Области знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Функции органоидов клетки

Фу́нкции органо́идов кле́тки — совокупность процессов, выполняемых специализированными внутриклеточными структурами (органеллами), обеспечивающими жизнедеятельность клетки, её рост, деление, обмен веществ и реализацию генетической информации.

Органоиды характерны для эукариотических клеток и различаются строением, происхождением и функциями. Каждый органоид специализирован на определённых процессах, однако в клетке они функционируют как единая взаимосвязанная система. Благодаря согласованной работе органоидов поддерживается гомеостаз, осуществляется обмен веществ, деление клеток и адаптация организма к изменяющимся условиям среды[1].

Изучение функций органоидов — одно из основных направлений цитологии и клеточной биологии. Современные методы электронной микроскопии, флуоресцентной микроскопии, молекулярной биологии и биохимии позволили установить не только строение, но и механизмы взаимодействия органоидов[1].

Общие сведения
Функции органоидов клетки
Область использования биология, цитология, молекулярная биология
Ключевые слова органоиды, клетка, функции, цитология, эукариоты
Базовые понятия органоид, клетка, цитоплазма, мембрана, ядро, митохондрия, рибосома

Классификация органоидов

МитохондрияГладкий эндоплазматический ретикулумЦентриольЛизосомаЦитозольПероксисомаЯдрышкоЯдро клеткиРибосомаВезикулаЦитоскелетАппарат ГольджиШероховатый эндоплазматический ретикулум
Схематическое изображение животной клетки

По особенностям строения органоиды подразделяют на три основные группы:

Такая классификация отражает особенности происхождения и организации органоидов. Мембранные органоиды образуют отдельные внутриклеточные компартменты, тогда как немембранные представляют собой белковые комплексы или структуры, формирующиеся в цитоплазме.

Двумембранные органоиды

Ядро

Ядро — крупнейший органоид большинства эукариотических клеток, выполняющий функцию хранения, реализации и передачи наследственной информации. В нём располагаются молекулы ДНК, объединённые в хромосомы, содержащие гены, определяющие строение и функции клетки.

Ядро окружено двойной ядерной оболочкой с многочисленными ядерными порами, через которые осуществляется транспорт РНК, белков и других молекул между ядром и цитоплазмой. Внутреннее содержимое ядра представлено кариоплазмой, в которой находятся хроматин и одно или несколько ядрышек[1].

Основные функции ядра:

  • хранение генетической информации;
  • регуляция синтеза белков посредством контроля транскрипции;
  • удвоение ДНК перед делением клетки;
  • образование субъединиц рибосом в ядрышке;
  • координация процессов роста, дифференцировки и жизненного цикла клетки.

Ядро играет центральную роль в регуляции клеточной активности. Изменение экспрессии генов позволяет клетке адаптироваться к внешним условиям и выполнять специализированные функции в составе тканей[1]. Процессы реализации наследственной информации, такие как транскрипция, протекают в ядре, откуда РНК затем транспортируется в цитоплазму к месту синтеза белка[1].

Митохондрии

Митохондрии — энергетические органоиды большинства эукариотических клеток. Их основная функция — синтез аденозинтрифосфата (АТФ) в процессе клеточного дыхания.

Митохондрия ограничена двумя мембранами. Внутренняя мембрана образует складки — кристы, на которых располагаются ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Во внутреннем пространстве находится матрикс, содержащий собственную кольцевую ДНК, РНК и рибосомы. Наличие собственного генетического аппарата рассматривается как одно из подтверждений эндосимбиотической теории происхождения митохондрий[1].

Основные функции митохондрий:

  • синтез АТФ;
  • участие в клеточном дыхании;
  • регуляция обмена кальция;
  • участие в апоптозе;
  • образование промежуточных продуктов обмена веществ;
  • синтез отдельных липидов и аминокислот.

Количество митохондрий зависит от энергетических потребностей клетки. Особенно много их в клетках сердечной мышцы, печени, почек и скелетных мышц, где синтез АТФ протекает наиболее интенсивно[2]. Количество крист внутри митохондрий также варьирует, определяя площадь поверхности, на которой размещаются ферменты, синтезирующие АТФ. Внутреннее пространство митохондрий заполнено гомогенным раствором — матриксом, имеющим более плотную консистенцию, чем гиалоплазма[3].

Пластиды

Пластиды встречаются в клетках растений и водорослей, но отсутствуют у животных и грибов. Они образуются из пропластид и подразделяются на хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Все пластиды окружены двумя мембранами и содержат собственные ДНК и рибосомы, что также рассматривается как подтверждение их эндосимбиотического происхождения.

Наиболее изучены хлоропласты, в которых происходит фотосинтез. В их внутренней мембранной системе расположены тилакоиды, объединённые в граны, содержащие пигменты, прежде всего хлорофилл. Благодаря фотосинтезу световая энергия преобразуется в химическую, а из углекислого газа и воды синтезируются органические вещества[1].

Основные функции пластид:

  • фотосинтез (хлоропласты);
  • синтез и накопление крахмала, липидов и белков (лейкопласты);
  • накопление каротиноидных пигментов и окраска плодов, цветков и листьев (хромопласты);
  • участие в обмене веществ растительной клетки.

Пластиды способны превращаться друг в друга в зависимости от стадии развития растения и условий среды. Например, при созревании плодов хлоропласты часто преобразуются в хромопласты, что сопровождается изменением окраски. Лейкопласты, бесцветные пластиды, могут при ярком освещении превращаться в хлоропласты, что объясняет, например, позеленение клубней картофеля на свету[3].

Одномембранные органоиды

Одномембранные органоиды образуют единую эндомембранную систему клетки, в состав которой входят эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, эндосомы и вакуоли. Между этими органоидами постоянно осуществляется транспорт белков, липидов и других веществ при помощи мембранных пузырьков (везикул)[1].

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (ЭПС, или эндоплазматический ретикулум) — система мембранных канальцев, цистерн и пузырьков, пронизывающих цитоплазму клетки. Она связана с наружной мембраной ядра и обеспечивает внутриклеточный транспорт веществ.

Различают два типа ЭПС — шероховатую и гладкую.

Шероховатая ЭПС покрыта многочисленными рибосомами, на которых происходит синтез белков, предназначенных для секреции, включения в мембраны или доставки в другие органоиды. После синтеза белки поступают внутрь цистерн ЭПС, где начинается их сворачивание и первичная модификация.

Гладкая ЭПС не содержит рибосом. Она участвует в синтезе липидов, фосфолипидов и стероидных гормонов, обезвреживании токсичных веществ, обмене углеводов и накоплении ионов кальция, особенно в мышечных клетках. В клетках печени гладкая ЭПС особенно развита и участвует в детоксикации[1].

Основные функции ЭПС:

  • синтез белков (шероховатая);
  • синтез липидов (гладкая);
  • внутриклеточный транспорт веществ;
  • образование мембран;
  • накопление кальция;
  • детоксикация некоторых веществ.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи — система уплощённых мембранных цистерн и многочисленных пузырьков. Он принимает вещества, синтезированные в ЭПС, модифицирует их и распределяет по различным участкам клетки.

В аппарате Гольджи происходит присоединение к белкам и липидам углеводных остатков (гликозилирование), образование сложных белковых комплексов, упаковка веществ в транспортные пузырьки и их сортировка. Отсюда секретируемые белки направляются к клеточной мембране, а ферменты — в лизосомы[1].

Основные функции аппарата Гольджи:

  • химическая модификация белков и липидов;
  • сортировка клеточных продуктов;
  • образование секреторных пузырьков;
  • участие в образовании лизосом;
  • обновление клеточных мембран.

У растений аппарат Гольджи также участвует в синтезе компонентов клеточной стенки, включая пектины и гемицеллюлозы[1]. В клетках желёз внутренней секреции, где образуются гормоны, аппарат Гольджи особенно хорошо развит[3].

Лизосомы

Лизосомы — небольшие мембранные пузырьки, содержащие гидролитические ферменты, способные расщеплять белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Эти ферменты активны только в кислой среде, которая поддерживается специальными белковыми насосами мембраны лизосомы. Ферменты лизосом образуются в шероховатой ЭПС и модифицируются в аппарате Гольджи.

Лизосомы обеспечивают внутриклеточное пищеварение. Они сливаются с пищеварительными вакуолями, эндосомами или повреждёнными органоидами, после чего происходит расщепление содержащихся в них веществ на более простые соединения.

Основные функции лизосом:

  • внутриклеточное переваривание веществ;
  • разрушение изношенных органоидов (аутофагия);
  • уничтожение некоторых микроорганизмов;
  • участие в программируемой гибели клетки;
  • переработка клеточных компонентов для повторного использования[4].

Нарушение работы лизосом приводит к развитию наследственных лизосомных болезней накопления, при которых в клетках накапливаются нерасщеплённые вещества[1].

Пероксисомы

Пероксисомы — небольшие мембранные органоиды, содержащие ферменты окисления. Они участвуют в расщеплении жирных кислот, обезвреживании токсичных веществ и разрушении перекиси водорода при помощи фермента каталаза.

Основные функции пероксисом:

  • обезвреживание токсичных соединений;
  • расщепление длинноцепочечных жирных кислот;
  • участие в обмене липидов;
  • защита клетки от активных форм кислорода[5].

В клетках печени пероксисомы участвуют в обезвреживании этанола. Совместно с митохондриями пероксисомы поддерживают нормальный уровень окислительных процессов в клетке.

Эндосомы

Эндосомы — промежуточные компартменты системы внутриклеточного транспорта. Они образуются после эндоцитоза и участвуют в сортировке веществ, поступивших в клетку[1].

Часть веществ из эндосом возвращается на поверхность клетки, другие направляются в лизосомы для расщепления. Благодаря эндосомам клетка регулирует количество рецепторов на поверхности и контролирует поступление молекул.

Вакуоли

Вакуоли наиболее характерны для клеток растений, грибов и некоторых простейших. Они представляют собой крупные мембранные полости, заполненные клеточным соком.

У зрелых растительных клеток центральная вакуоль может занимать до 80-90 % объёма клетки. Её содержимое включает воду, растворённые минеральные соли, органические кислоты, сахара, аминокислоты, пигменты и продукты обмена веществ.

Основные функции вакуолей:

  • поддержание тургорного давления;
  • накопление воды и запасных веществ;
  • хранение пигментов;
  • удаление продуктов обмена;
  • участие в росте клетки за счёт увеличения объёма вакуоли;
  • поддержание ионного состава и кислотности клеточного сока[1].

У некоторых одноклеточных организмов встречаются сократительные вакуоли, обеспечивающие удаление избытка воды и поддержание осмотического равновесия.

Немембранные органоиды

Немембранные органоиды не имеют собственной мембраны и состоят преимущественно из белковых комплексов. Они выполняют важнейшие функции, связанные с синтезом белков, поддержанием формы клетки, внутриклеточным транспортом, движением и делением клетки.

Рибосомы

Рибосомы — небольшие немембранные органоиды, состоящие из рибосомной РНК и белков. Они являются местом трансляции — процесса синтеза белков по информации, содержащейся в матричной РНК.

Рибосомы могут свободно находиться в цитоплазме или прикрепляться к мембранам шероховатой ЭПС. Свободные рибосомы синтезируют белки, используемые внутри клетки, тогда как связанные с ЭПС образуют белки для секреции, мембран или других органоидов[6].

Основные функции рибосом:

  • синтез белков;
  • синтез структурных белков клетки;
  • участие в реализации генетической информации.

Цитоскелет

Цитоскелет — сложная сеть белковых нитей, пронизывающих всю цитоплазму клетки. Основными компонентами цитоскелета являются микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты.

Микротрубочки и микрофиламенты обеспечивают движение и транспорт, а промежуточные филаменты — механическую прочность. Цитоскелет обеспечивает движение органоидов, транспорт везикул, изменение формы клетки, образование веретена деления и движение хромосом во время митоза и мейоза.

Основные функции цитоскелета:

  • поддержание формы клетки;
  • механическая прочность;
  • внутриклеточный транспорт;
  • участие в делении клетки;
  • обеспечение движения клетки и её органоидов.

Клеточный центр

Клеточный центр (центросома) располагается вблизи ядра большинства животных клеток. Он состоит из двух центриолей, образованных микротрубочками, и окружающего их белкового матрикса.

Перед делением клетки центросома удваивается, после чего центриоли расходятся к противоположным полюсам и организуют микротрубочки веретена деления, обеспечивающего равномерное распределение хромосом между дочерними клетками. В клетках высших растений центросомы нет, веретено деления формируется без центриолей.

Основные функции клеточного центра:

  • организация микротрубочек;
  • формирование веретена деления;
  • участие в образовании ресничек и жгутиков;
  • пространственная организация цитоскелета[1].

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики — специализированные выросты клетки, обеспечивающие её движение или перемещение жидкости по поверхности тканей. Их основу составляет система микротрубочек со строением «9+2»: девять пар периферических микротрубочек и две центральные.

Реснички многочисленны и коротки, жгутики длиннее и представлены в небольшом количестве. Их движение обеспечивается белком динеином, вызывающим скольжение микротрубочек относительно друг друга[1].

Основные функции:

  • движение клетки;
  • транспорт жидкости по поверхности эпителия;
  • участие в процессах оплодотворения (движение сперматозоидов);
  • восприятие некоторых внешних сигналов.

Взаимодействие органоидов

Несмотря на специализацию, функционирование клетки возможно только при согласованной работе органоидов. Большинство внутриклеточных процессов представляет собой последовательность взаимосвязанных этапов, каждый из которых осуществляется определённым органоидом[1].

Например, информация о строении белка сначала считывается в ядре. Затем матричная РНК поступает к рибосомам, где происходит синтез полипептидной цепи. После этого белок транспортируется в ЭПС, проходит модификацию в аппарате Гольджи и направляется в соответствующий участок клетки либо выводится наружу посредством экзоцитоза. Липиды синтезируются в гладкой ЭПС, модифицируются в аппарате Гольджи и направляются к мембранам.

Энергия для большинства процессов образуется в митохондриях в виде АТФ. Цитоскелет обеспечивает перемещение везикул между органоидами, а лизосомы и пероксисомы осуществляют переработку повреждённых структур и продуктов обмена. Благодаря такому взаимодействию клетка функционирует как единая высокоорганизованная система.

Биологическое значение

Функции органоидов лежат в основе жизнедеятельности всех эукариотических организмов. От их согласованной работы зависят рост, развитие, обмен веществ, размножение клеток и способность организмов приспосабливаться к изменениям среды[1].

Нарушение строения или функций органоидов приводит к заболеваниям. Дефекты митохондрий вызывают митохондриальные болезни, нарушения работы лизосом — болезни накопления, а изменения цитоскелета могут сопровождаться нарушением деления клеток и развитием опухолей[1].

Исследование функций органоидов имеет большое значение для современной биологии, медицины, генетики и биотехнологии. Полученные знания используются при разработке методов диагностики, создании лекарств, изучении наследственных болезней, а также в клеточной инженерии и регенеративной медицине.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. // NCBI Bookshelf.
  2. ↑ Судаков Н. П., Никифоров С. Б., Константинов Ю. М., Лепехова С. А. Роль митохондрий в реализации механизмов программированной гибели клетки // Acta Biomedica Scientifica. — 2007. — № 1.
  3. ↑ 1 2 3 Высоцкая Л.В., Дымшиц Г.М., Рувинский А.О., Саблина О.В., Кузнецова Л.Н. Биология 10 класс: углубленный уровень. — М.: Просвещение, 2022. — ISBN 978-5-09-101678-9.
  4. ↑ Романов Б. К. Лекарственная регуляция активности лизосомальных ферментов // Российский медико-биологический вестник имени академика И. П. Павлова. — 2003. — № 1—2.
  5. ↑ Титов Владимир Николаевич, Ширяева Ю. К., Каба С. И. Субклеточные органеллы пероксисомы, реализация биологических функций трофологии, гомеостаза, эндоэкологии и функциональные связи с митохондриями (лекция) // Клиническая лабораторная диагностика. — 2012. — № 6.
  6. ↑ Гусейнова Назакет Таги Кызы, Мамедова Рена Фирудин Кызы. Клетка - основа жизни на Земле // Universum: химия и биология. — 2019. — № 11—1 (65).

Литература

  • Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. — 6-е. — М.: Лаборатория знаний, 2023.
  • Кэмпбелл Н., Рис Дж. Биология. — 11-е. — М.: Питер, 2021.
  • Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. — М.: Мир, 2019.

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».