Клеточная оболочка

Клеточная оболочка придает клеткам и тканям растений механическую прочность, защищает протоплазматическую мембрану от разрушения под влиянием гидростатиче­ского давления, развиваемого внутри клетки. Однако такую оболочку нельзя рассматри­вать только как механический каркас.

Клеточная оболочка обладает такими свойствами, которые позволяют противо­стоять давлению воды внутри клетки, и в то же время обладает растяжимостью и спо­собностью к росту. Она является противоинфекционным барьером, принимает участие в поглощении минеральных веществ, являясь своеобразным ионообменником. Появились данные, что углеводные компоненты клеточной оболочки, взаимодействуя с гормонами, вызывают ряд физиологических изменений.

Первичная клеточная оболочка характерна для молодых клеток. По мере их старения образуется вторичная структура. В состав клеточной оболочки входят цел­люлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, липиды и небольшое количество белка. Компоненты клеточной оболочки являются продуктами жизнедеятельности клетки. Они выделяются из цитоплазмы и претерпевают превращения на поверхности плазмалеммы. Таким образом, это экстрацеллюлярные образования.

 

Рис. 2. Строе­ние раститель­ной клетки: 1 -клеточная обо­лочка; 2 - плазмалемма; 3 -плазмодесмы; 4 - микротру­бочки; 5 - ядро; 6 - аппарат Голъджи; 7 вакуоль; 8 - митохондрии; 9 - хлоропласт; 10 - эндоплазматический ретикулум.

 

 

 

Процентное соотношение веществ в первичных клеточных оболочках сильно колеблется. Для примера приведем состав оболочки кле­ток колеоптилей овса: целлюлозы — 25%, гемицеллюлозы—51%, пектиновых веществ—3—5%, белка—-10%, липидов—4%. Остов клеточной оболочки со­ставляют переплетенные микро- и мак­рофибриллы целлюлозы. Микро- и мак­рофибриллы целлюлозы в клеточной оболочке погружены в аморфную желе­образную массу — матрикс. Матрикс состоит из гемицеллюлозы, пектиновых веществ и белка. Пектиновые вещества обусловливают высокую оводненность клеточной оболочки.

Клеточные стенки содержат также белок экстенсии (до 10%) — это гликопротеид. Около 30% всех аминокислот экстенсина представлено оксипролином. К оксипролину присоединяются угле­водные цепочки, состоящие из четырех остатков моносахара арабинозы.

Исследования Альберсхейма позволили дать предположительную модель взаимо­связи и взаиморасположения всех перечисленных веществ в клеточной стенке. Согласно этой модели в первичной клеточной оболочке микрофибриллы целлюлозы располагают­ся либо беспорядочно, либо перпендикулярно (в основном) продольной оси клетки. Ме­жду микрофибриллами целлюлозы находятся молекулы гемицеллюлозы, которые, в свою очередь, связаны через пектиновые вещества с белком. При этом последователь­ность веществ следующая: целлюлоза — гемицеллюлозы — пектиновые вещества — бе­лок — пектиновые вещества — гемицеллюлозы — целлюлоза. Микрофибриллы целлюлозы и вещества матрикса оболочки связаны между собой. Единственными нековалентными связями являются водородные между целлюлозными микрофибриллами и гемицеллюлозой (по преимуществу ксилоглюканом). Между ксилоглюканом и пектино­выми веществами, так же как и между пектиновыми веществами и белком экстенсином, возникают ковалентные связи.

Толщина клеточной стенки колеблется у разных видов растений от десятых долей до 10 мкм. В первичной оболочке каждой клетки имеются тонкие участки — первичные поровые поля, через которые обычно проходят плазмодесмы — цитоплазматические ни­ти, обрамленные мембраной (плазмалеммой). На каждые 100 мкм² клеточной оболочки имеется примерно 10—30 плазмодесм диаметром 0,2 мкм. Благодаря плазмодесмам протоплазма всех клеток объединена в единое целое — симпласт.

Между клеточными оболочками двух соседних клеток в местах их соприкоснове­ния имеется так называемая срединная пластинка; в состав срединной пластинки входят пектиновые вещества, главным образом в виде пектатов кальция (кальциевая соль пек­тиновой кислоты). Эти вещества как бы цементируют, склеивают растущие клетки. При недостатке кальция пектиновые вещества превращаются в слизь, наблюдается ослизнение ткани и клетки разъединяются (мацерация ткани). При созревании плодов пектино­вые вещества срединных пластинок, склеивающие клетки, переходят в растворимую форму и благодаря этому плоды становятся мягкими.

Клеточная оболочка способна к эластическому (обратимому) и пластическому (необратимому) растяжению. Эластическое растяжение происходит под влиянием разви­вающегося в клетке давления воды (тургорного давления, или потенциала давления). Макрофибриллы целлюлозы не связаны между собой и скреплены только матриксом. Они под влиянием давления как бы раздвигаются, клеточная оболочка становит­ся тоньше. Пластическое необратимое растяжение — это собственно рост клеточной оболочки. Рост клеточной оболочки начинается с ее разрыхления. Поскольку микрофиб­риллы практически не растягиваются в длину, то для того, чтобы произошло растяжение оболочки, они должны скользить вдоль оси растяжения, удаляясь друг от друга. Способ­ность микрофибрилл скользить друг около друга очень важна для обеспечения роста растяжением. Чем это скольжение проходит легче, тем пластичнее клеточная стенка. Легкость скольжения обусловлена водородными связями между микрофибриллами цел­люлозы и ксилоглюканом (пектиновыми веществами). Особенностью этих связей явля­ется их лабильность — легкое разрушение и возобновление, не требующее значительных энергетических затрат. После того как растяжение клетки произошло, между вновь обра­зовавшимися микрофибриллами целлюлозы и веществами матрикса возникают связи.

Клеточная оболочка способна к утолщению и видоизменению. В результате этого образуется ее вторичная структура. Утолщение оболочки происходит путем наложения новых слоев на первичную оболочку. Ввиду того, что наложение идет уже на твердую оболочку, фибриллы целлюлозы в каждом слое лежат параллельно, а в соседних слоях — под углом друг к другу. Этим достигается значительная прочность и твердость вто­ричной оболочки. По мере того как число слоев фибрилл целлюлозы становится больше и толщина стенки увеличивается, она теряет эластичность и способность к росту. Во вторичной клеточной стенке содержание целлюлозы значительно возрастает (в некото­рых случаях до 60% и более). По мере дальнейшего старения клеток матрикс оболочки может заполняться различными веществами — лигнином, суберином (одревеснение или опробковение оболочки). Лигнин образуется пу­тем конденсации ароматических спиртов.

Клеточная оболочка легкопроницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Одре­веснение заметно снижает ее проницаемость, а опробковение делает ее непроницаемой, вследст­вие чего клетка отмирает.