Охарактеризуйте особенности строения растительной клетки – Напиши названия видов пластид, охарактеризуйте особенности строения растительной клетки

Таким образом, к 30-м гг. XIX в. уже имелись вполне конкретные представления о строении клетки и в различной форме высказывались предположения, что клетка является основой организации растений и животных. Особенно четко это было сформулировано в клеточной теории, которую Ф. Энгельс наряду с законом превращения энергии и эволюционной теорией Ч. Дарвина назвал одним из трех великих открытий XIX в. Основная заслуга оформления клеточной теории принадлежит Т. Шванну (1839), который использовал собственные данные, а также результаты исследований М. Шлейдена и других ученых.

Единство клеточного строения животных и растительных организмов находит подтверждение не только в сходстве строения различных клеток, но, прежде всего, в сходстве их химического состава и метаболических процессов.

Однако, несмотря на наличие общих закономерностей в строении растительных и животных клеток, клетки высших растений имеют ряд специфических особенностей. К таким особенностям относятся наличие прочной клеточной оболочки, наличие пластид и вакуолей.

Клеточная оболочка растительных клеток представляет собой сложное образование, расположенное над плазмалеммой – полупроницаемой мембраной, которая ограничивает цитоплазму клетки и отделяет ее от клеточной оболочки.

Клеточная оболочка – типичный компонент растительной клетки. Благодаря наличию прочной клеточной оболочки сохраняется определенная форма клеток, а протопласт клетки оказывается надежно защищенным.

Оболочка растительной клетки имеет двухкомпонентную структуру. Она состоит из кристаллической основы и матрикса. Скелетную, или кристаллическую, основу клеточной оболочки составляет целлюлоза, или клетчатка. Матрикс состоит из гемицеллюлоз, пектиновых веществ, особого структурного белка (экстенсина) и представляет собой насыщенный водой пластичный гель.

Целлюлоза – основной опорный полисахарид клеточных оболочек растений. В химическом отношении она представляет собой β-1,4-D-глюкан с эмпирической формулой (C₆H₁₀O₅)_n. Молекулы целлюлозы состоят из остатков D-глюкозы, соединенных β-1,4 гликозидными связями. Количество остатков глюкозы в молекулах целлюлозы варьирует в широких пределах (от 300–500 в вискозных волокнах до 10 000–14 000 в лубяных волокнах), что определяет степень полимеризации ее молекул. Макромолекулы целлюлозы – линейные неразветвленные цепи, которые могут достигать в длину нескольких микрометров, но имеют в толщину всего около 8 нм, что делает их невидимыми даже в электронный микроскоп. Благодаря высокой степени полимеризации молекул целлюлоза не растворяется в воде, органических растворителях, а также в слабых растворах кислот и щелочей.

В оболочке растительной клетки молекулы целлюлозы составляют сложные аггрегации. Приблизительно 40–60 макромолекул целлюлозы, располагаясь параллельными тяжами, образуют мицеллы. Молекулы целлюлозы в мицеллах связаны таким образом, что формируют кристаллоподобные структуры. Благодаря этому для мицелл (часто говорят, для клеточной оболочки) характерно свойство анизотропии, что обеспечивает двойное лучепреломление. Существование мицелл установлено с помощью рентгеноструктурного анализа.

Мицеллы образуют микрофибриллы, или мицеллярные пучки. В состав каждой микрофибриллы входит около 160 мицелл. Толщина микрофибрилл 35–100 нм, а длина достигает 500–600 нм. Несколько сотен микрофибрилл составляют фибриллы. Фибриллы – довольно толстые образования диаметром от 300 до 1500 нм, что позволяет их видеть с помощью светового микроскопа.

Фибриллы погружены в матрикс. Основу матрикса клеточной оболочки составляют гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Гемицеллюлозы – группа полисахаридов, молекулы которых образованы остатками различных сахаров. Чаще всего они представлены остатками молекул гексозных сахаров (глюкоза, галактоза, моноза, фруктоза) и имеют эмпирическую формулу аналогичную формуле глюкозы – (C₆ H₁₀O₅)_n. Однако в отличие от молекул целлюлозы молекулы таких гемицеллюлоз (гексозанов) менее полимеризированы, они включают не более 200 (от 50 до 200) моносахаридных остатков. Гемицеллюлозы могут быть образованы также остатками пентозных (рибоза, арабиноза) сахаров (пентозаны) и тогда их формула (C₅H₈O₄)_n. Молекулы гемицеллюлоз могут быть линейными или разветвленными. Особенности строения гемицеллюлоз отражается на их химических и физических особенностях. В отличие от целлюлозы, которая не способна впитывать воду, гемицеллюлозы способны набухать в воде, но, как и целлюлоза, не растворяются в ней и органических растворителях. В то же время гемицеллюлозы растворяются в слабых растворах щелочей и легко гидролизуются в кислотах.

Пектиновые вещества – кислые высокомолекулярные полисахариды растений. По химической природе пектиновые вещества представляют собой неразветвленные полимеры галактуроновой кислоты, в которой часть карбоксильных групп этерифицирована метиловым спиртом. В состав пектиновых веществ входят также нейтральные моносахариды – галактоза, рамноза, арабиноза, ксилоза. Пектиновые вещества, входящие в состав матрикса клеточной оболочки, способны сильно набухать в воде и образовывать гель. Некоторые из пектиновых веществ могут растворяться в воде, кроме того, они легко разрушаются под действием кислот и щелочей.

Полисахариды матрикса не просто заполняют промежутки между мицеллами целлюлозы. Они располагаются в оболочке клетки довольно упорядоченно и образуют многочисленные ковалентные или водородные связи как друг с другом, так и с микрофибриллами.

Образование клеточной оболочки связано с делением клетки (цитокинезом). В конце телофазы митоза в экваториальной зоне делящейся клетки между нитями ахроматинового веретена (веретена деления, митотического веретена) образуется фрагмопласт. Впервые эту структуру обнаружил и описал немецкий ботаник Л. Еррера в 1888 г. и указал, что она имеет бочонковидную форму и состоит из фибрилл. В настоящее время установлено, что фрагмопласт представляет собой систему микротрубочек. Микротрубочки – это лишенные мембраны органеллы, представляющие собой цилиндрические образования диаметром около 24 нм, длина которых может достигать нескольких микрометров. В центре микротрубочка имеет полость, а ее стенка образована 13 рядами димерных комплексов глобулярных белков – тубулинов. Микротрубочки располагаются преимущественно в периферических слоях цитоплазмы. При делении клетки веретено деления и фрагмопласт оказываются тесно связанными друг с другом благодаря наличию в них общих микротрубочек. Фрагмопласт обнаружен у всех высших растений и зеленых водорослей, за исключением представителей класса Chlorophyceae.

Разделение материнской клетки на две дочерние начинается с формирования клеточной пластинки, в образовании которой принимают участие диктиосомы. Совокупность всех диктиосом составляет комплекс Гольджи (аппарат Гольджи). Диктиосомы – это одномембранные органеллы, состоящие из плоских округлых цистерн. В состав диктиосом растений входит от двух до семи (реже больше) цистерн, расположенных одна над другой в виде стопки. Между отдельными цистернами стопки имеются небольшие промежутки, заполненные фибриллярными и трубчатыми элементами, функция которых неизвестна. Диктиосомы выполняют секреторную функцию. В них происходит энергичное образование пузырьков (пузырьки Гольджи, тельца Гольджи), в которых содержатся секретируемые вещества – полисахариды или полисахаридно-белковые комплексы, обладающие высокой вязкостью. Вязкость содержимого пузырьков Гольджи объясняется наличием большого количества пектиновых веществ, за что их часто называют пектиновыми пузырьками.

Пектиновые пузырьки мигрируют в область фрагмопласта, выстраиваются в горизонтальном направлении в его центральной части, сливаются и начинают формировать клеточную пластинку. На первых стадиях развития клеточная пластинка закладывается в виде диска в центральной части фрагмопласта. Пектиновые пузырьки неплотно прилегают друг к другу. При слиянии пузырьков в клеточной пластинке остаются небольшие промежутки – плазмодесменные каналы, выстланные плазмалеммой. В них проходят плазмодесмы – мельчайшие цитоплазматические тяжи, соединяющие протопласты дочерних клеток. Постепенно, по мере того как в центральной части фрагмопласта микротрубочки исчезают, на его периферических концах появляются новые и фрагмопласт расширяется, направляясь к стенкам делящейся материнской клетки. Вместе с ним расширяется и клеточная пластинка, формирование которой идет от центра к периферии. Когда клеточная пластинка достигнет оболочки делящейся клетки, процесс деления фактически завершается. Образовавшиеся дочерние клетки должны достичь определенных размеров (вырасти) и сформировать собственные оболочки.

В образовании клеточной оболочки принимают участие комплекс Гольджи и плазмалемма клетки. В период роста клетки формируется первичная клеточная оболочка. На первых этапах развития оболочка дочерних клеток состоит из остатков оболочки материнской клетки и участков вновь образующейся первичной клеточной оболочки. Первичная клеточная оболочка начинает формироваться между клеточной пластинкой и плазмалеммой. Как полагают, гемицеллюлозы и пектиновые вещества доставляются к месту синтеза оболочки пузырьками Гольджи, а образование целлюлозы связано с деятельностью плазмалеммы. Первичная клеточная оболочка довольно пластичная. В ее состав входит около 15% целлюлозы, остальная часть приходится на долю матричных компонентов. Встраивание молекул целлюлозы в клеточную оболочку может происходить двумя способами: путем интуссусцепции и путем аппозиции. При интуссусцепции новые молекулы целлюлозы внедряются между уже встроившимися в оболочку молекулами. При оппозиции новые молекулы целлюлозы накладываются изнутри на уже отложенные элементы клеточной оболочки. В первичной клеточной оболочке, как и в клеточной пластинке, есть участки, через которые проходят плазмодесмы. Эти участки первичной клеточной оболочки, пронизанные плазмодесмами и более тонкие, чем остальные, называются первичными поровыми полями.

Так как в первичной клеточной оболочке преобладают гемицеллюлозы и пектиновые вещества, содержится много воды, а молекулы целлюлозы расположены неупорядоченно, оболочка способна растягиваться, а клетка может расти как в длину, так и в ширину.

Характер роста определяет будущие морфологические особенности сформированной клетки. Если клетка более или менее равномерно разрастается в длину и ширину, она становится изодиаметричной (с равными продольным и поперечным диаметром) или таблитчатой (один из диаметров не более чем в два раза, превышает другой). Такие клетки называются паренхимными. Если длина значительно превышает ширину, клетки называются прозенхимными.

Первичные клеточные оболочки характерны для клеток меристемы, для молодых растущих клеток, а также для клеток некоторых постоянных тканей.

У большинства клеток, достигших своих предельных размеров и прекративших рост, над первичной клеточной оболочкой путем аппозиции начинает формироваться вторичная клеточная оболочка. В состав вторичной клеточной оболочки входят те же компоненты, что и в состав первичной, но соотношение полисахаридов в ней иное. Большая часть (до 60 %) приходится на долю целлюлозы, а во вторичных оболочках лубяных волокон льна содержание целлюлозы может достигать 95 %. Кроме того, увеличивается степень полимеризации ее молекул, упорядочивается расположение микрофибрилл в матриксе. Объем матрикса и количество воды значительно уменьшается, но связи между компонентами вторичной клеточной оболочки усиливаются.

Для вторичной оболочки характерна слоистость. Она возникает в процессе ее формирования и связана с расположением в ней микрофибрилл целлюлозы. Наиболее часто вторичная оболочка состоит из трех слоев, которые различаются ориентацией микрофибрилл. В каждом слое микрофибриллы располагаются строго параллельно друг другу, но угол наклона микрофибрилл в каждом слое по отношению к предыдущему меняется. Вторичная клеточная оболочка не сплошная. В тех местах, где в первичной оболочке были сформированы первичные поровые поля, вторичная оболочка прерывается. Перерыв во вторичной клеточной оболочке, расположенный над первичным поровым полем, называется порой. Поры в соседних клетках образуются одна против другой, т. е., возникает пара пор. Эти поры соединяются поровыми каналами. Поры бывают простыми и окаймленными.

В процессе жизнедеятельности растения вторичная клеточная оболочка может претерпевать вторичные изменения: одревеснение, опробковение, кутинизацию, минерализацию, ослизнение.

Одревеснение, или лигнификация (от лат. lignum – древесина), – процесс, связанный с отложением в матриксе вторичной клеточной оболочки лигнина – сложного полимерного соединения, химическое строение которого окончательно не установлено. Лигнин – один из важнейших компонентов вторичных клеточных оболочек – образуется только в оболочках клеток высших растений (за исключением мохообразных). Он откладывается в матриксе оболочки некоторых специализированных клеток (склеренхимы, трахеид, члеников сосудов) между микрофибриллами и значительно повышает ее прочность. В то же время лигнин делает оболочку не способной пропускать воду с растворенными в ней минеральными веществами, нарушает газообмен и, в конечном счете, способствует отмиранию живого содержимого клетки. Одревесневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона.

Из жироподобных веществ во вторичных оболочках клеток некоторых тканей (феллемы, эндодермы) откладывается суберин (от лат. suber – пробка). Суберин не растворяется в органических и неорганических растворителях, в кислотах, но разрушается в концентрированных щелочах. Суберин может откладываться в клеточной оболочке в виде отдельных пластинок или в виде сплошного слоя. В последнем случае протопласт оказывается в полной изоляции от внешней и внутренней среды и отмирает.

По химической природе к суберину близки гидрофобные полимеры кутин и воск. Кутин откладывается на поверхности клеточной оболочки, образуя тонкую пленку – кутикулу. Кутикула выполняет защитную функцию и предохраняет надземные органы растений от излишнего испарения воды.

Аналогичные функции выполняет и восковой налет, развивающийся на поверхности различных органов растения. В отличие от кутина и суберина воск растворяется в органических растворителях и легко плавится. Воск откладывается в виде аморфного или кристаллического слоя и выполняет защитную функцию. Воск может также входить в состав кутикулы, что усиливает ее барьерные свойства.

Минерализация клеточных оболочек обусловлена отложением в них кремнезема или солей кальция (оксалата, карбоната). Кремнезем в аморфном состоянии откладывается в оболочках эпидермальных клеток некоторых растений (злаков, хвощей, волосков крапивы). Оксалат и карбонат кальция могут откладываться в клеточных оболочках или образуют в клетках цистолиты и различные кристаллы.

Ослизнению оболочек способствует наличие в них большого количества гемицеллюлоз и особенно пектиновых веществ. Ослизнение сопровождается связыванием большого количества воды, что приводит к образованию на поверхности слизей, представляющих собой смесь полисахаридов и их производных. Ослизнение носит приспособительный характер. В одних случаях оно помогает растению пережить засушливый период и повышает жизнеспособность растений пустыни, в других – способствует размножению, так как семена с ослизнившейся оболочкой надежно прикрепляются к субстрату и быстро прорастают.

Таким образом, оболочка растительной клетки высших растений представляет собой сложную многофункциональную структуру, которая изменяется в зависимости от возраста, функциональных особенностей клетки и видовой специфики растения.

Для растительной клетки обязательными органеллами являются пластиды (от греч. plastos – вылепленный, оформленный). Пластиды высших растений – двумембранные органеллы, имеющие в зависимости от типа различную форму. У водорослей встречается только один тип пластид – хроматофоры. У высших растений различают три типа пластид – хлоропласты (от греч. chloros – зеленый и – plastos), хромопласты (от греч. chroma – краска, цвет и plastos) и лейкопласты (от греч. leicos – белый и plastos). Название пластид дано в соответствии с их окраской: хлоропласты – зеленые пластиды, хромопласты – оранжево-красные и лейкопласты – бесцветные. Окраска пластид зависит от пигментов, которые имеются в пластиде. В хлоропластах высших растений содержатся зеленые пигменты – хлорофиллы «а» и «b», а также каротиноиды – каротин (оранжевый) и ксантофил (желтый) пигменты. В хромопластах накапливаются каротиноиды, лейкопласты пигментов не содержат.

Субмикроскопическая структура всех пластид сходна. Двумембранная агрануллярная оболочка окружает строму, бесцветную белковую основу пластид, в которую погружена упорядоченная система мембран (тилакоидов) – носителей пигментов. Кроме того, в строме имеются рибосомы, ДНК, ферменты, осуществляющие синтез и гидролиз запасных веществ, и другие компоненты. В пластидах происходит первичный и вторичный синтез органических веществ, а также их накопление.

Число пластид в клетках разных растений (15–50) и их размеры (3–10 мкм) значительно варьируют. Форма пластид также различна, она зависит, в первую очередь, от субмикроскопической структуры, которая определяется количеством и характером расположения тилакоидов.

Самое сложное субмикроскопическое строение характерно для хлоропластов. Хлоропласты высших растений имеют однотипную округло-линзовидную или эллиптическую форму. Эта форма поддерживается благодаря системе строго упорядоченных внутренних мембран – тилакоидов, погруженных в строму. Тилакоиды образуются из внутренней мембраны оболочки хлоропласта и представляют собой уплощенные мешковидные или дисковидные структуры. В строме хлоропласта дисковидные тилакоиды располагаются друг над другом в виде стопки монет и образуют граны. В хлоропластах высших растений формируется от 40 до 60 или более гран. Тилакоиды в гранах связаны друг с другом, а отдельные граны соединены одиночными тилакоидами – фретами. Основная функция хлоропластов – процесс фотосинтеза.

В отличие от хлоропластов в строме хромопластов или вообще нет тилакоидов, или образуются единичные тилакоиды. Вследствие отсутствия сложной субмикроскопической организации хромопласты могут менять свою форму. Форма хромопласта во многом определяется тем, в каком состоянии откладываются в них пигменты. Каротиноиды могут растворяться в липидах и накапливаться в пластоглобулах – сферических включениях жирных масел, в которых растворены каротиноиды. В этом случае хромопласты имеют более – менее определенную форму: округлую, палочковидную, эллиптическую, серповидную. Если каротиноиды накапливаются в белковых фибриллах или откладываются в виде кристаллов, хромопласты приобретают различную форму, так как их оболочка плотно облегает сформированную структуру. Функция хромопластов – синтез и накопление каротиноидов.

Лейкопласты – самые мелкие из пластид, обычно образуются в подземных органах растений, реже в клетках эпидермиса. Внутренняя мембрана оболочки лейкопласта образует небольшое количество одиночно расположенных тилакоидов. Форма лейкопластов чаще всего сферическая, но может быть и иной. В лейкопластах имеются ДНК, рибосомы, ферменты, осуществляющие синтез и гидролиз запасных веществ, что определяет их функции. В лейкопластах осуществляется накопление или вторичный синтез углеводов, белков и жиров. Лейкопласты, содержащие крахмал, называются амилопластами. Амилопласты в большом количестве находятся в корневищах, клубнях, в запасающих тканях семян и т. д. Лейкопласты, в которых накапливаются или вторично синтезируются белки, называются протеопластами. Протеопласты встречаются в эпидермисе листьев представителей семейства Комелиновые (традесканция, зебрина, сеткреазия и др.), в оболочке пыльцевых зерен растений из семейства Ластовневые (ластовень, ваточник). Элайопласты, или олеопласты, – лейкопласты, накапливающие жиры, характерны для многих представителей класса Однодольные. Они могут находиться в эпидермисе листьев (семейство Орхидные), в листочках околоцветника (птицемлечник из сем. Лилейные), стенках завязи (функия из сем. Лилейные).

Все пластиды генетически связаны между собой. Они формируются из пропластид, бесцветных образований, ограниченных двумя элементарными мембранами, но не имеющими внутренней мембранной системы. Пропластиды всегда имеются в цитоплазме клетки и при делении ее передаются дочерним клеткам. Обычно в клетке встречается только один тип пластид. Совокупность всех пластид клетки называется пластидомом.

В процессе жизнедеятельности растительного организма пластиды могут менять свое строение и функцию. При разрушении внутренней структуры хлоропласты могут превращаться в хромопласты. Хромопласты могут образовываться также из лейкопластов. Хромопласты практически не могут давать начало другим типам пластид, так как это специализированные органеллы с низким, по сравнению с хлоропластами и лейкопластами, уровнем внутриструктурной организации. Хромопласты часто рассматривают как последнюю стадию организации пластид.

Вакуоли (от лат. vacuus – пустой) в растительной клетке представляют собой полости в цитоплазме, окруженные полупроницаемой мембраной – тонопластом – и заполненные клеточным соком. Основным компонентом клеточного сока является вода, в которой растворены различные вещества, представляющие собой продукты жизнедеятельности клетки. Состав клеточного сока клеток разных растений различен. В плодах, в корнеплодах сахарной свеклы, в сахарном тростнике содержится много сахаров (сахароза, глюкоза, фруктоза). Вакуоли клеток семян богаты белками, которые концентрируются там, в виде коллоидного раствора или в кристаллической форме. В клеточном соке незрелых плодов накапливаются органические кислоты: лимонная, щавелевая, янтарная, уксусная. Клеточный сок некоторых растений содержит дубильные вещества – таннины, безазотистые циклические соединения вяжущего вкуса. Много таннинов в клетках коры дуба, ивы, листьях чая, в незрелых плодах грецких орехов. Для некоторых клеток накопление таннинов – основная функция. Только у высших растений в клеточном соке могут содержаться алкалоиды – разнообразные в химическом отношении азотсодержащие вещества, гетероциклического строения, горького вкуса. Известно около 2000 алкалоидов (кофеин, атропин, никотин и др.), они находятся в клеточном соке в виде солей. В клеточном соке могут находиться гликозиды – соединения сахаров со спиртами, альдегидами, фенолами и другими веществами. К гликозидам относится и пигмент клеточного сока антоциан.

Вакуоли растительной клетки выполняют различные функции. Они регулируют водно-солевой обмен, поддерживают тургорное давление в клетке, служат местом отложения запасных веществ и выводят из процесса метаболизма токсичные вещества.

Процесс образования вакуолей в растительных клетках не вполне выяснен. Одни авторы считают, что они образуются при расширении цистерн эндоплазматического ретикулума, но есть и другие мнения. Вполне вероятно, что вакуоли могут возникать различными способами.

ТКАНИ РАСТЕНИЙ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Похожие статьи: