Тема 4. Клеточная оболочка (Структура. Молекулярная организация, функции) Клеточная оболочка (стенка), общая характеристика. Функции клеточной стенки. Химическая структура. Организация клеточной стенки (оболочки) растений. Срединная пластинка. Первичная оболочка. Слои вторичной оболочки. Третичная оболочка. Химический состав. Образование клеточной оболочки. Клеточные оболочки грибов и прокариотических клеток 1
Тема 4. Клеточная оболочка Общие свойства клеточных оболочек Две клетки из кончика корня лука. Фиксация – KMn. О 4 ne - ядерная оболочка, w- клеточная оболочка, ph – фрагмопласты (ув. 14000) (K. R. Porter, R. D. Machado, J. Biophysic. Biochem. Cytol. , 1960, v. 7, p. 167) • На внешней границе прокариотических клеток и клеток растений расположена плотная, часто многослойная структура - клеточная оболочка, или клеточная стенка (КО). • КO - эта полисахаридная экстрацеллюлярная структура, лежащая снаружи от плазматической мембраны • КО - продукты жизнедеятельности клетки: их компоненты синтезируются клеткой, выделяются из цитоплазмы и собираются вне клетки, вблизи плазматической мембраны, в виде сложных комплексов • КО имеют общий принцип строения: в эластичную основу погружены каркасные волокна • Клеточные полиcахаридные стенки полностью проницаемы для воды, солей, многих органических молекул. Лекция 4 (25) 2
Тема 4. Клеточная стенка Общие свойства клеточных оболочек (продолжение) • КО – защитная оболочка, за счет которой строится сложное тело растения, обеспечиваются тургорные свойствa клеток. • Любая клетка, выделенная из организма животного и помещенная в воду, лизируется из-за набухания (через плазматическую мембрану вода будет поступать в цитоплазму, в зону с более высокой концентрацией солей и органических молекул). • В организме многоклеточных животных этого не происходит, потому что их клетки находятся в изотонической жидкой среде • Свободноживущие в пресной воде одноклеточные простейшие организмы не лизируются (при отсутствии КО): постоянно работает клеточный насос (сократительная вакуоль) откачивающий воду из цитоплазмы. • Морские простейшие и простейшие - внутриклеточные или полостные паразиты обитают в изотонической среде (сократительные вакуоли не нужны) • Клетки бактерий или растений в воде не будут лизироваться пока сохраняется их КО (после растворения КО ферментами происходит лизис клеток). • КО – один из главных факторов, регулирующих содержание воды в клетках. При поступления воды, в клетке возникает внутреннее давление, тургор, которое останавливает дальнейшее поступление воды • У многих низших растений (например, у зеленых водорослей), клетки имеют хорошо сформированную КО, но при половом размножении, когда образуются подвижные зооспоры, последние теряют клеточную оболочку и у них появляются пульсирующие вакуоли Лекция 4 (25) 3
Тема 4. Клеточная стенка Состав клеточной оболочки растений Строение клеточной стенки. а – световая микроскопия; б – электронная микроскопия; в, г – на молекулярном уровне. г – часть целлюлозной микрофибриллы в виде кристаллической решетки. Гм – молекулы гемицеллюлозы; Мкф – микрофибриллы из нескольких молекул целлюлозы; Ог – остатки молекул глюкозы в молекуле целлюлозы; П 1 и П 2 – молекулы пектиновых веществ; Поб – первичная оболочка; СП – срединная пластинка (Васильев А. Е. И др. , 1988, с. 80) • КО растений формируется при участии плазматической мембраны и состоит из двух компонентов: аморфного пластичного гелеобразного матрикса (основы) с высоким содержанием воды и опорной фибриллярной системы. Для придания свойств жесткости, несмачиваемости и др. в состав оболочек часто входят дополнительные полимерные вещества и соли • В состав матрикса КО входят полисахариды, растворяющиеся в концентрированных щелочах, гемицеллюлозы и пектиновые вещества • Гемицеллюлозы – полимерные цепи из различных гексоз (глюкоза, манноза, галактоза и др. ), пентоз (ксилоза, арабиоза) и уроновых кислот (глюкуроновая и галактуроновая кислота) • Цепи гемицеллюлозных молекул не кристаллизуются и не образуют элементарных фибрилл. Из-за полярных групп уроновых кислот они сильно гидратированы • Пектиновые вещества – полимеры метил-Dглюкуроната. Матрикс представляет собой мягкую, пластическую массу, укрепленную (армированную) фибриллами Лекция 4(25) 4
Тема 4. Клеточная стенка Фибриллярные структуры клеточной стенки • Фибриллярные структуры КО состоят обычно из целлюлозы, линейного, неветвящегося полимера глюкозы (рис. ) Молекулярный вес целлюлозы варьирует от 5. 104 до 5. 105, что соответствует 300 - 3000 остаткам глюкозы • Линейные молекулы целлюлозы могут соединяться в пучки или волокна. В КО целлюлоза образует фибриллы, которые состоят из субмикроскопических микрофибрилл толщиной до 25 нм, которые, в свою очередь, состоят из множества параллельно лежащих цепей молекул целлюлозы. Структурные элементы целлюлозы (Де Робертис и др. , 1973) Лекция 4(25) 5
Тема 4. Клеточная стенка Состав матрикса, фибриллярных структур и инкрустация КО • Свыше 60% сухого веса первичных оболочек составляет матрикс Беспорядочно ориентированные целлюлозные микрофибриллы при большом увеличении (А. Гэлстон и и около 30 % приходится на фибриллярное вещество – целлюлозу. • В КО живых клеток почти вся вода связана с гемицеллюлозами, поэтому вес матрикса достигает 80 % сырого веса КО, тогда как содержание целлюлозы около 12 % (в волосках хлопчатника, целлюлоза составляет 90%; в древесине – 50%) • В состав КО входят дополнительные компоненты. Инкрустация (включение) КО лигнином (полимер кониферилового спирта) приводит к одревеснению клеточных стенок, повышению их прочности (рис. ) др. 1983, с. 67) • Лигнин замещает в таких КО пластические вещества матрикса и играет роль основного вещества, обладающего высокой прочностью • Часто матрикс бывает укреплен отложениями солей (Si. О 2, Са. СОз и др. ). • На поверхностях КО могут скапливаться различные инкрустирующие вещества, например кутин и суберин, приводящие к опробковению клеток. В клетках эпидермиса на поверхности клеточных оболочек откладывается воск, который образует водонепроницаемый слой, препятствующий потере клеткой воды. Инкрустация КО: А - фибриллярный каркас и межфибриллярный матрикс; Б - инкрустированная лигнином и утерявшая способность к растяжению оболочка с остатками матрикса; В - дополнительное инкрустирование фенолами и (или) минеральными веществами, приводящее к повышению твердости оболочки (Frey - Wyssling, 1959) Лекция 4(25) 6
Тема 4. Клеточная стенка Образование клеточной оболочки Участие аппарата Гольджи в образовании КО. Стрелки показывают пузырек отпочковывающийся от аппарата Гольджи и два пузырька уже слившиеся с плазмолеммой и присоединяющие свое содержимое к КО (А. Гэлстон • При росте КО выделение веществ, из которых она строится, происходит на всей поверхности клетки. Аморфные вещества матрикса, гемицеллюлозы и пектины синтезируются в вакуолях аппарата Гольджи и выделяются через плазмалемму путем экзоцитоза. • Фибриллы целлюлозы синтезируются специальными ферментами, встроенными в плазмалемму. • КО дифференцированных, зрелых клеток обычно многослойны: в слоях фибриллы целлюлозы ориентированы по-разному, и количество их также может значительно колебаться. • Обычно различают первичные, вторичные и третичные КО (рис. ). Схема строения КО клеток растений; О – срединная пластинка; 1 – первичная оболочка (два слоя по обе стороны от О); 2 – слои вторичной оболочки; 3 – третичная оболочка; ПМ – плазматическая мембрана, В – вакуоль, Я - ядро (Ченцов, 1978) и др. , 1983, с. 71) Лекция 4 (25) 7
Тема 4. Клеточная стенка Появление КО после деления клеток • При делении клеток растений после расхождения хромосом в экваториальной плоскости клеток появляется скопление мелких мембранных пузырьков, которые в центральной части клеток начинают сливаться друг с другом, образуя КО (рис. ) Схема строения клеточной оболочки от ее закладки при делении клетки (I ) до полного созревания (V): 1 – первичная оболочка; 2 – слой вторичной оболочки; 3 – третичная оболочка; В – вакуоли, СП – срединная пластинка (Ченцов, 1978). Лекция 4 (25) 8
Тема 4. Клеточная стенка Образование структуры КО Процесс слияния мелких вакуолей (образование клеточной Образование компонентов клеточной оболочки. Пл – плазмолемма; КО – клеточная оболочка; Д – диктиосомы аппарата Гольджи (АГ); Г – гиалоплазма; ПГ – пузырьки АГ (Васильев и др. , 1988, с. 83) пластинки – КП) происходит от центра клетки к периферии и продолжается до тех пор, пока мембранные пузырьки не сольются между собой и с плазматической мембраной боковой поверхности клетки. • В центральной части КП – вещество матрикса, которое наполняло сливающиеся пузырьки, происходящие от мембран аппарата Гольджи. • По периферии КП (поляризованный свет, двойное лучепреломление) – ориентированные фибриллы целлюлозы. Таким образом растущая КП пластинка состоит из трех слоев: центральный – срединная пластинка (аморфный матрикс), и два периферических – первичная оболочка (гемицеллюлоза и целлюлозные фибриллы) (см. рис. на след. слайде) • Срединная пластинка – продукт активности исходной клетки, а первичная оболочка образуется за счет выделения rемицеллюлозы и фибрилл целлюлозы двумя новыми клетками (после деления) • Дальнейшее увеличение толщины межклеточной стенки происходит в результате активности двух дочерних клеток • Вне клетки идет синтез и полимеризация целлюлозных фибрилл. Так постепенно образуется вторичная клеточная оболочка. С достаточной точностью определить и отличить первичную оболочку от вторичной трудно, так как они соединены между собой несколькими промежуточными слоями Лекция 4 (25) 9
Тема 4. Клеточная стенка Плазмодесмы при большом увеличении электронного микроскопа (схема). 1 – продольный срез, 2 – поперечный срез. КО – клеточная оболочка, Пл – плазмолемма, ЦС – центральный стержень плазмодесмы, СП – срединная пластинка, Г – гиалоплазма, ЭР – эндоплазматический ретикулум (Васильев и др. , 1988) Клеточная стенка между клетками корневой меристемы. ко – клеточная оболочка, пм – плазматическая мембрана, пд – плазмодесма, эр – эндоплазматический ретикулум, рс – рибосомы, м – митохондрия (Ченцов, 1978) Лекция 4 (25) 10
Тема 4. Клеточная стенка Формирование клеточной оболочки после клеточного деления Ранняя стадия образования клеточной оболочки. Стрелки указывают на фрагмопласты. А – ответвления мембран эндоплазматического ретикулума, tn – телофазное ядро (ув. 27000) (Porter et al. , 1960) Лекция 4 (25) 11
Тема 4. Клеточная стенка Формирование клеточной оболочки после клеточного деления (продолжение) 1. Средняя стадия образования клеточной оболочки. Видны фрагмопласты, митохондрии и телофазные ядра. Ув. 19000 2. Более поздняя стадия образования клеточной оболочки. Везикулы фрагмопластов сливаются и происходит окончательное формирование клеточной оболочки (цитокинез). Ув. 19000 (Porter et al. , 1960) Лекция 4 (25) 12
Тема 4. Клеточная стенка Формирование клеточной оболочки после клеточного деления (продолжение) Формирование клеточной оболочки на стадии цитокинеза. Фиксация в четырехокиси осмия. Элементы эндоплазматичкого ретикулума не выявляются как при фиксации в KMn. О 4. ph– фрагмосомы. d – диктиосомы; l – липидные капли; pd – плазмодесмы; dt – диктиосома (срез прошел в плане ламеллярных везикул. Ув. 38000 (Porter et al. , 1960) Лекция 4 (25) 13
Тема 4. Клеточная стенка Формирование клеточной оболочки после клеточного деления (продолжение) Окончательное формирование клеточной оболочки. Две клетки из кончика корня лука. Фиксация – KMn. О 4 ne - ядерная оболочка, w- клеточная оболочка, ph – фрагмопласты (ув. 14000) (Porter et al. , 1960) Лекция 4 (25) 14
Тема 4. Клеточная стенка Поры в клеточной стенке • Во вторичной оболочке могут образовываться каналы – поры • Поры бывают двух типов: простые и окоймленные • У простых пор диаметр канала приблизительно одинакового Рис. 1. Простые поры в оболочке диаметра по всей длине и имеет форму узкого цилиндра (Рис. 1) мертвых каменистых клетках • У окоймленных пор канал резко сужается в процессе плода груши, ПК – полость отложения вторичной оболочки, поэтому диаметр отверстия клетки (Васильев и др. , 1988, с. 91)) канала выходящего в полость клетки уже, чем со стороны вторичной оболочки (рис. 2) • Поры соседних клеток находятся друг против друга и составляют единый комплекс. Поры соседних клеток разделены замыкающей пленкой поры – из срединной пластинки и части первичной оболочки (т. о. окоймленные поры не сквозной канал) • У хвойных замыкающая пленка образует в центре утолщение – торус. • Поры как и плазмодесмы облегчают транспорт воды и растворенных веществ от клетки к клетке без снижения прочности клеточной оболочки. Рис. 2. Схема строения окоймленных пор в трахеидах хвойных. 1 – схема поры в плане; 2 – поперечный срез; 3 – объемное изображение; 4 – попереченый срез трахеиды сосны. ВО – внутреннее отверстие поры; ВОб – вторичная оболочка; НО – наружнее отверстие; ПОб – первичная оболочка; СП – срединная пластинка; То - торус (Васильев и др. , 1988, с. 92)) Лекция 4 (25) 15
Тема 4. Клеточная стенка Взаимодействие матрикса и фибриллярных структур • Основу сформированной КО составляет вторичная оболочка. Она придает клетке ее окончательную форму. После разделения клетки на две дочерние происходит рост новых клеток, увеличение их объема и изменение формы: клетки часто вытягиваются в длину. Одновременно с этим идет наращивание толщины КО и перестройка ее внутренней структуры. • При образовании первичной КО в ее составе мало целлюлозных фибрилл, они располагаются более или менее перпендикулярно будущей продольной оси клетки • В период растяжения ориентация поперечно направленных фибрилл пассивно изменяется: они начинают размещаться под прямым углом друг к другу и в конечном счете оказываются вытянутыми более или менее параллельно продольной оси клетки. • Постоянно идет процесс: в старых слоях (ближе к центру оболочки) фибриллы подвергаются пассивным сдвигам, а отложение новых фибрилл в слоях, ближайших к мембране клетки продолжается в соответствии с исходным планом конструкции КО. • Происходит скольжение фибрилл друг относительно друга, перестройка арматуры клеточной оболочки возможна из-за студенистого состояния матрикса. • При замещении в матриксе гемицеллюлозы на лигнин подвижность фибрилл резко снижается, оболочка становится плотной, происходит одревеснение • Часто под вторичной оболочкой обнаруживают третичную оболочку, которую можно рассматривать как остаток дегенерировавшего слоя собственно цитоплазмы. Лекция 4 (25) 16
Тема 4. Клеточная стенка Формирование клеточной оболочки • При делении клеток растений формированию первичной оболочки не во всех случаях предшествует образование клеточной пластинки • У зеленой водоросли спирогиры новые поперечные перегородки возникают путем образования на боковых стенках исходной клетки выступов, которые, постепенно разрастаясь к центру клетки, смыкаются и делят клетку на двое. • При соответствующих концентрациях солей и сахаров, можно создать изотонические условия для протопластов (клеток, лишенных КО). При этом протопласты приобретают шаровидную форму (сферопласты) • Если в такой среде достаточное количество питательных веществ и солей (питательная среда с Са 2+), то клетки снова восстанавливают, регенерируют свою КО. В присутствии гормонов – ауксинов протопласты могут делиться и создавать клеточные колонии, которые могут дать начало для роста целого растения, от которого была взята клетка. Лекция 4 (25) 17
Тема 4. Клеточная стенка Мацерация и протопласты • При разрушении срединной пластинки – мацерации – клетки разделяются ( можно получить суспензию клеток). Мацерация происходит под действием ряда соединений и обработок: обработка хромовой кислотой, кипячение в воде, обработка горячим раствором аммиака, действие пектиназы (перевод пектиновых соединений в растворенное состояние); под действием микроорганизмов и грибков, разрушающих межклеточное вещество • При полном разрушении клеточной стенки под действием различных ферментов – гемоцеллюлаз, пектиназ и др. можно получить протопласты Первые протопласты, изолированные в мае 1960 г. из кончиков корней проростков томатов используя целлюлазу из Myrothecium verrucaria (E. C. Cocking) (Plant Protoplasts, p. 2, 1983) Лекция 4 (25) 18
Тема 4. Клеточная стенка Протопласты (продолжение) Протопласты из листьев Nicotiana glauca, содержаших кристаллы Саоксалатов. 1 – оптика Номарски, 2 – поляризационная микроскопия (Plant Protoplasts, p. 212, 1983) Протопласты из листьев Catharantus roseus содержащих флуоресципующие вещества. 1 – оптика Номарски, 2 – флуоресцентная микроскопия (Plant Protoplasts, p. 212, 1983) Лекция 4 (25) 19
Тема 4. Клеточная стенка Протопласты (продолжение) Свежеприготовленные протопласты из суспензионной культуры клеток Glycine max. Метка – 10 мкм (Plant Protoplasts, p. 58, 1983) Клеточная стенка вокруг протопласта из Physcomitrella patens после 3 -х дней культивирования. Каждое волокно представляет пучок микрофибрилл. Метка – 1 мкм (Plant Protoplasts, p. 59, 1983) Лекция 4 (25) 20
Тема 4. Клеточная стенка Протопласты (продолжение) Протопласты из клеток табака BY-2, растущих в суспензии. Метка 50 мкм (Plant Protoplasts, p. 91, 1983) Лекция 4 (25) 21
Тема 4. Клеточная стенка Клеточные оболочки грибов и прокариотических клеток • Хитин - главный волокнистый компонент КО у больших групп грибов (базидиомицетов, аскомицетов и зигомицетов), состоит из остатков Nацетилглюкозамина, линейного полисахарида (рис. ) • В состав КО грибов кроме хитина могут входить вещества матрикса, гликопротеиды и различные белки, синтезирующиеся в цитоплазме и выделенные клеткой наружу. • Эти белки содержат практически весь набор ферментов, участвующих во внеклеточном расщеплении биополимеров, во внеклеточном пищеварении. • Фибриллярные структуры КО дрожжевых клеток представлен полисахаридом – полиглюканом. • Обрабатывая клетки грибов ферментами, разрушающими КО (например, хитиназами и пектиназами), можно получить протопласты этих клеток. Хитин - полимер N-ацетилглюкозамина Лекция 4 (25) 22
Тема 4. Клеточная стенка Клеточная оболочка бактерий и синезеленых водорослей Муреиновая сеть. М – N-ацетилмурамовая кислота, Г – N-ацетилглюкозамин, соединенные между собой пептидными мостиками • Опорным каркасом КО бактерий и синезеленых водорослей служит полимер – глюкопептид муреин. Жесткий каркас, окружающий бактериальную клетку, представляет собой одну гигантскую молекулу этого глюкопептида ( «муреиновый мешок» ). • Основа структуры «муреинового мешка» - сеть параллельных полисахаридных цепей, связанных многочисленными пептидными поперечными связями (рис. ). • КО бактериальной клетки может составлять до 20 -30% от сухого веса бактерии. Кроме муреина в состав КО входят дополнительные соединения, как в матриксе растений. • У грамположительных1 бактерий сопутствующими соединениями являются полимерные вещества, сложным образом вплетенные в многослойную сеть цепей муреина. КО бактерий обладают большой жесткостью [1 При окраске по Граму (окраска кристаллическим фиолетовым, обработка йодом, отмывка спиртом) бактерии по-разному воспринимают краситель: грамположительные остаются окрашенными после обработки спиртом; грамотрицательные обесцвечиваются] 23 Лекция 4(25)
Тема 4. Клеточная стенка Клеточная оболочка бактерий (продолжение) • КО грамотрицательных бактерий содержат однослойную муреиновую сеть (12% сухой массы КО). До 80 % сухой массы составляют липопротеиды, сложные липополисахариды • Соединения, входящие в КО бактерий, синтезируются внутри клетки, сборка структуры КО происходит снаружи от плазматической мембраны • Фермент лизоцим разрушает муреиновый каркас и растворяет бактериальную стенку. В гипотонических условиях такие протопласты разрушаются, в изотонических условиях образуются шаровидные протопласты, которые способны снова синтезировать КО • Протопласты бактерий нечувствительны к бактериофагам – вирусам, паразитирующим на бактериях. Следовательно, компоненты бактериальной КО обладают антигeннoй специфичностью по отношению к этим вирусам. • В КО гетеротрофных бактерий локализуются ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении и метаболизме органических молекул Лекция 4 (25) 24
Тема 4. Клеточная стенка Дополнительная литература 1. Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 2. Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978, стр. 135 -155 3. Васильев А. Е. , Воронин Н. С. , Еленевский А. Г. , Серебрякова Т. И. , Шорина И. И. Ботаника. Морфорлогия и анатомия растений, М. , Просвещение, 1988, стр. 78 -93 4. Раздорский В. Ф. Анатомия растений, Советская наука, М. , 1949 5. Эсау К. Анатомия растений, пер. с англ. , Мир, М. , 1969, гл. 3 6. Plant Protoplasts, Ed. K. L. Giles, International Review of Cytology, Suupl. 16, Academic Press, London, 1983, p. 2, 58, 59, 212(1), 212(2), 91 25
Скачать презентацию Тема 4. Клеточная оболочка (Структура. Молекулярная организация, функции)
Клеточная оболочка.ppt