Структуры растительных клеток

белка, что может приводить к слипанию белков-ферментов и нарушению их функций. Поэтому для деятельности мембранных ферментов важно, чтобы окружающие их липиды находились в жидком агрегатном состоянии.

Непроницаемость фосфолипидного бислоя для большин­ства соединений создает условия для векторных процессов. Векторный характер имеют транспорт веществ и передача сигналов из внешней среды в цитоплазму. Само располо­жение ферментов в липидной фазе мембраны весьма су­щественно для их активности. Таким образом, благодаря упорядоченности и векторности ферментов и транспортных механизмов осуществляется мембранная координация множест­ва биохимических реакций, протекающих в клетке.

Аккумуляция и трансформация энергии — одна из важнейших функций мембран. В хлоропластах зеленых растений энергия света трансформируется ~в~знергию NADH и АТР, а в конечном счете — в стабильную энергию химических связей Сахаров, органических кислот, аминокислот. Эти ассимиляты, окисляясь затем в цитоплазме, и митохондриях, освобождают энергию, необходимую клеткам для выполнения различных функций. Согласно хемиосмоти-ческой теории П. Митчелла, процесс синтеза АТР в мито­хондриях и хлоропластах опосредован образованием электро­химического мембранного потенциала ионов Н⁺ (см. рис. 1.3) за счет работы Н ⁺-насоса.

Помимо редокс-цепей и Н ⁺ -АТРазы в клетках имеются и другие насосы, создающие электрохимические потенциалы: Na⁺, К ⁺ -АТРаза, Са²⁺-АТРаза, анионная АТРаза. Как отме­чает В. П. Скулачев (1978), осмотический градиент этих потенциалов — трансмембранный градиент К⁺ (АрК ⁺ ) и Na⁺ (ApNa⁺) — нужно рассматривать как резервную форму энергии. Таким образом, в живых клетках помимо дыхатель­ных субстратов энергия может запасаться в двух формах — в виде легко отдающих энергию химических соединений (АТР, NADH и др.) и в виде электрохимического мембран­ного потенциала (ДДн⁺> ДДк⁺> A^Na⁺)- Все эти резервные формы энергии способны к взаимопревращениям, а также могут быть использованы на другие виды работ: хими­ческую, осмотическую, тепловую и т. д.

Важнейшая функция мембран — рецепторн о-регу­ляторная. В состав мембран входят хемо-, фото- и механоредепторы белковой природы, чувствительные к дейст­вию химических и физических факторов. Эти рецепторы воспринимают сигналы, поступающие из внешней и внутрен­ней среды, обеспечивая адаптивные (приспособительные) от­веты клеток на изменения условий существования.

Ядро. В растительной клетке ядро имеет диаметр порядка 10 мкм. Оно может быть сферическим, удлиненным или лопастным. Внутреннее содержимое ядра (нуклеоплазма) ограничено ядерной оболочкой, состоящей из двух элемен­тарных мембран — внутренней и наружной. Ядерная оболочка пронизана порами диаметром 10 — 20 нм, через которые

транспортируются нуклеиновые кислоты и белки. С наружной мембраной ядерной оболочки могут быть непосредственно связаны элементы эндоплазматического ретикулума. В нуклео-плазме локализованы участки хроматина, состоящего из комплекса ДНК, РНК и белков. В делящихся клетках хроматин организуется в хромосомы, число которых специ­фично для каждого вида растений. Количество ДНК в одном ядре постоянно для каждого вида (кроме случаев мейоза и полиплоидии). Геном растений отличается от генома животных болящим количеством ДНК. В нуклеоплазмё ядра содержатся также ферменты и кофакторы, необходимые для обеспечения процессов репликации и транскрипции ДНК, молекулы различных РНК, ферменты, фосфорилирующие и ацетилирую-щие ядерные белки, ферменты гликолиза и др.

Ядрышко отчетливо видно в ядре под световым и электронным микроскопами. Оно формируется на определен­ных участках ДНК, называемых ядрышковым организато­ром. В хроматине ядрышка находятся участки ДНК, от­ветственные за синтез рибосомальных РНК (рРНК).

В целом ядро является местом хранения генетической информации клетки и репликации ДНК. В нем происходит процесс транскрипции ДНК в РНК различных типов. В тесном взаимодействии с цитоплазмой ядро участвует в обеспечении экспрессии генетической информации и контролирует процессы жизнедеятельности клетки.

Рибосомы. Рибосомы осуществляют синтез белков — транс­ляцию матричной, или информационной, РНК (мРНК).'~ На электронных фотографиях они выглядят округлыми частицами диаметром 20 — 30 нм. Каждая рибосома состоит из двух нуклеопротеиновых субъединиц. В цитоплазме растительных клеток находятся, 80 S рибосомы, состоящие из 40 и 60 S субъединиц, в хлоропластах — 70 S Джбосомы, а в мито­хондриях — 78 — 80 S рибосомы, отличные от цитоплазмати-ческих и хлоропластных. Субъединицы рибосом, образован­ные в ядрышке, поступают в цитоплазму, где происходит сборка рибосом на молекуле мРНК.

Рибосомы в цитоплазме могут быть свободными, прикреп­ленными к мембранам эндоплазматического ретикулума, к наружной мембране ядерной оболочки либо образуют поли-рибосомные (полисомные) комплексы. Полирибосомы возни­кают потому, что одну молекулу мРНК могут одновременно транслировать несколько рибосом. Полирибосомы разрушают­ся при воздействии на растения неблагоприятных факторов внешней среды (например, засухи, недостатка кислорода). В процессе синтеза белка, осуществляемого рибосомами, участвуют компоненты, образованные в ядре, ядрышке, в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах.

Пластиды. Для клеток растений типична система органои­дов, называемая пластидной. Пластиды — это ограниченные двойной мембраной округлые или овальные органоиды, содержащие внутреннюю систему мембран. Пластиды могут быть бесцветными (пропластиды, лейкопласты, этиоплас-

ты) или окрашенными (хлоропласты, хромопласты) (см. рис. 10.4).

В меристемах присутствуют пропластиды, у которых внутренняя мембрана имеет лишь небольшие инвагинации (впячивания). Если структура пропластид сохраняется у орга­ноидов зрелых клеток, их называют лейкопластами. В лейко­пластах откладываются запасные вещества и названия они получают в зависимости от этих соединений: если запасается крахмал — амилопласты, жиры — элайопласты, белки — про-теинопласты и т. д. Этиопласты формируются при выращива­нии зеленых растений в темноте. При освещении они превра­щаются в хлоропласты, при этом внутренняя система мембран подвергается сложным перестройкам (см. рис. 10.5).

Важнейший для всего живого процесс преобразования энергии поглощенного света в химическую энергию органи­ческих веществ, синтезируемых из С0₂ и Н₂0 (фотосинтез), осуществляется в зеленых пластидах — хлоропластах. Это овальные тела 5—10 мкм длиной и 2 — 3 мкм в диаметре. В одной клетке листа могут находиться 15 — 20 и более хлоропластов, а у некоторых водорослей — лишь 1 — 2 гигант­ских хлоропласта различной формы. Как и другие пластиды, хлоропласты обладают наружной и внутренней мембранами (рис. 1.4). Внутренняя мембрана, ограничивающая внутреннюю гомогенную среду (строму) хлоропласта, образует уплощенные инвагинации — тилакоиды, которые могут иметь форму дисков и в этом случае называются тилакоидами гран (гранальными). Несколько таких тилакоидов, лежащих друг над другом, формируют стопку — грану. Другие тилакоиды, связывающие между собой граны или не контактирующие с ними, называются тилакоидами стромы.

В мембранах тилакоидов локализованы зеленые (хлоро-филлы), желтые и красные (каротиноиды) пигменты, компонен­ты редокс-цепей и запасания энергии, участвующие в погло-

щении и использовании энергии света. Биохимические системы синтеза и превращения углеводов функционируют в строме хлоропластов. В ней же может откладываться крахмал.

Хромопласты содержат в везикулах (пузырьках) стромы каротиноиды. Их присутствием объясняется окраска плодов томатов, рябины и др. В строме всех пластид обнаружены кольцевые молекулы ДНК.

При росте клетки количество хлоропластов увеличивается путем деления. При делении ламеллярная система пересекает­ся перемычкой поперек органоида, иногда наблюдается почко­вание хлоропластов. Затем размер дочерних хлоропластов увеличивается. Деление хлоропластов происходит через 6 —20 ч и не обязательно совпадает с делением ядра. Оно может регулироваться красным светом (660 нм) и устраняется об­лучением дальним красным светом (730 нм). Деление останав­ливается также низкой температурой.

Митохондрии. В растительных клетках митохондрии пред­ставлены округлыми или гантелевидными Делами диаметром 0,4 — 0,5 мкм и длиной 1 — 5 мкм. Количество митохондрий варьирует от десятков до 2000 на клетку, меняясь в онто­генезе клетки и в зависимости от ее функционального состояния. Органоиды ограничены наружной и внутренней мембранами толщиной 5 — 6 нм каждая (рис. 1.5). Внутрен­няя мембрана образует складки различной формы, называе­мые кристами (гребнями). Мембраны отделяют от цитоплаз­мы внутреннее содержимое митохондрий — матрикс. В матрик-се содержатся рибосомы и митохондриальная ДНК, ответ­ственные за синтез части белков митохондрий. ДНК в митохондриях имеет кольцевое строение.

Собственная генетическая система и способность мито-хондриальной ДНК к репликации позволяют митохондриям делиться независимо от деления ядра. В клетке они образуются от предсуществующих митохондрий. Продолжи­тельность жизни (оборот) митохондрий определяется скоорди­нированной деятельностью ядра, цитоплазмы и самих мито­хондрий. Полупериод жизни этих органоидов у различных растений составляет 5—10 дней, причем наружная мембрана обновляется быстрее внутренней.

В митохондриях^функционируют системы аэробного .дыха­ния и окислителънохофесфэршгитда'вания, обеспечивающие энергетические, потребности клеток. Во внутренней мембране митохондрий локализованы компоненты электронтранспортной цепи и АТР-синтетазные комплексы, осуществляющие транспорт электронов и протонов и сопряженный с ним синтез АТР. В матриксе располагаются ферментные системы окисления ди- и трикарбоновых кислот, а также ряд систем синтеза липидов, аминокислот и др.

Перокснсомы н глнокснсомы. В растениях присутствуют округлые органоиды диаметром 0,2—1,5 мкм, ограниченные элементарной мембраной и содержащие гранулярный матрикс умеренной электронной плотности. Они получили название микротел. В некоторых микротелах обнаруживается белковый кристаллоид, состоящий из трубочек диаметром около 6 нм. Количество микротел в клетке близко к числу митохондрий. В клетках растений обнаружены два типа микротел, выпол­няющих различные физиологические функции: пероксисомы и глиоксисомы.

Пероксисомы многочисленны в клетках листьев, где они тесно связаны с хлоропластами. В них окисляется синте­зируемая в хлоропластах в ходе фотосинтеза гликолевая кис­лота и образуется аминокислота глицин, которая в митохонд­риях превращается в серии. В листьях высших растений перо­ксисомы участвуют в фотодыхании (см. рис. 3.16).

Глиоксисомы появляются при прорастании семян, в которых запасаются жиры, и содержат ферменты, необходимые для превращения жирных кислот в сахара: системы Р-окисления жирных кислот и глиоксилатный цикл (см. рис. 4.11). При работе ферментных систем пероксисом и глиоксисом обра­зуется пероксид водорода, который разрушается содержащей­ся в этих органоидах каталазой.

Сферосомы. Это сферические, сильно преломляющие свет образования диаметром 0,5 мкм. Они содержат липиды и поэтому их называют также липидными каплями (олеосо-мами). В сферосомах обнаружены такие ферменты, как липаза и эстераза. В них хранятся запасы липидов клетки. При прорастании семян, запасающих жиры, сферосомы функционируют в комплексе с глиоксисомами в процессах глюконеогенеза.

Эндоплазматнческнй ретнкулум. Эндоплазматический ретику-лум (ЭР), или эндоплазматическая сеть (ЭС), представляет собой систему каналов, пузырьков и цистерн, ограниченную мембраной толщиной 5 — 6 нм. ЭР может содержать на своей поверхности рибосомы (гранулярный, или шероховатый, ЭР) или не содержать их (агранулярный, или гладкий, ЭР). Поверхность мембран ЭР в клетке больше других мембран­ных образований, а объем полостей может достигать 16% объема клетки. Эндоплазматическая сеть — очень лабильная структура. Неблагоприятные внешние воздействия (недостаток кислорода и др.) вызывают концентрические закручивания мембран ретикулума.

В мембранах ЭР локализованы редокс-цепи двух типов, с участием которых происходят детоксикация вредных для клетки соединений (NADPH-редуктаза и цитохром Р-450) и превра­щение насыщенных жирных кислот в ненасыщенные (NADH-редуктаза и цитохром Ь₅). В гладком ЭР образуются углеводы, липиды, терпеноиды. В гранулярном ретикулуме синтезируются мембранные белки, ферменты, необходимые для синтеза полисахаридов клеточных стенок, Структурный белок и ферменты клеточных стенок, другие секретируемые белки. По системе ЭР переносятся вещества внутри клетки. Он участвует также в межклеточных взаимодействиях у растений через плазмодесмы (см. ниже).

Аппарат Гольджн. В растительных клетках аппарат Гольд-жи (АГ) представлен диктиосомами, везикулами и межцистер-ными образованиями. Уплощенные цистерны — диктиосомы расположены пачками по несколько штук. Они ограничены мембраной толщиной 7 — 8 нм. На регенерационном полюсе АГ происходит новообразование диктиосом из мембран гладкого ЭР. На секреторном полюсе формируются секре­торные пузырьки (везикулы), содержащие предназначенные для секреишосшёсхва. В клетке растений содержатся от несколь­ких до сотен АГ.

В диктиосомах АГ образуются. гликодротеины. и гликоли-пиды и осуществляется накопление и мембранная «упаковка» соединений, необходимых для синтеза полимеров клеточной стенки и различных растительных слизей. С помощью везикул Гольджи углеводные компоненты доставляются к плазмалемме. Мембрана пузырьков встраивается в плазма-' лемму, способствуя ее росту и обновлению. Секретируемые вещества оказываются в клеточной стенке. Мембраны АГ являются связующим звеном между мембранами ЭР и плазмалеммой.

Вакуолярная система. Вакуоль — типичный органоид расти­тельной клетки. В меристематических клетках вакуоли пред­ставлены мелкими пузырьками; для зрелых клеток характерна большая центральная вакуоль. Вакуолярная система растений формируется несколькими путями. Из расширенных цистерн ЭР образуются провакуоли, слияние которых приводит к возникновению более крупных вакуолей и созданию вакуо-лярной мембраны — тонопласта, который таким образом является производным ЭР. Тонопласт может образовывать инвагинации, что приводит к включению в вакуоль участков цитоплазмы. Гидролитические ферменты, содержащиеся в воз­никшей вакуоли, расщепляют полимеры до низкомолекуляр­ных веществ.

Важную роль в становлении вакуЪлей играют явления автофагии. Процесс начинается с окружения мембраной ЭР участка цитоплазмы (автофагическая вакуоль). Деятельность кислых гидролаз в замкнутом мембраной пространстве приводит к деградации полимерного содержимого и поступле­нию воды. Вакуоли, возникшие в результате автофагии, мо­гут сливаться с вакуолями, образовавшимися иными путями.

Вакуолярный сок имеет сложный состав и включает органические вещества и минеральные соли. Помимо орга­нических кислот, углеводов, аминокислот и белков, которые могут быть вторично использованы в обмене веществ, клеточный сок содержит фенолы, таннины, алкалоиды, анто-цианы, которые выводятся из обмена веществ клетки в вакуоль и таким путем изолируются от цитоплазмы. Большинство ферментов вакуолей — гидролазы с оптимумом активности при кислом рН, что позволяет рассматривать вакуоли растительных клеток в качестве вторичных лизосом. Кислотность вакуолярного сока 5,0 — 6,5 единиц рН, но может быть равной 1,0 (бегония) или 2,0 (лимон).

Вещества доставляются в вакуоль с помощью разнообраз­ных систем транспорта, функционирующих в тонопласте. К ним относится АТР-зависимая Н ⁺-помпа, выносящая ионы Н ⁺ из цитоплазмы в вакуоль (см. рис. 1.3). Ее деятельность обеспечивает поступление в вакуоль анионов органических кислот, Сахаров, а также вход и выход ионов К ⁺ . Пере­носчики, локализованные в тонопласте, обусловливают накоп­ление в вакуолях аминокислот и других соединений.

Важно отметить, что вакуоль может служить местом отло­жения запасных белков (алейроновые зерна). Процесс вакуоли­зации — необходимое условие роста клеток растяжением.

Мнкротрубочкн н мнкрофнламенты (цнтоскелет). В наружном кортикальном слое цитоплазмы неделящихся растительных клеток локализованы микротрубочки (см. рис. 13.2). Их наружный диаметр 30 нм, внутренний — около 14 нм. Они ориентиро­ваны параллельно друг другу и перпендикулярно продоль­ной оси клетки (см. рис. 10.6). При делении клетки микротрубочки составляют основу структуры веретена, пучки трубочек прикрепляются также к кинетохорам хромосом. У монадных водорослей микротрубочки входят в состав жгутиков, обеспечивая их подвижность. Все микротрубочки имеют единый план строения и состоят из глобулярного кислого белка тубулина, субъединицей которого является димер, состоящий из двух глобулярных мономеров (а- и Р-тубулинов). В микротрубочке димеры белка располагаются по спирали. Трубка образована 13 субъединицами тубулина. Цитоплазматические микротрубочки легко диссоциируют на субъединицы (разбираются) и собираются вновь. Для сборки микротрубочек благоприятен кислый рН среды, присутствие магния, GTP и АТР. Разборка ускоряется повышением кон­центрации Са⁺ и низкой температурой.

В цитоплазме растительных клеток обнаружены также филаментные структуры, состоящие из немышечного актина. Это сократительный белок, сходный по молекулярной массе с актином мышц и близкий ему по аминокислотному составу. Он может находиться в мономерной (глобулярный, Г-актин) или в полимерной форме двойной спирали (фибрил­лярный, Ф-актин). Микрофиламенты актина взаимодействуют с микротрубочками кортикального слоя и плазмалеммой. Они участвуют в пространственной организации метаболических процессов, протекающих в растворимой фазе цитоплазмы, и служат основой ее двигательной активности.

Клеточная стенка. Клетки растений окружены плотной полисахаридной оболочкой, выстланной изнутри плазмалеммой. Формируется клеточная стенка на стадии телофазы во время митотического деления клеток. Клеточную стенку делящихся и растущих растяжением клеток называют первичной. После прекращения роста клетки на первичную клеточную стенку изнутри откладываются новые слои и возникает прочная вторичная клеточная стенка.

В состав клеточной стенки входят структурные компоненты (целлюлоза у растений, хитин у грибов), компоненты матрикса стенки (гемицеллюлозы, пектин, белки), инкрустирующие компо­ненты (лигнин, суберин) и вещества, откладывающиеся на поверхности стенки (кутин и воска). Клеточные стенки могут содержать также силикаты и карбонаты кальция.

Целлюлоза (полимер (З-Э-глюкозы), гемицеллюлозы (поли­меры гексоз и пентоз) и пектиновые вещества (производные уроновых кислот) являются углеводными компонентами кле­точных стенок. Целлюлоза и пектиновые вещества адсорби­руют воду, обеспечивая оводненность клеточной стенки. Пектиновые вещества, содержащие много карбоксильных групп, связывают ионы двухвалентных металлов, которые способны обмениваться на другие катионы (Н ⁺ , К⁺ и т.д.). Это обусловливает катионообменную способность клеточных стенок растений. Помимо углеводных компонентов в состав матрикса клеточной стенки входит также структурный белок, называемый экстенсином. Это гликопротеин, содержащий бо­лее 20% L-оксийролина от суммы аминокислот. По этому признаку белок клеточных стенок растений сходен с меж­клеточным белком животных — коллагеном.

Основным инкрустирующим веществам клеточной стенки является лигнин. Интенсивная лигнифика^ия клеточных стенок начинается после прекращения роста клетки. Лигнин пред­ставляет собой полимер с неразветвленной молекулой, состоя­щей из ароматических спиртов (п-кумарового, кониферило-вого, синапового). Разрушение и конденсация лигнина в почве — один из факторов образования гумуса.

В регуляции водного и теплового режима растений участвуют ткани, стенки клеток которых пропитаны субери­ном. Отложение суберина делает стенки трудно проницаемы­ми для воды и растворов (например, в эндодерме, перидерме).

Поверхность эпидермальных клеток растений защищена гидрофобными веществами — кутином и восками: Предшествен­ники этих соединений секретируются из цитоплазмы на по­верхность, где и происходит их полимеризация. Слой кутина обычно пронизан полисахаридными компонентами стенки (целлюлозой, пектином) и образует кутикулу. Кутикула участвует в регуляции водного режима тканей и защищает клетки от повреждений и проникновения инфекции.

В первичных клеточных стенках на долю целлюлозы

Рис. 1.6

^ yj

Схема взаимосвязей между компонентами первичной клеточной стенки (по W. D. Bau­er, 1977)

приходится до 30% сухой массы стенки. Количество геми-целлюлоз и пектиновых веществ меняется в зависимости от объекта. Вместе с белками пектиновые вещества могут составлять около 30% сухой массы клетки, причем количество белка достигает 5 — 10%. Около 40% приходится на долю гемицеллюлоз.

Каким образом взаимосвязаны рассмотренные компоненты в клеточной стенке? Молекулы целлюлозы взаимодействуют между собой водородными связями и собраны в микро­фибриллы (рис. 1.6). Водородные связи существуют также между микрофибриллами целлюлозы и гемицеллюлозами. Большинство остальных связей в клеточной стенке ковалент-ные: между гемицеллюлозами и пектиновыми веществами, между пектиновыми веществами и экстенсином, между лигнином и целлюлозой, экстенсином и лигнином. В пектиновых полимерах, имеющих карбоксильные группы, существенную роль играют ионные связи с участием главным образом кальция. Эти взаимодействия обеспечивают прочность струк­туры клеточной стенки, ее эластичность и пластичность.

Благодаря контакту соседних клеток друг с другом возникает единая система клеточных стенок, получившая название апопласта. По апопласту, минуя мембранные барьеры, от клетки к клетке перемещаются вещества. Межмолекулярное пространство в фазе клеточной стенки, где осуществляются диффузия, адсорбция и освобождение водорастворимых веществ, называется кажущимся свободным пространством (см. 6.11.1).

Клеточные стенки растений пронизаны отверстиями — по­рами диаметром до 1 мкм. Через них проходят тяжи — плазмодесмы (рис. 1.7), благодаря которым осуществляются межклеточные контакты. Каждая плазмодесма представляет собой канал, выстланный плазмалеммой, непрерывно переходя­щей из клетки в клетку. Центральную часть поры занимает десмотрубка, состоящая из спирально расположенных белковых субъединиц. Десмотрубка сообщается с мембранами ЭР соседних клеток. Вокруг десмотрубки имеется слой цитоплазмы,

Рис. 17

Схема строения плаз-мод есмы :

д_ продольный раз­рез; Б — поперечный разрез

1.2