное объяснение и почему совокупность независимых признаков сильнее одного сходства.

Что можно заключить: Эндосимбиотическое происхождение поддерживается согласованием структурных и генетических свидетельств, а не одной учебной картинкой.

Безопасность: Используйте открытые снимки и схемы; не собирайте неизвестные водоросли для культивирования и не применяйте фиксирующие реактивы самостоятельно.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.