Растительная клетка. 
Естествознание

Растительные клетки относительно крупные. У многоклеточных растений клетки разнообразны по размеру, форме, строению, что связано с разделением функций, выполняемых клетками. По форме различают два основных типа: паренхимные клетки и прозенхимные клетки (рис. 8.1). Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех измерениях, а прозенхимные значительно вытянуты в длину, что превышает их другие размеры в 5, 10 и более раз.

Как и другие эукариотические клетки, растительная клетка состоит из протопласта и наружной клеточной мембраны — плазмалеммы. Но кроме нее растительная клетка имеет плотную целлюлозную оболочку. Протопласт состоит из нескольких компонентов — цитоплазмы, ядра, органелл, выполняющих специальные функции, и производных протопласта — вакуолей, включений и других (рис. 8.2).

Рис. 8.1. Паренхимные (а) и прозенхимные (б) клетки.

Рис. 8.2. Растительная клетка.

Клеточная оболочка (как синоним употребляется термин «клеточная стенка») состоит в основном из высокоиолимерных углеводов — целлюлозы (клетчатки) и гемицеллюлозы. Молекулы целлюлозы придают оболочке механическую прочность, сохраняют форму клетки, защищают протопласт, но в то же время не препятствуют растяжению, росту клетки. Совокупность целлюлозных стенок всех клеток выполняет функцию внешнего скелета растения, придают форму и прочность.

Клеточная оболочка является продуктом жизнедеятельности клетки. С возрастом оболочка утолщается, становится прочнее. Утолщение стенки происходит не, но всей внутренней поверхности, остаются неутолщенные места — поры. Поры соседствующих клеток расположены друг против друга. Таким образом, сохраняется связь между клетками, осуществляется обмен водой, газами, растворенными веществами. В клетках дифференцированных тканей происходят дополнительные изменения клеточной оболочки. Наиболее распространенная форма изменения — одревеснение, связывание целлюлозы с особым веществом — лигнином, повышает прочность клеточных стенок (многолетние части — стебли, корни древесных растений). Наружные клетки растения часто опробковевают, что связано с отложением суберина. Клеточные стенки становятся непроницаемыми для воды и газов, клетки отмирают и превращаются в защитный слой — пробку. Отложения жироподобного вещества кутина на внешней стенке клеток листьев или стеблей делают их кожистыми, прочными, малопроницаемыми для воды и микроорганизмов (хвоя, листья некоторых болотных и тропических растений). Инкрустирование клеточных оболочек минеральными солями — минерализация, делает листья и стебли жесткими и даже острыми (осоки, стенные злаки, хвощи). Ослизнение происходит при поглощении воды и разбухании клеток.

Цитоплазма занимает основной объем растительной клетки, между стенкой клетки и ядром. Основное вещество цитоплазмы — матрикс или гиалоплазма, это вязкое бесцветное прозрачное вещество, коллоидный раствор, состоящий на 60—90% из воды, а также белков и других органических и неорганических соединений. Цитоплазма выполняет важнейшую роль объединения всех клеточных структур и обеспечивает их взаимодействие в процессах обмена веществами. Содержимое соседних клеток связано через поры цитоплазматическими тяжами — плазмодесмами. В состав цитоплазмы входят органеллы (или органоиды) — постоянные и обязательные структуры, выполняющие специальные функции. Часть из них имеют мембранное строение, например, митохондрии, аппарат Гольджи, пластиды. Другие не имеют мембранного строения, к ним относятся рибосомы.

К органеллам, характерным только для растительных клеток, относятся пластиды. Пластиды — относительно крупные образования в клетке. В зависимости от окраски различают три основных типа: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

Хлоропласты — основные, наиболее крупные и более сложно устроенные пластиды, содержащие фотосинтезирующий зеленый пигмент хлорофилл. В клетках высших растений форма хлороиластов овальная, линзовидная, их насчитывается до нескольких десятков, они называются хлорофилловые зерна. У водорослей хлоропласты единичны, они крупные и разнообразные, но форме. Такие пластиды называются хроматофоры.

К особенностям хлоропластов относится то, что они содержат собственную ДНК, т. е. обладают автономным генетическим аппаратом.

Основная функция хлоропластов — фотосинтез, процесс образования сложных органических веществ, который осуществляется при поглощении хлорофиллом лучистой энергии Солнца. В этот процесс вовлекаются углекислый газ воздуха и вода, поглощенная растением из почвы. Происходят ассимиляция (усвоение) углерода и образование различных углеводов. Как побочный продукт в атмосферу выделятся кислород.

Процесс превращения световой энергии в потенциальную химическую протекает только на свету — это световая фаза фотосинтеза. На свету происходит и выделение кислорода вследствие разложения (гидролиза) воды. Фиксация и последовательные преобразования С0₂ до глюкозы происходят в так называемую темновую фазу. Биосинтез углеводов, в первую очередь глюкозы, происходит как в темноте, так и на свету. Но реакции темповой фазы протекают только за счет энергии, запасенной в аденазинтрифосфорной кислоте (АТФ) при ее синтезе на свету.

Существует несколько модификаций хлорофилла (а, b, с, d), которые различаются строением молекулы и, следовательно, спектром поглощения. Основной пигмент высших растений и зеленых водорослей — хлорофилл а.

Хлоропласты встречаются во всех зеленых органах растения и могут интенсивно образовываться на свету (позеленение клубней картофеля).

Хромопласты — пластиды, содержащие красные, бурые или желтые пигменты группы каротиноидов. Самыми распространенными являются желтый пигмент ксантофилл и красно-оранжевый каротин. Они обуславливают яркую окраску плодов, лепестков цветков, корнеплода моркови, осеннюю раскраску листьев. Водоросли нередко содержат в хромопластах и другие пигменты — фукоксантин, роботин. Пигменты хромопластов участвуют как вспомогательные системы в фотосинтезе, встречаются как в надземных органах, так и в подземных.

Лейкопласты — самые мелкие и бесцветные пластиды. Они содержатся в подземных или неокрашенных частях растений — корнях, корневищах, клубнях, в образовательных тканях зародыша. В лейкопластах осуществляется синтез и накопление запасного питательного вещества, в первую очередь крахмала, иногда белков или жиров.

Выявлено, что пластиды могут переходить из одного вида в другой. Например, лейкопласты незрелых плодов могут превращаться в хлоронласты, а они, в свою очередь, переходят в хромопласты.

Ядро — обязательная часть живой эукариотической клетки. В большинстве случаев клетка имеет одно ядро. В растительной клетке ядро имеет округлую или овальную форму. Ядро имеет ядерную оболочку, образованную двойной мембраной, кариоплазму — содержимое ядра, в котором различают ядрышко и хроматин. Хроматин — плотное вещество, окрашиваемое некоторыми красителями. Хроматин представляет собой форму существования генетического материала в неделящихся клетках. В процессе деления клетки происходит спирализация ДНК и из хроматина образуются хромосомы. Хромосомы — это плотные, хорошо окрашивающиеся структуры, носители генов, состоят из ДНК и белков-гистонов. Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно. В соматических клетках хромосомы представлены парами, такой набор называется диплодным (2п). В половых клетках набор хромосом одинарный, гаплоидный (п).

Ядро осуществляет хранение и реализацию генетической информации, управление процессом биосинтеза белка, а через белки — всеми другими процессами жизнедеятельности.

Вакуоли представляют собой полости, отграниченные от цитоплазмы однослойной мембраной — тонопластом, заполненные клеточным соком. Клеточный сок — это водный раствор различных продуктов жизнедеятельности протопласта растительной клетки, который постепенно накапливается внутри клетки. В молодых клетках клеточного сока мало, вакуоли имеют вид мелких пузырьков. С развитием и старением клеток количество клеточного сока увеличивается и сливается в одну вакуоль — центральную. Центральная вакуоль заполняет практически всю клетку, оттесняя ядро и другие органеллы к стенкам клетки (рис. 8.3).

Клеточный сок содержит сахара — глюкозу, фруктозу, сахарозу (сочные сладкие плоды, корнеплоды, стебли), дубильные вещества (придают вяжущий вкус плодам, листьям, коре), гликозиды.

(обуславливают запах и вкус кофе, какао, табака, ванили, миндаля и др.), органические кислоты — щавелевую, лимонную, яблочную и другие (сочные плоды, овощи, травы), алкалоиды (различные части растений семейств пасленовых, маковых, лютиковых, кутровых и др.), а также витамины, фитонциды. В клеточном соке содержатся разнообразные водорастворимые пигменты — антоцианы: красные, синие, фиолетовые, желтый пигмент антохлор. Все они дают ценные растительные краски.

Рис. 83. Вакуоли в клетках различного возраста.

Важное значение вакуоли состоит в поддержании тургора — состояния напряжения оболочки. Клеточный сок представляет собой достаточно концентрированный раствор, в который, по законам осмоса, поступает вода и оказывает давление на цитоплазму, а через нее — на стенки клетки. Тургорное давление внутри клеток создает упругость всего растения, сохраняет положение листьев, цветков, обеспечивает прочность всего растения к нагрузкам.

Включения — это временные компоненты клетки, вещества, образовавшиеся в процессе жизнедеятельности. Включения располагаются либо в цитоплазме и ее органеллах, либо в вакуолях. Обычно включения — это отложения запасного питательного вещества в твердом или жидком виде. К твердым включениям относятся крахмальные зерна, которые накапливаются в особых лейкопластах — амилопластах в клубнях, корневищах, луковицах, семенах, многолетних стеблях и корнях. Запасные белки в виде аллейроновых зерен откладываются в семенах. Жировые капли и летучие эфирные масла концентрируются в клетках практически любых органов — семенах, плодах, листьях, почках, цветках.

Конечные продукты жизнедеятельности откладываются в вакуолях клеток, в органах, которые периодически сбрасываются листьях, коре. К ним относятся кристаллы солей оксалата или карбоната кальция.