Komponenten lebender Zellen und ihre Funktionen

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Strukturelle Organisation der Zelle:

Zelle ist eine Einheit der biologischen Struktur und Aktivität. Es besteht aus einer organisierten Protoplasmamasse, die von einer schützenden und selektiv durchlässigen Hülle, der so genannten Plasmamembran, umgeben ist.

Das Protoplasma einer Zelle wird Protoplasten genannt (Hanstein, 1880). Es besteht aus Plasma-Lemma, Zytoplasma, Vakuolen und Zellkern. In Pflanzenzellen, Pilzen, Bakterien und Cyanobakterien ist eine Zelle auch von einer Zellwand umgeben.

Zelle ist eine Einheit der biologischen Struktur und Aktivität. Es besteht aus einer organisierten Protoplasmamasse, die von einer schützenden und selektiv permeablen Hülle umgeben ist, der Plasmamembran. Das Protoplasma einer Zelle wird Protoplasten genannt (Hanstein, 1880). Es besteht aus Plasma-Lemma, Zytoplasma, Vakuolen und Zellkern. In Pflanzenzellen, Pilzen, Bakterien und Cyanobakterien ist eine Zelle auch von einer Zellwand umgeben.

[I] Protoplasma:

Protoplasma wurde von Thomas Huxley (1868) als "lebende physische Basis des Lebens" beschrieben, da alle Aktivitäten von Lebewesen die Aktivitäten von Protoplasma selbst sind. Es ist die einzige Substanz, die mit Leben ausgestattet ist. Daher werden Pflanzen und Tiere, die diese Substanz in ihrem Körper enthalten, als lebend betrachtet. Wenn das Protoplasma stirbt, erfüllt die Zelle keine Funktion mehr für die Pflanzen oder das Tier, die dann insgesamt inert und tot werden.

Physikalische Eigenschaften von Protoplasma:

Aufgrund mikroskopischer Untersuchungen erscheint Protoplasma als klare, farblose, geleeartige gelatinöse Substanz. Es ist eine wässrige Lösung von sehr kleinen Körnchen und Kügelchen verschiedener Substanzen (Substanzen erscheinen dadurch viskos, elastisch und körnig).

In seinem aktiven Zustand bleibt das Protoplasma mit Wasser gesättigt, was 75 bis 90 Prozent des Inhalts ausmacht. Protoplasma gerinnt beim Erhitzen, und wenn es abgetötet wird, verliert es seine Transparenz. Es reagiert auf verschiedene äußere Reize, z. B. Stromschlag und Chemikalien.

Protoplasma ist in der Natur semipermeabel und diese Eigenschaft geht verloren, wenn das Protoplasma getötet wird. Unter normalen Bedingungen befindet sich das Protoplasma einer lebenden Zelle in einem Zustand langsamer, aber konstanter Bewegung. In vielen Fällen zeigt es jedoch unterschiedliche Bewegungen unterschiedlicher Art.

Nackte Protoplasmamassen zeigen zwei Arten von Bewegungen - Ziliarbewegungen (Schwimmbewegung von freien, winzigen, protoplasmatischen Körpern wie die Zoosporen vieler Algen und Pilze mit Hilfe von Zilien oder Geißeln) und Amöben (Schleichbewegung mit Pseudopodien als in Amöbe). Das von einer Zellwand eingeschlossene Protoplasma zeigt eine Strömung in sich, die als Zyklose bezeichnet wird.

Es gibt zwei Arten von Zyklosen: Rotation (das Protoplasma bewegt sich um eine Vakuole innerhalb einer Zelle nur in eine Richtung, entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn), z. B. Blattzellen von Hydrilla oder Vallisneria und die Zirkulation (das Protoplasma bewegt sich in verschiedenen Richtungen um verschiedene Vakuolen im Inneren eine Zelle wie in Staminalhaaren von Tradescantia).

Protoplasma ist ein komplexes polyphasisches kolloidales System. Das wichtigste physikalische Merkmal von Protoplasma ist seine kolloidale Natur, der es die meisten seiner Eigenschaften verdankt.

Chemische Zusammensetzung von Protoplasma:

Aktives Protoplasma enthält einen hohen Wasseranteil (75-90%) und bleibt damit gesättigt. Wenn man dieses Wasser weglässt, enthält der Feststoff des Protoplasmas Folgendes: Proteine ​​- 40-60%.

Fettsubstanzen (echte Fette und Lipide, insbesondere Lecithin) -12-14%; Kohlenhydrate 12-14% und anorganische Salze 5-7%. Die Analyse des toten Protoplasmas zeigt eine lange Liste der darin enthaltenen Elemente.

Von diesen Sauerstoff (O) sind etwa 65%, Kohlenstoff (C) etwa 18, 3%, Wasserstoff (H) etwa 11% und Stickstoff (N) etwa 2, 5% am auffälligsten. Andere Elemente, die die verbleibenden 3% ausmachen, umfassen Chlor (CI), Schwefel (S), Phosphor (P), Silicium (Si), Calcium (Ca), Mangan (Mn) usw.

Neben den oben genannten Chemikalien finden sich auch verschiedene Arten von Pigmenten, Latex, Vitaminen, Wachstumsregulatoren, Enzymen und Alkaloiden im Protoplasma und spielen eine spezifische Rolle in der Zelle.

Protoplasma besteht aus zwei Hauptteilen

1. Cytoplasma

2. Kern

Der äußerste Teil des Zytoplasmas besteht aus einer Einheitsmembran, die als Plasma-Lemma oder Plasmamembran in tierischen und pflanzlichen Zellen bezeichnet wird. In Pflanzenzellen ist die Plasmamembran durch eine dicke Zellwand von außen geschützt.

[II] Zellwand:

Die Zellwand ist ein nicht lebendes System, das nur für Pflanzenzellen charakteristisch ist. In Ausnahmefällen besitzen die Gameten bestimmter niedrigerer Pflanzen und das Plasmodium bestimmter Pilze keine Zellwände. Nur wenn die Zellwand den lebenden Protoplasten berührt, der sie gebildet hat, ist sie wachstumsfähig und kann daher nicht als unabhängig vom Protoplasten angesehen werden.

Zellwand besteht aus drei Teilen:

1. Mittellamelle:

Es ist dünn, amorph, bildet die interzelluläre Substanz und hilft, die Primärwände benachbarter Zellen zusammenzuhalten. Auf der Außenseite der Oberflächenzellen fehlt die mittlere Lamelle. Es besteht aus Kalzium- und Magnesiumpektaten. Mittellamellen können durch verschiedene Substanzen einschließlich Pektinase und Jefferys Flüssigkeit aufgelöst werden. Es ist optisch isotrop.

2. Die Hauptwand:

Es ist das erste, das von der Zelle gebildet wird, und wird auf beiden Seiten der Mittellamelle in benachbarten Zellen abgelagert. Es ist optisch anisotrop und besteht chemisch aus Cellulose, pektischen Substanzen, Hemicellulose und einigen anderen Polysacchariden. Alle lebenden Zellen besitzen Primärwände. Da sich die Primärwand sehr früh in der Ontogenese der Zelle ablagert, wird sie während des nachfolgenden Wachstums der Zelle stark beansprucht.

Es wächst nicht nur in der linearen Dimension, sondern auch in der Dicke. Somit hat die primäre Zellwand sowohl Plastizität als auch Elastizität. In einigen Fällen ist das Wachstum der Dicke der Primärwand im Gegensatz zu der irreversiblen Natur der Sekundärwand reversibel.

Die Primärwand besteht aus einer Reihe von Mikrofibrillen, die in die amorphe gelartige Matrix oder Grundsubstanz eingebettet sind. In den meisten Pflanzen bestehen die Mikrofibrillen aus Zellulose. Sie bestehen aus einem Polymerisat aus Acetylglucosamin oder Pilzcellulose in vielen Pilzen. Mikrofibrillen werden je nach Form und Verdickung der Wand unterschiedlich orientiert. Normalerweise sind sie in einem lockeren Netzwerk angeordnet.

3. Sekundärwand:

Es wird in einigen reifen Zellen produziert, wenn diese später das Wachstum gestoppt haben, z. Die Sekundärwand wird innerhalb der Primärwand durch Anlagerung oder Ablagerung von Materialien über die Oberfläche der vorhandenen Struktur gelegt. Es ist dick (3 - 10 μm) und besteht aus mindestens drei Schichten, manchmal mehr (z. B. Latexschlauch aus Euphorbia milli).

Sie werden als S ₁, S ₂, S ₃, S _x usw. bezeichnet. Die innerste Schicht der sekundären Wand ist manchmal sowohl chemisch als auch in den Färbeeigenschaften aufgrund der Anwesenheit von Xylanen verschieden. Man nennt es dann Tertiärwand, z. B. Spannholz in Gymnospermen. Die Sekundärwand kann fehlen, unregelmäßig abgelagert oder gleichmäßig in den Zellen ausgebildet sein. Dies führt zur Differenzierung von Zellen - Parenchym, Kollenchym, Sklerenchym, Tracheiden und Gefäßen.

Die Zusammensetzung der Sekundärwand ist im Wesentlichen der Primärwand ähnlich, da in eine Matrix aus Pektin und Hemicellulose eingebettete Cellulosemikrofibrillen eingebettet sind. Cellulose-Mikrofibrillen der Sekundärwand liegen nahe, parallel und schräg zur Längsachse der Zelle.

Eine Anzahl verschiedener Materialien kann in der Wand abgelagert werden, beispielsweise Lignin, Suberin und Cutin. Andere Substanzen, die in der Zellwand abgelagert werden können, sind Siliciumdioxid (z. B. Gräser), Mineralien, Wachse, Tannine, Harze, Gummis usw.

Chemische Zusammensetzung der Zellwand:

Die Zellwand von anderen Pflanzen als Pilzen besteht aus Zellulose - einem Polysaccharid. Seine Formel ist (C ₆ H _J0 O ₅ ) n. Neben Cellulose können auch einige pektische Substanzen, Hemicellulose und andere Polysaccharide vorhanden sein. Mittellamellen bestehen aus Kalziumpektat und Magnesiumpektat. Primär- und Sekundärwände bestehen normalerweise aus Zellulose, obwohl einige andere Substanzen ebenfalls vorhanden sein können.

Molekulare und makromolekulare Anordnung von Zellulose in der Zellwand:

Cellulose, ein langes, geradkettiges Polymer aus D-Glucose, bildet einen guten Teil des Skeletts der Zellwand. Etwa 100 lange Ketten von Cellulose bilden eine elementare Fibrille oder Micelle. Etwa 20 Elementarfibrillen bilden eine Mikrofibrille.

Die Räume zwischen den Mikrofibrillen sind mit Wasser, pektischen Substanzen, Hemicellulosen in den Primärwänden und Lignin, Cutin, Suberin usw. in den Sekundärwänden gefüllt. Ungefähr 250 Mikrofibrillen bilden eine Fibrille.

Plamodesmata:

Plasmodesmen (singuläres Plasmodesma; Tangl 1879; Strasburger 1901) sind zytoplasmatische Brücken zwischen benachbarten Pflanzenzellen, die sich in den winzigen Poren ihrer Wände entwickeln. Sie bilden ein protoplasmatisches Kontinuum namens Symplast.

Verschiedene Substanzen können durch Plasmodesmen von einer Zelle zur anderen gelangen. Ein Plasmodesma besteht aus einem Kanal, der mit einer Plasmamembran ausgekleidet ist und einen einfachen oder verzweigten Tubulus hat, der als Desmotubule bekannt ist. Desmotubule ist eine Erweiterung des endoplasmatischen Retikulums.

Gruben:

Gruben sind nicht verdickte Bereiche in den Sekundärwänden von Pflanzenzellen. Sie erscheinen daher als Depressionen. Pits treten im Allgemeinen paarweise an der Wand zweier benachbarter Zellen auf. Eine Grube hat einen Hohlraum oder eine Grubenkammer und eine Grubenmembran. Die Grubenmembran besteht aus Primärwand und Mittellamelle.

Es gibt zwei Arten von Pits: einfach und umrandet. Eine einfache Grube hat eine einheitliche Breite der Grubenkammer. In einer begrenzten Grube ist die Grubenkammer flaschenförmig, da die sekundäre Wand ihre Mündung überragt.

Pits Membran ist durchlässig. Es kann winzige submikroskopische Poren haben. Daher helfen Pits bei der schnellen Translokation zwischen zwei benachbarten Zellen.

Funktionen der Zellwand:

Es führt eine Reihe von Funktionen aus:

(i) Schützt das Protoplasma vor mechanischen Verletzungen.

(ii) Schützt die Zelle vor dem Angriff von Krankheitserregern.

(iii) Verleiht der Zelle Steifigkeit.

(iv) Verleiht der Zelle Form und wirkt dem osmotischen Druck entgegen

(v) Gibt den Landpflanzen Kraft, um den Gravitationskräften standzuhalten.

(vi) Durch ihr Wachstum hilft die Wand bei der Zellausdehnung.

(vii) Abhängig von der Art der Zelle kann ihre Wand durchlässig oder undurchlässig sein. Sogar die durchlässige Wand übt einen gewissen regulatorischen Effekt auf den Transport von Substanzen in und aus der Zelle aus.

(viii) In der Wand vorhandene Pits helfen, ein Protoplasmakontinuum oder Symplast unter den Zellen zu erzeugen.

(ix) Cutin und Suberin der Zellwand reduzieren den Wasserverlust durch Transpiration.

(x) Wände von Siebrohren, Tracheiden und Gefäßen sind für den Ferntransport spezialisiert.

[III] Cytoplasma:

Zytoplasma ist eine geleeartige halbflüssige allgemeine Protoplasmamasse, die den Zellkern ausschließt, jedoch alle anderen Komponenten umfasst - zytoplasmatische Matrix, Zellorganellen und Zelleinschlüsse.

A. Zytoplasmamatrix oder Cytosol (Hyaloplasma):

Es ist der klare flüssige Teil des Zytoplasmas, der in zwei Zuständen vorliegen kann, Sol und Gel. Die beiden heißen Plasmasol und Plasmagel. Plasmagel ist normalerweise unterhalb der Plasmamembran vorhanden. Es heißt Ektoplastik.

Plasmasol ist intern und wird Endoplast genannt. Wasser macht 90% der Matrix aus. Matrix ist eigentlich ein kristallkolloidaler Komplex in Wasser, in dem einige Chemikalien in Form einer echten Lösung vorliegen, während andere als kolloidale Lösung vorliegen.

Die zytoplasmatische Matrix führt eine Reihe von Funktionen aus. Wichtige sind:

1. Die Zellorganellen tauschen Material durch die zytoplasmatische Matrix aus.

2. Die Matrix enthält Rohstoffe und stellt Zellorganellen für ihre Funktion zur Verfügung.

3. Die Matrix ist der Sitz der Synthese einer Reihe von Biochemikalien wie Fetten, Nukleotiden, einigen Kohlenhydraten, Proteinen, Coenzymen usw.

4. Glykolyse, anaerobe Atmung und Art der aeroben Atmung durch den Pentoseweg treten im Matrixteil des Zytoplasmas auf.

5. Es hilft bei der Verteilung verschiedener Materialien in der Zelle.

B. Zellorganellen:

Sie sind subzelluläre Strukturen mit charakteristischen morphologischen Formen, ausgeprägten chemischen Konstitutionen und bestimmten Funktionen. Eine Zelle enthält eine Reihe von Organellen wie Mitochondrien, Plastiden, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Komplex, Ribosomen, Mikrokörpern, Lysosomen usw.

1. Mitochondrien (Mito = Faden, Chondriongranulat) - Zuerst von Kolliker im Jahre 1880 entdeckt und 1894 von Altmann als "Bioplasten" bezeichnet, wurden diese Organellen von Benda (1897) mitochondriert.

Im Allgemeinen sind die Mitochondrien stabförmig, aber Spermien und Eier einer Reihe von Organismen haben kugelförmigere Formen. Mitochondrien haben ein Lipoprotein-Gerüst mit vielen Enzymen und Coenzymen, die für den Energiestoffwechsel benötigt werden. Sie enthalten auch eine spezifische DNA für die zytoplasmatische Vererbung und Ribosomen für die Proteinsynthese.

Die Form, Größe und Anzahl variiert je nach Gewebe, Organismus und physiologischem Zustand des Organismus. Die Aktivität der Zelle ist das Hauptkriterium für die Verteilung der Mitochondrien in einer Zelle, z. B. bilden sie in Leberzellen etwa 30-35% des Zellproteins, während sie in Nierenzellen etwa 20% bilden.

In Pflanzenzellen ist die Anzahl im Vergleich zu Tierzellen geringer. Obwohl sie gleichmäßig im Zytoplasma verteilt sind, können sie auf einen bestimmten Bereich beschränkt sein, in dem ein hoher Bedarf an ATP befriedigt werden muss, z. B. in Muskelzellen, Spermien, Stäbchen und Zapfen der Augen. Mitochondrien fehlen in Prokaryoten und anaeroben Eukaryoten.

Ultrastruktur von Mitochondrien:

Das Durchmesser eines einzelnen Mitochondriums variiert zwischen 0, 5 und 1, 0 μm und 7 μm. Das Mitochondrion ist von zwei verschiedenen Membranen umgeben, die äußere und innere Membran genannt werden. Letztere trennt die Matrix der Organelle, eine gelartige Flüssigkeit.

Somit trennt die innere Membran die Matrix von dem mit Flüssigkeit gefüllten inneren Membranraum. Sowohl die äußere als auch die innere Membran enthalten eine Vielzahl von Enzymen. Eine Anzahl von Enzymen, die während des Krebs-Zyklus verwendet werden, sind an die Matrix gebunden, in die DNA-Stränge suspendiert sind, und die Ribosomen sind überall verteilt.

Die inneren und äußeren Membranen unterscheiden sich chemisch und strukturell voneinander und auch in der Permeabilität. Die innere Membran hat eine größere Oberfläche aufgrund ihrer Ausdehnung in die Matrix in Form von "cristae", die sich in Form und Anzahl je nach Zelltopographie unterscheiden und von parallel zueinander liegen bis zur Bildung eines Anastomosennetzwerks reichen.

Die Anzahl der Cristae steigt oder sinkt in Abhängigkeit von der aeroben Aktivität des Mitochondriums, da während der aeroben Aktivität eine größere Anzahl von ATP produziert werden muss, und somit eine größere Anzahl von Cristae, um Enzymsysteme aufzunehmen. Die innere Membran ist reich an Proteinen und Cardiolipin, während die äußere Membran reich an Phospholoid ist. Beide Membranen scheinen sich auf dem von Robertson (1967) beschriebenen trilamellaren Muster zu befinden.

Sowohl die innere Membran als auch die Cristae besitzen kleine Tennisschläger, die als Elementarteilchen, F ₀ - F ₁ -Teilchen oder Oxysomen (= Oxisomen) bezeichnet werden. Ein Mitochondrion enthält 1x10 ⁴ - 1x10 ⁵ Elementarteilchen. Jedes Elementarteilchen oder -oxysom hat einen Kopf, einen Stiel und eine Basis. Die Basis (F ₀ -Untereinheit) ist etwa 11 nm lang und 1, 5 nm dick.

Der Stiel ist 5 nm lang und 3, 5 nm breit. Der Kopf (F ₁ -Untereinheit) hat einen Durchmesser von 9 bis 10 nm. Elementarteilchen enthalten ATPase. Sie sind daher die Zentren der ATP-Synthese während der oxidativen Phosphorylierung. Enzyme des Elektronentransports befinden sich in der inneren Membran in Kontakt mit Elementarteilchen.

An Stellen kommen äußere und innere Mitochondrienmembranen in Kontakt. Sie werden Adhäsionsstellen genannt. Adhäsionsstellen sind spezielle Permeationsbereiche der Mitochondrien für den Materialtransfer von außen nach innen und umgekehrt.

Äußerer Raum oder peri-mitochondrialer Raum ist der Raum, der zwischen der äußeren und inneren Membran der mitochondrialen Hülle liegt. Normalerweise ist es 60-100 A ° breit und erstreckt sich in die Räume der Cristae. Die Kammer enthält eine Flüssigkeit mit wenigen Enzymen.

Die innere Kammer bildet den Kern des Mitochondriums und enthält eine halbflüssige Matrix. Die Matrix besteht aus Proteinpartikeln, Ribosomen, RNA, mitochondrialer DNA, Enzymen des Krebszyklus, Aminosäuresynthese und Fettsäuremetabolismus. Mitochondriale Ribosomen sind in der Natur 55 S bis 70 S. DNA ist nackt. Sie ist allgemein kreisförmig, kann aber linear sein. DNA macht das Mitochondrion halbautonom.

Teilautonomer Status der Mitochondrien:

Die Mitochondrien enthalten bekanntermaßen DNA und RNA, und es gibt Anzeichen dafür, dass sie über eine eigene Proteinsynthese verfügen. Die Kern-DNA spielt jedoch auch eine Rolle bei der Proteinsynthese der Mitochondrien.

Aus diesem Grund werden die Mitochondrien als sich selbst ausbreitende autonome Teilchen betrachtet. Es wird angenommen, dass die Strukturproteine ​​der Mitochondrien in situ zusammengebaut werden, während lösliche Proteine ​​auf nicht mitochondrialen Ribosomen aufgebaut werden. Funktionen:

1. Mitochondrien sind biochemische Miniaturfabriken, in denen Nahrungsmittel oder Atemsubstrate vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Die dabei freiwerdende Energie wird zunächst in Form von reduzierten Coenzymen und reduzierten prothetischen Gruppen gespeichert.

Letztere werden bald oxidiert und bilden energiereiches ATP. ATP stammt aus Mitochondrien und hilft bei der Durchführung verschiedener Energieprozesse, die Prozesse der Zelle erfordern, wie Muskelkontraktion, Nervenimpulsleitung, Biosynthese, Membrantransport, Zellteilung, Bewegung usw. Aufgrund der Bildung von ATP werden die Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle.

2. Mitochondrien sind wichtige Zwischenprodukte für die Synthese mehrerer Biochemikalien wie Chlorophyll, Cytochrome, Pyrimidine, Steroide, Alkaloide usw.

3. Die Matrix oder innere Kammer der Mitochondrien enthält Enzyme zur Synthese von Fettsäuren. In der äußeren Mitochondrienkammer wurde über Enzyme berichtet, die für die Verlängerung von Fettsäuren erforderlich sind.

4. Die Synthese vieler Aminosäuren findet in den Mitochondrien statt. Die zuerst gebildeten Aminosäuren sind Glutaminsäure und Asparaginsäure. Sie werden aus ∞-Ketoglutarsäure bzw. Oxalessigsäure synthetisiert. Andere Aminosäuren werden durch Transformation und Transaminierung oder Transfer der Aminogruppe (-NH ₂ ) aus Glutaminsäure und Asparaginsäure hergestellt.

5. Ein Organismus erhält im Allgemeinen Mitochondrien von seiner Mutter, da er in Eiern vorhanden ist.

2. Plastids:

Der Begriff Plastid wurde 1866 von E. Haeckel eingeführt. Plastiden sind semi-autonome Organellen mit DNA und Doppelmembran-Hülle, die verschiedene Arten organischer Verbindungen speichern oder synthetisieren. Mit Ausnahme einiger Protistanten sind Plastiden nur auf Pflanzen beschränkt. Plastiden entwickeln sich aus farblosen Vorläufern, den sogenannten Proplastiden.

Proplastide haben die Fähigkeit, sich in verschiedene Arten von Plastiden zu teilen und zu unterscheiden. Je nach Farbe gibt es drei Haupttypen - Leukoplasten, Chromoplasten und Chloroplasten (Schimper, 1883).

(i) Leukoplasten (Gk. Leukos - weiß, Plastos - geformt):

Es handelt sich um farblose Plastiden, die in der Regel in nicht-grünen Zellen in der Nähe des Zellkerns vorkommen und innere Lamellen besitzen. Grana und photosynthetische Pigmente fehlen. Leukoplasten haben eine variable Größe und Form, z. B. abgerundet, oval, zylindrisch, filamentös usw.

Es gibt drei Arten von speziellen Leukoplasten. (a) Amyloplasten. Sie sind die Stärke, die Leukoplasten enthält. Es enthält ein einfaches oder zusammengesetztes Stärkekorn, das mit einer speziellen Proteinhülle bedeckt ist, z. B. Kartoffelknolle, Reis, Weizen, (b) Elaioplasten (Lipidoplasten, Oleoplasten). Die farblosen Plastiden speichern Fett, z. B. Tube Rose, (c) Aleuroplasten, Proteoplasten oder Proteinoplasten. Die Plastiden enthalten Protein im amorphen, kristalloiden oder kristallo-globoiden Zustand (z. B. Aleuronzellen von Maize-Korn, Endospermzellen von Castor).

(ii) Chromoplasten (Gk. chroma - color, plastos - geformt):

Die Plastiden sind aufgrund der Gegenwart von Carotinoidpigmenten gelb oder rötlich. Chlorophylle fehlen. Chromoplasten werden entweder aus Leukoplasten oder Chloroplasten gebildet. Die Farbänderung von grün nach rötlich während der Reifung von Tomaten und Chili ist auf die Umwandlung von Chloroplasten in Chromoplasten zurückzuführen. Die orange Farbe der Karottenwurzeln ist auf Chromoplasten zurückzuführen.

(iii) Chloroplasten (Gk. Chloros = grasgrün, plastisch geformt):

Sie sind die grünen Plastiden, die photosynthetische Pigmente, Chlorophylle und Carotinoide besitzen und an der Synthese von Nahrungsmitteln aus anorganischen Rohstoffen in Gegenwart von Strahlungsenergie beteiligt sind. Chloroplasten von anderen als grünen Algen werden als Chromatophore bezeichnet (z. B. Rhodoplasten von Rotalgen, Phaeoplasten von Braunalgen).

Wenn Chloroplasten vorhanden sind, variieren ihre Anzahl, Form und Größe. In den unteren Pflanzen sind sie eine zu viele pro Zelle und haben verschiedene Formen: in Chlamydomonas kelchförmig, in Ulothrix gürtelförmig, in Spirogyra bandförmig.

In den Grünalgen ist der Chloroplasten mit einem Eiweißkörper verbunden, der als Protein bezeichnet wird. In der Mehrzahl der Grünpflanzen handelt es sich jedoch um kleine, bikonvexe, diskrete Körper, die normalerweise zwischen 4 und 6 μm liegen.

Ultrastruktur von Chloroplasten:

Chloroplasten von Grünpflanzen haben eine ähnliche Membranschicht wie die von Mitochondrien, wobei jede etwa 50 Å dick ist und der Zwischenmembranraum 70 bis 100 Å breit ist. Die äußere Begrenzungsmembran, die dem Chloroplasten eine bestimmte Form verleiht, trägt auch zur Regulierung der Bewegung von Materialien zwischen dem Chloroplasten und dem umgebenden Zytoplasma bei.

Die innere Membran verläuft parallel zur äußeren Membran und wird in parallel zueinander verlaufende Infoldateingeworfen, die als Lamellen bezeichnet werden. Die Lamellen in den Chloroplasten höherer Pflanzen sind größtenteils in scheibenförmigen Beuteln organisiert, die als Thylakoid bezeichnet werden. Thylakoide sind die strukturellen Elemente des Chloroplasten, da sie an der Photosynthese beteiligt sind.

Ein Stapel von Thylakoiden heißt Granum. In einem Chloroplasten können 40-100 Grana auftreten. Jedes Granum hat 20-50 Thylakoide. Grana fehlt in Algenchloroplasten. Letztere sind daher agranal. Grana-Membranen enthalten Proteinpartikel mit zwei Grundgrößen, Durchmesser 105 und 140 µm.

Die größeren Partikel sind mit dem Photosystem I der Photosynthese und die kleineren mit dem Photosystem II der Photosynthese assoziiert. Aufgrund der Anwesenheit von Grana werden Thylakoide in zwei Granal-Thylakoide und Stroma oder intergranale Thylakoide unterschieden.

Das körnige Stroma besteht aus Stärkekorn und Stromazentren; DNA- und Ribosomenstränge (70 S) werden auch durch das Stroma gestreut. Chloroplasten- oder ct-DNA ist nackt, zirkulär oder gelegentlich linear. Die Chloroplastenmatrix höherer Pflanzen kann Stärke vorübergehend als Stärkekörner speichern, die als Assimilationsstärke bezeichnet werden.

Die Membran aus Grana-Lamellen besteht aus Proteinen und Phospholipiden und enthält Chlorophyll und Carotinoide, die die basischen photosynthetischen Pigmente darstellen.

Entwicklung von Chloroplasten:

Neue Chloroplasten werden durch Teilung reifer Chloroplasten hergestellt oder entwickeln neu aus Proplastiden in der Zelle. Proplastide können neben Chloroplasten auch andere Plastidentypen bilden. Die im Zellkern vorhandene genetische Information und die von Chloroplasten interagieren bei der Differenzierung neuer Organellen.

Im Chloroplasten selbst enthaltene DNA wird transkribiert und translatiert, um einige der Chloroplastenproteine ​​zu bilden, und der Rest der Chloroplastenproteine ​​wird von der Kern-DNA nach der Translation erhalten.

Funktionen von Chloroplasten:

1. In eukaryotischen Pflanzen tritt die Photosynthese in Chloroplasten in Gegenwart von Sonnenlicht auf. Photochemische Reaktionen (Lichtreaktionen) der Photosynthese finden auf der Thylakoidmembran der Grana statt, während die biochemischen Reaktionen (Dunkelreaktionen) im Stroma auftreten.

2. Chloroplasten sind die natürlichen Maschinen zur Synthese energiereicher organischer Verbindungen, die nicht nur Pflanzen, sondern auch allen Lebewesen Nahrung bieten.

3. Während des Photosyntheseprozesses absorbieren Chloroplasten Kohlendioxid (CO ₂ ) aus der Umgebung und setzen Sauerstoff (O ₂ ) frei, der von allen Lebewesen zur Zellatmung verwendet wird. So erhält es das Gleichgewicht von CO ₂ und O ₂ in der Umwelt.

3. Endoplasmatisches Retikulum (ER):

Es wurde unabhängig von Porter (1945) und Thompson (1945) entdeckt. Der Name wurde 1953 von Porter gegeben. Endoplasmatisches Retikulum ist ein 3-dimensionales, kompliziertes und miteinander verbundenes System aus Membranen ausgekleideten Kanälen, die durch das Zytoplasma laufen. An Orten ist es mit Plasma-Lemma sowie Kernhülle verbunden. Das hochentwickelte ER der Muskelzelle wird als "sarkoplasmatisches Retikulum" bezeichnet.

Endoplasmatisches Retikulum wird unterschieden in:

(a) raues oder granulares endoplasmatisches Retikulum; Die Rauheit ist auf die Anwesenheit von Ribosomen oder RNP (Ribonucleoprotein) -Partikeln zurückzuführen

(b) glattes oder agranuläres endoplasmatisches Retikulum; es ist glatt wegen der Abwesenheit von Ribosomen.

Das grobe endoplasmatische Retikulum ist in Zellen, die insbesondere an der Proteinsynthese beteiligt sind, wie z. B. enzymproduzierenden Zellen, gut entwickelt. Es hilft auch, Lysosomen zu produzieren. Ihre Membran trägt eine feine Pore im Bereich des angehängten Ribosoms, um das synthetisierte Polypeptid zum Transport in den Kanal des endoplasmatischen Retikulums zu leiten.

Das grobe endoplasmatische Retikulum enthält zwei Arten von Glykoproteinen (Ribophorin I und Ribophorin II) zur Bindung an Ribosomen. Raues endoplasmatisches Retikulum wird hauptsächlich aus Zisternen hergestellt. Tubuli sind sehr wenige.

Das glatte endoplasmatische Retikulum findet sich reichlich in Zellen, die Lipide synthetisieren, und in solchen, die Steroidhormone wie Cholesterin, Glyceride, Testosteron und Progesteron produzieren, oder in solchen, die am Metabolismus von Vitaminen wie pigmentierten Epithelzellen der Retina beteiligt sind. Es besteht hauptsächlich aus Vesikeln und Tubuli. Es wird vermutet, dass Sphaerosomen von SER stammen.

Das ER kann als eine Art Leitungssystem wirken, und die in einigen Fällen beobachtete Kontinuität zwischen dem ER und der Kernhülle lässt vermuten, dass diese Eigenschaft möglich ist, und dies könnte eine der Arten sein, RNA und Nukleoproteine ​​vom Kern zum Kern zu transportieren Zytoplasma.

Struktur:

Endoplasmatisches Retikulum besteht aus mit einer Membran ausgekleideten Kanälen oder Räumen, die eine als endoplasmatische Matrix bezeichnete Flüssigkeit enthalten. Die Einheitsmembran von ER ähnelt in der chemischen Zusammensetzung der Plasmamembran und ist 50 bis 60 Å dick. Endoplasmatisches Retikulum kann in drei Formen existieren: Zisternen, Vesikel und Tubuli. Die drei Formen von ER können in derselben Zelle auftreten, jedoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Zellentwicklung.

(i) Zisternen:

Sie sind flach miteinander verbundene sackartige Teile des endoplasmatischen Retikulums mit einem Durchmesser von 40 bis 50 nm. Die Zisternen befinden sich in Bündeln, wo sie parallel zueinander liegen. Sie kommen in den Zellen vor, die aktiv an der synthetischen Aktivität beteiligt sind.

(ii) Vesikel:

Sie sind ovale oder gerundete Beutel mit einem Durchmesser von 25 bis 500 nm. Die Vesikel erscheinen als kleine Vakuolen. Sie bleiben im Zytoplasma isoliert. Die Vesikel werden auch als Mikrosomen bezeichnet.

(iii) Tubuli:

Sie sind röhrenartige Verlängerungen, die mit Zisternen oder Vesikeln zu einem Netzsystem verbunden werden können. Die Tubuli können unregelmäßig oder regelmäßig, verzweigt oder unverzweigt mit einem Durchmesser von 50-100 nm sein.

Funktionen:

Endoplasmatisches Retikulum hilft sehr bei der Vergrößerung der Oberfläche für die Stoffwechselaktivitäten, wodurch das Enzym stärker mit seinem Substrat agieren kann.

Es fungiert als Zytoskelett oder als intrazelluläres und ultrastrukturelles Gerüst, indem es die kolloidale zytoplasmatische Matrix mechanisch unterstützt.

Große Hohlräume, die durch das Aufwölben von ER erzeugt werden, stellen Sammelstellen für die Produkte bereit, bevor diese aus der Zelle heraus transportiert werden. Dies sorgt für die Konservierung von Stoffwechselprodukten.

Die Membran des endoplasmatischen Retikulums enthält eine Reihe von Enzymen (z. B. ATP-Ase, Reduktasen, Dehydrogenasen, Phosphatasen) für verschiedene Stoffwechselaktivitäten und Cytochrome, die am Elektronentransport beteiligt sind.

4. Golgi-Komplex:

Der Golgi-Komplex ist eine komplexe zytoplasmatische Struktur, die aus glatten Membransacculi oder Zisternen besteht, einem Netzwerk von Tubuli mit Vesikeln und Vakuolen, die an der Membrantransformation, der Sekretion und der Herstellung komplexer Biochemikalien beteiligt sind.

Es ist von einem organellenfreien Zytoplasma umgeben, das als Ausschlusszone oder Golgi-Grundsubstanz bezeichnet wird. Es wurde zuerst von George (1867) gesehen, ist aber nach dem italienischen Wissenschaftler Camillo Golgi benannt, der 1898 den Apparat in den Nervenzellen von Schleiereule und Katze erkannte.

In prokaryotischen Zellen (PPLO, Bakterien und Blaualgen) fehlt der Golgi-Apparat oder -Komplex. In tierischen Zellen ist er entweder einzeln oder besteht aus einem einzelnen zusammenhängenden Komplex. Die beiden Zustände werden als lokal (die meisten Wirbeltierzellen) bezeichnet und diffus (die meisten Invertebratenzellen, Leber- und Nervenzellen von Wirbeltieren). In Pflanzenzellen besteht sie aus einer Anzahl nicht zusammenhängender Einheiten, den sogenannten Diktiosomen.

Struktur:

Die Form und Größe des Golgi-Komplexes ist nicht festgelegt. Sie hängen vom physiologischen Zustand der Zellen ab. Normalerweise besteht der Golgi-Komplex aus vier Teilen - Zisternen, Tubuli, Vesikeln und Vakuolen.

Die Ränder der Zisternen sind sanft geschwungen und verleihen dem gesamten Golgi-Körper ein geschwungenes oder bogenartiges Aussehen. daher hat die konvexe Fläche der Zisternen die "cis-Fläche" oder "Formationsfläche" und die konkave Seite umfasst die "trans-Fläche" oder die "Reifungsfläche".

Die Zisternen ähneln dem glatten endoplasmatischen Retikulum in ihrem Aussehen und schließen ein Lumen von 60 bis 90 Å ein, das eine flüssige Substanz oder Matrix enthält. Die Position der Trans-Fläche des Golgi-Körpers ist abhängig vom Zelltyp speziell angeordnet.

Aufgrund ihrer engen morphologischen und physiologischen Verbindung mit dem endoplasmatischen Retikulum und den Lysosomen werden diese manchmal als Elemente von Endomembransystemen oder vakuolaren Systemen bezeichnet.

Manchmal werden die Ränder der Zisternen perforiert und bilden "fenestrae". Die Anzahl und Größe des Golgi-Körpers variiert mit der Stoffwechselaktivität der Zelle. Während der Zellteilung nimmt die Anzahl der Golgi-Körper zu, da diese die Materialien absondern, um die Zellplatte zu bilden.

Funktionen:

1. Eine Reihe von Proteinen, die mit dem rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert werden, werden zur endgültigen Verarbeitung an die Golgi-Körper weitergegeben, bevor sie an ihren endgültigen Bestimmungsort exportiert werden. Proteine, die zur Sekretion, zur Reparatur von Plasmamembranen oder zu deren Ablagerung bestimmt sind, erreichen die cis-Seite des Golgi-Apparats.

In den Zisternen werden diese Proteine ​​phosphoryliert, glykolisiert, sulfatiert oder einfach verarbeitet. Die Glykolysierung findet im Trans-Gesicht statt, und hier werden die Proteine ​​nach ihrem Bestimmungsort sortiert.

Die Funktion und Effizienz des Golgi-Apparats beruht auf der Enzymgruppe Nucleoside Diphosphatase, die die Diphosphate von Uridin, Guanosin und Inosin hydrolysiert.

2. In Oozyten von Tieren fungiert der Golgi-Apparat als das Zentrum, um das sich das Eigelb ablagert. Der Vorgang wird als Vitellogenese bezeichnet.

3. Das meiste komplexe Kohlenhydrat, außer Glykogen und Stärke, wird innerhalb des Golgi-Komplexes synthetisiert, z. B. Mucopolysaccharide, Hyaluronsäure, Hemicellulose usw.

Lysosomen:

Sie wurden 1955 zufällig von Christian de Duve entdeckt. Die Organellen wurden von Novikoff (1956) unter dem Elektronenmikroskop beobachtet. Er prägte auch den Begriff, Lysosomen (Gk. Lyse-Verdauung oder lose, Somakörper) sind kleine Vesikel, die durch eine einzige Membran gebunden sind und hydrolytische Enzyme in Form von winzigen kristallinen oder halbkristallinen Körnern von 5-8 nm enthalten .

Die einschichtige Membran besteht aus Lipoprotein und es ist schwierig, Lysosomen aufgrund ihres morphologischen Charakters zu identifizieren. In ihnen wurden etwa 40 Enzyme nachgewiesen. Alle Enzyme kommen nicht in demselben Lysosom vor, aber es gibt verschiedene Arten von Enzymen in verschiedenen Lysosomentypen.

Diese membrangebundenen Säcke sind reich an hohen Konzentrationen an Enzymen, die den Abbau von Proteinen und anderen biochemischen Verbindungen hydrolysieren, und diese werden beim Reißen der äußeren Membran freigesetzt. Die Enzyme sind saure Phosphatase, Ribonuklease, B-Glucoronidase und Proteasen. Aufgrund der Anwesenheit dieser Verdauungsenzyme werden Lysosomen als "Selbstmordbeutel" bezeichnet.

Eine weitere interessante Eigenschaft von aus Nierenzellen isolierten Lysosomen ist ihre Fähigkeit, die injizierten Fremdproteine ​​einzufangen und zu konzentrieren, was darauf hindeutet, dass diese bei der Verdauung oder Entgiftung von Fremdmaterialien durch Pinozytose helfen können.

Auftreten:

Lysosomen kommen in allen tierischen Zellen mit Ausnahme der roten Blutkörperchen vor. Sie wurden in Pilzen, Euglena, Wurzelspitzenzellen von Mais, Baumwolle und Erbsensamen aufgezeichnet. Bei Tieren sind Lysosomen reichlich in Leukozyten, Makrophagen, Kupffer-Zellen und ähnlichen Zellen mit phagozytärer Aktivität vorhanden.

Bildung von Lysosomen:

Es wird angenommen, dass Lysosomen durch die gemeinsame Aktivität von endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Komplex gebildet werden. Die Vorläufer von hydrolytischen Enzymen werden meistens am rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert, das sie durch ihre Vesikel auf die sich bildende Seite des Golgi-Komplexes überträgt. Im Golgi-Komplex werden die Vorläufer in Enzyme umgewandelt. Sie werden dann in größere Vesikel verpackt, die als Lysosomen von der Reifefläche abgequetscht werden.

Lysosomen durchlaufen verschiedene Stadien in derselben Zelle. Das Phänomen wird als Polymorphismus oder Existenz von mehr als einer morphologischen Form bezeichnet. Es werden vier verschiedenste Formen von Lysosomen beobachtet, nämlich

1. Primäre oder Protolysosomen, von denen angenommen wird, dass sie von der trans-Seite des Golgi-Komplexes stammen.

2. Sekundäre Lysosomen, Heterolysosomen und Autolysosomen: Erstere werden gebildet, nachdem die primären Lysosomen mit den zytoplasmatischen Vakuolen verschmolzen sind, die extrazelluläre Substanzen enthalten, die durch irgendeine Form von Endozytose erhalten werden. Sobald die Fusion abgeschlossen ist, werden die Enzyme der primären Lysosomen in diese Vakuolen freigesetzt, die als "Phagosomen oder Endosomen" bezeichnet werden.

Sobald die Bildung von Heterolysosomen oder Autolysosomen beendet ist, beginnt der enzymatische Verdau der vakuolaren Inhalte, und während der Prozess fortfährt, wird es schwierig, die Natur der sekundären Lysosomen zu identifizieren, und sie werden Verdauungsvakuolen genannt.

3. Restkörper werden auch als "Teloly ^: Osome" oder "dichte Körper" bezeichnet. Dies sind die Endstufen des Abbaus von Fremdmaterial oder zellulären Organellen durch das Lysosom. An diesem Punkt kommt es zu einer Ansammlung von schlecht verdautem Material, das mit der Membran verbunden ist.

Autolyse oder Autophagie:

Es ist die Selbstzerstörung einer Zelle, eines Gewebes oder Organs mit Hilfe von Lysosomen. Lysosomen, die eine Autolyse durchführen, schließen die aufzubauenden Strukturen nicht ein. Stattdessen platzen sie selbst, um die Verdauungsenzyme freizusetzen. Autolyse tritt in Geweben auf, die Degeneration oder Nekrose unterliegen.

6. Sphaerosomen:

Sphaerosomen (= Sphärosomen) sind kleinzellige Organellen, die durch eine einzige Membran gebunden sind und an der Lagerung und Synthese von Fetten beteiligt sind. Sie wurden 1953 von Perner entdeckt. Sphaerosomen sind kleine kugelförmige und refraktile Vesikel mit einem Durchmesser von 0, 5 bis 1, 0 nm. Sie entstehen aus dem endoplasmatischen Retikulum und sind von einer einzigen Membran umgeben. 98% eines Sphaerosoms sind fett.

Die restlichen 2% machen Proteine ​​aus. Einige Proteine ​​sind wahrscheinlich enzymatisch und beteiligen sich an der Synthese von Fetten. Aufgrund der Anwesenheit von Fett können Sphaerosomen nach dem Anfärben der Zellen mit Sudan-Farbstoffen und Osmiumtetraoxid unter einem Lichtmikroskop gesehen werden.

Sphaerosomen kommen reichlich in den Endospermzellen von Ölsaaten vor. Sphaerosomen einiger Gewebe (z. B. Tabakendosperm, Maiswurzelspitze) enthalten hydrolytische Enzyme. Daher wird angenommen, dass sie eine lysosomische Aktivität haben.

7. Mikrokörper oder Mikrosomen:

Diese bezeichnen eine Vielzahl kleiner zellulärer Komponenten, die durch eine einzige Membran gebunden sind, und der Name ist im Allgemeinen auf Organellen beschränkt, die Flavinoxidase und Katalase besitzen. Ein wichtiger Unterschied zwischen den Mikrokörpern von Tieren und denen von Pflanzen besteht darin, dass die Mikrokörper von Tieren Urease enthalten, während die Pflanzenmikrokörper nicht dieses Enzym besitzen. Mikrokörper sind zwei Arten - Peroxisomen und Glyoxysomen.

(i) Peroxisomen (Rhodin, 1954):

Peroxisomen werden sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Zellen gefunden, im Allgemeinen in enger Verbindung mit dem endoplasmatischen Retikulum, Mitochondrien und Chloroplasten. Sie haben üblicherweise einen Durchmesser von 0, 5 bis 1, 0 µm. Es enthält eine Vielzahl von Enzymen, um verschiedene Substrate zu oxidieren, um Wasserstoffperoxid zu erzeugen, und enthält eine hohe Konzentration an Katalase, um das toxische H ₂ O ₂ zu entfernen. Die Peroxisomen können Substrate wie Urat, Aminosäuren oder Glyoxylat oxidieren, um H, O ₂ zu erzeugen, auf das sofort Katalase einwirkt, um zu Sauerstoff und Wasser reduziert zu werden. In grünen Blättern führen die Peroxisomen eine Photorespiration durch.

(ii) Glyoxysomen (Briedenbach, 1967):

Diese Mikrokörperchen von Fettspeicherzellen in den keimenden Ölsaaten enthalten Enzyme des Glyoxylatzyklus, z. B. Malatsynthetase und Isocitratlyase; Sie enthalten auch einige essentielle Enzyme des Krebs-Zyklus. Glyoxysomen sind im Allgemeinen am Triglyceridstoffwechsel beteiligt.

Wie andere Mikrokörper haben auch Glyoxysomen eine einzige Membran und eine enzymreiche Matrix mit kristalloidem Kern. Sowohl die Phospholipidkomponenten als auch die Enzyme dieser Organelle stammen aus dem ER. Die β-Oxidation von Fettsäuren führt zu Acetyl-CoA, das diese Körper in Bernsteinsäure umwandeln, die wiederum durch einen umgekehrten glykolytischen Weg Glukose produziert. Diese Fähigkeit der Umwandlung von Fettkohlenhydrat ist nur für Pflanzen charakteristisch und wird bei Tieren nicht berichtet.

8. Ribosomen (Paladenteilchen):

Ribosomen wurden von Robinson und Brown (1953) in Pflanzenzellen und Palade (1955) in Tierzellen entdeckt. Palade prägte auch den Begriff Ribosome. Sie sind nackte Protoplasmapartikel des Ribonukleoproteins (RNP) mit einer Länge von 200-340A ⁰ und einem Durchmesser von 170-240 A ^0, die als Stellen für die Protein- oder Polypeptidsynthese dienen.

Ribosomen sind im Volksmund als Proteinfabriken bekannt. Ribosomen bilden häufig spiralförmige oder rosettenartige Anordnungen mit dem endoplasmatischen Retikulum und werden nicht nur mit dem ER assoziiert gefunden, sondern auch im Cytoplasma zerstreut gefunden, wobei beide Arten in ihrer Rolle in der Zelle variieren.

Ersteres ist im Überfluss vorhanden, wenn die Proteinsynthese für die Verwendung der Zelle selbst aktiv ist (z. B. Hämoglobin, Enzyme usw.), und letzteres, wenn die Proteine ​​aus der Zelle exportiert werden (z. B. Verdauungsenzyme, Antikörper usw.).

Struktur des Ribosoms:

Jedes Ribosom besteht aus zwei ungleichen Untereinheiten, größeren kuppelförmigen und kleineren Eichen. Die große Untereinheit hat einen Vorsprung, einen Grat und einen Stiel. Die kleinere Untereinheit besitzt eine Plattform, eine Spalte, einen Kopf und eine Basis. Es ist etwa halb so groß wie eine größere Untereinheit. Die kleinere Untereinheit passt wie eine Kappe an einem Ende über die größere. Mg ²⁺ wird zum Binden der beiden Untereinheiten benötigt.

Ribosomen können in Rosetten oder helikalen Gruppen auftreten, die als Polyribosomen oder Polysomen bezeichnet werden (Gk. Poly-many, Somakörper). Die verschiedenen Ribosomen eines Polyribosoms sind mit einem 10-20 Å dicken mRNA-Strang verbunden und werden während der aktiven Proteinsynthese gebildet.

Je nach Ort ihres Auftretens gibt es zwei Arten von Ribosomen: Zytoplasma und Organelle. Die Organellen-Ribosomen befinden sich in der zytoplasmatischen Matrix oder können an das endoplasmatische Retikulum gebunden sein. In prokaryotischen Zellen kommen nur die freien cytoplasmatischen Ribosomen vor. Gebundene und organelle Ribosomen fehlen.

Die Größe der Ribosomen wird durch den Sedimentationskoeffizienten bestimmt. Abb. 2.28 Polyribosom in der Zentrifuge. Sie wird als Svedberg-Einheit mit der Bezeichnung S (S = 1 × 10 ¹³ sec) gemessen. The cytoplasmic ribosomes of prokaryotes are 70 S. The two subunits of 70 S ribosomes are 50 S (molecular weight – 1.8 x 10 ⁶ dalton) and 30 S (molecular weight – 0.6 x 10 ⁶ dalton). The cytoplasmic ribosomes of eukaryotes are 80 S with the two subunits of 60 S and 40 S. A tunnel occurs between the two subunits for passage of mRNA.

The larger subunit has a groove for pushing out the newly synthesised polypeptide. There are two reactive sites in the larger subunit called P-site (peptidyl or donor site) and A-site (aminoacyl or acceptor site). Most probably the aminoacyl-tRNA complex is attached to the acceptor site and the tRNA carrying peptide chain is attached to the peptidyl or donor site.

80 S ribosomes are synthesised inside the nucleolus. 70 S ribosomes of prokaryotes are formed in the cytoplasm while those of semi-autonomous cell organelles are formed in their matrix.

Chemische Zusammensetzung:

Chemically a ribosome is made up of two parts, proteins and RNA (rRNA). Usually more rRNA is present in 70 S ribosomes as compared to protein (60-65: 35-40) while the reverse is true for 80S ribosomes (40-44: 56-60). The protein and RNA molecules are presumed to be held together either by electrostatic forces forming salt bond between the phosphates groups of RNA and amino groups of proteins or by forming magnesium complex or a combination of both.

9. Cytoskeletal Structures:

They are extremely minute, fibrous and tubular structures which form the structural framework inside the cell. They occur only in eukaryotic cells. Cytoskeletal structures maintain shape of the cell and its extensions regulate orientation and distribution of cell organelles. They are of three types—microfilaments, intermediate filaments and microtubules.

(a) Microfilaments:

They are ultramicroscopic long, narrow cylindrical rods or protein filaments which occur in eukaryotic plant and animal cells. Microfilaments are made up of actin constituting 10-15% of total cell protein.

They are 6 nm in thickness and show periodic beaded appearance due to close helical arrangement of otherwise globular actin molecules. They may also occur in parallel bundles or loose network and generally lie at sol-gel interphase as well as below plasma membrane. Microfilaments are also connected with spindle fibres, endoplasmic reticulum, chloroplast etc.

Microfilaments are contractile. Association with myosin protein seems to be essential for contraction of micro-filaments. Myofibrils of muscle fibres also represent microfilaments. Microfilaments form the contractile machinery of the cell, like formation and retraction of pseudopodia, plasma membrane undulations, microvilli, endocytosis, cytoplasmic streaming and movement of other cell organelles.

(b) Intermediate filaments:

They are hollow filaments of 10 nm thickness which often form a network. They are of four types—-Keratin filaments—which form tonofibrils and keratin of skin; Neurofilaments which form a lattice with bundles of microtubules in axons and dendrons of nerve cells; Glial filaments are intermediate filaments found in astrocytes, and Heterogenous filaments which are intermediate filaments found in muscles and connected to nuclear envelope and centriole, etc.

(c) Microtubules:

These highly versatile organelles are not only involved in the maintenance of the cell, but also in providing a directional guidance to the chromosome movement during cell division. Found in all the eukaryotic cells, these are mainly associated with cilia, flagella and other whip-like organs involved in locomotion.

These hollow unbranched proteinaceous cylinders are 200-700 A ⁰ in diameter and are made up of 13 microfilaments running across the entire length of the microtubule that encloses a lumen. The main constituent of the microtubule is a glycoprotein called tubulin which occurs in two forms, α-Tubulin and β-Tubulin. There are other commonly found proteins called MAPS (Microtubule Associated Protein) whose function is supposed to form stabilising bridges between laterally arranged microtubules as in spindles.

10. Flagella and Cilia:

They are fine hair movable protoplasm processes of the cells which are capable of producing a current in the fluid medium for locomotion and passage of substances. Flagella are longer but fewer. Only 1-4 flagella occur per cell, eg, many protists, motile algae, spermatozoa of animals, bryophytes and pteriodophytes, etc.

Cilia are smaller but are numerous. They occur in group ciliata of protista, flame cells of worms, etc. Both cilia and flagella are structurally similar and possess similar parts—basal body, rootlets, basal plate and shaft.

(i) Basal Body or Kinetosome:

It is also called basal granule or blepharoplast and occurs embedded in the outer part of the cytoplasm below the plasma membrane. It is like a micro-cylinder which has a structure similar to a centriole with triplet fibrils present on the periphery without a central fibril, though a hub of protein is present here.

(ii) Rootlets:

They are striated fibrillar outgrowths which develop from the outer lower part of the basal body and are meant for providing support to the basal body. The rootlets are made of bundles of microfilaments.

(iii) Basal Plate:

It is an area of high density which lies above the basal body at the level of plasma membrane. In the region of basal plate, one sub-fibre of each peripheral fibril disappears. The central fibrils develop in this area.

(iv) Shaft:

It is the hair-like projecting part of flagellum or cilium. The length is 5—10 fim in case of cilium and 150nm in case of flagellum. The shaft is covered on the outside by a sheath which is the extension of plasma membrane. Internally, it contains a semi-fluid matrix having an axoneme of 9 peripheral doublet fibrils and 2 central singlet fibrils.

This arrangement is called 9+2 or 11- stranded in comparison to 9+0 arrangement of the centriole or basal body. The two central singlet fibres are covered by a proteinaceous central sheath. They are connected by a double bridge. Each peripheral fibril consists of two microtubules or sub-fibres B and A.

It bears two bent arms, the outer one having a hook. The side arms of the A sub-fibre are made up of the protein dynein with ATP-ase activity. Such activity is also present in central fibrils. The peripheral doublet fibrils as well as central singlet fibrils are made up of tubulin. Each sub-fibre or central singlet fibril contains thirteen protofilaments.

The peripheral doublet fibrils are interconnected by AB linkers of protein nexin between B-subfibre of one and inner side arm of A-subfibre of adjacent fibril. Each of their A sub-fibres sends a radial proteinaceous column to the centre called spoke. The spokes are broader internally to form heads which is connected to central proteinaceous sheath.

Funktionen:

1. They help in locomotion in flagellate and ciliated organisms.

2. In aquatic organisms cilia and flagella create current for obtaining food called as food current.

3. In land animals, the cilia of the respiratory tract help in eliminating dust particles in the inhaled air.

11. Centrioles:

Centrioles are minute submicroscopic microtubular subcylinders with a configuration of nine triplet fibrils and ability to form their own duplicates, astral poles and basal bodies, without having DNA and a membranous covering. They are approximately 0.3 – 0.5 μm in length and 0.15 μm in diameter.

Usually two centrioles are found associated together and the pair is often called diplosome which lies in a common specialized part of cytoplasm called centrosphere. Centrosphere is devoid of any other ceil organelle. It, however, contains a fine fibrous material. The complex formed of centrioles and centrosphere is called centrosome or central apparatus.

Struktur:

A centriole is formed of nine triplet sets of microtubules or fibres arranged equidistantly in a circle around an imaginary central axis known as hub. From outside to inside the three sub- fibres of a triplet fibril are named C, B and A.

The adjacent triplet fibrils are connected by C—A proteinaceous linkers. The centre of centriole possesses a rod-shaped proteinaceous mass known as hub. The hub has a diameter of 2.5 nm. From the hub, develops 9 proteinaceous strands towards the peripheral triplet fibrils.

They are called spokes. Each spoke has a thickening called X before uniting with A sub-fibre. Another thickening known as Y is present nearby. It is attached both to X thickening as well as C—A linkers by connectives. Due to the presence of radial spokes and peripheral fibrils, the centriole gives a cart wheel appearance in TS

On the outside of centriole are present dense, amorphous, protoplasmic plaques in one or more series. They are called massules or pericentriolar satellites. Their position is found to change with the different states of the cell. Massules function as nucleating centres for the growth of microtubules during aster formation and production of more centrioles.

Funktionen:

1. Centrioles play an important role in the formation of spindle and, therefore in cell division.

2. They form basal bodies of cilia and flagella.

12. Vacuoles:

Vacuoles are non-cytoplasmic areas present inside the cytoplasm which are separated from the latter by specific membranes. Depending upon the contents and functions, vacuoles are of four types-sap vacuoles, contractile vacuoles, food vacuoles and air vacuoles.

(a) Sap Vacuoles:

They are fluid filled (sap or vacuolar sap) vacuoles which are separated from the cytoplasm by a selectively permeable membrane called tonoplast. A number of small sap vacuoles occur in animal cells and young plant cells. In mature plant cells, the small vacuoles fuse to form a single large central vacuole. The large central vacuole facilitates rapid exchange between cytoplasm and the surrounding medium.

The vacuolar sap contains mineral salts, sugars, amino acids, proteins, waste products and water soluble pigments called anthocyanins. Solutes present in cell sap maintain a proper osmotic pressure in the cell for its turgidity and water absorption.

(b) Contractile Vacuoles:

They occur in some protistan and algal cells found mostly in fresh water. A contractile vacuole has a highly extensible and collapsible membrane. It is also connected to a few feeding canals (eg Paramecium). Contractile vacuoles take part in osmoregulation and excretion.

(c) Food vacuoles:

They occur in the cells of protozoan protists, several lower animals and phagocytes of higher animals. It is formed by fusion of phagosome and a lysosome. The food vacuole contains digestive enzymes with the help of which nutrients are digested. The digested materials pass out into the surrounding cytoplasm.

(d) Air Vacuoles:

(Pseudovacuoles, Gas vacuoles)—They have been reported only in prokaryotes. An air vacuole is not a single entity neither it is surrounded by a common membrane. It consists of a number of small submicroscopic vesicles each surrounded by a protein membrane. Air vacuoles not only store metabolic gases but provide buoyancy, mechanical strength and protection from harmful radiations.

13. Cell Inclusions:

Cell inclusions are non-living substances present in the cells. They are also called ergastic bodies. They may be present in soluble or insoluble state and can be organic or inorganic in nature. The cell inclusions belong to three categories—reserve food, excretory or secretory products and mineral matter.

(a) Reserve Food:

They are of four main types—starch, glycogen, fat droplets and aleurone grains. Starch grains occur in plant cells, eg, Rice, Oat. Glycogen granules are minute granules of storage carbohydrate which occur in animal cells, especially near the smooth endoplasmic reticulum inside the liver and muscle cells.

Fat droplets occur in both plant and animal cells. Animal cells specialized to store fats are called adipocytes. Aleurone grains represent the storage proteins which occur inside special leucoplasts called aleuroplasts.

(b) Excretory or Secretory Products:

They are of several types like mucus in several animal cells, essential oils, alkaloids, resins, gums, latex, tannins, etc.

(c) Mineral Matter (crystals):

It occurs as crystals or incrustations of silica, calcium carbonate, calcium sulphate and calcium oxalate. Silica is generally deposited on the outer side of epidermal cells in several plants, especially grasses.

Calcium carbonate is deposited in the form of a mass of crystals called cystolith, eg, in hypodermal cells of Banyan. Calcium oxalate occurs in several forms—crystal sand, star shaped aggregate of crystals sphaeraphide, prismatic crystals and raphides.

14. Nucleus:

Discovered by Robert Brown (1831) the nucleus is the most important part of the cell, since it controls various metabolic activities, and also is the seat of heredity.

Commonly eukaryotic cells are uninucleate, though there are instances of bi-and multinucleate cells also. The protistan Paramecium caudatum has two nuclei (binucleate). Multinucleate or polynucleate condition is found in some cells of bone marrow, striated muscles, latex vessels, several fungi and algae.

Multinucleate animal or protistan cells are called syncytial cells (eg, epidermis of Ascaris) while in plants and fungi, they are known as coenocytic cells (eg, Rhizopus, Vaucheria).

Ultrastructure:

A typical interphase (non-dividing or metabolic phase) nucleus is 5-25 (im in diameter. It is differentiated into five parts—nuclear envelope, nucleoplasm, nuclear matrix, chromatin and nucleolus.

1. Nuclear Envelope (Karyotheca):

It bounds the nucleus on the outside and separates the nucleus from the cytoplasm. It is made up of two lipoprotein and trilaminar membranes concentrically arranged, each of which is 60-90 A° thick. The inner membrane is smooth whereas the outer membrane may be smooth or its cytoplasmic surface may bear ribosomes. The two membranes are separated by an electron transparent perinuclear space, 100-700 A° in width. The outer membrane is often connected to endoplasmic reticulum.

Nuclear envelope is perforated by nuclear pores which help in transport of material between nucleus and cytoplasm. The two membrane of the envelope become continuous in the region of pores. Nuclear pores have complex structure. They may have diaphragm, septum, and plug of electron dense material or nucleoplasmin, annuli.

An annulated nuclear pore may possess 9 cylinders, one central and eight peripheral. The nuclear pores allow selective passage of materials between nucleus and cytoplasm, eg K ⁺, Na ⁺ . Cl ^– and ribosomal sub-units assembled in the nucleolus. In the same way RNA polymerase and DNA polymerase though synthesised in the cytoplasm are subsequently transferred to the nucleus through these pores.

2. Nucleoplasm or Nuclear Sap or Karyolymph:

It is a transparent, semi-fluid and colloidal substance which fills the nucleus. It contains nucleosides and a number of enzymes, (eg DNA polymerase, RNA polymerase, nucleoside phosphorylase) which are required for the synthesis and functioning of DNA, RNA, nucleoproteins, etc.

3. Nuclear Matrix:

It is a network of fine fibrils of acid proteins that function as scaffold for chromatin. On the periphery, below the nuclear envelope, nuclear matrix forms a dense fibrous layer called nuclear lamina in which the terminal ends of chromatin fibres or telomeres are embedded.

4. Chromatin:

It is hereditary DNA-protein fibrillar complex which is named so because of its ability to get stained with certain basic dyes (Gk. Chroma-colour; Flemming, 1879). Chromatin occurs in the form of fine overlapping and coiled fibres which appear to produce a network called chromatin reticulum. They are distributed throughout the nucleoplasm.

Chromatin fibres are differentiated into two regions—euchromatin and heterochromatin. Euchromatin is narrow (30-80A ⁰ thick) lightly stained and diffused fibrous part which forms the bulk of chromatin. Heterochromatin is wider (250 A ⁰ thick) darkly stained and condensed granular part which is attached here and there on the euchromatin. Depending upon the size of granules formed by heterochromatin they are called chromocentres, karyosome or false nucleoli.

The whole of chromatin is not functional. Generally only a portion of euchromatin which is associated with acid proteins takes part in transcription or formation of RNAs. During prophase of nuclear division, the chromatin fibres condense to form a definite number of thread—like structures called chromosomes.

5. Nucleolus:

The nucleolus was first discovered by Fontana in 1781, described by Wagner in 1840 and provided with its present name by Bowman in 1840. Nucleolus is naked, round or slightly irregular structure which is attached to the chromatin at a specific region called nucleolar organiser region (NOR).

Being contained within the nucleus its size depends on the synthetic activity of the cell especially in cells not important for protein synthesis, for example, sperm cells and blastomeres. Four major types of components can be seen inside the nucleolus, viz:

ein. Particulate:

Consisting mainly of ribonucleoprotein in the form of small particles 150- 200A° in diameter, and structurally and chemically similar to cytoplasmic ribosomes, these are slightly smaller than their cytoplasmic counterparts. This zone is at the periphery of the nucleolus.

b. Fibrillar portion:

This is made up of ribonucleo-protein fibrils 50-150A ⁰ in diameter. perinocleolar material. The fibril sometimes are as long as 500A°. The particulate and fibrillar portion constitutes the nucleolonema.

c. Amorphous part consists of protem fibrils and granules. The amorphous part is often referred to as pars amorpha. In animals, the nucleolonema may appear embedded in the pars amorpha, whereas the pars amorpha usually central to the nucleolus tends to be associated with the chromosomal heterochromatin.

d. Chromatin part is a tangled network penetrating the body of the nucleolus but it is attached to nucleolar organizers of the chromosomes. Depending upon its position nucleolar chromatin is of two types perinucleolar and intranucleolar.

Though nucleoli are rich in protein (69-70%) RNA is also present in significant amounts (20-25%), indicating that a major portion of RNA is produced in the nucleolus. Several fractions of ribosomes synthesised in the cytoplasm migrate to nucleolus before they take on their final form. Thus nucleolus plays an important role in biogenesis of RNA.

Chemistry of the nucleus:

The two chief important chemical constituents of the nucleus are the nucleic acids, DNA and RNA and the proteins both, basic and acidic. The basic proteins include histones and protamine, the amino acids of lysine, histidine and arginine figuring in both.

The acidic proteins of the nuclei include the residual proteins of chromosomes. The acidic proteins contain tryptophan but histones do not have this amino acid. Histones seem to be associated with the chromosomes while the acidic proteins are found in the nucleolus and karyolymph.

The nucleic acids constitute 20-40% of the nuclear material, with DNA primarily in the chromatin and RNA distributed throughout the nucleus.

Functions of the Nucleus:

1. Nucleus is an integral and essential part of the eukaryotic cells and contains hereditary material called chromatin, a DNA-protein complex. Chromatin part of nucleus possesses all the genetic information that is required for growth and development of the organism, its reproduction, metabolism and behaviour.

2. Nucleus controls cell metabolism and other activities through the formation of RNAs (mRNA, rRNA, tRNA) which controls synthesis of particular types of enzymes. With the help of RNAs, nucleus directs the synthesis of specific structural proteins and other chemicals required for cell growth and cell maintenance.

3. Ribosomes are formed in nucleolus part of the nucleus.

4. Nucleus directs cell differentiation by allowing certain particular sets of genes to operate.