§ 17. Будова й функції двомембранних органел (мітохондрії та пластиди)

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Уявіть, що в майбутньому люди почали створювати автономні мікророботи для подорожей тілом людини. Ці мікророботи мають самі виробляти собі енергію й навіть поживні речовини. Які «органи» їм знадобляться для цього?

Мікророботам знадобляться вбудовані мініреактори для розщеплення органічних речовин і вивільнення енергії, акумулятори для її збереження, а також мініатюрні молекулярні фабрики з наборами каталізаторів для збирання потрібних робочих матеріалів.

Як ці функції забезпечує клітина, що існує вже мільярди років?

Клітина розщеплює поживні молекули під час клітинного дихання, накопичує отриману енергію в хімічних зв’язках АТФ, а синтез власних речовин виконує за допомогою білкових ферментів у спеціальних мембранних відсіках.

Чи існують у самій клітині «електростанції» або «виробництва речовин»?

Роль потужних «електростанцій» у клітині виконують мітохондрії (а в рослин ще й хлоропласти), а основними «виробництвами речовин» є рибосоми та ендоплазматична сітка.

ІНДИВІДУАЛЬНА РОБОТА

Проаналізуйте табл. 7 і поясніть, чим зумовлена кількість мітохондрій у різних клітинах.

Кількість мітохондрій прямо залежить від інтенсивності роботи клітини та її потреби в енергії:

1. Кардіоміоцити скорочуються без зупинки протягом усього життя, тому для безперервного живлення серцевого м’яза їм потрібно до 5000 мітохондрій.
2. Гепатоцити безупинно знешкоджують токсини та синтезують складні молекули, тому клітинам печінки потрібно від 1000 до 2000 мітохондрій.
3. Яйцеклітина запасає ресурси для розвитку майбутнього зародка та його швидкого поділу, тому накопичує від кількох сотень тисяч до 1,5 мільйона мітохондрій.
4. Зрілі еритроцити взагалі не мають мітохондрій, щоб не витрачати переносний кисень на власні потреби й залишити весь простір для гемоглобіну.

РОБОТА В ПАРІ

Уявіть, що ви — дослідниці / дослідники, які вивчають клітину. Ви маєте протилежні погляди щодо теорії ендосимбіогенезу (мал. 17.2). Наведіть свої аргументи за й проти ендосимбіотичного походження мітохондрій.

Аргументи «за» ендосимбіотичне походження:

1. Мітохондрії мають власну замкнену кільцеву молекулу ДНК та дрібні бактеріальні рибосоми.
2. Органели оточені двома мембранами, причому внутрішня мембрана за хімічним складом відповідає мембранам бактерій, а зовнішня утворилася з мембрани клітини-хазяїна під час поглинання.
3. Нові мітохондрії не утворюються клітиною заново, а з’являються виключно шляхом поділу вже наявних, подібно до розмноження бактерій.

Аргументи «проти» (труднощі теорії):

1. Мітохондрія не здатна існувати поза клітиною як окремий організм, оскільки більшість її власних генів перемістилася в ядро хазяїна.
2. Близько 99 % необхідних білків для своєї роботи органела отримує з цитоплазми клітини.
3. У мітохондрій відсутня бактеріальна клітинна стінка, яка є обов’язковою для вільноживучих прокаріотів.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Зважаючи на сучасних рикетсій, на вашу думку, які властивості були притаманні предкам мітохондрій? Що зробило ендосимбіоз можливим?

Предки мітохондрій були дрібними аеробними альфа-протеобактеріями, які вже володіли механізмами проникнення всередину інших клітин і могли використовувати кисень для дихання. Ендосимбіоз став можливим через насичення стародавньої атмосфери токсичним на той час киснем: первинні евкаріоти були анаеробами і гинули від нього, а захоплені бактерії знешкоджували кисень і віддавали хазяїну надлишок АТФ в обмін на стабільний захист і поживні речовини.

РОБОТА В ПАРІ

Як змінюються пластиди під час дозрівання плодів (наприклад, у томатів)?

Зелені хлоропласти в клітинах плода поступово перетворюються на хромопласти. У них руйнується зелений пігмент хлорофіл, розбирається внутрішня система складок-тилакоїдів, а натомість накопичуються яскраві червоні та помаранчеві пігменти каротиноїди. Це робить дозрілі плоди помітними для птахів і ссавців, які поїдають їх та розносять насіння.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідження «Вивчення мікроскопічної будови зеленого перцю (хлоропласти), червоного перцю чи томатів (хромопласти) та картоплі (забарвлення йодом крохмальних зерен)»

Тема: Вивчення мікроскопічної будови зеленого перцю (хлоропласти), червоного перцю чи томатів (хромопласти) та картоплі (забарвлення йодом крохмальних зерен).

Мета: навчитися виготовляти тимчасові мікропрепарати рослинних клітин, розпізнавати під мікроскопом хлоропласти, хромопласти та лейкопласти з крохмальними зернами й порівняти їхні особливості.

Обладнання та матеріали: мікроскоп, предметні та покривні скельця, лупа, скальпель або лезо, пінцет, піпетка, серветки, вода, розчин йоду, шматочки зеленого перцю, червоного перцю або томата, бульби картоплі.

Хід роботи:

1. Пінцетом зняли прозору шкірку з внутрішнього боку плоду зеленого перцю, помістили її на предметне скло в краплю води, накрили покривним скельцем і розглянули під мікроскопом овальні зелені хлоропласти.
2. Скальпелем перенесли невелику кількість м’якоті червоного перцю (або томата) на предметне скло в краплю води, накрили покривним скельцем і побачили округлі та видовжені червоно-оранжеві хромопласти.
3. Зробили тонкий зріз бульби сирої картоплі, поклали на предметне скло, нанесли краплю спиртового розчину йоду, накрили покривним скельцем і дослідили посинілі крохмальні зерна всередині лейкопластів.

Зробіть висновок. Про що ви дізналися? Які типи пластид побачили? Як їх розрізнити?

Рослинні клітини містять три типи пластид: зелені хлоропласти, забарвлені в теплі кольори хромопласти та безбарвні накопичувальні лейкопласти. Розрізнити їх можна за кольором, формою та функціональним вмістом: хлоропласти містять зелений пігмент хлорофіл, хромопласти мають каротиноїди червоно-жовтої гами, а лейкопласти легко розпізнаються за якісною реакцією запасеного крохмалю з розчином йоду, що дає характерне темно-синє забарвлення.

РОБОТА В ПАРІ

Розгляньте малюнок 17.1 на с. 84. Чому внутрішня мембрана мітохондрії утворює складки? Що це може дати клітині з точки зору ефективності?

Внутрішня мембрана утворює кристи для того, щоб багаторазово збільшити свою корисну площу всередині маленького об’єму органели. Завдяки цьому на мембрані розміщується значно більша кількість білкових комплексів дихального ланцюга та ферментів АТФ-синтази. Для клітини це означає можливість виробляти набагато більше молекул АТФ за одиницю часу з максимальною енергетичною ефективністю.

Що є спільного в будові, функціях, походженні мітохондрій і хлоропластів?

Обидві органели оточені двома мембранами, мають розвинену систему внутрішніх складок або тилакоїдів, власний рідкий матрикс (строму), власну кільцеву ДНК, РНК та рибосоми бактеріального типу. За функціями вони є перетворювачами енергії в клітині та забезпечують синтез молекул АТФ. За походженням мітохондрії та хлоропласти виникли шляхом ендосимбіозу евкаріотичної клітини-хазяїна з вільноживучими бактеріями — предками альфа-протеобактерій та ціанобактерій.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Поясніть, навіщо клітині потрібні мітохондрії. Чому мітохондрії називають напівавтономними органелами?

Мітохондрії потрібні клітині як головні енергетичні станції для здійснення кисневого клітинного дихання та вироблення більшої частини молекул АТФ. Напівавтономними їх називають тому, що вони мають власний генетичний апарат (кільцеву ДНК), рибосоми, здатні самостійно синтезувати частину своїх білків і ділитися, проте все одно залежать від генів клітинного ядра та цитоплазматичних речовин.

2. Розгляньте малюнок будови хлоропласта (мал. 17.3). Чому його внутрішня мембрана утворює складні структури? Чи сприяє це ефективності фотосинтезу?

Внутрішня мембрана формує дископодібні мішечки-тилакоїди, які збираються у стопки-грани та поєднуються містками-ламелами для колосального збільшення робочої поверхні. Це безпосередньо підвищує ефективність фотосинтезу, оскільки дозволяє компактно вбудувати велику кількість молекул хлорофілу, світлозбиральних комплексів і ферментів, завдяки чому клітина поглинає максимум світла та швидко синтезує АТФ і вуглеводи.

3. Що й чому відбулось із бульбою картоплі? Поясніть на клітинному рівні.

Бульба картоплі позеленіла через тривале перебування на світлі. Під дією сонячних променів безбарвні пластиди клітин картоплі — лейкопласти — перетворилися на хлоропласти, у яких почав синтезуватися зелений пігмент хлорофіл.

4. Що навело дослідників на думку, що хлоропласти — це колишні бактерії, поглинені великою клітиною?

Дослідники звернули увагу на те, що хлоропласти мають дві мембрани, власні рибосоми та власну замкнену в кільце ДНК, дуже схожу на ДНК бактерій. Крім того, ці органели здатні самостійно ділитися навпіл усередині клітини подібно до вільноживучих прокаріотів. Генетичний аналіз остаточно підтвердив їхню спорідненість із давніми фотосинтезуючими ціанобактеріями.

5. Поміркуйте, якого типу симбіотичні взаємодії могли б виникнути між попередниками хлоропластів і клітиною-хазяїном. Яку користь міг мати кожен із симбіонтів?

Між ними виник мутуалізм — взаємовигідне співжиття. Клітина-хазяїн отримувала від фотосинтезуючого симбіонта готові органічні речовини (вуглеводи) та кисень. Попередник хлоропласта натомість отримав надійний захист усередині клітини, а також стабільний доступ до води, мінеральних сполук і вуглекислого газу.