Клетка - структурная единица живого организма. Как функциональная единица она обладает всеми свойствами живого: дышит, питается, ей свойствен обмен веществ, выделение, раздражимость, деление и самовоспроизведение себе подобных. Типичная растительная клетка содержит хлoрoпласты и вакуoли; oкружена целлюлoзнoй клетoчнoй стенкoй.
Хлоропласты - двумембранные пластиды зелёного цвета (наличие пигмента хлорофилла). Отвечают за процесс фотосинтеза. Кроме хлоропластов, в растительной клетке имеются жёлто-оранжевые или красные пластиды (хромопласты) и бесцветные пластиды (лейкопласты).
Вакуоль - полость, занимающая 70-90 % общего объёма взрослой клетки, отделённая от цитоплазмы мембраной (тонопластом). Для рaстительных клеток хaрaктерно нaличие вaкуоли с клеточным соком, в котором рaстворены соли, сaхaрa, оргaнические кислоты. Вaкуоль регулирует тургор клетки (внутреннее давление).
Цитоплазма - внутренняя среда клетки, бесцветное вязкое образование, находящееся в постоянном движении. Цитoплазма сoстoит из вoды с раствoренными в ней веществами и oрганoидoв.
Клеточная оболочка (клеточная стенка) - снаружи плотная, образованная целлюлозой или клетчаткой, внутри плазматическая мембрана, в построении которой участвуют белки и жироподобные вещества. Ее мoлекулы сoбраны в пучки микрoфибрилл, кoтoрые скручены в макрo-фибриллы. Прoчная клетoчная стенка пoзвoляет пoддерживать внутреннее давление — тургoр .
Ядро - носитель признаков и свойств клетки и всего организма. Ядро отделено от цитоплазмы двухслойной мембраной. В ядре находятся хромосомы и ядрышки. Число хромосом для вида постоянно. Ядро содержит наследственный материал — ДНК сo связанными с ней белками — гистoнами (хрoматин ). Ядро заполнено ядерным соком (кариоплазмой). Ядрo кoнтрoлирует жизнедеятельнoсть клетки. Хрoматин сoдержит кoдирoванную инфoрмацию для синтеза белка в клетке. Вo время деления наследственный материал представлен хрoмoсoмами.
Плазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана), oкружающая растительную клетку, сoстoит из двух слoев липидoв и встрoенных в них мoлекул белкoв. Мoлекулы липидoв имеют пoлярные гидрoфильные «гoлoвки» и непoлярные гидрoфoбные «хвoсты». Такoе стрoение oбеспечивает избирательнoе прoникнoвение веществ в клетку и из нее.
Лизосомы — мембранные тельца, содержащие ферменты внутриклеточного пищеварения . Переваривают вещества, избыточные органеллы (аутофагия) или целые клетки (аутолиз).
Тело высшего растения образовано клетками, которые отличаются друг от друга строением и функцией. Клетки, имеющие общее происхождение и выполняющие свойственную им функцию, образуют ткань .
Жизнедеятельность клетки
- Движение цитоплазмы осуществляется непрерывно и способствует перемещению питательных веществ и воздуха внутри клетки.
- Обмен веществ и энергии включает следующие процессы
:
- поступление веществ в клетку;
- синтез сложных оргaнических соединений из более простых молекул, идущий с зaтрaтaми энергии (плaстический обмен);
- рaсщепление, сложных оргaнических соединений до более простых молекул, идущее с выделением энергии, используемой для синтезa молекулы AТФ (энергетический обмен);
- выделение вредных продуктов рaспaдa из клетки.
- Размножение клеток делением .
- Рост клеток — увеличение клеток до размеров материнской клетки.
- Развитие клеток — возрастные изменения структуры и физиологии клетки.
Схема. Типичная растительная клетка.
Строение и функции биологических мембран.
Органеллы растительной клетки.
Определение вакуоли. Клеточный сок и его химический состав.
Функции, строение, химический состав и рост клеточной стенки.
История изучения растительной клетки и клеточная теория.
Ботаника (от греч. botanicos - относящийся к растениям, botane - трава, растение) – наука о растениях, их форме, строении, развитии, жизнедеятельности, распространении, свойствах, происхождении, эволюции. Объектами ботаники традиционно являются гетеротрофные грибы, бактерии и растения.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТКИ.
| ГОДЫ | УЧЕНЫЕ | ОТКРЫТИЕ |
| Братья Янсен | Изобрели микроскоп. | |
| Р. Гук | Обнаружил клетку и дал ей название. | |
| 1671-1682 | М. Мальпиги, Н. Грю. | Впервые описали и подтвердили клеточное строение органов растений. |
| А. Левенгук | Описал хроматофоры у спирогиры и хромопласты у высших растений. | |
| XVII-XVIII вв. | Жизненные свойства клетки предписывались ее стенке, а содержимому отводилась второстепенная роль растительной слизи. | |
| Р. Броун | Обнаружил ядро. | |
| Ян Пуркинье | Дал слизистому содержимому клетки название «протоплазма». | |
| 1838-1839 | М. Шлейден, Т. Шван. | Сформулировали клеточную теорию. |
| И.Д. Чистяков | Открыл деление ядра. | |
| Э. Страсбургер | Продолжил изучение кариокинеза. | |
| Р. Вихров | Обосновал принцип преемственности клеток путем деления. | |
| 1866-1898 | Открыли хромосомы, хлоропласты митохондрии, аппарат Гольджи. | |
| 1930-е гг. | Появление электронного микроскопа. |
Характеристика микроскопов
*Нанометр (нм) - одна миллиардная часть метра, одна миллионная миллиметра (мм), одна тысячная микрометра (мкм).
1 нм = 10 -3 мкм =10 -6 мм =10 -7 см=10 -9 м
1 мкм = 10 -3 мм = 10 -6 м
Современная клеточная теория включает такие основные положения:
1. Все живые организмы имеют клеточное строение.
2. Клетка – наименьшая единица живого.
3. Все клетки принципиально сходны по:
а) химическому составу,
б) строению и набору органелл,
в) регулированию метаболизма,
г) использованию генетического кода для синтеза белков,
д) одинаково запасают и расходуют энергию.
4. Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки.
Общая характеристика растительных клеток.
Растительные клетки обладают общностью строения - это клетки эукариотические, имеющие оформленное ядро. От клеток других эукариот - животных и грибов их отличают следующие особенности:
ОТЛИЧИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК ОТ ЖИВОТНЫХ
1. наличие пластид;
2. целлюлозопектиновая жесткая клеточная стенка кнаружи от цитоплазматической мембраны, окружающей любую клетку;
3. хорошо развитая система вакуолей;
4. отсутствие центриолей при делении.
Клетка - основная структурная единица одноклеточных, колониальных и многоклеточных растений.
Форма клетки обычно близка к шаровидной или яйцевидной, но возможна звездчатая или кубическая формы. Иногда форма клеток столь сложна, что не поддается геометрическому определению. У многоклеточных организмов клетки разнообразны по размеру, форме и внутреннему строению, это связано с разделением функций, выполняемых клетками в организме. Все многообразие форм сводят к двум основным типам клеток: паренхимным и прозенхимным.
Паренхимные клетки – их диаметр примерно одинаков во всех направлениях, т.е. длина не более чем в 2...3 раза превышает ширину. Средняя величина клеток растений 10... 1000 мкм. Наиболее крупные паренхимные клетки те, в которых откладываются запасы питательных веществ. Клетки плодов арбуза, лимона, томатов видны невооруженным глазом. Их величина достигает нескольких миллиметров.
Прозенхимные клетки - вытянутые, длина их превышает ширину и толщину в 5, 6, 10, 100 раз и более. Они значительно крупнее клеток паренхимы; например, волосок хлопчатника достигает длины 1...6 см, волоконце льна - 0,2...4 см, однако поперечник этих клеток микроскопически мал, большей частью 50...100 мкм.
3. Понятие о протопласте и его производных.
Компоненты растительной клетки можно разделить на две группы:
1. протопласт , состоящий из цитоплазмы и ядра – это живые компоненты.
2. производные протопласта - клеточная стенка и клеточный сок , являющиеся продуктами его жизнедеятельности .
В цитоплазме находятся:
1. Органеллы (рибосомы, микротрубочки, пластиды, митохондрии).
2. Мембранные системы (эндоплазматический ретикулум и диктиосомы - аппарат Гольджи).
3. Цитоплазматический матрикс, или гиалоплазму, в которую погружены органеллы и мембрпанные системы. От клеточного сока протопласт отделен плазматической мембраной, которая называется тонопластом , от клеточной стенки - другой мембраной - плазмалеммой . В протопласте осуществляются все основные процессы обмена веществ.
Химический состав протопласта очень сложен и постоянно изменяется. Каждая клетка характеризуется своим химическим составом в зависимости от физиологических функций, поэтому обычно устанавливают суммарный состав протопласта.
В состав протопласта входят:
1. вода – 60...90 %,
2. белки - 40...50 % сухой массы протопласта,
3. нуклеиновые кислоты - 1...2 %,
Введение
Растение, как и всякий живой организм, состоит из клеток, причем каждая клетка порождается тоже клеткой. Клетка — это простейшая и обязательная единица живого, это его элемент, основа строения, развития и всей жизнедеятельности организма.
Существуют растения, построенные из одной-единственной клетки. К ним относятся одноклеточные водоросли и одноклеточные грибы. Обычно это микроскопические организмы, но есть и довольно крупные одноклеточные (длина одноклеточной морской водоросли ацетабулярии достигает 7 см). Большинство растений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, — это многоклеточные организмы, построенные из большого числа клеток. Например, в одном листе древесного растения их около 20 000 000. Если дерево имеет 200 000 листьев (а это вполне реальная цифра), то число клеток во всех них составляет 4000 000 000 000. Дерево в целом содержит еще раз в 15 больше клеток.
Растения, за исключением некоторых низших, состоят из органов, каждый из которых выполняет свою функцию в организме. Например, у цветковых растений органами являются корень, стебель, лист, цветок. Каждый орган обычно построен из нескольких тканей. Ткань — это собрание клеток, сходных по строению и функциям. Клетки каждой ткани имеют свою специальность. Выполняя работу по своей специальности, они вносят вклад в жизнь целого растения, которая состоит в сочетании и взаимодействии разных видов работы различных клеток, органов, тканей.
Основными, самыми общими компонентами, из которых построены клетки, являются ядро, цитоплазма с многочисленными органоидами различного строения и функций, оболочка, вакуоль. Оболочка покрывает клетку снаружи, под ней находится цитоплазма, в ней — ядро и одна или несколько вакуолей. Как строение, так и свойства клеток разных тканей в связи с их разной специализацией резко различаются. Перечисленные основные компоненты и органоиды, о которых речь пойдет дальше, развиты в них в различной степени, имеют неодинаковое строение, а иногда тот или иной компонент может вовсе отсутствовать.
Главнейшими группами тканей, из которых построены вегетативные (непосредственно не связанные с размножением) органы высшего растения, являются следующие: покровные, основные, механические, проводящие, выделительные, меристематические. В каждую группу обычно входит несколько тканей, имеющих сходную специализацию, но построенных каждая по-своему из определенного вида клеток. Ткани в органах не изолированы друг от друга, а составляют системы тканей, в которых элементы отдельных тканей чередуются. Так, древесина — это система из механической и проводящей, а иногда и основной ткани.
Структура растительной клетки
Клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов.
Клетки эмбриональных (неспециализированных) тканей животных и растений в общем плане строения очень сходны. Именно это обстоятельство в свое время явилось причиной для появления и развития клеточной теории. Морфологические различия проявляются уже в дифференцированных клетках специализированных тканей растений и животных. Особенности строения растительной клетки, как и растения в целом, связаны с образом жизни и способом питания. Большинство растений ведет относительно неподвижный (прикрепленный) образ жизни. Специфика питания растений состоит в том, что вода и питательные вещества: органические и неорганические, находятся вокруг в рассеянном виде и растению приходится их поглощать путем диффузии. Кроме того, зеленые растения на свету осуществляют автотрофный способ питания. Благодаря этому, эволюционно сложились некоторые специфические особенности строения и роста растительных клеток. К ним относятся:
· прочная полисахаридная клеточная стенка, окружающая клетку и составляющая жесткий каркас;
· пластидная система, возникшая в связи с автотрофным типом питания;
· вакуолярная система, которая в зрелых клетках обычно представлена крупной центральной вакуолью, занимающей до 95% объема клетки и играющей важную роль в поддержании тургорного давления;
· особый тип роста клеток путем растяжения (за счет увеличения объема вакуоли);
· тотипотентность, то есть возможность регенерации полного растения из дифференцированной растительной клетки;
· есть еще одна деталь, отличающая растительные клетки от клеток животных: у растений при делении клеток не выражены центриоли.
Строение клетки в самом общем виде известно вам еще из курса общей биологии и при подготовке к вступительным экзаменам вы достаточно хорошо штудировали эту тему. Эта тема в разных аспектах рассматривается и в соответствующих университетских курсах (например, зоология беспозвоночных, низшие растения). Кроме того, более детальное знакомство с клеткой на высоком уровне предстоит в курсе «цитология». Нам же важно акцентировать внимание на специфических особенностях строения растительной клетки, причем преимущественно клетки высшего растения.
При самом поверхностном рассмотрении структуры типичной растительной клетки в ее составе обнаруживаются три основных компонента:
1. клеточная стенка,
2. вакуоль, занимающая в зрелых клетках центральное положение и заполняющая практически весь их объем и
3. протопласт, оттесняемый вакуолью к периферии в виде постенного слоя.
4. Именно эти компоненты обнаруживаются на малом увеличении светового микроскопа. Причем клеточная оболочка и вакуоль являются продуктами жизнедеятельности протопласта.
Живое тело клетки? протопласт состоит из органоидов, погруженных в гиалоплазму. К организмам клетки относятся: ядро, пластиды, митохондрии, диктиосомы, эндоплазматический ретикулум, микротельца и др. Гиалоплазма с органеллами за вычетом ядра составляет цитоплазму клетки.
Для выражения размеров субклеточных структур используются определенные меры длины: микрометр и нанометр.
Микрометр в системе единиц измерения СИ величина, равная 10-6 м. Говоря другими словами, микрометр (аббревиатура мкм) составляет 1/1000000 долю метра и 1/1000 долю миллиметра. 1 мкм = 10-6 м. Старое название этой меры микрон.
Нанометр в той же системе представляет миллионную долю миллиметра 1 нм = 10-9 м и тысячную долю микрометра.
Размеры и форма растительных клеток варьируются в широком диапазоне. В типичном случае размеры клеток высшего растения колеблются в пределах 10 - 300 мкм. Правда, встречаются клетки - гиганты, например, клетки сочной мякоти плодов цитрусовых составляют в поперечнике несколько миллиметров или чрезвычайно длинные лубяные волокна у крапивы достигают 80 мм длины при микроскопической толщине.
По форме различают изодиаметрические клетки, у которых линейные размеры во всех направлениях равны или отличаются незначительно (то есть длина, ширина и высота этих клеток сопоставимы). Такие клетки называют паренхимными (паренхима).
Сильно вытянутые клетки, у которых длина во много раз (иногда в сотни и тысячи) превышает высоту и ширину, называют прозенхимными (прозенхима).
Методы изучения растительной клетки
Для изучения клеток разработано и применяется множество методов, возможности которых определяют уровень наших знаний в этой области. Успехи в изучении биологии клетки, включая наиболее выдающиеся достижения последних лет, как правило, связаны с применением новых методов. Поэтому для более полного понимания клеточной биологии необходимо иметь хотя бы некоторое представление о соответствующих методах исследования клетки.
Световая микроскопия
Самым древним и, вместе с тем, наиболее распространенным методом изучения клетки является микроскопия. Можно сказать, что и начало изучения клетки было положено изобретением светового оптического микроскопа.
Невооруженный человеческий глаз имеет разрешающую способность около 1/10 мм. Это означает, что если вы смотрите на две линии, которые находятся друг от друга на расстоянии меньше 0,1 мм, они сливаются в одну. Чтобы различить структуры, расположенные более тесно, применяют оптические приборы, например, микроскоп.
Но возможности светового микроскопа не безграничны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, то есть оптический микроскоп может быть использован только для изучения таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны светового излучения. Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (или 200 нм), то есть примерно в 500 раз улучшает человеческий глаз. Теоретически построить световой микроскоп с большим разрешением невозможно.
Многие компоненты клетки близки по своей оптической плотности и без специальной обработки практически не видны в обычный световой микроскоп. Для того, чтобы сделать их видимыми, используют различные красители, обладающие определенной избирательностью.
В начале XIX в. Возникла потребность в красителях для окрашивания текстильных тканей, что в свою очередь вызвало ускоренное развитие органической химии. Оказалось, что некоторые из этих красителей окрашивают и биологические ткани и, что было уж совсем неожиданно, часто предпочтительно связываются с определенными компонентами клетки. Использование таких избирательных красителей дает возможность более тонко исследовать внутреннее строение клетки. Приведем лишь несколько примеров:
· краситель гематоксилин окрашивает некоторые компоненты ядра в синий или фиолетовый цвет;
· после обработки последовательно флороглюцином и затем соляной кислотой одревесневшие оболочки клеток становятся вишнево - красными;
· краситель судан III окращивает опробковевшие клеточные оболочки в розовый цвет;
· слабый раствор йода в йодистом калии окрашивает крахмальные зерна в синий цвет.
Для проведения микроскопических исследований большую часть тканей перед окраской фиксируют. После фиксации клетки становятся проницаемыми для красителей, а структура клетки стабилизируется. Одним из наиболее распространенных фиксаторов в ботанике является этиловый спирт.
Фиксация и окрашивание не единственные процедуры, используемые для приготовления препаратов. Толщина большинства тканей слишком велика, чтобы их сразу можно было наблюдать при высоком разрешении. Поэтому выполняют тонкие срезы на микротоме. В этом приборе использован принцип хлеборезки. Для растительных тканей изготавливают чуть более толстые срезы, чем для животных, поскольку клетки растений обычно крупнее. Толщина срезов растительных тканей для световой микроскопии около 10 мкм - 20 мкм. Некоторые ткани слишком мягкие, чтобы из них сразу же можно было получить срезы. Поэтому после фиксации их заливают в расплавленный парафин или специальную смолу, которые пропитывают всю ткань. После охлаждения образуется твердый блок, который затем режется на микротоме. Правда, для растительных тканей заливка применяется значительно реже, чем для животных. Это объясняется тем, что растительные клетки имеют прочные клеточные стенки, составляющие каркас ткани. Особенно прочны одревесневшие оболочки.
Однако заливка может нарушить структуру клетки, поэтому применяют еще и другой метод, где эта опасность уменьшена? быстрое замораживание. Здесь можно обойтись без фиксации и заливки. Замороженную ткань режут на специальном микротоме (криотоме).
Замороженные срезы, приготовленные таким способом, имеют явное преимущество, поскольку в них лучше сохраняются особенности естественной структуры. Однако их труднее готовить, а присутствие кристаллов льда все же нарушает некоторые детали.
Микроскопистов всегда беспокоила возможность потери и искажения некоторых компонентов клетки в процессе фиксации и окраски. Поэтому полученные результаты проверяют другими методами.
Весьма заманчивой представлялась возможность исследовать под микроскопом живые клетки, но так, чтобы более отчетливо проявились детали их строения. Такую возможность дают особые оптические системы: фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. Хорошо известно, что световые волны, подобно волнам воды, могут интерферировать друг с другом, увеличивая или уменьшая амплитуду результирующих волн. В обычном микроскопе, проходя через отдельные компоненты клетки, световые волны меняют свою фазу, хотя человеческий глаз этих различий не улавливает. Но за счет интерференции можно преобразовать волны, и тогда разные компоненты клетки можно отличить друг от друга под микроскопом, не прибегая к окрашиванию. В этих микроскопах используют 2 пучка световых волн, которые взаимодействуют (налагаются) друг на друга, усиливая или уменьшая амплитуду волн, поступающих в глаз от разных компонентов клетки.
Электронная микроскопия
Возможности светового микроскопа, как уже было сказано, ограничиваются длиной волны видимого света. Его максимальная разрешающая способность составляет примерно 0.2 мкм.
Большой шаг вперед был сделан в микроскопии в 20-х годах нашего века, когда было обнаружено, что соответствующим образом подобранные электромагнитные поля можно использовать подобно линзам для фокусирования пучков электронов.
Длина волны электрона значительно меньше, чет длина волны видимого света, и если вместо света использовать электроны, то предел разрешения микроскопа может быть заметно снижен.
На основе всего этого был создан микроскоп, в котором вместо света используется пучок электронов. Первый электронный микроскоп сконструировали в 1931 г. Кнолл и Руска в Германии. Прошло, однако, много лет, прежде чем появилась возможность изучать при помощи этого микроскопа срезы тканей. Лишь в 50-е годы были разработаны методы изготовления срезов, обладающих необходимыми качествами. С этого времени началась новая эра микроскопии, и в науку буквально хлынул поток информации о тонком строении клеток (ультраструктуре клеток).
Сложности электронной микроскопии состоят в том, что для исследования биологических образцов необходима специальная обработка препаратов.
Первая трудность заключается в том, что электроны обладают очень ограниченной проникающей способностью, поэтому следует изготавливать ультратонкие срезы, толщиной 50 - 100 нм. Для того, чтобы получить столь тонкие срезы, ткани сперва пропитывают смолой: смола полимеризуется и формирует твердый пластмассовый блок. Затем с помощью острого стеклянного или алмазного ножа срезы нарезают на специальном микротоме.
Есть еще одна трудность: при прохождении через биологическую ткань электронов не получается контрастного изображения. Для того, чтобы получить контраст, тонкие срезы биологических образцов пропитывают солями тяжелых металлов.
Существует два основных типа электронных микроскопов. В трансмиссионном (просвечивающем) микроскопе пучок электронов, проходя сквозь специально подготовленный образец, оставляет его изображение на экране. Разрешающая способность современного трансмиссионного электронного микроскопа почти в 400 раз больше светового. Эти микроскопы имеют разрешающую способность около 0,5 нм (для сравнения: диаметр атома водорода около 0,1 нм).
Несмотря на столь высокое разрешение, просвечивающие электронные микроскопы имеют крупные недостатки:
· приходится работать с фиксированными материалами;
· изображение на экране получается двумерным (плоским);
· при обработке тяжелыми металлами разрушаются и видоизменяются некоторые клеточные структуры.
Трехмерное (объемное) изображение получают с помощью сканирующего электронного микроскопа (ЭМ). Здесь луч не проходит через образец, а отражается от его поверхности.
Исследуемый образец фиксируют и высушивают, после чего покрывают тонким слоем металла? операция называется оттенением (образец оттеняют).
В сканирующем ЭМ сфокусированный электронный пучок направляется на образец (образец сканируют). В результате металлическая поверхность образца испускает вторичные электроны слабой энергии. Они регистрируются и преобразуются в изображение на телевизионном экране. Максимальное разрешение сканирующего микроскопа невелико, около 10 нм, но зато изображение получается объемным.
Метод замораживания-скалывания
Принципиально новые возможности электронной микроскопии открылись сравнительно недавно, после разработки метода «замораживания - скалывания». С помощью этого метода исследуются тончайшие детали строения клетки, при этом получается объемное изображение в трансмиссионном электронном микроскопе.
При обычном замораживании в клетках образуются кристаллики льда, которые заметно искажают их структуру. Во избежание этого клетки замораживают очень быстро при температуре жидкого азота (- 196¦ С). При таком мгновенном замораживании кристаллы льда не успевают образоваться, и клетка не испытывает деформаций.
Замороженный блок раскалывают лезвием ножа (отсюда и название метода). Затем, обычно в вакуумной камере, избыток льда удаляют возгонкой. Эта операция называется травлением. После травления более резко обозначается рельеф в плоскости скола. Полученный образец оттеняется, то есть на поверхность образца напыляется тонкий слой тяжелых металлов. Однако весь фокус состоит в том, что напыление производится под углом к поверхности образца. Это очень важный момент. Появляется эффект тени, изображение выглядит объемным.
В трансмиссионном микроскопе электронный луч способен проникнуть только через очень тонкие срезы. Обычная толщина оттененных образцов чрезмерно велика, поэтому органическую материю, подстилающую слой металла, необходимо растворить. В результате остается тонкая металлическая реплика (или отпечаток) с поверхности образца. Реплику и используют в трансмиссионном микроскопе.
Этот метод предоставил, например, уникальную возможность наблюдать внутреннее строение мембран клетки.
Дифференциальное центрифугирование
Помимо микроскопии, другим основным и широко распространенным методом изучения клеток является дифференциальное центрифугирование или фракционирование.
Принцип метода состоит в том, что при центрифугировании развивается центробежная сила, под воздействием которой взвешенные частицы оседают на дно центрифужной пробирки.
После того, как в начале 40-х годов начали использовать ультрацентрифугу, разделение клеточных компонентов стало вполне реальным.
Прежде, чем подвергнуть клетки центрифугированию, их необходимо разрушить - разрушить жесткий каркас клеточных оболочек. Для этого используют различные методы: ультразвуковую вибрацию, продавливание через маленькие отверстия или самое обычное измельчение растительных тканей пестиком в фарфоровой ступе. При осторожном применении методов разрушения можно сохранить некоторые органеллы целыми.
При высокоскоростном центрифугировании крупные компоненты клетки (например, ядра) быстро оседают (седиментируют), при относительно низких скоростях и образуют осадок на дне центрифужной пробирки. При более высоких скоростях в осадок выпадают более мелкие компоненты, такие как хлоропласты и митохондрии.
То есть при центрифугировании компоненты клетки распадаются на фракции: крупные и мелкие, поэтому второе название метода? фракционирование. При этом, чем выше скорость и длительность цетрифугирования, тем мельче полученная фракция.
Скорость седиментации (осаждения) компонентов выражается с помощью коэффициента седиментации, обозначаемого S.
Этапы дифференциального центрифугирования: низкая скорость (ядра, цитоскелет), средняя скорость (хлоропласты), высокая скорость (митохондрии, ризосомы, микротельца), очень высокая скорость (рибосомы).
Фракционированные клеточные экстракты, называемые также бесклеточными системами, широко используются для изучения внутриклеточных процессов. Только работая с бесклеточными экстрактами, можно установить детальный молекулярный механизм биологических процессов. Так, использование именно этого метода принесло триумфальный успех в изучении биосинтеза белка.
Ну и вообще, чистые фракции внутриклеточных структур можно подвергать любым видам анализа.
Метод культуры клеток
Клетки животных, выделенные в культуру (то есть помещенные на питательную среду), погибают после определенного числа делений, поэтому считаются трудным и неудобным объектом для культивирования. Другое дело клетки растений, способные делиться неограниченное число раз.
Метод культуры клеток облегчает изучение механизмов клеточной дифференциации у растений.
На питательной среде клетки растений образуют однородную недифференцированную клеточную массу- каллус. Каллус обрабатывают гормонами. Под влиянием гормонов клетки каллуса могут давать начало разным органам.
Клетка-это элементарная живая система, тот кирпичик, из которого состоят все живые организмы, только у многоклеточных клетки различаются по строению и функциям, а у одноклеточных клетка сама-целый организм.
Клеткам присущи все свойства живого организма — обмен веществ, а значит и дыхание, питание и выделение; выработка необходимой для жизни энергии, размножение с передачей наследственной информации и др.
Вся живая материя на Земле делится на два надцарства — прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии. Все остальные организмы являются эукариотами, т.е. имеют ядро.
Рассмотрим подробно строение растительной клетки.
Клетки растений, так же как и клетки животных, состоят из наружной мембраны, цитоплазмы (протоплазмы) и ядра. Цитоплазма в свою очередь состоит из гиалоплазмы — желеобразного белкового вещества, и различных органелл, расположенных в ней.
У растений, грибов и бактерий, в отличие от животных и простейших, снаружи от цитоплазматической мембраны имеется еще одна оболочка — так называемая клеточная стенка . Она жесткая, прочная, и выполняет защитную, механическую и транспортную функции. У растений она состоит из целлюлозы (клетчатки) и пектинов. (у грибов -из хитина, а у бактерий из полисахаридов). Со временем происходит одревеснение клеточной стенки и отмирание клетки.
У злаков и некоторых других растений в клеточной стенке откладываются минеральные вещества, благодаря чему растение становится жестче — это защита от поедания животными.
В клеточной стенке имеются отверстия, через которые соседние клетки сообщаются друг с другом с помощью выростов — плазмодесм.
Гиалоплазма представляет собой густой раствор различных неорганических и органических молекул в воде. Она движется внутри клетки, увлекая за собой органеллы. Также она может пропускать через себя одни вещества и не пропускать другие, участвуя в обмене веществ как внутри клетки, так и между клетками.
Кроме того в растительной клетке находятся полости, ограниченные мембраной, и заполненные вязким клеточным соком — вакуоли. Клеточный сок — это вода с растворенными в ней минеральными солями и органическими веществами -глюкозой, фруктозой, пектинами и др., а также продуктами обмена. Иногда клеточный сок окрашен, и придает окраску растению, Например, у краснокочанной капусты. В старых клетках вакуоль может занимать почти весь объем клетки. Вакуоли служат хранилищем запасов воды в клетке, и придают тургор (плотность) тканям растения.
Цитоскелет. Цитоплазма клеток эукариотов пронизана трехмерной сетью белковых нитей, образующих так называемый цитоскелет. Цитоскелет выполняет три основные функции:
- Служит механическим каркасом, придающим клетке форму, а также связывает мембрану с органеллами
- Работает как мотор при движении или работе клетки (у животных — работа мышц, у растений — движение листьев, раскрывание лепестков и т.д)
- Служит «рельсами» для передвижения органелл, например, митохондрий или пластидов, внутри клетки
Митохондрии
Митохондрии — энергетические станции клетки. В них происходит образование энергии, необходимой для всех жизненных процессов в клетке. Поглощая из цитоплазмы органические вещества, митохондрии расщепляют их при участии кислорода (иначе говоря, «сжигают»), и синтезируют из них молекулы АТФ — основной источник энергии в клетке. При этом также образуется вода и углекислый газ. Таким образом митохондрии-основные потребители кислорода в клетке, и первыми страдают при его недостатке. Митохондрии состоят из двух мембран, гладкой наружной и складчатой внутренней. Складки внутренней мембраны образуют перегородки — кристы.
Пластиды
Пластиды — органеллы, состоящие из мембран, и содержащие особые пигменты. Пластиды имеются только у растений.
Выделяют три вида пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.
Хлоропласты — содержат зеленый пигмент хлорофилл, они присутствуют в листьях и других зеленых частях растения. Хлоропласты участвуют в фотосинтезе — образовании органических веществ из воды и углекислого газа, используя энергию солнечного света.
Хромопласты — пластиды, содержащие другой пигмент — красного или желтого цвета. Хромопласты придают окраску цветам, осенним листьям. Они создают все разнообразие и красоту растительного мира.
И, наконец, лейкопласты — бесцветные пластиды, они содержатся в клетках луковиц, корней, стеблей и других неокрашенных частей растений. Зато в них накапливаются некоторые органические вещества.
При определенных условиях различные виды пластид могут превращаться друг в друга.
Ядро
Ядро — это хранилище наследственной информации — ДНК, а также главный регулятор синтеза белка. В ядре можно увидеть ядрышки, они исчезают, когда клетка начинает делиться. В ядрышках образуются рибосомы, органеллы, ответственные за синтез белка. ДНК в ядре находится в виде хромосом.
Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть — это система мембран и цистерн, которые сообщаются с ядром, переходя в его мембрану. Это вызвано общими функциями этих органелл — синтезом белка и других веществ. Выделяют гладкую и шероховатую эндоплазматическую сеть. На мембранах шероховатой эндоплазматической сети находятся рибосомы. Ее функция — синтез белка. Гладкая эндоплазматическая сеть занимается синтезом липидов, участвует в углеводном обмене и др.
Аппарат Гольджи — Это еще одна мембранная органелла клетки. Выглядит Аппарат Гольджи как стопка цистерн, от которых отрываются пузырьки — секреторные гранулы. Аппарат Гольджи связан с эндоплазматической сетью, и занимается секрецией и транспортом белков, ферментов и всего того, что синтезировалось в ней. Образующиеся пузырьки с секретом — лизосомы — могут как перемещаться по клетке, так и выводить секрет наружу, в межклеточное пространство.
Рибосомы — маленькие, но очень важные органеллы, отвечающие за синтез белка. Они находятся в клетке как в свободном состоянии, так и прикрепленными к мембранам шероховатой эндоплазматической сети.
Клеточный центр (или центросома) — имеется не у всех растений. Это немембранная органелла, которая участвует в клеточном цикле — делении клетки, а также в формировании жгутиков и ресничек у некоторых растений.
Итак, мы разобрали основные органеллы растительной клетки, и теперь подведем итоги, за что же они отвечают:
Органелла |
Функция в клетке |
| Ядро | Хранение и передача наследственной информации, синтез белка |
| Митохондрия | Выработка энергии для клетки и запасание ее в виде АТФ |
| Пластиды | Хлоропласты — Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды на светуХромопласты — Придают окраску, привлекательный для насекомых и животных видЛейкопласты — запасают питательные вещества |
| Эндоплазматическая сеть | Синтез белка, жиров и др. веществ |
| Аппарат Гольджи | Транспорт и секреция веществ |
| Рибосомы | Синтез белка |
| Клеточный центр | Участвует в делении клетки, формировании жгутиков и ресничек |
| Вакуоль | Запасает воду, минеральные и органические вещества |
Содержание:Строение растительной клетки
Растение, как и всякий живой организм, состоит из клеток, причем каждая
клетка порождается тоже клеткой. Клетка - это простейшая и обязательная
единица живого, это его элемент, основа строения, развития и всей
жизнедеятельности организма.
Цитология
- наука о строении растений на клеточном уровне.
Рассмотрим функциональные особенности компонентов растительной клетки:
Плазмодесмы (поры)
- мельчайшие цитоплазматические каналы, пронизывающие клеточные
стенки и объединяющие соседние клетки.
Микротрубочки
состоят из белка тубулина и расположены около плазматической мембраны.
Они участвуют в перемещении органелл в цитоплазме, во время деления клетки формируют веретено деления.
В природе клетки имеют два уровня сложности: ПРОКАРИОТ
(безъядерных) и
ЭУКАРИОТ
(ядерных).
Прокариотические организмы
объединяют две группы - бактерии и сине-зеленые водоросли.
Прокариотная клетка не имеет чётко выраженного ядра - только зону, содержащую одну
молекулу ДНК.
Эукариоты являются потомками прокариотических клеток, в которые внедрились аэробные прокариоты, из которых образовались, впоследствии, митохондрии. Такие клетки дали начало аэробным гетеротрофам (животным). Внедрение в такие клетки фотосинтезирующих прокариот привело к возникновению аэробных автотрофов, или растений. А фотосинтезирующие прокариоты дали начало хлоропластам.
В таблице представлены сходства и различия прокариот и эукариот
| Прокариоты | Эукариоты | |
| Представители | Сине-зелёные водоросли, бактерии | Животные, растения, грибы |
| Цитоплазма | Бедна органоидами | Богата органоидами |
| Ядро | Нет сформированного ядра и ядрышек | Есть ядро и ядрышки |
| Эндоплазматическая сеть | Нет | Есть |
| Рибосомы | Расположены в цитоплазме | Расположены на мембране |
| Митохондрии | Нет | Есть |
| Пластиды | Нет | Есть в клетках растений |
| Аппарат Гольджи | Нет | Есть |
| Клеточный центр | Нет | Есть (у большинства) |
| Жгутики и реснички | Белковые нити не образуют микротрубочек | Состоят из микротрубочек |
| Хромосомы | Одна | Всегда в диплоидном наборе |
| Способ деления | Амитоз | Митоз |
| Размножение | Вегетативное, спорообразование | Половое: образование гамет |