РАСТИТЕЛЬНАЯ КЛЕТКА.
План:
1. Общая характеристика.
2. Строение и функции.
Клетка – основная структурная единица живого организма, элементарная единица одноклеточных, многоклеточных и колониальных растений. Обладает всеми жизненными свойствами. Клетка одноклеточного организма универсальна. Она выполняет функции, необходимые для обеспечения жизни и размножения. У многоклеточных организмов клетки разнообразны по форме и функциям, а также размерам, следовательно, могут отличаться и внутренним строением.
Клетки зародыша одинаковы, однородны, призматической формы. По мере дифференциации клеток во взрослом растении их формы видоизменяются. Часто форма клеток сложна и не поддается геометрическому определению. Многообразие форм клеток сводят к двум типам:
1. паренхимные (длина, ширина и толщина примерно равны);
2. прозенхимные (длина в несколько раз превышает ширину).
Средняя величина клеток составляет 10-1000 мкм.
У некоторых прозенхимных клеток длина может достигать несколько сантиметров (волосок хлопчатника, волокно льна и др.)
Строение растительной клетки.
Несмотря на огромное разнообразие, клетки характеризуются общностью строения: прокариотические клетки (есть оформленное ядро либо ядра). Царство растений – прокариоты.
У молодых образовавшихся вновь клеток полость заполнена густой цитоплазмой, вакуолей нет. В результате жизнедеятельности этой клетки возникают продукты или производные протопласта. Следовательно, растительная клетка состоит из живого содержимого и производных протопласта.
Протопласт – живое содержимое клетки, где проходят все основные процессы обмена веществ. Протопласт с двух сторон отделен биологическими мембранами, которые играют важную роль в работе цитоплазмы. Внешняя мембрана – плазмалема, отделяет цитоплазму и протопласт от клеточной стенки. Внутренняя мембрана (тонопласт) отделяет протопласт от клеточного сока в вакуоли. Мембраны по своей структуре – липидно-белковое соединение. Очень часто содержит пигменты и некоторые углеводы.
Мембраны обладают избирательной проницаемостью (полупроницаемостью). Благодаря этому мембраны регулируют поступление веществ в клетку и перемещение внутри нее.
Протопласт имеет следующий химический состав:
1. вода (60-90%)
2. белки (40-50% сухой массы)
3. углеводы (40-55% сухой массы)
4. липиды (2-3 % сухой массы)
5. нуклеиновые кислоты (1-2 %; они очень важны: РНК, ДНК)
6. неорганические вещества (2-6 % сухой массы)
Протопласт состоит из цитоплазмы и ядра. Цитоплазма – обязательная часть живой клетки, где происходят все процессы. Основа цитоплазмы – гиалоплазма, представляет собой коллоидную среду, в которую погружены все структурные элементы.
Цитоплазма постоянно движется. Движение заметно очень хорошо во взрослых клетках, где цитоплазма имеет вид постенного слоя, окружающего вакуоль.
Цитоплазма движется в одном направлении вокруг вакуоли, увлекая пластиды, митохондрии и органоиды. Такое движение называется вращательным.
Для клеток с тяжами цитоплазмы характерно струйчатое движение. Повышение температуры, хорошее освещение, кислород, спирт, эфир стимулируют и ускоряют движение цитоплазмы.
Все основные функции цитоплазмы выполняются органоидами (органеллами).
Эндоплазматический ретикулум (сеть) представляет собой разветвленную сеть каналов, пузырьков и цистерн. Состоит из двух видов мембран:
1. гладких, которые принимают участие в синтезе жиров, углеводов, стероидных гормонов, а также в них накапливаются и выводятся ядовитые вещества;
2. шероховатых (гранулированный/гранулярных), к которым прикрепляются рибосомы.
Рибосомы – небольшие универсальные органоиды, которые состоят из двух субъединиц: малой и большой. Эти субъединицы формируются в ядрышки. Основная функция рибосом: синтез белка. Часть рибосом располагается в цитоплазме свободно, другие – прикреплены к мембранам ЭПС.
Аппарат Гольджи (диктиосомы) представляет собой пачки от 2 до 7 плоских округлых цистерн, в которых накапливаются, конденсируются и упаковываются чужеродные ядовитые вещества клетки. От пачек и цистерн отчленяются пузырьки Гольджи. В аппарате Гольджи еще синтезируются полисахариды, идущие на построение клеточной стенки.
Митохондрии – округлые или цилиндрические, иногда – нитевидные органеллы. Имеют две мембраны: наружную и внутреннюю с выростами (кристы). Основная функция митохондрий – окислительная. При этом процессе и веществ при расщеплении добывается энергия. Она связывается в химическую фосфатную связь АТФ. Митохондрию называют силовой станцией клетки, содержится примерно 700 митохондрий в клетке.
Лизосомы - мелкие округлые одномембранные органоиды, которые содержат большое количество гидролитических ферментов. При помощи них осуществляется внутриклеточное переваривание разрушенных пластид и митохондрий. Ферменты очищают полость клетки после отмирания протопласта.
Сферосома – это органоид, возникающий из вздутий на конце эндоплазматической сети.
Пластиды – это органеллы, характерные только для растительных клеток. Различаются по нескольким признакам: размер, форма, цвет, функции. По наличию или отсутствию окраски выделяют 3 типа пластид:
1) хлоропласты – органеллы фотосинтеза, чаще всего имеют форму двояковыпуклой линзы размером 5-10 мкм в длину, 2-4 мкм в диаметре. В одной клетке может быть от 15 до 50 шт. Зеленый пигмент хлорофилл (5-10% сухой массы) заключен в тилакоиды, а те, в свою очередь, собраны в гранулы (как в стопки монет).
2) хромопласты – оранжево-красные и желтые, образуются из хлоропластов и лейкопластов в результате накопления пигментов-каротиноидов. Необходимы клетке для приобретения окраски, встречаются в лепестках цветков (лютик, нарцисс, тюльпан, одуванчик), в зрелых плодах (томат, тыква, арбуз, апельсин), в корнеплодах (морковь, кормовая свёкла), а также в осенних листьях.
3) лейкопласты – бесцветные округлые пластиды, в которых накапливаются запасные питательные вещества (жиры, белки, углеводы). В зависимости от накопления того или иного вещества лейкопласты бывают:
- амилопласты (углевод)
- протеопласты (белки)
-элайопласты (жиры
Чаще всего клетки с лейкопластами концентрируются в тех участках растений, где идет усиленный запас веществ (луковицы, корнеплоды, корневища, листья, плоды). Пигмента нет.
Возможно взаимное превращение пластид. Чаще всего хлоропласты превращаются в хромопласты при осеннем пожелтении листьев, при созревании плодов. В природе этот процесс необратим. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (позеленение верхней части корнеплода моркови). Хлоропласты могут при перемещении растения в темноту превращаться в лейкопласты (этот процесс обратим).
Ядро – сложнейшая и важнейшая клеточная структура (обычно шаровидной формы), величина различна (в среднем 10-20 мкм). Представляет собой коллоидную систему, которая на 99% состоит из ДНК. Следовательно, ядро – центральная органелла клетки, носитель основных наследственных свойств.
Структура ядра: ядерная оболочка, ядерный сок (нуклеоплазма и кариолимфа), хроматин (сосредоточен в хромосомах), ядрышко.
Хромосомы – структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образуют хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре. Хромосома имеет палочковидную структуру, состоит из двух симметричных хроматид, удерживающихся центромерой в области первичной перетяжки. Каждая хроматида построена из хроматидных петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется только ДНК.
Ядрышко внутри ядра состоит из молекул р-РНК, которые участвуют в формировании белков внутри клетки. Также в ядрышке образуются субъединицы рибосом. Следовательно, играют важную роль в биосинтезе белков в клетке.
Продукты жизнедеятельности протопласта (производные протопласта). К ним относятся: клеточная стенка, клеточный сок (заключен в вакуоли), запасные вещества (белки, жиры, углеводы) и физиологически активные вещества (ФАВ).
Клетки растений, в отличие от клеток животных, имеют твердые клеточные стенки, которые придают клетке определенную форму, защищают протопласт, противостоят внутриклеточному давлению, препятствуют разрыву клетки, являются внутренним скелетом растения, придавая механическую прочность. Клетки стенок бесцветные, легко пропускают солнечный свет, по ним могут передвигаться вода и растворенные вещества. После образования новой клетки в ней имеется первичная клеточная стенка, которая состоит из пектина и целлюлозы. В ней линейные очень длинные молекулы целлюлозы собраны в пучки, которые называются мицеллы. Мицеллы по несколько десятков штук собираются в микрофибриллы, которые в свою очередь переплетаются в фибриллы. Такая мощная многомерная целлюлозная структура является каркасом клеточной стенки. Он погружен в обводненный коллоидный матрикс из пектинов, гемицеллюлоз и других веществ. То есть мощный «канат» еще и склеен.
К моменту, когда рост клетки заканчивается, рост клеточной стенки продолжается, но уже в толщину. Этот процесс носит название вторичного роста. Изнутри клетки на первичную клеточную стенку начинают откладываться слои вторичной клеточной стенки, которая на 50-95% состоит из целлюлозы. Формирование вторичной клеточной стенки позволяет растению выполнять механические, закрепляющие и опорные функции. К тому же они часто пропитываются опеределенным химическим веществом, вызывая видоизменения стенки (см. лаб. раб.).
Все вещества, вырабатываемые протопластом, в результате его жизнедеятельности, составляют группу внутриклеточных включений. Они располагаются либо в цитоплазме, либо в вакуолях. Процессы роста и развития клетки регулируются физиологически активными веществами, к которыми относятся:
1. ферменты – играют роль биокатализаторов (не изменяются сами, влияют на скорость химических процессов), действие строго избирательное;
2. фитогормоны – специфические ферменты, регулирующие физиологические процессы (рост, развитие, деление):
-ауксин, гиббереллин, цитокинин – стимуляторы;
- абсцизовая кислота и этилен – ингибиторы;
3. витамины (известно около 40 витаминов):
- растворимые в жирах (А, Д, Е) – накапливаются в цитоплазме;
- растворимые в воде (В, С, РР и другие) – накапливаются в клеточном соке.
4. фитонциды и антибиотики содержатся в клеточном соке и в цитоплазме, имеют защитное значение, обладая бактерицидными свойствами. Особенно богаты фитонцидами лук, чеснок, горчица, хрен, черемуха, дуб, борщевик, лимон, крапива, тысячелистник.
При разрушении клетки ФАВ сохраняют свою активность, что позволяет использовать их в пищевой, легкой промышленности и медицине. Растворимые продукты обмена входят в состав клеточного сока.
Клеточный сок накапливается в каналах ЭПС, образуя пузыревидные вздутия, которые называются вакуолями. В формировании вакуолей участвуют и пузырьки аппарата Гольджи.
Клеточный сок – это водный раствор органических и минеральных соединений. В нем накапливаются и запасные питательные вещества и конечные продукты обмена. От состава зависит вкус растений, иногда – окраска плодов и цветков.
Углеводы в клеточном соке представлены:
- моносахаридами (С5Н12О6): глюкоза (содержит в плодах винограда и арбуза),фруктоза (груша, виноград);
- дисахаридами (С12Н22О11): сахароза (сахарная свёкла, сахарный тростник, арбуз);
- полисахаридами (С5Н10О5)n: инулин (топинамбур, георгин).
Сахара служат исходным материалом для обмена веществ и важнейшим питательным материалом.
Танины, катехины (дубильные вещества) – эфиры фруктозы и органических кислот. Имеют вяжущий вкус, обладают антисептическими свойствами, предохраняют протопласт клетки от обезвоживания, растение – от загнивания. Встречаются в коре дуба, эвкалипта (50%), ивы, листьях чая (10-20%), в плодах хурмы, кизила, айвы, в околоплоднике граната.
Алкалоиды – азотистые соли органических кислот. Образуются во всех частях растений. Они жгучие и ядовитые, предохраняют растения от поедания животными и насекомыми. Проявляют большую физиологическую активность и влияют на организм человека и животных. Используется в качестве лекарств разнообразного действия: транквилизаторы, болеутоляющие (кофеин, хинин, кокаин, атропин, эфедрин, морфин). Многие используются при борьбе с насекомыми (никотин, анабазин, соланин). Сильнейшие яды – алкалоиды стрихнин, бруцин, кураре. Наиболее богаты алкалоидами семейства лютиковые, пасленовые и сельдерейные.
Гликозиды (глюкозиды) – соединение моносахаридов со спиртами, альдегидами. Горький вкус, резкий запах гликозидов иногда предохраняет растения от поедания. От гликозидов зависит аромат чая, кофе, миндаля, ванили, запах горчицы, хрена, донника. К гликозидам относятся сапонины (семейство гвоздичные), амигдалин (семейство Розанные), синигрин (семейство капустные), кумарин. Ряд гликозидов используют в медицине – сердечные гликозиды ландыша, наперстянки.
Пигменты:
- Антоцианы – пигменты, меняющие свою окраску в зависимости от реакции клеточного сока:
В нейтральной среде – лиловая окраска;
В кислой среде – красная окраска;
В щелочной среде – синяя окраска.
Окрашены лепестки роз, васильков, маков, корнеплоды столовой свёклы, плоды вишни, винограда, черной смородины.
- Флавоны (флавоноиды) – желтые пигменты клеточного сока. Наиболее распространены антохлор, который окрашивает лепестки цветов и плоды цитрусовых.
Пигменты способствуют привлечению насекомых для опыления цветков. Есть мнение, что антоцианы предохранят растения от низких температур.
Пектины – это вещества, родственные углеводам. Много их в клеточном соке цитрусовых, айвы, крыжовника, смородины и яблок. Пектины являются антимутагенами, способны выводить из организма вредные вещества.
Органические кислоты разнообразны. Особенно часто встречаются щавелевая, яблочная (в незрелых плодах), лимонная (цитрусовые, земляника, смородина), винная (виноград, дыня), салициловая (малина), бензойная (клюква, брусника), янтарная (смородина).
Минеральные соли представлены фосфатами, нитратами, хлоридами, сульфатами калия, натрия, кальция (листья лука, лебеда, крапива, горох, подсолнечник, тыквенные). Бурые и красные водоросли содержат в вакуолях йод и бром.
Вещества, нерастворимые в воде образуют в клетке включения в виде кристаллов, капель и зерен. Это продукты вторичного обмена. Они либо выделяются наружу, либо изолируются в растении. Широко распространены соли органических кислот, такие как оксалат кальция (он откладывается в виде кристаллов).
Для растений специфичным является образование эфирных масел и смол. Встречаются как в растворенном виде, так и в виде смол. Находятся в цитоплазме и в клеточном соке. Защищают растения от поедания животными, привлекают насекомых к цветкам.
Многие обладают свойствами фитонцидов – убивают болезнетворные микроорганизмы.
Используются в медицине, парфюмерии, технике, косметике и кондитерской промышленности.
Известно около 3000 видов растений, которые накапливают эфирные масла в цветках, листьях, плодах и семенах.
Ими богаты роза, лаванда, шалфей, мята, базилик, гвоздика, цитрусовые, герань, тмин, кориандр.
Смолы не растворяются в воде, находятся в форме капель в цитоплазме и в клеточном соке. Выделяясь на поверхность органа, не пропускают воду и микроорганизмы. Ископаемая смола – янтарь.
Клеточные стенки растений часто подвергаются химическим видоизменениям:
1. Одревеснение (лигнификация) отложение лигнина (полимерного соединения фекальной природы, нерастворимые в воде). Одревесневшая клеточная стенка теряет эластичность, резко повышается ее твердость и прочность на сжатие, снижается проницаемость для воды.
2. Опробковение (суберинизация) происходит в результате отложения с внутренней стороны клеточной стенки гидрофобного жироподобного полимера – суберина. Суберин, образуя параллельные слои, выстилает всю полость клетки с внутренней стороны в виде пленки. Субериновая пленка практически непроницаема для воды и для газов, поэтому после ее образования клетка обычно умирает. Опробковение характерно для стенок клеток покровной ткани: пробки на многолетних ветвях деревьев и кустарников.
3. Кутинизация: подвергаются наружные стенки клеток покровной ткани эпидермы. Кутин и воск откладываются чередующимися слоями на наружной поверхности клеточной стенки в виде пленки – кутикулы. Кутин представляет собой жироподобное полимерное соединение, близкое по химической природе свойствам к суберину. Кутикула предохраняет растение от излишнего испарения воды с поверхности растения. Ею покрыты листья, однолетние стебли, плоды томата, смородины, яблони и т.д.
4. Минерализация клеточной стенки происходит вследствие отложения в матриксе большого количества минеральных веществ, чаще всего кремнезема (оксида кремния), реже – оксалата и карбоната кальция. Минеральные вещества придают стенке твердость и хрупкость. Отложение кремнезема характерно для клеток эпидермы хвощей, осок и злаков. Приобретенная в результате окремнения жесткость стеблей и листьев служит защитным средством против улиток, в также значительно снижает поедаемость и кормовую ценность растений.
5. У некоторых растений наблюдается ослизнение клеточной стенки. При этом вместо целлюлозной вторичной стенки происходит отложение аморфных, сильно гидратированных кислых полисахаридов в виде слизей и камедей.
Слизи хорошо растворяются в воде с образованием слизистых растворов и выполняют различные функции. Слизь корневого чехлика служит в качестве смазки, облегчает рост кончика в почве. Слизневые железки насекомоядных растений (росянка) выделяют ловчую слизь, к которой приклеиваются насекомые. Слизь, выделяемая наружными клетками семенной кожуры (лен, айва, подорожник), закрепляет семя на поверхности почвы и защищает проросток от высыхания.
Выделение камедей обычно происходит при поранении растений, которые выполняют защитную функцию, закрывая рану с поверхности. Образуется камедь в основном у древесных растений из семейств бобовых (акации, астрагалы) и розоцветных подсемейства сливовых (вишня, слива, абрикос). Вишневый клей представляет собой застывшую камедь. Камеди и слизи используют в медицине.