810

1. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Работа 1. Строение растительной клетки и ее отличие от животной клетки

Вводные пояснения. Клетка – основная структурная и функциональная единица всех живых организмов. У взрослой растительной клетки можно выделить три основные части: клеточную оболочку, протопласт и вакуоль с клеточным соком (рис. 1).

Рис. 1. Строение растительной клетки

Клеточная оболочка состоит из срединной пластинки первичной и вторичной оболочек/ Cрединная пластинка – из пектата кальция. Первичная оболочка представляет собой переплетающиеся гемицеллюлозные фибриллы, пропитан-

11

ные пектиновым веществом. Вторичная клеточная оболочка клеток, прекративших свой рост, кроме фибрилл целлюлозы, гемицеллюлозы и пектиновых веществ, нередко содержит лигнин или кутин. Клеточные оболочки имеют поры, через которые с помощью плазмодесм соседние клетки связаны друг с другом. Клеточная оболочка выполняет опорную и защитную функции. Кроме того, она играет важнейшую роль в обмене вещества клетки.

Протопласт – основное содержимое клетки. Протопласт – клетка, полностью лишенная клеточной стенки. Ему присущи все еѐ жизненные свойства. Протопласт обладает сложной высокоупорядоченной структурой, основой которой являются мембраны, разделяющие содержимое клетки на отсеки (компартменты). Мембраны определяют проницаемость клетки и ее отдельных органоидов для различных веществ. На поверхности мембран локализованы различные рецепторы, в том числе и рецепторы гормонов. На мембранах и в самих мембранах проходят важнейшие жизненные процессы (перенос электронов в дыхательной цепи, окислительное и фотосинтетическое фосфорилирование и др.). Мембраны принимают участие во всех процессах жизнедеятельности клетки.

Мембраны состоят примерно из одинакового количества белков и липидов (60 - 40%) и небольшого количества углеводов (около 10%). Среди липидов значительная доля принадлежит фосфолипидам. Мембраны имеют трехслойное строение (бутерброд) (рис. 2). Основу мембраны составляет двойной слой липидов, направленных друг к другу гидрофобными концами. С двух сторон располагаются сплошным слоем белки. До недавнего времени предполагалось, что все мембраны имеют сходную структуру (гипотеза элементарной мембраны). Однако с помощью современных методов исследования установлено, что белки мембраны

12

могут находиться внутри двойного слоя липидов. Следовательно, липидный слой не является непрерывным.

Рис. 2. Современная модель мембраны

Мембраны как бы прошиваются белковыми молекулами. Некоторые плавают внутри липидного слоя, некоторые глобулы пронизывают всю мембрану насквозь. Эти белки выполняют функции ферментов, насосов, переносчиков,

13

ионных каналов, рецепторов и т.д. Это жидкослойная мозаичная структура мембраны.

Цитоплазма – часть клетки, заключенная между плазмалеммой и ядром. В цитоплазме можно выделить три слоя: плазмалемму, мезоплазму (гиалоплазму) и тонопласт. Плазмалемма располагается на поверхности цитоплазмы, окружая и отделяя ее от клеточной оболочки. Тонопласт отделяет клеточный сок вакуоли от цитоплазмы. Как плазмалемма, так и тонопласт имеют мембранное строение. Они обеспечивают в основном избирательную проницаемость и активное поступление и выделение веществ против градиента концентрации.

Мезоплазма (гиалоплазма) – основная плазма, матрикс цитоплазмы. Это сложная недифференцированная бесцветная коллоидная часть протоплазмы. В ней локализованы все органоиды клетки. В состав гиалоплазмы входят растворимые белки, растворимые РНК, полисахариды, липиды. Через гиалоплазму идет транспортировка органических и неорганических соединений.

Ядро – самая крупная цитоплазматическая структура (10-30мк), имеет двойную мембрану с порами, через которые осуществляется обмен продуктами ядра и цитоплазмы. В ядерном соке находится ядрышко и хроматин – вещество, состоящее из нуклеиновых кислот и белка. Ядро управляет синтезом белка, физиологическими и морфологическими процессами в клетке. Функции ядра осуществляются в тесном взаимодействии с цитоплазмой посредством эндоплазматической сети – системы ограниченных мембранами полостей, пронизывающих всю цитоплазму. По эндоплазматической сети перемещаются вещества клетки.

Пластиды – это органоиды растительной клетки, хорошо видимые в световой микроскоп. Каждая пластида ограничена двумя элементарными мембранами. Пластиды разнообразны по форме, размерам, строению, функции. По окраске

14

различают: зеленые пластиды – хлоропласты, желтооранжевые и красные – хромопласты и бесцветные – лейкопласты. Обычно в клетке встречается только один из указанных трех типов пластид. Возможны взаимные превращения пластид.

Хлоропласты содержат хлорофилл и каротиноиды и осуществляют фотосинтез. Они локализованы главным образом в листьях. Хромопласты – нефотосинтезирующие окрашенные пластиды, содержащие в основном красный, оранжевые и желтые пигменты (каротиноиды). Больше всего они содержатся в плодах (например, томат, красный перец, морковь и т.д.) и в цветках, где их яркая окраска привлекает птиц, насекомых и других животных, при посредстве которых совершается опыление растений и распространение семян.

Лейкопласты – бесцветные пластиды, не содержащие пигментов. Они приспособлены для хранения запасов питательных веществ, и поэтому их особенно много в корнях, семенах и молодых листьях. В зависимости от природы накапливаемых запасных веществ различают следующие группы лейкопластов: амилопласты – запасается крахмал; липидопласты – масло, жир (семена подсолнечника и др.); протеинопласты – белки.

Вакуоль – это полость в цитоплазме взрослой клетки, ограниченная тонопластом. Вакуоль заполнена концентрированным раствором органических и неорганических веществ: фосфаты, оксалаты, сахара, аминокислоты, белки. Она также содержит конечные или токсичные вещества обмена веществ (таннины, гликозиды, алкалоиды), некоторые пигменты (например, антоцианы). В молодой клетке нет вакуолей, и клеточный сок сосредоточен в системе канальцев и пузырьков; по мере роста и дифференцировки клетки они увеличиваются и сливаются в одну большую центральную вакуоль, занимающую 75-95% объема зрелой клетки.

15

Основные функции вакуоли – регуляция водно-солевого обмена, поддерживание тургорного давления в клетке, накопление низкомолекулярных растворимых в воде метаболитов, запасных веществ и выведение из обмена токсических веществ.

Цель работы. Ознакомиться со строением растительной клетки, ролью органоидов в ее жизнедеятельности и отличием от животной клетки.

Материалы и оборудование: синий лук; препароваль-

ные иглы; покровные и предметные стекла; вода; микроскоп; полоски фильтровальной бумаги; стеклянные палочки.

Ход работы. Приготовить срез эпидермиса чешуи лука, положить его на предметное стекло в каплю воды, накрыть покровным стеклом, препарат рассмотреть сначала при малом, а потом – при большом увеличении. Зарисовать несколько клеток эпидермиса чешуи лука.

Затем приготовить препарат эпидермиса листа элодеи. Зарисовать 1-2 клетки листа элодеи. На рисунках обозначить клеточную оболочку, вакуоль с клеточным соком, плазмалемму, тонопласт, ядро и пластиды. На основе наблюдений и сравнения растительной клетки со строением животной клетки (по таблице) сделать вывод о структурных отличиях растительной клетки от клетки животной.

Вопросы для самоконтроля

1.В чем проявляется структурное сходство между растительной и животной клеткой?

2.Какие различия в функциях растительной и животной клеток соответствуют их структурным различиям?

3.Какие экспериментальные гипотезы 20 века наиболее способствовали расширению наших представлений о структуре и функциях клетки?

4.Перечислите общие особенности строения и общие свойства мембран клетки.

5.Укажите различия между плазмалеммой и тонопластом. Как связаны эти различия с их функциями?

6.У хлоропластов и митохондрий, помимо наружной мембраны, имеется еще и внутренняя. В чем заключаются функции этих внутренних мембран?

16

7.Опишите основные процессы, протекающие в каждой из органелл клетки зеленого листа.

8.Как формируется структура клеточной оболочки и какова ее функция?

Работа 2. Диффузия и осмос.

Получение искусственной “клеточки” Траубе

Вводные пояснения. Важную роль в поступлении воды в клетку играют диффузия и осмос. Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации веществ путем свободного перемещения частиц одного вещества в другом. Она обусловлена тепловым движением частиц растворенного вещества и растворителя. Диффузия всегда направлена по градиенту концентрации, т.е. от большей концентрации к меньшей, а также от большего химического потенциала к меньшему, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией.

Диффузия осложняется, если раствор и растворитель или два раствора разной концентрации разделены полупроницаемой перепонкой, проницаемой для молекул растворителя и непроницаемой для молекул растворенного вещества. Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Полупроницаемая перепонка, раствор и растворитель (или раствор высокой концентрации и раствор низкой концентрации) составляют осмотическую систему.

Чистая вода имеет наибольший химический потенциал, большую свободную энергию, что позволяет ей совершать работу: диффундировать, испаряться или поглощаться. Растворенные вещества снижают активность молекул воды в растворах.

При объяснении осмотических явлений исходят из представления о неодинаковой концентрации воды по обе стороны перепонки в осмотической системе. Наиболее кон-

17

центрированная вода – чистая вода: всякое прибавление к ней какого-либо растворенного вещества делает воду менее концентрированной. А так как вода свободно проходит через перепонку, то происходит ее диффузия в соответствии с градиентом концентрации, то есть из чистой воды в раствор, при том с тем большей силой, чем больше разность концентрации.

Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему, в которой полупроницаемой перепонкой является цитоплазма, отделяющая клеточный сок от наружного раствора. Цитоплазма через себя легко пропускает воду и задерживает растворенные в ней вещества.

Грубой моделью растительной клетки является так называемая ―клеточка‖ Траубе, на примере которой можно получить основные представления об осмотических свойствах растительной клетки.

Растительная клетка может осуществлять три вида осмоса: эндоосмос, когда вода из раствора с меньшей концентрацией (гипотонический раствор) проникает внутрь клетки; экзосмос – выход воды из клетки в окружающий еѐ раствор, имеющий большую концентрацию (гипертонический) по сравнению с клеточным соком; изоосмос, когда клеточный сок и наружный раствор имеют одинаковую концентрацию (изотонические растворы), и движения воды не происходит.

Цель работы. Рассмотреть растительную клетку как осмотическую систему. Выяснить роль диффузии и осмоса в поступлении воды в клетку на примере «клеточки» Траубе.

Ход работы. В пробирку наливают 4-5 мл раствора медного купороса. Затем опускают в него 2-3 крупных кристалла желтой кровяной соли. На поверхности кристалликов быстро образуются полупроницаемые пленочки (перепонки) железистосинеродистой меди. Реакция идет по уравнению:

K4 [Fe(CN)6] + 2 CuSO4 = Cu2 [Fe(CN)6] + 2K2SO4

Перепонка проницаема для воды, но непроницаема для солей. Концентрация желтой кровяной соли внутри перепонки

18

очень высока, концентрация же раствора медного купороса снаружи перепонки ниже, чем концентрация желтой кровяной соли внутри неѐ, поэтому вода поступает внутрь перепонки (эндоосмос). Образуется мешочек, называемый ―клеточкой‖ Траубе. Увеличение ―клеточки‖ в объеме идет до тех пор, пока пленочка сильно не увеличится и не лопнет. На месте разрыва медный купорос взаимодействует с желтой кровяной солью и снова образует полупроницаемую перепонку из железистосинеродистой меди. Процесс образования ―клеточек‖ будет проходить до тех пор, пока концентрации K4[Fe(CN)6] и CuSO4, разделенных полупроницаемой перепонкой, не сравняются.

Затем в раствор медного купороса осторожно добавляют кристаллики NaCl. По мере растворения NaCI концентрация раствора снаружи ―клеточки‖ Траубе становится выше, чем внутри неѐ. В результате вода начнет поступать из ―клеточки‖ в окружающий раствор. Искусственная ―клеточка‖ уменьшается в объеме и сморщивается.

Задание. Сделать два рисунка: растущую и сжавшуюся ―клеточки‖ Траубе. На рисунках указать концентрацию растворов и направление движения воды.

Вопросы для самоконтроля

1.Какое явление называется диффузией?

2.Чем обусловлена диффузия, и какое направление она имеет?

3.Что называют осмосом? Какие виды осмоса может осуществлять растительная клетка?

4.Как вы объясните снижение активности молекул воды в растворах?

5.Что составляет осмотическую систему?

6.На примере «клеточки» Траубе объясните наличие явлений диффузии и осмоса.

Работа 3. Явление плазмолиза и деплазмолиза

Вводные пояснения. Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему, в которой роль одного раствора играет клеточный сок, а роль полупроницае-

19

мой перепонки – протопласт с еѐ цитоплазматическими мембранами. Свойства ограничивающих клетку перепонок определяют законы проникновения внутрь клетки воды и питательных веществ. Клеточная оболочка представляет собой мелкопористое образование. Она лишь несколько задерживает диффузию воды и растворенных в ней веществ. Плазмалемма – наружный слой цитоплазмы, и особенно тонопласт отграничивающий протоплазму от находящегося внутри неѐ клеточного сока вакуоли, по своим осмотическим свойствам приближаются к полупроницаемым перепонкам. Эти перепонки легко пропускают воду и не пропускают растворенные в ней вещества, поэтому сквозь них не происходит экзоосмос (выход растворенных веществ наружу). Благодаря наличию концентрированного клеточного сока и полупроницаемой цитоплазмы клетка в растворах ведет себя как осмотическая система.

вода из нее выходит наружу. При этом объем клеточного сока уменьшается, вакуоль сжимается и тянет за собой протоплазму. Протопласт отстает от клеточной оболочки.

20