Лекции по "Биологии"

Ядро. Ядро – важнейший компонент клетки. Основная функция ядра состоит в хранении и передачи наследственной информации, заключенную в молекуле ДНК. Кроме этого, ядро выполняет еще одну важную функцию – контроль за синтезом белка в клетке. В растительной клетке ядро имеет диаметр около 10 мкм. Оно может быть сферическим, удлиненным или лопастным. Внутреннее содержимое ядра (нуклеоплазма) ограничено ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран – внутренней и наружной, между которыми находится перинуклеарное пространство. Ядерная оболочка пронизана порами, через которые транспортируются нуклеиновые кислоты и белки. Ядерная пора обладает избирательной проницаемостью. Обе мембраны ядерной оболочки отличаются по структуре, свойствам и функциям. К внутренней мембране примыкает слой гетерохроматина. Наружная мембрана связана с элементами ЭПР и несет рибосомы. В нуклеоплазме находится хроматин, представляющий собой комплекс нуклеиновых кислот и белков.

Ядрышко. Ядрышко не имеет ограничивающей мембраны. Это плотное тельце, состоящее из рибонуклеопротеинов – рибосом. Оно формируется на участке хромотина, кодирующим р-РНК, который называется ядрышковым организатором.

Рибосомы. Это субмикроскопические частицы, имеющие форму зернышек размером до 0,015 мк. Рибосомы являются местом синтеза (трансляции) белков из отдельных АМК. Рибосома содержит: белок 55% и РНК 35%. Каждая рибосома состоит из двух нуклеопротеиновых субъединиц (малая – 40 сведберга; большая – 60 сведберга), которые удерживаются вместе ионами Mg⁺². Имеется рибосомы цитоплазмы и рибосомы органелл. В цитоплазме растительных клеток находится 80 S рибосомы, в хлоропластах 70 S, а в митохондриях 78-80 S рибосомы. При синтезе белка рибосомы часто объединяются в полирибосомы (полисомы). Полисомы могут находиться в свободном состоянии в цитоплазме и быть связанными мембранами ЭПС или наружной ядерной мембраной.

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, этиопласты) или окрашенными (хлоропласты, хромопласты). В меристемах присутствуют пропластиды, у которых внутренняя мембрана имеет лишь небольшие впячивания. Если структура пропластид сохраняется их называют лейкопластами. В лейкопластах откладываются запасные вещества.   этиопласты формируются при выращивании зеленых растений в темноте. При освещении они превращаются в хлоропласты.

Митохондрии.В растительных клетках митохондрии представлены округлыми или гантелевидными телами диаметром 0,4-0,5 мкм и длиной 1-5 мкм. Количество их варьирует от десятков до 2000 на клетку, меняясь в онтогенезе клетки и в зависимости от ее функционального состояния. Митохондрии ограничены наружной и внутренней мембранами толщиной 5-6 нм каждая. Внутренняя мембрана образует складки – кристы. Мембраны отделяют от цитоплазмы внутреннее содержимое митохондрий – матрикс. В матриксах содержатся рибосомы и митохондриальная ДНК, ответственные за синтез части белков митохондрий. Митохондрии делятся независимо от ядра.

Функции митохондрий. В митохондриях осуществляются процессы дыхания и  окислительного фосфолирования, обеспечивающие энергетические потребности клеток.

Эндоплазматический  ретикулум. Существует 2 разновидности ЭПР – шероховатый и гладкий. ЭПР образованы системой цистерн и каналов, которые ограничены мембраной и находятся в взаимосвязи друг с другом. На поверхности шероховатого ЭПР расположены рибосомы. Функция: обеспечение синтеза, транспорта и начальных пострансляционного модификаций белков, синтезируемых на прикрепленных рибосомах. В гладком ЭПР синтезируются липофольные соединения. Шероховатый и гладкий ЭПР обеспечивают конечные этапы синтеза мембранных липидов. ЭПР активно транспортирует различных соединений по внутри мембранной фазе. У растений по системе ЭПР вещества транспортируются не только в пределах клетки, но и между клетками по плазмодесмам.

Аппарат Гольджи. Аппарат Гольджи представляет собой стопки цистерн (уплощенные мешочки – диктиосомы; «диктион» - сеть), окруженных мембранами. Цистерны окружены мелкими сферическими пузырьками. Аппарат Гольджи имеет два полюса. На одном полюсе образуются новые цистерны, на другом – пузырьки. Новые цистерны образуются из мембранного материала, происходящего из эндоплазматического ретикулума. Одна из основных функций Аппарата Гольджи – его участие в формировании плазмалеммы и клеточной оболочки. Одновременно цистерны аппарата Гольджи могут служит для удаления некоторых веществ, вырабатываемых клеткой.

Вакуоль. Вакуоль – это полость, состоящий из воды, различных органических и минеральных веществ. В молодой клетке обычно имеется несколько мелких вакуолей. В процессе роста клетки из них образуется одна центральная вакуоль, отграниченная от цитоплазмы одинарной мембраной – тонопластом. Основная функция вакуоли – поддержание гомеостаза клетки. Вакуоль играет важную роль в осмотических процессах поступления воды и подержания тургора клетки. В вакуолях может аккумулироваться, и сохранятся питательные вещества.

Лизосомы. Это органеллы диаметром около 2 мкм – окруженные мембраной. Внутренняя полость лизосом заполнена гидролитической жидкостью, в которой содержатся ферменты, катализирующие процессы распада.  В лизосомах происходит разрушение чужеродных веществ, попавших в клетку.

Пероксисомы. Это окруженные мембраной пузырьки сферической формы, более мелкие, чем лизосомы. Их диаметр составляет 0,5-1,5 мкм. В пероксисомах содержатся окислительные ферменты, которые катализируют окисление некоторых кислот, образующихся при фотодыхании (С₂ – путь фотосинтеза)  и расщеплении пероксида водорода.

Микротрубочки. Цитоплазма большинства клеток содержит микротрубочки, диаметром 20-25 нм, толщина 5-8 нм, длина – 10 нм. С микротрубочками связано движение цитоплазмы.

Строение клеточной  стенки, химический состав, основные функции. Видоизменения клеточной стенки.

Характерной особенностью клетки является наличие плотной, механически прочной полисахаридной оболочки, называемой клеточной стенкой. Толщина клеточной стенки колеблется у разных видов растений от десятых долей до 10 мкм. В первичной оболочке каждой клетки имеются тонкие участки – первичные поровые поля, через которые обычно проходят цитоплазматические нити – плазмадесмы. Клеточные стенки различных клеток непосредственно контактируют друг с другом, формируя единую систему - апопласт.

Структура, химический состав и функции клеточной стенки. Клеточная стенка состоит из комплекса полисахаридов и некоторых других полимеров, которые секретируются клеткой. Кроме этого  в этот комплекс входят белки, ферменты, фенольные соединения и другие вещества. Структуру клеточной оболочки составляют переплетенные микро- и макрофибриллы целлюлозы. Макрофибриллы, мицеллы и микрофибриллы соединены в пучки водородными связями. Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной оболочке погружены в аморфную желеобразную массу – матрикс. Матрикс состоит из гемицеллюлозы, пектиновых веществ и белка. Гемицеллюлоза (полуклетчатка) – это смесь веществ, в которую входят пентозаны и гексозаны. Пектиновые вещества – это полимерные соединения углеводородного типа. Различают три вида пектиновых веществ. Пектиновые вещества и гемицеллюлоза образуют трехмерную сетку. Белок придает матриксу оболочки определенную структуру и эластичность. Не все пространство между фибриллами целлюлозы занято матриксом. Остаются промежутки, заполненные водой. Между клеточными оболочками двух соседних клеток имеется срединная пластинка; в его состав входят пектиновые вещества. Эти вещества как бы цементируют, склеивают растущие клетки. При недостатке кальция пектиновые вещества превращаются в слизь, и клетки разъединяются (созревание плодов).

Клеточная оболочка способна к эластичному (обратимому) растяжению. Эластичное растяжение происходит под влиянием воды (тургорного давления). Макрофибриллы целлюлозы не связаны между собой и скреплены только матриксом. Именно они определяют эластичность клеточной оболочки, скользя друг около друга. Клеточная оболочка способна к утолщению и видоизменению. Различают первичную клеточную стенку эмбриональных тканей и клеток, растущих растяжением, и вторичную клеточную стенку, которая формируется внутри первичной после прекращения роста клетки. Утолщение оболочки происходит путем наложения новых слоев на первичную оболочку. При этом фибриллы целлюлозы в каждом слое лежат параллельно, а в соседних слоях  - под углом друг к другу. Этим достигается прочность и твердость вторичной оболочки. В вторичной клеточной стенки содержание целлюлозы больше. По мере увеличения толщины стенки, клетка теряет эластичность и способность к росту. По мере старения клеток матрикс оболочки может заполняться лигнином, суберином (соответственно одревеснение или опробковение). Лигнин образуется из гемицеллюлозы и пектиновых веществ. Одревеснение снижает проницаемость клеточной оболочки, а опробковение делает ее непроницаемой и клетка отмирает.

Клеточная стенка выполняет функции  внешнего скелета для растительной клетки и отделяет клетки друг от друга. Благодаря клеточной стенки в  растительных клетках развивается тургорное давление и поддерживается необходимая форма тканей и органов. Клеточная стенка способна к росту, является хорошим катионообменником, принимая участие в ионном обмене и минеральном питании растения. Клеточная стенка защищает клеток от патогенов и механических повреждений.

Биологические мембраны, их структура, модели организации и  функции.

Химический  состав: мембраны содержат около 60% белков и 40%  липидов. Среди липидов значительная роль принадлежит фосфолипидам. У фосфолипидов две гидроксильные группы в молекуле глицерина замещены жирными кислотами, а третья – фосфорной кислотой. К фосфорной кислоте могут быть присоединены различные соединения, чаще всего аминоспирты – этаноламин или холин.  Молекулы фосфолипидов полярны, они содержат полярную гидрофильную головку (фосфорная кислота, аминоспирт) и два гидрофобных углеводородных хвоста.

Структура мембраны.

Толщина мембран составляет 6 – 10 нм. До недавнего времени предполагалось, что все мембраны имеют сходную  структуру. Однако, современные исследования показали, что толщина различных мембран различна, следовательно и структура мембран различна. В настоящее время имеются разнообразные модели структуры мембран.

Модели  организации биологических мембран

1. Модель двойного слоя с полипептидной цепью в углеводородной фазе.

Для плазмалеммы и мембран хлоропластов, показано наличие глобулярных частиц. Методом замораживания было выявлено, что белки мембраны могут находиться внутри двойного слоя липидов в углеводородной фазе. При этом белки мембраны состоят из гидрофобных АМК.

2. Модель двойного  слоя с полипептидной цепью,  проходящей сквозь слои липидов.

 Согласно этой гипотезе липидный  слой не является непрерывным.

3. Глобулярная модель, в которой полипептидные цепи обволакивают липидные мицеллы.

4. Жидкостно-мозаичная гипотеза строения биологических мембран. В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная гипотеза строения биологических мембран. Согласно этой гипотезе основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов с некоторым количеством других липидов, причем липиды повернуты друг к другу  своими гидрофобными концами. Ненасыщенные жирные кислоты полярных липидов обеспечивают несколько разрыхленное состояние бислоя при физиологических температурах. Этому же способствуют и стерины. Биологические мембраны по составу построены ассиметрично; наружная и внутренняя стороны обращены в качественно разные гидрофильные среды. В наружном слое содержится больше стеринов и гликолипидов. Липиды, входящие в состав мембранного бислоя, не закреплены жестко, а непрерывно меняются местами. Перемещение липидных молекул бывает двух типов:

1.  Латеральная диффузия –  в пределах своего монослоя.

2. Флип-флоп – путем перестановки  липидных молекул противостоящих  друг к другу  в двух монослоях.

В жидких слоях липидных мембран  находятся специализированные протеиновые  комплексы. Липопротеины погружены  в липидную фазу и удерживаются гидрофобными связями (интегральные белки). Гидрофильные белки (перифирические) удерживаются на внутренней и внешней поверхностях мембран электростатическими связями, взаимодействуя с гидрофильными головками полярных липидов.

Функции биологических  мембран.

1. Барьерная. Мембрана позволяет удерживать в небольших объемах необходимые ферменты и метаболиты, создавать гетерогенную физико-химическую микросреду, осуществлять на разных сторонах мембраны разнообразные, иногда противоположно направленные биохимические реакции.

2. Транспортная. В живых клетках различают пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт осуществляется:

а) через фосфолипидную  фазу, если вещество растворимо в липидах,

б) по промежуткам между  липидами, если такие промежутки появляются.

в) с помощью липопротеиновых  переносчиков

г) по специализированным каналам, образованным липопротеиновыми комплексами (натриевые, калиевые и другие каналы).

Активный транспорт осуществляется транспортными АТФ азами с использованием энергии АТФ. Активный транспорт имеет большое значение для трансформации энергии, транспорта веществ, поглощения минеральных солей корнями, роста и других процессов жизнедеятельности растительного организма.

3.Осмотическая. Осмотическая функция выполняется биомембранами. Осмотическое поступление воды защищает клеточную стенку от разрыва. Кроме того, тургор позволяет поддерживать форму и  является силой, обеспечивающий рост растяжением растительных клеток.

4. Структурная. Эта функция мембран заключается в упорядоченности расположения полиферментных комплексов.

5. Аккумуляция и транспорт энергии – одна из важнейших функций мембран.

 6. Рецепторно-регуляторная функция. В состав мембран входят хемо-, фото- и механорецепторы белковой природы, которые воспринимают сигналы внешней и внутренней среды, обеспечивая адаптивные ответы клеток на изменения условий существования.

Диффузия и осмос. Растительная клетка как осмотическая система.

 Огромную роль в поглощении и выделении веществ растительной клеткой играет явления диффузии. Диффузия – это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 моль вещества, носит название химического потенциала. Химический потенциал – это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Для воды вводится понятие водного потенциала. Водный потенциал (ψ) – это способность воды в данной системе (в клетке) совершать работу по сравнению с ой работой, которую совершала бы чистая вода. Когда система или клетка находится в равновесии с чистой водой, ее водный потенциал равен 0.