Практическая работа № 2 строение растительной клетки

Цель работы: изучить строение растительной клетки

на примере эпидермы сочной чешуи лука.

Теоретические положения

Клетка - основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов (табл. П.1.1).

Термин «клетка» был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г.

Основные положения клеточной теории сформулированы ботаником Матиасом Шлейденом (1838 г.) и зоологом-физиологом Теодором Шванном (1839 г.):

• все организмы состоят из одинаковых структурных единиц - клеток;

• клетки растений и животных сходны по строению, образуются и растут по одним и тем же законам.

Изучение клетки с помощью новейших физических и химических методов исследования позволило сформулировать основные положения современной клеточной теории:

• все живые организмы состоят из клеток; клетка — единица строения, функционирования, размножения и индивидуального развития живых организмов; вне клетки нет жизни.

• клетки всех организмов сходны между собой по строению и химическому составу;

• на современном этапе развития живого клетки не могут образовываться из неклеточного вещества; они появляются только из ранее существовавших клеток путем деления;

• клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства происхождения.

Современное определение клетки следующее: клетка — это открытая, ограниченная активной мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Есть и другое определение клетки. Клетка - это возникшая в результате эволюции открытая биологическая система, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящая из ядра и цитоплазмы, способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

Среди растений есть виды, представленные одной клеткой (водоросли), однако большинство являются многоклеточными организмами. Строение клеток разнообразно и зависит от выполняемых ими функций. В типичном случае растительная клетка состоит из протопласта (живого содержимого) и окружающей его оболочки – клеточной стенки.

Общий план строения растительной клетки приведен на рис. 2, 3.

Рис. 2. Общий план строения растительной клетки

Протопласт можно подразделить на цитоплазму и ядро. Цитоплазма – внутреннее содержимое клетки, состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органелл и включений. Гиалоплазма – основное вещество цитоплазмы, заполняющее пространство между клеточными органеллами.

Гиалоплазма содержит около 90 % воды и различные белки, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, ионы неорганических соединений, другие вещества. В гиалоплазме протекают ферментативные реакции, метаболические процессы (гликолиз), синтез амино- и жирных кислот.

Рис. 3. Схема строения растительной клетки: 1 - ядро; 2 - ядрышко; 3 - хроматин;

4 - гладкая ЭПС; 5 - плазматическая мембрана; 6 - гиалоплазма; 7 - аппарат Гольджи;

8 - пузырьки Гольджи; 9 - центральная вакуоль; 10 - митохондрия; 11 - хлоропласты;

12 - рибосомы на мембранах шероховатой ЭПС; 13 -шероховатая ЭПС;

14 - свободные рибосомы, рассеянные в гиалоплазме;

15 - клеточные стенки соседних клеток

Органоиды – это структурно-функциональные единицы цитоплазмы. В клетке выделяют три типа органоидов: немембранные, одномембранные и двумембранные.

Рибосомы относят к немембранным органоидам. Они состоят из РНК и белков, образующих большую и малую субъединицы. Рибосомы могут располагаться в гиалоплазме, на мембранах эндоплазматической сети (ЭПС), в митохондриях и пластидах. Каждая клетка содержит десятки тысяч или миллионы рибосом. Их основная функция - синтез белка.

К одномембранным органоидам относятся плазматическая мембрана, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы.

Плазматическая мембрана является наружной поверхностной мембраной цитоплазмы. Она плотно прилегает к оболочке и ограничивает живое содержимое клетки от окружающей среды. Плазматическая мембрана хорошо проницаема для воды, которая проникает в клетку путем диффузии. Для крупных молекул она обычно непроницаема (барьерная функция). Мелкие молекулы и ионы проходят через плазматическую мембрану с разной скоростью, поскольку она ограничивает их свободную диффузию и часто осуществляет перенос (транспортная функция). Кроме того, она выполняет функции синтеза молекул целлюлозы клеточной оболочки.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) представляет собой систему канальцев, пронизывающих цитоплазму, соединенных друг с другом и ограниченных одинарной мембраной. Различают два типа ЭПС – шероховатую и гладкую. Шероховатая ЭПС несет на своих мембранах прикрепленные рибосомы и выполняет функции синтеза и транспорта белков, а также участвует в образовании вакуолей.

Гладкая ЭПС лишена рибосом, имеет вид узких трубочек, пузырьков, цистерн. Основная функция - синтез жироподобных веществ и их транспорт. Хорошо развита в клетках, синтезирующих эфирные масла, смолы, каучук.

Аппарат Гольджи состоит из плоских мешочков, ограниченных мембраной, и пузырьков. Мешочки собраны в стопки и иногда могут переходить по краям в систему тонких ветвящихся трубочек, заканчивающихся пузырьками. В нижней части стопки происходит отчленение пузырьков Гольджи. Аппарат Гольджи осуществляет синтез и транспорт полисахаридов клеточной оболочки, принимает участие в росте и обновлении плазматической мембраны, транспорте белков, образовании вакуолей.

Вакуоли содержатся почти во всех растительных клетках. Они могут быть мелкими и крупными. Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной, называемой тонопластом. Центральные вакуоли образуются из мелких пузырьков, отщепляющихся от эндоплазматической сети. Полость вакуоли заполнена клеточным соком, представляющим собой водный раствор, в котором присутствуют различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и другие вещества.

В вакуолях запасается вода, необходимая для фотосинтеза, питательные вещества (белки, сахара и др.) и продукты обмена веществ, предназначенные для выведения из клетки. В вакуолях откладываются пигменты, например, антоцианы, определяющие окраску.

Лизосомы представляют собой мелкие вакуоли. Они содержат ферменты и выполняют функцию разрушения (переваривания) отдельных участков цитоплазмы собственной клетки.

К двумембранным органеллам относят митохондрии и пластиды.

Митохондрии имеют сходное строение у животных и растений. Снаружи они ограничены оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная мембрана контролирует обмен веществ между митохондрией и цитоплазмой. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты в полость митохондрии, называемые кристами. Пространство между кристами заполнено матриксом, в котором встречаются рибосомы, нити ДНК.

Основная функция митохондрий - синтез АТФ (аденозинтрифосфат) из АДФ (аденозиндифосфат), т.е. обеспечение энергетических потребностей клетки. Синтез АТФ идет за счет окисления сахаров и протекает на внутренней мембране митохондрий, активная поверхность которой многократно увеличена за счет образования большого количества крист. Кроме того, митохондрии способны к синтезу белков, происходящему на их собственных рибосомах под контролем митохондриальной ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

Пластиды встречаются только в растительных клетках. Выделяют 3 типа пластид – хлоропласты, лейкопласты и хромопласты, которые отличаются друг от друга составом пигментов (цветом), степенью развития внутренней системы мембран и выполняемыми функциями.

Хлоропласты имеют зеленый цвет и встречаются во всех зеленых органах растения (листьях, стеблях, незрелых плодах). Они содержат зеленый пигмент хлорофилл, который существует в хлоропластах в нескольких формах. Кроме хлорофилла в них содержатся желтые и оранжевые пигменты, относящиеся к группе каротиноидов, но обычно они маскируются хлорофиллом.

Хлоропласты, как правило, имеют овальную форму и сложное строение. Это двумембранные органеллы, причем наружная мембрана является гладкой, а внутренние мембраны имеют форму плоских мешочков, называемых тилакоидами. На мембранах тилакоидов находится хлорофилл.

Тилакоиды могут располагаться одиночно, но чаще собраны в стопочки – граны. Внутренняя среда пластид называется стромой. В строме хлоропластов встречаются рибосомы, молекулы ДНК, РНК (рибонуклеиновая кислота). Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Кроме того, в них, как и в митохондриях, происходит процесс образования АТФ из АДФ. Хлоропласты способны также к синтезу и разрушению полисахаридов (крахмала), некоторых липидов, аминокислот, собственного белка.

Лейкопласты - бесцветные мелкие пластиды, встречающиеся в запасающих органах растений (клубнях, корневищах, сердцевине, семенах и т.д.). Для лейкопластов характерно слабое развитие внутренней системы мембран, представленной одиночными тилакоидами, иногда трубочками и пузырьками. Основная функция лейкопластов - синтез и накопление запасных питательных веществ, в первую очередь крахмала, иногда белков.

Пластиды, окрашенные в желтые, оранжевые, красные цвета, носят название хромопластов. Их можно встретить в лепестках (лютик, одуванчик, тюльпан), корнеплодах (морковь, кормовая свекла), в зрелых плодах (томат, роза, рябина, хурма) и осенних листьях. Яркий цвет хромопластов обусловлен наличием каротиноидов. Внутренняя система мембран в данном типе пластид, как правило, отсутствует. Хромопласты имеют косвенное биологическое значение - яркая окраска лепестков и плодов привлекает опылителей и распространителей плодов.

Ядро представляет собой обязательный органоид живой клетки. Оно всегда располагается в цитоплазме. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. Содержимое неделящегося ядра составляют нуклеоплазма и погруженные в нее ядрышки и хроматин.

Ядрышки – сферические, довольно плотные тельца, состоящие из рибосомальной РНК, белков и небольшого количества ДНК. В ядре содержатся 1-2, иногда несколько ядрышек. Их основная функция – синтез рибосомальной РНК и образование предшественников рибосом.

Хроматин содержит почти всю ДНК ядра. В неделящемся ядре он имеет вид длинных тонких нитей, представляющих двойную спираль ДНК и закрученных в виде рыхлых спиралей более высокого порядка. ДНК связана с белками-гистонами, располагающимися подобно бусинкам на нити ДНК. Хроматин содержит генетическую информацию о клетке и является местом синтеза различных РНК. При делении ядра нити ДНК скручиваются и приобретают вид хромосом.

Клеточная оболочка – структурное образование на периферии клетки, придающее ей прочность, сохраняющее ее форму и защищающее протопласт. Оболочка, как правило, бесцветна и прозрачна, легко пропускает солнечный свет. По ней может передвигаться вода с растворенными низкомолекулярными веществами.

Скелетным веществом оболочки клеток высших растений является целлюлоза. Молекулы целлюлозы, представляющие собой очень длинные цепи, собраны по нескольку десятков в группы – микрофибриллы. В микрофибриллах молекулы располагаются параллельно друг другу и сшиты между собой многочисленными водородными связями. Они обладают эластичностью, высокой прочностью и создают структурный каркас оболочки.

Микрофибриллы целлюлозы погружены в аморфный матрикс оболочки, состоящий из полисахаридов (гемицеллюлоз и пектиновых веществ), молекулы которых значительно короче молекул целлюлозы. Их цепи располагаются в оболочке достаточно упорядоченно и образуют многочисленные поперечные (ковалентные) связи как друг с другом, так и с целлюлозными микрофибриллами. Эти связи значительно повышают прочность клеточной оболочки. В зависимости от типа ткани, в состав которой входит клетка, в матриксе оболочки могут быть и другие органические (лигнин, кутин, суберин, воск) и неорганические (кремнезем, оксалат кальция) вещества.

Различают первичную и вторичную клеточные оболочки. Делящиеся и молодые растущие клетки, реже клетки постоянных тканей имеют тонкую первичную оболочку. Вторичная клеточная оболочка образуется по достижении клеткой окончательного размера и накладывается слоями на первичную со стороны протопласта. Она обычно трехслойная, с большим содержанием целлюлозы. Для многих клеток (сосуды, трахеиды, механические волокна, клетки пробки) образование вторичной оболочки является основным моментом их развития. Протопласт при этом отмирает, и основную функцию клетки выполняют за счет мощной вторичной оболочки.

В живой клетке обнаружено около 60 химических элементов периодической системы элементов Менделеева. В клетке содержатся те же химические элементы, что и в неживой природе, а это свидетельствует о единстве органического и неорганического мира. Входящие в состав клетки химические элементы можно разделить на три группы (табл. 1).

Таблица 1

Содержание в клетке химических элементов

Элементы I группы	Содержание, %	Элементы II группы	Содержание, %	Элементы III группы	Содержание, %
Кислород	65,00-75,00	Калий	0,15-0,40	Цинк	0,0003
Углерод	15,00-18,00	Сера	0,15-0,20	Медь	0,0002
Водород	8,00-10,00	Фосфор	0,20-1,00	Иод	0,0001
Азот	1,50-30,00	Хлор	0,05-0,10	Фтор	0,0001
		Магний	0,02-0,03
		Натрий	0,02-0,03
		Кальций	0,04-2,00
		Железо	0,01-0,015

По химическому составу входящие в клетку вещества делятся на неорганические (встречаются и в неживой природе) и органические, характерные для живых организмов (рис. 4).

Рис. 4. Схема химического состава клетки

Литература: [1, гл. 2, §2.1, 2.2]; [2, гл. 3, §3.1-3.4]; [3, гл. 2, §2.2, 2.3].