ЗАНЯТИЕ 1: Общее строение растительной клетки. Осмотические свойства растительной клетки.

Рассматривая общее строение растительной клетки в целом, необходимо отметить структурные и функциональные особенности растительной клетки.

Структурные особенности растительной клетки:

1. наличие жёсткой углеводной клеточной стенки

1. наличие вакуолей

1. наличие пластид, которые прямо (хлоропласты – фотосинтез) или косвенно связаны с фотосинтезом (лейкопласты – накопление продуктов фотосинтеза)

1. в клетках высших растений отсутствуют центриоли.

Функциональные особенности растительной клетки:

1. автотрофный тип питания,

1. рост клетки происходит за счёт растяжения (размер вакуоли увеличивается при поступлении в неё воды),

1. большой объём вторичного метаболизма, т.е. синтез алкалоидов, эфирных масел, фенольных соединений, смол, флавоноидов (первичный метаболизм – синтез нуклеиновых кислот, углеводов, белков, липидов).

Основная структурная единица растений – клетка. Клетка – открытая, саморегулирующаяся самовоспроизводящаяся открытая система. Растительная клетка в отличие от животной клетки в своём составе имеет неживые компоненты: клеточную стенку и вакуоль, которые являются производным протопласта.

Протопласт – всё живое в растительной клетке.

Цитоплазма – протопласт, лишённый двумембранных органоидов.

Гиалоплазма – коллоидная среда, в которую погружены органоиды.

Растительная клетка: клеточная стенка, протопласт, вакуоль.

Протопласт: гиалоплазма и цитоплазма с органоидами.

Органоиды: немембранные (рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты)

одномембранные (ЭПС, АГ, лизосомы, пероксисомы, сферосомы)

двумембранные (ядро, митохондрии, пластиды)

Осмотические свойства растительной клетки

Вещества поступают в клетку из внешней среды только в растворённом состоянии, в таком же состоянии вещества перемещаются из клетки в клетку. При этом растворам приходится проходить через клеточную оболочку и через плазмолемму. При поступлении растворов из цитоплазмы в вакуоль они проходят через тонопласт (мембрана, отделяющая вакуоль от цитоплазмы). Плазмолемма и тонопласт обладают свойством полупроницаемости, т.е. они способны пропускать через себя одни вещества и задерживать другие. Иначе говоря, плазмолемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью.

Прохождение растворов через такие полупроницаемые мембраны подчиняется законам осмоса. В эксперименте в качестве полупроницаемой мембраны используется стенка мочевого пузыря животных. С обеих сторон полупроницаемой мембраны будут растворы солей одинаковой концентрации, т.к. в пузыре и в сосуде, в которой помещен этот пузырь, находятся одинаковые растворы. В этом случае прохождение растворов через стенку пузыря происходить не будет.

Если в пузыре и сосуде будут находиться растворы различной концентрации, то вода из раствора более низкой концентрации будет проходить через перегородку в раствор более высокой концентрации. Это прохождение будет продолжаться до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны перегородки не станут одинаковыми.

Одновременно с прохождением воды через перегородку будет проходить и растворённое вещество, но оно будет проходить в обратном направлении и гораздо медленнее.

Таким образом, и вода и соли по законам осмоса перемещаются из области большей концентрации в область меньшей концентрации.

Если концентрация клеточного сока в вакуоле выше концентрации раствора, окружающего клетку, то вода будет поступать через оболочку клетки и плазмалемму в клетку. Если концентрация раствора, окружающего клетку выше концентрации клеточного сока в вакуоле, то вода будет поступать из клетки наружу.

Это легко проверяется в эксперименте. С чешуи лука снимаем кусочек кожицы, помещаем его на предметное стекло в каплю воды, и рассматриваем в микроскоп. Видим, что цитоплазма клетки помещается по стенкам клеточной оболочки, а центральная часть клетки занята большой вакуолью.

Заменив постепенно воду на предметном стекле 5% раствором поваренной соли, вскоре мы заметим, что цитоплазма отделится от клеточной оболочки и начнет съеживаться. Отставание цитоплазмы от оболочки может происходить местами, либо по всей оболочке одновременно. Вакуоль уменьшится в объеме. Наблюдаемое явление называется плазмолизом. Плазмолиз происходит вследствие того, что вакуоль все больше и больше отдает воду во внешнюю среду и потому уменьшается в объеме. Эластичная цитоплазма со всем содержимым сокращается до размеров небольшого шарика.

Можно вызвать обратное явление. Для этого следует в нашем эксперименте заменить таким же способом каплю крепкого раствора на предметном стекле водой. Тогда вода, согласно законам осмоса, станет поступать через цитоплазму в вакуоль, которая будет увеличиваться в объеме, растягивать цитоплазму и прижимать ее к оболочке, давя на нее изнутри. Это явление, обратное плазмолизу, называется деплазмолизмом.

Давление, развивающееся при этом внутри клетки, называется осмотическим давлением. Осмотическое давление клеточного сока эпидермиса листьев у луговых и полевых растений равняется 5-10 атм, а у пустынных растений – 60-80 и даже более чем 100 атм. Величина осмотического давления в клетках растений изменяется в зависимости от содержания в клеточном соке растворенных сахаров, солей органических кислот и других веществ.

Оболочки молодых клеток эластичны. Осмотическое давление внутри клетки воздействует на клеточную оболочку, несколько растягивает ее, придает оболочке напряженность. Напряженное состояние клеток, тканей и органов называется тургором (от латинского слова «тургоре» – быть наполненным, надутым).

Тургор придает твердость, упругость мягким клеткам и состоящим из них тканям в целом. При плазмолизе тургор снижается, клетки и ткани теряют упругость, листья и травянистые растения теряют форму, увядают.

ЗАНЯТИЕ 2: Строение растительной клетки. Строение клетки животных и грибов.

1. Первичная клеточная стенка, ее строение и функции. 2. Вторичная клеточная стенка

3. Функции клеточной стенки. 4. Роль вакуоли в растительной клетке.

5. Протопласт, его основные хим. компоненты и продукты жизнедеятельности.

6. Клеточные включения, их многообразие и значение для жизнедеятельности растения.

7. Сравнение строения растительной клетки с клетками животных и грибов (37-49;59-67)

1. Первичная клеточная стенка, её строение и функции.

Клеточная стенка – это неживой компонент растительной клетки, являющийся продуктом жизнедеятельности протопласта. Клеточная стенка граничит с окружающей средой и располагается снаружи от цитоплазматической мембраны. Клеточная стенка бывает первичной и вторичной.

Первичная клеточная стенка берёт своё начало от делящейся материнской клетки. Материнская клетка имеет свою первичную клеточную стенку, и значительная часть материнской клеточной стенки достаётся каждой из двух дочерних клеток. Достройка оставшейся части первичной клеточной стенки происходит с участием комплекса Гольжди, в диктиосомах которого синтезируются декстрины – углеводы, включающие в свой состав до 10 мономеров. Декстрины накапливаются в пузырьках, расположенных на периферии комплекса Гольжди. Затем эти пузырьки отрываются от диктиосомы и направляются к плазмалемме и достраивают первичную клеточную стенку.

При участии протопласта в стенке молодой растущей клетки происходит синтез сложных углеводов: целлюлозы, гемицеллюлоза, пектиновых веществ. Кроме того, в состав клеточной стенки входят гликопротеиды, которые выполняют функцию распознавания и защиты от инфекций.

Первичная клеточная стенка обладает рядом свойств:

1. полностью проницаема для воды и газов

2. очень эластична и способна растягиваться

3. не имеет сквозных отверстий – перфораций

Основу клеточной стенки составляют молекулы целлюлозы, или клетчатки. Молекулы целлюлозы собраны в группы, или микрофибриллы. В свою очередь микрофибриллы собираются вместе и закручиваются друг вокруг друга как пряди в канате. Каждый такой «канат», или фиброцеллюлоза, имеет прочность, равную стальной проволоке такой же толщины. В клеточной стенке фиброцеллюлозы располагаются под разными углами друг к другу. В результате формируется та или иная текстура клеточной стенки, обеспечивающая ей прочность разной степени. Пространства между нитями фиброцеллюлозы заполнены пектиновыми веществами и гемицеллюлозой, которые придают первичной клеточной стенки эластичность. Дело в том, что пектины и гемицеллюлоза могут набухать в воде, накапливая до 30% влаги, содержащейся в клеточной стенке.

Через первичную клеточную стенку из одной клетки в другую проходят плазмодесмы – тонкие тяжи цитоплазмы, покрытые плазмолеммой. Благодаря плазмодесмам соседние клетки находятся в постоянном контакте и обмениваются веществами. Плазмодесмы связывают живые клетки растения в единую систему, называемую симпласт.

Когда клетка достигает окончательных размеров, в ней начинает формироваться вторичная клеточная стенка. Эта стенка развивается не во всех клетках, да в клетках разных тканей она может иметь различную толщину.

2. Вторичная клеточная стенка

Вторичная стенка формируется в середине процесса растяжения клетки или в конце его, когда клетка перестаёт расти. Эта стенка является продуктом жизнедеятельности протопласта и откладывается между первичной клеточной стенкой и протопластом. Получается, что вторичная клеточная стенка как бы накладывается изнутри на первичную клеточную стенку. Вторичная клеточная стенка содержит больше целлюлозы, и она гораздо прочнее первичной. В клетках древесины и механической ткани вторичная клеточная стенка пропитывается лигнином (вещество фенольной природы), которое придаёт её дополнительную прочность и не проводит воду. Содержание лигнина в стенках некоторых видов клеток может достигать 30%. Процесс лигнификации (одревеснения) лишает вторичную клеточную стенку способности проводить воду, поэтому протопласт в такой клетке отмирает.

В клетках других тканей вторичная клеточная стенка пропитывается суберином (жироподобное вещество), теперь она не способна проводить воду и воздух. Суберинизация, как и лигнификация, сопровождается отмиранием протопласта. Однако суберинизация не влияет на прочность вторичной клеточной стенки, так как суберин откладывается в пробке, которая входит в состав перидермы.

У некоторых клеток на поверхности вторичной клеточной стенки откладывается кутин и воск (жироподобные вещества). Они выделяются эпидермой и предоотвращают излишнюю потерю влаги растительными клетками.

Вторичная клеточная стенка в отличие от первичной откладывается не сплошным слоем, а в виде колец, спирали, сетки. В результате на первичной клеточной стенке остаются участки незаполненные вторичной клеточной стенкой. Они способны проводить воду и поэтому называются порами. Поры – это отверстия во вторичной оболочке, где клетки разделяет лишь первичная оболочка и срединная пластинка.

Поры бывают простыми и окаймлёнными. В простых порах диаметр поры одинаков по всей длине. Диаметр окаймлённых пор шире у основания и уже к верхушке. Такое строение позволяет окаймлённым порам регулировать движение жидкости в соседние клетки. Окаймлённые поры часто встречаются у хвойных растений.

3. Функции клеточной стенки.

1. защитная (от мелких механических повреждений и патогенов)

2. поддержание формы клетки (растительная клетка по сравнению с животным растёт в 3 раза быстрее; растение не имеет специальной опорной системы, её функцию выполняет каждая клетка)

3. транспортная – первичная клеточная стенка полностью проницаема для воды и растворённых в ней веществ. Совокупность клеточных стенок, соседних образует апопласт, по которому движутся водные растворы от клетки к клетке на значительное расстояние.

1. участие в осмотических процессах и в поступлении воды (в условиях максимального насыщения клетки водой, протопласт оказывает давление на клеточную стенку; стенка оказывает противодавление (тургор), которое препятствует дальнейшему поступлению воды и разрыву протопласта).

1. клеточная стенка обладает свойствами ионообменника, т.е. способна накапливать ионы как запасной фонд, легко доступный для протопласта. После обильных дождей и после таяния снега почвенный раствор становится очень разбавленным, и растение испытывает острый дефицит ионов (К, Са, NO_3, NО_2, NН₄). Но на практике этого не наблюдается за счёт создания фонда ионов в клеточной стенке.

4. Роль вакуоли в растительной клетке.

Вакуоль – центральный компартмент взрослой клетки, занимающий 80-90% её объёма. Мембрана, отделяющая вакуоль от протопласта – тонопласт. Проницаемость тонопласта немного ниже плазмолеммы, что позволяет удерживать вещества внутри вакуоли. Внутри вакуоли располагается клеточный сок, представляющий собой слабокислый (_рН = 3-5) истинный раствор органических и минеральных веществ. В нём находятся сахара, аминокислоты, пептиды, органические кислоты, пигменты (из группы антоцианов), вещества вторичного метаболизма (алкалоиды, танниды), а также продукты жизнедеятельности клетки.

В клеточном соке могут содержаться вещества, временно выведенные из обменных процессов (алкалоиды, таннины, флавоноиды и другие вещества вторичного метаболизма)

В ряде случаев в клеточном соке могут накапливаться вещества в виде кристаллов (оксалат Са), гранул, аморфных тел (белки). При этом они инактивируются.

Функции вакуолей:

1. поддержание формы клетки. Благодаря насыщению водой в вакуоли развивается гидростатическое давление, которое обеспечивает напряжение или тургоресцентное состояние клетки

2. обеспечение роста клетки. В молодых делящихся растительных клетках вакуоли представляют систему канальцев и пузырьков (провакуоли), по мере роста клеток они увеличиваются, а затем сливаются в одну большую центральную вакуоль. Она занимает от 70 до 90 % объёма клетки, в то время как протопласт располагается в виде тонкого постенного слоя.

3. участие в осмотических процессах. Благодаря наличию растворённых осмотически активных веществ в вакуоли развивается осмотическое давление (от центра к периферии), которое обеспечивает поступление воды извне без затрат энергии.

4. накопление веществ, временно выведенных из обменных процессов протопласта. Это запасные белки, соли органических кислот, которые могут повторно использоваться клеткой.

5. регулирует водно-солевой обмен клетки.

5. Протопласт: основные химические компоненты и продукты жизнедеятельности.

Протопласт – активное живое содержимое клетки. Большую часть протопласта растительной клетки занимает цитоплазма, меньшую по массе – ядро. От вакуоли протопласт отграничен тонопластом, а от клеточной стенки – другой мембраной – плазмалеммой. В протопласте осуществляются все основные процессы клеточного метаболизма.

Протопласт представляет собой многофазную коллоидную систему, где отдельные его части могут находиться в разном физическом состоянии. Обычно это гидрозоль, где дисперсной средой является вода (90-95% протопласта), а дисперсной фазой – органические вещества. Иногда, например, в покоящихся семенах, протопласт находится в состоянии геля, но при прорастании легко переходит в состояние гидрозоля. Таким образом, гель и гидрозоль взаимообратимы.

В живой растительной клетке содержимое находится в постоянном движении (вращательном, струйном и др.) – циклозе. Основное назначение циклоза неизвестно, хотя считается, что он обеспечивает лучшую транспортировку веществ и способствует лучшему снабжению клетки кислородом.

Основными веществами, находящимися в протопласте, являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. Среди моносахаридов по характеру карбонильной группы различают альдозы (содержат альдегидную группу) и кетозы (содержат кетонную группу), а по числу углеродных атомов – триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. В природе наиболее распространены пентозы и гексозы. Моносахариды отличаются высокой реакционной способностью и нередко образуют химические соединения с самыми различными компонентами протопласта. При этом образуются сложные вещества – гликозиды. Все эти вещества образуются в самой клетке в процессе фотосинтеза.

Помимо перечисленного выше, в растительной клетке содержатся в виде солей неорганические вещества (2-6%), а также витамины, контролирующие метаболизм клетки и фитогормоны – физиологически активные вещества, регулирующие процессы роста и развития.

Продукты жизнедеятельности протопласта

Общее название этих веществ – эргастические вещества.

Они образуются непосредственно в протопласте и отчасти сохраняются в нём в растворённом виде, либо в форме включений. В значительно большем количестве эргастические вещества концентрируются вне протопласта, образуя клеточную стенку. Другая часть накапливается в клеточном соке вакуолей в виде растворов или откладывается в цитоплазме в виде разного рода включений.

Главнейшие оргастические вещества: простые белки, некоторые углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал, инулин), а также целлюлоза, запасные жиры и жироподобные вещества – всё это соединения первичного метаболизма. Продукты вторичного метаболизма – таннины, полифенольные соединения, алкалоиды, изопренпроизводные, оксалат кальция и др. Продукты вторичного метаболизма нередко образуют гликозиды, которые обладают повышенной способностью проникать через биологические мембраны.

Следует отметить, что такие продукты вторичного метаболизма как таннины, полифенольные соединения, дубильные вещества, алкалоиды используются для получения лекарственных средств.