Фізіологія рослинної клітини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В.Г. КОРОЛЕНКА

Тема

«Фізіологія рослинної клітини»

Виконала студентка I курсу

групи П-14

Патик Анна

Полтава 2012р.

Історія вивчення клітини і клітинна теорія

Людське око дозволяє бачити предмети розміром не менше 0.1 мм., що багато разів більше діаметра більшості клітин. Тому відкриття клітини і розвиток клітинної теорії тісно пов'язані з розвитком оптики і створення мікроскопа.

Перший мікроскоп, що складався з двох чи більше лінз, було винайдено голландськими механіками братами Янсен у 1600 році. Згодом його вдосконалив англійський фізик Роберт Гук.

У 1672 році італійський біолог і лікар Марчелло Мальпігі у своїй книзі « Анатомія рослин» докладно описує мікроскопічні структури рослинних тканин. В цей же час нідерландський натураліст Антоні Ван Левенгук, використовуючи мікроскоп, спостерігав і змалював сперматозоїди, еритроцити, найпростіших та інше.

За десятки років, що пройшли після відкриття Р.Гука, величезне число дослідників використовувало мікроскопи, накопичилась велика кількість повідомлень, описів і малюнків різних типів клітин, тканин і мікроорганізмів. Однак усі вченні того часу головною частиною клітин вважали їх стінки, не приділяючи належної уваги внутрішньоклітинним структурам. Так продовжувалося аж до ХІХ століття.

Так, у 1835 р. чеський натураліст Ян Пуркіньє вперше описує ядро тваринної клітини, вводить термін «протоплазма» і стверджує, що саме вона, а не клітина стінка, є живою речовиною. В 1826 р. російський вчений Карл Бер відкриває яйцеклітину і вивчає ембріогенез, що затвердило його засновника ембріології як науки. В 1830 р. англійський ботанік Роберт Браун описує ядро рослинної клітини, вказуючи на те що ця структура є обов'язковим компонентом усіх клітин. У 1846р. німецький ботанік Гуго фон Моль дає класифікацію тканинам рослин, та розподіляє поняття «протоплазма» і «клітинний сік».

Після визначення клітинної теорії вона почала інтенсивно розвиватися й уточнюватися. Наприкінці ХІХ століття німецький медик і біолог Рудольф Вірхов довів, що клітини утворюються з інших клітин шляхом їх поділу. За короткий час (1883-1898рр.) відкрито пластиди рослинних клітин, більш глибоко вивчено клітинний поділ і описані хромосоми, виявлені мітохондрії й апарат Гольджі.

У 30-40 року ХХ сторіччя з винаходом електронного мікроскопа почалася нова ера в розвитку біології. З цього часу в цитології і фізіології рослин наступив різкий перелом - замість роздільного вивчення структури клітин і їхніх функцій вони стали розглядатися в органічній єдності, що дозволило розкрити найважливіші фізіологічні процеси, які в них протікають.

Актуальність теми: вивчення данної теми сприятиме формуванню у студентів уявлень щодо фізіолого-біохімічних процесів, що відбуваються у рослинних клітинах, а також можливості їх регуляції зовнішніми факторами та вмотивованими діями.

Поняття «клітина», її функції

Клітина - це основна структурно - функціональна одиниця живої матерії, елементарна біологічна система всіх організмів, за винятком вірусів. У клітині здійснюються всі життєві процеси : живлення, генерація енергія виділення, новоутворення її елементів, розподіл, реакція та подразнення і т.д.

Біологічні мембрани їх будови і функції

Мембрани - пограничні цитоплазматичні структури, що забезпечують діалектичну єдність розмежування і зв'язку компонентів. До мембран відносяться ультротонкі структури, що оточують протопласт (пластична мембрана, плазма лема), вакуолі (тонопласт), ядро, пластиди, мітохондрії, апарат Гольджі, ендоплазматичний ретикулум, мікротоми й інші компоненти цитоплазми

Будова мембран:

1- Ядерна мембрана, 2- ядерна пора, 3- ендоплазматична сітка, 4- мікротома, 5-перехідний міхурник, 6- везикула, 7- диктиосома, 8- тонопласт, 9- плазмолема, 10- екзоцитоз.

Найважливішими функціями мембран є :

- забезпечення діалектної єдності розмежування і зв'язки клітинних компонентів.

- здійснення обміну речовин, енергії й інформації між клітиною і навколишнім середовищем.

- на мембранах хлоропластів і мітохондрій здійснюються складні процеси біоенергетики, що забезпечують клітину енергією.

- мембрани виконують також рецепторно-регуляторну функцію : сприймаючі зовнішні і внутрішні подразнення і передаючи сигнали про них, забезпечують адаптивні відповіді клітин.

Основні компоненти мембран - ліпіди і білки. Мембрани мітохондрії відрізняються високим вмістом білків.

Мембрані білки поділяються на три групи :

1) Структурні білки, зв'язані з іншими компонентами мембран. Вони у звичайній мірі гідрофоюні, хімічно малоактивні.

2) Скорочувальні білки, що здатні в присутності АТФ змінювати густоту, в'язкість, світорозсіювання. Вважається, що вони здатні здійснювати активний транспорт речовин через мембрану.

3) Білки - ферменти, зв'язані з мембраною досить лабільно, що обумовлює зміну їх каталітичної активності в широкому діапазоні.

Хімічний склад мембран визначає їхні структурно-функціональні властивості. Особливе місце серед клітинних мембран займає плазматична мембрана. Ця периферична структура відмежує клітину від зовнішнього середовища і той же час забезпечує зв'язок з ним.

Плазмалема є структурою, що здійснює вибіркове надходження речовин у клітину. а також визначає швидкість і спрямованість їх переміщення. В 1972 році С.Сінгер і Г.Ніколсон запропонували рідинно-мозаїчну модель структури біологічних мембран. Відповідно до цієї моделі, основу мембран складає подвійний ліпідний шар, у якому присутні ліпіди трьох типів - фосфоліпіди, холестерол, і гліколіпіди. Усі вони відносяться до амфіпатичних молекул. Так, наприклад типова молекула фосфоліпіду має полярну головку основу якої складає гліцерил і два гідрофобних вуглеводневих хвости, представлені насиченими чи ненасиченими жирними кислотами. І одночасно з гліколіпідами у водному середовищі мимовільно утворюється бішар. При цьому гідрофобні хвости виявляються захованими й у контакті з водою залишаються тільки полярні головки. Взагалі, ліпідний склад внутрішнього і зовнішнього моношарів мембрани різний. У плазматичній мембрані білки складають близько 50% маси. Як правило, вони не розчинні у воді і погано розчинні в органічних розчинниках. Білки часто називають відповідно інтегральними і периферійними. Серед перших широко представлені трансмембранні білки, що пронизують мембрану наскрізь і контактують з водним середовищем по обидва боки бішару ліпідів. Інші білки лише частково занурені в мембрану чи просто примикають до неї. У цілому білки утворюють на мембрані своєрідну мозаїку, іноді вільно переміщуючись по ліпідному бішару, а іноді й утримуючись на місці. Транспорт речовин забезпечує підтримку в клітині відповідного рівня рН і певної концентрації іонів, що сприяють ефективній роботі ферментів. У результаті транспорту всі тканини організму забезпечуються поживними речовинним,що служать джерелом енергії а також будівельним матеріалом для утворення клітинних компонентів. Відомі механізми пересування речовин через мембран поділяються на дві категорії - пасивний і активний транспорт. Пасивний транспорт - це рух речовин за законами дифузії й осмосу, який не вимагає витрат енергії. Дифузія - це переміщення молекул чи іонів за градієнтом концентрації: з області з вищою в область їз нижчою концентрацією. Осмос - це дифузія води через напівпроникну мембрану з області з низькою концентрацію розчинної речовини в область із високою. Транспорт здійснюється проти електрохімічного градієнта, він сполучений зі споживанням енергії АТФ і називається активним. У більшості клітин у плазматичній мембрані діє так званий калій-натрієвий насос. Активно діючий насос бере участь в осморегуляції клітини. Внутрішній вміст клітини заряджений негативно стосовно зовнішнього середовища. Тому, відповідно до електричного градієнта, катіони прагнуть у клітину, а аніони відштовхуються. Концентрація іонів калію усередині клітини вища, ніж зовні. Для іонів натрію характерно зворотне співвідношення . Висока концентрація калію необхідна кітлинам для білкового синтезу, гліколізу, фотосинтезу й інших життєво важливих процесів.

клітина рибосома мікросома

Цитоскелет, мікротрубочки і мікрофіломенти, будова і функції

Цитоплазма являє собою основну речовину клітини: цитоплазматичний матрикс (гіалоплазму) і мережу різних мембранних компонентів. Вона має вигляд своєрідних тривимірних решіток, побудованих з тонких білкових тяжів діаметром 3-6 нм, що заповнюють усю клітину. Усі компоненти цитоплазми виявляються немов підвішеними до цієї мікротрабекулярної решітки. Разом з мікротрубочками і мікрофіламентами вона складає так називний цитоскелет клітини. Мікротрубочки - це тонкі органели діаметром 24 нм, побудовані з білка тубуліну, що сягають у довжину кількох мікрометрів. При розподілі клітини вони складають основу веретена поділу і також беруть участь у внутрішньоклітинному транспорті. Мікрофіламенти - це тонкі білкові нитки, що складаються з актино- і міозиноподібних білків. Вони утворюють рухову систему клітини при рухах цитоплазми чи деяких структур всередині неї. Цитоскелет поділяє клітку на дві фази : багату білком і багату водою, що заповнює простір між тяжами. Обидві фази мають консистенцію гелю чи золю (більш рідкий стан), що може регулюватися самою клітиною. У гіалоплазмі протікають тисячі біохімічних реакцій гліколізу, біосинтезу і розпаду цукрі, ліпідів, нуклеїнових кислот, білків, тощо.

Ядро, його будова і функції

Уперше ядро було описано і 1833 році Робертом Броуном, що знайшов його в цитоплазмі клітин тичинкових ниток традесканції. Згодом ядра були описані у всіх клітинах вищих рослин, за винятком зрілих ситоподібних трубок флоеми, у яких вони відсутні. Основні функції клітинного ядра - це збереження, передача і реалізація спадкової інформації, а також регуляція більшості процесів у клітині за допомогою гормонів і ферментів, інформація про будову яких знаходяться в ядрі. Носієм спадкової інформації, що передається в поколіннях, служить ДНК яка в основному входить до складу ядерної речовини будь - якої клітини, а також міститься й в цитоплазмі. Клітини рослин бувають одноядерними, однак у деяких нижчих рослин можуть переважати двоядерні і багатоядерні клітини. Форми і розміри ядер коливаються. Зазвичай ядра мають кулясту чи яйцеподібну форму з діаметром від 10 до 30 мм. Гаплоїдний набір за числом хромосом удвічі менший диплоїдного і типовий для генеративних клітин і гаметофіту. Диплоїдний набір складається з двох гаплоїдних наборів материнського і батьківського організмів і міститься у всіх соматичних клітинах рослин і тварин. У неоплазмі ядер різних клітин може знаходитися одне чи кілька ядерець. На відміну від цитоплазматичних органел, ядерце не має мембрани й утворюється на певних ділянках молекул ДНК - ядерцевих організаторах, на яких знаходиться велике число генів, що кодують рибосомальну РНК. Так же відбувається її синтез і з'єднання з білками при формуванні великих і малих субодиниць рибосом. Надалі субодиниці через ядерні пори залишають ядро і виходять у цитоплазму, де відбувається їх остаточна збірка у функціонально зрілі рибосоми.

Ендоплазматична сітка, будова і функції

Одним з важливих відкриттів, зроблених за допомогою електронного мікроскопа, було виявлення в 1945 р. К.Портером складної системи мембран, що пронизує цитоплазму всіх еукаріотичних клітин. Ця мережа мембран, що одержала назву ендоплазматична сітка чи ендоплазматичний ретикулум. Являє собою систему субмікроскопічних канальців, трубочок, округлих пухирців і плоских мішечків, обмежених одинарною мембраною. Внутрішній простір, який називають порожниною ЕПС, часто займає близько 10-16 % загального обсягу клітини. Мембрани ЕПС складають єдине ціле з зовнішньою ядерною мембраною, але не зв'язані з плазмалемою. У клітинах можна виділити дві функціонально різні області ЕПС : шорсткувата (гранулярна) ЕПС, мембрана якої, так само як і зовнішня мембрана ядра, усіяна рибосомами, розташованими на зверненій до цитоплазми стороні мембрани, і гладенька (гранулярна) ЕПС, позбавлена рибосом. Ці дві області значно розрізняються і за формою. У гранулярній мережі синтезуються різні білки. Вона бере участь також у міжклітинних взаємодіях через плазмодесми, зв'язуючи цитоплазми клітин у єдину систему - симпласт.

Рибосоми, будова і функції

Рибосомами називають сферичні чи грибоподібні, дуже дрібні органели діаметром близько 22 нм. Вони були вперше описані у 1953 році американським біологом Д.Е.Паладе, який довів, що рибосоми являють собою нуклеопротеїди. Кожна рибосома складається з двох субодиниць - великої і малої. Для характеристики рибосом використовують їхню властивість, як і всяких часток і молекул, осаджуватися з постійною швидкістю під дією відцентрової сили при диференційованому центрифугуванні. У клітинах вищих рослин рибосоми звичайно зв'язані з мембранами гранулярної ендоплазматичної сутки, розташовуючись безладно лінійно, а іноді у вигляді розеток чи спіралей на їх зовнішній поверхні. У різних рослинних клітинах число рибосом коливається від декількох тисяч до декількох десятків тисяч одиниць. Установлено, що на рибосомах відбувається біосинтез білка, тобто зв'язування активованих амінокислот і укладення їх у поліпептидний ланцюг відповідно до генетичної інформації, отриманої з ядра через інформаційну РНК.

Мітохондрії, будова і функції

У рослин мітохондрії були вперше виявлені в 1904 р. Ф.Мевесом в клітинах пиляків латаття. Вони являють собою округлі чи гантелеподібні тіла, розміри яких надзвичайно мінливі і значною мірою залежать від функціонального стану у клітин, осмотичного тиску і рН середовища. Мітохондрії збільшуються в гіпотонічних речовинах і зменшуються в гіпертонічних, а в кислому середовищі набувають пухирчастої форми. Товщина мітохондрії постійна (близько 1.5 мкм), у той час як довжина помітно коливається, досягаючи 7-10 мкм і більше. Мітохондрії обмежені двома мембранами. Зовнішня мембрана гладенька, а внутрішня утворює численні гребнеподібні складки - кристи. Вони істотно збільшують її поверхню, забезпечуючи площу для розміщення мультиферментиних систем. Мембрани відокремлюють від цитоплазми внутрішній вміст мітохондрій - матрикс. У матриксі містяться рибосоми і мітохондріальна ДНК, що має кільцеву будову.Сучасні методи дозволили виявляти присутність особливих «елементарних часток» на внутрішній мітохондріальній мембрані. Це ферменти АТФ - синтетази, що забезпечують сполучення фосфорилювання АДФ із реакціями в дихальному ланцюзі. В основі цих часток розташовані компоненти самого дихального ланцюга. Таким чином, основна задача мітохондрій - це синтез АТФ у результаті циклічного окислювання ди- і три карбонових кислот і аеробних реакцій електронотранспортного ланцюга дихання. У залежності від ділянки клітини, де необхідні електричні витрати, мітохондрії з течією цитоплазми переміщуються в ту чи іншу ділянку.

Пластиди, будова і функції

Перші описи пластидів були зроблені в 1676 р. Антоні ван Левенгуком, але детальні дослідження цих структур провів Шимпер в 1882 р. Система органоїдів, названих пластидами, типова для клітин рослин. Це обмежені подвійною мембраною округлі чи овальні органоїди, що містять внутрішню систему мембран. Пластиди можуть бути безбарвними чи забарвленими. Серед безбарвних розрізняють про пластиди, лейкопласти і етіопласти. Забарвлені пластиди - це хлоропласти і хромопласти. У вищих рослин усі типи пластид утворюються з пропластид, що є присутніми у клітинах меристематичних тканин. Їхня внутрішня мембрана має лише невеликі інвагінації (утягування). Якщо такі структури зберігаються в зрілих клітинах, їх називають лейкопластами. Оскільки в лейкопластах відкладаються запасні речовини, то назву вони одержують залежно від типу запасної сполуки : якщо запасається крохмаль - амінопласти, жири - олеопласти, білки - протеїнопласти. Хлоропласти - зелені пластиди рослин. У них здійснюється - фотосинтез. Це овальні тіла довжиною 5-10 мкм і 2-3 мкм у діаметрі. Внутрішня мембрана утворює безліч плоских, заповнених рідиною мішків, так званих тилакоїдів. Декілька таких телакоїдів формують купку - грану. На мембранаї тилакоїдів локалізовані зелені пігменти - хлорофіли, а також жовті і червоні - каротиноїди. На мембранах тилакоїдів відбуваються світові реакції фотосинтезу. Внутрішнє, гомогенне середовище хлоропластів називається стромою. У ній знаходяться розчинні ферменти, що здійснюють темнові реакції фотосинтезу. Присутністю каротиноїдів пояснюється забарвлення плодів томата, горобини, осіннього листя, коли хлорофіл у них руйнується і виявляється колір інших пігментів.

Мікросоми

Уперше були виявлені в 1880 р. Ганштейном. Мікросоми являють собою кулясті тіла діаметром від 0.2 до 1.5 мкм, обмежені елементарною мембраною. Первинні мікросоми утворюються за рахунок діяльності ендоплазматичної сітки. У клітинах рослин виявлені два типи мікросом, що виконують різні функції - пероксисоми і гліоксисоми. Пероксисоми численні в клітинах листків, де вони тісно зв'язані з хлоропластами. У них відбувається окислювання синтезованої в процесі фотосинтезу гліколевої кислоти з утворенням амінокислоти гліцину, яка вже в мітохондріях перетворюється в серин. Гліоксисоми з'являються при проростанні насіння, у якому запас поживаних речовин представлений здебільшого жирами. Вони містять ряд ферментів, необхідних для перетворення жирів у цукри в процесі окислювання жирних кислот і реакцій гліоксилатного циклу.

Вакуолярна система

Важливу особливість рослинних клітин мають одна чи кілька порожнин, які називають вакуолями, що відділені від навколишньої цитоплазми одинарною мембраною - тонопластом. Як правило, вакуолі займає більше 50% всього обсягу клітини. Спочатку вакуолі утворюються в молодих клітинах шляхом злиття пухирців, що відокремлюються від ендоплазматичної сітки й апарата Гольджі. Як у структурному, так і у функціональному відношеннях вони близькі до лізосом тваринних клітин. Разом з тим функції вакуоль у рослинних клітинах разюче різноманітні. Вакуолі служать для транспортування і нагромадженні поживних речовин, метаболітів і непотрібних продуктів обміну. Вакуоля може служити місцем відкладання запасних білків, цукрів. Вакуолярний сік має складний склад і включає як органічні речовини, так і мінеральні солі. Крім вуглеводів, органічних кислот, амінокислот і білків, що можуть бути удруге використані в обміні речовин, вакуолі містять феноли, таніни, алколодїи, що виводяться з обміну речовин і ізолюються від цитоплазми. Іноді у вакуолях присутні пігменти, так звані антоціани. У цю групу входять антоціани, що мають червоне, синє чи пурпурне забарвлення, і деякі близькі до них сполуки, що мають жовтий чи кремовий колір. Саме ці пігменти визначають забарвлення квітів у рожевих фіалок, жоржин та ін. Після загибелі клітин тонопласт як і всі мембрани утрачає свою вибірну проникність і вже не здатний виконувати бар'єрну роль. Одна з головних функцій вакуолі - це участь в осмотичних явищах.

Апарат Гольджі, будова і функції

Структуру, відому тепер як апарат Гольджі уперше знайшов у тваринних клітинах у 1898 р. італійський гістолог К. Гольджі. Однак у рослинних клітках існування подібних структур було достовірно встановлене в результаті робіт із застосуванням електронного мікроскопа Бюва і Портером лише в 1957 році. Апарат Гольджі. Являє собою купку сплющених мембранних мішечків, так званих цистерн, і зв'язану з ними систему пухирців, які називають пухирцями Гольджі, чи везикулами. Ряд окремих купок називають диктіосомами. Функції, які виконує апарат Гольджі, чисельні та різноманітні. З його участю здійснюються секторні процеси, регулювання вмісту води в клітині, нагромадження вуглеводів, виділення слизів та ін.. У зоні апарата Гольджі можуть здійснюватися такі метаболічні процеси, як модифікація різних білків і ліпідів, фосфорилювання, ацилування амінокислот тощо. Мембранні елементи апарата Гольджі є сполучною ланкою між мембранами ЕПС і плазмалемою.

Будова і функції клітинних стінок

Оболонку клітин, що поділяють і ростуть, називають первинною стінкою. Вона складається з целюлозних мікрофібрил, занурених у матрикс. Мікрофібрили являють собою пучки довгих тонких молекул целюлози. До складу матрикса входять полісахариди і білки, багато з яких є ферментами, що каналізують синтез речовин, які входять до складу оболонки. Клітинні стінки гідратовані - 60-70% їхньої маси звичайно складає вода. Разом з міжклітинниками вони складають так званий вільний простір - апопласт. По апопласту відбувається переміщення води і розчинених у ній речовин. У деяких клітин, наприклад, у клітин мезофілу листка, протягом усього життя зберігається тільки первинна стінка. У більшості клітин після закінчення росту на внутрішню поверхню первинної клітинної стінки відкладаються додаткові шари целюлози, унаслідок чого виникає вторинна клітинна стінка. На вторинній оболонці виділяється три шари - зовнішній, середній і внутрішній. У цих шарах кут розташування целюлозних мікрофібрил різний, що забезпечує твердість, незначну розтяжність оболонки і високу міцність усієї структури. Орієнтація мікрофібрил контролюється мікротрубочками, розташованими на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. Вторинна стінка не суцільна, а має пори, розташовані на різних ділянках. Пори сусідніх клітинних стінок завжди розташовуються одна проти одної і крізь них проходять цитоплазматичні тяжі - плазмодесми. Останні являють собою канали, що утворюються з плазма леми і з'єднують сусідні клітини. Таким чином, протопласти окремих клітин з'єднуються в єдину систему - симпласт. Зовнішні клітинні стінки епідермальних тканин деяких видів рослин можуть бути покриті кутикулою - тонкою плівкою, що складається з кутину (суміш високомолекулярних жирних кислот і їх ефірів.Епідермальні тканини можуть піддаватися ослизненню, тобто покриваються сумішшю високомолекулярних вуглеводів, білків, ферментів, і органічних кислот. Кутинізація й ослизнення захищають рослин від перегріву і надмірної втрати води.

Список використаних джерел

1. Грин Н. Биология/ Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. -

М. : Изд-во «Мир», 1990. - С. 432-438.

2. Лебедев С. И. Физиология растений / Лебедев С. И. -

М. : Изд-во «Колос», 1988. - С. 421 - 435.

3. Мусієнко М.М. Фізіологія рослин / Мусієнко М.М. -

К. : Вид-во «Фітосоціоцентр», 2001. - С. 300-317.

4. 4. Макрушин М.М. Фізіологія рослин / Макрушин М.М. - В.: Вид-во «Нова книга», 2006. - С. 156-168.

5. Полевой В.В. Физиология растений / Полевой В.В. - М. : Изд-во «Высшая школа» . 1989. - С. 388 - 401.

Размещено на Allbest.ru