Содержание (% сырой массы) сахаров и органических кислот в продуктивной части

плодовых и овощных культур (по Б. П. Плешкову, 1984)

В вакуолях могут накапливаться и белки. Их поступление в вакуоль, очевидно, связано с деятельностью АГ и ЭПР. Образованные этими органеллами мембранные пузырьки могут встраиваться в тонопласт, поставляя свое содержимое в вакуоль. Обезвоженные вакуоли в семенах представляют собой алейроновые зерна, состоящие из запасных белков. В период прорастания семян эти вещества вакуолей вновь оводняются; использование белков осуществляется с помощью ферментов.

Важнейшие в функциональном отношении органеллы - митохондрии и хлоропласты (рис. 4) - имеют общие особенности. И те и другие снаружи покрыты двойной мембраной. Внешняя имеет строение и свойства, сходные с таковыми поверхностных мембран других органелл, в то время как внутренняя сильно отличается от последних как по строению, так и по функциям. Особенностью этой мембраны является способность образовывать впячивания в полость органеллы, увеличивая тем самым полезную поверхность, на которой происходят процессы­ связанные с синтезом молекул АТФ. Хлоропласты и митохондрии возникают вследствие деления имеющихся в клетке органоидов или их предшественников. Как в митохондриях, так и в хлоропластах содержится наследственный материал, отличный от ядерного, - кольцевая молекула ДНК, напоминающая таковую прокариот, а также РНК и рибосомы. Заложенная в ДНК информация реализуется в синтезе специфичных для хлоропластов и митохондрий белков, хотя большая часть белкового компонента кодируется ядром клетки. Вследствие этого хлоропласты и митохондрии называют полуавтономными органеллами. Существует теория об эндосимбиотическом происхождении митохондрий и хлоропластов путем вступления организмов типа бактерий в симбиоз с эукариотической клеткой на определенном этапе развития природы. Подробная характеристика хлоропластов и митохондрий дана в главах 2 и 3.

Кроме хлоропластов к пластидам относятся лейкопласты (пластиды со слаборазвитыми внутренними мембранами, выполняющие функцию накопления крахмала гаи других запасных веществ) и хромопласты. Все они имеют общее происхождение: образуются из маленьких (0,4- 1.0 мкм) бесцветных инициальных частиц - пропластид, которые обнаруживаются в меристематических клетках; увеличение их числа происходит за счет деления. Пропластиды имеют достаточно плотное содержимое, ограниченное двойной мембраной. В темноте из них образуются лейкопласты. На свету в пропластидах происходит мощное развитие внутренних мембран, в которые включается зеленый пигмент хлорофилл. - так возникают хлоропласты. Хромопласты, как правило, образуются из хлоропластов и отличаются от последних главным образом набором пигментов - в них преимущественно содержатся желтые каротиноиды, которые не встроены в мембраны, а находятся непосредственно в матриксе в виде капель или кристаллов. Значение хромопластов главным образом связано с окраской плодов. В эстетическом восприятии человека хромопласты играют не последнюю роль: вспомним золотую осень, красные грозди рябин, аппетитные плоды томата, перца и т. д.

Органеллы, не имеющие мембранной природы.

Важнейшую функцию в клетке выполняют рибосомы: в них происходит заключительный этап биосинтеза белков - трансляция. Как уже известно, рибосомы образуются в ядре (точнее, в ядрышке), а затем через поры ядерной оболочки выхолят в цитоплазму. Они состоят из белка и рибосомальной РНК (примерно по 50 %). Рибосомы - очень маленькие частицы (20-30 нм), образованные из двух субъединиц, которые характеризуют по коэффициенту седиментации (S)- скорости осаждения при центрифугировании. В цитоплазме растительных клеток присутствуют 80S рибосомы, состоящие из 40S и 60S субъединиц. Рибосомы хлоропластов - 70S, митохондрий - 70-80S. В рабочем состоянии субъединицы рибосом ассоциируются друг с другом, что происходит только в присутствии ионов магния.

Рибосомы могут находиться непосредственно в гиалоплазме или ассоциироваться с мембраной ЭПР. В синтезе одного белка, как правило, принимают участие несколько рибосом (полисомы), объединенные одной молекулой информационной (матричной) РНК. Это способствует более высокой активности белкового синтеза.

Микротрубочки. Их роль в растительной клетке еще до конца не выяснена. Они представляют собой тонкие длинные полые цилиндры с внутренним диаметром около 15 нм. Стенки этих трубочек состоят из глобулярных белков - тубулинов. Сборка и разборка микротрубочек происходят в цитоплазме постоянно. При делении клетки микротрубочки формируют нить веретена. Сеть микротрубочек образует в гиалоплазме своеобразные канальца. Аналогия в расположении арматурных элементов клеточной стенки и близко расположенных микротрубочек предполагает участие последних в формировании клеточной стенки.

Другие фибриллярные образования гиалоплазмы - микрофиламенты, имеющие в основе сократительный белок типа актина, - обеспечивают движение цитоплазмы и ее органелл внутри клетки.

1.3 Структура и функции мембран

Основой организации любой клети являются мембраны. Эти пограничные структуры покрывают протопласт в целом (плазмалемма), окружают вакуоль (тонопласт), ограничивают все органеллы, за исключением рибосом н микротрубочек. Мембраны обеспечивают в клетке принцип компартментации - клетка оказывается поделенной на зоны, каждая из которых играет свою роль в жизни клетки. В то же время деятельность отдельных компартментов взаимосвязана и интегрирована, и это тоже является функцией мембран. Большая часть клеточных мембран генетически связана друг с другом, то есть возникает друг от друга или служит продолжением друг друга. В то же время такие органеллы, как хлоропласты и митохондрии, образуются в клетке путем деления. Их мембраны, по-видимому, не связаны в своем происхождении с другими.

Уже 100 лет назад было высказано предположение, что на поверхности клетки имеются структуры, ответственные за регуляцию поглощения и выделения веществ, существование которых обеспечивается процессами жизнедеятельности. Однако лишь к середине ХХ в. с помощью электронной микроскопии удалось достоверно зафиксировать наличие на поверхности клетки и ее органелл сходных по строению трехслойных образований - мембран.

Уже в 20-х годах текущего столетия было обнаружено, что липиды, экстрагированные из эритроцитов и разли­тые на поверхности воды, занимают там площадь, вдвое большую, чем поверхность эритроцитов. Из этого было сделано заключение, что липиды располагаются на поверхности клеток двойным слоем, в котором гидрофобными радикалами они обращены друг к другу, а гидрофильными группировками - к окру­жающей водной среде и содержимому клетки. В дальнейшем модельные опыты показали, что поверхностное натяжение искусственной мембраны - липидной пленки и мембраны живой клетки существенно различаются. Когда к липидам добавили белок, пограничные свойства мембран сохранились, а поверхностное натяжение уменьшилось. На основании этих результатов было высказано предположение о наличии белков в клеточных мембранах.

В начале ЗО-х голов Г. Даусон и Д. Даниели предложили гипотезу о строении элементарной клеточной мембраны (рис. 18), согласно которой она представляет собой двойной липидный слой, с двух сторон покрытый белками. Описанная структура напоминает двойной бутерброд - сэндвич. Основными силами, стабилизирующими мембрану, являются слабые водородные взаимодействия между гидрофильными радикалами белков и амфипатических липидов, а также гидрофобные связи Ван-дер-Ваальса в зоне углеводородных радикалов высокомолекулярных жирных кислот. В дальнейшем было высказано пред­положение о наличии в мембранах пор, представляющих собой участки с гидрофильными свойствами.

Предложенная Д. Даниелли и Г. Даусоном модель элементарной (унитарной) клеточной мембраны в течение последующих лет неоднократно подтверждалась прямыми исследованиями ее структуры и функции И ДО СИХ ПОР ОСТАЕТСЯ основой современных мембранных схем.

Путем дифференциального центрифугирования была выделена мембранная фракция и определен ее состав. Основными химическими компонентами мембран являются белки и липиды. Соотношение белков и липидов в различных клеточных мембранах связано со спецификой функций этих мембран (табл.). Те из них, которые выполняют только защитную функ­цию (например, оболочка нерва), насыщены липидами; высокая ферментативная и энергетическая активность (внутренняя мем­брана митохондрий) может осуществляться лишь при большом содержании белков.

Количество белков и липидов в разных мембранах

Белки мембраны можно разделить на три группы: структур­ные, транспортные и ферментативные.

Липиды представлены главным образом амфипатическими, хотя в мембранах всегда имеется некоторое количество собственно жиров. Соотношение в мембранах различных форм липидов непостоянно. В частности, достоверно установлено, что в стрессовых условиях (засухам мороз) доля амфипатических липидов возрастает. Кроме того, в этих неблагоприятных условиях в липидах повышается содержа­ние непредельных ЖК, что делает мембранный матрикс более жидким и подвижным. С помощью этих изменений в химическом составе мембран удается идентифицировать различия в зимостойкости сортов озимых культур. Г. В. Но­винкой в Институте физиологии растений показано, что в результате закаливания в растениях устойчивого к морозу сорта озимой ржи Харьковская 55 содержание фосфатидилхолина повысилось по сравнению с незакаленными растениями в 6,7 раза, в то время как этот показатель для неморозостойких растений сорта Харьковская 70 увеличился лишь в 2,5 раза.

Помимо белков и липидов в мембранах есть и другие химические в-ва. Это прежде всего вода, содержание которой может достигать 30 % массы мембраны. Вода играет важную роль в ориентировании отдельных структурных компонентов, а также облегчает транспорт через мембрану гидрофильных веществ.

Обязательным компонентом мембран являются полисахариды, взаимодействующие с белками преимущественно на поверхности.

Среди минеральных веществ мембран особо следует выделить Са²⁺, способствующий взаимодействию друг с другом мембранных компонентов.

Развитие науки и техники (электронная микроскопия) позволило к настоящему времени сформировать представление о мембранах как о более разнокачественных и динамичных образованиях как в структурном, так и в функциональном отношении. Пример: в результате активного встраивания в мембрану новых элементов поверхность быстрорастущих клеток в тычиночных нитях злаков за 1 ч увеличивается в 65 раз, т. е. каждую минуту плазмалемма нарастает на свою первоначальную величину. Структурная лабильность объясняет и такие явления, как быстрое изменение периметра плазмалеммы и тонопласта при плазмолизе и деплазмолизе и образование выростов мембраны во время пиноцитоза.

В настоящее время модель клеточной мембраны можно представить себе следующим образом (рис. 19).

Поверхностное положение в мембране занимают белки. Основой мембраны являются амфипатические липиды. Их организация в бимолекулярный слой объясняется физико-химическими свойствами самих молекул. В результате возникает внутренняя гидрофобная зона - полужидкий матрикс, обладаю­щий высокими изолирующими свойствами в отношении гидрофильной среды. Стабильность этого слоя увеличивается присутствующими в нем неполярными молекулами жиров.

Помимо бислоя липиды в мембране организованы в глобулярные структуры - липидные мицеллы, внутренняя часть которых образована гидрофобными остатками жирных кислот, а наружная - гидрофильными компонентами амфипатических липидов. Мицеллы уменьшают стабильность мембраны, но дают ей возможность изменять конфигурацию. Кроме того, вокруг периферической гидрофильной зоны липидных мицелл возникают гид­ратные оболочки, облегчающие движение воды и растворенных в ней молекул.

Метод замора­живания - скалывания позволил зарегистрировать в самой толще мембраны очень крупные глобулы, иногда пронизываю­щие всю мембрану насквозь и, по-видимому, лабильно взаимо­действующие с другими компонентами мембраны как гидро­фильно, так и гидрофобно. Эти крупные образования представ­ляют собой молекулы белков, имеющие непосредственное отношение к активному транспорту веществ через мембрану: плотность распределения этих элементов часто коррелирует с транспортной активностью мембран.

Таким образом, современная модель мембраны отражает ла­бильность, динамичность, разнокачественность ее структуры и способность осуществлять многообразные функции.

Роль (фуккции) мембран. С их помощью в клетке осуществляются важнейшие принципы экономичности, скорости, на­правленности и сопряженности всех процессов.

Мембраны- это пограничные структуры, обеспечивающие диалектическое единство разделения и связи клеточных компо­нентов (интегральная функция).

Через мембраны происходит обмен веществ, энергии и информации между клеткой и окружающей средой, поддерживается гомеостаз - постоян­ство среды в каждом компартменте клетки (барьерная, транспортная функция).

Мембраны связаны с важнейшими биохимическими про­цессами, так как в них локализованы ферменты - осуществляю­щие синтез, гидролиз, окисление, перенос и т. д. (каталитическая, биосинтетическая функция).

На мембранах хлоропластов и митохондрий происходят процессы биоэнергетики (фотосинтетическое и окисли­тельное фосфорилирование), снабжающие клетку энергией (энергетическая функция).

Мембраны выполняют рецепторную функцию, воспринимая внешние раздражения и передавая сигналы о них организму в целом.