Цитоплазма

Цитоплазма

 

Цитоплазма – это важнейшая составная часть клетки, к которой относится все ее живое вещество, за исключением ядра. Термин был предложен Страсбургером в 1882 г., чтобы отличать внеядерную часть плазмы клетки от ядерной – кариоплазмы или нуклеоплазмы. Цитоплазма ограничена с одной стороны плазматической мембраной, с другой – ядерной мембраной.

Органоиды, включения, другие структуры  погружены в основное вещество клетки – гиалоплазму или цитозоль.

 

Цитоплазма составляет основную массу клетки – это весь ее внутреннее содержание, за исключением ядра. Содержит 75-85% воды, 15-25% белков и многие другие вещества, но в меньших количествах. При изучении клетки с помощью светового микроскопа цитоплазма есть гомогенной, бесцветной, прозрачной, вязкой жидкостью. Однако электронный микроскоп позволил выявить сложную многокомпонентную, полифункциональную, высокоупорядоченную структуру цитоплазмы. Цитоплазма состоит из цитозоля (цитоплазматический матрикс), внутриклеточных органелл и включений.

Цитозоль составляет большую часть цитоплазмы (55% от общего объема клеток), не содержит органелл. Это коллоид, состоящий из сложной смеси растворенных в воде органических макромолекул - белков, жиров, углеводов и неорганических веществ. Содержит до 10000 различных видов белков, главным образом ферментов.

Химический состав и свойства цитозоля.

В цитозоле находятся неорганические (вода, соли, газы) и органические вещества.

Неорганические вещества. Вода является основной составляющей частью цитозоля. В среднем в клетках содержится около 75% воды. Благодаря своим свойствам  водная среда обеспечивает почти  все жизненные процессы в клетках. В частности, вода обладает следующими свойствами:

1) растворитель для веществ в  клетке, в результате чего многие  из них ионизируются водой,  что облегчает химические реакции,

2) способствует передвижению веществ  в клетке, из клетки в клетку  в растворенном состоянии,

3) эффективнный термостабилизатор, сохраняет тепло, образованное клеткой;

4) обеспечивает постоянное броуновское движение молекул.

Соли составляют 1-2% цитозоля. В  водной среде они образуют ионы. Большинство солей клеток - это  карбонаты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и хлориды солей натрия, калия, кальция, магния и железа. В первую очередь, они играют существенную роль в поддержании осмотичности и  кислотности цитозоля. Многие из них  участвуют в биологических процессах  и входят в состав некоторых белков.

Газы. В клетках имеются кислород, углекислый газ, азот и аммиак. Кислород и азот поступают из атмосферы  путем диффузии. Углекислый газ и  аммиак образуются в клетке в результате обмена веществ. С0₂ образуется как конечный продукт при окислительных реакциях и постоянно удаляется из клеток. Азот – инертный газ, он не участвует в клеточных реакциях. Органические вещества составляют 20-25% от массы живой клетки.

Основными группами этих веществ являются: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые  кислоты. Они, прежде всего, обеспечивают специфику строения и функции  клеток, являются энергетическими субстратами  окисления, образуют запасные вещества и т.д.

Физические свойства цитозоля. Коллоидное содержание может переходить из жидкого состояния - золя - в более твердый - гель. Изменения в коллоидном состоянии связанные с различным распределением коллоидных частиц в цитозоле. Переход из одного состояния в другое называют фазовым переходом. В состоянии золя его частицы распределены менее случайно и равномерно, что обеспечивает четкое движение молекул. В состоянии геля доли образуют агрегаты между собой и с водой, что приводит к связыванию свободной воды и потери движения цитоплазмы. Подвижность молекул значительно уменьшается. Это означает, что в местах "твердого" цитозоля скорость обмена веществ ограничено, а на участках "жидкого" цитозоля наблюдаются максимальные скорости биохимических процессов. Переход участков цитоплазмы из состояния геля в золь и наоборот приводит циклоз - движение участков цитоплазмы.

В цитозоле происходит постоянное броуновское движение молекул, постоянное их столкновения, что обуславливает высокую скорость метаболических реакций. Коллоидное состояние цитозоля обеспечивает объем и форму клеток, а с помощью химических буферов поддерживается постоянство рН. Броуновское движение молекул зависит от состояния цитозоля: чем он более "жидкий" - тем интенсивнее движение молекул. Повышение температуры также приводит к увеличению интенсивности движения и ускорения биохимических реакций. Броуновское движение обеспечивается тепловым движением молекул. При этом каждая молекула совершает вращательное - поступательные движения. Это обеспечивает частое столкновение молекул, например, каждая молекула цитозоля имеет примерно 1 млн. столкновений в секунду. Таким образом, броуновское движение лежит в основе и является необходимым условием протекания всех биохимических реакций обмена веществ.

Биологические свойства цитозоля. Химический состав и физическое состояние предопределяют биологические свойства цитозоля, служащие структурной целостности и функциональной активности клеток. Прежде всего - это  поддержка метаболизма. Цитозоль - это  среда, где протекают одновременно тысяча биохимических реакций. Считается, что около 70% реакций клеточного метаболизма происходит в цитозоле, содержащий тысячи разновидностей ферментов. Это реакции гликолиза, глюконеогенеза, синтеза белков, жирных кислот, аминокислот, нуклеотидов и другие. На рибосомах  в цитозоле синтезируется много  белков, которые используются клеткой  для собственных нужд. Рибосомы, связанные с ЭПС, образуют белки  на "экспорт".

Функции органелл клетки обеспечиваются постоянным, необходимым для них  окружением цитозоля. С цитозоля органеллы  получают необходимые вещества и  выбрасывают в него отходы. Цитозоль берет участие в процессе поддержания  гомеостаза клетки. Реакции, происходящие в цитозоле, обеспечивают постоянство  состава клетки и ее структурной  организации. В цитозоле постоянно  поддерживается концентрация воды, газов, субстратов химических реакций, рН. Эти условия необходимые для протекания биохимических и физиологических процессов. Вследствие постоянного синтеза молекул (Белков, аминокислот, нуклеотидов, углеводов, жиров и др.) возможен обмен поврежденных молекул на новые, синтезированы. Это касается и постоянной поддержки структуры и состава всех органелл. В цитозоле присутствуют нелизосомальные протеазы, которые переваривают дефектные белки с низкой продолжительностью жизни. Цитозоль являются резервуаром различных субстратов (аминокислот, нуклеотидов, глюкозы и других), которые постоянно используются в обмене веществ для образования новых структур или их восстановления.

Цитозоль обеспечивает рост и дифференцировку  клетки. После деления клетки имеют  малый размер и слабо дифференцированы. Рост их всего связан с синтезом и накоплением необходимых органических веществ, большинство которых образуются в цитозоле. Эти вещества увеличивают  объем клетки, а также используются для формирования или роста органелл. В процессе развития клеток появляются специфические органеллы, изменяется форма клеток, они постепенно приобретают  черты и свойства клеток- предшественников. Таким образом, цитозоль является одним  из основных компонентов клетки. 

Цитоплазматические структуры  клетки представлены включениями и  органоидами. Включения – относительно непостоянные, встречающиеся в клетках  некоторых типов в определенные моменты жизнедеятельности, например, в качестве запаса питательных веществ (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продуктов подлежащих выделению  из клетки. Органоиды – постоянные и обязательные компоненты большинства  клеток, имеющим специфическую структуру  и выполняющим жизненно важную функцию.

Органеллы цитоплазмы по принципу своего строения разделяются на две группы: мембранные и немембранные.

Мембранные органеллы представляют собой замкнутые компартменты, ограниченные мембраной, которая представляет собой их стенку.

Немембранные органеллы не являются клеточными компартментами и имеют иное строение.

К мембранным органоидам эукариотической  клетки относят эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды.

К немембранным органеллам общего назначения относятся рибосомы, центриоли, микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты.

 

 

Цитоскелет

 

Цитоскелет - это сетка белковых фибрилл и микротрубочек, покрывающие изнутри цитоплазматическую мембрану и пронизывают внутреннее пространство клетки. Он характерен для всех эукариотических клеток, а также является основным компонентом ворсинок и жгутиков простейших, хвостика сперматозоидов, веретена деления клеток.

Цитоскелет состоит из трех типов  структур:

1) микротрубочки (толстые), образованные несколькими белковыми фибриллы, содержащие глобулярный белок - тубулин,

2) микрофиламенты (тончайшие), имеющих  способность сокращаться, образуются  глобулярным белком - актином,

3) промежуточные филаменты (комбинация  нескольких микрофиламентов). Фибриллы цитоскелета могут при необходимости сгруппироваться из мономеров белков и распадаться после выполнения функции. Обладают способностью к сокращению и движению. В клетке фибриллы взаимодействуют между собой при участии вспомогательных белков. Они покрывают с внутренней стороны цитоплазматическую мембрану и пронизывают внутреннее пространство клетки. Этим достигается стабильность формы и объема клетки, а также возможность изменения формы, движения органелл и клетки.

Функции цитоскелета:

1. Поддержка объема и формы  клеток. Основную роль в этом  играет фибриллярные сетка, покрывающая  изнутри мембрану (кортекс). Эта сетка  специальным белком (онкерин) прикреплена  к цитолемму. К этой сетки  присоединены нити микрофиламентов и микротрубочек, что в значительной степени стабилизирует форму клетки.

2. Изменение формы клеток. Система  белковых фибрилл способна к  сокращению или растяжения. За  счет этого может происходить  изменение формы клеток (например, формирование псевдоподий в лейкоцитах).

3. Передвижения органелл и транспортных  везикул. Фибриллы цитоскелета прикреплены к клеточным органеллам. Это стабилизирует их положение в цитоплазме. Кроме того, изменение длины фибрилл приводит к перемещение клеточных структур.

4. Образование мультиферментных компонентов. В местах переплетения нескольких фибрилл цитоскелета создаются благоприятные условия для размещения комплекса ферментативных белков. Это обеспечивает структурною единство ферментов и определенный метаболический процесс.

5. Благодаря наличию плотной  сетки микрофибрилл цитозоль приобретает определенные структуры, что способствует координированному размещению комплексов ферментов. Этим достигается интеграция всей цитоплазмы – объединение в единое целое.

6. Образование веретена деления  во время митоза. Веретено деления  образованное сеткой микротрубочек,  что "Собираются" с участием  центриоль и четко упорядочен  располагаются в цитозоле.

7. Образование ворсинок и жгутиков  у простейших.

8. Образования межклеточных контактов (десмосом). Десмосомы - структуры цитоплазматических мембран, принадлежащих одновременно двум соседним клеткам. Связывание клеток происходит благодаря микрофиламентам, проникающих через десмосомы из одной клетки в другую.

9. Обеспечение сократительной функции мышечных волокон. Активность филаментов является одной из главных частей сократительного актиномиозинового комплекса.

Цитоплазма находится в постоянном движении, чем обеспечивается транспорт  веществ в различных участков клетки. Движение цитоплазмы – универсальной  параметр всех живых клеток. Он обеспечивает структурную организацию живой  клетки, ее энергетический обмен, ведет  к сбалансированному распространения  предшественников биосинтеза, продуктов  биогенеза, влияет на мембранные потоки. Движение цитоплазмы происходит путем  колебания, струйного направления, кругового движения, фонтанирующего движения и др.

 

Список используемых источников литературы:

 

1. Третьяков Н.Н. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. / Н.Н. Третьяков, Е.И. Кошкин, Н.М. Макрушин и др.; Под ред. Н.Н. Третьякова. – М.: Колос, 2009. - 640 с.

2. Кузнецов В.В. Физиология растений / В.В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева. – М.: Высшая школа, 2006. - 736 с.

3. Лебедев С.И. Физиология растений / С.И. Лебедев. – М.: Колос, 2008. - 544 с.

4. Либберт Э. Физиология растений / Э. Либберт. – М.: Мир, 2006. - 580 с.