Чем занято пространство между клеточной оболочкой и протопластом в плазмолизированной клетке
Чем занято пространство между клеточной оболочкой и протопластом в плазмолизированной клетке
ВАКУОЛИ И КЛЕТОЧНЫЙ СОК
Протоплазма клетки выделяет водянистую жидкость, не смешивающуюся с протоплазмой. Эта жидкость называется клеточным соком (см. стр. 71). Полости в протоплазме, заполненные клеточным соком,
Обычно в молодой, только что вышедшей из эмбрионального состояния клетке, заполненной протопластом, имеются многочисленные, но очень мелкие вакуоли округлой или вытянутой формы (рис. 1, 3, 39), заполненные водой с растворенными в ней веществами и коллоидами в состоянии геля. Затем вакуоли увеличиваются и превращаются в систему канальцев, заполненных клеточным соком (рис. 10).
В дальнейшем вакуоли частично обособляются, увеличиваются в размерах, уменьшаясь в числе, сливаются одна с другой и округляются (рис. 3, 4, 39), количество воды в них возрастает, растворенные вещества переходят большей частью в состояние золя, затем появляются настоящие растворы. Позднее вакуоли обычно сливаются в одну крупную центральную вакуолю; протоплазма в это время располагается постенным слоем, где находятся ядро, пластиды, хондриосомы (рис. 1,39). В иных случаях ядро занимает место в центре клетки; окружающая его протоплазма соединяется с постенной протоплазмой тяжами и пластинками, проходящими через полость вакуоли (рис. 4, 12).
Рис. 39. Схема развития клетки, начиная от эмбрионального (меристематического) состояния ее и кончая отмиранием. Некоторые детали протопласта (пластиды, хондриосомы) и оболочки (поры, плазмодесменные канальцы) опущены:
Выше уже отмечалось, что протоплазма живой клетки обладает так называемой избирательной проницаемостью или полупроницаемостью. Это значит, что в ряде случаев через протоплазму внутрь вакуоли или из вакуоли во внешнюю среду могут проходить только молекулы воды, а для крупных молекул органических и неорганических соединений живая протоплазма оказывается непроницаемой. Интенсивность проникновения воды через протоплазму зависит от осмотического давления 1 жидкости в вакуоли и во внешней среде, правильнее сказать, от разности осмотических давлений внутри и вне клетки. Чем выше концентрация раствора (степень диссоциации ионов), тем выше его осмотическое давление, т. е., чем больше разница в концентрациях растворов, разделенных полупроницаемой перегородкой, тем более интенсивно будет проникать вода в сторону раствора с большей концентрацией. Проникновение воды через живую
протоплазму в основном подчиняется законам осмоса. Осмотическое давление измеряют в атмосферах.
Проникновение воды через полупроницаемую перегородку (мембрану) может проходить до тех пор, пока не станут одинаковы осмотические давления жидкостей по обе стороны ее, т. е. станет одинаковой концентрация обоих растворов, или до тех пор, пока осмотическое давление по одну сторону не уравновесится гидростатическим давлением 2 жидкости по другую сторону полупроницаемой перегородки. Таким образом, по гидростатическому давлению соответствующего раствора (в атмосферах) можно измерить и осмотическое давление клеточного сока.
Рис. 40. Схема плазмолиза:
гипертонического раствора, не действующего ядовито на протопласт (например, раствора сахара или 10%-ного раствора калийной селитры), и отсасывая раствор с противоположной стороны кусочками фильтровальной бумаги, можно заметить, что вскоре протопласты, уменьшаясь в объеме, отходят от стенок клеток (рис. 40). Помещая клетки в такой (гипертонический) раствор, можно быть уверенным, что его концентрация сильно превышает концентрацию клеточного сока. Благодаря осмотическим явлениям вода из вакуолей начнет через протоплазму проходить в окружающий раствор. Вакуоли уменьшатся в размерах. В силу сцепления молекул жидкостей и эластичности живой протоплазмы она последует за вакуолей. Следуя за сокращающейся вакуолей, протоплазма отстанет от стенок клетки сначала в отдельных местах, а затем и полностью, и в конце концов в каждой клетке будет
Рис. 41. Различные формы плазмолиза:
лежать округлый или овальный (оттого что он слегка сжат боковыми стенками клетки) протопласт с совсем маленькой вакуолей внутри. Пространство между протопластом и стенками клетки будет занято раствором, вызвавшим плазмолиз (плазмолитиком).
В сильно удлиненных клетках протопласт после плазмолиза распадается на две или несколько округлившихся частей, нередко связанных тонкими плазматическими тяжами. При высокой вязкости протоплазмы и сильном прилипании ее к клеточным стенкам происходит вогнутый плазмолиз: протопласт на некоторых участках поверхности остается в соприкосновении
с клеточной оболочкой, в других местах отходит от нее, будучи обращен при этом вогнутой стороной искривленной поверхности к стенкам (рис. 41, Б). Вогнутый плазмолиз в резко выраженной форме представляет так называемый судорожный или спазматический плазмолиз (рис. 41, В, Г).
Способность плазмолизироваться зависит в значительной мере от возрастной стадии клетки: в молодых растущих и развивающихся клетках протоплазма более вязка и сильно прилипает к оболочке; позже вязкость ее и сцепление плазмалеммы с клеточной оболочкой понижаются, что и проявляется при плазмолизе.
Рис. 42. Выпуклый и вогнутый плазмолиз с нитями Гехта на примере клеток чешуи лука.
Опыты с плазмолизом ставятся не только в ходе учебной практики, но и в научных исследованиях, прежде всего для определения осмотического
1 Под осмотическим давлением раствора понимается сила, которую необходимо приложить, чтобы помешать проникновению воды в раствор, отделенный от нее полупроницаемой мембраной.
2 В опытах с искусственными клетками это давление может быть измерено ртутным манометром.
4 Путем ряда систематических проб находят концентрацию (изоосмотическую) плазмолитика, которая едва вызывает первые признаки плазмолиза. Найдя по таблицам осмотическое давление этой концентрации плазмолитика, можно почти точно указать осмотическое давление клеточного сока в исследуемых клетках.
Научная электронная библиотека
§ 3.1.4. Строение клетки
Размеры клетки широко варьируют от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса). У всех клеток, независимо от их формы, размеров, функциональной нагрузки обнаруживается сходное строение (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Схема строения живой клетки: 1 – оболочка; 2 – мембрана; 3 – цитоплазма; 4 – ядро; 4а – ядрышко; 5 – рибосомы; 6 – эндоплазматическая сеть (ЭПС); 7 – митохондрии; 8 – комплекс гольджи; 9 – лизосомы; 10 – пластиды; 11 – клеточные включения
Снаружи клетка одета мембраной. Внутренняя часть клетки содержит многочисленные органоиды – структурные образования клетки, выполняющие определенные функции жизнедеятельности клетки.
1. Оболочка. Присутствует только у растительных клеток. Состоит из волокон целлюлозы. Функции оболочки: защита клетки от внешних повреждений, придает стабильную форму клетки, эластичность растительным тканям.
Повреждение наружной оболочки приводит к гибели клетки (цитолиз).
2. Мембрана. Тончайшая структура (75 Ǻ), состоит из двойного слоя молекул липидов и одного слоя белков. Такая структура обеспечивает уникальную эластичность и прочность мембране
участие в обмене веществ. Эта функция связана с избирательной проницаемостью в клетку определенных веществ и выведение из нее продуктов обмена. В процессе питания в клетку могут проникать определенные растворы веществ (пиноцитоз) и твердые частицы (фагоцитоз).
Явление фагоцитоза – поглощение клеткой твердых частиц – впервые было описано русским врачом Мечниковым. Фагоцитарная особенность лежит в основе процесса иммунитета. Особенно развита у лейкоцитов, клеток костного мозга, лимфатических узлов, селезенки, надпочечников и гипофиза.
Пиноцитоз – поглощение клеткой растворов – состоит в том, что мельчайшие пузырьки жидкости втягиваются через образующуюся воронку, проникают через мембрану и усваиваются клеткой.
3. Цитоплазма – внутренняя среда клетки. Представляет собой гелеобразную жидкость (коллоидная система), состоит на 80 % из воды, в которой растворены белки, липиды, углеводы, неорганические вещества. Цитоплазма живой клетки находится в постоянном движении (циклоз).
транспортировка питательных веществ и утилизация продуктов обмена клетки;
буферность цитоплазмы (постоянство физико-химических свойств) обеспечивает гомеостаз клетки, поддерживает постоянные нужные параметры жизнедеятельности;
поддержание тургора (упругость) клетки;
все биохимические реакции происходят только в водных растворах, что обеспечивается в среде цитоплазмы.
4. Ядро – обязательный органоид эукариотических клеток. Впервые было исследовано и описано Р. Броуном в 1831 г. В молодых клетках расположено в центре клетки, в старых – смещается в сторону. Снаружи ядро окружено мембраной с крупными порами, способными пропускать крупные макромолекулы. Внутри ядро заполнено клеточным соком – кариоплазмой, основная часть ядра заполнена хроматином – ядерным веществом, содержащим ДНК и белок. Перед делением хроматин образует палочковидные хромосомы. Причём, хромосомы одинакового строения (но содержащие разные ДНК!) образуют пары, зрительно воспринимаемые как одно целое (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Хромосомный набор человеческой клетки перед началом деления
Структурирование всех хромосом в пары свидетельствует о том, что число хромосом – чётное. Поэтому, его часто обозначают 2n, где n – количество хромосомных пар, а соответствующий набор хромосом называют диплоидным. Например, у голубей n = 40 (80 хромосом), у мухи n = 6 (12 хромосом), у собаки n = 39 (78 хромосом), у аскариды n = 1 (2 хромосомы). У человека n = 23 (46 хромосом). Однако, в половых клетках число хромосом в два раза меньше. Поэтому набор хромосом в половых клетках называется гаплоидным. Клетки, не являющиеся половыми называются соматическими. Иногда клетки с гаплоидным набором хромосом называют гаплоидными клетками, а с диплоидным набором хромосом – диплоидными клетками.
При слиянии двух родительских гаплоидных половых клеток образуется диплоидная клетка, дающая начало новому организму с набором генов отца и матери
Совокупность всех хромосом ядра (а значит и генов) клетки называется генотип. Именно генотип определяет все внешние и внутренние признаки конкретного организма.
В соматических клетках 44 Х-образные хромосомы (22 пары) у женщин и мужчин идентичны (сходны по строению), их называют аутосомами. А 23-я пара имеет конфигурацию ХХ – у женщин и ХY – у мужчин. Эти пары хромосом именуются половыми хромосомами.
В половых клетках 22 хромосомы также одинаковые у яйцеклеток и у сперматозоидов, а 23-я хромосома конфигурации Х – у яйцеклетки и Х или Y – у сперматозоидов. Поэтому при слиянии половых клеток и образовании пар хромосом, 23-я пара будет ( <ХY>или <ХХ>) определять пол будущего ребенка.
Необходимо помнить, что хотя в соматических клетках набор хромосом диплоидный (2n), однако, перед началом деления клеток происходит репликация ДНК, то есть, удвоение их количества, а, значит, и удвоение
количества хромосом. Поэтому перед началом деления соматической клетки в ней насчитывается 4n хромосом (рис. 16). Она становится тетраплоидной.
– хранение генетической информации;
– контроль за всеми процессами, происходящими в клетке: делением, дыханием, питанием и др.
4а. Ядрышко – структура, содержащаяся в ядре. Ядро может содержат 1, 2 или более ядрышек. Функция ядрышка – формирование рибосом.
Следует отметить, что не все клетки имеют оформленное ядро. Клетки, имеющие ядро называются эукариотическими или эукариотами. Клетки, не имеющие ядра, называются прокариотическими или прокариотами. Функции ядра у прокариот несёт одна нить ДНК (именуется хромосома), в которой хранится вся генетическая информация. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Как правило, у прокариотов отсутствуют и некоторые другие органоиды. Размеры прокариотических клеток меньше, чем размеры эукариот.
5. Рибосомы – самые мелкие органоиды клетки. Были обнаружены в 1954 г. Французским ученым Паладом. Рибосомы были обнаружены в цитоплазме, а также на гранулярной ЭПС и в ядре.
Функция рибосом: обеспечение биосинтеза белка.
6. Эндоплазматическая сеть. Представляет собой каналы и полости, ограниченные мембраной. Различают две разновидности ЭПС: гранулярная ЭПС и агранулярная ЭПС. Гранулярная ЭПС морфологически отличается от агранулярной наличием на ее поверхности многочисленных рибосом (на агранулярной ЭПС рибосомы отсутствуют).
Функции эндоплазматической сети:
– участие в синтезе органических веществ: на гранулярной ЭПС синтезируются белки, на агранулярной – липиды и углеводы;
– транспортировка продуктов синтеза ко всем частям клетки.
Несложно уяснить, что гранулярная ЭПС характерна для клеток, синтезирующих белки (например клетки желез внутренней секреции), агранулярная ЭПС характерна для клеток-производителей углеводов и липидов (например клетки жировой ткани).
7. Митохондрии – крупные органоиды, состоящие из двойного слоя мембран: наружная – гладкая, внутренняя образует многочисленные гребнеобразные складки – кристы. Внутри митохондрии заполнены жидкостью (матрикс).
Функции митохондрий: основная функция митохондрий – обеспечение клетки энергией. Этот процесс происходит за счет синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) (рис. 3.15), в которой фрагмент
Рис. 3.15. Структурная формула аденозинфосфорных кислот. Для аденозинтрифосфорной кислоты n = 3, для аденозиндифосфорной кислоты n = 2, для аденозинмонофосфорной кислоты n = 1
При взаимодействии молекулы аденозинтрифосфорной кислоты с водой отщепляется один остаток фосфорной кислоты, в результате чего образуется аденозиндифосфорная кислота – АДФ и выделяется огромное количество энергии:
АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + 10 000 калорий.
Впоследствии от АДФ может отщепляться еще один остаток фосфорной кислоты, образуя АМФ – аденозинмонофосфорную кислоту.
АДФ + Н2О = АМФ + Н3РО4 + 10 000 калорий[37].
Освободившаяся энергия используется для жизнедеятельности клетки (КПД процесса превышает 80 %!).
Наряду с распадом АТФ и выделением энергии в клетке постоянно происходит синтез АТФ и накопление энергии (обратные реакции).
Количество митохондрий в клетке зависит от потребности последней в энергии. Так, в клетках кожи человека находится в среднем 5–6 митохондрий, в клетках мышц – до 1000, в клетках печени – до 2500!
8. Комплекс Гольджи. Итальянский ученый Гольджи обнаружил и описал структуру клетки, напоминающую стопки мембран, цистерны, пузырьки и трубочки. Расположена эта система чаще всего возле ядра.
Функции комплекса Гольджи: в полостях комплекса накапливаются всевозможные продукты обмена клетки, которые по каким-либо причинам не вывелись наружу. В последствии эти продукты могут быть использованы клеткой для процессов жизнедеятельности. Из пузырьков и цистерночек комплекса Гольджи в растительных клетках образуются вакуоли, заполненные клеточным соком.
9. Лизосомы – мелкие органоиды. Представляют собой пузырьки, окруженные мембраной. Внутри лизосомы заполнены пищеварительными ферментами (обнаружено 12 ферментов), которые расщепляют и переваривают крупные макромолекулы (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты).
Функции лизосом: растворение и переваривание макромолекул. Лизосомы участвуют в фагоцитозе. Понятно, что основная функция по перевариванию поступающих в клетку частиц принадлежит лизосомам.
10. Пластиды. Эти органоиды характерны только для растительных клеток. Форма напоминает двояковыпуклую линзу. Структура пластид напоминает таковую у митохондрий: двойной слой мембраны. Наружная – гладкая, внутренняя образует складки, называемые тилакоидами. На тилакоидах происходит основной жизненно важный для всех зеленых растений процесс – фотосинтез:
Пластиды бывают трех типов:
1) Хлоропласты – зеленые пластиды. Их цвет обусловлен наличием хлорофилла. Хлорофилл – основное вещество хлоропластов (имеет зеленый цвет). Только благодаря хлорофиллу возможен процесс фотосинтеза (см. раздел 4.2). Хлоропласты придают зеленый цвет растительным организмам.
2) Хромопласты – пластиды, имеющие различные окраски: от ярко-желтого до пурпурно-багряного. Наличие различных пигментов окрашивают плоды, цветки и осенние листья растений в соответствующие цвета. Этот факт особенно важен для привлечения насекомых к цветкам, как природный индикатор созревания плодов и др.
3) Лейкопласты – бесцветные пластиды, в которых происходит накопление запасных питательных веществ (например, крахмала).
Некоторые виды пластид могут переходить друг в друга: например, переход хлоропластов в хромопласты: созревание томатов, яблок, вишни, и т. д.; изменение окраски листьев в осенний период времени. Лейкопласты могут переходить в хлоропласты: позеленение картофеля на свету. Это доказывает общность происхождения пластид.
11. Клеточные включения. Вакуоли. Это непостоянные и необязательные составляющие клетки. Они могут появляться и исчезать в течение всей жизни клетки. К ним относятся капли жира, зерна крахмала и гликогена, кристаллы щавелево-кислого кальция и др. Жидкие продукты обмена называются клеточным соком и накапливаются они в вакуолях. В клеточном соке растворены сахара, минеральные соли, пигменты и т. д. Чем старше клетка, тем больше клеточного сока накапливает клетка. Молодые клетки практически не содержат вакуолей.
Помимо перечисленного некоторые специализированные клетки обладают специальными органоидами. К ним относятся:
– реснички и жгутики, представляющие собой выросты мембраны клетки, осуществляющие движения клетки. Они имеются у одноклеточных организмов и многоклеточных (кишечный эпителий, сперматозоиды, эпителий дыхательных путей);
– миофибриллы – тонкие нити мышечных клеток, участвующие в сокращении мышц;
– нейрофибриллы – органоиды, характерные для нервных клеток и участвующие в проведении нервных импульсов. Кроме того, в состав клеток входят центриоли – две (иногда более) цилиндрические структуры диаметром около 0,1 мкм и длиной 0,3 мкм. Место расположения центриолей в период между делениями клетки считается серединой клеточного центра. При делении клетки центриоли расходятся в противоположные стороны – к полюсам, определяя ориентацию веретена деления (рис. 16).
Следует иметь в виду, что, хотя животные и растительные клетки имеют много общего, но между ними существуют и серьёзные различия (табл. 3.1).
Более общая классификация клеток представлена на рис. 3.16.
Одно из основных отличий бактерий от архей, состоит в химическом составе мембраны. Бактерии отделены от внешней среды двойным слоем липидов (жиров и жироподобных веществ). Мембраны архей состоят из терпеновых спиртов.