Будова клітини рослини: повний гід

Що таке клітина рослини

Визначення та загальна характеристика

Кожна зелена травинка під ногами, величезне дерево в парку чи квітка на підвіконні складаються з мільйонів мікроскопічних одиниць — клітин. Клітина рослини — це унікальна біологічна фабрика, що працює цілодобово, перетворюючи сонячне світло на енергію життя. Розміром лише 20-100 мікрометрів, вона містить складну систему відділів і механізмів, які злагоджено функціонують для підтримки всіх життєвих процесів.

Будова клітини рослини включає ядро з генетичним матеріалом, різноманітні органели, клітинну стінку та плазматичну мембрану. Особливим “обладнанням” є хлоропласти — зелені структури, де відбувається фотосинтез, завдяки якому рослини виробляють кисень та поживні речовини. Клітина рослини має велику центральну вакуолю, яка забезпечує тургор — пружність тканин.

Чим клітина рослини відрізняється від клітини тварини

Клітини рослин і тварин мають суттєві відмінності, які безпосередньо пов’язані з їхнім способом життя. Рослинна клітина має міцну клітинну стінку, яка надає жорсткості та захисту, в той час як тваринна клітина оточена лише плазматичною мембраною. Клітина рослини містить хлоропласти для фотосинтезу, чого немає у тварин. Центральна вакуоля у рослин займає до 90% об’єму клітини, тоді як у тваринних клітинах вакуолі дрібні або відсутні.

Цікаво, що для накопичення енергетичних запасів рослинні клітини використовують крохмаль, а тваринні — глікоген. Відмінності у будові клітини дозволяють рослинам бути автотрофами (самостійно виробляти енергію через фотосинтез), тоді як тварини залишаються гетеротрофами, які отримують енергію з їжі.

Основні типи клітин у рослин

Паренхімні клітини

Паренхімні клітини — це найпоширеніший тип клітин у рослинному організмі. Вони мають тонкі клітинні стінки та великі вакуолі. Ці клітини виконують різноманітні функції: фотосинтез (у зелених частинах), зберігання поживних речовин (у бульбах, коренях), газообмін (у листках). Здатність паренхімних клітин до поділу робить їх незамінними для загоєння пошкоджень.

Найцікавіше, що паренхіма зберігає здатність до поділу навіть у дорослій рослині. Саме ця особливість дозволяє вам успішно розмножувати кімнатні рослини живцями — паренхімні клітини швидко утворюють нові корені та пагони.

Коленхімні та склеренхімні клітини

Коленхімні клітини забезпечують механічну підтримку молодих частин рослини. Вони мають нерівномірно потовщені стінки, але залишаються живими та зберігають еластичність. Ви можете знайти коленхіму в черешках листків та молодих стеблах, де вона надає міцності без обмеження росту.

Склеренхімні клітини — справжні “будівельники” рослинного організму. Вони мають дуже товсті, часто здерев’янілі стінки та після дозрівання зазвичай відмирають. Більшість клітин деревини — це склеренхімні клітини, які створюють міцний каркас стовбурів дерев.

Провідні клітини (ксилема та флоема)

Провідні клітини рослин формують транспортну систему, подібну до наших кровоносних судин. Ксилема переносить воду та мінеральні солі від коренів до листя. Клітини ксилеми часто відмирають, утворюючи порожні трубки, якими рухається вода. Саме завдяки цим клітинам навіть 100-метрові секвої отримують воду від коренів до верхівки.

Флоема транспортує органічні речовини, утворені під час фотосинтезу, до всіх частин рослини. На відміну від клітин ксилеми, клітини флоеми залишаються живими. Вони мають унікальну систему ситоподібних трубок, через які проходять розчини глюкози, амінокислот та інших поживних речовин.

• Паренхіма — найпростіша структура
• Ксилема — переносить воду
• Флоема — переносить продукти фотосинтезу

Мембрани клітини та їх функції

Плазматична мембрана

Плазматична мембрана — це тонкий, але надзвичайно важливий бар’єр між внутрішнім вмістом клітини та зовнішнім середовищем. У клітині рослини вона розташована під клітинною стінкою. Плазматична мембрана складається з подвійного шару ліпідів із вбудованими білками, що виконують різні функції: транспортні, рецепторні, ферментативні.

Головне завдання плазматичної мембрани — вибірковий транспорт речовин. Вона пропускає воду, кисень, вуглекислий газ, але контролює переміщення іонів та більших молекул. Завдяки цій вибірковій проникності клітина рослини підтримує свій внутрішній склад і регулює обмін речовин.

Тонопласт і вакуоля

Тонопласт — це спеціалізована мембрана, що оточує вакуолю клітини рослини. Як диригент оркестру, тонопласт керує вмістом вакуолі, контролюючи, які речовини потрапляють всередину, а які виходять назовні. Структурно тонопласт подібний до плазматичної мембрани, але містить специфічні білки для транспорту води, іонів та органічних речовин.

Тонопласт забезпечує накопичення у вакуолі пігментів, що надають забарвлення квітам, запасних речовин та відходів метаболізму. Він регулює кислотність вакуолярного соку, що впливає на активність ферментів. Завдяки роботі тонопласту, вакуоля підтримує тургор клітини, без якого рослина втрачає пружність і в’яне.

Клітинна стінка: структура та значення

Хімічний склад клітинної стінки

Клітинна стінка — це міцний зовнішній каркас клітини рослини, що надає форму та захист. Її основу складає целюлоза — полісахарид із довгих ланцюжків глюкози, переплетених у мікрофібрили. Ці мікрофібрили формують міцну сітку, подібну до арматури в бетоні. Між ними розташовуються пектинові речовини та геміцелюлоза, які надають еластичності.

У деяких клітинах до складу стінки входить лігнін — речовина, що збільшує міцність та водонепроникність. Саме лігнін надає деревині її типових властивостей. Також у клітинній стінці можуть накопичуватись мінеральні солі, кремнезем, воски, що підвищують її захисні функції.

Первинна та вторинна стінки

Клітинна стінка рослини формується поетапно. Спочатку утворюється тонка, гнучка первинна стінка. Вона містить менше целюлози та більше пектинових речовин, що забезпечує можливість росту клітини. Первинні стінки сусідніх клітин з’єднані особливим “клеєм” — серединною пластинкою, багатою на пектини.

Після завершення росту багато клітин формують другий шар — вторинну стінку. Вона значно товща, містить більше целюлози та часто просочена лігніном. Вторинна стінка надає клітинам додаткової міцності та стійкості. У провідних тканинах саме вторинна стінка забезпечує необхідну механічну підтримку для транспорту води на значні відстані.

1. Целюлоза
2. Геміцелюлоза
3. Лігнін

Вакуоля — “сховище” клітини

Функції вакуолі

Вакуоля клітини рослини — це природне багатофункціональне сховище. Вона займає до 90% об’єму клітини та виконує кілька важливих функцій. По-перше, вакуоля зберігає поживні речовини: цукри, білки, мінеральні солі. По-друге, вона накопичує пігменти, які надають забарвлення квітам, плодам, осіннім листкам.

Вакуоля також служить “утилізатором відходів”, ізолюючи шкідливі речовини від інших частин клітини. У ній накопичуються продукти метаболізму, які можуть бути токсичними. Завдяки значному вмісту води та розчинених речовин, вакуоля створює осмотичний тиск, що підтримує форму та пружність клітини.

Сапопласт і осмотичний тиск

Клітинний сік вакуолі містить розчини солей, цукрів, органічних кислот, що створюють осмотичний потенціал. Вода надходить у вакуолю з навколишнього середовища через плазматичну мембрану та тонопласт за законами осмосу. Це призводить до виникнення гідростатичного (тургорного) тиску, який тисне на клітинну стінку.

Саме осмотичний тиск вакуолі підтримує тургор — пружний стан клітини. Коли рослина втрачає воду, осмотичний тиск знижується, клітини стають менш пружними, і рослина в’яне. Трава схиляється в спеку, а потім “оживає” після поливу — це наочний приклад зміни тургору завдяки роботі вакуолей.

Пластиди: хлоропласти, хромопласти, лейкопласти

Хлоропласти: фотосинтез і будова

Хлоропласти — це зелені органели, справжні сонячні електростанції клітини рослини. Вони перетворюють енергію світла на хімічну енергію під час фотосинтезу. Кожен хлоропласт має складну внутрішню будову: зовні він оточений подвійною мембраною, а всередині містить мембранну систему тилакоїдів, зібраних у стопки — грани.

Саме на мембранах тилакоїдів розташовані молекули хлорофілу та інші пігменти, які вловлюють сонячне світло. У рідкій частині хлоропласта — стромі — розташовані ферменти, що перетворюють вуглекислий газ на глюкозу. Хлоропласти мають власну ДНК та рибосоми, що дозволяє їм частково самостійно синтезувати потрібні білки.

У процесі фотосинтезу хлоропласти поглинають вуглекислий газ і воду, а виділяють кисень та органічні сполуки. Цей процес життєво важливий не тільки для самої рослини, але й для всієї планети, адже забезпечує атмосферу киснем.

Інші типи пластид і їх ролі

Крім хлоропластів, у клітинах рослини існують інші типи пластид. Хромопласти накопичують каротиноїди та інші пігменти, надаючи яскравого забарвлення плодам, квітам, осіннім листкам. Червоні помідори, оранжеві моркви, жовті пелюстки — все це заслуга хромопластів.

Лейкопласти — безбарвні пластиди, що спеціалізуються на зберіганні запасних речовин. Амілопласти накопичують крохмаль у бульбах картоплі, зернах пшениці, насінні. Протеїнопласти зберігають запасні білки, а еліопласти — олії. Всі типи пластид можуть перетворюватись один в одного: так, при достатньому освітленні лейкопласти стають хлоропластами, а при дозріванні плодів хлоропласти перетворюються на хромопласти.

Ядро клітини та керування процесами

Будова ядра

Ядро — це командний центр клітини рослини. Воно має сферичну або овальну форму і відділене від цитоплазми ядерною оболонкою. Ця оболонка складається з двох мембран з порами, через які відбувається обмін речовинами між ядром і цитоплазмою. Всередині ядра знаходиться ядерний сік — нуклеоплазма, в якій розташовані хроматин (деконденсована ДНК) і ядерце.

Ядерце — це місце синтезу рибосомної РНК та формування субодиниць рибосом. Воно виглядає як темна пляма всередині ядра. Під час поділу клітини хроматин конденсується у хромосоми — щільні структури, які містять генетичний матеріал у компактній формі, придатній для розподілу між дочірніми клітинами.

Роль ДНК у клітині

ДНК клітини рослини — це молекула, що містить повну генетичну інформацію про організм. Вона зберігає «креслення» для синтезу всіх білків рослини. Гени, відрізки ДНК, визначають, якими будуть форма листків, колір квітів, стійкість до хвороб та інші ознаки рослини.

Для реалізації генетичної інформації спочатку відбувається транскрипція — синтез молекул РНК на основі ДНК. Потім інформація з РНК використовується для синтезу білків у процесі трансляції. Таким чином, ядро контролює всі процеси в клітині, визначаючи, які білки, коли і в якій кількості синтезуються.

Крім ядерної ДНК, у клітині рослини є ДНК мітохондрій і хлоропластів. Це підтверджує ендосимбіотичну теорію, згідно з якою ці органели колись були самостійними організмами.

Цитоплазма та цитоскелет

Компоненти цитоплазми

Цитоплазма клітини рослини — це внутрішнє середовище між плазматичною мембраною та ядром, де розміщені всі органели. Вона складається з цитозолю — напіврідкої субстанції, що містить воду, розчинені солі, білки, вуглеводи та інші органічні молекули. У цитозолі відбувається багато ферментативних реакцій, зокрема гліколіз — перший етап клітинного дихання.

У цитоплазмі рослинної клітини розташовані різноманітні органели: ендоплазматична сітка, апарат Гольджі, мітохондрії, рибосоми, везикули. Між цитоплазмою сусідніх клітин існують цитоплазматичні містки — плазмодесми, що проходять через клітинну стінку і дозволяють обмінюватись речовинами.

Функції цитоскелету в клітині

Цитоскелет у клітині рослини — це динамічна мережа білкових ниток, що забезпечує форму, рух органел та внутрішньоклітинний транспорт. Він складається з трьох типів структур: мікрофіламентів (актинових ниток), мікротрубочок і проміжних філаментів.

Актинові нитки беруть участь у циклозі — русі цитоплазми всередині клітини. Завдяки цьому органели переміщуються, а речовини рівномірно розподіляються. Мікротрубочки формують веретено поділу під час мітозу та спрямовують рух целюлозних мікрофібрил при формуванні клітинної стінки. Вони також визначають розташування новоутворених клітинних пластинок при поділі.

Цитоскелет рослинної клітини бере участь у реакціях на зовнішні подразники. Наприклад, при механічному впливі або зміні освітлення актинові нитки можуть перебудовуватись, змінюючи розташування хлоропластів у клітині.

Органели рослинної клітини: коротко про головне

Мітохондрії — енергетичні станції

Мітохондрії — це органели клітини рослини, що забезпечують її енергією. Вони мають двомембранну будову: зовнішня мембрана гладка, а внутрішня утворює численні складки — кристи, що збільшують площу поверхні. Внутрішній простір заповнений матриксом із ферментами, що каталізують реакції клітинного дихання.

У мітохондріях відбувається кисневий етап клітинного дихання — цикл Кребса та окисне фосфорилювання. Під час цих процесів енергія, що міститься в молекулах глюкози, перетворюється на АТФ — універсальне “паливо” для всіх клітинних процесів. Мітохондрії мають власну ДНК і можуть розмножуватись поділом, незалежно від поділу клітини.

Ендоплазматична сітка та апарат Гольджі

Ендоплазматична сітка (ЕПС) — це система мембранних канальців і порожнин, що пронизує цитоплазму клітини рослини. Розрізняють гранулярну ЕПС, на поверхні якої розташовані рибосоми, та агранулярну, без рибосом. Гранулярна ЕПС — місце синтезу білків, що надходять в просвіт ЕПС, де відбувається їх первинна модифікація.

Апарат Гольджі складається з плоских мембранних мішечків — цистерн, складених у стопку. Він отримує везикули з білками від ЕПС, модифікує їх (наприклад, приєднує вуглеводні компоненти), сортує та упаковує в нові везикули. Ці везикули транспортують вміст до місця призначення: плазматичної мембрани, вакуолі або клітинної стінки.

Рибосоми та синтез білків

Рибосоми клітини рослини — це невеликі органели, що складаються з двох субодиниць: малої та великої. Вони можуть розташовуватись вільно в цитоплазмі або бути прикріпленими до мембран ендоплазматичної сітки. Основна функція рибосом — синтез білків із амінокислот за інформацією, закодованою в мРНК.

Під час синтезу білка рибосома рухається вздовж молекули мРНК, “зчитуючи” генетичний код. Відповідно до нього, тРНК приносять потрібні амінокислоти, які з’єднуються у поліпептидний ланцюг. Синтезований білок згортається у складну тривимірну структуру і виконує специфічні функції: структурні, ферментативні, транспортні, захисні та інші.

Обмін речовин у клітині рослини

Фотосинтез

Фотосинтез — це унікальний процес перетворення сонячної енергії на хімічну, який відбувається у хлоропластах клітини рослини. Він складається з двох фаз: світлової та темнової. Під час світлової фази молекули хлорофілу вловлюють фотони світла, що запускає рух електронів по електронно-транспортному ланцюгу. Цей рух супроводжується синтезом АТФ та відновленням НАДФ+.

У темновій фазі (циклі Кальвіна) енергія АТФ та НАДФ·Н використовується для фіксації вуглекислого газу та перетворення його на органічні сполуки, перш за все глюкозу. Саме під час фотосинтезу рослини виділяють кисень як побічний продукт. Загальне рівняння фотосинтезу виглядає так: 6CO₂ + 6H₂O + світлова енергія → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Інтенсивність фотосинтезу залежить від багатьох факторів: освітленості, температури, концентрації вуглекислого газу, наявності води та мінеральних речовин. Продукти фотосинтезу клітина рослини використовує для дихання, росту, запасання поживних речовин.

Дихання та транспортування речовин

Клітинне дихання у рослинній клітині — це процес окислення органічних речовин (переважно глюкози) з виділенням енергії у формі АТФ. Перший етап — гліколіз — відбувається в цитоплазмі. Наступні етапи (цикл Кребса та окисне фосфорилювання) проходять у мітохондріях. Загальне рівняння дихання: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + енергія (АТФ).

Транспортування речовин у клітині рослини відбувається різними способами. Вода та малі нейтральні молекули проникають через мембрани шляхом простої дифузії. Для транспорту іонів і більших молекул використовуються спеціальні білки-переносники. Великі частинки та макромолекули переносяться у мембранних пухирцях — везикулах.

Між клітинами речовини переміщуються через плазмодесми — цитоплазматичні містки, що проходять крізь клітинну стінку. У масштабі всієї рослини транспорт здійснюють спеціалізовані тканини: ксилема (вода і мінерали) та флоема (продукти фотосинтезу).

Ріст і розмноження рослинних клітин

Мітоз і його етапи

Мітоз — це основний спосіб поділу клітини рослини, при якому з однієї материнської клітини утворюються дві дочірні з ідентичним набором хромосом. Цей процес забезпечує ріст багатоклітинного організму, заміну пошкоджених клітин та безстатеве розмноження. Мітоз складається з кількох послідовних фаз.

Профаза — хромосоми конденсуються і стають видимими під мікроскопом. Ядерна оболонка поступово руйнується, формується веретено поділу з мікротрубочок. У рослинних клітинах відсутні центріолі, тому веретено формується з полярних шапочок на протилежних кінцях клітини.

Метафаза — хромосоми вишиковуються в екваторіальній площині клітини. Кожна хромосома складається з двох хроматид, з’єднаних у центромері. До центромери прикріплюються нитки веретена поділу.

Анафаза — хроматиди кожної хромосоми розділяються і розходяться до протилежних полюсів клітини, рухаючись по нитках веретена поділу. Телофаза — на полюсах клітини формуються нові ядра, хромосоми деконденсуються, відновлюється ядерна оболонка.

Особливістю поділу рослинної клітини є цитокінез — формування нової клітинної стінки між дочірніми клітинами. Він відбувається шляхом утворення фрагмопласту — структури з мікротрубочок, вздовж якої від центру до периферії формується клітинна пластинка.

Меристеми та клітинний поділ

Меристеми — це особливі тканини рослин, клітини яких зберігають здатність до поділу протягом усього життя. Саме завдяки меристемам рослини можуть рости все життя, що відрізняє їх від тварин. Первинні меристеми розташовані на кінчиках коренів (апікальна меристема кореня) і пагонів (апікальна меристема пагона).

Клітини апікальних меристем мають тонкі стінки, щільну цитоплазму, великі ядра та дрібні вакуолі. Вони активно діляться, забезпечуючи ріст рослини в довжину. Бічні меристеми (камбій, фелоген) відповідають за ріст у товщину. Завдяки камбію утворюються річні кільця в деревині.

Крім забезпечення росту, меристеми відіграють важливу роль у регенерації пошкоджених тканин. Ця властивість широко використовується в сільському господарстві та садівництві для вегетативного розмноження рослин. З невеликого шматочка тканини з меристематичними клітинами в лабораторних умовах можна виростити цілу рослину.

Адаптації клітин до умов середовища

Водозабезпечення та транспортування

Клітини рослин мають унікальні адаптації для забезпечення водою в різних умовах середовища. У посушливих районах рослини формують клітини з товстими кутикулами, що зменшують випаровування. Продихи — спеціалізовані структури з двох замикаючих клітин — відкриваються лише за сприятливих умов. У деяких рослин вони розташовані в заглибленнях епідермісу для зменшення втрат води.

Для транспортування води на великі відстані в судинних рослинах формуються спеціалізовані клітини ксилеми. Вони відмирають, утворюючи порожні трубки з товстими лігніфікованими стінками. Рух води в цих судинах відбувається завдяки когезії молекул води та адгезії до стінок, а також кореневому тиску та транспірації.

У водних рослин клітини мають тонкі стінки та розвинену систему повітряних порожнин (аеренхіму), що забезпечує плавучість та газообмін. Їхні продихи часто розташовані на верхній поверхні листків, що контактує з повітрям.

Захисні структури клітини

Клітини рослин формують різноманітні захисні структури для виживання в несприятливих умовах. Епідермальні клітини вкриті кутикулою — шаром воскоподібних речовин, що захищає від надмірного випаровування та патогенів. На поверхні багатьох рослин розвиваються трихоми — одно- або багатоклітинні вирости, що виконують захисну функцію.

У відповідь на проникнення патогенів клітини рослини здатні швидко утворювати калозу — полісахарид, що закупорює плазмодесми та ізолює інфіковану ділянку. При механічних пошкодженнях активуються гени, відповідальні за синтез захисних білків та фітоалексинів — антибіотичних сполук, що пригнічують ріст грибів і бактерій.

Деякі клітини накопичують токсичні речовини (алкалоїди, таніни) або формують механічні структури (колючки, шипи), що захищають від поїдання тваринами. Інші виділяють клейкі або отруйні речовини, що відлякують комах. Такі адаптації на клітинному рівні забезпечують виживання рослин у конкурентному середовищі.