Каким свойством обладает цитоплазма

Цитоплазма является, пожалуй, самой важной частью любой клеточной структуры, представляющей собой своего рода «соединительную ткань» между всеми составляющими клетки.

Функции и свойства цитоплазмы многообразны, ее роль в обеспечении жизнедеятельности клетки вряд ли можно переоценить.

В данной статье описаны большинство процессов, происходящих в наименьшей живой структуре на макроуровне, где основная роль отведена гелеобразной массе, заполняющей внутренний объем клетки и придающей последней внешний вид и форму.

…

Что такое цитоплазма

Цитоплазма представляет собой вязкое (желеподобное) прозрачное вещество, которое заполняет каждую клетку и ограничено клеточной мембраной. В ее состав входят вода, соли, белки и другие органические молекулы.

Все органоиды эукариотов, такие как ядро, эндоплазматический ретикулят и митохондрии, расположены в цитоплазме. Часть ее, которая не содержится в органоидах, называется цитосоль. Хотя может показаться, что цитоплазма не имеет ни формы, ни структуры на самом деле она представляет собой высокоорганизованное вещество, которое обеспечивается за счет так называемого цитоскелета (белковая структура). Открыта была цитоплазма в 1835 году Робертом Брауном и другими учеными.

Это интересно: к прокариотам относятся также бактерии, почему?

Химический состав

Главным образом цитоплазма представляет собой субстанцию, которая заполняет клетку. Эта субстанция вязкая, подобная гелю, состоит на 80% из воды и, обычно, является прозрачной и бесцветной.

Цитоплазма — субстанция жизни, которую также называют молекулярным супом, в котором клеточные органоиды находятся во взвешенном состоянии и соединены друг с другом двухслойной липидной мембраной. Цитоскелет, находящийся в цитоплазме, придает ей форму. Процесс цитоплазматического течения обеспечивает перемещение полезных веществ между органоидами и вывод продуктов жизнедеятельности. Эта субстанция содержит много солей и является хорошим проводником электричества.

Как было сказано, субстанция состоит на 70−90% из воды и является бесцветной. Большинство клеточных процессов происходят в ней, например, гликоз, метаболизм, процессы клеточного деления. Внешний прозрачный стеклообразный слой называется эктоплазмой или клеточной корой, внутренняя часть субстанции носит название эндоплазмы. В клетках растений имеет место процесс цитоплазматического течения, представляющий собой течение цитоплазмы вокруг вакуоля.

Основные характеристики

Следует перечислить следующие свойства цитоплазмы:

• Цитоплазму можно разделить на две части: эндоплазма, представляющая собой ее центральную область с органоидами, и эктоплазма — периферическая ее часть, подобная гелю.
• Цитоплазма представляет собой жидкую субстанцию, заполняющую пространство между клеточной мембраной и органоидами;
• Различные части желеобразной массы окрашены в разные оттенки цветов и называются эргатоплазмой;
• Смесь разнообразных гранул, органических образований придает ей коллоидную консистенцию;
• Периферийная зона цитоплазмы более вязкая и желатинообразная, чем остальная ее часть, и называется плазмогель. Слой же цитоплазмы вокруг клеточного ядра имеет более высокую текучесть, чем остальная ее часть, и называется плазмосоль;
• Физическая природа субстанции — коллоидное состояние. Она состоит в основном из воды и частиц различной формы и размера, взвешенные в ней;
• Содержит протеины, из которых 20−25% являются растворимыми в воде, включая ферменты;
• Также здесь находятся некоторые аминокислоты, углеводороды, неорганические соли, липиды и липидоподобные вещества;
• Плазмогель способен абсорбировать либо выделять воду в соответствии с потребностями клетки;
• Она имеет целую систему организованных волокон, которые можно наблюдать используя специальную технику раскрашивания;
• Субстанция химически представляет собой 90% воды и 10% органических и неорганических образований.

Структура и компоненты

В прокариотах (например, бактерии), которые не имеют ядра, соединенного с мембраной, цитоплазма представляет все содержимое клетки внутри плазматической мембраны. В эукариотах (например, клетки растений и животных) цитоплазма образована тремя отличающимися друг от друга компонентами: цитосоль, органоиды, различные частицы и гранулы, носящие название цитоплазматических включений.

Цитосоль, органоиды, включения

Цитосоль представляет собой полужидкий компонент, расположенный внешне по отношению к ядру и внутри плазматической мембраны. Цитосоль составляет приблизительно 70% объема клетки и состоит из воды, волокон цитоскелета, солей и органических и неорганических молекул, растворенных в воде. Также содержит протеины и растворимые структуры такие, как рибосомы и протеасомы. Внутренняя часть цитосоля, наиболее текучая и гранулированная, называется эндоплазмой.

Сеть волокон и высокие концентрации растворенных макромолекул, например, белков приводят к образованию макромолекулярных скоплений, которые сильно влияют на перенос веществ между компонентами цитоплазмы.

Органоид означает «маленький орган», который связан с мембраной. Органоиды находятся внутри клетки и выполняют специфические функции, необходимые для поддержания жизни этого наименьшего кирпичика жизни. Органоиды представляют собой маленькие клеточные структуры, выполняющие специальные функции. Можно привести следующие примеры:

• митохондрии;
• рибосомы;
• ядро;
• лизосомы;
• хлоропласты (в растениях);
• эндоплазматическая сеть;
• аппарат Гольджи.

Внутри клетки также находится цитоскелет — сеть волокон, помогающих ей сохранять свою форму.

Цитоплазматические включения представляют собой частицы, которые временно находятся во взвешенном состоянии в желеобразной субстанции и состоят из макромолекул и гранул. Можно встретить три типа таких включений: секреторные, питательные, пигментные. В качестве примера секреторных включений можно назвать белки, ферменты и кислоты. Гликоген (молекула для хранения глюкозы) и липиды — яркие примеры питательных включений, меланин, находящийся в клетках кожи, является примером пигментных включений.

Цитоплазматические включения, будучи небольшими частицами, взвешенными в цитосоле, представляют собой разнообразную гамму включений, присутствующих в различного типа клетках. Это могут быть как кристаллы оксалата кальция или диоксида кремния в растениях, так и гранулы крахмала и гликогена. Широкую гамму включений представляют собой липиды, имеющие сферическую форму, присутствующие как в прокариотах, так и в эукариотах, и служащие для накопления жиров и жирных кислот. Например, такие включения занимают большую часть объема адипоситов — специализированных накопительных клеток.

Функции цитоплазмы в клетке

Наиболее важные функции можно представить в виде следующей таблицы:

• обеспечение формы клетки;
• среда обитания органоидов;
• транспорт веществ;
• запас полезных веществ.

Цитоплазма служит для поддержки органоидов и клеточных молекул. Множество клеточных процессов происходит в цитоплазме. Некоторые из этих процессов включают синтез белков, первый этап клеточного дыхания, который носит название гликолиз, процессы митоза и мейоза. Кроме того, цитоплазма помогает перемещаться гормонам по клетке, также через нее осуществляется вывод продуктов жизнедеятельности.

Большинство разных действий и событий происходит именно в этой желатиноподобной жидкости, в которой содержатся ферменты, способствующие разложению продуктов жизнедеятельности, также здесь проходит множество процессов метаболизма. Цитоплазма обеспечивает клетку формой, заполняя ее, помогает поддерживать органоиды на своих местах. Без нее клетка выглядела бы «сдутой», и различные вещества не могли бы легко перемещаться от одного органоида к другому.

Транспорт веществ

Жидкая субстанция содержимого клетки очень важна для поддержания ее жизнедеятельности, так как позволяет легко обмениваться питательными веществами между органоидами. Такой обмен обязан процессу цитоплазматического течения, представляющему собой потоки цитосоля (наиболее подвижная и текучая часть цитоплазмы), переносящие питательные вещества, генетическую информацию и другие вещества от одного органоида к другому.

Некоторые процессы, которые происходят в цитосоле, включают в себя также перенос метаболитов. Органоид может производить аминокислоту, жирную кислоту и другие вещества, которые через цитосоль перемещаются к органоиду, нуждающемуся в этих веществах.

Цитоплазматические потоки приводят к тому, что сама клетка может перемещаться. Некоторые наименьшие жизненные структуры снабжены ресничками (маленькие, похожие на волос образования снаружи клетки, позволяющие последней перемещаться в пространстве). Для других же клеток, например, амебы единственной возможностью перемещаться является перемещение жидкости в цитосоле.

Запас питательных веществ

Помимо транспорта различного материала, жидкое пространство между органоидами выступает в роли своего рода камеры хранения этих материалов до момента, когда они действительно потребуются тому или иному органоиду. Внутри цитосоля во взвешенном состоянии находятся протеины, кислород и различные строительные блоки. Помимо полезных веществ, в цитоплазме содержатся и продукты метаболизма, которые ждут своей очереди, пока процесс удаления не выведет их из клетки.

Плазматическая мембрана

Клеточная, или плазматическая, мембрана представляет собой образование, препятствующее вытеканию цитоплазмы из клетки. Эта мембрана состоит из фосфолепидов, образующих двойной липидный слой, который является полупроницаемым: лишь определенные молекулы могут проникать через этот слой. Протеины, липиды и другие молекулы могут проникать через клеточную мембрану посредством процесса эндоцитоза, при котором образуется пузырек с этими веществами.

Пузырек, включающий в себя жидкость и молекулы, отрывается от мембраны, образуя при этом эндосому. Последняя перемещается внутри клетки к своим адресатам. Продукты жизнедеятельности выводятся посредством процесса экзоцитоза. В этом процессе пузырьки, образующиеся в аппарате Гольджи, соединяются с мембраной, которая выталкивает их содержимое в окружающую среду. Также мембрана обеспечивает форму клетки и служит опорной платформой для цитоскелета и клеточной стенки (в растениях).

Клетки растений и животных

Подобие внутреннего содержимого клеток растений и животных говорит об их одинаковом происхождении. Цитоплазма обеспечивает механическую поддержку внутренним структурам клетки, которые находятся в ней во взвешенном состоянии.

Цитоплазма поддерживает форму и консистенцию клетки, а также содержит множество химических веществ, являющихся ключевыми для поддержания жизненных процессов и метаболизма.

Реакции метаболизма, такие как гликоз и синтез протеинов, происходят в желеобразном содержимом. В клетках растений, в отличие от животных, присутствует движение цитоплазмы вокруг вакуоли, которое известно как цитоплазматическое течение.

Цитоплазма клеток животных представляет собой вещество, подобное гелю, растворенному в воде, она заполняет весь объем клетки и содержит белки и другие важные молекулы, необходимые для жизнедеятельности. Гелеобразная масса содержит протеины, углеводороды, соли, сахара, аминокислоты и нуклеотиды, все клеточные органоиды и цитоскелет.

Кинетика химических реакций в цитоплазме обусловливается сложным сочетанием факторов, среди которых структурные особенности цитоплазмы имеют большое значение. Белки цитоплазмы благодаря разнообразию их строения, химической природы, гетерополярности могут вступать в безграничное количество реакций с различными веществами, которые содержатся в цитоплазме или поступают извне. В результате этих реакций может измениться форма макромолекулы, что приведет к изменению ее химической активности. Таким образом, изменчивость свойств белков — важная особенность живого вещества.

Цитоплазма построена по коацерватному типу и представляет сложную коллоидную систему из белковых, углеводных и липидных соединений. В разработанной известным советским ученым А. И. Опариным теории о происхождении жизни на Земле большое значение придается выделению органических веществ, белоксодержащих комплексов в форме коацерватных капель из первичных водных растворов.

Белки относятся к гидрофильным коллоидам. Такими же свойствами обладают и другие соединения, входящие в состав цитоплазмы. Коллоидная природа цитоплазмы имеет существенное биологическое значение. Благодаря большому количеству мельчайших частиц в коллоидных системах развиваются огромные суммарные поверхности, которые играют чрезвычайно большую роль. Они могут служить для связывания, адсорбции разнообразнейших активных веществ, прежде всего — снижающих поверхностное натяжение. На мицеллах происходит связывание ферментов и других соединений, адсорбируются различные питательные вещества. Все это создает условия для различных химических реакций.

Кроме рассмотренных свойств, белки обладают способностью денатурироваться. При денатурации гидрофильные коллоиды — белки — становятся гидрофобными, теряют стойкость и вследствие этого легко коагулируют. Такая типичная денатурация происходит при нагревании белков. Денатурированные белки, т. е. утратившие свои естественные свойства (выпали в осадок), способны адсорбировать красители. По поглощению красителя можно определить начало денатурации, хотя внешне, белки могут казаться неизменными.

Белковые вещества как амфотерные соединения вследствие реакций с электролитами изменяют свой заряд, что отражается на состоянии коллоидной системы, а также на ее растворимости. С электролитами связаны величина и знак заряда биоколлоидов цитоплазмы, соотношение между процессами гидратации и дегидратации, коацервации и т. д.

Важную роль во всех этих процессах играет поверхность цитоплазмы: она является средой для осуществления процессов адсорбции и десорбции, что влияет на движение частиц, которое может иметь большую скорость, проходить одновременно в противоположных направлениях и влиять также на свойства самой цитоплазмы — вязкость, эластичность, проницаемость и др.

Особенности цитоплазмы не позволяют рассматривать ее как истинно золеобразную жидкость, поскольку она по упругости приближается к гелю. Явление взаимного превращения золя в гель наблюдается на протяжении всей жизнедеятельности клетки. На состояние цитоплазмы влияют концентрация водородных ионов, а также соотношение между содержанием одно-и двухвалентных катионов. В присутствии кальция коагуляция белков в цитоплазме происходит при более низкой температуре.

Свойства цитоплазмы обусловливаются сложностью многофазной, полидисперсной, коллоидной системы. Цитоплазма имеет три слоя:

• внешний — плазмалемма,
• внутренний — тонопласт,
• лежащий между ними — мезоплазма.

Пограничные слои плазмалеммы и тонопласт вязкие и эластичные, а мезо-плазма более текучая и менее эластичная.

Межмицеллярные пространства в цитоплазме содержат, кроме воды, еще и липоиды, которые находятся в непрочной связи с некоторыми боковыми цепочками белковых веществ. Эти боковые цепочки заканчиваются одной или двумя гидрофобными группами CH3, обладающими способностью присоединять к себе жиры. Кроме того, молекулы липоидных веществ имеют гидрофильные группы СООН, СОН, NH2, которые определяют способность липоидов взаимодействовать с водой. Следовательно, гидрофобные группы молекул будут ориентированы в сторону плазмалеммы, а гидрофильные—мезоплазмы. Липиды способны снижать поверхностное натяжение жидкостей; согласно законам физической химии они концентрируются главным образом на поверхности.

Во взрослых клетках, которые имеют вакуоли, на внутренней поверхности цитоплазмы, граничащей с клеточным соком, также образуется обогащенный липидами внешний слой, аналогичный плазмалемме; одновременно содержащиеся в клеточном соке липиды скапливаются возле поверхности вакуоли, которая граничит с цитоплазмой. Поэтому тонопласт богаче липидами, чем мезоплазма. Структура цитоплазмы чрезвычайно подвижна, и имеющиеся в ней вещества непрерывно вступают во взаимодействие как друг с другом, так и с органическими веществами или минеральными солями, которые поступают в клетку или вырабатываются цитоплазмой. Так, под влиянием: сахара ее структура может из золя перейти в гель.

Таким образом, цитоплазма — это сложная гетерогенная коллоидная структура, которая включает большое количество различных компонентов. Дисперсной средой является комплексный гидрозоль с высоким содержанием белковых и других макромолекул, сахаров, неорганических солей, например, фосфатов. Важную роль играет вода, которая насыщает всю систему коллоидов цитоплазмы, образуя непрерывную фазу.

В живой цитоплазме постоянно происходят процессы новообразования и распада различных веществ, коагуляция коллоидов и их обратное превращение в золи, образование коацерватов, гелей и т.д. Эти процессы непосредственно зависят от состояния и свойств структур, из которых она состоит. Изменения протоплазменных структур под воздействием внешних условий имеют приспособительный характер.

Следовательно, цитоплазма — система многофазная, подвижная, динамичная; она закономерно изменяется под влиянием внутренних и внешних факторов.

В цитоплазме осуществляются метаболические циклы веществ и энергии, составляющие основу жизни растительного организма.

Физико-химические свойства цитоплазмы. Цитоплазма, представляющая собой основную массу протопласта (за вычетом ядра, митохондрии и пластид), имеет сложное строение, детали которого до сих пор еще не выяснены. Она состоит из большого количества высокомолекулярных веществ — биополимеров. Часть последних формирует особые структурные образования — мембраны, придающие цитоплазме значительную структурность. Цитоплазма проявляет свойства сравнительно вязкой жидкости, но одновременно и некоторые свойства твердого тела (эластичность). Структурную основу всей цитоплазмы, так называемый цитоскелет, составляют особые белки, способные преобразовывать химическую энергию в механическую работу.

Мембрана обладает способностью избирательно пропускать молекулы одних веществ и не пропускать молекулы других веществ, т. е. она обладает избирательной проницаемостью, и играет важную роль в жизнедеятельности. Цитоплазма имеет две пограничные мембраны. Одна из этих мембран, называемая плазма леммой, отграничивает цитоплазму от вакуоли. Тонопласт — наиболее устойчивая часть цитоплазмы; при гибели содержимого клетки он отмирает последним. Проницаемость цитоплазмы связана с активной жизнедеятельностью (дыханием) растения.

Одним из характерных свойств цитоплазмы является ее способность к движению. Движение цитоплазмы и находящихся в ней включений происходит как в постенном слое, так и в тяжах, связывающих ядро с цитоплазмой. Движение цитоплазмы играет большую роль в жизнедеятельности растительного организма, способствуя перемещению веществ из одной клетки в другую.

Вязкость — одно из важнейших свойств цитоплазмы. Она очень сильно колеблется в зависимости от вида растения, а также от фаз его развития. У некоторых растений вязкость цитоплазмы немного превышает вязкость воды, а у других достигает вязкости глицерина, превосходящего в этом отношении воду в 87 раз. Вязкость цитоплазмы тесно связана с обменом веществ: чем выше вязкость, тем обычно менее интенсивен обмен.