Тема 2 . Производные протопласта. Размножение клетки.

Тема 2 .
Производные протопласта.
Размножение клетки.
План:
1. Физиологически активные
вещества
2.Продукты обмена веществ
3.Клеточный сок
4. Стенка клетки (оболочка)
5. Ядро (строение, функции)
6. Деление ядра и клетки
7. Онтогенез клетки
Литература:
В.Г. Хржановский. «Курс общей ботаники» (I-П том) 1982. М.
Высшая школа.
П.М. Жуковский «Ботаника». М. 1982, Высшая школа
Суворов В.В., Воронова И.Н.- Ботаника с основами
геоботаники. Л. Колос. 1979
Н.С. Киселева « Анатомия и морфология растений»,1971
Минск, Высшая школа.
П. Рейвн, Р. Эверт, С.Айкхорн. Современная ботаника. Мир,
1990
Э. Де Робертис, В.Новицкий, Ф. Сакс: Биология клетки
(перевод с англ) изд. Мир, М.: 1967
Кристиан де Дюв: Путешествие в мир живой клетки. (пер. С
англ) М. Мир. 1987.
1. Белки: растения содержат много разнообразных белков.
Одни группы белков составляют основную часть цитоплазмы конституционные белки. Другие белки - ферменты - направляют ход
жизненных процессов, химических превращений. Особую группу
составляют запасные белки.
Молекула белка состоит из аминокислот. Из почти 150
известных в природе аминокислот лишь 22 входит в состав белков. Их
чередование в молекуле белка и определяет его бесконечное разнообразие.
Каждый вид растения имеет свой набор белков специфического строения.
Все белки оптически активны.
Ферменты (энзимы) - были открыты в 1814 г. К.С.
Кирхгофом. Ферменты - органические катализаторы белковой природы.
Они локализованы во всех органоидах и компонентах клетки. Все
важнейшие реакции в клетке протекают при участии энзимов. Ферменты
(энзимы) в реакции не вступают, а действуют как органические
катализаторы, ускоряющие течение химических реакций. Ферментов
насчитывается более 450 и действие каждого из них специализировано.
Например, фермент диастаза превращает крахмал в мальтозу (сахар), но
не может действовать на белки или жиры.
Фермент липаза расщепляет жиры, но не действует на
белки, крахмал и т.д. Ферменты широко применяют в процессах
хлебопечения, виноделия, пивоварения с помощью ферментов
изготавливается чай, кофе, табак.
Фитогормоны ( гормон - греч. - возбуждаю). Это
вещества высокой физиологической активности. Наиболее изучены
гормоны роста - ауксин и гиббереллин. Ауксин синтезируется в
клетках образовательных тканей. Под его влиянием ускоряются
ростовые процессы: деление и удлинение клеток, формирование
органов.
Фитогормон
гиббереллин
(выведен
из
грибов
Gibberella)оказывает на растение действие сходное с ауксинами.
Многие ауксины в настоящее время синтезируются искусственно и
используются с практическими целями: ускорение образования
придаточных корней у черенков, уменьшения опадения плодов,
получение высоких урожаев овощных культур: томатов, огурцов,
баклажанов, а также винограда.
В растении обнаружены вещества задерживающие, угнетающие
рост и развитие растений - природные ингибиторы роста. Они являются
антагонистами фитогормонов, а также ингибируют процессы окисления,
синтез ДНК, РНК, дыхание, деление клеток, деятельность ферментов.
Ингибиторами являются гербициды (убивающие траву). Их
получают в условиях производства и применяют в борьбе с сорными
растениями.
Витамины (Vita - жизнь) открыты в 1880 г. Н.И. Луниным, термин
предложен позже польским ученым К.Функом, Это органические вещества,
разнообразны по составу, функции которых близки к ферментам т.к. они
тоже выполняют роль органических катализаторов. Различают витамины,
растворимые в воде: В, С, В, РР.Н и др. Они находятся в клеточном соке и
витамины растворимые в жирах : А,Д, Е - они находятся в цитоплазме.
Витамины обычно локализованы в определенных органах растений. Так.
Витамины группы В ( В1 , В2 ) содержатся в зародыше, кожуре семян, или
молодых проростках ( пшеница, маш и др.), витамины С в наиболее
высокой концентрации сосредоточен в плодах шиповника, лимона, черной
смородины, болгарского перца, витамин Е - в цитрусовых, томатах.
Витамин К - в листьях крапивы, корнеплодах моркови
Витамины играют важную роль в жизни самих же растений.
Витамин С - предохраняет хлорофилл от разрушения. Каротин
стимулирует прорастание пыльцы, рост пыльцевых трубок, слабое
прорастание или большой процент абортивной пыльцы у отдельных
видов или культивируемых сортов персика, абрикоса связаны с
недостаточностью, каротина. В практике садоводства осуществляется
витаминизирование пыльцы путем подмешивания богатой каротином
пыльцы других сортов.
Фитонциды и антибиотики. Группы веществ вырабатываемых
клетками низших растений - антибиотики, так и высших - фитонциды.
Эти вещества служат для защиты растений. Эти органические
вещества действуют губительно на многие микроорганизмы. Из
высших растений фитонцидами богаты: чеснок, лук, красный перец,
хрен. Сок этих растений действует смертельно на ряд болезнетворных
бактерий. Фитонцид иманин, обнаруженный в зверобое, оказывает
хорошее лечебное действие при гнойном и воспалительном поражении
кожи и стоматитах. Фитонцид горчицы (аллиловое масло) даже в
минимальных дозах (25 мг на 1 л) предохраняет ( стерилизует)
виноградный сок от развития микрофлоры, т.е. от порчи
Низшие растения обладают подобными свойствами.
Английским ученым А. Флеммингом, из плесневого
гриба пеницилла был выведен антибиотик пенициллин,
подавляющий возбудителей многих болезней. Продукт
деятельности другого грибка - стрептомицин нашел широкое
применение в борьбе с тяжелыми болезнями как чума,
туберкулёз и др.
В настоящее время около 30 антибиотиков используется
в качестве лекарственных препаратов.
В процессе жизнедеятельности протопласта в
растительных клетках накапливаются различные органические
соединения, которые откладываются как бы в запас. Они носят
название запасных питательных веществ и откладываются они
больше всего в плодах, семенах, клубнях, луковицах, корнях и
корневищах. Они подразделяются на две основные группы:
безазотистые (молекула вещества не содержит азота) и
азотистые (молекула вещества содержит азот).
К безазотистым веществам относятся углеводы
и жиры, к азотистым - белки.
Углеводы
весьма
часто
встречаются
в
растительном организме. Различают три категории углеводов моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды - встречаются преимущественно в плодах. Много их в
яблоках, грушах, ягодах винограда и др.К моносахаридам относятся: глюкоза
(виноградный сахар)С6Н12О6 и её изомер фруктоза (плодовый сахар). К
дисахаридам относится сахароза (тростниковый сахар) С12 Н12 О11 и
мальтоза имеющая ту же формулу.
Полисахариды - сложные углеводы с общей формулой (С6Н10О5 )п. К
ним относятся крахмал, инулин, клетчатка. Крахмал встречающийся в
листьях называется первичным, т.к. он является одним из первых продуктов
фотосинтеза. Первичный крахмал образуется днем, а ночью под действием
фермента диастаза он превращается в дисахарид - мальтозу, а затем при
участии другого фермента мальтозы гидролизируется в виноградный сахар
- глюкозу, которая растворима и легко оттекает в другие части растения.
Затем под действием фермента амилазы сахар превращается в крахмал,
который называют запасным или вторичным. Крахмал имеет вид зерен.
Крахмальные зерна бывают простыми и сложными. Простым называется
зерно, которое состоит из одного зернышка и имеет один образовательный
центр. Сложным называется зерно состоящее из многих зерен. Иногда
крахмальное зерно состоит из одного зернышка, но имеет несколько
образовательных центров, такое зерно называют полусложным. Простые
крахмальные зерна по расположению образовательного центра бывают двух
видов: 1) эксцентрические; 2) концентрические.
Эксцентрическим - называется зерно у которого
образовательный центр сдвинут к одному из концов зерна и
слои по зерну идут неравномерно в одном конце они широкие.
В другом узкие, например, крахмальное зерно картофеля.
Концентрическим
называется
зерно,
у
которого
образовательный центр лежит в центре зерна и слои по зерну
идут равномерно ( крахмальное зерно бобовых растений).
Белки в протоплазме откладываются в виде алейроновых
зерен, это сгущение азотистых веществ клеточного сока.
Алейроновые зерна откладываются в семенах, особенно много,
бобовых и злаковых растений. Алейроновые зерна бывают
простые и сложные. Сложные алейроновые зерна отличаются
от простых наличием глобоида и кристаллоида.
Масла в протоплазме
откладываются
в
виде
капель.
Они
не
растворяются в воде, но
легко растворяются в эфире,
бензине. Масла делятся на
две группы: 1.легкие масла,
2.тяжелые масла. Легкие
и эфирные масла являются
продуктом
отброса
и
обладают приятным или
неприятным
запахом
и
быстро испаряются. Они
привлекают насекомых для
опыления и служат для
защиты
растений
от
поедания животными.
Клеточным соком - называется часть клетки,
представляющая из себя воду, в которой растворены
органические и минеральные вещества. В молодых делящихся
клетках клеточного сока не бывает. Клеточный сок появляется
только у взрослых клеток в результате жизнедеятельности, в
протоплазме появляются маленькие пузырьки (вакуоли),
наполненных жидкостью. Затем несколько вакуолей сливаются в
одну большую вакуолю, которая занимает всю полость.
Клеточный сок притягивает к себе воду и начинает давить на
протоплазму. Протоплазма в свою очередь давит на оболочку,
оболочка растягивается и клетка растет. Клеточный сок
поддерживает клетку в состоянии напряжения - тургора
Тургором называется напряженное состояние клетки,
зависящее от увеличения количества воды в клеточном соке.
Благодаря тургору листья, стебли и цветы находятся в
расправленном состоянии, и в результате всего процесса
ассимиляции и диссимиляции, движения веществ, испарения,
ростсовершается
нормально.
Если
какими-либо
водоотнимающими веществами (кислотой, солью, щелочью)
концентрация которых будет выше, чем концентрация
клеточного сока, отнять часть воды из клетки, то содержимое
сожмется и стенки протопласта отойдут от оболочек к середине
клетки такое состояние называется плазмолизом.
Вещества клеточного сока условно делят на две группы:
1.Органические
2. Неорганические.
Органические вещества клеточного сока:
Углеводы азотистые вещества (амино- и амидокислоты)
органические кислоты (яблочная, виноградная, лимонная,
щавелевая) дубильные вещества и танины алкалоиды (теин - в
чае, кофеин в кофе, хинин в хинном дереве, никотин- в табаке,
опиум - в маке и т.д.) пигменты ( антоциан - кислая реакция
красный цвет, щелочная- синий, нейтральная - фиолетовый,
антахлор-желтый цвет, камеди, слизи, смолы кристаллы
щавелевой кислоты.
Неорганические вещества клеточного сока откладываются в виде
солей серной кислоты (сульфаты), солей фосфорной кислоты (фосфаты),
азотной кислоты - нитраты.
Стенка клетки (клеточная оболочка) является продуктом
протопласта. Оболочка самая наружная часть клетки. Она отделяет одну
клетку от другой, придает клетке постоянно определенную форму,
прочность и предохраняет от неблагоприятных воздействий.
Стенка клетки состоит из клетчатки ( целлюлоза) С6Н10О5
В процессе жизнедеятельности физико-химические свойства оболочки
резко меняются. К таким изменениям относятся:
Одревеснение - пропитывание лигнином, дает прочность
Обпробковение - пропитывание суберином. Такие клетки
непроницаемы для воды и газов. При обпробковении цитоплазма
отмирает и полость клетки заполняется воздухом
Кутинизация - стенки пропитываются кутином (эпидермис листа),
что способствует уменьшению испарения воды
Ослизнение - встречается у водорослей и грибов, а также в семенах
айвы, льна. Слизь удерживает влагу и предохраняет от высыхания.
Минерализация - стенки клетки пропитываются кремнезёмом.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:
1. Какова природа запасных веществ?
2. Чем отличаются друг от друга простые, сложные,
полусложные, крахмальные зерна?
3. Какие крахмальные зерна называют эксцентрическими,
концентрическими ?
4. Что такое алейроновое зерно?
5. Что такое вакуоли, как они образуются?
6. Что такое клеточный сок, его состав?
7. Какие углеводы входят в состав клеточного сока?
8. Какие пигменты встречаются в клеточном соке?
9. Какова особенность антоциана?
10. Что такое дубильные вещества, алкалоиды?
11. Какие видоизменения клеточной оболочки Вы знаете?
Ядро является важнейшей основной частью цитоплазмы.
Это центральная органелла клетки. Всякая живая клетка, кроме
бактерий и синезеленых водорослей, содержат ядро. Ядро
открыто Робертом Броуном в 1833 г.
У большинства организмов в клетке находится только
одно ядро. Клетки некоторых водорослей и грибов бывают
многоядерными. Форма ядер, также как и размеры,
исключительно разнообразны, но чаще всего шаровидная. Ядро
находится в центре наиболее жизнедеятельной части клетки - в
цитоплазме, где оно обычно окружено митохондриями. При
травмировании клеточной стенки ядро иногда перемещается к
месту ранения, и тогда заживление происходит быстрее.
По физико-химическому строению ядро клетки
представляет собой комплекс гидрофильных коллоидов более
вязкой консистенции, чем коллоидная система цитоплазмы.
Раздел биологии изучающий ядро называется кариология.
Ядро состоит:
ядерной оболочки
ядерного сока ( кариолимфы)
хроматиновой структуры ( Хромосомы)
одно-два, иногда несколько ядрышек
Химический состав. Основной строительный
материал ядра - сложные белки, именуемые протеидами.
Содержание основных белков ( способных соединяться с
кислотами) 26.6 %, прочих белков 51.3 %, ДНК 14 %, РНК 12.1
%. В ядре также есть липиды, вода. Ионы C, H, O, N, . ионы
Са2+ и Mg2+
Ядро несет три функции:
Ядро является энергетическим центром клетки. С
помощью ядра происходит выделение ферментов (оксидаз),
которые принимают участие в окислительных процессах,
сопровождающихся выделением энергии (в процессе дыхания).
Ядро делится и вызывает деление клетки
Ядро принимает участие в образовании оболочки.
Ядерная оболочка имеет субмикроскопическую
структуру. Она состоит из двух мембран, разделенных
перинуклиарным пространством, заполненным жидкостью,
гомологичной энхилеме каналов эндоплазматической сети.
Наружная
мембрана
контактирует
с
мембранами
эндоплазматической сети. Ядерная оболочка не сплошная,
имеет ясно выраженные канальцы- поры, строение которых до
сих пор невыяснено. Известно, что поры равномерно
распределены по поверхности ядерной оболочки.
Ядерный сок (кариолимфа) - представляет собой
бесструктурную
массу
разнообразной
консистенции,
субмикроскопически близкую к матриксу цитоплазмы.
Ядерный сок состоит в основном из простых растворимых
белков, а также нуклеопротеидов, и протеидов. В нем находится
большая часть ферментов ядра (ферменты анаэробной фазы
дыхания, связанные с образованием АТФ, ферменты белкового
и аминокислотного обмена). Основная функция ядерного сока
состоит в осуществлении взаимосвязи ядерных структур, но он
не
является
инертной
промежуточной
средой,
а
трансформирует проходящие через него вещества.
Ядрышки - постоянный компонент ядра. Размеры и число их
более или менее постоянны для разных видов растений и типов
клеток. Форма приблизительно шаровидная. Границы не отчетливы,
так как не окружены особой мембраной и находятся в
непосредственном контакте с кариолимфой. Для химического состава
ядрышка
характерны
рибонуклеопротеиды,
липопротеиды,
фосфоропротеиды. Содержание белков весьма велико. Концентрация
РНК в ядрышке выше, чем в цитоплазме и ядре. Ядрышко наиболее
плотная структура клетки.
Хромосомами -( греч. Хрома -цвет, сома - тело) называют
нитчатые структуры, хорошо видимые в оптический микроскоп во
время митоза. Для основной массы клеток данного вида характерно
определенное число хромосом. Число хромосом в клетках организма
обычно диплоидное (Греч. Диплос - двойной, лидос - вид). Оно
образуется в результате слияния двух половых клеток с гаплоидным
(греч. Гаплос - одиночный, лидос - вид) набором хромосом. Каждый
гаплоидный набор обозначается через n, а диплоидный -2 n. Разные
виды пшениц имеют в своих клетках неодинаковые числа хромосом:
пшеница твердая 2n =28, пшеница мягкая – 2n =42.
Деление ядра и клетки. Деление
ядра всегда предшествует делению клеток. Различают три
способа деления клеток:
амитоз - прямое деление
митоз - кариокинез, не прямое
мейоз - редукционное
Амитоз - впервые был описан Н.
Железновым в 1840 г. Сущность амитоза состоит в том, что ядро
вытягивается, разрывается на две части, при этом содержимое
исходной клетки делится на две дочерние клетки, т.к. при этом в
материнской клетке появляется перегородка. Деление
происходит без каких либо предшествующих изменений
структуры органелл в том числе и ядра. При амитозе не
происходит равномерного распределения ядерного вещества
между дочерними клетками, не обеспечивается их
биологическая равноценность.
Митоз - наиболее широко распространенная форма
деления соматических клеток на всех уровнях развития
органической природы. Он универсален не только для
вегетативных клеток растений и животных, но и
на
определенном этапе развития и для половых клеток. Приоритет
открытия митоза принадлежит профессору МГУ И. Чистякову
(1874) и профессору Бонского университета Э. Страсбургеру
(1875).
Сущность митоза состоит в том, что ещё в период
подготовки к делению исходной (материнской) клетки
количество ДНК в хромосомах увеличивается в два раза. В ходе
митоза, при формировании дочерних клеток, хромосомы
равномерно распределяются в двух ядрах. Таким образом в
результате митоза форма и число хромосом дочерних клеток
такие же, как были у материнской.
Отсюда можно сделать вывод. что уже при делении клеток
действуют биологические механизмы, которые обеспечивают
наследственное сходство дочерних клеток с исходной материнской. Совокупность саморегулирующихся процессов,
происходящих в клетке от одного деления до другого называют
клеточным или митотическим циклом. Период времени
между двумя последующими делениями называют интерфазой
или интеркинезом.
При кариокинетическом делении ядро проходит 4 фазы:
Профаза. Ядро из стадии покоя переходит к стадии
деления. Структура ядра становится зернистой. Зерна постепенно
сливаются в глыбки, а глыбки вытягиваясь образуют короткие
нити - хромосомы. К концу профазы исчезают ядрышки и ядерная
оболочка.
Метафаза. Хромосомы располагаются в центре клетки по
экватору. Затем здесь происходит временное удвоение числа
хромосом. Число хромосом у разных растений бывает различно,
но постоянное в определенных условиях
Анафаза. В этой стадии происходит расхождение хромосом
к полюсам клетки. Половина числа хромосом отходит к одному,
другая к другому полюсу.
Телофаза. Хромосомы распадаются на глыбки, глыбки
превращаются в бесструктурное ядерное вещество, вновь
появляются ядрышки, ядерная оболочка и происходит
окончательное формирование двух новых ядер. После этого
появляется перегородка. Протоплазма делится и образуются две
дочерние клетки.
Редукционное деление - мейоз встречается у
подавляющего большинства видов растений. Происходит не
постоянно, а только в определенные моменты жизни растений
связанные с половым размножением (перед образованием спор,
пыльцы, зародышевого мешка). Сущность мейоза состоит в
редукции (сокращении) числа хромосом в два раза. Это
достигается важной особенностью мейоза - непременной
последовательностью двух делений к ряду - I и П деления
митоза ( гетеротипного и гомеотипного).
Общебиологический смысл этого процесса состоит в том,
что половой процесс характеризуется слиянием в зиготу двух
клеток, обычно специализированных - половых, называемых
гаметами.
В процессе редукционного деления ядро проходит шесть фаз:
1 – профаза
2 - метафаза
3 - анафаза
4 - метафаза П
5 - анафаза П
6 - телофаза.
В профазе происходит образование хромосом.
В метафазе хромосомы попарно располагаются в центре
клетки. В анафазе парные хромосомы расходятся по полосам. Во второй
метафазе число хромосом и двух полюсов клетки удваиваются. Во второй
анафазе хромосомы расходятся к четырем сторонам клетки. В телофазе
происходит окончательное формирование четырех новых ядер. Вокруг
каждого ядра обособляется участок протоплазмы. Образуется оболочка и
получается четыре новых свободных дочерних клетки, расположенных в
протоплазме материнской клетки. Каждая дочерняя клетка будет иметь в 2
раза меньше хромосом, чем имела материнская.
Онтогенез клетки. С момента своего возникновения и до
отмирания клетка проходит определенный путь развития. В котором
различают три основные фазы - эмбриональную, растяжения,
дифференциации.
Эмбриональная
фаза
развития
процесс
новообразования клеток путем их деления. Образовавшиеся в
результате деления клетки относительно мелки. Располагаются
плотно, характеризуются тонкой оболочкой. Богатой пектином и
бедной клетчаткой. В цитоплазме эмбриональных клеток сильно
развита эндоплазматическая сеть. Вакуоли отсутствуют.
Имеется много рибосом.
Фаза растяжения - клетки растут. Увеличиваются в
объёме. В протопласте клетки появляются вакуоли. Мелкие и
многочисленные вакуоли первоначально сливаются, размер их
увеличивается, а число сокращается. Происходит изменение
структуры протопласта и его физико- химических свойств.
Протоплазма разжижается. Сеть элементов эндоплазматической
сети становится более разреженной. Уменьшается количество
рибосом, увеличивается количество митохондрий и пластид.
Фаза дифференциации - одинаковые прежде клетки
приобретают индивидуальные отличия. Специализация клеток
происходит в соответствии с их местоположением в растении.
Обязательный момент дифференциации - образование
вторичной оболочки. У ассимилирующих клеток вторичная
оболочка незначительной толщины. Клетка с механическими
функциями - с мощными вторичными оболочками. О изменении
физико-химических свойств клеточной оболочки мы говорили
на предыдущей лекции.
Отметим что, выполнив свои физиологические функции
клетки отмирают. Толстостенные клетки и после отмирания
продолжают
функционировать
как
проводящие
или
механические ткани. Тонкостенные клетки после отмирания
протопласта сплющиваются под давлением растущих соседних
клеток и постепенно рассасываются. Этот процесс называется
облитерацией ( лат. -облитератус - прекращение)
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:
1.Каковы основные функции ядра?
2.Какие типы деления клеток Вы знаете?
3.Что такое митотический цикл и как он протекает?
4.В чем основные отличия мейоза от митоза ?
5.Чем отличается гаплоидный набор хромосом от
диплоидного ?
6.Сколько фаз онтогенеза клетки Вы знаете?
7.В чем отличие протопласта эмбриональной фазы
от форм растения?
На этом мы заканчиваем
лекции по цитологии растений.
Благодарю Вас за внимание.