Одномембранные органоиды — что это, определение и ответ
Эндоплазматическая сеть (ретикулум)
Система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн) в эукариотической клетке.
Ту часть ЭПР, где к мембранам прикреплены рибосомы, относят к шероховатому (гранулярному) эндоплазматическому ретикулуму, в нем происходит синтез белков.
Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов и углеводов.
Также ЭПС выполняет транспортную функцию, перемещая синтезированные на ней вещества к другим органоидам.
Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.
Аппарат Гольджи
Представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям.
Диктиосома – структурно-функциональная единица АГ, обособленная стопка цистерн.
В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. То есть это органоид, который модифицирует и упаковывает синтезированные в клетке вещества и побочные продукты для дальнейшей секреции или расщепления.
Таким образом, путь белка, секретируемого клеткой, можно представить так:
синтез белка на ЭПС → формирование и отшнуровывание транспортного пузырька ЭПС с белком → присоединение пузырька к цистерне аппарата Гольджи → модификация белка → транспорт пузырька с готовым белком к плазматической мембране.
Лизосомы
Представляют собой небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной, содержат литические ферменты, способные расщепить все биополимеры.
Лизосомы предназначены для расщепления сложных органических веществ на простые. Это могут быть вещества, синтезированные самой клеткой, но находящиеся в избытке или уже утратившие свои функции.
Еще одна из функций лизосом – автолиз – то есть расщепление отдельных органоидов и участков цитоплазмы клетки.
Вакуоль
Одномембранный органоид, содержащийся в некоторых эукариотических клетках и выполняющий различные функции (секреция, экскреция и хранение запасных веществ, автолиз и др.).
Вакуоли развиваются из мембранных пузырьков – провакуолей. Провакуоли являются производными эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи, они сливаются и образуют вакуоли.
Различают пищеварительные и сократительные (пульсирующие) вакуоли, регулирующие осмотическое давление и служащие для выведения из организма продуктов распада. Вакуоли особенно хорошо заметны в клетках растений: во многих зрелых клетках растений они составляют более половины объёма клетки, при этом они могут сливаться в одну гигантскую вакуоль.
Одна из важных функций растительных вакуолей – накопление ионов и поддержание тургора (тургорного давления). Вакуоль – это место запаса воды.
Мембрана, в которую заключена вакуоль, называется тонопласт, а содержимое вакуоли – клеточный сок. Клеточный сок состоит из воды и растворенных в ней веществ.
Осмотическое давление в клетке
Осмотическое давление – избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос).
Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.
Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется тоничностью. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое давление – гипотоническим.
Тургор тканей – напряжённое состояние оболочек живых клеток.
Тургорное давление – внутреннее давление, которое развивается в растительной клетке, когда в неё в результате осмоса входит вода и цитоплазма прижимается к клеточной стенке.
Это давление препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку.
Тургор обуславливается тремя факторами:
внутренним осмотическим давлением клетки, которое вызывает напряжение клеточной оболочки,
внешним осмотическим давлением,
а также упругостью клеточной оболочки.
Тестовая работа «Органоиды клетки»
Тест Органоиды клетки. Вариант №1.
Задание №1. Закончите фразы:
1. Раздел биологии, изучающий строение клетки, её органеллы и их функции называется…..
2. Синтез белков происходит на …
3. Система
мембран, разделяющих клетку на отдельные отсеки….
4. Коллоидный раствор, основное вещество цитоплазмы…..
5. Структуры, обеспечивающие движение клеток….
6. Стопки мембранных цилиндров, пузырьков, в которые упаковываются синтезированные в клетке вещества……
7. Клеточная структура, содержащая генетический материал….
8. Регуляция поступления веществ в клетку осуществляется с помощью….
9. Двумембранные органеллы клетки, в которых идет запасание энергии в виде молекул АТФ…..
10. Одномембранные структуры с продуктами обмена, характерные для растительных клеток….
11. Поступление в клетку молекул и частиц размером 0,03 мм…..
12. Обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром……
Задание № 2. Из предложенных вариантов ответов выберите правильные (один или несколько).
1. Укажите одномембранные органоиды клетки: а) рибосомы, б) к. Гольджи, в) митохондрии,
г)
хлоропласты, д) клеточный центр, е) лизосомы, ж) ЭПС, з) вакуоли, и) ядро.
2.Какой органоид получил название «экспортная система клетки»? Здесь происходит накопление, модификация и вывод веществ из клетки, образование лизосом:
а) ЭПС, б) к. Гольджи, в) клеточный центр, г митохондрии.
3. Какие органоиды отвечают за обеспечение клетки энергией, получили название «органоид дыхания»: а) ЭПС, б) к. Гольджи, в) клеточный центр, г) митохондрии.
4. Какие органоиды отсутствуют в клетках высших растений:
а) митохондрии, б) хлоропласты, в) к. Гольджи, г) центриоли.
5. Какие органоиды способны преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей: а) лизосомы, б) хлоропласты, в) к. Гольджи, г) митохондрии.
6. Какие организмы относятся к эукариотам:
а) вирусы, б) цианобактерии, в) растения, г) бактерии, д) животные, е) архебактерии, ж) грибы.
7. Обеспечивает взаимосвязи между ядерными структурами:
а) кариолемма, б) кариоплазма, в) хроматин, г) ядрышки.
8. Кристы это: а) матрикс митохондрий, б) складки внутренней мембраны митохондрий,
в) межмембранные
образования в хлоропластах, г) ферменты.
9. Укажите особенности строения митохондрий:
а) имеют двумембранное строение, б) имеют немембранное строение, в) содержат собственную ДНК, г) имеют внутренние складки, д) мембраны образуют граны, е) ДНК отсутствует
10.Выберите особенности строения и функций хлоропласта: а) имеются тилакоиды, б) в состав белков мембран входит хлорофилл, в) внутренняя мембрана образует кристы, г) переваривают органические вещества, д) одномембранная структура, е) мембранные структуры уложены в граны
Задание №3. Выберите, к каким структурам относятся данные высказывания
1. Функция – внутриклеточное пищеварение.
2. Функция – синтез белка.
3. Функция – матрикс клетки, расположенный между оболочкой и ядром.
4. Не имеют клеточного строения .
5. Находятся на поверхности клеток растений и грибов.
6. К ним относятся организмы, имеющие ядро, окруженное ядерной оболочкой
7. Располагаются на эндоплазматической сети, придавая ей шероховатость.
8. Делит клетку на отдельные отсеки, где происходят все химические процессы.
Варианты ответов:
а) ядрышки, б) пластиды, в) лизосомы, г) микротрубочки, д) вирусы, е) ЭПС, ж) цитоплазма,
з) ядро, и) эукариоты, к) комплекс Гольджи, л) прокариоты, м) мембрана, н) рибосомы,
о) клеточная стенка, п) клеточный центр.
Задание №4. А) Дайте характеристику растительной клетки по плану.
Признаки
| Растительная клетка |
1. пластиды 2. способ питания 3. клеточная стенка 4. клеточный центр 5. Синтез АТФ 6. Расщепление АТФ 7. Вакуоли 8. Включения 9. Органоиды передвижения |
|
Б) Какая клетка
изображена на рисунке, приведите не менее трех доказательств.
Укажите, что обозначено цифрами 1-10.
Задание 5. А) Установите соответствие между особенностями организмов и царством, для которого эти особенности характерны
ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗМА ЦАРСТВО
А) клетки организмов имеют оболочку из целлюлозы 1) растения
Б) запасное вещество клеток – крахмал 2) животные
В) запасное вещество клеток – гликоген
Г) вакуоли заполнены клеточным соком или воздухом
Д) в клетках отсутствуют пластиды
Е) форма большинства клеток легко изменяется
А | Б | В | Г | Д | Е |
|
|
|
|
|
Б) Соотнесите особенности строения и функций клеточного органоида с его видом
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИЙ ВИД ОРГАНОИДА
А) имеет внутренние складки – кристы 1) аппарат Гольджи
Б) обеспечивает клеточное дыхание 2) митохондрия
В) мембраны уложены в стопку
Г) есть много мембранных пузырьков
Д) «синтезирует» АТФ
Е) участвует в образовании лизосом
А | Б | В | Г | Д | Е |
|
|
|
|
|
|
Задание 6. Что общего между
митохондриями, хлоропластами и эндоплазматической сетью? Каков биологический
смысл сходного устройства этих органоидов?
1)
2)
Тест Органоиды клетки.
Вариант №2.
Задание №1. Закончите фразы:
1. Пористая структура из целлюлозы, придающая клетке растений прочность и постоянную форму…
2. Одномембранная структура с ферментами, осуществляющими автолиз….
3. Складки мембраны митохондрий, увеличивающие общую площадь поверхности…
4. Органеллы клетки, в которых идет синтез сахара….
5.Основное вещество клетки, где находятся все органеллы клетки…
6. Полые цилиндры, состоящие из микротрубочек и участвующие в делении клетки…
7. Живое
содержимое клетки слагается из цитоплазмы и ядра, которые вместе образуют….
8. Внутренние мембранные структуры хлоропластов называются….
9. Придают окраску цветкам и плодам, так как содержат каротиноиды……
10. Поступление в клетку крупных молекул и частиц до 1 мм….
11. Поступление в клетку растворителя (воды) по градиенту концентрации без затрат энергии…..
12. У растений – поддерживает тургарное давление, у протистов – пищеварение и выделение продуктов диссимиляции, а также удаление избытков воды……
Задание № 2. Из предложенных вариантов ответов выберите правильные (один или несколько).
1. Укажите двумембранные органоиды клетки: а) рибосомы, б) к. Гольджи, в) митохондрии,
г) хлоропласты, д) клеточный центр, е) лизосомы, ж) ЭПС, з) вакуоли, и) ядро.
2. Какие органоиды обеспечивают биосинтез белков цитоплазмы клетки:
а) митохондрии, б) хлоропласты, в) к. Гольджи, г) рибосомы.
3. Какие органоиды отвечают за расщепление сложных органических молекул до мономеров, даже пищевых частиц, попавших в клетку путем фагоцитоза:
а) лизосомы, б)
хлоропласты, в) к. Гольджи, г) рибосомы.
4. Какие структуры отвечают за образование цитоскелета:
а) ЭПС, б) клеточный центр, в) к. Гольджи, г) миофибриллы.
5. Укажите немембранные органоиды клетки: а) рибосомы, б) к. Гольджи, в) митохондрии,
г) хлоропласты, д) клеточный центр, е) лизосомы, ж) ЭПС, з) вакуоли, и) ядро.
6. Какие организмы относятся к прокариотам:
а) вирусы, б) цианобактерии, в) растения, г) бактерии, д) животные, е) архебактерии, ж) грибы.
7. Образуют субъединицы рибосом: а) кариолемма, б) кариоплазма, в) хроматин, г) ядрышки.
8. Как называются внутренние мембранные структуры митохондрий:
а) граны, б) матрикс, в) кристы, г) тилакоиды.
9. Клеточная мембрана образована, в основном:
а) углеводами, б) неорганическими веществами, в) нуклеиновыми кислотами, г) белками и липидами
10. Выберите особенности строения и функций аппарата Гольджи:
а) двумембранный органоид, б) одномембранный органоид, в) транспортирует вещества из клетки, г) хорошо развит в секреторных клетках, д) переваривает органические вещества
е) немембранный органоид
Задание №3. Выберите,
к каким структурам относятся данные высказывания
1.
Ядро не имеет оболочки.
2. Функция –
синтез рибосом.
3. Сложная разветвленная система каналов, пузырьков, цистерн.
4. Состоит из двух микротрубочек и участвует в делении клетки.
5. Пузырьки, содержащие набор гидролитических ферментов.
6. Связан с эндоплазматической сетью и лизосомами.
7. Участвуют в фотосинтезе.
8. «Энергетические станции» клетки.
Варианты ответов:
а) ядрышки, б) пластиды, в) лизосомы, г) микротрубочки, д) вирусы, е) ЭПС, ж) цитоплазма,
з) ядро, и) эукариоты, к) комплекс Гольджи, л) прокариоты, м) мембрана, н) рибосомы,
о) клеточная стенка, п) клеточный центр, р) митохондрии.
Задание №4. А) Дайте характеристику животной
клетки по плану.
Признаки
| Животная клетка |
1. 2. способ питания 3. клеточная стенка 4. клеточный центр 5. Синтез АТФ 6. Расщепление АТФ 7. Вакуоли 8. Включения 9. Органоиды передвижения |
|
Б) Какая клетка изображена на рисунке, приведите не менее трех доказательств. Укажите, что обозначено цифрами 1-10
Задание 5. А) Установите соответствие между строением и функцией органоида и его видом
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНОИДА ВИД ОРГАНОИДА
А) состоит из полостей с пузырьками 1) рибосома
Б) участвует в образовании лизосом 2) аппарат Гольджи
В) состоит из двух субъединиц
Г) участвует в синтезе белка
Д) обеспечивает упаковку и транспорт веществ из клетки
Е) образуют полисомы, соединяясь с иРНК
А | Б | В | Г | Д | Е |
|
|
|
|
|
|
Б) Соотнесите органоид с его
функцией.
ФУНКЦИИ ОРГАНОИДЫ
А) хранение и удвоение наследственной информации клетки 1) ядро
Б) синтез и- РНК 2) хлоропласты
В) синтез глюкозы
Г) координация процесса деления клетки
Д) преобразование энергии света
Е) фотолиз воды
А | Б | В | Г | Д | Е |
|
|
|
|
|
|
Задание
6. Какой
органоид изображен на рисунке? Каковы его функции в клетке? В каких клетках
этих органоидов больше всего?
1)
2)
3)
Ключ к тесту «Органоиды клетки»
Вариант 1. Задание 1 | Вариант 2. Задание 1 | ||||||||||
1. цитология 2. рибосомах 3. ЭПС 4. гиалоплазма 5. жгутики, реснички 6. комплекс Гольджи
| 7. ядро 8. плазмалемма 9. митохондрии 10. вакуоль 11. пиноцитоз 12. цитоплазма
| 1. 2. лизосомы 3. кристы 4. хлоропласты 5. цитоплазма 6. центриоли
| 7. протоплазма 8. тилакоиды 9. хромопласты 10. фагоцитоз 11. осмос 12. вакуоли
| ||||||||
Вариант 1. Задание 2 | Вариант 2.Задание 2 | ||||||||||
1.БЕЖЗ 2.Б 3.Г 4.Г | 5.Б 6.ВДЖ 7.Б 8.Б | 9.АВГ 10.АБЕ
| 1.ВГИ 2.Г 3.А 4.Г | 5.АД 6.БГЕ 7.Г 8.В | 9. 10.БВГ
| ||||||
Вариант 1. Задание 3 | Вариант 2.Задание 3 | ||||||||||
1.В 2.Н 3.Ж 4.Д | 5.О 6.И 7.Н 8.Е | 1.Л 2.А 3.К 4.П | 5.В 6.К 7.Б 8.Р | ||||||||
Вариант 1. Задание 4 | Вариант 1. Задание 4 | ||||||||||
1. Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты 2. Автотрофы 3. Целлюлозная 4. У низших растений 5. В митохондриях и хлоропластах 6. 7. Крупные, заполнены клеточным соком 8. Зерна крахмала, белка, капли масла 9. Жгутики у одноклеточных | 1. Нет 2. Гетеротрофы 3. Нет 4. Во всех клетках 5. В митохондриях 6. Где необходима энергия 7. Мелкие пищеварительные и сократительные 8. Зерна белка, жира, углевод гликоген. 9. Реснички, ложноножки, жгутики | ||||||||||
1. рибосомы 2.ЭПС 3.К. Гольджи 4.митохондрии 5.Клеточная мембрана
| 6. цитоплазма 7.ядро 8.кл. центр 9.лизосом 10.ядрышко | 1 митохондрии 2.поры 3.кл. стенка 4.кл. мембрана 5.хлоропласты | 6. 7.лизосом 8.ап. Гольджи 9.ядро 10. эпс
| ||||||||
Вариант 1. Задание 5 | Вариант 1. Задание 5 | ||||||||||
А) 112122 Б) 221121 | А) 221121 Б) 112122 | ||||||||||
Вариант 1. Задание 6 | Вариант 1. Задание 6 | ||||||||||
1) Перечисленные органоиды образуют складки из мембран 2) Эти складки увеличивают рабочую поверхность органоида
| 1) Это аппарат Гольджи 2) Функции – участие в образовании лизосом и вывод синтезированных продуктов из клетки 3) больше всего аппарата Гольджи содержится в клетках желез | ||||||||||
Критерий оценок | |
«5» — 1-3 ошибки «4» -4-9 ошибок «3» — 10-15 ошибок «2»-более 15 ошибок | «5» — 1-3 ошибки «4» -4-9 ошибок «3» — 10-16 ошибок «2»-более 16 ошибок |
клеточных органелл I | Биология
- Закладка
- Глоссарий терминов
Когда мы думаем об эволюции, мы склонны думать о соревновании, в котором выживает сильнейший. Бараны-самцы с гигантскими закрученными рогами побеждают самцов меньшего размера и получают привилегию передавать свои черты — большие сильные тела и массивные закрученные рога — следующему поколению. Точно так же самцы птиц с эффектными яркими перьями побеждают в соревновании за самок с унылыми самцами и дарят своим потомкам яркое оперение. Но история эволюции не всегда связана с конкуренцией. На самом деле, иногда эволюция может быть связана с сотрудничеством. Так обстоит дело с эукариотическими клетками.
Происхождение эукариотических клеток
Эукариотические клетки отличаются от прокариотических клеток тем, что большинство различных органелл в эукариотических клетках инкапсулированы в мембраны, тогда как прокариотические клетки имеют только свободно плавающие органеллы (рис. 1). Разница очень очевидна даже при рассмотрении в простейшие микроскопы. Уже в конце 1800-х ученые обсуждали, как эволюция могла дать начало этим двум совершенно разным линиям (Mereschkowski, 19). 10).
Константин Мерещковский (рис. 2) первоначально выдвинул идею о том, что хлоропласты растений возникли в результате симбиотических отношений, подобных тем, которые он наблюдал в своих исследованиях с лишайниками. Он заметил, что лишайники на самом деле представляют собой сложные организмы, образованные грибком и фотосинтезирующими водорослями, живущими вместе в симбиозе. Грибковая часть организма обеспечивает безопасную среду для фотосинтезирующих водорослей, а водоросли фотосинтезируют АТФ для лишайников. Мерешковски подозревал, что хлоропласты в растительных клетках произошли от организмов, подобных водорослям в его лишайниках. К сожалению, у него не было реальных доказательств в поддержку своей гипотезы, поэтому в то время никто не воспринял ее всерьез. Однако когда американский биолог по имени Линн Маргулис (рис. 2) снова предложил эту идею в 1967, все было иначе. Появлялись технологии, которые позволяли ученым собирать данные и полностью исследовать заявление. Идея Мерешковского, наконец, привлекла к себе внимание, хотя и спустя 100 лет.
Теория эндосимбиоза
Идея, предложенная Маргулисом, называется теорией эндосимбиоза . Эта теория утверждает, что современные митохондрии и хлоропласты на самом деле являются потомками древних бактериоподобных организмов, которые начали жить внутри прокариотических клеток, когда Земля была очень молода (Sagan, 1967).
История начинается более двух миллиардов лет назад, когда Земля была еще горячей и почти бесплодной. Не было газообразного кислорода (O 2 ) в атмосфере, а единственными формами жизни на Земле были одноклеточные прокариотические организмы, подобные современным бактериям. Некоторые из этих прокариот, называемые цианобактериями , развили способность улавливать энергию солнечного света для создания органических молекул. Благодаря своим новым способностям эти фотосинтезирующие бактерии процветали и начали выделять свободный газообразный кислород (O 2 ) в океанскую воду.
Газообразный кислород был исключительно побочным продуктом фотосинтеза и ранее не существовал на планете. Поскольку кислород реактивен, он был ядовит для большинства прокариот, живших в то время, и привел к вымиранию многих из них. Однако у небольшого числа прокариот развилась способность переносить кислород, а некоторые из их потомков позже развили способность использовать кислород для улучшения своего метаболизма, как это делаем мы сегодня.
Клетки, которые могут использовать кислород для метаболизма, называются аэробными , а те, которые не могут, называются анаэробными. Аэробные клетки имеют большое преимущество, поскольку кислород позволяет им получать гораздо больше энергии из молекул пищи, которые они потребляют.
Сотрудничество между двумя прокариотами произошло, когда большая анаэробная клетка поглотила (но не смогла переварить) меньшую аэробную клетку. Аэробная клетка, теперь живущая внутри анаэробной клетки, продолжала эффективно метаболизировать молекулы пищи, используя кислород, и делилась своим избытком АТФ (химическая форма хранения энергии) со своим хозяином, крупным анаэробом. Устройство было бы похоже на то, что мы наблюдаем в нашей собственной пищеварительной системе: миллионы микробов счастливо живут в нашем кишечнике, помогая нам переваривать и метаболизировать пищу, которую мы едим. Подобно микробам, живущим сегодня в нашем кишечнике, аэробная клетка полностью жила внутри своего хозяина.
На протяжении миллионов поколений клетки продолжали расти, делиться и размножаться, а их отношения переросли во взаимовыгодное сотрудничество — симбиоз. Со временем большая часть (но не вся) ДНК из меньшей аэробной клетки попала в ядро клетки-хозяина, и два отдельных организма стали одним — предком всех эукариотических клеток, которые мы видим сегодня. Потомки этой маленькой аэробной клетки превратились в органеллу, которую мы называем 9.0013 митохондрии . Митохондрии по-прежнему передают часть своей ДНК своим дочерним клеткам точно так же, как ДНК из ядра передается ядрам дочерних клеток. Летопись окаменелостей показывает нам, что митохондрии и современные эукариотические клетки сильно отличаются от их предшественников, потому что они продолжали развиваться и изменяться в течение двух миллиардов лет.
Эндосимбиотическая теория утверждает, что хлоропласты развивались сходным образом. Предполагается, что небольшая цианобактерия (фотосинтезирующие бактерии, упомянутые ранее как первый источник газообразного кислорода) была поглощена более крупной аэробной нефотосинтезирующей клеткой. Эта крупная нефотосинтезирующая клетка, потомок описанного выше симбиоза, уже имела внутри себя живущие митохондрии. Это был либо ранний эукариот, либо продвинутый прокариот, который имел некоторые общие черты с эукариотами. И так же, как раньше, когда большая клетка поглощала меньшую клетку, она не могла ее переварить. Цианобактерии, как и аэробная клетка до нее, счастливо жили внутри более крупной клетки. В большей ячейке теперь было и аэробная клетка и живущая в ней фотосинтезирующая клетка!
Устройство могло быть очень похоже на то, что мы видим в современных одноклеточных организмах, называемых Paramecium bursaria. P. bursaria обычно живут в прудах и поедают большое количество фотосинтезирующих водорослей, которые они не переваривают. Водоросли продолжают фотосинтез внутри почти полностью прозрачного хозяина, обеспечивая парамеций бортовым возобновляемым источником пищи. Парамеций-хозяин вносит свой вклад в симбиоз, перенося водоросли в солнечные места в пруду, защищая их от более вредных и менее приспосабливаемых хищников. Он также делится пищей, которую может найти с водорослями в периоды, когда солнечного света мало.
Как и в случае с более ранним симбиозом, сотрудничество между фотосинтезирующей клеткой и более крупной клеткой было взаимовыгодным. Маленький фотосинтезатор был обеспечен защитой и всеми необходимыми ему питательными веществами, в том числе большим количеством АТФ, поскольку большая клетка была аэробной. Большая камера принесла еще больше пользы. С маленькими цианобактериями внутри клетки клетке больше не нужно было искать пищу, чтобы поесть — у нее был встроенный источник высокоэнергетических молекул, созданный ее новым фотосинтетическим помощником. За миллионы лет сотрудничество стало более тесным, и потомки маленьких цианобактерий теперь представляют собой полностью зависимую органеллу под названием хлоропласт . Большая клетка, теперь и аэробная, и фотосинтезирующая, дала начало всем растениям и водорослям, которые мы видим сегодня.
Теория эндосимбиоза звучит довольно надуманно, и научное сообщество поначалу не поверило ей. Но Линн Маргулис была настойчива и неустанно работала над сбором веских доказательств в поддержку своей теории. Наконец, она получила необходимые доказательства в конце 1970-х годов, когда ученые разработали новый инструмент для определения происхождения организмов.
Контрольная точка понимания
Эволюционные изменения
- а. должна быть обусловлена конкуренцией.
- б. может быть обусловлено сотрудничеством.
Подтверждение теории
Маргулис первоначально задумала идею эндосимбиоза на основе того, что она наблюдала в лаборатории, изучая Euglena , одноклеточный фотосинтезирующий эукариотический организм. Хлоропласты внутри Euglena напомнили Маргулис бактерии, которые она изучала раньше. ДНК хлоропластов была кольцевой, как у бактерий (рис. 3).
Рисунок 3: ДНК в митохондриях и хлоропластах имеет кольцевую форму, как и ДНК бактерий.Митохондрии Euglena также имели сходство со свободноживущими бактериями. Например, они ущипнули себя пополам в качестве средства размножения в процессе, очень похожем на бинарное деление (рис. 4) (дополнительную информацию см. в нашем модуле «Клеточное деление I: клеточный цикл»).
Рисунок 4: Бактерии и митохондрии делятся пополам, чтобы размножаться. Простого сходства митохондрий с бактериями было недостаточно, чтобы убедить большинство ученых в том, что эти органеллы на самом деле произошли от предков бактерий. Собрать убедительные доказательства того, что современные митохондрии и хлоропласты отдаленно связаны с бактериями, было очень трудно сделать в XIX веке.60-е годы. Однако в 1970-х годах ученые разработали метод считывания точной последовательности нуклеотидов, присутствующих в ДНК организма. Новая техника позволила ученым сравнить геном одного вида с геномом другого и найти сходство, указывающее на родство. Большее сходство между геномами двух видов предполагает, что они более родственны. Меньшее сходство предполагает, что два организма менее родственны.
Используя новые методы секвенирования ДНК, Форд Дулитл и Майкл Грей, ученые, работающие в Университете Далхаузи в Галифаксе, Новая Шотландия, нашли доказательства, необходимые для того, чтобы убедить научное сообщество в том, что Маргулис был прав. Они сравнили ДНК из хлоропластов с ДНК из ядра той же клетки. Затем они сравнили ДНК хлоропластов с древней линией свободноживущих фотосинтезирующих бактерий.
Они обнаружили, что ДНК хлоропластов оказалась более тесно связанной с бактериями, чем с ядерной ДНК растений или водорослей. Вскоре после этого они показали, что митохондриальная ДНК, или мтДНК, более тесно связана с древней линией свободноживущих аэробных бактерий, чем с ядерной ДНК эукариот, несущих митохондрии. Реакция научного сообщества была быстрой. Объяснение Маргулиса происхождения митохондрий и хлоропластов в эукариотических клетках быстро стало господствующей точкой зрения. Продолжали поступать новые свидетельства, и к началу 19В 90-х годах был достигнут твердый научный консенсус в отношении того, что гипотеза об эндосимбиотическом происхождении митохондрий и хлоропластов действительно верна (см. список ниже). Это был первый задокументированный пример сотрудничества, а не конкуренции, который привел к крупным эволюционным инновациям.
Основное доказательство эндосимбиотической теории
- Митохондрии и хлоропласты имеют часть собственной ДНК, расположенную на кольцевой хромосоме (аналогично бактериям).
- Митохондрии и хлоропласты имеют свои собственные рибосомы, и они похожи на бактериальные рибосомы, а не на эукариотические рибосомы, обнаруженные в цитоплазме.
- Белки, образующиеся внутри митохондрий и хлоропластов, начинаются с N-формилметионина, как белки бактерий, а не белки эукариот, которые всегда начинаются с обычного метионина.
- Митохондрии и хлоропласты делятся и размножаются сами по себе способом, очень похожим на то, как делятся бактерии, называемые бинарное деление .
- В мембранах митохондрий и хлоропластов обнаружены транспортные белки, называемые поринами, обнаруженные в бактериальных, но не эукариотических, плазматических мембранах.
- Последовательности митохондриальной ДНК больше похожи на гены бактерий, чем на какие-либо гены эукариот.
- Современные бактерии, чья ДНК наиболее похожа на митохондриальную ДНК, относятся к роду Rickettsia . Эти бактерии живут внутри крупных эукариотических клеток как паразиты.
- Последовательности ДНК хлоропластов больше похожи на гены цианобактерий, чем на какие-либо гены эукариот. Цианобактерии — современные фотосинтезирующие бактерии.
Появление секвенирования ДНК и возможность сравнивать ДНК разных видов также пролили свет на вероятную идентичность большой клетки, которая впервые поглотила предка митохондрий. В то время как митохондрии и хлоропласты, по-видимому, произошли от бактерий, ДНК в ядре эукариотических клеток больше похожа на ДНК современных архей, чем на ДНК бактерий. Мы склонны думать об археях, как о загадочных организмах, вынужденных жить в экстремальных условиях, намного уступая по численности своим собратьям-прокариотам, бактериям. Однако когда-то они были доминирующими формами жизни на планете, и сегодня ученые находят их во все более и более удивительных местах. Из-за сходства нашей ядерной ДНК с их, вероятно, большая клетка, поглотившая предка митохондрий, была археей, а это означает, что все эукариоты, включая нас, являются потомками архей через наше ядро и бактерий через наши митохондрии. Это похоже на то, как если бы два прокариотических домена жизни, бактерии и археи, объединились и дали начало эукариотической ветви древа жизни.
Контрольный пункт понимания
Наиболее убедительным доказательством того, что такие органеллы, как митохондрии и хлоропласты, произошли от бактерий, было
- a.сходства в ДНК.
- б.сходства в репродуктивном поведении.
Эволюция других органелл
А как насчет ядра в эукариотических клетках? Как это развивалось? Связанное с мембраной ядро, пожалуй, самая определяющая характеристика эукариотических клеток, никоим образом не напоминает какие-либо свободноживущие бактерии или ахеи. Ядро и другие органеллы эволюционировали совершенно иначе, чем митохондрии и хлоропласты (рис. 5).
Биологи не могут точно сказать, в каком порядке развивались все органеллы. Летопись окаменелостей трудно прочитать, когда речь идет о крошечных, наполненных жидкостью микроорганизмах, живших миллиарды лет назад. Еще больше усложняет дело тот факт, что некоторые органеллы, по-видимому, эволюционировали более одного раза в разных линиях в течение эволюционного времени. Короче говоря, до сих пор ведутся споры о деталях хронологии, но ученые могут сделать вывод об основной последовательности событий, основываясь на том, что мы знаем о том, как сегодня функционируют органеллы.
Ранние прокариотические клетки, первые формы жизни на Земле, вероятно, имели жесткую клеточную стенку, как и современные прокариоты. Внутри клеточной стенки была плазматическая мембрана, как и у всех клеток (см. наш модуль «Мембраны I: Введение в биологические мембраны»). Каким-то образом, возможно, в результате мутации, плазматическая мембрана начала складываться сама по себе, создавая небольшую пещеру или инвагинацию внутри клеточной стенки (рис. 6). На протяжении многих тысяч поколений эта инвагинация росла и в конечном итоге окружила ДНК клетки, создав ядерную оболочку. Это архитектурное усовершенствование дало этим клеткам преимущество перед другими прокариотическими клетками, потому что их ДНК теперь была лучше защищена от повреждающих молекул, обнаруженных в цитоплазме клеток.
Ядро обладало еще одним важным преимуществом. Внутри защитной среды, созданной ядром, ДНК могла эволюционировать так, как никогда раньше. Свободные от вмешательства цитоплазмы клетки, новые химические реакции, приводящие в действие рекомбинацию генов, репарацию ДНК и экспрессию генов, в конечном итоге развились, и структура самой ДНК начала меняться. ДНК эволюционировала от своей древней формы — простой кольцевой структуры, наблюдаемой у бактерий, — до длинных замысловатых цепочек нуклеотидов, составляющих нашу собственную ДНК. Единственным эволюционным изменением — развитием ядра — эукариотические клетки были поставлены на путь большего разнообразия и специализации, чем когда-либо могли достичь прокариотические клетки.
Позднее в ходе эволюции, когда эукариотические клетки приобрели митохондрии и хлоропласты, они получили еще одно преимущество. Эукариотические клетки теперь могли находить и использовать источники пищи лучше, чем их прокариотические собратья. Эукариотические клетки начали увеличиваться в размерах. (Сегодня средняя эукариотическая клетка в 100–1000 раз больше, чем прокариот.) И по мере того, как клетки становились больше, их внешняя мембрана продолжала складываться сама по себе так же, как это было при формировании ядра. Больше складок создало больше каналов внутри клетки, и тот же процесс инвагинации, который сформировал ядро, начал формировать оставшиеся связанные с мембраной органеллы.
Компартменты (или органеллы) создавали пространства, в которых новые процессы могли развиваться без вмешательства со стороны остальной части клетки. Связанные с мембраной органеллы дали эукариотическим клеткам те же преимущества, что и настоящая лаборатория для химика, — среду, в которой реакции можно контролировать. Внутри вновь образованных органелл сложные процессы, такие как синтез белка, могли развиваться без химического нарушения других функций клетки, таких как дыхание или фотосинтез. Со временем в клетках развились пути и другие особенности, которые позволили им общаться друг с другом. И как только клетки смогли передавать сигналы и сотрудничать, они начали развивать более крупные симбиотические отношения, которые в конечном итоге привели к тканям и органам, составляющим наше тело (рис. 7).
Рисунок 7: Нейрон имеет ядро и многие другие органеллы, общие для всех эукариотических клеток, но они также развили специализированные структуры, такие как аксоны и дендриты, которые встречаются только в нервных клетках. изображение ©
Авторское право на изображение, 2013 г., Дэвид Г. Кинг, используется с разрешения.Хотя приведенное выше объяснение является обоснованным предположением, оно подкрепляется данными о современных прокариотах, бактериях. Многие бактерии имеют инвагинации в своих мембранах, которые они используют для различных целей. Фактически, большинство бактерий имеют обширные складчатые плазматические мембраны, которые перерабатывают молекулы пищи так же, как митохондрии усваивают пищу в эукариотических клетках. Это показывает, что эволюция мембранных складок во внутренние компартменты не является надуманной возможностью. На самом деле, это все еще происходит сегодня и может дать клеткам явные преимущества.
Однако мембраны, окружающие органеллы эукариотических клеток, не просто обеспечивают барьер между органеллами и цитоплазмой. Они служат сетью, обеспечивающей средства связи и транспорта по всей клетке. Эндомембранная система, которая, как считается, развилась в процессе инвагинации, прекрасно иллюстрирует этот момент.
Проверка понимания
Сложные процессы, такие как нервные импульсы, чаще обнаруживаются в __________ клетках.
- а. прокариотический
- б.эукариотический
Эндомембранная система
Камилло Гольджи, итальянский врач, работавший в конце 1800-х годов, как говорят, открыл аппарат Гольджи, когда изучал клетки центральной нервной системы организма. внутренний ретикулярный аппарат , как он его называл, казался отдельной структурой, если смотреть в его микроскоп, который был передовой технологией того времени (рис. 8). Сегодня мы знаем, что аппарат Гольджи связан с более крупной эндомембранной системой.
Рисунок 8: Аппарат Гольджи является частью более крупной системы органелл, называемой эндомембранной системой. изображение ©
Джулиан ТорпЭндомембранная система делит цитоплазму клетки на отдельные компартменты, или органеллы, каждый из которых выполняет внутри клетки специализированные задачи. Однако отдельные отсеки не являются полностью отдельными. Некоторые на самом деле связаны общими мембранами, как в случае с шероховатой эндоплазматической сетью и ядерной мембраной. Эта конкретная сеть образует путь для прохождения больших молекул и сигналов между ядром и внешней средой вне клетки.
Компартменты, не имеющие прямой физической связи, передают сигналы, белки и отходы через крошечные мембранные мешочки, называемые везикулами . Везикулы образуются, когда часть мембраны органеллы отщипывается, образует связанный с липидами мешок и всплывает в цитоплазме, чтобы доставить свой груз между органеллами. Везикулы, образованные из той же самой плазматической мембраны, которая окружает клетку и все органеллы, легко сливаются с мембранами, окружающими каждый компартмент. Везикулы, содержащие основные белки, синтезированные в шероховатой эндоплазматической сети, попадают в аппарат Гольджи для окончательной обработки через везикулы. Везикулы, содержащие готовый белок, покидают аппарат Гольджи и доставляют конечный продукт к другой органелле (рис. 9).).
Наше нынешнее понимание мембран, окружающих органеллы, основано на новых методах биохимии, которые дают исследователям более широкий доступ к внутренней работе клеток, чем ученые во времена Маргулиса. Сегодня исследователи могут просеивать образцы клеток с помощью центрифуг и изолировать отдельные органеллы для более тщательного изучения. Они также могут отслеживать движение определенных химических веществ и белков через клеточную систему и наблюдать из первых рук поток химических веществ и сигналов от одной органеллы к другой. Результатом стало лучшее понимание истинного духа сотрудничества, который был основой эволюции эукариотической клетки в первую очередь. Как написали Линн Маргулис и ее сын в одной из своих многочисленных книг: «Жизнь захватила земной шар не в результате сражений, а благодаря установлению связей». 0009
Резюме
Эволюция не всегда связана с конкуренцией. Речь может идти и о кооперации, как в случае с развитием хлоропластов и митохондрий из свободноживущих бактерий. Этот модуль объясняет теорию эндосимбиоза, а также его происхождение. Приводятся убедительные доказательства в поддержку теории. Обсуждается также эволюция ядра и других органелл путем инвагинации клеточной мембраны.
Ключевые понятия
Одним из основных отличий эукариотических клеток от прокариотических является наличие ядра и других связанных с мембраной органелл.
Хлоропласты и митохондрии играют особую роль в производстве энергии для клетки и обладают рядом уникальных особенностей, в том числе частью собственной ДНК. Из-за этого ученые считают, что обе эти органеллы возникли путем эндосимбиоза, когда одна маленькая клетка стала жить внутри более крупной.
Связанные с мембраной органеллы возникли в виде складок плазматической мембраны; это позволило этим клеткам создать компартменты с различными средами, подходящими для специфической функции, которую выполняет органелла.
Обзор органелл
Органелла – это специализированная субъединица, выполняющая определенные функции внутри клетки. Органеллы встроены в цитоплазму эукариотических и прокариотических клеток. В более сложных эукариотических клетках органеллы часто отдельно заключены в свои собственные липидные бислои. Название органелла происходит от идеи, что эти структуры являются частями клеток. По аналогии с внутренними органами тела органеллы специализированы и выполняют ценные функции, необходимые для нормальной работы клеток. Органеллы выполняют широкий спектр функций, включая все: от производства энергии для клетки до контроля ее роста и размножения.
Как показано на рис.1, это несколько типичных органелл животной клетки. В этой статье мы рассмотрим функцию и специальные маркеры этих органелл соответственно. Кроме того, на рис. 1 отсутствуют многие органеллы, включая аутофагосомы, хроматин, реснички, эндосомы, экзосомы и меланосомы.
ядрышко
ядро
Рибосомы (точки)
Везикул
Шероховатой эндоплазматической сети
аппарат Гольджи
Цитоскелет
Гладкая эндоплазматическая сеть
Митохондрия
вакуоль
Цитозоль
лизосома
центросома
Клеточная мембрана
Рис. 1. Компоненты типичной животной клетки
Рекомендации
[1] О’Салливан Дж. М., Пай Д. А., и др. . Ядрышко: плот, дрейфующий в ядерном море, или краеугольный камень строения ядра? [Дж]. Биомолекулярные концепции. 2013, 4 (3): 277–86.
[2] Сирри В., Уркуки-Инчима С., и др. . Ядрышко: интересное ядерное тело [J]. Гистохимия и клеточная биология. 2008, 129 (1): 13–31.
[3] Лодиш, Х; Берк А; и др. . Молекулярно-клеточная биология (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. 2004 г., ISBN 0-7167-2672-6 .
[4] Клегг Дж.С. Свойства и метаболизм водной цитоплазмы и ее границ [J]. Являюсь. Дж. Физиол. 1984, 246 (2 часть 2): R133–51.
[5] Джульетта Азимзаде, Мишель Борненс. Структура и удвоение центросомы [J]. Журнал клеточной науки 2007, 120: 2139-2142.
[6] Доу, Х. Р., Фарр, Х. и др. . Морфогенез и миграция центриолей/базальных телец во время цилиогенеза в клетках животных [J]. 2007, J. Cell Sci. 120, 7-15.
[7] Дэвис, Э.Э., Брюкнер, М. и др. . Возникающая сложность реснички позвоночных: новые функциональные роли древней органеллы [J]. 2006, Дев. Ячейка 11, 9-19.
[8] Кретьен Д., Буэндиа Б., и др. . Реконструкция центросомного цикла по криоэлектронным микрофотографиям [J]. Дж. Структура. биол. 1997, 120, 117-133.
[9] Paintrand, M., Moudjou, M., и др. . Организация центросом и архитектура центриолей: их чувствительность к двухвалентным катионам [J]. Дж. Структура. биол. 1992, 108, 107-128.
[10] Меллман И. Эндоцитоз и молекулярная сортировка [J]. Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития. 1996, 12: 575–625.
[11] Stenmark, H. Rab GTPases как координаторы движения везикул [J]. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009 г., 10 (8): 513–25.
[12] Футтер, К.Э., Пирс, А.; и др. . Мультивезикулярные эндосомы, содержащие интернализованные комплексы рецепторов EGF-EGF, созревают и затем сливаются непосредственно с лизосомами [J].
Leave A Comment