Органоиды клетки, их строение и функции
Пластиды – автономные органеллы растительных клеток. Существуют следующие разновидности пластид:
Пропластиды
Лейкопласты
Этиопласты
Хлоропласты
Хромопласты
Пропластиды имеются в меристематических тканях. У них внутренняя мембрана имеет лишь небольшие впячивания. Если в органеллах зрелых клеток сохраняется структура пропластид, их накзывают лейкопластами. В лейкопластах откладываются запасные вещества и названия они получают в зависимости от этих соединений:
Если крахмал – амилопласты
Жиры – элайопласты
Белки – протеинопласты
Этиопласты формируются при выращивании растения в темноте. Хлорофилл в темноте не накапливается и растение остается белым или бледно-желтым. Междоузлия становятся тонкими и длинными. Все это называется этиоляцией, а сами растения – этиолированными. Хлоропласты в листьях не образуют нормальных мембранных систем и называются в таком виде этиопластами.
При освещении этиопласты становятся хлоропластами.
Хромопласты отличаются от других пластид своеобразной формой (дисковидной, зубчатой, серповидной, треугольной, ромбической и т.д.) В пузырьках стромы они содержат кристаллические каротиноиды, которые придают им желтую, оранжевую и красную окраску. Все типы пластид родственны друг другу. Одни их виды могут превращаться в другие.
Хлоропласты имеют овальную форму . Диаметр составляет 3-4 мкм. В электронный микроскоп можно рассмотреть два вида мембран: наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует внутренние мешочки – тилакоиды. Тилакоиды лежат друг на друге, как стопки монет, образуя граны (50 тилакоидов в гране). Граны объединены друг с другом тилакоидами стромы (ламеллами). В одном хлоропласте несколько десятков гран.
Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов. Внутренняя мембрана отграничивает внутреннюю среду хлоропласта – строму (матрикс). В строме содержатся белки, липиды, ДНК (кольцевая молекула), РНК, рибосомы и запасные вещества (липиды, крахмальные и белковые зерна). Рибосомы синтезируют белки хлоропластов. ДНК хлоропластов определяют некоторые признаки растений (например, пестрый рисунок листьев бегонии). Хлоропласты размножаются делением.
Митохондрии – двумембранные органеллы. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя имеет выпячивания – кристы, которые обращены в матрикс митохондрии. На мембранах крист располагаются ферменты, участвующие в энергетическом обмене.
Кроме того, кристы разделяют внутреннюю полость митохондрии на отсеки (камеры) и резко увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны. На наружной мембране белков мало, а на внутренней – большое количество: ферментов, обеспечивающих транспорт водорода, протонов, электронов, необходимых для синтеза АТФ. Здесь происходит непоследний этап энергетического обмена.
В матриксе митохондрии (по составу близкому к цитоплазме) находятся ДНК, все типы РНК, ряд витаминов, различные включения. ДНК обусловливает генетическую автономность митохондрий. Размножаются делением. Во многих клетках митохондрии соединяются и образуют несколько комплексов (а иногда один огромный), которые называются митохондрионами. Они располагаются в клетке рядом с местами интенсивного потребления энергии: в жгутике сперматозоида, около актин-миозиновых нитей мышечных клеток и т.д.
Эндоплазматическая сеть – это система каналов, цистерн, пузырьков. Стенки каналов образованы элементарной мембраной.
На шероховатой эндоплазматической сети находятся рибосомы. Она выполняет функцию синтеза интегральных белков, некоторых белков цитоплазмы и экспортных белков.
Далее происходит накопление белков в каналах эндоплазматической сети и изоляция их от цитоплазмы (гидролитические белки). Белки направляются в другие части клетки или за ее пределы. Шероховатая эндоплазматическая сеть принимает участие в образовании ядерных мембран.
Гладкая эндоплазматическая сеть состоит из длинных узких трубчатых каналов, не связана с рибосомами. Отвечает за синтез липидов и некоторых углеводов.
Далее происходит перестройка мембран. Тонкая элементарная мембрана эндоплазматической сети превращается в более плотную иного белково-липидного состава.
Комплекс Гольджи – это система плоских дискообразных цистерн, ограниченных мембраной. Стопка цистерн – диктиосома. По краям отделяются крупные и мелкие пузырьки.
Зрелые цистерны диктиосомы отделяют пузырьки, которые заполнены секретом. Они используются клеткой или выводятся за пределы . Пузырьки обновляют цитоплазматическую мембрану.
Цистерны извлекают моносахариды из цитоплазмы и синтезируют олиго и полисахариды.
У растений: пектиновые вещества, гемицеллюлозу, целлюлозу. У животных : гликопротеины, гликолипиды, амилазу слюны, пептидные гормоны, коллаген, белки молока, желчь в печени и т.д.
В комплексе Гольджи образуются первичные лизосомы.
Лизосомы – представляют собой мешочки, окруженные одинарной мембраной (d=0,2 – 0,5 мкм). Лизосомы заполнены гидролитическими ферментами (протеазы, липазы, кислые фосфатазы). Реакция внутри лизосом кислая. Ферменты, находящиеся в лизосомах, синтезируются на шероховатой ЭПС и транспортируются в КГ. Далее от него отделяются пузырьки, которые содержат ферменты, подвергшиеся превращениям. Это первичные лизосомы. Далее первичные лизосомы могут сливаться с эндоцитозным пузырьком, образуя вторичную лизосому (пищеварительную вакуоль). Продукты переваривания поглощаются цитоплазмой клетки. Часть материала остается непереваренной. Вторичная лизосома с непереваренным материалом называется остаточным тельцем. Клетка освобождается от него путем эндоцитоза. Лизосомы играют важную роль в организме. Например, они могут участвовать в разрушении чужеродного материала, поступившего путем эндоцитоза. Это явление – гетерофагия. Автофагией называется процесс, с помощью которого уничтожают ненужные ей структуры. В этом случае старые органеллы заменяются новыми. Иногда лизосомы высвобождают свое содержимое, в результате происходит саморазрушение клетки – автолиз.
Вакуоли. Вакуоль – это мембранный мешок, который наполнен жидкостью, и стенка которого состоит из одинарной мембраны. В животных клетках содержатся небольшие вакуоли, которые являются пищеварительными, фагоцитозными, сократительными. В растительных клетках иная картина. В зрелых клетках паренхимы и колленхимы (и не только) имеется центральная большая вакуоль, которая окружена элементарной мембраной – тонопластом. Внутри содержится клеточный сок, состоящий из минеральных солей, сахаров, органических кислот, кислорода, углекислого газа, пигментов и некоторых отходов жизнедеятельности. Значение вакуолей огромно:
Вакуоли играют важную роль в поступлении воды в клетку путем осмоса. Осмотическое поглощение воды играют важную роль при растяжеии клеток во время их роста, а также в обзем водном режиме растения.
Иногда в вакуолях присутствуют пигменты – антоцианы. Они имеют красную, синюю, пурпурную окраску и некоторые родственные соединения, имеющие желтый и кремовый цвет. Эти пигменты определяют окраску цветков, плодов, почек, листьев. У листьев они обусловливают различные оттенки осенней окраски. Цвет антоцианов может изменяться в зависимости от кислотности среды: кислая – красный, нейтральная – фиолетовый, щелочная – синий. Реакция клеточного сока может меняться от сильнокислой, до слабокислой и слабощелочной, что вызывает соответствующие изменения цвета антоцианов.
В запасающих тканях растений содержатся не одна, а несколько вакуолей, в которых скапливаются запасные питательные вещества. Это жировые или белковые вакуоли. Например, алейроновые зерна – зерна запасного белка в клетках запасающих тканей семян бобовых, гречишных и других злаков.
Клеточный сок содержит фенолы – большой класс органических соединений, которые различаются своей полярностью и реакционной способностью. Например, танины. Также в вакуолярном соке встречаются алколоиды – азотсодержащие природные соединения. Например, морфин, хинин. В вакуолях может накапливаться латекс (млечный сок растений). Иногда у растений в вакуолях содержатся гидролитические ферменты, и тогда при жизни клетки вакуоли действуют как лизосомы.
Рибосомы – сферические гранулы, диаметром 15 – 35 нм. Состоит из двух нуклеопротеидных субъединиц, из равных количеств белка и РНК. Они имеют разную форму, химическое строение, разную величину. Удерживаются вместе благодаря ионам магния. Обнаружены в клетках всех организмов, а также и у прокариот. Располагаются свободно в цитоплазме, прикрепляются к наружной поверхности мембраны ядра, ЭПС, в митохондриях и хлоропластах. Рибосома защищает иРНК и синтезируемый белок от различных разрушающих ферментов: РНК-азы, протеазы. Начальная часть синтезированного белка находится в каналоподобной структуре.
Центриоли образуют клеточный центр и представляют собой полые цилиндры длиной не более 0,5 мкм. Располагаются парами перпендикулярно друг другу. Накануне деления в клетке содержится две пары центриолей. Центриоли состоят из девяти пар микротрубочек. Основное свойство – участие в делении клетки – центриоли служат центрами образования веретена деления. В клетке центриоли располагаются вблизи ядра. Во время деления клеток (в профазе) одна центриоль отходит к одному полюсу клетки, вторая – к другому, определяя таким образом положение полюсов. Затем от центриолей отходят нити веретена деления и прикрепляются к центромерам хромосом. В анафазе эти нити притягивают хромосомы к полюсам клетки. После окончания деления центриоли остаются по одной в дочерних клетках, удваиваются и образуют клеточные центры.
Базальные тельца по структуре идентичны центриолям. Обнаружены в основании ресничек и жгутиков. Образуются, вероятно, путем удвоения центриолей. Являются центрами организации микротрубочек, входящих в состав жгутиков и ресничек.
Реснички и жгутики – специализированные органоиды, представляющие собой цитоплазматические выросты. Они отвечают за передвижение либо всего организма (протисты, ресничные черви), либо жидкостей или частиц (носовая полость, трахея, яйцевод и т.д.)
Состоят из 20 микротрубочек: 9 пар периферических и 2 центральных. У основания – базальное тельце. Длина у жгутиков – 100 мкм и более. Если длина 10 -20 мкм, то это реснички. Скольжение микротрубочек вызывает биение жгутиков и ресничек, что обеспечивает перемещение клеток.
Строение и функции клеточного ядра. Ядро является одним из важнейших компонентов клетки. Оно было открыто в 1831 г. Р. Броуном. Ядро – обязательный компонент всех клеток растений и животных, за исключением предъядерных (бактерий, цианобактерий) и доклеточных (вирусы, фаги) организмов. У большинства клеток форма ядра шаровидная, но также встречаются ядра кольцевидные, палочковидные, веретеновидные, бобовидные, сегментированные и др. У молодых клеток ядро расположено в центре, у зрелых может смещаться в сторону. Размеры ядра от 3 до 25 мкм. Самое крупное ядро у яйцеклетки. Обычно в клетке имеется одно ядро, но иногда бывает и два, например, некоторые нейроны, клетки печени, костного мозга, мышц, соединительной ткани у животных, стенки пыльников у растений.
Ядро окружено ядерной оболочкой. Она образуется за счет расширения и слияния друг с другом цистерн ЭПС. Ядерная оболочка образована двумя мембранами, между которыми находится перинуклеарное пространство. Ширина его 20 – 50 нм. Оно сохраняет способность сообщаться с ЭПС. Наружная поверхность ядерной мембраны часто бывает покрыта рибосомами.
При слиянии в некоторых местах наружной и внутренней мембраны образуется пора. Она имеет сложное строение и не имеет открытого просвета. Отверстие закрыто диафрагмой. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц. Поры составляют 25% от поверхности ядра. Количество пор у одного ядра – 3000 – 4000. Число пор может меняться в зависимости от активности процессов в клетке. Через поры из ядра в цитоплазму выходят молекулы иРНК, тРНК, субъединицы рибосом, а в ядро – нуклеотиды, белки, ферменты, АТФ, вода, ионы. Внутреннее содержимое ядра (нуклеоплазма) находится в состоянии коллоида. Представляет собой раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, ферментов, минеральных солей. Нуклеоплазма заполняет пространство между ядерными органеллами и участвует в транспорте веществ, нуклеиновых кислот, субъединиц рибосом.
Хроматин – это глыбки, гранулы, сетевидные структуры ядра, отличаются по форме от ядрышек. Существует две разновидности хроматина:
Гетерохроматин – подвержен окрашиванию (гранулы разм. 10 – 15 нм)
Эухроматин – остается светлым после окрашивания (фибриллярные структуры толщиной 5 нм)
Гетерохроматин располагается вблизи внутренней поверхности ядра и вокруг ядрышек, а эухроматин располагается между гетерохроматином. Основу хроматина составляют нуклеопротеины , т.е. ДНК, упакованная различными белками (гистонами).
Ядрышки – плотные округлые тельца, погруженные в ядерный сок. В ядрах разных клеток, а также в ядре одной и той же клетки в зависимости от ее функционального состояния количество ядрышек колеблется от 1 до 5-7 и более. Ядрышки синтезируются на определенных участках хромосом, ответственных за синтез рРНК. Ими обладают не все хромосомы. Эти участки называются ядрышковыми организаторами. Они образуют петли. Верхушки петель разных хромосом притягиваются друг к другу и встречаются. Так образуется ядрышко. Ядрышки есть только в неделящихся клетках. Во время деления они исчезают, а после деления появляются вновь. Т.е. они не являются постоянными компонентами клетки, а также не являются самостоятельными структурами ядра. Кроме этого в ядрышке формируются рибосомы, которые потом перемещаются в цитоплазму.
Хромосомы. Представляют собой двойные цепи ДНК, окруженные сложной системой белков. У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка, центромера, которая делит хромосому на два плеча. Этот участок является утонченным и неспирализованным. Центромера регулирует движение хромосом при клеточном делении. К ней прикрепляется нить веретена, разводящая хромосомы к полюсам. Расположение центромеры определяет 3 основных вида хромосом:
Равноплечие
Неравноплечие
Палочковидные
Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, не связанную с прикреплением нити веретена деления. Этот участок и есть ядрышковый организатор.
Кариотип и его видовая специфичность. Количество хромосом во всех клетках организма в течение всей жизни от рождения и до смерти строго постоянно. Совокупность хромосом соматической клетки, характерной для данной систематической группы животных или растений, называется кариотипом.
Нормальный кариотип человека включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом ( либо ХХ, либо ХУ).
Количество хромосом в кариотипе не связано с уровнем организации животных и растений. Примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные.