Строение пластид и хлоропластов растений

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 06.11.2024

Пластиды — органоиды, специфичные для клеток растений (они имеются в клетках всех растений, за исключением большинства бактерий, грибов и некоторых водорослей).

В клетках высших растений находится обычно от 10 до 200 пластид размером 3-10мкм, чаще всего имеющих форму двояковыпуклой линзы. У водорослей зеленые пластиды, называемые хроматофорами, очень разнообразны по форме и величине. Они могут иметь звездчатую, лентовидную, сетчатую и другие формы.

Различают 3 вида пластид:

Бесцветные пластиды — лейкопласты;
окрашенные — хлоропласты (зеленого цвета);
окрашенные — хромопласты (желтого, красного и других цветов).

Эти виды пластид до известной степени способны превращаться друг в друга — лейкопласты при накоплении хлорофилла переходят в хлоропласты, а последние при появлении красных, бурых и других пигментов — в хромопласты.

Строение и функции хлоропластов

Хлоропласты — зеленые пластиды, содержащие зеленый пигмент — хлорофилл.

Основная функция хлоропласт — фотосинтез.

В хлоропластах есть свои рибосомы, ДНК, РНК, включения жира, зерна крахмала. Снаружи хлоропласта покрыты двумя белково-липидными мембранами, а в их полужидкую строму (основное вещество) погружены мелкие тельца — граны и мембранные каналы.

Строение хлоропласта

Граны (размером около 1мкм) — пакеты круглых плоских мешочков (тилакоидов), сложенных подобно столбику монет. Располагаются они перпендикулярно поверхности хлоропласта. Тилакоиды соседних гран соединены между собой мембранными каналами, образуя единую систему. Число гран в хлоропластах различно. Например, в клетках шпината каждый хлоропласт содержит 40-60 гран.

Хлоропласты внутри клетки могут двигаться пассивно, увлекаемые током цитоплазмы, либо активно перемещаться с места на место.

Если свет очень интенсивен, они поворачиваются ребром к ярким лучам солнца и выстраиваются вдоль стенок, параллельных свету.
При слабом освещении, хлоропласты перемещаются на стенки клетки, обращенные к свету, и поворачиваются к нему своей большой поверхностью.
При средней освещенности они занимают среднее положение.

Этим достигаются наиболее благоприятные для процесса фотосинтеза условия освещения.

Хлорофилл

В гранах пластид растительной клетки содержится хлорофилл, упакованный с белковыми и фосфолипидными молекулами так, чтобы обеспечить способность улавливать световую энергию.

Молекула хлорофилла очень сходна с молекулой гемоглобина и отличается главным образом тем, что расположенный в центре молекулы гемоглобина атом железа заменен в хлорофилле на атом магния.

Сходство молекулы хлорофилла и молекулы гемоглобина

В природе встречается четыре типа хлорофилла: a, b, c, d.

Хлорофиллы a и b содержат высшие растения и зеленые водоросли, диатомовые водоросли содержат a и c, красные — a и d.

Лучше других изучены хлорофиллы a и b (их впервые разделил русский ученый М.С.Цвет в начале XXв.). Кроме них существуют четыре вида бактериохлорофиллов — зеленых пигментов пурпурных и зеленых бактерий: a, b, c, d.

Большинство фотосинтезирующих бактерий содержат бактериохлорофилл a, некоторые — бактериохлорофилл b, зеленые бактерии — c и d.

Хлорофилл обладает способностью очень эффективно поглощать солнечную энергию и передавать ее другим молекулам, что является его главной функцией. Благодаря этой способности хлорофилл — единственная структура на Земле, которая обеспечивает процесс фотосинтеза.

Главная функция хлорофилла в растениях — поглощение энергии света и передача ее другим клеткам.

Пластидам, так же, как и митохондриям, свойственна до некоторой степени автономность внутри клетки. Они размножаются путем деления.

Наряду с фотосинтезом, в пластидах происходит процесс биосинтеза белка. Благодаря содержанию ДНК пластиды играют определенную роль в передаче признаков по наследству (цитоплазматическая наследственность).

Строение и функции хромопластов

Хромопласты относятся к одному из трех видов пластид высших растений. Это небольших размеров, внутриклеточные органеллы.

Хромопласты имеют различный окрас: желтый, красный, коричневый. Они придают характерный цвет созревшим плодам, цветкам, осенней листве. Это необходимо для привлечения насекомых-опылителей и животных, которые питаются плодами и разносят семена на дальние расстояния.

Строение хромопласта

Структура хромопласта похожа на другие пластиды. Их двух оболочек внутренняя развита слабо, иногда вовсе отсутствует. В ограниченном пространстве расположена белковая строма, ДНК и пигментные вещества (каротиноиды).

Каротиноиды – это жирорастворимые пигменты, которые накапливаются в виде кристаллов.

Форма хромопластов очень разнообразна: овальная, многоугольная, игольчатая, серповидная.

Роль хромопластов в жизни растительной клетки до конца не выяснена. Исследователи предполагают, что пигментные вещества играют важную роль в окислительно-восстановительных процессах, необходимы для размножения и физиологичного развития клетки.

Строение и функции лейкопластов

Лейкопласты — это органоиды клетки, в которых накапливаются питательные вещества. Органеллы имеют две оболочки: гладкую наружную и внутреннюю с несколькими выступами.

Лейкопласты на свету превращаются в хлоропласты (к примеру зеленые клубни картофеля), в обычном состоянии они бесцветны.

Форма лейкопластов шаровидная, правильная. Они находятся в запасающей ткани растений, которая заполняет мягкие части: сердцевину стебля, корня, луковиц, листьев.

Строение лейкопласта

Функции лейкопластов зависят от их вида (в зависимости от накапливаемого питательного вещества).

Амилопласты накапливают крахмал, встречаются во всех растениях, так как углеводы основной продукт питания растительной клетки. Некоторые лейкопласты полностью наполнены крахмалом, их называют крахмальными зернами.
Элайопласты продуцируют и запасают жиры.
Протеинопласты содержат белковые вещества.

Лейкопласты также служат ферментной субстанцией. Под действием ферментов быстрее протекают химические реакции. А в неблагоприятный жизненный период, когда процессы фотосинтеза не осуществляются, они расщепляют полисахариды до простых углеводов, которые необходимы растениям для выживания.

В лейкопластах не может происходить фотосинтез, потому что они не содержат гран и пигментов.

Луковицы растений, в которых содержится много лейкопластов, могут переносить длительные периоды засухи, низкую температуру, жару. Это связано с большими запасами воды и питательных веществ в органеллах.

Предшественниками всех пластид является пропластиды, небольшие органоиды. Допускают, что лейко — и хлоропласты способны трансформироваться в другие виды. В конечном итоге после выполнения своих функций хлоропласты и лейкопласты становятся хромопластами — это последняя стадия развития пластид.

Важно знать! Одновременно в клетке растения может находиться только один вид пластид.

Хлоропласты

Хлоропласты являются одним из видов пластид. Хлоропласты имеют зеленый цвет за счет преобладающего в них пигмента хлорофилла. Основная их функция — фотосинтез.

Количество данных органоидов в клетке варьирует. У некоторых водорослей в клетках содержится одни большой хлоропласт, часто причудливой формы. У высших растений их множество, особенно в мезофильной ткани листьев, где количество может достигать сотни штук на клетку.

У высших растений размер органоида около 5 мкм, форма округлая слегка вытянутая в одном направлении.

Хлоропласты в клетках развиваются из пропластид или путем деления надвое ранее существующих.

Строение хлоропласта

В строении хлоропластов выделяют внешнюю и внутреннюю мембраны, межмембранное пространство, строму, тилакоиды, граны, ламеллы, люмен.

Тилакоид представляет собой ограниченное мембраной пространство в форме приплюснутого диска. Тилакоиды в хлоропластах объединяются в стопки, которые называют гранами. Граны связаны между собой удлиненными тилакоидами — ламеллами.

Полужидкое содержимое хлоропласта называется стромой. В ней находятся его ДНК и РНК, рибосомы, обеспечивающие полуавтономность органоида (см. Симбиогенез).

Также в строме находятся зерна крахмала. Они образуются при избытке углеводов, образовавшихся при фотосинтетической активности. Жировые капли обычно формируются из мембран разрушающихся тилакоидов.

Функции хлоропластов

Основная функция хлоропластов — это фотосинтез — синтез глюкозы из углекислого газа и воды за счет солнечной энергии, которая улавливается хлорофиллом. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород. Однако процесс этот сложный и многоступенчатый, при котором синтезируются и побочные продукты, использующиеся как в самом хлоропласте, так и в остальных частях клетки.

Основным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл. Он существует в нескольких разных формах. Кроме хлорофилла в фотосинтезе принимают участие пигменты каротиноиды.

Пигменты локализованы в мембранах тилакоидов, здесь протекают световые реакции фотосинтеза. Кроме пигментов здесь присутствуют ферменты и переносчики электронов. Хлоропласты стараются расположиться в клетке так, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету.

Хлорофилл состоит из длинного углеводного кольца и порфириновой головки. Хвост гидрофобен и погружен в липидный слой мембран тилакоидов. Головка гидрофильна и обращена к строме. Энергия света поглощается именно головкой, что приводит к возбуждению электронов.

Электрон отделяется от молекулы хлорофилла, который после этого становится электроположительным, т. е. оказывается в окисленной форме. Электрон принимается переносчиком, которые передает его на другое вещество.

Разные виды хлорофилла отличаются между собой несколько различным спектром поглощения солнечного света. Больше всего в растениях хлорофилла А.

В строме хлоропласта происходят темновые реакции фотосинтеза. Здесь находятся ферменты цикла Кальвина и другие.

Строение пластид и хлоропластов растений

• Пластиды представляют собой уникальные для растений органеллы, окруженные мембранами

• Существует несколько типов пластид каждый из которых обладает различными функциями

• Все пластиды образуются из протопластид в процессе дифференцировки

• Пластиды возникли в ходе эволюции в результате эндосимбиоза

Пластиды представляют собой уникальные для растений органеллы, окруженные мембранами. Существуют различные типы пластид, различающиеся характером тканей, в которых они находятся. Пластиды выполняют специальные функции, не имеющие аналогов в клетках животных.

Независимо от выполняемых функций, все пластиды характеризуются рядом общих свойств. Они окружены двумя мембранами, которые тесно смыкаются вдоль всей поверхности органеллы. Во внутреннем содержимом пластид (которое называется строма) свободно расположены мембранные диски, образовавшиеся в результате инвагинации и отпочковывания участков внутренней мембраны.

Пластиды отличаются от большинства органелл тем, что обладают своим собственным геномом, и каждая пластида имеет множественные копии маленькой кольцевой молекулы ДНК, содержащей порядка 100 генов. Геном кодирует белки, необходимые для выполнения пластидами специализированных функций (например, мембранные белки, участвующие в фотосинтезе), и другие белки и РНК участвующие в транскрипции и трансляции (белки рибосом, РНК полимеразы, транспортные и рибосомальные РНК).

Транскрипция и трансляция генов в геноме пластид происходит в органелле, однако большая часть других белков кодируется в ядре. Они синтезируются в цитоплазме и должны импортироваться в органеллы. Там они должны распределиться по различным мембранным компартментам. Так же как и митохондрии, пластиды не связаны с органеллами путем везикулярного переноса.

Все типы пластид происходят при дифференцировке общей органеллы-предшественника, которая называется пропластидой и находится в активно делящихся клетках. Пропластиды представляют собой небольшие круглые ор-ганеллы с внутренними рудиментарными мембранами и не имеют специализированных форм. Основная их функция, вероятно, заключается в образовании различных форм пластид, когда это становится необходимым. Пропластиды дифференцируются и приобретают специализированные функции после того, как клетки перестают делиться и начали формировать специфическую ткань.

Тип развивающихся пластид зависит от типа клеток. При наличии света, в листьях и других зеленых частях растения образуются хлоропласты. Эти органеллы аккумулируют световую энергию и осуществляют фотосинтез. На рисунке ниже показаны хлоропласты фотосинтезирующих клеток листьев. Еще один тип пластид представляют собой амилопласты, которые осуществляют синтез и хранение крахмала в тканях, не обладающих способностью к фотосинтезу. Эти пластиды, находящиеся в семенах и клубнях (например, у картофеля), запасают крахмал в виде гранул, свободно расположенных в строме. В специализированных клетках корня амилопласты функционируют как гравитационные сенсоры.

Они откладываются там и тем самым инициируют поворот или рост корня вниз, в соответствии с действием силы тяжести.

Пластиды других типов, главным образом, участвуют в синтезе небольших молекул химических соединений, которые выполняют в растении различные функции. Хромопласты, как показывает их название, накапливают красный, оранжевый или желтый пигменты (каротиноиды), которые обеспечивают окраску многих цветов и плодов. На рисунке ниже представлены хлоропласты томата. Еще один тип пластид, лейкопласты, вместо пигментов синтезируют небольшие, часто летучие органические вещества.

Нередко они используются в качестве лекарственных препаратов или как пряности, и многие придают растениям характерный вкус или запах. Например, вещества, обусловливающие запах мяты, образуются в лейкопластах. Специализированные клетки, в которых образуются эти вещества и откуда они выделяются, собраны в железы, расположенные таким образом, чтобы облегчить их выделение, например в кожуре у апельсинов.

Хотя пластиды являются высокоспециализированными органеллами, в них происходят общие процессы метаболизма. По непонятной причине, у растений многие основные метаболические процессы протекают в пластидах. Так, синтез жирных кислот, многих аминокислот, пуринов и пиримидинов у растений осуществляется в пластидах, в то время как у животных эти же процессы происходят в цитоплазме клеток.

После завершения процессов дифференцировки пластиды обнаруживают повышенную склонность к взаимным превращениям. В зависимости от стадии развития или от внешних условий, хромопласты, амилопласты и хлоропласты могут переходить друг в друга. Например, хлоропласты, присутствующие в незрелых (зеленых) томатах, по мере их созревания превращаются в хромопласты, обусловливая постепенное покраснение плодов.

Предполагается, что пластиды образовались на ранних стадиях эволюции в результате эндосимбиоза, при котором фотосинтезирующие прокариоты были захвачены примитивными эукариотическими клетками. За счет своей способности к фотосинтезу, захваченные прокариоты осуществляли химические реакции, которые обеспечивали клетки хозяина источником энергии. В свою очередь, прокариоты пользовались питательными веществами, содержащимися в цитоплазме клеток хозяина.

После того как такое сосуществование окончательно укрепилось, произошел постепенный перенос генов из генома бактерии/органеллы, что в результате привело к современному положению, при котором большинство белков пластид кодируется генами, расположенными в ядре.

Бактериальное происхождение пластид подтверждается при их исследовании на молекулярном уровне. Пластиды содержат компоненты собственного аппарата транскрипции и трансляции, и соответствующие белки имеют бактериальное происхождение. Например, рибосомы пластид очень напоминают рибосомы E.coli, а РНК полимеразы близки к бактериальным. Сходство с бактериями распространяется и на геном пластид, в котором такие элементы, контролирующие генную экспрессию, как промоторы, почти идентичны бактериальным.

Сходство с бактериями также проявляется в способе размножения пластид. В отличие от органелл секреторного пути, пластиды обладают способностью к делению. Это происходит так же, как у бактерий, т. е. каждая пластида делится пополам, образуя внутреннюю перегородку. Компоненты, которые используются для осуществления деления, похожи на те, которые существуют у бактерий. Например, участие в делении пластид растительного гомолога бактериального белка FtsZ весьма напоминает роль этого белка у бактерий.

Клетки перикарпа зрелого плода томата.
Тельца красного цвета представляют собой хромопласты, расположенные в цитоплазме и накапливающие красный пигмент.
Клетки, подобные представленным, находятся в плодах и обусловливают их красную окраску.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Строение хлоропластов и их функции

• Процесс фотосинтеза осуществляется в специализированных пластидах, которые называются хлоропластами

• Листья обеспечивают максимальное количество света, необходимого для фотосинтеза

• Мезофильные клетки обладают формой, способствующей максимальному газообмену

Присутствие клеточной стенки ограничивает доступ клеток растений к пищевым ресурсам. Клетка, не обладающая подвижностью, не может искать источники питания или продвигаться к ним, а наличие клеточной стенки не позволяет захватывать частицы, компоненты которых она могла бы использовать после переваривания. У нитевидных грибов (у которых тоже есть клеточная стенка) эта проблема решена за счет секреции ферментов, гидролизующих органические материалы окружающей среды. При этом образуются молекулы достаточно малой величины, которые проходят через плазматическую мембрану. Растения нашли другой выход: они выработали способность улавливать свет и использовать его в качестве источника энергии.

Это освобождает их от необходимости поиска в окружающей среде материалов, которые могли бы попасть внутрь клетки и подвергнуться там перевариванию. Вместо этого они используют энергию захваченных фотонов для полимеризации атомов углерода атмосферного CO2 в углеродные цепи, состоящие из сахаров. Эти полимерные формы, являющиеся источниками энергии, могут храниться в растении и транспортироваться по его тканям или могут превращаться в другие органические соединения, например липиды. Цепи атомов углерода, образующиеся при фотосинтезе, главным образом, расходуются на образование различных полисахаридов клеточной стенки, особенно целлюлозы — наиболее распространенного на нашей планете биополимера. Способность растений синтезировать собственную пищу называется аутотрофией и обеспечивает их стационарное существование.

В клетке фотосинтез происходит в хлоропластах — высокоспециализированных, покрытых мембраной органеллах, уникальных для клеток растений. Клетки, составляющие листья и хвою растений содержат десятки этих органелл, и в некоторых случаях белки хлороплас-тов составляют более половины всех белков листа. Хлоропласты имеют сложное строение. Они содержат два компартмента: тилакоидные мембраны и окружающую их жидкую строму.

Тилакоидные мембраны собраны в стопки, называемые гранами, которые соединяются между собой выростами тубулярных мембран. В этих мембранах концентрируются пигменты (например хлорофилл) и ферменты, участвующие в начальных реакциях фотосинтеза, в то время как остальные важные процессы происходят в строме. Способность хлоропластов к усвоению света сильно увеличивается в результате концентрирования белков в складках мембран.

Клетки и ткани, осуществляющие фотосинтез, часто имеют специфическое строение, способствующее этому процессу. Листья тонкие и плоские, что обеспечивает распределение клеток, содержащих хлоропласта на большой площади. Толщина такого слоя составляет всего несколько клеток. Это позволяет клеткам максимально усваивать свет. Фотосинтез происходит в мезофильных клетках, находящихся внутри листа. В отличие от большинства других клеток растений, эти клетки в процессе развития обособляются друг от друга, приобретая неправильную дольчатую форму и образуя в листе большие воздушные пространства. На рисунке ниже представлена организация таких клеток в ткани листа.

Пространства между клетками сообщаются с атмосферой через устьица. Как и при формообразовании других типов клеток у растений, форма мезофильных клеток определяется микротрубочками клеточного кортекса. Когда начинается процесс дифференцировки, равномерное распределение микротрубочек кортекса сменяется образованием пучков, окружающих каждую клетку. В местах контакта пучков с мембраной рост прекращается, однако в промежутках он продолжается, что и обеспечивает неправильную, дольчатую форму образующихся клеток. Формирование долек увеличивает площадь поверхности, которая используется для газообмена; в последнем участвуют газы, необходимые для фотосинтеза (CO2) и образующиеся в результате этого процесса (O2).

В клетке организация хлоропластов часто меняется в зависимости от направления или интенсивности света, падающего на нее. Для того чтобы усвоить больше света, хлоропласта могут располагаться вдоль поверхности клетки по направлению к источнику света. Это движение осуществляется с участием актиновых филаментов. Каким образом свет влияет на актиновый цитоскелет, неизвестно, однако предполагают, что в цитоплазме существуют световые рецепторы, при участии которых она может менять свою структуру.

Две клетки, осуществляющие фотосинтез, выделенные из ткани листа табака.
Дисковидные тельца зеленого цвета, заполняющие клетки, представляют собой хлоропласты.
Наверху слева показан срез участка листа, в котором расположены эти клетки. Микрофотография среза листа гороха, сделанная в сканирующем электронном микроскопе.
Расположенные горизонтально тонкие слои примыкающих друг к другу клеток образуют верхний и нижний эпидермис листа.
Середина заполнена мезофильными клетками неправильной формы,
стенки которых не контактируют с примыкающими клетками, что сводит в минимуму контакты между ними.
Обширные полости между клетками, существующие внутри листа, обеспечивают эффективный обмен газами при фотосинтезе. На микрофотографии эпидермиса нижней стороны листа растения овса, сделанной в сканирующем электронном микроскопе, видны многочисленные устьица, расположенные равномерно по поверхности.
Каждое устьице образовано четырьмя специализированными клетками эпидермиса.
На врезке изображено устьице при большом увеличении. Щелевое отверстие в середине представляет собой пору, посредством которой происходит обмен газов между внутренней частью листа и атмосферой.
В зависимости от условий, устьица могут открываться и закрываться. Плотность расположения устьиц на поверхности обеспечивает эффективность газообмена.

Клетка

На заре развития жизни на Земле все клеточные формы были представлены бактериями. Они всасывали органические вещества, растворённые в первичном океане, через поверхность тела.

Со временем некоторые бактерии приспособились производить органические вещества из неорганических. Для этого они использовали энергию солнечного света. Возникла первая экологическая система, в которой эти организмы были производителями. В результате этого в атмосфере Земли появился кислород, выделяемый этими организмами. С его помощью можно из той же самой пищи получить гораздо больше энергии, а добавочную энергию использовать на усложнение строения тела: разделение тела на части.

Одно из важных достижений жизни — разделение ядра и цитоплазмы. В ядре находится наследственная информация. Специальная мембрана вокруг ядра позволила защитить от случайных повреждений. По мере необходимости цитоплазма получает из ядра команды, направляющие жизнедеятельность и развитие клетки.

Организмы, у которых ядро отделено от цитоплазмы, образовали надцарство ядерных (к ним относятся — растения, грибы, животные).

Таким образом, клетка — основа организации растений и животных — возникла и развилась в ходе биологической эволюции.

Даже не вооружённым глазом, а ещё лучше под лупой можно видеть, что мякоть зрелого арбуза состоит из очень мелких крупинок, или зёрнышек. Это клетки — мельчайшие «кирпичики», из которых состоят тела всех живых организмов, в том числе и растительных.

Жизнь растения осуществляется соединённой деятельностью его клеток, создающих единое целое. При многоклеточности частей растения существует физиологическое разграничение их функций, специализация различных клеток в зависимости от местоположения их в теле растения.

Растительная клетка отличается от животной тем, что имеет плотную оболочку, покрывающую внутреннее содержимое со всех сторон. Клетка не является плоской (как её принято изображать), она скорей всего похожа на очень маленький пузырёк, наполненный слизистым содержимым.

Строение и функции растительной клетки

Рассмотрим клетку как структурно-функциональную единицу организма. Снаружи клетка покрыта плотной клеточной стенкой, в которой имеются более тонкие участки — поры. Под ней находится очень тонкая плёнка — мембрана, покрывающая содержимое клетки — цитоплазму. В цитоплазме есть полости — вакуоли, заполненные клеточным соком. В центре клетки или около клеточной стенки расположено плотное тельце — ядро с ядрышком. От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой. По всей цитоплазме распределены мелкие тельца — пластиды.

Строение растительной клетки

Строение и функции органоидов растительной клетки

Клеточная стенка или плазматическая мембрана

Бесцветная, прозрачная и очень прочная

Пропускает в клетку и выпускает из клетки вещества.

Клеточная мембрана полупроницаемая

Густое тягучее вещество

В ней располагаются все другие части клетки

Находится в постоянном движении

Ядро (важная часть клетки)

Округлое или овальное

Обеспечивает передачу наследственных свойств дочерним клеткам при делении

Центральная часть клетки

Сферической или неправильной формы

Принимает участие в синтезе белка

Резервуар, отделённый от цитоплазмы мембраной. Содержит клеточный сок

Накапливаются запасные питательные вещества и продукты жизнедеятельности ненужные клетке.

По мере роста клетки мелкие вакуоли сливаются в одну большую (центральную) вакуоль

Используют световую энергию солнца и создают органические из неорганических

Форма дисков, отграниченных от цитоплазмы двойной мембраной

Образуются в результате накопления каротиноидов

Жёлтые, оранжевые или бурые

Содержатся в корнях, клубнях, луковицах

Состоит из двух мембран (наружная и внутренняя) с порами

Отграничивает ядро от цитоплазмы

Даёт возможность осуществляться обмену между ядром и цитоплазмой

Живая часть клетки — это ограниченная мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров и внутренних мембранных структур, участвующих в совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Важной особенностью является то, что в клетке нет открытых мембран со свободными концами. Клеточные мембраны всегда ограничивают полости или участки, закрывая их со всех сторон.

Современная обобщенная схема растительной клетки

Плазмалемма (наружная клеточная мембрана) — ультрамикроскопическая плёнка толщиной 7,5 нм., состоящая из белков, фосфолипидов и воды. Это очень эластичная плёнка, хорошо смачивающаяся водой и быстро восстанавливающая целостность после повреждения. Имеет универсальное строение, т.е.типичное для всех биологических мембран. У растительных клеток снаружи от клеточной мембраны находится прочная, создающая внешнюю опору и поддерживающая форму клетки клеточная стенка. Она состоит из клетчатки (целлюлозы) — нерастворимого в воде полисахарида.

Плазмодесмы растительной клетки, представляют собой субмикроскопические канальцы, пронизывающие оболочки и выстланные плазматической мембраной, которая таким образом переходит из одной клетки в другую, не прерываясь. С их помощью происходит межклеточная циркуляция растворов, содержащих органические питательные вещества. По ним же идёт передача биопотенциалов и другой информации.

Порами называют отверстия во вторичной оболочке, где клетки разделяют лишь первичная оболочка и срединная пластинка. Участки первичной оболочки и срединную пластинку, разделяющие соседствующие поры смежных клеток, называют поровой мембраной или замыкающей пленкой поры. Замыкающую пленку поры пронизывают плазмодесменные канальцы, но сквозного отверстия в порах обычно не образуется. Поры облегчают транспорт воды и растворенных веществ от клетки к клетке. В стенках соседних клеток, как правило, одна против другой, образуются поры.

Клеточная оболочка имеет хорошо выраженную, относительно толстую оболочку полисахаридной природы. Оболочка растительной клетки продукт деятельности цитоплазмы. В её образовании активное участие принимает аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть.

Строение клеточной мембраны

Основу цитоплазмы составляет ее матрикс, или гиалоплазма, — сложная бесцветная, оптически прозрачная коллоидная система, способная к обратимым переходам из золя в гель. Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в объединении всех клеточных структур в единую систему и обеспечении взаимодействия между ними в процессах клеточного метаболизма.

Гиалоплазма (или матрикс цитоплазмы) составляет внутреннюю среду клетки. Состоит из воды и различных биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов), из которых основную часть составляют белки различной химической и функциональной специфичности. В гиалоплазме содержатся также аминокислоты, моносахара, нуклеотиды и другие низкомолекулярные вещества.

Биополимеры образуют с водой коллоидную среду, которая в зависимости от условий может быть плотной (в форме геля) или более жидкой (в форме золя), как во всей цитоплазме, так и в отдельных ее участках. В гиалоплазме локализуются и взаимодействуют между собой и средой гиалоплазмы различные органеллы и включения. При этом расположение их чаще всего специфично для определенных типов клеток. Через билипидную мембрану гиалоплазма взаимодействует с внеклеточной средой. Следовательно, гиалоплазма является динамической средой и играет важную роль в функционировании отдельных органелл и жизнедеятельности клеток в целом.

Цитоплазматические образования – органеллы

Органеллы (органоиды) — структурные компоненты цитоплазмы. Они имеют определённую форму и размеры, являются обязательными цитоплазматическими структурами клетки. При их отсутствии или повреждении клетка обычно теряет способность к дальнейшему существованию. Многие из органоидов способны к делению и самовоспроизведению. Размеры их настолько малы, что их можно видеть только в электронный микроскоп.

Ядро — самая заметная и обычно самая крупная органелла клетки. Оно впервые было подробно исследовано Робертом Броуном в 1831 году. Ядро обеспечивает важнейшие метаболические и генетические функции клетки. По форме оно достаточно изменчиво: может быть шаровидным, овальным, лопастным, линзовидным.

Ядро играет значительную роль в жизни клетки. Клетка, из которой удалили ядро, не выделяет более оболочку, перестаёт расти и синтезировать вещества. В ней усиливаются продукты распада и разрушения, вследствие этого она быстро погибает. Образование нового ядра из цитоплазмы не происходит. Новые ядра образуются только делением или дроблением старого.

Внутреннее содержимое ядра составляет кариолимфа (ядерный сок), заполняющая пространство между структурами ядра. В нём находится одно или несколько ядрышек, а также значительное количество молекул ДНК, соединённых со специфическими белками — гистонами.

Ядрышко

Ядрышко — как и цитоплазма, содержит преимущественно РНК и специфические белки. Важнейшая его функция заключается в том, что в нём происходит формирование рибосом, которые осуществляют синтез белков в клетке.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи — органоид, имеющий универсальное распространение во всех разновидностях эукариотических клеток. Представляет собой многоярусную систему плоских мембранных мешочков, которые по периферии утолщаются и образуют пузырчатые отростки. Он чаще всего расположен вблизи ядра.

В состав аппарата Гольджи обязательно входит система мелких пузырьков (везикул), которые отшнуровываются от утолщённых цистерн (диски) и располагаются по периферии этой структуры. Эти пузырьки играют роль внутриклеточной транспортной системы специфических секторных гранул, могут служить источником клеточных лизосом.

Функции аппарата Гольджи состоят также в накоплении, сепарации и выделении за пределы клетки с помощью пузырьков продуктов внутриклеточного синтеза, продуктов распада, токсических веществ. Продукты синтетической деятельности клетки, а также различные вещества, поступающие в клетку из окружающей среды по каналам эндоплазматической сети, транспортируются к аппарату Гольджи, накапливаются в этом органоиде, а затем в виде капелек или зёрен поступают в цитоплазму и либо используются самой клеткой, либо выводятся наружу. В растительных клетках Аппарат Гольджи содержит ферменты синтеза полисахаридов и сам полисахаридный материал, который используется для построения клеточной оболочки. Предполагают, что он участвует в образовании вакуолей. Аппарат Гольджи был назван так в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1897 году.

Лизосомы

Лизосомы представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной основная функция которых — осуществление внутриклеточного пищеварения. Использование лизосомного аппарата происходит при прорастании семени растения (гидролиз запасных питательных веществ).

Микротрубочки

Микротрубочки — мембранные, надмолекулярные структуры, состоящие из белковых глобул, расположенных спиральными или прямолинейными рядами. Микротрубочки выполняют преимущественно механическую (двигательную) функцию, обеспечивая подвижность и сокращаемость органоидов клетки. Располагаясь в цитоплазме, они придают клетке определённую форму и обеспечивают стабильность пространственного расположения органоидов. Микротрубочки способствуют перемещению органоидов в места, которые определяются физиологическими потребностями клетки. Значительное количество этих структур расположено в плазмалемме, вблизи клеточной оболочки, где они участвуют в формировании и ориентации целлюлозных микрофибрилл оболочек растительных клеток.

Вакуоль

Вакуоль — важнейшая составная часть растительных клеток. Она представляет собой своеобразную полость (резервуар) в массе цитоплазмы, заполненную водным раствором минеральных солей, аминокислот, органических кислот, пигментов, углеводов и отделённую от цитоплазмы вакуолярной мембраной — тонопластом.

Цитоплазма заполняет всю внутреннюю полость только у самых молодых растительных клеток. С ростом клетки существенно изменяется пространственное расположение вначале сплошной массы цитоплазмы: у неё появляются заполненные клеточным соком небольшие вакуоли, и вся масса становится ноздреватой. При дальнейшем росте клетки отдельные вакуоли сливаются, оттесняя к периферии прослойки цитоплазмы, в результате чего в сформированной клетке находится обычно одна большая вакуоль, а цитоплазма со всеми органеллами располагаются около оболочки.

Водорастворимые органические и минеральные соединения вакуолей обусловливают соответствующие осмотические свойства живых клеток. Этот раствор определённой концентрации является своеобразным осмотическим насосом для регулируемого проникновения в клетку и выделения из неё воды, ионов и молекул метаболитов.

В комплексе со слоем цитоплазмы и её мембранами, характеризующимися свойствами полупроницаемости, вакуоль образует эффективную осмотическую систему. Осмотически обусловленными являются такие показатели живых растительных клеток, как осмотический потенциал, сосущая сила и тургорное давление.

Пластиды

Пластиды — самые крупные (после ядра) цитоплазматические органоиды, присущие только клеткам растительных организмов. Они не найдены только у грибов. Пластиды играют важную роль в обмене веществ. Они отделены от цитоплазмы двойной мембранной оболочкой, а некоторые их типы имеют хорошо развитую и упорядоченную систему внутренних мембран. Все пластиды едины по происхождению.

Хлоропласты — наиболее распространённые и наиболее функционально важные пластиды фотоавтотрофных организмов, которые осуществляют фотосинтетические процессы, приводящие в конечном итоге к образованию органических веществ и выделению свободного кислорода. Хлоропласты высших растений имеют сложное внутреннее строение.

Размеры хлоропластов у разных растений неодинаковы, но в среднем диаметр их составляет 4-6 мкм. Хлоропласты способны передвигаться под влиянием движения цитоплазмы. Кроме того, под воздействием освещения наблюдается активное передвижение хлоропластов амебовидного типа к источнику света.

Хлорофилл — основное вещество хлоропластов. Благодаря хлорофиллу зелёные растения способны использовать световую энергию.

Лейкопласты (бесцветные пластиды) представляют собой чётко обозначенные тельца цитоплазмы. Размеры их несколько меньше, чем размеры хлоропластов. Более и однообразна и их форма, приближающая к сферической.

Встречаются в клетках эпидермиса, клубнях, корневищах. При освещении очень быстро превращаются в хлоропласты с соответствующим изменением внутренней структуры. Лейкопласты содержат ферменты, с помощью которых из излишков глюкозы, образованной в процессе фотосинтеза, в них синтезируется крахмал, основная масса которого откладывается в запасающих тканях или органах (клубнях, корневищах, семенах) в виде крахмальных зёрен. У некоторых растений в лейкопластах откладываются жиры. Резервная функция лейкопластов изредка проявляется в образовании запасных белков в форме кристаллов или аморфных включений.

Хромопласты в большинстве случаев являются производными хлоропластов, изредка — лейкопластов.

Созревание плодов шиповника, перца, помидоров сопровождается превращением хлоро- или лейкопластов клеток мякоти в каратиноидопласты. Последние содержат преимущественно жёлтые пластидные пигменты — каратиноиды, которые при созревании интенсивно синтезируются в них, образуя окрашенные липидные капли, твёрдые глобулы или кристаллы. Хлорофилл при этом разрушается.

Митохондрии

Митохондрии — органеллы, характерные для большинства клеток растений. Имеют изменчивую форму палочек, зёрнышек, нитей. Открыты в 1894 году Р. Альтманом с помощью светового микроскопа, а внутреннее строение было изучено позднее с помощью электронного.

Митохондрии имеют двухмембранное строение. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя образует различной формы выросты — трубочки в растительных клетках. Пространство внутри митохондрии заполнено полужидким содержимым (матриксом), куда входят ферменты, белки, липиды, соли кальция и магния, витамины, а также РНК, ДНК и рибосомы. Ферментативный комплекс митохондрий ускоряет работу сложного и взаимосвязанного механизма биохимических реакций, в результате которых образуется АТФ. В этих органеллах осуществляется обеспечение клеток энергией — преобразование энергии химических связей питательных веществ в макроэргиеские связи АТФ в процессе клеточного дыхания. Именно в митохондриях происходит ферментативное расщепление углеводов, жирных кислот, аминокислот с освобождением энергии и последующим превращением её в энергию АТФ. Накопленная энергия расходуется на ростовые процессы, на новые синтезы и т. д. Митохондрии размножаются делением и живут около 10 дней, после чего подвергаются разрушению.

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть — сеть каналов, трубочек, пузырьков, цистерн, расположенных внутри цитоплазмы. Открыта в 1945 году английским учёным К. Портером, представляет собой систему мембран, имеющих ультрамикроскопическое строение.

Строение эндоплазматической сети

Вся сеть объединена в единое целое с наружной клеточной мембраной ядерной оболочки. Различают ЭПС гладкую и шероховатую, несущую на себе рибосомы. На мембранах гладкой ЭПС находятся ферментные системы, участвующие в жировом и углеводном обмене. Этот тип мембран преобладает в клетках семян, богатых запасными веществами (белками, углеводами, маслами), рибосомы прикрепляются к мембране гранулярной ЭПС, и во время синтеза белковой молекулы полипептидная цепочка с рибосомами погружается в канал ЭПС. Функции эндоплазматической сети очень разнообразны: транспорт веществ как внутри клетки, так и между соседними клетками; разделение клетки на отдельные секции, в которых одновременно проходят различные физиологические процессы и химические реакции.

Рибосомы

Рибосомы — немембранные клеточные органоиды. Каждая рибосома состоит из двух не одинаковых по размеру частичек и может делиться на два фрагмента, которые продолжают сохранять способность синтезировать белок после объединения в целую рибосому.

Рибосомы синтезируются в ядре, затем покидают его, переходя в цитоплазму, где прикрепляются к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети или располагаются свободно. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут функционировать по одиночке или объединяться в комплексы — полирибосомы.

Читайте также: