Свойства протопластов микроорганизмов

Вещества, из которых построены протопласты микроорганизмов, чрезвычайно разнообразны, их насчитывается десятки и сотни тысяч. Эти вещества грубо можно объединить в конституционные, т. е. входящие в состав живой материи и участвующие в обмене веществ (метаболизме), запасные (временно выключенные из обмена) и отбросы (конечные его продукты). Запасные вещества и отбросы вместе часто называют эргастическими (греч. erg — работа) веществами клетки. Основными классами конституционных органических веществ являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы.

Белки — вещества, определяющие строение и свойства живой материи. Они представляют собой полимерные соединения, макромолекулы которых, построенные из аминокислот, создают особую структуру протопласта. На долю белков приходится значительная часть органических веществ клетки. Они участвуют в построении структуры и функциях всех органелл. В химическом отношении белки подразделяются на простые (протеины) и сложные (протеиды). В последнем случае они образуют комплексы с другими веществами — липидами (липопротеиды), углеводами (гликопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды).

Белки служат не только строительным материалом протопласта, но в качестве ферментов регулируют жизненные процессы. Огромная роль белков как ферментов обусловлена тем, что жизнедеятельность клетки включает множество химических реакций, лежащих в основе функций различных органелл. Даже в клетке, которая не растет (не увеличивает массы), происходит постоянное обновление ее структурных элементов, связанное с процессами синтеза и распада конституционных веществ протопласта.

Относительное постоянство химического состава протопласта, выявляемое химическим анализом, является результатом динамического равновесия между этими двумя группами процессов. Кроме ферментативной, белки могут выполнять структурную, сократительную и транспортную функции, в некоторых случаях они служат источниками энергии. Белки могут быть и эргастическими веществами, откладываясь в запас в определенные фазы развития клетки.

Нуклеиновые (лат. nucleus — ядро) кислоты — ДНК и РНК— составляют вторую важнейшую группу биополимеров протопласта. Хотя содержание их невелико (1—2% массы сырого протопласта), роль их огромна, поскольку они являются веществами хранения и передачи информации, необходимой для синтеза белков и других веществ протопласта. Основное количество ДНК сосредоточено в ядре клетки, а РНК встречается как в ядре, так и в цитоплазме.

Липиды (греч. lipos — жир; eidos — вид) включают большую группу соединений биологического происхождения. Они характеризуются относительной нерастворимостью в воде и растворимостью в органических растворителях. Протопласт растительной клетки содержит простые (жирные масла) и сложные липиды (липоиды, или жироподобные вещества). К липоидам относятся фосфо- и гликолипиды, некоторые пигменты (каротиноиды).

Большая часть липидов представляет собой эргастические вещества.

Углеводы также входят в состав протопласта каждой клетки в виде простых соединений (растворимых в воде cахаров) и сложных углеводов (нерастворимых или слаборастворимых) — полисахаридов. Примерыcахаров — глюкоза, фруктоза и сахароза; полисахаридов — целлюлоза, крахмал. Последние являются эргастическими веществами клетки. В клетке углеводы играют роль источника энергии для реакций обмена веществ. Сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав РНК и ДНК. Связываясь с другими биологически активными веществами, сахара могут образовывать гликозиды, а полисахариды — гликопротеиды, играющие важную роль в молекулярной организации живой материи. Состав углеводов растительных клеток значительно более разнообразен, чем животных клеток; содержание углеводов в них выше за счет продуктов выделения — полисахаридов клеточной оболочки и Сахаров клеточного сока вакуолей.

Каждая клетка обычно сама синтезирует для себя все белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и другие сложные вещества, а не получает их из других клеток.

Непосредственным источником доступной энергии для всех живых клеток служит в основном АТФ, обладающий макроэргическими связями, при разрыве которых освобождается большое количество энергии. Хотя содержание АТФ невелико (сотые доли процента), это соединение является необходимым и всегда присутствует в клетке. Энергия, заключенная в фосфатной (химической) связи АТФ, используется во всех важнейших реакциях метаболизма (прежде всего в реакциях синтеза биологических макромолекул и транспорте веществ).

Из всех химических соединений живая клетка больше всего содержит воды (60—90%), в которой растворено большинство других веществ. Высокое содержание воды в протопласте необходимо главным образом для того, чтобы эти вещества могли вступать в характерные для жизнедеятельности клетки реакции, происходящие только тогда, когда они находятся в водных растворах. В состав растительной клетки входят, наконец, неорганические вещества, главным образом ионы минеральных солей. Концентрация солей в клетке может значительно отличаться от концентрации их в окружающей среде. Различия наблюдаются и между разными типами клеток. Неорганические ионы играют важную роль в создании осмотического давления, необходимого для поступления в клетку воды; некоторые из них обеспечивают активность ферментов.

Составные морфологические части протопласта—ядро, цитоплазма с мембранными структурами и органеллами, к которым относятся: гладкий и шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭПР), обеспечивающий прохождение различных химических реакций; рибосомы, синтезирующие белок; комплекс Гольджи, или диктиосомы, принимающие участие в синтезе, накоплении и выведении из клеток различных веществ, образовании ЭПР и оболочки; лизосомы, гидролизующие белки, нуклеиновые кислоты и др. соединения; сферосомы, синтезирующие жирные масла; митохондрии, с помощью которых осуществляются процессы освобождения энергии и образование АТФ; пластиды,

Все компоненты протопласта растительных клеток обычно бесцветны, за исключением пластид, которые могут быть окрашены в зеленый, красный или оранжевый цвет. По физическим свойствам протопласт представляет собой многофазный коллоидный раствор (плотность 1,03—1,1), поскольку биологические макромолекулы и некоторые липиды являются типичными коллоидами. Поэтому протопласт в целом имеет слизистую консистенцию, напоминающую консистенцию яичного белка. Обычно он представляет собой гидрозоль, т. е. коллоидную систему с преобладанием дисперсионной среды — воды.

Помимо химических и физических свойств, протопластам свойственны специфические биологические свойства. Протопласты являются уникальной моделью для изучения фундаментальных физиологических проблем у растений. Они незаменимы при изучении состава, структуры и функционирования плазмалеммы в норме и при воздействии на нее гормонами, ингибиторами, фитототоксинами, а также при взаимодействии самих протопластов в популяции. Кроме того, протопласты могут использоваться для определения состава и архитектоники первичной клеточной стенки и изучения механизма ее репарации после разрушения.

На схеме (рис. 3) представлены основные направления физиологических исследований с использованием культуры изолированных протопластов.

Таким образом, изолированные протопласты имеют ряд областей применения, как теоретического, так и прикладного характера:

1. Изучение химии и структуры клеточной стенки (и при разрушении, и при синтезе «de novo»).

2. Изучение свойств плазмалеммы, трансмембранных перемещений.

3. «Мягкое» выделение органелл.

4. Наблюдение за закономерностями дифференцировки клеток при слиянии протопластов, отслеживание взаимодействия ядра и цитоплазмы в полученной гибридной клетке, изучение соматических гибридов.

5. Введение чужих органелл.

6. Введение чужеродных генов в растительную клетку (трансгенез).

Рисунок 3 – Направления использования специфических биологических свойств протопластов

Дата добавления: 2014-01-04