Физиологическая роль основных клеточных органоидов

Клетка – сложное образование, в ней обнаружены различные микроскопические и субмикроскопические структуры, обладающие высокой динамичностью и способностью закономерно изменяться соответственно изменениям условий существования организма и приспосабливаться к ним.

Наиболее важными структурами являются ядро и цитоплазма, которые тесно связаны между собой и не могут существовать друг без друга, однако строение и функции их неодинаковы.

Структурные элементы клетки можно разделить на три большие функциональные группы:

1) органеллы, которые катализируют превращение энергии, – митсхондрии и хлоропласта;

2) органеллы, которые катализируют репликацию белков, – рибосомы, полирибосомы;

3) клеточные гранулы и другие образования, которые принимают участие в синтетических реакциях, обмене веществ (сферосомы, цитосомы, элайопласты, транслосомы, осмиофильные гранулы, аппарат Гольджи и т.д.). Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что растительная клетка состоит из большого количества мембранных систем. Многие из субклеточных компонентов имеют мембранное строение. Клеточные мембраны состоят из динамических структур двух типов: мембраны, которые быстро изменяются, однако медленнее, чем мембраны эндоплазматической сети, и мембраны, циркулирующие между определенными внутриклеточными компонентами. Мембраны образуются из закрытых пузырьков (везикул), которые циркулируют в клетке.

Ядро– главный управляющий органоид клетки. Оно покрыто тонкой двухслойной мембраной с порами для соединения ядра с цитоплазмой. Ядро обычно имеет шарообразную форму, но в некоторых случаях – палочкообразную, лопастную и даже сетчатую. В ядре хорошо видна еще меньшая по размеру структура – ядрышко, в котором накапливается и, по-видимому, синтезируется РНК, которая затем переносится в цитоплазму, где она становится основной структурной единицей рибосом. В ядрах содержится большое количество ферментов, обеспечивающих освобождение энергии, ее трансформацию и осуществление многочисленных синтезов. Таким образом, энергетически ядра являются полностью независимыми органоидами клетки, состав их ферментов обеспечивает образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в процессе гликолиза и свидетельствует о высокой метаболической активности.

Химическими компонентами ядра являются в основном белки и нуклеиновые кислоты.

Основные (щелочные) белки – это протамины и гистоны, которые содержат много основных аминокислот: лизина, гистидина и особенно аргинина. Протамины и гистоны с нуклеиновыми кислотами образуют нуклеопротеиды. Другие белки могут содержаться в ядре в виде самостоятельной фазы. Ядрышко состоит из больших гранул, которые по размеру близки к рибосомам (диаметр 15 нм) и содержат большое количество РНК. Основное вещество ядра называется нуклеоплазмой. Ядро содержит хромосомы, которые являются носителями наследственности. Хромосомы имеют хроматиновые структуры, основным компонентом которых является ДНК, а также РНК.

Цитоплазма– пронизана системой мембран, которые отходят от ядерной оболочки и соединяются с внешней мембраной клетки. Эти внутренние клеточные мембраны, образующие густо переплетенную мембрану с многочисленными канальцами и полостями, называют эндоплазм этической сетью. Функциональное значение последней разнообразно. Она принимает участие в синтезе и перемещении ассимилятов. Мембраны эндоплазматической сети пронизывают и объединяют в единое целое клетку, а также служат своеобразными путями перемещения ассимиляторов и передачи раздражения от клетки к клетке, которая осуществляется последовательной перезарядкой поверхности мембран. Химически клеточные мембраны гетерогенны и состоят из протеидов (80%, из них 25% приходится на белки-ферменты) и липидов (20%), среди которых много фосфолипидов.

Митохондрии (от греч. митос – нить, хондрион – гранулы) – органеллы шарообразной формы, диаметром 0,5 мкм и длиной 2 мкм. Это нестойкие структуры, в липофильных жидкостях они разрушаются, а в воде набухают; имеют двойную оболочку, состоящую из внутренней и внешней мембран. Между мембранами есть просвет (10 нм), заполненный сывороткой. Внутренняя мембрана митохондрий образует кристы, или трубочки. К внутренней мембране со стороны стромы присоединены с помощью «стебельков», или ножек, частицы, которые получили название оксисом, потому что они содержат окислительные ферменты. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом, или хондриоплазмой, – вязким раствором, содержащим ферменты.

Митохондрии состоят из белка и липидов, среди которых половина приходится на фосфолипиды. Неотъемлемыми компонентами митохондрий являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и все типы РНК. Находящаяся в матриксе митохондрий ДНК в виде нитей способна к независимой от ДНК ядра репликации. В митохондриях обнаружены специфические рибосомы, которые обеспечивают автономный синтез некоторых белков. Так, митохондрии проростков гороха содержат (в%): белка – 30–40, РНК – 0,5–1,0 и фосфолипидов – 30. В митохондриях сосредоточены ферменты цикла трикарбоновых кислот, флавопротеиды и цитохромы. Митохондрии, дыхательные центры клетки обладают следующими функциями:

1) осуществляют окислительные реакции, являющиеся источником электронов;

2) переносят электроны по цепи компонентов, синтезирующих АТФ;

3) катализируют синтетические реакции, идущие с использованием энергии АТФ;

4) регулируют биохимические процессы в цитоплазме.

Пластиды – имеют двойную мембранную оболочку, внутри которой находится гранулярное вещество, называемое стромой. В начале развития строма пластид имеет гранулярное строение. Структура хлоропласта формируется в несколько этапов. Первичная дифференциация пластиды начинается с инвагинаций внутренней мембраны до образования проламеллярного тела (без света). Второй этап связан с образованием ламеллярногранулярного строения, биосинтезом и накоплением хлорофилла. В хлоропластах высших растений образуются граны, которые состоят из серии ламелл или двойных мембран. Каждая двойная мембрана образует закрытый мешочек, или сумку, которая называется тилакоидом. Ламеллы состоят из белков и липидов. Химический анализ ламелл. выделенных из хлопопластов шпината, показал, что они на 52% состоят из белка и на 48% из липидной фракции, которая включает хлорофилл а и в, каротиноиды (ксантофиллы и каротины), пластохинон, витамин К₁, фосфолипиды (галактозилглицериды, фосфоглицериды), сульфолипиды.

Рибосомы – это рибонуклеопротеидные частицы сферической формы, диаметром 15–35 мм. Они состоят приблизительно из одинакового количества структурного белка и высокополимерной РНК. Комплексы из пяти и более рибосом называются полирибосомами или полисомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц с различными коэффициентами седиментации, которые агрегируют в рибосому с помощью ионов магния. Слипаясь по две, они образуют димеры.

Рибосомы очень пористые и отличаются высокой степенью гидратации, выполняя чрезвычайно важные функции в обмене веществ – это центры биосинтеза белка в клетке. Функции рибосом в белковом синтезе заключаются в том, что они осуществляют процесс, в котором активированные аминокислоты конденсируются, образуя полипептидную цепь.

Сферосомы – субмикроскопические компактные частицы цитоплазмы диаметром 0,4–0,8 мкм, содержат белковую строму и цитохромоксидазу, ферментативно активные, богаты жирами. Сферосомы, по-видимому, осуществляют биосинтез жиров, а именно последний его этап – переэтерифнкацию глицерофосфата путем обмена между фосфорной кислотой и жирными кислотами. Таким образом, Сферосомы считают специализированными органеллами, функция которых – биосинтез жиров.

Лизосомы по структуре и химическому составу близки к сферосомам, но богаче ферментами – в них найдены ферменты нуклеазы, фосфатазы, протеазы и т.д. Вполне вероятно, что лизосомы переваривают макромолекулярные продукты, поглощенные путем пиноцитоза. Они принимают участие и в автолизе клетки.

Цитосомы – мелкие гранулы, которые находятся в тесном контакте с мембранами эндоплазматической сети, чем и отличаются от свободнолежащих сферосом и лизосом.

Транслосомы – толстостенные гранулы, функция которых, по-видимому, заключается в накоплении продуктов метаболизма фенольных производных и их транспортировке в вакуоль.

Наконец, так называемые диктиосомы, или тельца Гольджи, которые могут состоять из отдельных пластинок, палочек и чешуек, разбросанных по всей цитоплазме клетки. Возможно, что аппарат Гольджи принимает участие в управлении общим ходом физиологических процессов, в образовании вакуолей и клеточных оболочек.

Клеточная оболочка состоит из клетчатки, или целлюлозы (С₆Н₁₀О₆)_n, – полисахарида, который гидролизуется до глюкозы; клетчатка является главным веществом хлорофиллоносных растений и по абсолютному количеству занимает первое место среди всех органических веществ на земной поверхности.

Клеточная оболочка начинает развиваться с образования клеточной пластинки в анафазе митоза. Это происходит сразу после деления ядра. Целлюлоза в виде микрофибрилл образует каркас. Микрофибриллы – эластичный строительный элемент клеточной оболочки (стенки). Диаметр микрофибриллы составляет 10–30 нм, длина несколько микрометров.

Основная функция вакуоли – поддержание гомеостаза клетки. В клеточном соке вакуоли в растворенном состоянии содержатся соли, сахаристые вещества, белки, аминокислоты, органические кислоты, липоиды, а также пигменты, которые относятся главным образом к группе флавоноидов. Так, пигменты антоцианы придают лепесткам цветков и другим частям растения красную, фиолетовую, синюю окраску. В корнях столовой свеклы красный цвет обусловливается присутствием в клеточном соке бетанина – гликозида β-цианина (азотсодержащего аналога антоцианина).