СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНЕЛЛ ЦИТОПЛАЗМЫ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИТОПЛАЗМЫ

Цитоплазма – обязательная часть живой клетки, заключенная между ядром и плазматической мембраной. В цитоплазме происходят все процессы клеточного обмена, исключая синтез нуклеиновых кислот, совершающийся в ядре.

Химический состав цитоплазмы очень сложен и зависит от функций, физиологического состояния клеток, от воздействия внешней среды. Вода составляет в среднем – 80…85 %, белки - 10…12 %, остальной объем приходится на липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные соли.

По физическому состоянию цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему, где дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой — коллоидные частицы (крупные молекулы органических веществ). Частицы в коллоидном растворе обычно имеют одноименный заряд и поэтому отталкиваются одна от другой, это удерживает их в диспергированном (рассеянном) состоянии. Каждая из частиц окружена соединенными с нею молекулами воды. Огромная поверхность коллоидных частиц создает благоприятные условия для быстрого осуществления множества реакций.

Состояние коллоида с преобладанием дисперсионной среды носит название золя (жидкое состояние). При потере электрического заряда коллоидные частицы слипаются. Частичная потеря зарядов и воды ведет к переходу в состояние геля (твердое, полутвердое состояние),в котором преобладает дисперсная фаза.

Явление взаимного превращения золя в гель наблюдается на протяжении всей жизнедеятельности клетки. Например, в клетках молодых семян цитоплазма находится в жидком состоянии, по мере их созревания затвердевает, при их прорастании вновь разжижается. В этих случаях переход цитоплазмы из одного состояния в другое обратимый процесс.

Однако, например, при превышении критической температуры или добавлении некоторых химических веществ цитоплазма необратимо переходит в состояние геля, т. е. коагулирует (свертывается). Клетка при этом погибает.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНЕЛЛ ЦИТОПЛАЗМЫ

Плазматическая мембрана (плазмалемма) - пограничная мембрана цитоплазмы. Представляет собой тончайшую пленку (5…10 нм), состоящую из молекул белков и липидов (рисунок 2). Липиды образуют внутренний двойной слой и представлены фосфолипидами. Молекулы фосфолипидов имеют две части: полярную - головку и неполярную - хвост. Головки гидрофильны и направлены кнаружи и внутрь клетки, хвосты, напротив, гидрофобны и обращены друг другу. Липидный слой ведет себя как жидкость, обладающая значительным поверхностным натяжением, вследствие чего он образует замкнутые полости, которые не смыкаются.

Молекулы белков расположены мозаично на обеих сторонах липидного слоя или же внедрены в него на различную глубину (частично или пронизывают всю его толщу). Белки выполняют разнообразные функции – структурную, ферментативную, транспортную, сигнальную и др. Плазмалемма обладает избирательной проницаемостью, благодаря чему обеспечивает постоянство химического состава клетки.

Аналогичное строение имеют и внутриклеточные мембраны, такие как – мембрана вакуоли (тонопласт), мембраны ядра (кариолемма), мембраны пластид, митохондрий и.т.д.

Гиалоплазма - оптически прозрачная коллоидная среда, в которую погружены органеллы клетки. Гиалоплазма обеспечивает связь органоидов клетки, а также межклеточные связи через плазмодесмы. Гиалоплазма является средой для протекания различных биохимических процессов (например, гликолиза), а также служит местом хранения различных биомолекул. С гиалоплазмой связано неотъемлемое свойство цитоплазмы – движение. Ток гиалоплазмы увлекает ядро, хлоропласты и другие органеллы.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – система одномембранных канальцев, пузырьков, цистерн. Поверхность ЭПС может быть покрыта рибосомами, и тогда она называется шероховатой (гранулярной), если рибосомы отсутствуют, то ее называют гладкой (агранулярной). Строение последней ближе к трубчатому. Функции шероховатой ЭПС связаны с транспортом белков, синтезируемых рибосомами на ее поверхности. Функцией гладкой ЭПС является синтез и транспорт липидов. Кроме того, ЭПС является центром образования и роста клеточных мембран; участвует в образовании лизосом, аппарата Гольджи. Эндоплазматическая сеть имеет связь с наружной мембраной ядра и плазмалеммой.

Аппарат Гольджи (диктиосомы) - система уплощенных одномембранных цистерн, расположенных параллельно и пузырьков (рисунок 3). Аппарат Гольджи связан непосредственно с ЭПС. ЭПС отшнуровывает мембранные пузырьки, несущие те или иные вещества. Пузырьки постепенно сливаются друг с другом, формируя цистерны. Внутри цистерн вещества подвергаются различным биохимическим превращениям, например, здесь происходит нейтрализация токсичных веществ, образование полисахаридов, синтез липопротеидов. Затем цистерны вновь распадаются на пузырьки, которые транспортируют образовавшиеся вещества в ту или иную часть клетки. Таким образом, аппарат Гольджи имеет два полюса: формирующий, где образуются новые цистерны и секретирующий, где цистерны распадаются на пузырьки. Поток пузырьков может быть направлен в сторону плазмалеммы и клеточной стенки. Достигнув их содержимое пузырька освобождается и расходуется на рост клеточной стенки, а мембрана пузырька встраивается в плазмалемму. Таким образом, аппарат Гольджи участвует в построении плазмалеммы и клеточной стенки. Кроме того, аппарат Гольджи участвует в образовании лизосом, вакуолей. В целом функция аппарата Гольджи секреторная.

Вакуоль представляет собой полости в цитоплазме, ограниченные мембраной – тонопластом и, заполненные клеточным соком. В меристематических клетках вакуоли очень мелкие и заметны лишь под электронным микроскопом. Во взрослой дифференцированной клетке имеется одна крупная центральная вакуоль. Она постепенно увеличивается за счет слияния многочисленных мелких вакуолей.

Клеточный сок вакуолей содержит воду, органические вещества – простые белки, углеводы, гликозиды, пигменты, дубильные вещества, алкалоиды и др, а также минеральные соли. Химический состав клеточного сока сильно варьирует в зависимости от вида растений.

Гликозиды – эфироподобные соединения моносахаров со спиртами, альдегидами и другими веществами. Они имеют горький вкус, резкий запах, ядовиты для животных.

Пигменты (флавониды) относятся также к гликозидам. Они окрашивают клеточный сок в лепестках цветков и плодах и, тем самым, способствуют привлечению насекомых-опылителей и распространению плодов. Разнообразная окраска клеточного сока зависит от пигментов антоциана и антохлора. Антоциан не имеет постоянной окраски, она зависит от реакции клеточного сока: в кислой среде окраска красная, в щелочной - синяя, в нейтральной – фиолетовая. Антохлор – пигмент желтого цвета. Эти два пигмента и придают разнообразную окраску цветкам и плодам растений.

Дубильные вещества (танниды) – эфиры фруктозы и органических кислот, предохраняющие растения от загнивания. Дубильные вещества имеют вяжущий вкус. Значительное накопление таннидов отмечено в коре дуба, листе чая, недозрелых плодах хурмы, граната.

Алкалоиды – органические основания, содержащие азот (морфин, кодеин, кофеин, никотин, соланин). Эти вещества ядовиты и могут вызвать отравление животных.

Вакуоль участвует в регуляции водно-солевого обмена, в поддержании тургорного давления в клетке, в вакуоли происходит накопление запасных питательных веществ и конечных продуктов метаболизма. Кроме того, пигменты, содержащиеся в вакуоли, определяют окраску цветков, плодов, что важно для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении растений и в распространении семян.

Лизосомы - одномембранные органеллы округлой формы, содержащие гидролитические ферменты. Лизосомы осуществляют внутриклеточное переваривание ненужных веществ, отработанных органоидов. Ферменты лизосом очищают всю полость клетки после отмирания ее протопласта (например, при образовании сосудов).

Митохондрии – это двухмембранные органоиды разнообразной формы - от сферических глыбок до телец нитевидной формы. Внутренняя мембрана образует впячивания – кристы (рисунок 4). Внутреннее пространство митохондрий заполнено белково-липоидным матриксом, в котором содержится белоксинтезирующий комплекс - молекула ДНК (кольцевая), РНК, рибосомы. Функция митохондрий – энергетическая. Это осуществляется благодаря внутриклеточному дыханию (окислению органических веществ до СО₂ и Н₂О), в процессе которого выделяется энергия, запасающаяся в виде АТФ. Наличие белоксинтезирующего комплекса обеспечивает митохондриям синтез собственного белка и независимое от ядра деление. Число митохондрий увеличивается в результате их деления. В клетках митохондрии концентрируются около ядра, хлоропластов – там, где велик расход энергии.

Пластиды. Эти органеллы характерны исключительно для растительных клеток. Различают три вида пластид - хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. В клетке встречается только один вид пластид. Пластиды окружены двойной мембраной и заполнены белково-липоидным матриксом. В матриксе имеется белоксинтезирующий комплекс (кольцевая молекула ДНК, молекула РНК, рибосомы), наличие, которого обеспечивает, также как и в митохондриях, синтез собственного белка и независимое от ядра деление (рисунки 6,8,10). Все пластиды развиваются из пропластид, которые представляют собой двухмембранные сферические тельца, содержащиеся в клетках зародыша и в клетках образовательной ткани. Пропластиды, в свою очередь, развиваются из инициальных частиц, которые наследуются только через яйцеклетку, спермии их не содержат. На свету из пропластид формируются хлоропласты, в глубине стебля и в подземных органах – лейкопласты. Из хлоропластов и иногда лейкопластов формируются хромопласты.

Хлоропласты – пластиды зеленого цвета; округлой, овальной, но чаще всего линзообразной формы (рисунок 5). Хлоропласты можно обнаружить в клетках листьев, зеленых стеблей. Внутренняя мембрана хлоропласта образует впячивания – ламеллы, они пронизывают всю полость хлоропласта (рисунок 6). Кроме них формируются одномембранные мешочки - тилакоиды, собранные в граны. В мембранах тилакоидов содержатся пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Здесь протекает световая фаза фотосинтеза, в результате которой происходит превращение световой энергии в энергию химических связей, которая запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). В матриксе хлоропласта протекает темновая фаза фотосинтеза, в результате которой происходит восстановление углекислого газа до глюкозы, при этом используется АТФ, полученная в световую фазу. Глюкоза постепенно полимеризуется и превращается в зерна первичного крахмала.

Хромопласты - пластиды красного, оранжевого и желтого цвета; что обусловлено содержанием в них пигментов - каротина (красно-оранжевый) и ксантофилла (желтый). Эти пластиды могут присутствовать в клетках лепестков цветка (лютик, нарцисс, тюльпан, календула), а также в кожуре или мякоти некоторых плодов (шиповник, боярышник, рябина) и корнеплодов (морковь). Хромопласты имеют разнообразную форму: дисковидную, шаровидную, палочковидную, веретенообразную (рисунок 7). Внутренняя структура более простая, чем у хлоропластов, внутренняя мембранная система отсутствует, иногда могут присутствовать лишь одиночные тилакоиды (рисунок 8). Каротиноиды могут находиться в матриксе в двух формах. В одном случае они растворены в каплях жира, такие капли называют пластоглобулами. Пластоглобулы имеют шаровидную форму. В другом случае пигменты кристаллизуются. Хромопласты соответственно приобретают ту же форму, что и находящийся в них кристалл. (серповидную, игольчатую, зернистую и т.д.). Хромопласты выполняют роль светофильтра при фотосинтезе, а также способствуют привлечению опылителей и распространителей плодов и семян, поскольку участвуют в окраске лепестков и плодов.

Лейкопласты – бесцветные пластиды, шарообразной, веретенообразной и другой формы (рисунок 9). Внутренняя мембранная система, хоть и присутствует, развита слабо (рисунок 10). Можно обнаружить одиночные тилакоиды или мембранные пузырьки. Эти пластиды приспособлены для хранения запасов питательных веществ, и потому их особенно много в запасающих органах – корнях, семенах, плодах, молодых листьях и др. В зависимости от природы накапливающихся веществ лейкопласты делят на три группы: амилопласты (запасаются углеводы), олеопласты (запасаются жиры), протеинопласты (запасаются белки). Чаще всего в лейкопластах запасаются углеводы в виде крахмала.

Микротрубочки - немембранные, полые, цилиндрические структуры, построенные из белка - тубулина. Микротрубочки принимают участие в образовании веретена деления, в перемещении других клеточных органелл.

Микрофиламенты - немембранные тонкие нити, состоящие из белка – актина, способные сокращаться. Микрофиламенты участвуют в эндоцитозе и экзоцитозе клетки. Микротрубочки и микрофиламенты составляют цитоскелет клетки, который влияет на изменение формы клетки.

Рибосомы - немембранные органеллы, состоящие из двух субъединиц – большой и малой, скрепленных между собой ионом магния (рисунок 11). По химическому составу представляют собой рибонуклеопротеиды, поскольку содержат РНК и белок. На рибосомах происходит синтез белка по матричному принципу. Рибосомы присутствуют в гиалоплазме, в ядре, а также в хлоропластах и митохондриях. В гиалоплазме рибосомы могут находиться в свободном виде - поодиночке или группами. Группы рибосом называют полисомами. Рибосомы могут быть также связанны с ЭПС или наружной мембраной ядра. Свободные рибосомы синтезируют белки, необходимые для жизнедеятельности самой клетки, связанные рибосомы синтезируют белки, подлежащие выведению из клетки.

Поиск по сайту: