Kitabı oxu: «Анатомия и морфология растений», səhifə 2

Лабораторная работа 2
Строение растительной клетки

Цель работы: ознакомиться с основными структурными элементами растительной клетки, освоить методику изготовления временных препаратов.

Задачи:

1. Изготовить временные препараты.

2. Изучить строение пластид, центральной вакуоли, клеточной стенки.

Клетка представляет собой основную структурную и функциональную единицу всех живых существ. Среди растений есть виды, представленные одной клеткой (некоторые виды водорослей), однако большинство является многоклеточными организмами. Строение клеток разнообразно и зависит от выполняемых ими функций.

В типичном случае растительная клетка состоит из протопласта (живого содержимого) и окружающей его оболочки – клеточной стенки. Общий план строения растительной клетки приведен на схеме.

Протопласт можно подразделить на цитоплазму и ядро. Цитоплазма состоит из гиалоплазмы и органелл. Гиалоплазма представляет собой непрерывную водную коллоидную фазу клетки и обладает определенной вязкостью. Она способна к активному движению за счет трансформации химической энергии в механическую. Гиалоплазма связывает все находящиеся в ней органеллы, обеспечивая их постоянное взаимодействие. Через гиалоплазму идет транспорт аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, сахаров, неорганических ионов, перенос АТФ.

Часть структурных белковых компонентов гиалоплазмы формирует надмолекулярные агрегаты – микротрубочки и микрофиламенты, образующие цитоскелет клетки. Микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром 25 нм и располагаются параллельно друг другу близко к плазмалемме. Микротрубочки образуют сеть в цитоплазме интерфазных клеток, волокна веретена деления, входят в состав жгутиков. Предполагается их участие в поддержании формы протопласта, во внутриклеточном транспорте, перемещении органелл, ориентации образуемых плазмалеммой микрофибрилл целлюлозы.

Микрофиламенты имеют диаметр 4–10 нм и состоят из спирально расположенных белковых субъединиц. Микрофиламенты являются сократимыми элементами цитоскелета и предположительно участвуют в движении цитоплазмы и перемещении органелл.

Органеллы – это структурно-функциональные единицы цитоплазмы. В клетке выделяют три типа органелл: немембранные, одномембранные и двумембранные.

Рибосомы относят к немембранным органеллам. Они состоят из рибонуклеопротеидов, образующих большую и малую субъединицы. Предшественники рибосом образуются в результате деятельности ядрышка, а окончательное формирование рибосом происходит в цитоплазме. Рибосомы могут располагаться в гиалоплазме, на мембранах гранулярного ЭПР, в митохондриях и пластидах. Каждая клетка содержит десятки тысяч или миллионы рибосом. Их основная функция – синтез белка. На поверхности гранулярного ЭПР рибосомы образуют полисомы, прикрепляясь к одной молекуле и-РНК, несущей информацию о первичной структуре белка.

К одномембранным органеллам относятся плазмалемма, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, вакуоли.

Плазмалемма является наружной поверхностной мембраной цитоплазмы. Она плотно прилегает к оболочке клетки и ограничивает протопласт от окружающей среды. Плазмалемма хорошо проницаема для воды, которая проникает в клетку путем диффузии. Для крупных молекул она обычно непроницаема (барьерная функция). Мелкие молекулы и ионы проходят через плазмалемму с разной скоростью, поскольку она ограничивает их свободную диффузию и часто осуществляет перенос (транспортная функция). Кроме того, она выполняет функции синтеза микрофибрилл целлюлозы клеточной оболочки и восприятия гормональных сигналов.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) представляет собой систему субмикроскопических канальцев, пронизывающих гиалоплазму, соединенных друг с другом и ограниченных одинарной мембраной. Различают два типа ЭПР – гранулярный и агранулярный. Гранулярный ЭПР (шероховатый, г-ЭПР) несет на своих мембранах прикрепленные рибосомы. Состоит из канальцев и уплощенных цистерн. Цистерны ЭПР продырявлены многочисленными «окнами». Количество цистерн г-ЭПР колеблется в зависимости от типа клетки и стадии ее развития. Г-ЭПР выполняет функции синтеза белков (на прикрепленных к мембране снаружи полисомах), направленного транспорта макромолекул и ионов в клетке, участвует в образовании вакуолей, лизосом, диктиосом, а также взаимосвязывает все структурно-функциональные единицы клетки.

Агранулярный ЭПР (гладкий, а-ЭПР) лишен рибосом, имеет вид узких трубочек, пузырьков, цистерн. Обычно развит слабее г-ЭПР. Основная функция – синтез липофильных веществ и их транспорт. Хорошо развит в клетках, синтезирующих эфирные масла, смолы, каучук.

Аппарат Гольджи состоит из диктиосом и пузырьков. Диктиосома представляет собой стопку из 5–7 (до 20) дисковидных цистерн диаметром 1 мкм, ограниченных мембраной. На поперечном срезе диктиосомы цистерны имеют вид парных мембран, прямых или дугообразно согнутых. Диктиосомы переходят по краям в систему тонких ветвящихся трубочек. Диктиосома имеет регенерационный полюс, на котором формируются цистерны из мембран ЭПР, и секреторный полюс, где отчленяются пузырьки Гольджи. В цистернах происходит синтез аморфных полисахаридов, прежде всего гемицеллюлоз и пектиновых веществ матрикса клеточной оболочки, а их транспорт осуществляют пузырьки Гольджи. Кроме того, аппарат Гольджи принимает участие в обновлении плазмалеммы, транспорте белков, образовании вакуолей и лизосом.

Лизосомы представляют собой мелкие цитоплазматические вакуоли и пузырьки – производные ЭПР или аппарата Гольджи. Они содержат гидролитические ферменты и выполняют функцию разрушения (переваривания) отдельных участков цитоплазмы собственной клетки, которое заканчивается образованием на ее месте цитоплазматической вакуоли.

Пероксисомы (микротельца) – мелкие пузырьки, в которых происходит процесс фотодыхания (окисления продуктов фотосинтеза кислородом). Образующийся при этом пероксид водорода, токсичный для клетки, разлагается под действием фермента каталазы.

К двумембранным органеллам относят митохондрии и пластиды. Митохондрии имеют сходное строение у животных и растений. Снаружи они ограничены оболочкой, состоящей из двух мембран и светлого промежутка между ними. Наружная мембрана контролирует обмен веществ между митохондрией и гиалоплазмой. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты в полость митохондрии, называемые кристами. Пространство между кристами заполнено матриксом, в котором встречаются рибосомы, нити ДНК. Основная функция митохондрий – синтез АТФ из АДФ, т. е. обеспечение энергетических потребностей клетки. Синтез АТФ идет за счет окисления сахаров и называется окислительным фосфорилированием. Этот процесс протекает на внутренней мембране митохондрий, активная поверхность которой многократно увеличена за счет образования большого количества крист. Кроме того, митохондрии способны к синтезу белков, происходящему на их собственных рибосомах под контролем митохондриальной ДНК. В некоторых клетках митохондрии участвуют в синтезе липидов, углеводородов.

Пластиды встречаются только в растительных клетках. Выделяют три типа пластид – хлоропласты, лейкопласты и хромопласты, которые отличаются друг от друга составом пигментов (цветом), строением и выполняемыми функциями.

Хлоропласты имеют зеленый цвет и встречаются во всех зеленых органах растения (листьях, стеблях, незрелых плодах). Они содержат зеленый пигмент хлорофилл, который существует в хлоропластах в нескольких формах. Кроме хлорофилла в них содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов, в частности желтый – ксантофилл и оранжевый – каротин, но обычно они маскируются хлорофиллом.

Хлоропласты, как правило, имеют линзовидную форму и сложное строение. Снаружи они ограничены оболочкой, состоящей из двух мембран. У хлоропластов, особенно высших растений, значительно развиты внутренние мембранные поверхности, имеющие форму плоских мешочков, называемых тилакоидами (ламеллами). На мембранах тилакоидов находится хлорофилл. Тилакоиды могут располагаться одиночно, но чаще собраны в стопочки – граны. Внутренняя среда пластид называется стромой. В строме хлоропластов всегда встречаются пластоглобулы – включения жирных масел, в которых растворены каротиноиды, а также рибосомы, светлые зоны с нитями ДНК, а в некоторых случаях – крахмальные зерна, белковые кристаллы. Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Кроме того, в них, как и в митохондриях, происходит процесс образования АТФ из АДФ, который называется фотофосфорилированием. Хлоропласты способны также к синтезу и разрушению полисахаридов (крахмала), некоторых липидов, аминокислот, собственного белка.

Лейкопласты – бесцветные, мелкие пластиды, встречающиеся в запасающих органах растений (клубнях, корневищах, семенах и т. д.). Для лейкопластов характерно слабое развитие внутренней системы мембран, представленной одиночными тилакоидами, иногда трубочками и пузырьками. Остальные компоненты лейкопластов (оболочка, строма, рибосомы, ДНК, пластоглобулы) сходны с описанными для хлоропластов. Основная функция лейкопластов – синтез и накопление запасных питательных веществ, в первую очередь крахмала, иногда белков. Лейкопласты, накапливающие крахмал, называют амилопластами, белок – протеопластами, жирные масла – олеопластами.

Пластиды, окрашенные в желтые, оранжевые, красные цвета, носят название хромопластов. Их можно встретить в лепестках (лютик, одуванчик, тюльпан), корнеплодах (морковь), в зрелых плодах (томат, роза, рябина, хурма) и осенних листьях. Яркий цвет хромопластов обусловлен наличием каротиноидов, растворенных в пласто-глобулах. Внутренняя система мембран в данном типе пластид, как правило, отсутствует. Хромопласты имеют косвенное биологическое значение – яркая окраска лепестков и плодов привлекает опылителей и распространителей семян.

Вакуоли содержатся почти во всех растительных клетках. Они представляют собой полости, заполненные клеточным соком и ограниченные от цитоплазмы мембраной – тонопластом. Для большинства зрелых клеток растений характерна центральная вакуоль. Она, как правило, настолько крупна (занимает 70–90 % объема клетки), что протопласт со всеми органеллами располагается в виде очень тонкого постенного слоя. Клеточный сок, содержащийся в вакуоли, представляет собой водный раствор различных веществ, являющихся продуктами жизнедеятельности протопласта. В его состав могут входить углеводы (сахара и полисахариды), белки, органические кислоты и их соли, минеральные ионы, алкалоиды, гликозиды, танины и другие растворимые в воде соединения.

Вакуоли в растительных клетках выполняют две основные функции: накопление запасных веществ, отходов и поддержание тургора. На второй функции остановимся подробнее. Концентрация ионов и сахаров в клеточном соке вакуоли, как правило, выше, чем в оболочке клетки. Поэтому при достаточном насыщении оболочки водой последняя будет поступать в вакуоль путем диффузии. Такой однонаправленный транспорт воды через полупроницаемую мембрану носит название осмоса. Поступающая в клеточный сок вода оказывает давление на постенный протопласт, а через него – на оболочку, вызывая напряженное, упругое ее состояние, или тургор. Тургор обеспечивает сочным органам растения форму и положение в пространстве и является одним из факторов роста клетки.

Если клетку поместить в гипертонический раствор осмотически активного вещества (NaCl, KNO₃ , сахарозы), т. е. в раствор с большей концентрацией, чем концентрация клеточного сока, то начнется осмотический выход воды из вакуоли. В результате этого объем ее сокращается, протопласт отходит от оболочки по направлению к центру клетки, тургор исчезает. Это явление обратимо и носит название плазмолиза.

Задание 1. Изучите строение клеток листа элодеи канадской.

Ход работы. Приготовьте предметное стекло, отделите лист элодеи, поместите его в каплю воды и накройте покровным стеклом. Начните изучение препарата при малом увеличении (4Ч). Сначала рассмотрите клетки зубчиков, расположенных по краю листа, а затем клетки, находящиеся в нижней части листовой пластинки, возле средней жилки. При детальном изучении структурных особенностей клеток следует перевести микроскоп на большее увеличение (10–40Ч).

Зарисуйте строение клеток листа элодеи.

Обозначьте на рисунке хлоропласты, ядро, клеточную стенку.

Задание 2. Проследите процесс плазмолиза в клетках элодеи канадской.

Ход работы. Сняв препарат элодеи со столика микроскопа, на предметное стекло, вплотную к покровному стеклу, под которым в воде находится лист элодеи, нанесите каплю раствора сахарозы или калийной селитры. С противоположной стороны покровного стекла, также вплотную к нему, положите полоску фильтровальной бумаги и оттягивайте воду до тех пор, пока гипертонический раствор, войдя под покровное стекло, полностью не заменит ее. Через 10–15 мин даже при малом увеличении микроскопа можно видеть, что протопласт начинает постепенно отходить от оболочки клетки. Это явление называется плазмолизом.

Зарисуйте плазмолиз в клетках листа элодеи.

Обозначьте клеточную стенку, протопласт.

Задание 3. Рассмотрите строение клеток эпидермиса листа традесканции виргинской.

Ход работы. С нижней стороны листовой пластинки традесканции, возле ее основания, аккуратно снимите кусочек эпидермиса, подцепив его препаровальной иглой. Эпидермис поместите на предметное стекло в каплю слабого раствора сахарозы, закройте покровным стеклом. Эпидермис состоит из прозрачных плотно сомкнутых клеток. В клетках необходимо рассмотреть ядро в ядерном кармашке, многочисленные мелкие лейкопласты, окружающие ядро. Среди бесцветных клеток в эпидермисе расположены устьица. Замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласты (рис. 2).

Зарисуйте строение эпидермиса традесканции.

Обозначьте на рисунке ядро, лейкопласты, хлоропласты, замыкающие клетки устьица, устьичную щель, клеточную стенку.

Рис. 2. Строение эпидермиса традесканции виргинской (по: [Практикум… 2001]): 1 – цитоплазма; 2 – вакуоль; 3 – клеточная оболочка; 4 – хлоропласты; 5 – ядро; 6 – лейкопласты

Задание 4. Рассмотрите строение хромопластов в клетках плодов рябины (шиповника).

Ход работы. Небольшой кусочек мякоти зрелых плодов препаровальной иглой перенесите в каплю воды на предметное стекло и накройте покровным стеклом. При постукивании иглой по покровному стеклу препарата, вследствие мацерации, произойдет разъединение клеток. Рассмотрите сначала при малом, а затем при большом увеличении строение клеток плодов. Особое внимание обратите на строение хромопластов, имеющих у рябины вытянутую, а у шиповника – округлую или угловатую форму.

Зарисуйте строение клеток плода рябины (шиповника).

Обозначьте клеточную стенку, хромопласты.

Контрольные вопросы

1. Назовите отличительные особенности прокариотической и эукариотической клеток.