ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН
Опорний конспект лекцій
2. БУДОВА І ФУНКЦІЇ РОСЛИННОЇ КЛІТИНИ
Субклітинні структури рослинних клітин
Пластиди
Це обмежені подвійною мембраною круглі чи овальні органели, які містять внутрішню систему мембран різної складності. У пластидах синтезуються та запасаються органічні речовини. Вони можуть бути безбарвні (пропластиди, лейкопласти, етіопласти) або забарвлені (хлоропласти, хромопласти).
У меристемах існують пропластиди. Це дрібні (до 1мкм), різноманітні за формою, недиференційовані пластиди, в яких внутрішня мембрана має лиш слабкі інвагінації. Якщо в зрілих клітинах зберігається ця структура, то вона називається лейкопластом. Лейкопласти найчастіше трапляються в клітинах меристем конуса наростання кореня, клітинах бульб, кореневищах, епідермі листків. Невеликі за розмірами, містять поодинокі тилакоїди й виконують різноманітні функції. У них відкладаються запасні поживні речовини: крохмаль (амілопласти), білок (протеїнопласти), жири (олеопласти) і т.д.
Етіопласти формуються при вирощуванні зелених рослин у темноті. За таких умов у пропластидах формується проламелярне тіло й вони перетворюються в етіопласти. Етіопласти можна розглядати як певну стадію розвитку хлоропластів. Вони утворюються в первинних листках або сім'ядолях паростків до того, як останні вийдуть із ґрунту на світло. При освітленні внутрішня структура мембран етіопластів піддається складній перебудові й вони перетворюються в хлоропласти. У деяких голонасінних це перетворення відбувається й у темноті. Фотосинтез здійснюється в хлоропластах. Вони трапляються переважно в клітинах паренхіми листка й відсутні у меристемі. Це овальні тільця 5-10 мкм довжиною; 2-3 мкм у діаметрі. В одній клітині звичайно є 15-20 хлоропластів і більше (до кількох сотень). Мають зовнішню й внутрішню мембрани. Внутрішня мембрана обмежує внутрішнє гомогенне середовище (строму) і утворює ущільнені плоскі широкі інвагінації - тилакоїди строми, а також невеликі щільні дисковидні утвори - тилакоїди гран. Декілька таких тилакоїдів, що лежать один над одним, формують стопку - грану. Хлоропласт може мати 40-60 гран і, як правило, - від 5 до 20 тилакоїдів у грані. У гранах виявлено перфорації, крізь які мембрани гран поєднуються, а внутрішньотилакоїдний простір сполучається за допомогою вузеньких трубочок - фрет.
Тилакоїдна система - це єдиний компартмент, відокремлений від строми тилакоїдною мембранною системою. Розрізняють три важливі компартменти хлоропластів:
✵ міжмембранний простір між зовнішньою і внутрішньою мембранами;
✵ стромальний;
✵ внутрішньотилакоїдний.
Зовнішня мембрана проникна для метаболітів. Цю проникність забезпечують специфічні мембранні білки - поріни, які формують пори, крізь які вільно проходять речовини з молекулярною масою до 10 кДа.
Стромальний компартмент забезпечує важливі метаболічні цикли фотосинтезу. Тут локалізовані ферментні системи синтезу й перетворення вуглеводів. А внутрішньотилакоїдний - формує протонний градієнт у ході світлових реакцій фотосинтезу. У цих реакціях беруть участь хлорофіли, каротиноїди, компоненти редокс-ланцюгів і запасання енергії, що локалізовані в мембранах тилакоїдів.
Хлоропласти мають власну білоксинтезуючу систему із ДНК, рРНК і 70S рибосомами. Хлоропластна ДНК передається по материнській лінії (через пропластиди). Кільцева ДНК хлоропластів відрізняється від ядерної як за наявною в ній інформацією, так і за фізико-хімічними властивостями. У залежності від виду рослин пластидний геном (пластом) становить лише 0,001-0,1% геному ядра. Але рослинна клітина має багато копій цього геному, завдяки чому вміст пластидної ДНК сягає 5-10% від усього пулу ДНК у клітині.
Хлоропласт - основна клітинна органела, яка забезпечує перетворення сонячної енергії та синтезує в процесі фототрофного живлення енергетичні та пластичні ресурси біосфери. У хлоропластах відбувається також синтез пігментів, хлоропластних цитохромів, жирних кислот (пальмітинової, олеїнової, лінолевої), галактоліпідів.
При рості клітин кількість хлоропластів збільшується шляхом поділу (утворюється перемичка поперек органоїда або відбувається брунькування). Хромопласти. Хромопластами називають нефотосинтезуючі забарвлені пластиди, які містять, в основному, червоні, помаранчеві й жовті пігменти. Вони, як правило, розвиваються із хлоропластів, мають приблизно такі самі розміри та форму, досить подібні й за структурою. Однак не містять системи фотосинтетичних мембран. За своєю внутрішньою структурою хромопласти поділяють на п'ять типів: глобулярний, мембранний, трубчастий, ретикулотрубчастий, кристалічний. Фізіологічна функція хромопластів детально не вивчена. Яскраве забарвлення, можливо, принаджує комах для запилення та поширення насіння.
У стромі всіх пластид міститься кільцева ДНК.
Мікротіла
Круглі органоїди діаметром 0,2-1,5 мкм., обмежені елементарною мембраною, містять гранулярний матрикс. Деколи містять білковий кристалоїд. У клітинах трапляються різні типи мікротілець із певними конкретними функціями.
Пероксисоми - знаходяться в листках, де зв’язані із хлоропластами й мітохондріями. Містять низку окиснювальних ферментів і вважаються компарментами для детоксикації Н2О2. Пероксисоми беруть участь в окремих етапах фотодихання. У них відбувається окиснення гліколевої кислоти, що надходить із хлоропластів, до гліцину, який у мітохондріях перетворюється в серин.
Гліоксисоми - наявні в клітинах ендосперму та сім’ядолях лише під час проростання насіння, що містить запасні жири. Коли сім’ядолі виходять на поверхню ґрунту, використання жирів припиняється, гліоксисоми зникають і з’являються пероксисоми. Цей процес контролюється за допомогою світла. Гліоксисоми містять ферменти, необхідні для перетворення жирних кислот у цукри: системи β-окиснення жирних кислот і гліоксилатний цикл. Завдяки їм ацетил-КоА не окиснюється повністю, а використовується для синтезу вуглеводів. При роботі ферментативних систем пероксисом і гліоксисом утворюється пероксид водню, який руйнується каталазою.
Сферосоми (олеосоми). Сферичні утвори діаметром 0,5 мкм, які сильно заломлюють світло. Містять ліпіди й ферменти ліпазу та естеразу. При проростанні насіння олійних культур сферосоми функціонують у комплексі із гліоксисомами. Беруть участь у процесах глюконеогенезу.
Вакуолярна система
Вакуоля — компартмент усередині протопласта, заповнений водним розчином (клітинним соком) та відокремлений від цитоплазми мембраною - тонопластом. Вакуоля - типовий органоїд рослинної клітини. У меристематичних клітинах вакуолі - це дрібні пухирці; у зрілих є велика центральна вакуоля, яка може займати до 90 % обсягу клітини.
Вакуолярна система формується декількома шляхами:
1. У результаті розширення цистерн ЕР. Спочатку окремі фрагменти пластинчастої чи трубчастої мембранної системи роздуваються, збільшуючись в обсязі, і відокремлюються. Так утворюються провакуолі, які зливаються, а далі формується тонопласт.
2. Шляхом інвагінацій тонопласта. У цьому випадку відбувається захоплення частини цитоплазми разом з високомолекулярними речовинами і навіть органелами. Опинившись всередині збільшеної вакуолі, вони розщеплюються системою гідролаз.
3. Шляхом автофагії. Процес починається з оточення мембраною ендоплазматичної сітки окремої ділянки цитоплазми. Далі відбувається перебудова зовнішньої мембрани та ферментних систем. Завдяки діяльності гідролаз деградує полімерний вміст цитоплазми, що, в свою чергу, сприяє надходженню води.
Вакуолі, утворені різними шляхами, можуть зливатися. 98 % вмісту вакуолі становить вода. Вакуольний сік має специфічний склад і містить органічні речовини (цукри, кислоти, ферменти), сполуки вторинного походження (феноли, таніни, алкалоїди та ін.) і мінеральні солі (Na+, К+, Ca2+, Mg2+, Cl-, залишки SO42-, PO33-). Концентрація розчинених речовин сягає 0,4-0,6 М. Більшість ферментів вакуолі - кислі гідролази. Кислотність вакуолярного соку здебільшого становить 5-6,5 одиниць рН; але може дорівнювати 1 (бегонія), або 2,0 (лимон). Деякі вакуолі містять нерозчинні сполуки (кристали, аморфні відклади, включення). Вакуолярний сік за своїм складом не однаковий не лише в різних рослин, але й у клітинах різних тканин. Однак завжди основним компонентом його є вода. Речовини у вакуолі потрапляють завдяки різноманітним транспортним системам: АТФ-залежна Н+-помпа (транспорт Н+, цукрів, органічних кислот усередину, а К+ - усередину й назовні), білкові переносники тонопласта (амінокислот та інших речовин). У вакуолях відкладаються запасні речовини (алейронові зерна). Тут часто трапляються пігменти. Блакитного, фіолетового або темно-червоного кольору рослинні клітини набувають за рахунок антоціанів, які легко розчиняються у воді. Вони ж визначають забарвлення багатьох овочів, фруктів та квітів.
Вакуолі виконують опорну функцію, створюючи тургор, функцію запасання (запасні білки, насіння тощо) і накопичення відходів діяльності цитоплазми. Від концентрації вакуолярного соку значно залежать осмотичні властивості клітини. Завдяки наявності та діяльності гідролаз виконується ще одна функція - лізосомна.
Процес вакуолізації - необхідна умова для росту клітин розтягуванням.
Мікротрубочки й мікрофіламенти (цитоскелет)
У зовнішньому кортикальному шарі цитоплазми зрілих клітин локалізовані мікротрубочки. Їхній зовнішній діаметр - 30 нм, а внутрішній - 14 нм. Орієнтовані паралельно один до одного вздовж клітини.
Функції мікротрубочок досить різноманітні. При поділі вони становлять основу веретена, беруть участь в утворенні клітинної оболонки (контролюють пакування целюлозних мікрофібрил), мають велике значення у формуванні серединної пластинки. У монадних водоростей мікротрубочки входять до складу джгутиків.
Усі мікротрубочки складаються із глобулярного кислого білка тубуліну. Вважають, що стінку мікротрубочки формують 13 ланцюжків білка тубуліну, згорнутих спірально. Цитоплазматичні мікротрубочки - динамічні структури, які легко дисоціюють на субодиниці і збираються знову. Для збирання мікротрубочок необхідно: кисле рН, іони магнію, ГТФ і АТФ. Дисоціація прискорюється підвищеною концентрацією іонів кальцію й низькою температурою.
У цитоплазмі рослинних клітин є також мікрофіламенти з нем’язевого актину. Цей скоротливий білок може знаходитися в мономерній (глобулярний, Г-актин) чи в полімерній формі подвійної спіралі (фібрилярний, Ф-актин). Складання глобулярних мономерів у подвійну спіраль фібрилярного актину відбувається із затратою енергії та з участю іонів магнію. Мікрофіламенти можуть створювати сіткоподібну структуру цитоплазми, формуючи плетиво безпосередньо під плазмалемою.
Мікрофіламенти актину беруть участь у просторовій організації метаболічних процесів, служать основою рухової активності цитоплазми - циклозу. Вони взаємодіють із мікротрубочками і плазмалемою, формують гнучку структуру цитоскелета. З цитоскелетом пов’язані зміни форми клітини, переміщення внутрішньоклітинних структур, їхнє орієнтування, певна локалізація органел, більшості молекул (ферментів) у цитоплазмі.
Клітинна стінка
Клітини рослин оточені щільною полісахаридною оболонкою, яка всередині вистелена плазмалемою. У вищих рослин клітинна стінка (оболонка) має три шари: серединна пластинка, первинна та вторинна оболонки. При поділі клітини на стадії телофази першою формується серединна пластинка. Вона скріплює оболонки сусідніх дочірніх клітин і складається із клейких, драглистих пектинових речовин.
Основою серединної пластинки є сітчаста структура, утворена ланцюжками пектинової кислоти (синтезується з полігалактуронової кислоти), що щільно переплітаються між собою та з молекулами геміцелюлози. З’єднання окремих молекул відбувається за рахунок утворення подвійних солей кальцію, магнію та етерифікації. За нестачі кальцію пектинові речовини ослизнюються, клітини роз’єднуються (мацерація тканин).
Первинна клітинна стінка. Клітини, що діляться чи ростуть розтягуванням, мають первинну клітинну оболонку (меристеми, мезофіл листка). Після закінчення росту на клітинну стінку зсередини відкладаються нові шари і виникає міцна вторинна оболонка.
До складу клітинної стінки входять :
1. структурні компоненти (целюлоза в рослин, хітин у грибів);
2. компоненти матриксу стінки (геміцелюлоза, пектин, білки);
3. інкрустуючі компоненти (лігнін, суберин);
4. речовини, які відкладаються на поверхні стінки (кутин, віск).
Целюлоза (полімер β-Д-глюкози), геміцелюлоза (полімери гексоз і пентоз) і пектинові речовини (похідні уронових кислот) - вуглеводні компоненти клітинних стінок. Вони адсорбують воду, зв’язують іони металів і зумовлюють катіонообмінну здатність клітинних стінок.
Крім вуглеводів, у матриксі наявні білки (ферменти, лектини, екстенсин, білкові гранули). Білок первинної стінки екстенсин - це глікопротеїд, подібний до колагену, виконує структурну функцію. Містить у своєму складі до 90% всього оксипроліну клітини і має важливе значення при розтягуванні клітинної стінки. Вуглеводмістні білки лектини забезпечують ідентифікацію та взаємодію між різними клітинами, захищають від інфекції, виконують рецепторні функції. Ферменти забезпечують розтягування стінки та вбудовування нових компонентів.
Лігнін - полімер із нерозгалуженим ланцюгом із ароматичних спиртів (кумарового, синапового) і суберин роблять клітинні стінки непроникними для води (ендодерма, перидерма; при здерев’янінні та скорковінні клітин). Поверхня епідермальних клітин захищена кутином і восками. Шар кутину, пронизаний полісахаридними компонентами стінки, утворює кутикулу.
Молекули целюлози зібрані в мікрофібрили й утримуються водневими зв’язками. Водневі зв’язки існують також між мікрофібрилами целюлози та геміцелюлози. Майже всі інші зв’язки в клітинній стінці - ковалентні: між геміцелюлозами й пектиновими речовинами, між пектиновими речовинами й білком екстенсином, між лігніном і екстенсином, лігніном і целюлозою.
Первинна клітинна стінка сягає товщини 0,1-1 мкм та складається із целюлозних мікро- і макрофібрил, занурених у матрикс. Кожна мікрофібрила має довжину 1-5 мкм, діаметр 4-10 нм. 100 молекул целюлози утворюють міцелу, 20 міцел - мікрофібрилу, а 250 мікрофібрил - макрофібрилу.
Первинна клітинна оболонка містить до 80% води.
Воски - складні ефіри високомолекулярних спиртів і жирних кислот, які формують довгий ланцюг ліпідних сполук.
Лігнін. За хімічним складом це група споріднених високомолекулярних полімерів. Головних будівельний блок - фенілпропановий залишок (С6-С3).
Кутин - основний полімер кутикули, що складається з із суміші жирних гідрокислот, поєднаних між собою ефірними зв’язками у тривимірну структуру. Кутин, разом із зануреними у нього восками, утворює кутикулу.
Суберин - побудований аналогічно кутину, але відрізняється природою жирних кислот.
Вторинна клітинна стінка. При її формуванні на первинну оболонку зсередини накладається багато вторинних шарів, вміст целюлози досягає 60%, її фібрили в кожному шарі лежать паралельно, а в сусідніх - під кутом один до одного, в матриксі з’являються різні включення - лігнін, суберин, кутин, віск тощо. Цим досягається значна міцність і твердість вторинної стінки, вона втрачає еластичність, а клітина - здатність до подальшого росту. Головний компонент жорсткої оболонки - лігнін, наявність якого типова для вторинних оболонок клітин деревини. Лігнін скріплює целюлозні волокна й утримує їх у певному місці. Елементи ксилеми, механічні клітини склеренхіми зазнають інтенсивної лігніфікації. Суберин у поєднанні з воском спричинює окорковіння клітинної стінки, що знижує її проникність. Кутин формує кутикулярний шар назовні оболонки, завдяки чому вона стає майже непроникною.
Функції клітинної стінки. Клітинна оболонка є секреторним продуктом протопласту і виконує різноманітні функції.
Клітинна стінка здійснює захист вмісту клітин від пошкоджень і надмірної втрати води, підтримує форму (за рахунок тургору), захищає плазмалему від руйнування в разі високого гідростатичного тиску, служить важливим компонентом іонного обміну клітин та місцем транспорту речовин із клітин у клітину.
Оболонка клітин забезпечує окремим клітинам і рослині в цілому механічну міцність і опору. Вона визначає розмір, форму і стабільність клітини. Одночасно вона може залежно від умов змінювати свої розміри: стискатися чи розтягуватися. Розтягування буває зворотним (еластичним) і частково незворотним (пластичним).
Клітинна оболонка є протиінфекційним бар'єром, тому що містить білки-лектини, захисні речовини (глікопротеїни, еліситери, калозу) та ферменти (оксидази, гідролази), які знешкоджують чужорідні організми або ізолюють їх. У ній містяться ферментативно активні білки, чим зумовлена участь клітинних стінок в обмінних процесах тканин.
Особливості будови та формування клітинної стінки забезпечують одну з унікальних властивостей рослинного організму — здатність до росту розтягуванням.
Клітинна оболонка бере участь у поглинанні, транспортуванні та виділенні речовин.
Стінка кореневих волосків є першим бар’єром на шляху проникнення речовин з ґрунту. Основні механізми пасивного поглинання іонів - це явище адсорбції, меншою мірою - дифузія та масовий потік. Завдяки катіоно- та аніонобмінній властивостям клітинних стінок рослина формує власний поглинальний комплекс. У результаті контакту сусідніх клітин виникає апопласт - єдина система клітинних стінок. По апопласту, минаючи мембранні бар’єри, переміщуються речовини.
Клітинні стінки пронизані порами, через які тягнуться плазмодесми. Плазмодесма - це канал, вистелений плазмалемою й заповнений цитоплазмою. Центральну частину пори займає десмотрубка, яка складається зі спірально розміщених білкових субодиниць. Десмотрубка з’єднується з мембранами ЕС сусідніх клітин.
Сукупність об’єднаних протопластів рослинного організму утворює симпласт.
Таким чином, зв’язки між сусідніми клітинами можуть здійснюватися через плазмалему, цитоплазму, ендоплазматичну сітку, клітинну стінку.
Є дані, що вуглеводні компоненти клітинної оболонки, взаємодіючи із фітогормонами, викликають фізіологічні зміни у клітині.