Дидактические материалы для бинарного урока "Физиология растительной клетки"

Физиология растительной клетки

Комбинированное занятие

Специальность: 35.02.05 Агрономия

БИОЛОГИЯ

ОП.01 Ботаника и физиология растений

Тема 2.1. Физиология растительной клетки

Преподаватели: Волкова Елена Викторовна;

Лысенко Михаил Сергеевич

Лиски 2023

Теоретический блок

Лекция на тему: «Физиология растительной клетки»

1. Мембранное строение клетки – основа для осуществления физиологических процессов. Избирательная проницаемость.

   1. Строение и функции мембран.

   2. Поглощение веществ клеткой.

2. Регуляция обмена веществ и энергии в клетке. Реакция клеток и тканей на внешние воздействия.

3. Жизнеспособность семя. Методы определения жизнеспособности семян.

1. Мембранное строение клетки – основа для осуществления физиологических процессов.

1.1. Строение и функции мембран.

Основной структурной и функциональной единицей любого живого организма является клетка. В клетке и на ее поверхности протекают все физиологические процессы. Растительная клетка как клетка эукариотного организма содержит ядро и разделена на многочисленные отсеки мембранными структурами. В отличие от других эукариотов (грибов, животных) для растительных клеток характерно наличие хлоропластов, полисахаридной клеточной стенки и центральной вакуоли. \

Клетки весьма разнообразны как по размерам и по форме, так и по выполняемым ими функциям, но имеют общий план строения (рис. 1.1). В основе внутренней организации клетки лежат мембраны. Наружная мембрана цитоплазмы, граничащая с клеточной стенкой, называется плазмалеммой. На границе цитоплазмы с вакуолью также находится мембрана — тонопласт. Цитоплазма пронизана мембранами эндоплазматической сети. Мембранами окружены органеллы клетки — ядро, митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Мембраны образуют и сложную внутреннюю структуру органелл. Рибосомы — одни из немногих органелл, не имеющих мембранного строения, но для их активного функционирования необходим контакт с мембранами эндоплазматической сети. Именно мембраны лежат в основе двух основных принципов функционирования живых систем — компартментации, т. е. пространственного и структурного обособления мест протекания важнейших процессов жизнедеятельности, и взаимодействия компонентов цитоплазмы при осуществлении этих процессов. Благодаря плазмодесмам клетки контактируют друг с другом.

Мембраны представляют собой жидкокристаллические растворы глобулярных белков в липидах. Они характеризуются высокой овод- ненностью. Вода составляет примерно 30 % массы мембраны. Соотношение между белками и липидами различно в зависимости от преобладающей функции данной мембраны. Мембраны, выполняющие преимущественно защитно-изолирующие функции, содержат относительно больше липидов, чем те, которые выполняют биохимическую работу. Последние отличаются повышенным содержанием белков-ферментов. Так, внутренние мембраны митохондрий, образующие кристы, на которых происходит синтез АТФ за счет энергии окисления, содержат до 75—80 % белка и только 20—25 % липидов. Внешняя же мембрана этих органелл состоит из примерно одинакового количества белков и липидов.

В основе мембраны лежит двойной слой липидов (рис. 1.2). Липиды мембран — это водонерастворимые органические молекулы, имеющие полярные «головки» и длинные неполярные «хвосты», представленные цепями жирных кислот. В наибольшем количестве в мембранах присутствуют фосфолипиды. В их головках содержатся остаток фосфорной кислоты и различные гидрофильные замещающие группировки. За счет наличия гидрофильных и гидрофобных частей молекулы липидов вполне определенным образом ориентируются в водной среде, что обеспечивает важнейшие свойства биологических мембран и прежде всего такие, как способность к самосборке и поддержанию относительной упорядоченности. В бимолекулярном слое хвосты липидных молекул обращены друг к другу, а полярные головки остаются снаружи, образуя гидрофильные поверхности. Неполярные хвосты, представленные остатками жирных кислот, размещаются внутри мембраны, так как они отталкиваются диполями воды, составляющими основную среду цитоплазмы (рис. 1.3).

При физиологических температурах мембраны находятся в двумерном жидкокристаллическом состоянии: углеводородные остатки жирных кислот вращаются вокруг своей продольной оси. Разрозненные молекулы липидов из водной среды могут обмениваться местами с молекулами, организованными в бимолекулярный слой. При низких температурах снижается подвижность углеводородных остатков и они переходят в состояние геля. Этот фазовый переход жидкий кристалл гель имеет большое значение для функционирования мембраны.

Уже давно агрономов и физиологов интересовал вопрос, почему некоторые сельскохозяйственные культуры страдают, а иногда и гибнут при низких положительных температурах. Почему огурцы нельзя поливать холодной водой? Оказалось, что холодостойкие и нехолодостойкие растения имеют разную температуру фазового перехода. У нехолодостойких культур — тыквенных, кукурузы, сои — уже при температурах 8—12 °С происходит застудневание мембран и замедляются все процессы жизнедеятельности.

Установлено, что температура фазового перехода определяется характером углеводородных цепей. Чем больше содержится ненасыщенных жирных кислот, тем ниже температуры фазового перехода, тем более холодостойки мембраны. Показано также, что в период закаливания зимующих растений в составе липидов увеличивается содержание ненасыщенных жирных кислот, что способствует повышению устойчивости растений.

Таким образом, липиды играют важную роль в сборке биологической мембраны и поддержании ее в функционально активном состоянии.

Другой компонент мембран — белки. По расположению относительно липидного слоя их делят на периферические и интегральные (см. рис. 1.2). Ассоциированные с мембраной белки выполняют строительную, ферментативную и рецепторную функции. Интегральные белки, пронизывающие мембрану, обеспечивают транспорт веществ через мембрану.

Помимо белков и липидов в мембранах присутствует углеводный компонент — разветвленные полисахариды, а также минеральные вещества, среди которых выделяется кальций благодаря своей важной роли — стабилизации структуры мембраны.

Значение мембран трудно переоценить. Они обеспечивают пространственное отделение клетки от окружающей среды и ее внутреннюю организацию. Мембраны позволяют сохранить внутри клетки и ее отдельных органелл необходимые для функционирования условия, т. е. поддерживать гомеостаз. Вместе с тем клетка функционирует как открытая система. Через мембрану происходит поступление и выделение веществ. Контакты с внешней средой осуществляются за счет второй функции мембран — транспортной. Барьерная и транспортная функции мембран обеспечивают уникальное свойство живой клетки — избирательную проницаемость.

Мембраны выполняют также энергетическую функцию. На мембранах хлоропластов происходит преобразование энергии света в химическую энергию. Мембраны митохондрий осуществляют запасание энергии окисления веществ в макроэргических связях АТФ. Важна также и синтетическая функция мембран. Различные биосинтезы в клетке осуществляются ферментами, ассоциированными с мембранами, что обеспечивает их согласованное последовательное действие. Мембраны по праву называют носителями молекулярного порядка в клетке. Энергетическая и синтетическая функции мембран обеспечивают еще одно свойство живой клетки — способность к регуляции обмена энергии и веществ.

В мембранах расположены высокочувствительные рецепторы клетки, с помощью которых они воспринимают изменения условий окружающей среды, реагируют на действие химических, в том числе гормональных веществ. Рецепторную функцию в мембранах выполняют белки и углеводные компоненты. Как уже отмечалось, высокой чувствительностью к пониженным температурам обладают также липоиды мембран. Рецепторная функция мембран лежит в основе раздражимости — способности растений воспринимать изменения в окружающей среде. Биоэлектрическая (генерация и проведение биотоков) и интегрирующая функция мембран эндоплазматической сети позволяют передавать информацию от клетки к клетке, от органа к органу и обеспечивают функционирование организма как единого целого.

1. Поглощение веществ клеткой.

Мембранный транспорт — транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов — простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в её способности пропускать в клетку и из неё различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, то есть способности пропускать одни вещества и не пропускать другие.

Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутренняя часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10⁻², для глицерина — 10⁻⁵, для глюкозы — 10⁻⁷, а для одновалентных ионов — меньше 10⁻¹⁰.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам^[1]. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток — водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов.

Пассивный транспорт — транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией.

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос. Осмос – это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос характеризуется осмотическим давлением – давлением, которое нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.

В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот процесс называется плазмолизом. Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет. При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.

Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление – величина скорее потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях – например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.

1. Регуляция обмена веществ и энергии в клетке. Реакция клеток и тканей на внешние воздействия.

В основе специфических свойств каждой клетки, которые передаются по наследству, лежит специфика обмена веществ. Обмен веществ — это совокупность всех происходящих в организме химических процессов. Процессы обмена веществ тесно связаны с обменом энергии и складываются из катаболизма и анаболизма.

Катаболизм — ферментативное расщепление веществ, осуществляющееся преимущественно за счет реакций окисления и сопровождающееся запасанием энергии в форме АТФ.

Анаболизм — ферментативный синтез клеточных компонентов из простых предшественников с затратой энергии АТФ. Катаболизм и анаболизм протекают в клетках многоступенчато и одновременно, образующиеся промежуточные продукты носят название метаболитов, вся цепь превращений объединяется под названием промежуточного метаболизма. Например, в прорастающих семенах идут процессы гидролиза и окисления запасных веществ (углеводов, белков и др.) с запасанием энергии в виде АТФ и образованием промежуточных продуктов, которые используются как полуфабрикаты для образования конституционных веществ проростка.

В клетках одновременно происходят сотни и тысячи реакций, скорость которых регулируется биологическими катализаторами — ферментами. По химической природе ферменты делят на однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят только из белка, двухкомпонентные — из белка и простетической группы (железо, медь, цинк и др.), или кофермента. В состав кофермента часто входят витамины.

Белковая природа фермента обусловливает субстратную специфичность, т. е. способность находить субстрат действия и высокую лабильность фермента, т. е. зависимость активности от температуры, pH, ионного состава среды и др.

Трансферазы переносят функциональные группы от одних соединений на другие, например аминотрансферазы, фосфотрансферазы или киназы.

Гидролазы катализируют гидролиз, а иногда и синтез с участием воды. Эти ферменты имеют особое значение для мобилизации запасных веществ при прорастании семян. Пептидазы расщепляют белки, липазы — жиры, амилазы — крахмал.

Лиазы осуществляют присоединение или отщепление какой-либо атомной группировки по месту двойной связи.

Карбоксилазы и декарбоксилазы обеспечивают присоединение или отщепление диоксида углерода.

Изомеразы — ферменты, катализирующие превращение органических соединений в их изомеры. Это происходит вследствие внутримолекулярного перемещения отдельных атомов, радикалов или остатков фосфорной кислоты.

Лигазы, или синтетазы, ускоряют синтез органических соединений с затратой энергии АТФ.

Синтез белков-ферментов в клетке генетически предопределен и осуществляется при участии нуклеиновых кислот. Активность ферментов регулируется их химической модификацией (присоединением фосфата, жирных кислот, АМФ), агрегацией молекул, присоединением аллостерических регуляторов, изменяющих конформацию молекул белка и сродство к субстратам реакции.

Характерной особенностью живой клетки является согласованность действия ферментов, которая достигается тем, что продукты одних реакций являются субстратами для других. Кроме того, клетка имеет сложную внутреннюю организацию — компартментацию. В отдельных ее компартментах осуществляются взаимосвязанные процессы обмена веществ. Пространственная изоляция и взаимосвязь хорошо проявляются на синтезе самих белков-ферментов. Информация для этого процесса хранится в ядре, энергия поставляется митохондриями, строительный материал — аминокислоты — образуется в цитоплазме, сам процесс происходит в рибосомах, расположенных на мембранах эндоплазматической сети.

Неотъемлемым свойством всех живых систем является раздражимость — способность оптимальным образом реагировать на воздействия внешней и внутренней среды. Раздражимость позволяет клеткам приспосабливаться к среде.

Раздражителем может служить любое изменение внешней среды или внутреннего состояния организма, если оно достигает определенной пороговой величины.

По физиологическому значению раздражители делятся на адекватные и неадекватные.

Адекватные — это раздражители, к восприятию которых биологические структуры специально приспособлены и чувствительность к которым у них очень высока.

Неадекватные — это раздражители, для восприятия которых клетки или органы не имеют специальных приспособлений.

Например, свет для листа и хлоропласта — адекватный раздражитель, для корня и митохондрий неадекватный, который должен быть достаточно мощным для ответной реакции.

Материальной основой высокой чувствительности клеток к внешним воздействиям являются разнообразные слабые связи, стабилизирующие пространственную организацию молекул белков и нуклеиновых кислот, а также динамичность структуры мембран. Последовательность событий при действии раздражителя можно представить следующим образом: раздражитель — рецепторы (белки) — изменение структуры и проницаемости мембран — изменение функциональной активности.

В ответ на повреждающие действия фактора в клетке происходит денатурация белка, что значительно увеличивает светорассеяние цитоплазмы, повышает сродство к красителям. Эти признаки используются для определения жизнеспособности семян. При повреждении утрачивается избирательная проницаемость и наблюдается выход веществ из клетки. Чем сильнее повреждены мембраны, тем интенсивнее выход веществ. Например, по выходу веществ можно судить о состоянии озимых культур и земляники после перезимовки.

3.Жизнеспособность семя. Методы определения жизнеспособности семян.

Семена подсолнечника и сои при задержанном прорастании прогревают определенное время при 30°, а семена кориандра двое суток при 18—20°. Прогревание семян злаковых трав проводят в течение 8 часов: первые 4 часа при 40°, а следующие 4 часа при 50—60°. У семян всех видов люпина оболочку накалывают.
Однако определить жизнеспособность семян можно и без проращивания. Для этого применяют физиологические и биохимические методы.

Метод Нелюбова
Определение жизнеспособности семян по способности их зародышей к окрашиванию (метод Д.Н. Нелюбова). Этот метод основан на том, что живая плазма клеток непроницаема для некоторых красок, тогда как мертвая плазма легко их пропускает и окрашивается.
Анализируемые семена предварительно намачивают. Затем у них снимают оболочку или выделяют зародыш для непосредственного соприкосновения его тканей с раствором красителя. В качестве красителя используют 0,1%-ныЙ или 0,2%-ный раствор индиго-кармина (предложен Д.Н. Нелюбовым) или 0,1%-ный раствор кислого фуксина (предложен В.И. Ивановым). Семена, у которых краситель полностью окрашивает зародыши, относят к нежизнеспособным. Нежизнеспособными являются также семена, у которых интенсивно окрашен корешок или имеются интенсивно окрашенные пятна на корешке и семядолях, что свидетельствует о больших участках отмерших тканей.
Этот метод применяют для семян следующих видов растений: всех зерновых хлебов, гороха, фасоли, нута, подсолнечника, сои, клещевины, льна, кунжута, кенафа, конопли, горчицы, ляллеманции, могара, сорго, суданской травы, однолетнего и многолетнего люпинов, капусты, редиса, арбуза, дыни, тыквы, огурцов.
Заключение о жизнеспособности семян при анализе по этому методу может быть дано для разных культур через сравнительно короткое время: от 4—5 до 15—20 часов.
Метод набухания. К группе физиологических методов определения жизнеспособности семян может быть отнесен также метод набухания, используемый для семян клевера красного и люцерны посевной. Этот метод применяют для ориентировочной оценки жизнеспособности семян, хранящихся не более двух лет. Приводим его описание.
«Для определения жизнеспособности берут 4 пробы по 100 семян в каждой, помещают их в чашки Петри на фильтровальную бумагу, смоченную до полной влагоемкости слабым раствором щелочи (КОН или NaOH) концентрации 0,5%, накрывают крышками и оставляют на 45 минут при 15—25°. При истечении указанного срока семена просматривают.

Список литературы.

1. Веретенников А.В. Физиология растений/ А.В. Веретенников.-Академ. Проект, 2006.-480с. – М.: Просвещение, 2020. – 159 с.

2. Каменский А.А. Биология 10 класс:учеб для общеобразоват. Организаций: базовый уровень/ А.А. Каменский, Е. К. Касперская, В. И. Сивоглазов. – 2-е изд.

3. Родионова А.С. Ботаника: учебник для студ.учреждений сред. проф.образования/ [А.С. Родионова и др].-4-е изд., стер.-М.: Издательский центр

Приложение 1.

Раздаточный материал.

Рис. 1.1. Схема строения растительной клетки

Рис. 1.2. Современная схема строения мембраны

Рис. 1.3. Строение липидов мембран

Приложение 2

Тест « Строение и состав растительной клетки»

1. Растительная клетка является …

1. прокариотической;

2. эукариотической.

2. В клетках высших растений отсутствуют:

1. пластиды

2. вакуоли

3. центриоли

4. рибосомы

3. Запасным питательным веществом в клетках растений является:

1. крахмал

2. лигнин

3. гликоген

4. воск

4. Наследственная информация клетки хранится в:

1. цитоплазме

2. клеточной стенке

3. ядре

4. рибосоме

5. Вещество, заполняющее пространство между органеллами:

1. цитозоль

2. матрикс

3. строма

4. клеточный сок

6. Мономером белка является:

1. нуклеотид

2. аминокислоты

3. глюкоза

7. В состав ДНК не входят:

1. аденин

2. тимин

3. урацил

4. гуанин

5. рибоза

6. дезоксирибоза

8. Целлюлоза и крахмал являются:

1. моносахаридами

2. дисахаридами

3. полисахаридами

9. В состав плазматической мембраны входят:

1. белки

2. жиры

3. углеводы

4. нуклеиновые кислоты

10. Плазмалемма – это

1. мембрана, ограничивающая пластиды от цитоплазмы

2. мембрана, ограничивающая митохондрии от цитоплазмы

3. мембрана, ограничивающая цитоплазму от клеточной стенки

11.Хлоропласты выполняют функцию:

1. запасания питательных веществ

2. регуляции деления клетки

3. биосинтеза белка

4. фотосинтеза глюкозы

12. Внутренняя мембрана митохондрий образует

1. кристы

2. тилакоиды

3. граны

4. цистерны и канальцы

13. Граны образуются в

1. лейкопластах

2. хромопластах

3. хлоропластах

14. Тонопласт – это

1. мембрана, ограничивающая цитоплазму от клеточной стенки

2. мембрана, ограничивающая содержимое ядра от цитоплазмы

3. мембрана, ограничивающая вакуоль от цитоплазмы

15. Вещество, которое вызывает одревеснение клеточной стенки

1. пектин

2.кутин

3. лигнин

4.суберин

16. Какие функции характерны как для белков, так и для жиров?

1. структурная

2. ферментативная

3. регуляторная

4. энергетическая

5. защитная

6. транспортная

17. Соотнесите компоненты нуклеотидов ДНК, РНК.

18. Соотнесите органоиды растительной и животной клеток

Лабораторная работа на тему: «Определение жизнеспособности семян»

Цель работы: получить представление о жизнеспособности и доброка­чественности семян и научиться определять эти показатели.

Материалы: ГОСТ 13056.7—68, ГОСТ 13056.8—68; подготовленные к анализу семена гороха, фасоли, тыквы и пшеницы, 0,2%-м раствор индигокармина, 0,2%-й раствор фуксина кислого, белая бумага.

Оборудование: разборные доски, препаровальные иглы, скальпели, лез­вия бритвы, баночки для окрашивания семян, вогнутые часовые стекла диа­метром 5—6 см, колбы с водой, пипетки, лупы, банки для отходов

Ход работы

Принцип метода основан на свойстве живой протоплазмы не пропускать красящие вещества в клетку. У мертвой и поврежденной ткани изменяется структура протоплазмы и увеличивается ее сродство с красителями. Жизнеспособность семян гороха, фасоли, тыквы, определяется методом Нелюбова, семян пшеницы – методом Иванова.

Задание 1. Определение жизнеспособности семян гороха, фасоли, тыквы по методу Нелюбова.

Семена гороха намочить в течение 18 часов при комнатной температуре. Часть семян прокипятить.

1. Освободить подготовленные семена их от семенной оболочки и залить в стакане 0,2%-м раствором индигокармина на 2-3 часа.

2. Через установленное время краску слить, промыть семена водой и установить их жизнеспособность.

3. Семена с неокрашенными зародышами и частично окрашенными семядолями относятся к жизнеспособным.

4. Семена с полностью окрашенными зародышами и семядолями нежизнеспособны.

5. Сравнить, как выглядят живые и убитые кипячением семена.

6. Зарисовать, записать количество жизнеспособных семян.

Задание 2. Определение жизнеспособности семян пшеницы по методу Иванова.

Для определения взять семена пшеницы, замоченные на 10 часов. Часть семян убить кипячением, опыт проводить в два варианта – с живыми и мертвыми.

1. Взять по 8-10 зерновок каждого варианта, разрезать бритвой вдоль бороздки пополам.

2. Поместить семена на 15 мин в 0,2%-й раствор фуксина кислого, налитый в стаканчики.

3. Далее краску слить, семена пинцетом разместить на фильтровальную бумагу и определить у них жизнеспособность.

4. У жизнеспособных семян зародыши не окрашены или окрашен только верхний слой, который легко стирается пальцем.

5. У нежизнеспособных семян краска глубоко проникает в ткань зародыша, сильно окрашивает их.

6. При оформлении работы зарисовать жизнеспособные и мертвые семена и сделать вывод по результатам наблюдений.

Задание 3. Ответьте на вопросы.

Контрольные вопросы:

1. На каком свойстве плазматической мембраны метод окрашивания зароды­шей семян?

2. Какие методы определения жизнеспособности семян вы знаете? В чем их отличие?

3. Где и с какой целью применяются данные методы?