Тема 2. Физиология растительной клетки
advertisement
Тема 2. «Строение и функции растительного организма». Задачи темы: 1) Дать понятие клетки – как основной структурной и функциональной единицы растительного организма. 2) выявить взаимосвязь между структурой химических веществ и их физиологической ролью. 3) выявить функциональное предназначение основных структур растительных клеток. 4) дать понятия «пассивного» и «активного» транспорта. 5) пронаблюдать явления осмоса, плазмолиза, деплазмолиза. 6) доказать на основании явления явлений плазмолиза и деплазмолиза, что клетка – это осмотическая система; Основные понятия и термины темы: мозаичная модель мембраны, тонопласт, пектоцеллюлозная ригидная оболочка, ферменты, осмос, водный потенциал, осмотический потенциал, потенциал давления, матричный потенциал, тургор, явление плазмолиза, плазмолитики, колпачкоый плазмолиз, деплазмолиз, циторриз, облегченная диффузия, мембранные насосы (помпы), эндоцитоз, пиноцитоз. Фитофизиология изучает особенности функционирования растения как единого целого. Однако основной структурной и функциональной единицей растительных организмов является клетка. К специализированным мембранным органоидам (компартментам) приурочены физиологические процессы, характерные для всего растения: за фотосинтез – ответственны зеленые пластиды или хлоропласты, дыхание приурочено к митохондриям. Поэтому изучение физиологии целого растения неразрывно связано с изучением функционирования растительной клетки в связи с особенностями ее структурной организации. 2.1. Строение растительной клетки Клетке присущи все свойства живой системы: обмен веществ и энергии, рост и развитие, раздражимость, способность к самовоспроизведению и саморегуляции. В природе клетка может существовать и как самостоятельный организм, и как составная часть многоклеточных. У последних клетки в результате взаимосвязи и соподчинения функций интегрируются в живую систему более высокого ранга – целостный организм. В растительной клетке прежде всего надо различать клеточную оболочку и содержимое. Основные жизненные свойства присущи именно содержимому клетки — протопласту. Кроме того, для взрослой растительной клетки характерно наличие вакуоли — полости, заполненной клеточным соком. Протопласт состоит из ядра, цитоплазмы и включенных в нее крупных органелл, видимых в световой микроскоп: пластид, митохондрий. В свою очередь цитоплазма представляет собой сложную систему с многочисленными мембранными структурами, такими, как аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, и немембранными структурами — микротрубочки, рибосомы и др. Все указанные органоиды погружены в матрикс цитоплазмы — гиалоплазму, или основную плазму. По мере развития науки открываются все новые структурные образования, находящиеся в цитоплазме, и в этой связи наши современные представления о ней ни в коей мере не являются окончательными. В создании надмолекулярных структур отдельных органоидов клетки большое значение имеют так называемые слабые химические связи. Наиболее важную роль играют водородные, вандерваальсовые и ионные связи. Важнейшей особенностью является то, что энергия образования этих связей незначительна и лишь немного превышает кинетическую энергию теплового движения молекул. Именно поэтому слабые связи легко возникают и легко разрушаются. Средняя продолжительность жизни слабой связи составляет лишь долю секунды. Наряду со слабыми химическими связями большое значение имеют гидрофобные связи или, правильнее, гидрофобные взаимодействия. Именно слабые связи определяют в большой степени конформацию (форму) таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты, лежат в основе взаимодействия молекул и, как следствие, в образовании и самосборке субклеточных структур (органоидов клетки). Для поддержания сложной структуры цитоплазмы необходима энергия. Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к уменьшению упорядоченности, к энтропии. Поэтому любое упорядоченное расположение молекул требует притока энергии извне. Клетки многоклеточного организма взаимосвязаны. Эта взаимосвязь осуществляется с помощью тяжей цитоплазмы — плазмодесм. Выяснение физиологических функций отдельных органелл связано с разработкой метода их изоляции (выделения из клетки). Таков метод дифференциального центрифугирования, основанный на разделении отдельных компонентов протопласта по их величине и плотности. В зависимости от ускорения удается выделить все более и более мелкие фракции органелл. 2.2. Клеточная оболочка Размеры клеток и отдельных органелл приблизительно следующие: клетка 10 мкм, ядро 5—30 мкм, хлоропласта 2—6 мкм, митохондрии 0,5—5 мкм, рибосомы 25 нм. Рассмотрим свойства отдельных частей растительной клетки. Характерной особенностью растительной клетки является наличие твердой клеточной стенки. Клеточная оболочка придает клеткам и тканям растений механическую прочность, защищает протоплазматическую мембрану от разрушения под влиянием гидростатического давления, развиваемого внутри клетки. Однако такую оболочку нельзя рассматривать только как механический каркас. Клеточная оболочка обладает такими свойствами, которые позволяют противостоять давлению воды внутри клетки, и в то же время обладает растяжимостью и способностью к росту. Она является противоинфекционным барьером, принимает участие в поглощении минеральных веществ, являясь своеобразным ионообменником. Появились данные, что углеводные компоненты клеточной оболочки, взаимодействуя с гормонами, вызывают ряд физиологических изменений. Первичная клеточная оболочка характерна для молодых клеток. По мере их старения образуется вторичная структура. В состав клеточной оболочки входят целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, липиды и небольшое количество белка. Компоненты клеточной оболочки являются продуктами жизнедеятельности клетки. Толщина клеточной стенки колеблется у разных видов растений от десятых долей до 10 мкм. В первичной оболочке каждой клетки имеются тонкие участки — первичные поровые поля, через которые обычно проходят плазмодесмы — цитоплазматические нити, обрамленные мембраной (плазмалеммой). Благодаря плазмодесмам протоплазма всех клеток объединена в единое целое — симпласт. Клеточная оболочка способна к эластическому (обратимому) и пластическому (необратимому) растяжению. Эластическое растяжение происходит под влиянием развивающегося в клетке давления воды (тургорного давления, или потенциала давления). Макрофибриллы целлюлозы не связаны между собой и скреплены только матриксом. Они под влиянием давления как бы раздвигаются, клеточная оболочка становится тоньше. Пластическое необратимое растяжение — это собственно рост клеточной оболочки. Рост клеточной оболочки начинается с ее разрыхления. Поскольку микрофибриллы практически не растягиваются в длину, то для того, чтобы произошло растяжение оболочки, они должны скользить вдоль оси растяжения, удаляясь друг от друга. Способность микрофибрилл скользить друг около друга очень важна для обеспечения роста растяжением. Чем это скольжение проходит легче, тем пластичнее клеточная стенка. Легкость скольжения обусловлена водородными связями между микрофибриллами целлюлозы и ксилоглюканом (пектиновыми веществами). Особенностью этих связей является их лабильность - легкое разрушение и возобновление, не требующее значительных энергетических затрат. После того как растяжение клетки произошло, между вновь образовавшимися микрофибриллами целлюлозы и веществами матрикса возникают связи. Клеточная оболочка способна к утолщению и видоизменению. В результате этого образуется ее вторичная структура. Утолщение оболочки происходит путем наложения новых слоев на первичную оболочку. Ввиду того, что наложение идет уже на твердую оболочку, фибриллы целлюлозы в каждом слое лежат параллельно, а в соседних слоях — под углом друг к другу. Этим достигается значительная прочность и твердость вторичной оболочки. По мере того как число слоев фибрилл целлюлозы становится больше и толщина стенки увеличивается, она теряет эластичность и способность к росту. Во вторичной клеточной стенке содержание целлюлозы значительно возрастает (в некоторых случаях до 60% и более). По мере дальнейшего старения клеток матрикс оболочки может заполняться различными веществами – лигнином, суберином. Клеточная оболочка легкопроницаема как для воды, так и для растворенных веществ. 2. 3. ЦИТОПЛАЗМА Цитоплазма — сложная многокомпонентная, пластичная, дифференцированная система, включающая ряд мембранных и немембранных структур. Именно в цитоплазме протекают основные процессы метаболизма. С помощью центрифугирования цитоплазму можно разделить на две примерно равные части. Все органоиды, как более тяжелые, окажутся в осадке. Надосадочная жидкость и будет представлять основное вещество цитоплазмы — гиалоплазму. Основная плазма, или гиалоплазма, представляет собой среду, в которую погружены все органоиды клетки. Во взаимодействии с ней и через нее осуществляется связь между отдельными органеллами. В ней протекают многие важнейшие биохимические процессы, локализованы многочисленные ферменты. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что гиалоплазма — не бесструктурная масса. Она имеет дифференцированную сложную, но легко перестраивающуюся структуру. Именно от состояния структуры зависят многие процессы жизнедеятельности, такие, как внутриклеточный транспорт везикул и органелл, активность ферментативных процессов, их пространственная локализация. Структура гиалоплазмы раскрыта благодаря применению иммунофлуоресцентной микроскопии. Оказалось, что гиалоплазма заполнена тонкими белковыми нитями — микрофиламентами (d = 6—10 нм). Микрофиламенты представляют собой собранные в цепочки белковые глобулы. Обнаружены также особые белки, связывающие между собой микрофиламенты с образованием сети. Именно от связывающих белков зависит организация микрофиламентов. Вся эта структура очень лабильна. Под влиянием различных воздействий (большое значение имеет концентрация кальция) микрофиламенты распадаются на отдельные фрагменты и вновь собираются. Это, в свою очередь, определяет такие свойства, как вязкость, подвижность, переход из состояния геля в золь и обратно. Именно в гиалоплазме происходит анаэробная фаза дыхания — гликолиз. Микротрубочки. Цитоплазма большинства клеток содержит мик ротрубочки. Диаметр микротрубочки 20—25 нм, толщина стенок 5—8 нм, а диаметр канала 10 нм. Предполагают, что стенки микротрубочек состоят из 13 цепочек глобулярных белков тубулинов, свернутых спирально. Микротрубочки могут разрушаться и снова возникать. Важнейшая функция микротрубочек — участие в различного рода перемещениях. В частности, с микротрубочками связано движение цитоплазмы. Однако механизм действия микротрубочек неясен. Предполагается участие микротрубочек в построении клеточных стенок. Рибосомы — это компактные рибонуклеопротеидные частицы, лишенные мембран. Они состоят из белка и особого типа рибонуклеиновой кислоты — рибосомальной (рРНК). В каждой клетке несколько десятков тысяч рибосом. Они расположены цитоплазме, и в ядре, в митохондриях, в пластидах. В связи с этим различают два типа рибосом: 80S — цитоплазматические и 70S — локализованные в органеллах. Рибосомы прокариот имеют также коэффициент седиментации 70S (коэффициент седиментации характеризует скорость осаждения частиц при ультрацентрифугировании). Функцией рибосом является синтез белка. Рибосомы состоят из двух субъединиц: большой и малой. В большую субъединицу входят одна высокомолекулярная РНК и две низкомолекулярные. В малую субъединицу входит одна молекула высокомолекулярной РНК. В состав рибосом входит также несколько десятков разных молекул белка. РНК и белки объединены в рибосомах в нуклеопротеидный тяж. Рибосомальная РНК представляет одинарную цепочку нуклеотидов, однако в результате взаимодействия между отдельными звеньями цепочка частично спирализована. Спирализованные участки составляют примерно 70% от всей длины цепочки, они непостоянны, возникают и разрушаются. В дифференцированной клетке большинство рибосом прикреплено к поверхности мембран эндоплазматической сети и образует как бы цепочки — полисомы. Это позволяет одновременно синтезировать несколько десятков молекул одного и того же белка. Мембраны. Трудно переоценить значение мембран в жизни клетки и организма. Мембраны определяют возможность проникновения в клетку и в отдельные органеллы различных веществ (проницаемость). На поверхности мембран локализованы различные рецепторы, в том числе и рецепторы гормонов. На мембране или даже в самих мембранах проходят важнейшие процессы жизнедеятельности (перенос электронов в дыхательной цепи, окислительное и фотосинтетическое фосфорилирование). Мембраны разделяют клетку на отдельные компартменты (отсеки). Таким образом, мембраны принимают участие во всех проявлениях жизнедеятельности, включая регуляцию активности организма и его реакцию на внешние воздействия. Большинство мембран имеет сходный химический состав — примерно равное количество белков и липидов (60—40%) и небольшое количество (менее 10%) углеводов. Среди липидов значительная доля принадлежит фосфолипидам. У фосфолипидов две гидроксильные группы в молекуле глицерина замещены жирными кислотами, а третья — фосфорной кислотой. К фосфорной кислоте могут быть присоединены различные соединения, чаще всего аминоспирты — этаноламин или холин. Важнейшим свойством молекул фосфолипидов является полярность, так как они содержат полярную гидрофильную головку (глицерин, фосфорная кислота, аминоспирт) и два гидрофобных углеводородных хвоста. От фосфолипидов во многом зависит проницаемость мембран; они поддерживают ее структуру. Фосфолипиды влияют на активность белков — ферментов, входящих в состав мембран, изменяя их конформацию, а также создавая гидрофобную среду, благоприятствующую их действию. Наряду с фосфолипидами в состав мембран входит глико- и сульфолипиды. Мембраны представляют собой тонкие (6—10 нм) замкнутые липопротеидные пласты. Вследствие этого у них нет свободных концов, в противном случае гидрофобные участки фосфолипидов должны были бы контактировать с водой, что энергетически невыгодно. С этим же связано спонтанное образование различных везикул (пузырьков). Структура мембран до настоящего времени не может считаться раскрытой. Разрешающая сила электронного микроскопа недостаточна, чтобы увидеть расположение молекул внутри мембран, в связи с этим большинство гипотез о структуре мембран покоится на определенных допущениях. Эти допущения основывались на том, что мембраны под электронным микроскопом имеют трехслойное строение. Еще в 1935 г. Даниели и Даусон создали трехслойную модель мембраны, которая получила название «бутербродной». Согласно этой модели основу мембраны составляет двойной слой липидов, обращенный друг к другу гидрофобными концами. С двух сторон располагаются сплошным слоем белки. До недавнего времени предполагалось, что все мембраны имеют сходную структуру. На основании этих данных Робертсоном с сотрудниками была предложена гипотеза элементарной мембраны. Однако с помощью современных методов исследования показано, что многие свойства мембран нельзя объяснить этой моделью. Так, методом замораживания со скалыванием было показано, что белки мембраны, состоящие по преимуществу из гидрофобных аминокислот, могут находиться внутри двойного слоя липидов в углеводородной фазе. Наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная структура мембран, согласно которой липидный слой не является непрерывным. Мембрана как бы прошивается белковыми молекулами. При этом различают белки: 1) интегральные, пронизывающие всю толщу мембран; 2) полу интегральные, погруженные в мембрану примерно наполовину, и 3) периферические, располагающиеся на поверхности мембран, но не составляющие сплошного слоя. Основу составляет бислой фосфолипидов, относящихся к амфифильным соединениям. В бислое гидрофобные углеводородные «хвосты» обращены вовнутрь, а гидрофильные «головки» - наружу. Белки достраивают структуру мембраны, придавая ей мозаичность: белки периферические и интегральные, эндо- и экзобелки. Они выполняют функцию ферментов, мембранных насосов, рецепторов. Плазмалемма. Плазмалемма — это поверхностная одинарная мембрана, отграничивающая толщу цитоплазмы от пектоцеллюлозной оболочки. От свойств плазмалеммы во многом зависит характер обмена между внешней средой и клеткой. Вся поверхность плазмалеммы покрыта глобулярными частицами. Полагают, что в этих частицах сосредоточены ферменты, участвующие в образовании клеточной оболочки. Плазмалемма обладает полупроницаемостью, хотя и не идеальной. Она хорошо проницаема для воды и значительно слабее для растворенных веществ. Через плазмалемму осуществляется избирательный активный транспорт ионов и некоторых других веществ. В связи с этим в плазмалемме имеются белки, участвующие в транспорте. Ряд белков плазмалеммы осуществляет рецепторную функцию, в частности, связываясь с гормонами. Имеются данные, что в периоды активного роста поверхность плазмалеммы становится волнистой. В процессе роста клетки происходит быстрое увеличение поверхности плазмалеммы, ее рост. Он происходит путем присоединения к ней уже сформированных участков мембран, принадлежащих пузырькам аппарата Гольджи. Плазмалемма принимает участие в образовании клеточных оболочек. Вещества матрикса оболочки (гемицеллюлоза, пектиновые вещества) синтезируются в аппарате Гольджи и выделяются через плазмалемму. Вместе с тем фибриллы целлюлозы образуются на наружной поверхности плазмалеммы. У прокариот плазмалемма может включать в себя ферменты дыхательной цепи. Эндоплазматическая сеть — сложная система каналов, окруженных мембранами (6—7 нм), пронизывающая всю толщу цитоплазмы. Каналы имеют расширения — цистерны, которые могут обособляться в крупные пузырьки и сливаться в вакуоли. Каналы и цистерны эндоплазматической сети заполнены электронно-прозрачной жидкостью — энхилемой, содержащей растворимые белки и другие соединения. К мембране эндоплазматической сети могут быть прикреплены особые частицы — рибосомы. Благодаря этому поверхность мембран становится шероховатой. Такие мембраны носят название гранулярных, в отличие от гладких — агранулярных. Физиологическое значение эндоплазматической сети многообразно. Каналы эндоплазматической сети могут использоваться для внутри- и межклеточного транспорта различных веществ. Образовавшиеся на рибосомах белки могут проникать в энхилему, заполняющую каналы. Благодаря этому белки транспортируются внутри клетки, а также между клетками. Мембраны эндоплазматической сети разделяют клетку на отдельные отсеки (компартменты) и тем самым предупреждают случайные взаимодействия веществ. Эндоплазматическая сеть очень лабильна, она может возникать и разрушаться. В молодых, только что образовавшихся клетках эндоплазматическая сеть развита слабо. Сильное развитие эндоплазматической сети наблюдается в клетках в период их интенсивного роста. Аппарат Гольджи представляет собой стопки цистерн, окруженных мембранами. Кроме цистерн имеется ряд сферических пузырьков. Цистерны (уплощенные мешочки, окруженные мембранами) получили название диктиосом. Аппарат Гольджи имеет два конца, два полюса: на одном полюсе, формирующем, образуются новые цистерны, на втором полюсе, секретирующем, происходит образование пузырьков. И тот и другой процесс происходит непрерывно: по мере того как одна цистерна образует пузырьки и, таким образом, расформировывается, ее место занимает другая цистерна. Расстояние между отдельными цистернами постоянно (20—25 нм). Одна из основных функций аппарата Гольджи — его участие в формировании плазмалеммы и клеточной оболочки. Одновременно цистерны аппарата Гольджи, повидимому, могут служить для удаления некоторых веществ, выработанных клеткой. Вакуоль — полость, заполненная клеточным соком и окруженная мембраной (тонопластом). В молодой клетке обычно имеется несколько мелких вакуолей (провакуолей). В процессе роста клетки образуется одна центральная вакуоль. В образовании вакуоли могут участвовать пузырьки, отделяющиеся от аппарата Гольджи. Возможно образование «вторичных» вакуолей из участков цитоплазмы, изолированных мембраной эндоплазматической сети, в которых с помощью гидролитических ферментов произошло переваривание веществ. Из мембран эндоплазматической сети и возникает, по - видимому, тонопласт. Тонопласт обладает избирательной проницаемостью, в нем локализована система активного транспорта веществ. Во многих случаях вещества, проникающие через плазмалемму, не проникают через тонопласт и не попадают в вакуоль. Вакуоль содержит клеточный сок, в котором растворены соли, органические кислоты, сахара и другие соединения. В связи с этим она играет важную роль в осмотических процессах поступления воды и поддержания тургора клетки. В вакуоли ряда клеток содержится пигмент (антоциан), который обусловливает окраску цветков, плодов, а также частично осеннюю окраску листьев. Вакуоли — это место, где могут аккумулироваться и сохраняться питательные вещества, если в данный момент клетка в них не нуждается. В вакуоль также экскретируются различные клеточные отбросы, которые затем могут там перерабатываться и обезвреживаться. Тонопласт может образовывать инвагинации. При этом часть цитоплазмы включается в вакуоль и там подвергается действию различных ферментов (переваривается). Это позволяет рассматривать вакуоль как гигантскую лизосому. Лизосомы — органеллы диаметром около 2 мкм — окружены мембраной, возникшей из мембран эндоплазматической сети или аппарата Гольджи. Внутренняя полость лизосом заполнена жидкостью— энхилемой, в которой содержатся ферменты, главным образом гидролитические. Ферменты, катализирующие процессы распада, сосредоточенные в лизосомах, благодаря мембране оказываются изолированными от остального содержимого клетки. Это имеет большое значение, так как предупреждает распад веществ, в частности белков, находящихся вне лизосом. Вместе с тем в лизосомах может происходить разрушение чужеродных веществ, попавших в клетку. Пероксисомы — окруженные мембраной пузырьки сферической Митохондрии — «силовые» станции клетки, в них локализована большая часть реакций дыхания (аэробная фаза). В митохондриях происходит аккумуляция энергии дыхания в аденозинтрифосфате (АТФ). Энергия, запасаемая в АТФ, служит основным источником для физиологической деятельности клетки. Митохондрии обычно имеют удлиненную палочковидную форму длиной 4—7 мкм и диаметром 0,5—2 мкм (рис. 6). Число митохондрий в клетке может быть различным, от 500 до 1000. Однако в некоторых организмах (дрожжах) имеется лишь одна гигантская митохондрия. Химический состав митохондрий несколько колеблется. В основном это белковолипоидные органеллы. Содержание белка в них составляет 60—65%. В состав мембран митохондрий входят 50% структурных белков и 50% ферментативных, около 30% липидов. Очень важно, что митохондрии содержат нуклеиновые кислоты: РНК—1 % и ДНК—0,5%.В митохондриях имеется не только ДНК, но и вся система синтеза белка, в том числе и рибосомы. Митохондрии окружены двойной мембраной. Толщина мембран составляет 6—10 нм. Между мембранами — перимитохондриальное пространство, равное 10 нм; оно заполнено жидкостью типа сыворотки. Внутреннее пространство митохондрий заполняет матрикс в виде студнеобразной полужидкой массы. В матриксе сосредоточены ферменты цикла Кребса. Внутренняя мембрана дает выросты — кристы, расположенные перпендикулярно продольной оси органеллы и перегораживающие все внутреннее пространство митохондрий на отдельные отсеки. Однако, поскольку выросты-перегородки неполные, между этими отсеками сохраняется связь. Мембраны митохондрий обладают большой прочностью и гибкостью. Во внутренней мембране локализована дыхательная цепь (цепь переноса электронов). На внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий расположены грибовидные частицы. Они расположены через правильные промежутки. Каждая митохондрия содержит 104—105 таких грибовидных частиц. Установлено, что в головке грибовидных частиц содержится фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование АТФ за счет энергии, выделяющейся в аэробной фазе дыхания. Митохондрии способны к движению. Это имеет большое значение в жизни клетки, так как митохондрии передвигаются к тем местам, где идет усиленное потребление энергии. Они могут ассоциировать друг с другом как путем тесного сближения, так и при помощи связующих тяжей. Наблюдаются также контакты митохондрий с эндоплазматической сетью, ядром, хлоропластами. Известно, что митохондрии способны к набуханию, а при потере воды — к сокращению. Рис.6. Схема строения митохондрии: 1 – наружная мембрана, 2 – внутренняя мембрана, 3 – матрикс. Ядро. В растительной клетке ядро имеет диаметр порядка 10 мкм. Оно может быть сферическим, удлиненным или лопастным. Внутреннее содержимое ядра (нуклеоплазма) ограничено ядерной оболочкой, состоящей из двух элементарных мембран — внутренней и наружной. Ядерная оболочка пронизана порами диаметром 10 — 20 нм, через которые транспортируются нуклеиновые кислоты и белки. С наружной мембраной ядерной оболочки могут быть непосредственно связаны элементы эндоплазматического ретикулума. В нуклеоплазме локализованы участки хроматина, состоящего из комплекса ДНК, РНК и белков. В делящихся клетках хроматин организуется в хромосомы, число которых специфично для каждого вида растений. Количество ДНК в одном ядре постоянно для каждого вида (кроме случаев мейоза и полиплоидии). Геном растений отличается от генома животных большим количеством ДНК. В нуклеоплазме ядра содержатся также ферменты и кофакторы, необходимые для обеспечения процессов репликации и транскрипции ДНК, молекулы различных РНК, ферменты, фосфорилирующие и ацетилирующие ядерные белки, ферменты гликолиза и др. Ядрышко отчетливо видно в ядре под световым и электронным микроскопами. Оно формируется на определенных участках ДНК, называемых ядрышковым организатором. В хроматине ядрышка находятся участки ДНК, ответственные за синтез рибосомальных РНК (рРНК). В целом ядро является местом хранения генетической информации клетки и репликации ДНК. В нем происходит процесс транскрипции ДНК в РНК различных типов. В тесном взаимодействии с цитоплазмой ядро участвует в обеспечении экспрессии генетической информации и контролирует процессы жизнедеятельности клетки. Рибосомы. Рибосомы осуществляют синтез белков - трансляцию матричной, или информационной, РНК (мРНК). На электронных фотографиях они выглядят округлыми частицами диаметром 20-30 нм. Каждая рибосома состоит из двух нуклеопротеиновых субъединиц. В цитоплазме растительных клеток находятся 80 S рибосомы, состоящие из 40 и 60 S субъединиц, в хлоропластах - 70 S рибосомы, а в митохондриях — 78 - 80 S рибосомы, отличные от цитоплазматических и хлоропластных. Субъединицы рибосом, образованные в ядрышке, поступают в цитоплазму, где происходит сборка рибосом на молекуле мРНК. Рибосомы в цитоплазме могут быть свободными, прикрепленными к мембранам эндоплазматического ретикулума, к наружной мембране ядерной оболочки либо образуют полирибосомные (полисомные) комплексы. Полирибосомы возникают потому, что одну молекулу мРНК могут одновременно транслировать несколько рибосом. Полирибосомы разрушаются при воздействии на растения неблагоприятных факторов внешней среды (например, засухи, недостатка кислорода). В процессе синтеза белка, осуществляемого рибосомами, участвуют компоненты, образованные в ядре, ядрышке, в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах. Пластиды. Для клеток растений типична система органоидов, называемая пластидной. Пластиды - это ограниченныедвойной мембраной округлые или овальные органоиды, содержащие внутреннюю систему мембран. Пластиды могут быть бесцветными (пропластиды, лейкопласты, этиопласты) или окрашенными (хлоропласты, хромопласты) В меристемах присутствуют пропластиды, у которых внутренняя мембрана имеет лишь небольшие инвагинации внутренняя мембрана имеет лишь небольшие инвагинации (впячивания). Если структура пропластид сохраняется у органоидов зрелых клеток, их называют лейкопластами. В лейкопластах откладываются запасные вещества и названия они получают в зависимости от этих соединений: если запасается крахмал — амилопласты, жиры — элайопласты, белки — протеинопласты и т. д. Этиопласты формируются при выращивании зеленых растений в темноте. Важнейший для всего живого процесс преобразования энергии поглощенного света в химическую энергию органических веществ, синтезируемых из СО2 и Н2О (фотосинтез), осуществляется в зеленых пластидах — хлоропластах. Это овальные тела 5 — 10 мкм длиной и 2 — 3 мкм в диаметре. В одной клетке листа могут находиться 15-20 и более хлоропластов, а у некоторых водорослей — лишь 1 — 2 гигантских хлоропласта различной формы. Как и другие пластиды, хлоропласты обладают наружной и внутренней мембранами (рис.7). Внутренняя мембрана, ограничивающая внутреннюю гомогенную среду (строму) хлоропласта, образует уплощенные инвагинации — тилакоиды, которые могут иметь форму дисков и в этом случае называются тилакоидами гран (гранальными). Несколько таких тилакоидов, лежащих друг над другом, формируют стопку - грану. Другие тилакоиды, связывающие между собой граны или не контактирующие с ними, называются тилакоидами стромы. В мембранах тилакоидов локализованы зеленые (хлорофиллы), желтые и красные (каротиноиды) пигменты, компоненты редокс-цепей и запасания энергии, участвующие в погло щении и использовании энергии света. Биохимические системы синтеза и превращения углеводов функционируют в строме хлоропластов. В ней же может откладываться крахмал. Хромопласты содержат в везикулах (пузырьках) стромы каротиноиды. Их присутствием объясняется окраска плодов томатов, рябины и др. В строме всех пластид обнаружены кольцевые молекулы ДНК. При росте клетки количество хлоропластов увеличивается путем деления. При делении ламеллярная система пересекается перемычкой поперек органоида, иногда наблюдается почкование хлоропластов. Затем размер дочерних хлоропластов увеличивается. Деление хлоропластов происходит через 6 - 20 ч и не обязательно совпадает с делением ядра. Оно может регулироваться красным светом (660 нм) и устраняется облучением дальним красным светом (730 нм). Деление останавливается также низкой температурой. 2.4. Обмен веществ. Ферменты. В основе специфических свойств каждой клетки, каждого организма, которые передаются по наследству, лежит специфика обмена веществ. Обмен веществ — это совокупность всех происходящих в организме химических процессов. Химические реакции, составляющие обмен веществ, тесно взаимосвязаны и согласованы друг с другом. Обмен веществ внутри клетки тесно взаимосвязан со средой. Из внешней среды поступают вещества, необходимые для жизнедеятельности организма, и определенные вещества выделяются организмом в среду. Условия среды (температура, влажность, освещение), в которых осуществляется жизнедеятельность организма, оказывают глубокое влияние на скорость и направленность обмена. Организм обладает способностью регулировать обмен веществ. Обмен веществ (метаболизм) имеет 2 стороны: 1) ассимиляция (анаболизм), сущность которой заключается в усвоении углерода и биосинтезе первичных углеводов (т.е. осуществление процесса фотосинтеза). 2) диссимиляция (катаболизм), сущность этого процесса заключается в осуществлении процессов дыхания и брожения, которые связаны с высвобождением энергии, необходимой для нужд клетки. Даже поверхностное рассмотрение особенностей химических процессов в живой клетке позволяет заметить, что они протекают с огромной скоростью. И все они являются каталитическими и осуществляются благодаря присутствию биологических катализаторов — ферментов, ничтожное количество которых осуществляет колоссальный объем превращений. Для осуществления химических реакций необходимо, чтобы молекулы были в активном состоянии. В самом общем виде катализаторы, повышая активность реагирующих молекул, как бы снижают силы химического сопротивления. Вместе с тем катализаторы не могут вызвать реакцию, которая в их отсутствие не идет, они ускоряют лишь реакции, которые термодинамически осуществимы. Многие ферменты ускоряют реакции в 109— 1011 раз. В отсутствие ферментов биохимические реакции происходили бы настолько медленно, что жизнь была бы невозможной. По химической природе все ферменты — простые или сложные белки. Небелковый компонент, прочно связанный, называют простетической группой, слабо связанный, обслуживающий несколько ферментов,— коферментом. Часто кофермент соединяется с соответствующим белком только в период реакции. Состав простетических групп или коферментов разнообразен. Во многих случаях это витамины или их производные, в частности производные витаминов B1, B2, В6 никотиновой кислоты и др. В простетическую группу ряда ферментов входят металлы (железо, медь, цинк). Металлы могут входить в состав простетических групп в виде особых соединений, например железо в соединении с 4 пиррольными группировками (геминовое железо). Многие коферменты принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях (НАД, НАДФ, и др.). Важнейшим свойством ферментов является их специфичность. Еще в 1911 г. крупный немецкий химик Эмиль Фишер выдвинул положение, что фермент должен подходить к субстрату, как «ключ к замку». Однако во многих случаях пространственное соответствие молекулы фермента и субстрата возникает лишь в процессе их взаимодействия (Кошланд). Ферменты — это не только катализаторы, но и регуляторы процессов обмена. В клетке содержатся сотни соединений и должны бы происходить бесчисленные реакции. Однако число реакций ограничивается, поскольку специфичность ферментов позволяет различать определенные молекулы. Каждый организм имеет свой набор ферментов, обусловленный его наследственной основой. Действие фермента проходит в несколько стадий. Начальной стадией является образование комплекса фермента с субстратом. При этом между ферментом и субстратом возникают связи разного характера (водородные, ван-дер-ваальсовы и др.). Именно образование фермент-субстратного комплекса требует высокой специфичности фермента. Как правило, молекула субстрата очень мала по сравнению с молекулой фермента. Поэтому при образований фермент-субстратного комплекса участвует лишь незначительная часть молекулы фермента, его активный центр. Активный центр — это совокупность функциональных групп, принимающих непосредственное участие в ферментативной реакции. Образование фермент-субстратного комплекса вызывает переход субстрата в более реактивное состояние, его активацию. Известно, что при любом химическом взаимодействии вступают в реакцию только те молекулы, которые обладают избытком энергии. Число столкновений между молекулами, приводящее к химическому взаимодействию (число эффективных столкновений), составляет лишь некоторую долю (иногда очень малую) общего числа столкновений. Эффективными оказываются лишь столкновения между молекулами, которые в этот момент обладают некоторым избытком внутренней энергии по сравнению со средней (для данной температуры) величиной. Энергия, которую необходимо придать молекулам вещества А для превращения их в В, сверх той средней, которую молекулы А уже содержат, называют энергией активации. В самом общем виде фермент благодаря созданию фермент-субстратного комплекса проводит реакцию обходным путем и тем самым снижает энергию активаций или энергетический барьер. Выделяют три фазы действия фермента: 1) образование фермент-субстратного комплекса; 2) преобразование промежуточного соединения в один или несколько активных комплексов; 3) выделение продуктов реакции и регенерация молекулы фермента. Ферменты проявляют свою активность при выделении из клетки. Однако в клетке их действие может отличаться от действия вне клетки. Ферменты могут быть локализованы в определенных частях клетки, вплетены в мембраны, пространственно разделены или, наоборот, объединены с субстратом. Все это накладывает большой отпечаток на их работу. Разнообразие ферментов в клетке чрезвычайно велико, однако все их можно разделить на шесть классов: 1) оксидоредуктазы - катализирующие окислительновосстановительные реакции; 2) трансферазы — катализирующие перенос целых атомных группировок от одного соединения к другому; 3) гидролазы — осуществляющие распад различных органических соединений с участием воды (гидролиз); 4) лиазы — катализирующие присоединения какой-либо атомной группировки к органическим соединениям или отцепляющие от субстратов определенную группу без участия воды; 5) изомеразы — катализирующие превращение одних изомеров в другие; 6) лигазы, или синтетазы,— катализирующие синтез органических соединений, происходящий при участии АТФ (с использованием энергии этого соединения). Белки-ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, встречающиеся у одного вида организмов, но различающиеся по ряду физико-химических свойств (внутренней локализации, электрофоретической подвижности), называют изоферментами. Они различаются по реакции на внешние условия; их максимальная активность проявляется в различных условиях температуры и рН. По-видимому, наличие изоферментов позволяет организмам лучше приспосабливаться к меняющимся условиям среды. Скорость и направленность ферментативных реакций клетки зависят от следующих причин: 1) условий, в которых протекает ферментативная реакция; 2) активности действующего фермента; 3) количества белка-фермента. 2. 5. ПОСТУПЛЕНИЕ ВОДЫ В РАСТИТЕЛЬНУЮ КЛЕТКУ Для осуществления всех процессов жизнедеятельности в клетку из внешней среды должны поступать вода и питательные вещества. Вода прямо или косвенно участвует во всех реакциях обмена и является важнейшей составной частью растительной клетки. 2.5.1. ДИФФУЗИЯ И ОСМОС Прежде чем перейти к изучению поступления воды, остановимся на рассмотрении некоторых общих закономерностей. Как известно, при температуре выше абсолютного О °С все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему. Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал — функция концентрации. Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества и разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов. Осмос — результат неравенства химических потенциалов воды по разные стороны мембраны. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества. В 1877 г. немецкий физиолог Пфеффер приготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд наливали раствор медного купороса и помещали в другой сосуд, в свою очередь заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы соприкасались и реагировали друг с другом. В результате в порах образовалась пленка из ферроцианида меди [Сu2Fe(СN)6], которая обладала полупроницаемостью. Таким образом, была создана как бы модель клетки: полупроницаемая пленка имитировала цитоплазму, а стенки сосуда —пектоцеллюлозную оболочку. Сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду. Такой прибор получил название осмометра. Химический потенциал воды во внутреннем сосуде будет тем меньше, чем выше концентрация сахарозы. Таким образом, поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды и раствора и происходит самопроизвольно по градиенту свободной энергии воды. В осмометре при наличии полупроницаемой мембраны вода будет поступать в раствор, который при этом будет становиться все более разбавленным и движение воды будет замедляться. Однако равновесия не наступит, поскольку возникнет гидростатическое давление. Если к осмометру присоединить трубку, вода будет подниматься по ней. Наконец давление столба воды уравновесит силу, с которой молекулы воды поступают в осмометр. Таким образом, энергия молекул воды, которая уменьшилась благодаря введению растворенного вещества, восполнится давлением столба воды либо грузом, т. е. давлением, которое мы приложим извне. Это давление повышает химический потенциал раствора (Iр), делая его равным химическому потенциалу чистой воды (IВ). Согласно закону термодинамики самопроизвольно идут только процессы, сопровождающиеся выделением энергии. В большинстве случаев измерить свободную энергию в абсолютном выражении не представляется возможным. Однако можно измерить разность между конечным (g2) и начальным энергетическим состоянием (g1). Поскольку g1 больше g2, то изменение Δg будет иметь отрицательное значение. В нашем случае g1— это химический потенциал чистой воды, a g2—это химический потенциал воды после добавления растворенного вещества. Δg будет равно, но противоположно по знаку тому давлению, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление в него воды через полупроницаемую мембрану. Δg и будет осмотический потенциал (Ψосм) раствора. Таким образом, осмотический потенциал равен разности между химическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чистой воды и всегда отрицателен. Осмотический потенциал показывает недостаток энергии в растворе по сравнению с чистой водой, вызванный взаимодействием вода — растворенное вещество. Иначе говоря, осмотический потенциал показывает, насколько прибавление растворенного вещества снижает активность воды. Осмотический потенциал относится к так называемым коллигативным свойствам раствора, таким, как понижение точки замерзания или повышение точки кипения. Все эти показатели зависят от молярной концентрации. 1 моль раствора любого недиссоциированного вещества имеет осмотический потенциал 22,7 бара. Поскольку уменьшение химического потенциала, или активности воды, пропорционально числу частиц, то при растворении диссоциированных веществ абсолютное значение осмотического потенциала будет больше, для чего вводится соответствующий (изотонический) коэффициент. Надо учесть, что осмотический потенциал любого раствора проявляется только в условиях системы раствор — полупроницаемая мембрана — растворитель. Сказанное дает возможность измерить осмотический потенциал раствора (Ψосм). Присоединив манометр, можно измерить давление, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление воды в раствор. Оно будет по абсолютной величине равно, но противоположно по знаку осмотическому потенциалу раствора. 2. 6. КЛЕТКА КАК ОСМОТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы, а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что протоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется на клетке с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между протоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором. Явление отставания протоплазмы от клеточной оболочки получило название плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (от своего большего химического потенциала к меньшему), тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние (тургор). Избирательная проницаемость мембран обеспечивает прохождение через них молекул воды, препятствует проникновению растворенных в воде веществ и обусловливает явление плазмолиза при действии на клетку гипертонического раствора. Если же молекулы растворенного вещества через мембрану проходят, но медленнее, чем молекулы воды, то начавшийся плазмолиз потом исчезает. Деплазмолиз происходит в результате постепенного проникновения растворенного вещества в клетку, изменения водного потенциала снаружи и внутри, а также поступления воды в клетку из наружного раствора по градиенту водного потенциала. 2.6.1. Формы плазмолиза В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым. Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называется вогнутым. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого. А если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 10). Время, в течение которого вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый, позволяет оценивать степень вязкости цитоплазмы. Рис.10. Формы плазмолиза. 1 – уголковый, 2 – вогнутый, 3 – выпуклый, 4 – судорожный, 5 – колпачковый (а – цитоплазма, б – вакуоль). При сравнении вязкости цитоплазмы в растворах солей калия и кальция можно отметить, что ионы калия, проникая в цитоплазму, повышают ее гидрофильность, уменьшают вязкость и способствуют ее быстрому отрыву от клеточной стенки. Поэтому в растворах солей калия плазмолиз быстро принимает форму выпуклого. Ионы кальция, наоборот, повышают вязкость цитоплазмы, увеличивают силы сцепления ее с клеточной стенкой, и плазмолиз принимает форму судорожного плазмолиза. Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и протоплазма сохранила полупроницаемость. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости протоплазмы. Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического потенциала (плазмолитический метод). Этот метод основан на подборе изоосмотического, или изотонического, раствора, т. е. имеющего осмотический потенциал (Ψ;осм р.ра), равный осмотическому потенциалу клеточного сока (Ψ;осм.кл). Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал, примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно вычислить его осмотический потенциал, а следовательно, осмотический потенциал клетки (Ψ осм р- ра=Ψ осм. кл.). 2.7. ПОСТУПЛЕНИЕ ИОНОВ В РАСТИТЕЛЬНУЮ КЛЕТКУ Из внешней среды в клетку растения непрерывно поступают питательные соли. Это естественный процесс, без которого жизнедеятельность клетки была бы невозможна. Причем клетка осуществляет поглощение, несмотря на ограниченную проницаемость плазмалеммы, о чем говорит явление плазмолиза. Живая клетка в высокой степени обладает способностью к избирательному накоплению питательных веществ. На протяжении истории физиологии растений учеными были созданы многочисленные теории относительно механизмов проникновения растворенных веществ в клетку. Многие из этих теорий оказались несостоятельными, в частности в силу того, что под проникновением веществ в клетку понималось их поступление в клеточный сок. В настоящее время не вызывает сомнений, что поступление солей происходит в виде ионов и проходит несколько этапов. Питательные вещества могут поступать и накапливаться в клеточной оболочке, цитоплазме, вакуоли. Особенно важным этапом является поступление веществ в цитоплазму. Экспериментально показано, что питательные вещества могут поступать в цитоплазму и не проникать в вакуоль. Это хорошо видно из опытов советского ученого Н. Г. Холодного по влиянию солей на форму плазмолиза. В растворах разных солей форма плазмолиза различна. Кальций повышает вязкость протоплазмы, и, как следствие, форма плазмолиза в растворах его солей вогнутая. Калий снижает вязкость — форма плазмолиза выпуклая. Изменение вязкости протоплазмы свидетельствует о том, что ионы проникли в нее. Вместе с тем наличие плазмолиза показывает, что в вакуоль соли если и проникли, то в малой степени. 2.7.1. ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ ПОСТУПЛЕНИЯ Поглощение питательных веществ клеткой может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение — это поглощение, не требующее затраты энергии. Оно связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного вещества. С термодинамической точки зрения направление диффузии определяется химическим потенциалом вещества. Чем выше концентрация вещества, тем выше его химический потенциал. Передвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Необходимо отметить, что направление движения ионов определяется не только химическим, но также электрическим потенциалом. Следовательно, пассивное передвижение ионов может идти по градиенту химического и электрического потенциала. Таким образом, движущей силой пассивного транспорта ионов через мембраны является электрохимический потенциал. Электрический потенциал на мембране — трансмембранный потенциал может возникать в силу разных причин: 1.Если поступление ионов идет по градиенту концентрации (градиенту-химического потенциала), однако благодаря разной проницаемости мембраны с большей скоростью поступает либо катион, либо анион. В силу этого на мембране возникает разность электрических потенциалов, что, в свою очередь, приводит к диффузии противоположно заряженного иона. 2. При наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих определенные ионы, т. е. иммобилизирующих их. За счет фиксированных зарядов создается дополнительная возможность поступления ионов противоположного заряда (доннановское равновесие) . 3. В результате активного (связанного с затратой энергии) транспорта либо катиона, либо аниона. В этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала. Явление, когда потенциал генерируется активным поступлением через мембрану ионов одного заряда, носит название электрогенного насоса. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии. Активный транспорт — это транспорт, идущий против электрохимического потенциала с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма. Имеется ряд доказательств существования активного транспорта ионов. В частности, это опыты по влиянию внешних условий. Так, оказалось, что поступление ионов зависит от температуры. В определенных пределах с повышением температуры скорость поглощения веществ клеткой возрастает. В отсутствие кислорода, в атмосфере азота, поступление ионов резко тормозится и может даже наблюдаться выход солей из клеток корня наружу. Под влиянием дыхательных ядов, таких, как KCN, СО, поступление ионов также затормаживается. С другой стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения. Все это указывает на то, что между поглощением солей и дыханием существует тесная связь. Многие исследователи приходят к выводу о тесной взаимосвязи между поглощением солей и синтезом белка. Так, хлорамфеникол — специфический ингибитор синтеза белка — подавляет и поглощение солей. Активное поступление ионов осуществляется с помощью особых транспортных механизмов — насосов. Насосы подразделяются на две группы: 1.Электрогенные (упомянутые ранее), которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны. 2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении. Способность клетки к избирательному накоплению питательных солей, зависимость поступления от интенсивности обмена служат доказательством того, что наряду с пассивным имеет место и активное поступление ионов. Оба процесса часто идут одновременно и бывают настолько тесно связаны, что разграничить их трудно. 2.7.2. Этапы поступления ионов Поглощение ионов клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной оболочкой. Еще работами Д. А. Сабинина и И. И. Колосова было показано, что клеточная оболочка способна к быстрой адсорбции ионов. Причем эта адсорбция в ряде случаев носит обменный характер. В дальнейшем в опытах с выделенными клеточными оболочками было показано, что их можно рассматривать как ионообменник. На поверхности клеточной оболочки оказываются адсорбированными ионы Н+ и NСОз-, которые в эквивалентных количествах меняются на ионы, находящиеся во внешней среде. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межмолекулярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами. Первый этап поступления характеризуется большой скоростью и обратимостью. Поступившие ионы легко вымываются. Это диффузионный пассивный процесс, идущий по градиенту электрохимического потенциала. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, получил название свободного пространства (СП). В СП включаются клеточные стенки и промежутки, которые могут возникать между клеточной стенкой и плазмалеммой. Поскольку в клеточную оболочку входят амфотерные соединения (белки), заряд которых меняется при разных рН, то в зависимости от рН скорость адсорбции катионов и анионов также может меняться. Для того чтобы поступить в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, ионы должны пройти через мембрану — плазмалемму (второй этап поступления). Спорным является вопрос о том, существуют ли в мембранах поры или каналы. Вероятно наличие каналов, образованных белками, пронизывающими мембрану. Перенос ионов через мембрану может идти пассивным и активным путем. Наиболее распространено мнение, что ионы проникают через мембрану с помощью переносчиков. Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показа ли, что перенос ионов (например, К+) может проходить под влиянием некоторых антибиотиков, вырабатываемых бактериями и грибами,— ионофоров. В одних случаях катион входит во внутреннюю полость молекулы ионофора (рис. 12). Образованный комплекс диффундирует через мембраны во много раз быстрее по сравнению со свободным ионом. Ионофоры другого типа взаимодействуют с мембранами и, таким образом, формируют поры. Аналогичные закономерности могут иметь место при переносе ионов через мембрану в живой клетке. Согласно концепции переносчиков, ион (М) реагирует со своим переносчиком (X) на поверхности мембраны или вблизи нее. Эта первая реакция может включать или обменную адсорбцию, или какое-то химическое взаимодействие. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не может перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ионом (MX) подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду, образуя предшественник переносчика (X1). Этот предшественник переносчика снова передвигается к внешней стороне мембраны, где вновь превращается из предшественника в переносчик, который на поверхности мембраны может соединиться с другим ионом. Подтверждением гипотезы переносчиков служит тот факт, что при увеличении концентрации минеральных солей в окружающем растворе скорость поступления солей сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это объясняется ограниченным количеством переносчиков. Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе только определенных ионов и, тем самым, обеспечивают избирательность поступления. Это не исключает того, что один и тот же переносчик может обеспечивать перенос нескольких ионов. Относительно природы переносчиков высказываются различные соображения. Их химическая природа не установлена, но большинство исследователей считает, что это белки. Благодаря разнообразию и специфичности белков осуществляется избирательная их реакция с ионами, находящимися в среде, и, как следствие, их избирательный перенос. Катионы и анионы могут иметь разные переносчики. Вместе с тем не исключено, что с помощью переносчиков переносятся катионы, а анионы будут проникать в результате сил электростатического притяжения. Транспорт с участием переносчиков может идти по направлению химического или электрического градиента. В этом случае поступление ионов не требует затрат энергии — это пассивный процесс. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия (облегченная диффузия). Процесс избирательного концентрирования ионов в клетке, идущий против электрохимического градиента, требует затраты энергии. Именно этот активный перенос имеет решающее значение для жизнедеятельности клетки. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессом дыхания и в основном аккумулирована в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ, это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН→АДФ + ФН. Процесс этот катализируется ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-аза). АТФ-аза обнаружена в мембранах различных клеток. Для животных клеток показано, что в мембранах локализована транспортная АТФ-аза. Этот фермент активируется в присутствии одновалентных катионов калия и натрия (К+, Na+ —АТФаза) и ингибируется гликозидом оубаином. С наличием транспортной АТФ-азы связывают активный перенос ионов через мембраны. Для растений большое значение имеет Н+ - АТФ-аза. Н+— АТФ-аза (Н+— насос или Н+—водородная помпа) осуществляет перенос протонов через мембраны, используя энергию гидролиза АТФ. Это сопровождается обратным переносом катионов (антипорт). Вместе с тем с ионом Н+ в ту же сторону могут передвигаться анионы (симпорт). Предполагается, что АТФ-аза располагается поперек мембраны. Освобождаемая при распаде АТФ энергия используется для изменения конфигурации самой АТФ-азы, благодаря чему участок фермента, связывающий определенный ион, поворачивается и оказывается по другую сторону мембраны (рис. 13, 14). В этом случае АТФ-аза служит и переносчиком ионов. Возможно также, что переносчиками являются специальные белки, а энергия АТФ, высвобождаемая с помощью АТФ-азы, используется на их перемещение в мембране. Таким путем может осуществляться активный перенос ионов (с использованием энергии) против градиента концентрации. Полагается, что данная АТФ – аза состоит из двух альтернативных белков. Один из них имеет полость, открытую внутрь клетки (в нее входит Na+); другой имеет полость, открытую наружу (в нее входит К+). Таким образом, перенос ионов через мембрану может осущесвляться против градиента концентрации с затратой энергии, т. е. путем активного переноса. Специфические переносчики обеспечивают и избирательность поступления. Наконец, клетка может «заглатывать» питательные веществ вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз — это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с растворенными веществами. Явление пиноцитоза известно для клеток животных организмов. Сейчас доказано, что оно характерно и для клеток растений. Процесс этот можно подразделить на несколько фаз: 1) адсорбция ионов на определенном участке плазмалеммы; 2) впячивание, которое происходит под влиянием заряженных ионов; 3) образование пузырьков с жидкостью, которые могут мигрировать по цитоплазме; 4) слияние мембраны, окружающей пиноцитозный пузырек, с мембранами лизосом, эндоплазматической сети или вакуоли и включение веществ в метаболизм. С помощью пиноцитоза в клетки могут попадать не только ионы, но и различные растворимые органические вещества. Пройдя через мембрану, ионы поступают в цитоплазму, где они включаются в метаболизм клетки (3-й этап). Существенная роль в процессе связывания питательных веществ цитоплазмой принадлежит клеточным органеллам. Митохондрии, хлоропласты, по - видимому, конкурируют между собой, поглощая катионы и анионы, поступившие через плазмалемму в цитоплазму. В процессе аккумуляции ионов в разных органеллах цитоплазмы и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт. Этот процесс осуществляется, по-видимому, по каналам эндоплазматического ретикулума. В вакуоль попадают ионы в случае, если протоплазма уже насыщена ими. Это как бы излишки питательных веществ, не включенные в реакции метаболизма. Для того чтобы попасть в вакуоль, ионы должны преодолеть еще один барьер — тонопласт (4-й этап). Необходимо еще раз подчеркнуть, что большое значение для жизнедеятельности клетки имеет активное поступление. Именно оно ответственно за избирательное накопление ионов в цитоплазме. Поглощение питательных веществ клеткой тесно связано с обменом веществ. Эти связи многосторонни. Для активного переноса необходимы синтез белков и переносчиков и энергия, поставляемая в процессе дыхания. Для многоклеточного высшего растения не меньшее значение имеет и передвижение питательных веществ из клетки в клетку. Чем быстрее проходит этот процесс, тем быстрее соли будут при прочих равных условиях поступать в клетку. Контрольные упражнения и задачи для самоподготовки к очередному лабораторному занятию: Тема" Физиология растительной клетки" I вариант: 1. Каких растений по числу видов больше с крахмалистыми или масленичными семенами? 2. Явление плазмолиза и деплазмолиза доказывает, что растительная клетка функционирует, как осмотическая ячейка. Поясните, как это следует понимать? 3. Что такое осмотический потенциал раствора и от чего зависит его величина? 4. У какого раствора осмотический потенциал выше: у 5%-ой глюкозы или 5% сахарозы? 5. Кусочки одной и той же растительной ткани погружены в 1 М р-р сахарозы и 1 М р-р NaCl. В каком из этих растворов плазмолиз клеток будет быстрее? Объясните, почему? 6. У каких растений величина осмотического потенциала клеток будет выше: у растущих на солончаках или незасоленных мест обитания? Каково экологическое значение этого явлений? 7. Чему равен осмотический потенциал клеток, если известно, что в 0,3 и 0,4 М растворах NaCl плазмолиза не возникает, 0,5 М - вызывает уголковый, а 0,6 М – выпуклый плазмолиз (Ответ: 17,3 атм.) II вариант: Что называется водным потенциалом растительной клетки? Назовите составляющие водного потенциала растительной клетки, охарактеризуйте их сущность и значение? Почему потенциал давления присущ только клеточным растворам? Объясните, почему водный потенциал обычных растворов равен их осмотическому потенциалу. Одинаковые полоски ткани корня моркови были тщательно измерены и погружены по отдельности и р-р NaCl разной концентрации. Через 1 час оказалось, что в 0,2 М растворе длина полоски осталось без изменения, в 0,3 М растворе длина полоски уменьшилась, а в 0,1 М растворе увеличилась. а) Объясните полученные результаты, исходите из соотношения величины водного потенциала и растворов. б) Вычислите величину водного потенциала клеток данного корня моркови: 8 атм. Что такое вязкость цитоплазмы у растительной клетки? Почему в старых растительных клетках хлоропласты двигаются постенно, а в молодых по всем направлениям? III вариант: 1. Для демонстрации возможного механизма устьичных движений у растений в эксперименте используют гипертонические растворы плазмолитиков 2 рода (глицерин, мочевина). Объясните, на каком основании? 2. На примере колпачкового плазмолиза докажите структурную и функциональную неоднородность поверхностных цитоплазматических мембран клеток? 3. Установлено, что за одно и тоже время 1 М раствор КNO3 вызывает у клеток выпуклый плазмолиз, а 1 М раствор Са(NО3)2– лишь вогнутый. Почему? 4. Дать физиологическое обоснование плазмолитическому методу определения вязкости цитоплазмы. Что такое время плазмолиза? 5. Существует прямая связь между вязкостью цитоплазмы и временем плазмолиза. Объясните, почему? 6. Кактусные растения способны переносить температуру до + 65 0 С. Каким свойствам цитоплазмы и каким образом это обеспечивается? 7. При осторожном прогревании препарата клеток скорость движения цитоплазмы увеличилась в 3 раза, а при сильном наблюдалась остановка движения хлоропластов. Докажите, почему? 1. Основная литература Полевой В.В. Физиология растений. – М., Высшая школа, 1989. – 464 с. 2. Медведев С.С. Физиология растений. – СПб.: Изд – во Санкт – Петербургского ун- та, 2004. – 336 с. 3. Либберт Э. Физиология растений. – М., Мир, 1976. – 581 с. 4. Якушкина Н. И. Физиология растений. – М., Просвещение, 1993. – 335 с. 5. Быков И.П. Исследовательские лабораторные работы по физиологии растений. Учебное пособие. – Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2001.-166 с. 6. Викторов Д.П. Практикум по физиологии растений. – Воронеж, ВГУ, 1991. – 160 с. 7. Гавриленко В.Ф., Гусев М.В. и др. Избранные главы физиологии растений. – М., МГУ, 1986. – 440 с. 8. Лебедев С.И. Физиология растений. – М., Колос, 1988. – 544 с. 9. Практикум по физиологии растений /Под ред. Н.Н. Третьякова. – М., Агропромиздат, 1990. – 271 с. 10. Практикум по физиологии растений /Под ред. В.Б. Иванова. М: Академия, 2001. – 136 с. 13. Шабельская Э.Ф. Физиология растений. – Минск.: Высшая школа, 1987. Дополнительная литература 1. Глебов В.В. Биохимия мембран, эндоцитоз и экзоцитоз. – М., Высшая школа, 1981. – 85 с. 2. Горышина Т.К. Экология растений. – М., Высшая школа, 1979. – 368 с. 3. Гэлстон А., Девис Г., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. – М., Мир. 1983. – 549 с. 4. Ефимов М.В. Физиология растений в криоаридном климате. – Новосибирск, Наука, 1988. – 160 с. 5. с. Кларксон. Транспорт ионов и структура растительной клетки. – М., Мир. 1978. – 321 6. Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука, 1976. – 646 с. 7. Нобел П. Физиология растительной клетки. – М., Мир, 1973. – 227 с. 8. Овчаров К.Е. Тайны зеленого растения. – М.: Наука, 1973. – 208 с. 9. Саляев Р.К. Поглощение веществ растительной клеткой. – М., Наука, 1969. – 208 с. 10. Самуилов Ф.Д. Водный обмен и состояние воды в растениях в связи с их метаболизмом и условиями среды. – Казань. : Изд – во Казанского ун – та, 1972. – 282 с. 11. Состояние воды и водный обмен у культурных растений. – М.: Наука, 1971. – 291 с. 12. Физиология сельскохозяйственных растений: в 12 томах. М.: Изд – во МГУ, 1967. Т.1. Физиология растительной клетки, фотосинтез, дыхание. – 1967. – 496 с. Литература для самостоятельной работы 1. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991. – 336 с. 2. Бухольцев А.Н. Физиология растений. Познавательные задачи. – Улан-Удэ, 1993. – 124 с. 3. Заленский О.В. Эколого-физиологические аспекты фотосинтеза. – Л.: Наука, 1977. – 57 с. 4. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология. Т. 1, 2, 3. М.: Мир, 1990. 5. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. М.: Мир, 1988. 6. П. Прейви, Р. Эверт, С. Айкхорн. Современная ботаника. Т.1,2. М.: Мир, 1990. 8. Рубин Б.А. Курс физиологии растений. – М., Высшая школа, 1976. – 685 с. Вопросы к сдаче блока № 1 "Физиология растительной клетки" 1) Что изучает физиология растений? 2) Методы физиологии растений. 3) Уникальность зеленых растений. 4) Химический состав цитоплазмы. Физические свойства цитоплазмы. 5) Строение цитоплазматической мембраны, ее роль. 6) Структуры растительной клетки и их функциональное предназначение. 7) Плазмалемма, ее свойства и значение в жизнедеятельности клетки. 8) Вакуоль и ее роль в жизнедеятельности растительной клетки. 9) Тонопласт, его строение и значение в жизнедеятельности клетки. 10) Тургор, плазмолиз, циторриз. 11) Деплазмолиз. 12) Вещества – плазмолитики (I рода, II рода, III рода). 13) Какие белки называются глобуллярными, фибриллярными? 14) Что такое ИЭТ белка? 15) Что такое проницаемость цитоплазмы? 16) Растительная клетка – как осмотическая ячейка. 17) Осмотический потенциал, водный потенциал растительной клетки. 18) Уравнение Вант – Гоффа. 19) Плазмолитический метод определения осмотического давления. 20) Что такое колпачковый плазмолиз, при каких условиях он протекает? 21) 2 пути транспорта веществ в растении. 22) Пиноцитоз, его сущность. 23) Защита лабораторных работ I блока (№ 1 – 3), II блока (№ 4, 5, 7).
