Цитоплазма Определение и физические свойства цитоплазмы. Химический состав цитоплазмы. Субмикроскопическая структура цитоплазмы. Эндоплазматическая сеть. Вакуоли. Плазмолиз.

Определение и физические свойства цитоплазмы. Цитоплазма (от греч. kytos — клетка, plasma — фигура) - обязательная составная часть клетки. В ней происходят сложные и разнообразные процессы синтеза, дыхания, роста, ей присущи явления раздражимости и наследственности, т. е. все те свойства, которые характеризуют жизнь.

Цитоплазма представляет собой вязкую прозрачную бесцветную массу с удельным весом 1,04—1,06. Свет преломляет чуть сильней воды. Цитоплазма упруга, эластична, с водой не смешивается. Во многих клетках можно наблюдать ее движение. Движение цитоплазмы в клетках с одной крупной центральной вакуолью круговое (циклоз), в клетках со многими вакуолями и тяжами цитоплазмы между ними - струйчатое. Ток цитоплазмы вовлекает в движение клеточные органеллы.

Химический состав цитоплазмы. Цитоплазма - сложная химическая система, состоящая из многих компонентов. В ней вода составляет 75—86%, белки — 10—20, липиды — 2— 3, углеводы— 1—2, минеральные соли -1%. Это суммарный и приблизительный состав цитоплазмы, который не отражает сложности ее химической структуры.

Важную биологическую роль в цитоплазме играют полимерные соединения — белки и нуклеиновые кислоты.

Роль белков как материальной основы жизни была отмечена еще в XIX в. «Жизнь,— писал Ф. Энгельс,— есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Почему именно с белками связано существование жизни? Какими свойствами белков объясняется их высокая физиологическая активность?

Белки — соединения полимерные. Элементарной структурной единицей белковой молекулы являются аминокислоты — производные органических кислот, в которых один атом водорода при углероде, ближайшем к карбоксильной группе, замещен аминной группой NH₂. Например, аминокислота глицин Н₂N— СН₂ — СООН, аминокислота аланин СН₃ — СН (NH₂) — СООН. Общая формула аминокислот такова: NH₂ — СН-R—СООН, где R обозначает боковую цепь, радикал.

Таким образом, аминокислоты — соединения амфотерные. Они содержат кислотную и основную группу и потому могут реагировать и как кислоты, и как основания. Соединение аминокислот в молекуле белка осуществляется при помощи пептидной связи таким образом, что аминная группа одной кислоты реагирует с карбоксильной группой, другой с выделением молекулы воды. Взаимодействуя друг с другом одновременно на двух полюсах (кислотном и щелочном), аминокислоты образуют длинные цепочки — полипептиды.

Полипептидные цепочки такого рода составляют основу белковой молекулы, его первичную структуру. От последовательности сочетаний аминокислот в молекуле зависят специфические свойства белка. Молекула белка не линейно вытянута, а закручивается в спираль с более или менее плотными витками. Спираль в свою очередь образует рыхлый клубок. Так складывается вторичная и третичная структура белковой молекулы. Ассоциация белковых субъединиц дает четвертичную структуру, которая свойственна лишь некоторым белкам. В большинстве случаев эти субъединицы представляют собой отдельные полипептидные цепи. Молекула гемоглобина например, состоит из четырех субъединиц,

По форме молекулы различают глобулярные и фибриллярные белки. Первые имеют эллипсовидную, редко шаровидную, молекулу, вторые — нитевидную. Глобулярные белки в природе преобладают. Именно они выступают носителями физиологической активности. Фибриллярные белки выполняют структурную, защитную, двигательную и другие функции.

Физиологическая активность белков объясняется их особыми свойствами. Во-первых, белки очень разнообразны. Их существует бесконечно большое количество видов. Индивидуальность белков определяется составом и порядком чередования аминокислот в полипептидной цепочке. В природе известно более 80 аминокислот, но в растительных белках постоянно встречается 20—22. Молекула белка может содержать от 50 до нескольких тысяч аминокислотных остатков. Такое строение белковой молекулы допускает бесконечно большое количество сочетаний и перестановок. Если учесть, что перестановка местами даже двух аминокислот вызывает появление новых свойств, то становится понятным огромное видовое разнообразие белков. Оно достаточно велико, чтобы объяснить видовое разнообразие органических форм. Более того, в природе воплощена только небольшая часть белков, существование которых теоретически возможно. По мнению некоторых ученых, эволюция белков проходит только начальный период на нашей планете, следовательно, есть материальные предпосылки и для эволюции органического мира.

Во-вторых, белки обладают высокой химической активностью. За счет боковых цепей – радикалов - они могут осуществлять реакции окисления, восстановления, нитрирования, галоидирования, солеобразования и т. д., причем полипептидная цепочка, составляющая основу белковой молекулы, остается незыблемой. От характера радикалов зависят многофункциональность и специфические свойства белка.

В-третьих, физиологическая активность белков обусловлена физическими свойствами их молекул. Молекулы белков очень велики по размерам. Их молекулярный вес составляет сотни, тысячи и даже миллионы единиц, поэтому белки образуют коллоидные растворы. А коллоидное состояние вещества — оптимальная среда для осуществления физиологических процессов. Белковая молекула пластична. Форма ее может изменяться, переходить из глобулярной в фибриллярную и наоборот. При этом меняются и физические свойства белка. Кроме того, белки способны образовывать сложные комплексные соединения с другими органическими молекулами — с сахарами, нуклеиновыми кислотами, липидами — и давать надмолекулярные структуры.

Все эти особенности и свойства белков в некоторой степени объясняют, почему именно белки являются материальной основой жизненных процессов.

Вторую группу биологически важных веществ, также полимеров, составляют нуклеиновые кислоты. Они были открыты Ф. Мишером в 1870 г., но их строение и функции исследованы только в последние два десятилетия. Элементарной единицей молекулы нуклеиновой кислоты — мономером — являются нуклеотиды. Полимеризуясь, они образуют гигантские нитевидные молекулы нуклеиновых кислот. Молекулярный вес их составляет миллионы единиц, от 100000 до 120Х10⁶. В состав нуклеотидов входят сахар, фосфорная кислота и азотистое основание. Сахар в нуклеиновой кислоте может быть представлен рибозой C5H10O5 и дезоксирибозой С5Н10О4. В зависимости от вида сахара нуклеиновые кислоты делятся на два типа — рибонуклеиновую (РНК) и дезоксирибонуклеиновую (ДНК).

В состав ДНК входят азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Первые два относятся к пуриновым, последние — к пиримидиновым основаниям. РНК составляют те же основания, за исключением тимина, который заменяется подобным основанием — урацилом. Состав азотистых оснований и последовательность их чередования в молекуле определяют видовую специфичность нуклеиновых кислот. В схемах азотистые основания условно обозначаются начальными буквами - А, Г, Ц, Т, У.

Основываясь на данных рентгеноструктурного и химического анализов, Уотсон и Крик (1953) разработали гипотетическую модель строения молекулы ДНК, которая в дальнейшем получила экспериментальное подтверждение. Выяснилось, что молекула ДНК представляет собой спирально скрученные вокруг единой оси полинуклеотидные цепи. Остов цепи состоит из фосфатных групп и пентозных колец, каждое из которых связано с одним из азотистых соединений. Соединение двух полинуклеотидных цепей в единое целое обеспечивается водородными связями, которые соединяют парные основания аденин — тимин и гуанин — цитозин. Если «расщепить» такую молекулу на две составляющие ее полинуклеотидные цепи, то каждая из них явится матрицей для восстановления утраченной комплементарной (дополнительной) цепи. Такой способ «размножения» молекул обеспечивает постоянство состава ДНК в клетках одного вида. Нуклеиновые кислоты присутствуют во всех физиологически активных клетках и являются их наиболее стабильными компонентами.

Липиды объединяют большую группу разнородных соединений. Они не растворимы в воде, но растворяются в органических растворителях (эфире, бензине, бензоле, сероуглероде и др.) и при гидролизе образуют жирные кислоты. К липидам относятся простые жиры, или масла, воска, фосфолипиды, гликолипиды, стероиды. К этой же группе принадлежат каротиноиды и хлорофилл — растворимые в жирах пигменты. Простые жиры при гидролизе дают глицерин и жирные кислоты. Фосфолипиды, кроме глицерина и жирных кислот, образуют фосфорную кислоту и азотистые основания, гликолипиды — сахар и другие компоненты. Стероиды и воска — сложные эфиры жирных кислот и высокомолекулярных спиртов.

Липиды играют важную роль в структуре и физиологии живой клетки. Вместе с белками они входят в состав клеточных мембран, которые образуют пограничные слои цитоплазмы и являются структурными компонентами многих клеточных органелл.

Углеводы в живой клетке играют роль запасных питательных веществ, используются как энергетический и пластический материал (см. лекцию 5), входят в состав клеточной оболочки.

Минеральная часть цитоплазмы представлена водой, минеральными солями, ионами некоторых металлов.

Очень важную роль в строении и функциях цитоплазмы играет вода. Благодаря особому строению своей молекулы вода обладает уникальными физическими свойствами, которые делают ее незаменимой средой и участницей физиологических процессов. Гидратируя полярные группы и отдельные радикалы, вода определяет структуру и функции, физические и химические свойства органических макромолекул, составляющих основу цитоплазмы. Вода — универсальный растворитель и обладает диссоциирующим эффектом. Благодаря высокой теплоемкости и высокой теплоте испарения вода играет в живой цитоплазме роль теплового буфера. Кроме того, вода непосредственно участвует во многих химических превращениях. Без воды жизнь невозможна.

Субмикроскопическая структура цитоплазмы. При рассматривании клетки в световой микроскоп цитоплазма казалась бесструктурной массой. Все описанные с помощью светового микроскопа структурные образования оказывались при детальном исследовании артефактами, т. е. образованиями, вызванными фиксацией и окрашиванием препарата и не присущими живой клетке. Однако сложнейшие биохимические процессы, протекающие в цитоплазме, вызывали предположение о ее сложной внутренней организации. Применение электронного микроскопа позволило выяснить субмикроскопическую структуру цитоплазмы.

В цитоплазме растительной клетки различают три слоя — плазмалемму, мезоплазму и тонопласт. Плазмалемма (от греч. plasma —тело, lemma — скорлупа) - наружный слой цитоплазмы, подстилающий клеточную оболочку. Иначе он называется клеточной мембраной. Тонопласт (от греч. tonos — напряжение, plastos — вылепленный) — внутренний слой цитоплазмы, ограничивающий вакуолю. Мезоплазма (от греч. mesos — средний, plasma —тело) — средний слой цитоплазмы, составляющий основную ее массу.

Пограничные слои цитоплазмы — плазмалемма и тонопласт — регулируют процесс проникновения ионов и молекул из внешней среды в клетку и в обратном направлении. Они однотипны по строению и представляют собой так называемую элементарную клеточную мембрану толщиной около 100А.

Центральный бимолекулярный слой элементарной мембраны составляют липиды. С наружной и внутренней сторон липидный слой покрыт белковыми молекулами, которые образуют густую сеть. Белковые молекулы придают элементарным мембранам механическую прочность и эластичность. Липидные молекулы полярны, поэтому располагаются правильно ориентированными рядами. Их заряженные полюса обращены в сторону белковых молекул.

В состав белковой части мембраны входят структурные белки, сократительные белки, белки-ферменты. Клеточная мембрана играет очень важную многофункциональную роль в жизнедеятельности клетки. Она избирательно снижает скорость передвижения молекул в клетку и из клетки, т. е. обеспечивает избирательную полупроницаемость — важнейшее свойство живой цитоплазмы. Клеточная мембрана выполняет и другие функции.

Элементарная мембрана является универсальной клеточной структурой. Она присуща клеткам всех типов и играет важную роль в строении клеточных органелл.

Средняя часть цитоплазмы - мезоплазма также имеет сложное строение. Она дифференцируется на основное вещество — цитоплазматический метрикс, или гиалоплазму, и цитоплазматические органоиды.

Цитоплазматический матрикс представляет собой относительно вязкую эластичную массу сложного химического состава. Основную часть матрикса составляют глобулярные белки. Среди них — структурные белки, способные менять свое состояние и переходить из золя в гель, и белки-ферменты.

В световом микроскопе матрикс цитоплазмы кажется бесструктурным, в электронном — в матриксе различимы гранулярные и нитевидные образования диаметром в несколько десятков ангстрем. Они представляют собой макромолекулы белка, форма и свойства которых меняются в зависимости от состояния клеточной среды.

Матрикс цитоплазмы содержит клеточные органоиды и обеспечивает связь и взаимодействие между ними. Кроме того, матрикс выполняет и специфические функции: в нем протекают гидролитические процессы, анаэробный распад углеводов (гликолиз), начальные фазы белкового синтеза и другие биохимические превращения. Коллоидными свойствами матрикса обусловлены такие явления, как движение цитоплазмы и образование митотического аппарата (см. лекцию 8). В матриксе находятся цито-плазматические органоиды, в том числе эндоплазматическая сеть — органоид, имеющий универсальное распространение.

Эндоплазматическая сеть. Исследованиями Портера и его сотрудников (1943) было установлено, что в цитоплазме существует система внутренних полостей, цистерн, каналов, пронизывающих ее толщу. Стенки этих внутренних полостей и каналов представляют собой такую же клеточную мембрану, как и пограничные слои цитоплазмы — плазмалемма и тонопласт. Эта сложная система мембран и внутренних полостей получила название эндоплазматической сети (от греч. endon — внутренний, plasma). Эндоплазматическая сеть лабильна. Форма внутренних лакун и каналов, их размер, расположение в клетке и количество изменяются в процессе жизнедеятельности.

Эндоплазматическая сеть свойственна цитоплазме растительных и животных клеток. В последних она развита сильней, особенно в клетках, осуществляющих интенсивные синтетические процессы.

Стенки каналов эндоплазматической сети могут быть гладкими и зернистыми. В последнем случае на ее мембранах находятся рибосомы — мельчайшие клеточные органеллы. Эндоплазматическая сеть морфологически и функционально связана с пограничным слоем цитоплазмы, ядерной оболочкой, рибосомами, диктиосомами, вакуолями. Вблизи эндоплазматической сети накапливаются митохондрии и пластиды. Элементы эндоплазматической сети участвуют в процессах проницаемости, проведения и накопления веществ, синтеза, секреции и т. д. Существует преемственность эндоплазматической сети между соседними клетками. Через поры и плазмодесмы каналы эндоплазматической сети одной клетки проникают в другую. В результате развития эндоплазматической сети в цитоплазме образуются вакуоли.

Вакуоли. Вакуоли (от лат. vacuus — пустота) — полости в цитоплазме, заполненные жидкостью, которая называется клеточным соком. Они имеют форму пузырьков, тонких канальцев и другую, что зависит от характера протопласта. Вакуоли — производные цитоплазмы и составная часть эндоплазматической сети. Они возникают как тончайшие полости, затем по мере накопления продуктов обмена объем их увеличивается. В эмбриональных клетках вакуоли очень малы и обнаруживаются с трудом. По мере роста клетки их объем увеличивается, а число сокращается. Развитая сформировавшаяся клетка имеет обычно одну большую вакуолю, занимающую центральное положение.

Содержимое вакуоли — клеточный сок — представляет собой водный раствор разнообразных веществ, органических и минеральных. Последние представлены минеральными солями — нитратами, хлоридами, фосфатами. Органическая часть клеточного сока весьма разнообразна. В ее состав входят органические кислоты: яблочная, щавелевая, лимонная. Эти кислоты характерны для всех растений и обуславливают кислую реакцию клеточного сока. Другие кислоты более редки и присущи только некоторым группам растений.

В клеточном соке постоянно присутствуют разнообразные сахара, концентрация которых у некоторых растений очень высока. Такие растения служат для человека источником сахара. Полисахара в клеточном соке встречаются в виде инулина, который при гидролизе образует фруктозу. Это вещество характерно для семейств: сложноцветных, колокольчиковых, лобелиевых.

В клеточном соке имеются аминокислоты и белки, растворимые в воде или в слабых растворах минеральных солей. Все названные соединения — органические кислоты, сахара, аминокислоты, белки — можно рассматривать как запасные питательные вещества, которые в клеточном соке находятся временно и периодически вовлекаются в обмен веществ.

В клеточном соке многих растений содержатся также дубильные вещества, алкалоиды, глюкозиды. Дубильные вещества — разнообразные ароматические соединения, которые используются для дубления животных кож (отсюда их название). С солями железа они дают соединения голубой или зеленой окраски.

Алкалоиды — азотсодержащие соединения основного характера, сильно действующие на животный организм. Чистые алкалоиды в воде не растворимы, но легко растворимы их соли. Алкалоиды свойственны растениям из семейств пасленовых, лилейных, лютиковых, маковых и др. Алкалоидами являются, например, никотин, стрихнин, колхицин, морфин, хинин. Многие из них используются как медицинские препараты.

Глюкозиды — производные углеводов. Они представляют собой соединения сахара и спирта. Разнообразие глюкозидов обусловлено разнообразием спиртов, которые входят в их состав. Эти вещества встречаются у многих растений. Им присущ горький вкус и специфический запах (запах горчицы, полыни, ванили и т. п.). К глюкозидам относится пигмент антоциан (от греч. anthos — цветок, kyanos — синий), который окрашивает клеточный сок в красный, малиновый, фиолетовый, синий цвета. Цвет антоциана меняется в зависимости от кислотности среды. В кислой среде он красный, в щелочной — синий и в зависимости от величины рН дает все переходные окраски. Предполагается, что антоциан поглощает коротковолновые лучи, которые не используются хлорофиллом, и таким образом влияет на световой и температурный режим клетки, активизируя метаболические процессы.

Реже в клеточном соке встречается желтый пигмент, родственный антоциану, антохлор (от греч. anthos, chloros — зеленый).

Алкалоиды, глюкозиды, дубильные вещества считаются конечными продуктами обмена, хотя роль многих из них в обмене веществ остается невыясненной.

Таким образом, вакуоли можно рассматривать как хранилища запасных питательных веществ и вместилища выделений.

Вакуоли играют важную роль в осмотических явлениях в клетке. Молекулы и ионы растворенных в клеточном соке веществ находятся в непрерывном движении. Поэтому они оказывают давление на цитоплазму и клеточную оболочку. Это давление называется осмотическим. Его величина зависит от концентрации клеточного сока. Осмотическое давление направлено изнутри кнаружи, оно «стремится» растянуть эластичные стенки клетки. Сопротивление стенок клетки называется тургорным давлением. Тургорное давление направлено в противоположную сторону по отношению к осмотическому, это — противодавление. Соотношение тургорного и осмотического давлений определяет сосущую силу клетки. Оно выражается формулой – S=P-T , где S - сосущая сила, P - осмотическое давление, T - тургорное давление. Все эти величины непостоянны, они зависят от физиологического состояния клетки.

Роль вакуоли в осмотических процессах в клетке и некоторые физические свойства цитоплазмы обнаруживаются в явлении плазмолиза.

Плазмолиз ( от греч.plasma – фигура, lysis - растворение)/ Это постенное отставание цитоплазмы от клеточной оболочки, которое происходит в результате потери воды вакуолью. Плазмолиз наблюдается при погружении клетки в гипертонический раствор – раствор более высокой концентрации, чем клеточный сок. Для получения плазмолиза используют сахарозу, глицерин, калийную селитру и другие вещества-плазмолитики.

Цитоплазма, проницаемая для воды, не пропускает вещество – плазмолитик. По законам осмоса внешний, гипертонический раствор, «отсасывает» воду из вакуоли. Объем ее сокращается. Вслед за этим и сокращается и эластичная цитоплазма. Процесс продолжается до выравнивания концентраций внешнего раствора и клеточного сока. При медленном плазмолизе отставание цитоплазмы начинается по уголкам клетки, поэтому его начальная стадия называется плазмолизом уголковым. Затем наступает вогнутый плазмолиз и, наконец, выпуклый. В некоторых случаях цитоплазма длительное время связана с клеточной оболочкой тонкими тяжами – нитями Гехта. Форма плазмолиза зависит от физических свойств цитоплазмы и характера плазмолитика.

Плазмолизированная клетка остается живой. При погружении в гипотонический раствор, т.е. в раствор, концентрация которого меньше, чем концентрация клеточного сока, или в воду наблюдается возвращение ее в нормальное состояние. Это – деплазмолиз. Рассматривая явления плазмолиза, можно наблюдать такие свойства цитоплазмы, как полупроницаемость, вязкость, эластичность. Цитоплазма собственной формы не имеет, а только повторяет форму вакуоли.

В естественных условиях плазмолиз происходит при замерзании растений, при образовании некоторых спор. В физиологических исследованиях его используют для определения осмотического давления в клетке, сосущей силы клеток, проницаемости плазмы и т.д.

Л е к ц и я 4