Физиология растений и животных. Скопичев В. Г. Физиология растений и животных Направление подготовки 020400 биология Профиль подготовки Биоэкология
 Скачать 35.41 Mb.
|
1.2.МОРФОЛОГИЯ КЛЕТКИКлетка состоит из сложноорганизованного живого вещества —разделенного с помощью мембран на цитоплазму и ядро. Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой в состоит из кариоплазмы. Клетка отделена от внешней среды клеточной оболочкой — плазматической мембраной (плазмо- или цитолеммой). Размеры и форма клеток очень разнообразны - самые маленькие клетки не превышают нескольких микрометров (малые лимфоциты, клетки-зерна мозжечка), самые большие достигают нескольких сантиметров (яйцеклетки птиц). По форме клетки бывают шаровидные, овальные, кубические, призматические, звездчатые, дисковидные, с разнообразными отростками и т. д. Форма клеток тесно связана с их функцией и с механическим воздействием окружающей среды. Клетки, обладающие амебовидной подвижностыо (лейкоциты) способны менять свою форму. Размеры ядра и цитоплазмы обычно находятся в определенных соотношениях, характерных для той или иной ткани и отражающих состояние клетки. У молодых и активно функционирующих клеток ядра бывают обычно крупнее, чем у клеток того же типа, находящихся в покое или стареющих. Морфология растительных клеток Электронная микроскопия показала, что ядро, цитоплазма и клеточная оболочка имеют сложное строение. Они выполняют разнообразные функции. Нормальная жизнедеятельность клетки возможна только при их сохранности и взаимодействии. Рассмотрение с помощью электронного микроскопа показало, что клетка обладает чрезвычайно сложной структурной организацией и представляет собой систему, дифференцированную на отдельные органеллы (рис. 1). В растительной клетке прежде всего надо различать клеточную оболочку и содержимое. Основные жизненные свойства присуши именно содержимому клетки — протопласту. Кроме того, для взрослой растительной клетки характерно наличие вакуоли — полости, заполненной клеточным соком. Протопласт состоит из цитоплазмы и включенных в нее крупных органелл, видимых в световой микроскоп: ядра, пластид и митохондрий В свою очередь, цитоплазма представляет собой сложную систему, включающую многочисленные субмикроскопические структуры, такие, как аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, микротрубочки, рибосомы и др Все указанные органеллы погружены в матрикс цитоплазмы — гиалоплазму, или основную плазму. Если отцентрифугировать цитоплазму, то она разделится на две примерно равные части. В более плотной окажутся структурные образования, куда войдут все органеллы, а в менее плотной — гиалоплазма. Каждая из органелл имеет свою структуру и ультраструктуру. Под ультраструктурой понимается расположение отдельных молекул, составляющих данную органеллу. Даже с помощью электронного микроскопа далеко не всегда можно увидеть ультраструктуру более мелких органелл (рибосом). По мере развития науки открываются все новые структурные образования, находящиеся в цитоплазме, и в этой связи наши современные представления о ней ни в коей мере не являются окончательными. Клетки многоклеточного организма взаимосвязаны. Эта взаимосвязь осуществляется с помощью тяжей цитоплазмы — плазмодесм. Выяснение физиологических функций отдельных органелл связано с разработкой метода их изоляции (выделения из клетки). Таков метод дифференциального центрифугирования, основанный на разделении отдельных компонентов протопласта по их величине и плотности. В зависимости от ускорения удается выделить все более и более мелкие фракции, органелл. Совместное применение методов электронной микроскопии и дифференциального центрифугирования. дало возможность наметить связи между структурой и функциями отдельных органелл. В молекулярной биологии, или науке об особенностях строения и функциях отдельных макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), сомкнулись усилия биохимиков, физиологов и морфологов, и именно это дало триумфальный успех. Характерной особенностью растительной клетки является наличие твердой клеточной стенки. Клеточная оболочка придает .клеткам и тканям растений механическую прочность, защищает протоплазматическую мембрану от разрушения под влиянием гидростатического давления, развиваемого внутри клетки. Однако такую оболочку нельзя рассматривать только как механический каркас. Клеточная оболочка, особенно в молодых клетках, играет определенную физиологическую роль. Она способна к росту, является противоинфекционным барьером, принимает участие в поглощении минеральных веществ, являясь своеобразным ионообменником. Клеточная оболочка обладает такими свойствами, которые позволяют противостоять давлению воды внутри клетки, и в то же время обладает растяжимостью и способностью к росту. Она образуется из веществ, вырабатываемых компонентами протопласта. Первичная клеточная оболочка характерна для молодых клеток. По мере их старения образуется вторичная структура.В состав клеточной оболочки входит целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, липиды и небольшое количество белка. Процентное соотношение веществ в первичных клеточных оболочках сильно колеблется. Для примера приведем состав оболочки клеток колеоптилей овса: целлюлозы — 25%, гемицеллюлозы — 51%, пектиновых веществ — 3—5%,.белка — 10%, липидов — 4%. Остов клеточной оболочки составляют переплетенные микро- и макрофибриллы целлюлозы. Целлюлоза, или клетчатка, представляет собой длинные неразветвлениые цепочки, состоящие из 3—10 тыс. остатков глюкозы, соединенных 1.4-связями. Макромолекулы целлюлозы не встречаются в свободном виде, 100 молекул целлюлозы объединены в мицеллу, 20 мицелл объединены в микро фибриллу, 250 микрофибрилл составляют макрофибриллу. Макрофибриллы, мицеллы и микрофибриллы соединены в пучки водородными связями. Надо сказать, что структура микро- и макрофибрилл неоднородна. Наряду с хорошо организованными кристаллическими участками имеются паракристаллические, аморфные. Диаметр мицеллы составляет 5 нм, диаметр фибриллы — 30 нм. Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной оболочке погружены в аморфную желеобразную массу — матрикс. Матрикс состоит из гемицеллюлозы, пектиновых веществ и белка. Гемицеллюлоза, — это смесь веществ, в которую входят пентозаны и гексозаны. Степень полимеризации у этих соединений меньше по сравнению с клетчаткой (150—300 мономеров, соединенные 1,3- и 1,4-связями). Пектиновые вещества — это полимерные соединения углеводного типа. Различают три вида пектиновых веществ. 1.Пектиновая кислота — представляющая собой цепочки, включающие от 5 до 100 остатков галактуроновой кислоты образующихся при окислении гексоз. 2.Пектин — это также цепочки галактуроновой кислоты, некоторые карбоксильные группы которой метилированы. Пектин дает коллоидные растворы и легко переходит в гель. 3. Протопектин, по-видимому, состоит из нескольких, цепочек. пектиновой кислоты, соединенных кальцием. Пектиновые вещества и гемицеллюлоза образуют трехмерную сетку. В белке клеточных оболочек, получившем название экстенсина, содержится аминокислота оксипролин. Именно белок придает, матриксу оболочки определенную структуру и эластичность. Не все пространство между фибриллами целлюлозы занято матриксом. Остаются промежутки, заполненные водой, которые составляют так называемое свободное пространство клетки и представляют собой' единую систему (все промежутки соединены друг с другом). Толщина клеточной стенки колеблется у разных видов растений от десятых долей до 10 мкм. В первичной оболочке каждой клетки имеются тонкие участки — первичные поровые поля, через которые обычно проходят плазмодесмы — цитоплазматические нити, обрамленные мембраной (плазмалеммой). На каждые 100 мкм2 клеточной оболочки имеется примерно 10—30 плазмодесм диаметром 0,2 мкм. Благодаря плазмодесмам протоплазма всех клеток объединена в единое целое— симпласт. Между клеточными оболочками двух соседних клеток в местах, их соприкосновения имеется так называемая срединная пластинка; в состав срединной пластинки входят пектиновые вещества, главным образом в виде пектатов кальция (кальциевая соль пектиновой кислоты). Эти вещества как бы цементируют, склеивают растущие клетки. При недостатке кальция пектиновые вещества превращаются в слизь, наблюдается ослизнение ткани и клетки разъединяются (мацерация ткани). При созревании плодов пектиновые вещества срединных пластинок, склеивающие клетки, переходят в растворимую форму, и благодаря этому плоды становятся мягкими. Клеточная оболочка образуется при делении клеток. Она способна к эластическому (обратимому) растяжению. Эластическое растяжение происходит код влиянием развивающегося в клетке давления воды (тургорного давления). Макрофибриллы целлюлозы не связаны между собой и скреплены только матриксом. Они скользят друг около друга, клеточная оболочка становится тоньше и это определяет ее эластичность. Пластическое необратимое растяжение — это собственно рост клеточной оболочки. Клеточная оболочка способна к утолщению и видоизменению- В результате этого образуется ее вторичная структура. Утолщение- оболочки происходит путем наложения новых слоев на первичную- оболочку. Ввиду того что наложение идет уже на твердую оболочку,, фибриллы целлюлозы в каждом слое лежат параллельно, а в сосед них слоях — под углом друг к другу. Этим достигается значительная прочность и твердость вторичной оболочки. По мере того как число слоев фибрилл целлюлозы становится больше и толщина стенки увеличивается, она теряет эластичность и способность к росту. Во вторичной клеточной стенке содержание целлюлозы значительно возрастает, в некоторых случаях до 60% и более. По мере дальнейшего старения клеток матрикс оболочки может заполняться различными веществами — лигнином, суберином (одревеснение или опробковение оболочки). Лигнин образуется из гемицеллюлозы и пектиновых веществ. Клеточная оболочка легко проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Одревеснение заметно снижает ее проницаемость, а опробковение делает ее непроницаемой, вследствие чего клетка отмирает.
Клеточная оболочка — поверхностный аппарат клетки, в состав которого входят: плазматическая мембрана, надмембранный комплекс и субмембранный опорно-сократительный аппарат. Плазматическая мембрана—плазмолемма или цитолемма имеет толщину около 10 нм и представляет собой белково-липидный комплекс, организованный определенным образом. Молекулы липидов полярны - у них незаряженные гидрофобные хвосты в заряженные гидрофильные головки. В цитолемме они располагаются в два слоя, гидрофобными хвостами друг к другу, а гидрофильными головками наружу. Молекулы липидов, входящие в мембраны, разнообразны и очень подвижны. Вдоль мембраны они могут перемещаться со скоростью более миллиона раз в секунду, образуя как бы вечно подвижное липидное озеро, в котором плавают молекулы глобулярных белков. Белки мембран являются ферментными, рецепторными и структурными. Они также могут перемещаться в мембране в процессе выполнения функции, в результате чего меняются свойства мембраны и ее функциональная активность. Молекулы белков располагаются в мембране как между молекулами липидов— интегральные белки, так и под ними — периферические белки. А так как молекулы белков гораздо крупнее липидных, интегральные белки выступают наружу, образуя поверхностные слой мембраны. Такая структура плазмолеммы называется мозаичной. В электронном микроскопе она выглядит трехслойной. Два крайних электронно-плотных слоя соответствуют гидрофильным головкам липидных молекул и белковым глобулам, а средний электронно-прозрачный слой — гидрофобным концам липидных молекул мембраны такого строения принято называть элементарной биологической мембраной. Надмембранный комплекс (гликокаликс)—в основном углеводной природы. Представлен он полисахаридами, образующими с белками мембраны сложные соединения—гликопротеиды, а с ее липидами — гликолипиды. Длинные ветвящиеся углеводные концы молекул гликопротеидов и гликолипидов соединены в вязкий желеобразный надмембранный чехол толщиной 3—4 нм, который служит своеобразной межклеточной смазкой, склеивающей клетки между собой. В нем снижается скорость диффузии различных веществ, определенным образом располагаются ферментные комплексы, принимающие участие во внеклеточном расщеплении высокополимерных веществ. Особенно хорошо развит полисахаридный слой в кишечном эпителии, где очень активны процессы пристеночного (внеклеточного) пищеварения и всасывания. Считается, что надмембранный комплекс выполняет рецепторную функцию, в том числе и тканевой совместимости, функцию «узнавания» клетками друг друга, так как благодаря разнообразию химических связей молекул углеводов - рисунок поверхности клеток тканеспецифичен и даже индивидуален. Он может приводить в действие иммунные механизмы. Субмембранный комплекс сосредоточен в кортикальном слое цитоплазмы, прилежащем в плазмолемме и тесно с ней связанном. Представляет специализированную периферическую часть опорно-сократительной системы клетки. Состоит из белков, собранных в нитевидные структуры разной величины: микрофиламенты (диаметром 5—7 нм), микрофибриллы (около 10 нм) и микротрубочки (диаметром 20—22 нм). Все они вступают друг с другом в сложные химические и структурные связи, образуя терминальную сеть. Среди белков терминальной сети основными являются актин, миозин, тубулин, динеин и некоторые другие. Они образуют системы, способные к скольжению, взаимному перемещению, в результате чего перемещаются структуры плазмолеммы, связанные с этими системами, то есть осуществляется движение клетки и ее частей. Субмембранный комплекс принимает участие в репепции, трансмембранном транспорте, стабилизирует белки плазмолеммы и осуществляет их направленное (координированное) перемещение.
Плазмолемма вместе с над- и субмембранными комплексами осуществляет многообразные функции: барьерную, транспортную, рецепторную, двигательную, межклеточных взаимодействий и др. Барьерная функция, проникновение веществ в клетку. Плазмолемма, одевая клетку, отграничивает ее от внешней среды, в результате чего вещества внутрь клетки проникают избирательно. С помощью диффузии проникает в клетку и из клетки лишь вода и некоторые растворенные в ней газы. По градиенту концентрации (пассивным транспортом) перемещаются некоторые ноны и мелкие органические молекулы, особенно жирорастворимые. Против градиента концентрации (активным транспортом) поступает большинство ионов, мелких молекул неорганических и органических веществ (соли, сахара, аминокислоты и др.). Процессы активного транспорта происходят с затратой энергии. В нем принимают участие все элементы поверхностного аппарата клетки. Макромолекулы, их агрегаты и более крупные частицы поступают в клетку благодаря эндоцитозу. При этом частица сначала адсорбируется на мембране клетки, затем окружается ею, и отшнуровывается от мембраны с образованием вакуоли. Содержимым вакуоли будет захваченная частица, а ее стенкой — участок плазмолеммы. Если поглощаются более мелкие частицы и растворы, говорят о пиноцитозе, если более крупные — о фагоцитозе. Процесс выведения из клетки крупных частиц, заключенных в вакуоль, называется экзоцитозом. При этом стенка вакуоли встраивается в плазмолемму и становится ее частью, а содержимое изливается наружу. Рецепторную функцию клетка выполняет с помощью специальных белков плазмолеммы и элементов гликокаликса (надмембранного комплекса). Рецепторы клетки разнообразны и многочисленны, что позволяет клеткам осуществлять взаимные контакты, реагировать на биологически активные вещества, осуществлять иммунные реакции и т. д. Движение плазмолеммы осуществляется с помощью субмембранного комплекса, в котором скапливаются микротрубочки и микрофиламенты. При передвижении лейкоцитов, в процессе пино- и фагоцитоза и других формах движения клетки происходит перераспределение опорно-сократимой системы субмембранного комплекса и осуществляется движение клетки и ее частей. Межклеточные контакты — соединения клеток, особенно распространены в эпителиальных тканях, где клетки плотно прилежат друг к другу, но имеются и между клетками других тканей. В образовании межклеточных контактов принимают участие все слои клеточной оболочки (поверхностного аппарата клетки). Межклеточные контакты неоднородны по структуре и функции. В зависимости от особенностей строения и функционального на значения различают следующие виды контактов: 1) простой контакт — клетки прилежат друг к другу, но между ними сохраняется щель 15—20 нм. Такой контакт широко распространен в различных органах и тканях; 2) зубчатый контакт, или контакт по типу замка, — плазмолеммы клеток образуют выпячивания, входящие во впячивания соседних клеток. Этот тип соединения способствует креплению клеток в единый пласт и характерен для эпителиев; З) десмосома, или зона слипания, — сложноорганизованный участок двух соседних клеток, предназначенный для плотного скрепления клеток. Десмосомы широко распространены в покровном эпителии, но имеются также в железистом, почечном, кишечном эпителиях, в гладкой и сердечной мышечных тканях; 4) плотный (замыкающий) контакт—зона плотного прилегания клеток, в которой происходит слияние их мембран. Плотный контакт обычно окаймляет апикальные полюсы клеток, изолирует внутреннюю среду организма от внешней и распространен в эпителиях, особенно в кишечном; 5) щелевой контакт—особый тип соединения клеток, способствующий проведению ионов и низкомолекулярных соединений из одной клетки в другую, минуя межклеточные щели. Цитоплазма — сложная динамическая многокомпонентная система клетки, в которой происходят основные метаболические процессы. В цитоплазме различают гиалоплазму, органеллы и включения. Гиалоплазма — жидкая внутренняя среда клетки, состоящая из воды, низкомолекулярных веществ, растворенных в воде, водорастворимых веществ и высокомолекулярных веществ, рассредоточенных в виде мицелл и нитей, образующих нежную трехмерную сеть, видимую в электронный микроскоп лишь при очень большом увеличении. Особенности клетки как коллоидной системы, ее осмотические и буферные свойства в основном определяются составом гиалоплазмы и процессами, происходящими в ней. Гиалоплазма содержит большое количество ферментов (до 25% белков клетки приходится на гиалоплазму), участвующих в процессах гликолиза, метаболизма сахаров, азотистых оснований, аминокислот, липидов. В гиалоплазме располагаются молекулы АТФ, транспортные РНК и ферменты активации аминокислот при синтезе белка. Через гиалоплазму осуществляется большая часть внутриклеточного транспорта ионов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, сахаров и других веществ. Здесь откладываются запасные питательные вещества. Органеллы — постоянные составные части цитоплазмы, выполняющие определенные функции. Одни из органелл присутствуют в каждой клетке организма я поэтому называются общими, другие—лишь в клетках определенного типа и называются специальными. К общим органеллам относят митохондрии, цитоплазматическую (эндоплазматическую) сеть, пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи), лизосомы, рибосомы, центросому, микротрубочки, микрофибриллы, а к специальным — миофибриллы, нейрофибриллы, тонофибриллы, реснички, жгутики, микроворсинки. Большинство общих органелл имеет мембранное строение, то есть представляет собой структуры, стенка которых образована элементарной биологической мембраной. Мембраны органелл устроены так же, как и плазмолемма, и выполняют те же функции: транспортную, разграничительную и интегрирующую. Мембранные органеллы — это эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и митохондрии. Эндоплазматическая (цитоплазматическая) сеть — состоит из вытянутых цистерн, трубочек, мешков, узких каналов, связанных взаимными переходами, в результате чего образуется единая внутриклеточная сеть, которая как бы делит цитоплазму на отсеки, участки. Но при этом не имеет непосредственных контактов с плазмолеммой. Данная органелла очень подвижна и ее составные части легко отшнуровываются, фрагментируются, объединяются, но содержимое при этом не изливается в гиалоплазму, а остается окруженным мембранами цитоплазматической сети. Различают агранулярную (гладкую) и гранулярную (шероховатую) эндоплазматическую сеть. Цистерны гранулярной эндоплазматической сети имеют полости шириной от 20 нм до нескольких микрометров. Со стенками гранулярной эндоплазматической сети связаны рибосомы. По-видимому, первоначально в клетке появляется именно этот вид сети, и лишь в процессе дифференцировки некоторая часть цистерн теряет рибосомы и ветвится, превращаясь в гладкую эндоплазматическую сеть. Цитоплазматическая сеть - своеобразная транспортная система клетки, по которой перемещаются разнообразные вещества. Большая поверхность мембран сети говорит о том, что в клетке может происходить одновременно большое количество разнообразных реакций. Основная функция гранулярной цитоплазматической сети — синтез белков. На рибосомах, прикрепленных к ее цистернам, синтезируются белки секреторных гранул, ферментные белки лизосом и белки, входящие в состав мембран клетки. В гранулярной цитоплазматической сети синтезируются, кроме того, некоторые углеводные соединения и липиды, входящие в состав мембран. Синтезированные молекулы подвергаются различным воздействиям в результате чего меняются их свойства, образуются сложные комплексные соединения. Гранулярная сеть считается местом образования мембран для всей клетки. Гладкая цитоплазматическая сеть многофункциональна. Она является местом синтеза ряда углеводов и липидов; поглощает, накапливает и транспортирует ноны (например, ноны кальция в волокнах поперечнополосатой мышечной ткани); осуществляет детоксикацию вредных продуктов обмена благодаря определенному набору ферментов, входящих в состав ее мембран (в печени). Этот вид цитоплазматической сети очень распространен в клетках надпочечников, семенников органах, где образуются стероидные гормоны. Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи), в данный комплекс входят цистерны, вакуоли и пузырьки. Как правило, он представляет собой стопку из 5 – 10 плоских мешковидных цистерн, узких в центре (7 – 10 нм) и расширяющихся по краям. По периферии они могут переходить в сеть канальцев и заканчиваться вакуолями, которые отшнуровываются от пластинчатого комплекса. В клетке насчитывают от одного до нескольких десятков комплексов. Расположен комплекс обычно вокруг ядра или над ним. Этот комплекс связан со всеми структурами клетки: с поверхностным в ядерным аппаратами, с цитоплазматической сетью, лизосомами. Выяснено, что в нем конденсируются в созревают продукты синтезированные в цитоплазматической сети. При этом происходит их дальнейшая химическая перестройка с образованием секреторных гранул. В цистернах комплекса Гольджи синтезируются полисахариды и в соединении с белками образуют гликозаминогликаны, мукопротеиды, протеогликаны, иммуноглобулины и другие комплексные соединения. Здесь синтезируются составные части надмембранного комплекса, которые потом без изменения входят в его состав. С помощью отшнуровьгвающиихся вакуолей выводятся готовые секреты за пределы клетки. Сами же вакуоли встраиваются в цитолемму и становятся ее частью. Комплекс Гольджи – место образования лизосом – вакуолей, наполненных гидролитическими ферментами, и пероксисом – пузырьков, содержащих окислительные ферменты. Лизосомы разнообразные вакуоли диаметром 0,1 – 0,4 мкм. Стенка у них образована элементарной биологической мембраной, а содержимое представляет собой скопление гидролитических ферментов. В лизосомах обнаружено около 60 различных гидролаз, действующих в кислой среде. Ферменты лизосом способны разрушать практически все природные органические полимеры (белки, углеводы в нуклеиновые кислоты), но не разрушают клетку и стенки лизосом, потому, что находятся в неактивном состоянии. Выполняя гидролитическую функцию, лизосома приближается к пиноцитозной или фагоцитозной вакуоле и сливается с ней. В результате образуется единая вакуоль, содержащая ферменты к фагоцитированному материалу — вторичная лизосома, или фагосома. Лизосомы переваривают не только продукты пинопиттозных и фагоцитозных вакуолей, но в разрушенные органеллы клетки (фрагменты митохондрий, цитоплазматической сети и других мембран). Митохондрии видны в световой микроскоп в виде нитчатых, палочковидных гантелевидных зернистых образований диаметром 0,2—2 мкм в длиной 1—10 мкм. В пределах одной клетки они могут иметь разную форму. Количество их в клетках сильно варьирует и исчисляется от единиц до тысяч. Независимо от формы в размеров общее строение у митохондрий одинаково в любых клетках. Они ограничены двумя мембранами толщиной по 7 нм. Между мембранами имеется межмембранное пространство шириной 10 – 20 нм. Полость митохондрии заполнена матриксом тонкозернистого строения. Мембраны различаются своими структурно-биохимическими и физическими свойствами. Наружная мембрана гладкая, не связана ни с какими другими мембранами клетки, имеет вид замкнутого мешка. Для нее характерна неспецифическая проницаемость, малое содержание белков я большое количество липидов. Внутренняя мембрана отличается высокоспецифичной проницаемостью и высоким содержанием белков (до 75% вещества мембраны). У нее многочисленные выросты пластинчатой или трубчатой формы, направленные внутрь митохондрия — гребни, или кристы. Располагаются они как вдоль, так и поперек митохондрии, поэтому образуется подобие сети. Количество и величина крист заметно меняются в зависимости от функционального состояния и возраста митохондрии. Функция митохондрия — синтез АТФ. Она определяется набором окислительных ферментов, находящихся во внутренней мембране в матриксе. В последнем сосредоточены ферменты цикла Кребса (трикарбоновых кислот) и окисления жирных кислот. Во внутренней мембране расположена цепь переноса электронов (дыхательная цепь) и многочисленные транспортные системы, а на грибовидных тельцах локализованы ферменты фосфорилирования (превращения АДФ в АТФ). Все эти ферментные системы могут синтезировать и накапливать макроэргические (высоко энергоемкие) соединения (главным образом в виде АТФ), только образуя сложные молекулярные комплексы в составе внутренней мембраны или будучи тесно с ней связанными. В местах потребления энергии АТФ легко распадается также при участии ферментов митохондрий. При этом образуется свободная энергия для выполнения механической, химической, электрохимической в осмотической работ. Поэтому митохондрии образно называют «силовыми станциями» клетки. Митохондрии, имеют свой автономный аппарат для синтеза собственных митохондриальных белков. Количество митохондрий возобновляется за счет роста и деления предшествующих митохондрий перетяжкой или почкованием. Рибосомы – это округлые образования диаметром 10 – 30 нм, состоящие из двух субъединиц. Обе субъединицы образованы РНК и белками примерно в равных количествах, которые связаны в виде рибонуклеопротеидов (РНП). Субъединицы неравны по величине. Большая субъединица напоминает полусферу с тремя торчащими выступами, а меньшая — короткую изогнутую палочку с выступом и несколькими полостями. Рибосома принимает участие в синтезе белка. На ней происходит сборка полипептидов и белков. При этом к малой субъединице присоединяется молекула иРНК, а к большой — молекулы тРНК. Возможно такое присоединение молекул диктуется формой субъединиц. Когда не происходит синтез белка, субъединицы, как правило, разобщены. Их объединение происходят под действием ионов магния. Рибосомы синтезируются в ядрышке, но функционируют в основном в цитоплазме. Здесь они располагаются в гиалоплазме — свободные рибосомы или прикрепляются к цистернам цитоплазматической сети – связанные рибосомы. Белки, синтезированные свободными и связанными рибосомами, имеют разную судьбу. Связанные рибосомы синтезируют белки, которые, как правило, попадают в цистерны цитоплазматической сети, оттуда — в пластинчатый комплекс и в составе вакуолей покидают клетку (секреторные белки) или становятся белками лизосом. Микротрубочки существуют во всех клетках, кроме бактерий и некоторых водорослей, как самостоятельные структуры или в составе немембранных органелл (кроме рибосом). Представляют собой длинные, тонкие, неветвящиеся полые цилиндры с диаметром 22—26 нм и стенкой, построенной из глобулярного белка тубулина. Микротрубочки очень лабильны. Под влиянием изменения внутриклеточной среды происходит постоянная их самосборка и саморазборка. В результате одновременного протекания этих процессов в разных участках цитоплазмы система микротрубочек в целом поддерживается в состоянии динамического равновесия и в интерфазной клетке имеет вид трехмерной сети. В делящейся клетке сеть микротрубочек цитоплазмы исчезает и вместо нее формируется веретено деления. В настоящее время микротрубочки относят к скелетным образованиям клетки, поскольку форма последней в значительной мере зависит от того, как в ней распределены эти органеллы. С ними связывают транспортную функцию клеточной оболочки на том основании, что в большом количестве они обнаруживаются в субмембранном комплексе. Микротрубочки — основные составные части органелл, осуществляющих движение клетки и ее частей: центросомы, ресничек, жгутиков. Однако механизм движения их неясен, так как сами микротрубочки не обладают способностью к сокращению, а движение, тем не менее, осуществляется. Возможно, своим расположением они создают систему упорядоченного движения внутриклеточных компонентов, являются для них как бы рельсами Центросома (клеточный центр) – состоит из центриолей и центросферы. В состав центросомы обычно входят две центриоли (диплосома), перпендикулярно расположенные друг к другу. Каждая из них состоит из девяти триплетов (троек) микротрубочек, уложенных с помощью специальных образований в виде цилиндра шириной 0,15 мкм в длиной 0,3 – 0,5 мкм. Микротрубочки центриолей такого же строения, как в микротрубочки цитоплазмы, в отличаются от них лишь большой стабильностью. Одна из центриолей материнская, другая — дочерняя. На материнской центриоли имеется ряд дополнительных структур: сателлиты, придатки в др., которых нет на дочерней центриоли. Центросфера – зона цитоплазмы с расходящимися нитчатыми структурами в виде лучей, окружающая центриоли. Электронная микроскопия показала, что лучистое ее сияние – это многочисленные микротрубочки, отходящие от сателлитов и радиально расходящиеся вокруг центриолей. В реснитчатых клетках центриолей гораздо больше, так как в основании каждой реснички расположена центриоль в виде базального тельца. Центриоли являются центрами сборки микротрубочек цитоплазмы, микротрубочек веретена деления, играют роль базальных телец, от которых отрастают реснички и жгутики. Микрофибриллы и микрофиламенты – нитчатые структуры различной длины, толщиной от 5 до 10 нм, образованные белками. Располагаются по всей цитоплазме, но особенно развиты у апикального полюса клетки, где образуют терминальную сеть. Выполняют опорную и двигательную функцию, в различных тканях образуя специальные органеллы. Специальные органеллы – постоянные структуры, присущие лишь клеткам определенных тканей. К ним относятся реснички, жгутики, тонофибриллы, миофибриллы, нейрофибриллы, микроворсинки. Реснички и жгутики – органеллы движения. Реснички развиты в клетках эпителия дыхательных путей и некоторых отделов половых трактов а жгутики имеются у спермиев. Структура ресничек и жгутиков сходна, отличаются они лишь размерами. Реснички имеют длину 5 – 10 мкм, жгутики – 150 мкм. И те, и другие представляют собой длинные тонкие выросты цитоплазмы, покрытые цитолеммой, имеющие в основании базальное тельце, а по всей длине – аксонему. Базальное тельце представляет собой центриоль, у которой можно наблюдать дополнительные структуры, характерные для материнской центриоли а иногда можно видеть и дочернюю центриоль, расположенную под прямым углом к материнской. Основная нить ресничек и жгутиков аксонема организована подобно центриоли, но содержит девять дублетов (пар) периферических и две центральные микротрубочки. Периферические и центральные микротрубочки связаны между собой в единую подвижную систему. При движении ресничек и жгутиков происходит скольжение микротрубочек друг по другу, в результате чего органеллы изгибаются. Тонофибриллы, миофибриллы, нейрофибриллы – разновидности микрофибрилл и микрофиламентов характерные для клеток той или иной ткани. Тонофибриллы развиты в эпителиальных тканях, где образуют скелет клеток. Миофибриллы развиты в мышечных тканях, и определяют сократимость мышечных клеток и волокон, а нейрофибриллы в нервных клетках. Предполагается что они участвуют в токе аксоплазмы и проведении нервного импульса. Микроворсинки – выросты цитоплазмы, одетые цитолеммой и содержащие внутри пучок микрофиламентов. Они увеличивают всасывательную поверхность клетки. Особенно хорошо развиты в кишечном эпителии. Включения. Это необязательные компоненты клетки, появляются и исчезают в зависимости от интенсивности и характера обмена веществ в клетке и от условий существования организма. Включения имеют вид зерен, глыбок, капель, вакуолей, гранул различной величины и формы. Их химическая природа очень разнообразна. В зависимости от функционального назначения включения объединяют в группы: трофические включения, секреты и инкреты, пигменты, экскреты и др. Среди трофических включений (запасных питательных веществ) важную роль играют жиры и углеводы. Секреты и инкреты, накапливаются в железистых клетках, так как являются специфическими продуктами их функциональной активности. Экскреты – конечные продукты жизнедеятельности клетки, подлежащие удалению из нее. Ядро – такая же необходимая составная часть клетки, как и цитоплазма. Как оформленная составная часть клетки, ядро возникло не сразу. Существуют клетки, у которых ядерный материал не отделен от остальной протоплазмы. Это бактерии, некоторые водоросли. Клетки без оформленного ядра называют прокариотическими. с оформленным ядром – эукараотическими. Для большинства эукариотических клеток характерно наличие одного ядра, но бывают и многоядерные клетки (например, мегакариоциты – специализированные клетки костного мозга, остеокласты в костной ткани и др.). Форма ядер обычно зависит от формы клетки. Встречаются ядра сегментированные (у зернистых лейкоцитов крови) и даже ветвистые (у шелкопряда). В клетках существуют определенные соотношения между размерами ядра и цитоплазмы, характерные для видовой принадлежности организма, ткани, органа. Эти соотношения непостоянные, они могут варьировать в широких пределах в зависимости от возраста в функциональной активности организма, органа, клетки. В молодых малодифференцированных клетках ядра относительно крупнее, чем в зрелых специализированных. У активно функционирующих клеток по сравнению с недеятельными клетками того же типа ядра более крупные. Изменения размеров ядра и цитоплазмы диктуются особенностями внутриклеточного метаболизма. Высказывается предположение, что определенное соотношение размеров ядра и цитоплазмы, называемое критическим, является толчком к делению клетки. Химический состав ядра заметно отличается от состава цитоплазмы. В нем содержится почти вся ДНК клетки, много основных белков типа гистонов и негистоновых глобулярных белков, РНК, и липидов меньше, чем в цитоплазме. Из неорганических веществ большую роль играют вода, ионы Са и Мg. Функции ядра определяются наличием в нем ДНК, в которой содержится вся генетическая информация
. В ядре происходит редупликация (удвоение) молекул ДНК, благодаря чему генетическая информация в полном объеме передается следующим генерациям клеток. В ДНК в виде последовательности нуклеотидов закодирована информация о первичной структуре белков, которая реализуется в процессе синтеза. В ядре синтезируются все три вида РНК: рРНК, иРНК, тРНК и происходит образование субъединиц рибосом. Следовательно, ядро создает весь аппарат синтеза белка и регулирует этот синтез, как с качественной, так и с количественной стороны. А это определяет жизнедеятельность клетки, так как практически все функции в ней обеспечиваются белками. Строение ядра. Ядро состоит из ядерной оболочки (кариолеммы), отделяющей его от цитоплазмы, хроматина, ядрышка и кариоплазмы. Кариолемма (ядерная оболочка, кариотека) состоит из двух элементарных биологических мембран толщиной по 7 нм, разделенных промежутками 10 – 20 нм. Наружная мембрана по структурно-химической организации подобна мембранам гранулярной цитоплазматической сети, К ней присоединяются рибосомы, она может образовывать выпячивания, отшнуровываться в цитоплазму. Внутренняя мембрана гладкая, без выпячиваний. К ней прикрепляются нити хроматина. Особенность кариолеммы – наличие пор. Это округлые участки диаметром 50 – 100 нм, где сливаются наружная и внутренняя мембраны; Они заполнены, как пробкой, фибриллярными и глобулярными белками, образующими поровый комплекс. Размеры пор обычно постоянны, а их количество может уменьшаться в процессе дифференцировки и функционирования клетки. В среднем приходится по 10 пар на 1 мкм поверхности ядра. Через поры осуществляется транспорт веществ между ядром и цитоплазмой, но, несмотря на довольно большие размеры, далеко не все молекулы могут пройти через них — поровый комплекс обладает избирательной проницаемостью. Он пропускает, например, такие крупные структуры, как белк и -гистоны, субъединицы рибосом, но задерживает многие мелкие неорганические молекулы. Хроматин не виден в живом ядре, но становится заметен в фиксированной интерфазной клетке в виде глыбок, нитей, скоплений, окрашивающихся основными красителями. Химический анализ показал, что хроматин представляет собой комплексное соединение ДНК и белков – дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП). Следовательно, хроматин, это не что иное, как хромосомы в деконденсированном состоянии. Одна молекула ДНК соответствует одной хромосоме. Длина молекул ДНК очень большая – от 0,5 мкм до 7 см. У человека длина молекул ДНК всех хромосом одной клетки равна 170 см. Чем более рыхло уложены хромосомы, тем активнее происходит на них транскрипция РНК и редупликация ДНК. Более конденсированные участки окрашены сильнее и заметны в виде глыбок хроматина (гетерохроматин). Чем заметнее хроматин в ядре, тем он более конденсирован и менее активен. Недеятельный хроматин полностыо конденсирован, например, в зрелых эритроцитах птиц, где, как известно, синтетические процессы отсутствуют. Полностью конденсирован хроматин и в хромосомах во время митоза. Наиболее активные синтетические процессы происходят в участках диффузного хроматина (эухроматин) — в полностью деконденсированных участках хромосом. Отсюда ясно, что по виду и расположению хроматина можно судить об активности синтетических процессов не только в ядре, но и в клетке. Чем диффузнее хроматин, тем выше синтез РНК тем активнее в клетке идет синтез белка. Такой вид хроматина характерен для молодых, способных к делению клеток. В процессе дифференцировки клетки, по мере ее специализации, увеличивается количество конденсированного хроматина — происходит выключение участков молекулы ДНК из процесса транскрипции. Часто такой конденсированный хроматин накапливается в непосредственной близости к кариолемме. В последние годы появились данные, говорящие в пользу того, что конденсированный хроматин прочно связан с внутренней мембраной кариолеммы. В результате этого хромосомы в ядре интерфазной клетки занимают определенное пространство. Ядрышко – наиболее плотный участок ядра округлой формы, диаметром 1 – 5 мкм. Общий объем ядрышек составляет около 1% ядерного объема. Находится ядрышко в непосредственной близости к определенному участку хромосомы, так называемому ядрышковому организатору, У свиньи, например, он обнаружен на 8-й и 10-й хромосомах. В области ядрышкового организатора ДНК расположены гены, на которых происходит синтез рибосомной РНК – основного вида РНК ядрышек. В области ядрышка рРНК синтезируется, накапливается и соединяется с белками — образуются рибонуклеопротеиды (РНП). Здесь же РНП объединяются в субъединицы рибосом. Ядрышко состоит на 60 – 90% из белков, 2 – 8% РНК, 5 – 12% ДНК. В нем различают тонкие фибриллы и гранулы, заключенные в аморфное вещество. Считают, что фибриллы – это участки молекул ДНК области ядрышкового организатора и РНП, а гранулы – субъединицы рибосом. Расположение компонентов ядрышка может быть различным, как и его размеры. Это зависит от активности синтеза, накопления и выведения в цитоплазму рРНК. При активном синтезе рРНК ядрышко крупное, его фибриллы лежат рыхло, гранул много. При затухании синтеза рРНК размеры ядрышка уменьшаются, фибриллы лежат плотно, гранул мало или нет совсем. В период деления клетки ядрышко исчезает, его материал рассеян в содержимом ядра между хромосомами. Есть данные, что материал ядрышка входит в состав матрикса хромосом и вместе с ними передается дочерним клеткам. По окончании митоза, по мере деконденсации хромосом, происходит высвобождение компонентов матрикса и организация новых ядрышек. Кариоплазма – жидкая фаза ядра, где располагаются все его структуры. В ней содержится большое количество белков, образующих так называемый ядерный матрикс – они играют важную роль в поддержании общей структуры ядра и участвуют в регулировании синтеза нуклеиновых кислот. В состав кариоплазмы входят в мелкие молекулы органической в неорганической природы. |
