Химический состав и функции митохондрий

1. Опишите, каковы структура, химический состав и функции митохондрий.

 

Митохондрии — органеллы энергообеспечения метаболических процесов в клетке. Размеры их варьируют от 0,5 до 5-7 мкм, количество в клетке составляет от 50 до 1000 и более. В гиалоплазме митохондрии распределены обычно диффузно, однако в специализированных клетках сосредоточены в тех участках, где имеется наибольшая потребность в энергии. Например, в мышечных клетках и симпластах большие количества митохондрий сосредоточены вдоль рабочих элементов — сократительных фибрилл. В клетках, функции которых сопряжены с особо высокими энергозатратами, митохондрии образуют множественные контакты, объединяясь в сеть, или кластеры (кардиомиоциты и симпласты скелетной мышечной ткани).

 

В клетке митохондрии выполняют функцию дыхания. Клеточное дыхание — это последовательность реакций, с помощью которых клетка использует энергию связей органических молекул для синтеза макроэргических соединений типа АТФ. Образующиеся внутри митохондрии молекулы АТФ переносятся наружу, обмениваясь на молекулы АДФ, находящиеся вне митохондрии. В живой клетке митохондрии могут передвигаться с помощью элементов цитоскелета.

 

На ультрамикроскопическом уровне стенка митохондрии состоит  из двух мембран — наружной и  внутренней. Наружная мембрана имеет относительно ровную поверхность, внутренняя — образует направленные в центр складки, или кристы. Между наружной и внутренней мембранами возникает неширокое (около 15 нм) пространство, которое называется наружной камерой митохондрии; внутренняя мембрана ограничивает внутреннюю камеру. Содержимое наружной и внутренней камер митохондрии различно, и так же, как и сами мембраны, существенно отличается не только по рельефу поверхности, но и по ряду биохимических и функциональных признаков. Наружная мембрана по химическому составу и свойствам близка к другим внутриклеточным мембранам и плазмолемме. Ее характеризует высокая проницаемость, благодаря наличию гидрофильных белковых каналов. Эта мембрана имеет в своем составе рецепторные комплексы, распознающие и связывающие вещества, поступающие в митохондрию. Ферментный спектр наружной мембраны небогат: это ферменты метаболизма жирных кислот, фосфолипидов, липидов и др. Главной функцией наружной мембраны митохондрии является отграничение органеллы от гиалоплазмы и транспорт необходимых для осуществления клеточного дыхания субстратов.

 

Внутренняя мембрана митохондрий в большинстве клеток тканей различных органов формирует  кристы в виде пластин (ламеллярные  кристы), что значительно увеличивает  площадь поверхности внутренней мембраны. В последней 20-25 % всех белковых молекул составляют ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. В эндокринных клетках надпочечников и половых желез митохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов. В этих клетках митохондрии имеют кристы в виде трубочек (тубул), упорядоченно расположенных в определенном направлении. Поэтому кристы митохондрий в стероидпродуцирующих клетках названных органов именуются тубулярными.

 

Матрикс митохондрии, или  содержимое внутренней камеры, представляет собой гелеобразную структуру, содержащую около 50 % белков. Осмиофильные тельца, описанные при электронной микроскопии, — это резервы кальция. Матрикс содержит ферменты цикла лимонной кислоты, катализирующие окисление жирных кислот, синтез рибосом, ферменты, участвующие в синтезе РНК и ДНК. Общее число ферментов превышает 40.

 

Помимо ферментов, матрикс  митохондрии содержит митохондриальную ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы. Молекула митДНК имеет кольцевидную форму. Возможности внутримитохондриального белкового синтеза ограничены — здесь синтезируются транспортные белки митохондриальных мембран и некоторые ферментные белки, участвующие в фосфорилировании АДФ. Все остальные белки митохондрии кодируются ядерной ДНК, и их синтез осуществляется в гиалоплазме, и в дальнейшем они транспортируются в митохондрию. Жизненный цикл митохондрий в клетке короткий, поэтому природа наделила их двойственной системой воспроизводства — помимо деления материнской митохондрии, возможно образование нескольких дочерних органелл путем почкования.

 

2. Сформулируйте понятия «перидерма», «корка». В чем состоит особенность их строение? Какова структура и принцип функционирования чечевичек? Чем различаются между собой чешуйчатая и кольчатая корки?

 

Перидерма — вторичная комплексная покровная ткань. Она формируется на стеблях древесных растений к концу первого года жизни, покрывает многие подземные органы, изредка — плоды и другие части растений. Включает образовательную ткань феллоген, или пробковый камбий, и производные феллогена — пробку и феллодерму. Пробка, Или Феллема — многослойная, мертвая, плотная, опробковевшая (суберинизированная), водо - и газонепроницаемая защитная ткань. Феллодерма — живая, одно - или многослойная паренхимная ткань. Для водо - и газообмена в перидерме, под устьицами эпидермы из феллогена образуются Чечевички, Представляющие со­бой рыхлые участки, трещинки или вздутия.    Чечевички функционируют в течение вегетационного периода, а на зиму закрываются слоем пробки, образованной феллогеном. Корка формируется на стволах деревьев в результате многократного заложения и деятельности феллогена. Она состоит из нескольких перидерм и расположенных между ними тканей коры В зависимости от характера заложения феллогена различают Чешуйчатую корку, Если слои феллогена закладываются под углом друг к другу, и Кольчатую корку, Если слои феллогена располагаются параллельными кольцами. Водо - и газообмен через корку обеспечивают трещины.

 Чечевички - специализированные участки в перидерме осевых органов древесных растений, обеспечивающие газообмен внутри тканей с внешней средой. Состоят из крупных, бесхлорофильных клеток, разделённых межклетниками. На поперечном срезе ветви или ствола имеют линзообразную форму. Образуются в первый год жизни побега одновременно с перидермой, с возрастом могут увеличиваться. К зиме закупориваются слоем опробковевших клеток, т. н. замыкающим слоем, который весной вследствие образования новых клеток разрывается, возобновляя отверстия. Чечевички характерны для большинства древесных растений; не образуются только у тех, которые ежегодно сбрасывают корку (жимолость, виноград, ежевика). Очертания чечевичек на поверхности различны у разных видов растений. По мере утолщения ветви форма чечевичек меняется, например у берёзы с возрастом растягиваются по окружности ствола, образуя характерный рисунок из чёрных точек на белом стволе, у осины принимают форму ромба.

 Чешуйчатая корка - корка, которая образуется в результате заложения феллогена и образования новых перидерм не по всей окружности ствола, а отдельными полудугами. Опадает постепенно, обособленными фрагментами. Типична для большинства растений.

 Кольчатая корка - корка, образующаяся при периодическом заложении концентрических круговых перидерм. Слой корки при отделении от ствола продольно расщепляется на полосы (виды родов Vitis, Eucalyptus или отделяется от стебля в виде цилиндров (виды рода Lonicera и др.).

 

3. Опишите группы основных тканей, их особенности и функции.

 

Ткани растений - однородные по происхождению, строению и выполняемым функциям группы клеток называются тканями. У растений различают следующие типы тканей: образовательные, основные, покровные, механические, проводящие и выделительные.

 Основная ткань (паренхима) состоит из живых паренхимных клеток с межклеточными пространствами. В растениях основные ткани обычно занимают наибольший объем, составляя основу органов. Они выполняют функции выработки, поглощения и накопления различных питательных веществ и подразделяются на ассимиляционную, запасающую и воздухоносную паренхимы. Ассимиляционная паренхима (хлоренхима) расположена под кожицей листьев и зеленых стеблей. В ее клетках, содержащих большое количество хлоропластов, осуществляется фотосинтез. Клетки запасающей паренхимы приспособлены к накоплению крахмала, сахара, масла и других питательных веществ. Практическое значение запасающей паренхимы понятно: она представляет собой источник разнообразного растительного сырья. Запасающая воду водоносная паренхима развивается обычно у растений засушливых мест обитаний (например, у кактусов). Аэренхима — воздухоносная паренхима — встречается лишь у некоторых видов растений (рис, кукуруза и др.), облегчает дыхание в условиях переувлажнения и переуплотнения почвы.

 

4. Опишите переход ко вторичному строению корня. Приведите рисунок.

 

Вторичное строение корня - строение корня, возникающее в результате деятельности вторичных меристем (камбия и феллогена), сопровождается ростом корня в толщину. Отличается от первичного строения корня наличием вторичной ксилемы, вторичной флоэмы и перидермы.

 

1 – первичная ксилема; 2 – вторичная ксилема; 3 – паренхимный  радиальный луч; 4 – камбий; 5 –  вторичная флоэма; 6 – первичная  флоэма; 7 – перидерма

 

5. Охарактеризуйте последовательность формирования анатомического строения в стеблях двудольных растений.

 

При пучковом строении стебля у двудольных растений пучки расположены  в один ряд по окружности, параллельно  поверхности стебля (стебель лютика - Ranunculus repens).

 

Вторичное утолщение  происходит также в результате деятельности феллогена  (пробкового камбия).

 

При любом типе вторичных  изменений в центральном цилиндре первичная ксилема <оттесняется> к центру и остатки ее располагаются  на границе с сердцевиной. Напротив, первичная флоэма оттесняется нарастающей  вторичной флоэмой к периферии  и в дальнейшем становится малозаметной.

 

В структуре стебля однолетнего  травянистого двудольного растения выделяют видоизмененный центральный  цилиндр, включающий ткани, возникшие  из перицикла, остатки первичной  и вторичную флоэму, камбий, вторичную  и остатки первичной ксилемы и сердцевину. Видоизмененный центральный цилиндр окружен первичной корой.

 

6. Вторичные меристемы стебля и корня, их возникновение и роль в растении.

 

Меристема (от греч. meristos — делимый), образовательная ткань, ткань растений, долго сохраняющая способность к делению и образованию новых клеток. Одни клетки меристемы — инициальные — задерживаются на эмбриональной фазе развития и, делясь, обеспечивают непрерывное нарастание массы растения. Другие клетки меристемы постепенно дифференцируются, образуя различные производные — постоянные — ткани (покровные, проводящие, механические, основные и др.).

 

Меристема возникает  из протомеристемы зародыша, которая  развивается в верхушечные (апикальные) и боковые (латеральные) меристемы. Верхушечные меристемы — конус нарастания побега и корня — закладываются у зародыша очень рано. Образование семядолей, а затем заложение листовых зачатков на конусе нарастания побега вызывает дифференциацию боковых меристем — прокамбия и камбия. В процессе роста растения меристематическую ткань частично сохраняется в некоторых частях тела растения: в корнях — в виде перицикла (как корнеродная меристема), в узлах побега, в сердцевинных лучах стебля и т.д. Вставочная (интеркалярная) меристема временно сохраняется в почках, в междоузлиях побега (злаки), в основаниях черешков листьев и прочие. Свойством деления обладают почти все живые зрелые ткани (исключая ситовидные трубки), у растения могут возникать и новые, вторичные меристемы, например, феллоген, образующий пробковую ткань, раневая меристема, производящая каллюс, и другие. Клетки меристемы отличаются от клеток постоянных тканей небольшими размерами, плотным соединением, формой, близкой к кубической (лишь клетки прокамбия и камбия вытянуты в длину). Обычно они имеют тонкую первичную оболочку, густой протопласт, в котором ядро с ядрышком занимает центральное положение; эндоплазматическая сеть слабо развита; много рибосом; митохондрии и диктиосомы мало дифференцированы; вакуоли представлены мелкими пузырьками, пластиды — в виде протопластид. Клетки меристемы отличаются высокой метаболической активностью.

 

Первичная меристема находится на верхушке стебля, ветвей и корней, (в конусах нарастания.

 

 Вторичные меристемы характерны для голосеменных и двудольных покрытосеменных. Они обеспечивают вторичное утолщение стебля и корня. К вторичным меристемам относятся боковые меристемы — камбий, включая межпучковый камбий, и феллоген, которые образуют вторичные постоянные ткани. Они покрывают органы растений и служат защитой от излишнего испарения воды, переохлаждения, перегрева, механических повреждений, поражения вредителями и болезнями. К покровным тканям относятся кожица, или эпидермис, пробка и корка. Они бывают первичного и вторичного происхождения. Кожица является первичной покровной тканью и образуется из поверхностного слоя первичной меристемы. У однолетних растений эпидермис покрывает все надземные части сплошным слоем в течение жизни; у деревьев и кустарников он существует на стебле проростков только в первую половину лета. Основное назначение эпидермиса — предохранять растение от излишнего испарения влаги. Сверху эпидермис покрыт не расчлененной на клетки пленкой, называемой кутикулой, которая предохраняет растение от потери воды. Часто на эпидермисе, кроме кутикулы, образуются восковой налет, волоски, бугорки, колючки, шипы, усиливающие его защитные функции. На эпидермисе листа и реже стебля имеются специальные щелевидные отверстия, через которые происходят газообмен и испарение влаги. Называются эти отверстия устьицами.

 

7. Какие метаморфозы могут происходить с листьями или их частями? Их назначение, отличие от аналогичных метаморфозов побега. Можно ли по морфологическим признакам листа предположить принадлежность растения к определенному классу? Обоснуйте ответ.

 

 У многих растений можно наблюдать различные метаморфозы листьев. Усики — это нитевидныё органы, чувствительные к прикосновению и приспособленные для лазания. У многих лазающих лиан часть листа или весь  лист превращены в усики.

 

Колючки свойственны растениям, обитающим  в сухом и жарком климате, хотя нередки они и у растений других климатических зон. Они выполняют две основные функции: уменьшают испаряющую поверхность надземной части растений и защищают стебли, стволы и молодые листья от поедания животными. Кроме того, некоторые пальмы-ротанги с их помощью прикрепляются к опоре.

 

 Побег — изменчивый по внешнему облику орган растения, Что связано с его многофункциональностью и лабильностью поведения.

Колючки. Колючки побегового происхождения, как и колючки листового происхождения, выполняют главным образом защитную функцию. Они бывают простые (неветвящиеся) и сложные (ветвящиеся).