Строение клеточной стенки

Министерство  Сельского Хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО «Тюменская Государственная Сельскохозяйственная Академия

Институт биотехнологии  и ветеринарной медицины

                            Кафедра Анатомии и Физиологии»

 

 

 

Научный реферат по теме

 «СТРОЕНИЕ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ»

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель: доцент кафедры

 «Анатомии и Физиологии»

к.б.н. Федоткина Т. В.

Выполнила: студентка гр.622 «б»

Чубукова С.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Тюмень 2010

Введение

 

Все живые организмы  состоят из клеток и подразделяются на одноклеточные и многоклеточные. Популяция одноклеточных организмов включает клетки одного типа или небольшого количества типов, тогда как у многоклеточных организмов клетки специализированы. По типу строения клетки подразделяются на прокариотческие и эукариотические.

 

 

Все клеточные  организмы имеют сходный химический состав и содержат три основных типа макромолекул: ДНК, PHK белки, а также полисахаридные и липидные компоненты. Кроме того, в клетках присутствуют переменные количества низкомолекулярных веществ — субстратов и продуктов энергетических и конструктивных процессов (аминокислоты, сахара, нуклеотиды и др.). В среднем около 80% клеточной массы составляет вода.

 

 

1. Клеточные  стенки и клеточные мембраны

 

Как правило, клетки окружены двумя  оболочками: клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной, для эукариотических клеток применяют название плазмолемма.

Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки, придавая ей жесткую (ригидную) структуру, благодаря чему клетка выдерживает высокое внутреннее осмотическое давление (5—20 МПа). Кроме того, клеточная стенка может обусловливать некоторую степень избирательной проницаемости для низкомолекулярных веществ, а также способность взаимодействовать с другими клетками, вирусами и физическими поверхностями. Строение клеточной стенки у разных организмов имеет свои особенности.

Клетки большинства тканей многоклеточных животных не содержат выраженной клеточной стенки. Растительные клетки, напротив, имеют очень сложную клеточную стенку, построенную из целлюлозных микрофибрилл, погруженных в матрикс (из пектина и гемицеллюлоз).

Клеточные стенки дрожжей и мицелиальных грибов состоят из гомо- и гетерополисахаридов (глюканов, хитина) и белкового комплекса, выполняющего антигенную роль. Толщина этих слоев достигает 1 мкм.

 

 

Особенности клеточных стенок бактерий связаны со способностью бактерий окрашиваться по Граму. Клеточная стенка громположительных бактерий построена в основном из гетерополисахарида муреина (пептидогликана), содержащего аминокислотные «мостики». В состав клеточной стенки входят также тейхоевые кислоты (рибит- или глицеринтейхоевые), ковалентно связанные с мурамовой кислотой пептидогликана. У грамотрицательных бактерий слой муреина невелик, но в клеточной стенке присутствует наружная мембрана, построенная из фосфолипидов, белков и липопо-лисахарида, обеспечивающая некоторую степень избирательной проницаемости и содержащая рецепторы фагов и антигены. Толщина клеточной стенки составляет от 15 до 80 нм. Существуют бактерии, полностью лишенные клеточной стенки (микоплазмы). У представителей архебактерий (архей) в клеточной стенке отсутствует муреин (иногда содержится отличающийся по составу псевдомуреин), а осмопротекторную роль выполняет слой гликопротеинов (рис. 3).

Цитоплазматическая мембрана состоит из белков и липидов в соотношении от 1: 4 (в миелине, мембране нервных волокон) до 4:1 (в мембранах бактерий). Во многих мембранах присутствуют небольшие количества углеводов (до 5%) и следы РНК, а также неорганические катионы (в основном Са²⁺ и Mg²⁺). Существенную часть мембран составляет вода — она участвует в формировании гидрофобных (энтропийных) связей между компонентами мембраны. Еще в 1930 г. Д. Даниэлян предложил модель мембраны в виде двойного липидного слоя или бислоя. Развитием этих представлений является жидкостно-мозаичная модель, предложенная С.Д. Сингером и Г. Николсоном в 1972 г., согласно которой мембранные белки подразделяются на периферические (слабо связанные с мембраной) и интегральные (локализованные в липидном бислое). Последние свободно плавают в «липидном море», перемещаясь в латеральном направлении (в плоскости мембраны), но неспособны «пронырнуть» на противоположную ее сторону. Таким образом, мембраны оказываются асимметричными, по крайней мере, в отношении белкового состава. Асимметрия наблюдается и в расположении липидов в мембране, но менее выражена. Некоторые из интегральных белков имеют трансмембранную ориентацию и выполняют функции переносчиков субстратов или сигналов. Схема подобной мембраны представлена на рис. 4.

 

 

2. Состав  мембранных липидов

 

Основная часть мембранных липидов  представлена фосфолипидами, в основе которых лежит глицерин-3-фосфат. Такие фосфолипиды называют фосфоацилгпицеринами. В их молекуле гидроксильные группы глицерина при C_f и С₂ этерифицированы жирными кислотами, а остаток фосфорной кислоты либо остается свободным, как в диацилглицерин-3-фосфате (или фосфатидной кислоте), либо этерифицирован спиртовыми гидроксилами серина, этаноламина, холина, инозита, глицерина или глицерина и лизина. Соответственно они называются: фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин (кефалин), фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилинозит, фосфатидилглицерин, лизилфосфатидилглицерин. Объединение молекул фосфатидной кислоты и фосфатидилглицерина дает дифосфатидилглицерин (кардиолипин), обладающий иммунологическими свойствами (рис. 5).

 

 

 

Удаление одной из ацильных групп  приводит к лизофосфолипидам, которые обладают выраженными поверхностно-активными свойствами и могут, например, способствовать эмульгированию жиров в кишечнике.

Мембраны грамположительных бактерий содержат все эти фосфолипиды (кроме  лецитина), тогда как у грамотрицательных  бактерий основным, а то и единственным мембранным фосфолипидом является фосфатидилэтаноламин.

Соотношение различных классов  фосфолипидов в мембране существенно  зависит от условий выращивания  организма. Например, при снижении рН среды в мембранах бактерий начинают преобладать положительно заряженные фосфолипиды (аминоацилфосфатидилглицерины, фосфатидилэтаноламин), наличие которых  существенно уменьшает проницаемость  мембраны для протонов. В большинстве  случаев фосфолипиды представляют собой сложные эфиры глицерина или других многоатомных спиртов, но существуют липиды, в которых одна из спиртовых групп глицерина образует простую эфирную связь с ал килами или алкенами. Необычные липиды найдены у большой группы прокариот, так называемых архебактерий (или архей), в качестве простых эфиров глицерина и длинноцепочечных С-20, С-40-гидроизопреноидных спиртов (полипренолов), точнее, дифитанилдиглицериновых диэфиров или дибифитанилдиглицериновых тетраэфиров (рис. 6).

Мембрана, образованная тетраэфирами, уже не может рассматриваться  как двойной липидный слой в истинном значении этого понятия и не подвергается расщеплению по гидрофобной сердцевине методом «замораживания-скалывания» (freeze-fracture). Она более устойчива к стрессовым воздействиям окружающей среды, что позволяет микроорганизмам, имеющим такие мембраны, существовать в экстремальных условиях рН и температуры (экстремофилы). У термофилов дополнительная стабилизация достигается формированием в полипренольной цепи пятичленньгх циклов, уменьшающих вращательную подвижность углеводородных цепей.

 

 

Кроме фосфолипидов, построенных на основе глицерина, в клетках эу- и  прокариот встречаются фосфолипиды, которые являются производными диодов: этиленгпиколя, 1,2- и 1,3-пропандиолов, 1,3-, 1,4- и 2,3-бутандиолов, а также 1,5-пентандиола. Среди диольных липидов встречаются моно- и диацильные производные — это сложные эфиры различных жирных кислот; простые эфиры, смешанные алкильные (или алкенильные) и ацильные производные, диольные аналоги фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и др. Обычно содержание диольных липидов составляет только 0,5—1,5% содержания глицериновых липидов. Но некоторые морские моллюски и иглокожие содержат в тканях примерно равные количества производных глицерина и этиленгликоля. Содержание диольных липидов уменьшается в течение зимы, поэтому они предположительно могут использоваться как запасные вещества. Замечено также их увеличение в процессе регенерации печени у крыс.

Другим классом «безглицериновых»  липидов являются сфинголипиды, основу которых составляет алифатический аминоспирт сфингозин (или дигидросфингозин) (рис. 7). Построенные на его основе церамиды широко распространены в тканях растений и животных, но количество их незначительно. Они обнаружены также в пилях Escherichia coli. Сфингомиелины входят в состав нервной ткани, липидов крови и некоторых других компонентов клеток животных.

 

 

В большинстве биологических мембран  содержатся также гликолипиды. В клетках животных они, как правило, являются производными сфингозина, у которого к первичному гидроксилу присоединен остаток сахара или олигосахарида. Если сахарами являются глюкоза или галактоза, такие липиды называются цереброзидами (особенно много их в тканях мозга). Если углеводной частью является олигосахарид, речь идет о ганглиозидах (выделены из ганглий, мозга и ряда других тканей). Ганглиозиды найдены также в пилях некоторых бактерий (Neisseria) и определяют прилипание этих патогенов к поверхности клеток животного организма. У прокариот (в основном у грамположительных бактерий и цианобактерий) гликолипиды также содержат глюкозу, галактозу и маннозу. Их количество в мембранах невелико, но при лимитировании фосфором может возрастать, при этом гликолипиды, по-видимому, замещают фосфолипиды. Наконец, в мембранах большинства эукариот (а также у Mycoplasma) содержатся стероиды, в основном холестерин (у животных), эргостерин (у дрожжей) и стигмастерин (у растений). Микоплазмы неспособны синтезировать стерины, но требуют присутствия их в среде для стабилизации клеточной мембраны.

 

3. Природа  и состав жирных кислот в  мембранных липидах

 

Природа жирных кислот в липидах  мембран зависит как от вида организма, так и от условий его существования. Наиболее часто встречающиеся жирные кислоты липидов животных, растительных и прокариотных клеток.

С увеличением числа двойных  связей значительно снижается температура  плавления жирных кислот (а также  содержащих эти кислоты липидов) и повышается их растворимость в  неполярных растворителях. Поскольку  функциональная активность мембранных белков регулируется фазовым состоянием липидов мембраны (как правило, в  жидком состоянии их активность выше), при снижении температуры в мембране должно повышаться содержание ненасыщенных кислот. Благодаря постоянству внутренних условий (гомеостазу) животного макроорганизма влияние температуры на жирнокислотный состав липидов обычно проявляется слабо, но, например, в липидах нижних конечностей пингвинов повышено содержание ненасыщенных жирных кислот.

В мембранах прокариот разнообразие жирных кислот довольно велико. Особенностью бактерий является наличие разветвленных и циклопропановых кислот. У некоторых грамположительных бактерий (например, Micrococcus luteus) 90% жирных кислот липидов составляют разветвленные кислоты, а ненасыщенные кислоты практически отсутствуют. Грамотрицательные бактерии содержат смесь насыщенных и ненасыщенных кислот с преобладанием С-16 и С-18 кислот, а также циклопропановые кислоты (например, лактобацилловую кислоту). Пути их биосинтеза показаны на рис. 8.

 

 

 

Изменение температуры существенно  влияет на соотношение насыщенных и  ненасыщенных жирных кислот в мембранах  прокариот, при этом снижение температуры  культивирования приводит к увеличению доли ненасыщенных кислот. Предельными  случаями являются психрофилы, растущие при температурах, близких к 0"С, у которых присутствуют практически только ненасыщенные жирные кислоты, а также термофилы (привычная температурная среда выше 60°С) — у них все жирные кислоты липидов насыщенные.

Тем не менее состав жирных кислот фосфолипидов у бактерий при культивировании  в стандартных условиях достаточно постоянен, и его можно использовать как таксономический признак  — в интересах классификации  или при анализе состава микробных  сообществ без изолирования в  чистых культурах отдельных представителей.

Для изучения структуры, состава и  функции органелл необходимо, как  правило, изолировать их из клетки в  чистом виде. Обычно это достигается  методом дифференциального центрифугирования после разрушения клеток в механических или ультразвуковых гомогенизаторах.

Кратко охарактеризуем основные процессы и органеллы (в алфавитном порядке).

Аэросомы — однослойные везикулы, мембрана которых построена только из белка. Способствуют повышению плавучести клеток, так как в них содержится газовая фаза, совпадающая по составу с газовой фазой окружающей среды.

Вакуоли — мембранные образования, служащие для поддержания тургорного давления, запасания различных веществ, а также выполняющие лизосомные функции.

Внехромосомная ДНК. В митохондриях и хлоропластах содержится ДНК, образующая нуклеоид бактериального типа. Заключенная в ней генетическая информация не дублируется в ядерной ДНК и способна к автономному выражению в белках посредством собственных систем транскрипции и трансляции (включающих рибосомы 70 S бактериального типа).

У прокариот внехромосомная ДНК  организована в виде плазмид, которые могут существовать и реплицироваться автономно или в интегрированном в хромосому состоянии (например, в виде профага).