ОСМОТИ­ЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лекция №2. ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ.

В результате обмена веществ в растительной клетке образуются вакуоли - про­странства, заполненные раствором различных веществ - продуктов жизнедея­тельности протопласта. Этот раствор - клеточный сок. В молодых клетках клеточного сока мало и вакуоли имеют вид очень маленьких пузырьков вязкого коллоидного характера, но по мере роста клетки они разжижаются, увеличиваются, сливаются друг с другом. В конце концов в клетке образуется одна крупная вакуоль, а цитоплазма облегает ее тонким слоем и располагается постенно. Вакуоль отделена от цитоплазмы тонопластом.

Химический состав клеточного сока сильно варьирует в зависимости от вида растения. Огромное разнообразие химических веществ, выделяемых из рас­тений и обладающих лекарственными свойствами, находится в клеточном со­ке. Клеточный сок содержит 2 группы веществ: продукты первичного обмена, необходимые для жизнедеятельности растений (белки, жиры, углеводы) и ве­щества вторичного обмена (алкалоиды, гликозиды, дубильные вещества и т.д.). Клеточный сок имеет чаще кислую реакцию.

Продукты первичного обмена: углеводы (моно- и дисахариды - глюкоза, фруктоза, сахароза), белки простые растворимые, жиры в виде глицерина и жирных кислот.

Продукты вторичного обмена:

Гликозиды клеточного сока - соединения некоторых сахаров (чаще глю­козы) со спиртами, альдегидами, фенолами и другими органическими вещест­вами. При соприкосновении с воздухом под влиянием ферментов быстро рас­падаются, нередко выделяя приятный запах. Этим объясняются запахи чая, кофе, какао, табака, горчицы, ванили. К гликозидам относятся вещества: амигдалин (в семенах миндаля, абрикоса); сапонины, используемые в качестве моющих средств (мыльнянка); кумарины - в листьях донника и др.; сердеч­ные гликозиды - в листьях наперстянки.

Дубильные вещества (танины) - сложные органические безазотистые со­единения вяжущего вкуса. Обладают антисептическими свойствами, что за­щищает растения от поражения микроорганизмами. Широко распространены в растительном мире: в коре дуба 10-20%, в листьях чая 15-20%, коре ивы 9-13%, в плодах хурмы, айвы, кизила. Используются в медицине как вяжущее средство, в текстильном производстве для окраски тканей в темно-коричневый цвет, в кожевенном производстве для дубления кож.

Алкалоиды - азотистые соли органических кислот: яблочной, винной и др. нерастворимы в щелочах, растворимы в воде. Образуются во всех частях рас­тения: в корнях и листьях белладонны (атропин), в семенах и млечном соке мака - папаверин, морфин, кодеин; в листьях табака - никотин; в клубнях кар­тофеля - соланин; в мухоморе - мускарин.

Широко применяются в медицине и сельском хозяйстве; в незначительных дозах возбуждающе действуют на нервные центры, в больших - парализующе. Хинин - против малярии, стрихнин - стимулирует мышечную деятельность; ко­каин болеутоляющее средство, морфин болеутоляющее и снотворное; папаве­рин - сосудорасширяющее; никотин - используется в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. Растения, содержащие алкалоиды, ядовиты и не поеда­ются животными. В клетках, содержащих алкалоиды, не развиваются споры и зачатки микроорганизмов, растения не поражаются грибковой и бактериаль­ной флорой (защитная роль).

Клеточный сок богат различными органическими кислотами: яблочная, винная, щавелевая, лимонная, янтарная и др. Функции разнообразны: участву­ют в процессе дыхания, отчасти выполняют роль фитонцидов и антибиотиков, защищая растение от поражения грибками, вирусными, бактериальными забо­леваниями, обеспечивая вкус растений и запах за счет летучих кислот: муравь­иной, масляной, уксусной.

Широко распространены в клеточном соке вещества, родственные углеводам – пектины. Легко желатинообразующие, используются в кондитерской про­мышленности. В фармации - для приготовления ряда лекарственных форм (как эмульгатор в эмульсиях, в пилюлях - как связывающий компонент).

Содержатся в большом количестве в ягодах клюквы, корне алтея, солодко­вом корне и др.

В клеточном соке накапливаются различные красящие вещества – пигменты, специфичные для каждого вида растений. Наиболее распростра­нены антоцианы, присутствуют в виде гликозидов. В зависимости от реакций, ко­торые он претерпевает в клеточном соке с солями, дубильными веществами, кислотами, он и придает различную окраску клеточному соку. Необычайное раз­нообразие окраски цветков у растений, а также листьев связано чаще всего с антоцианами. Красные маки, красные головки клевера, голубые и синие гиацин­ты, синие васильки - все это создается антоцианом. Не следует смешивать антоциан с хлорофиллом, каротином, ксантофиллом и другими пигментами пластид. Кроме привлечения насекомых, антоциан обладает защитным дейст­вием от низких температур, вредных короткосветовых волн. Из желтых пиг­ментов в клеточном соке встречается антохлор (в цветках желтого мачка, коро­вяка, льнянки, в плодах цитрусовых).

Существенными для жизни клетки являются витамины. Эта группа ор­ганических соединений разнообразной химической природы растительного, реже животного происхождения тесно связаны с ферментами; объединены в группы, основанные на их физиологическом действии на организм. Делятся на две группы: водорастворимые (С, В) и растворимые в жирах (А, Д, Е). Наиболь­шее содержание витаминов отмечено в листьях, созревших плодах, корнях. Некоторые (Е) содержатся в зародышах семян, другие (Д) - в прорастающих семенах.

Минимальные дозы необходимы для нормальной жизнедеятельности са­мих растений (для поддержания роста, регуляции дыхания, обмена веществ и пр.).

Действие на животных и человека известно.

Для растений В₁ - на развитие корневой системы, В₂ - участвует в дыха­нии. Содержатся в кожуре и зародышах семян, в живых дрожжах, в пророст­ках пшеницы, ячменя, риса, в рисовых отрубях.

Витамин С - аскорбиновая кислота- обусловливает окислительную актив­ность ферментов и поэтому регулирует процесс дыхания.

Витамин А - образуется в печени из провитамина А, который является пиг­ментом желтого цвета - каротином - содержится в пластидах. Желтый цвет проростков растений, зерен кукурузы, моркови обеспечивается наличием про­витамина А.

Провитамин Д (эргостерин), содержится у растений, в растительных маслах, древесных опилках. Под влиянием солнечного света витамин Д образуется в ростковом слое эпидермиса, регулирует обмен каль­ция и фосфора и соотношение их в крови и костном веществе.

Витамин Е - влияет на половую сферу (содержится в неочищенном хлопко­вом масле, соевом, кукурузном маслах, в плодах цитрусовых, томатах)

Витамин РР - никотиновая кислота - в дрожжах и рисовых отрубях - вызыва­ет болезненные изменения кожи, пищеварительного тракта, нервной системы. Катализирует окислительно-восстановительные реакции, активно участвует в обмене углеводов.

Витамин К - обеспечивает свертывание крови (шпинат, люцерна, капуста, крапива).

Некоторые органы растений особенно богаты витаминами - зеленые листья, стебли, плоды ягодных, плодово-ягодных и овощных культур. Например: листья крапивы, плоды красного перца, шиповника содержат сразу несколько витаминов - А, В, С, К и другие.

Протопласт растительной клетки вырабатывает также особую группу ве­ществ, обладающих свойством усиливать физиологические процессы. Такие вещества называют фитогормонами. Установлены фитогормоны, усиливаю­щие рост, клеточное деление, половые функции.

Гормоны роста - ауксины усиливают доступ кислорода, приток питательных веществ к эмбриональным тканям и создают условия для ростовых процессов. Изучен химический состав ауксинов, сначала выделен, а затем синтезирован искусственный гетероауксин, повышающий урожайность огурцов, томатов, перцев, конопли и других технических и овощных культур.

Клетки растений также продуцируют жидкие или летучие вещества, имею­щие для клеток профилактическое значение, они задерживают рост, а иногда и убивают микроорганизмы и других паразитов. Обладают избирательным дей­ствием: угнетают одних и безвредны для других микробов. Их называют антибиотиками (у низших) и фитонцидами (у высших).

Первый антибиотик пенициллин, выделенный в 1928 г. Флеммингом из плесневого гриба Penicillum sp., произвел революцию в лечении инфекционных заболеваний во второй мировой войне. Позже были выделены стрептомицин и другие антибиотики.

Фитонциды открыты у цветковых растений Токиным Б.П. Химический со­став их разнообразен: это алкалоиды (лук, горчица), органические кислоты (щавелевая, яблочная, винная, янтарная), эфирное масло(чеснок). Фитонцидами богаты многие виды одно- и двудольных растений: тысяче­листник, полынь, черемуха, береза, лук, чеснок и др.

Поступление веществ в растительную клетку. Жизнедеятельность организма, всех органов и клеток возможна лишь при непрерывно протекающих в них процессах обмена веществ. Клетка поглощает вещества из окружающей среды и одновременно передает образующиеся в ней продукты соседним клеткам или выделяет их во внешнюю среду.

Способность протопласта к непрерывному обмену с окружающей средой не­сет черты избирательности. Из большого количества веществ, находящихся вне клетки, в нормальных условиях внутрь ее проникают лишь определенные со­единения в определенных соотношениях. Соответственно этому лишь опреде­ленные продукты жизнедеятельности выделяются клеткой в окружающую сре­ду. В явлениях поглощения и выделения веществ клеткой, большую роль иг­рают процессы диффузии и осмоса. Как известно, частицы составляющих про­топлазму веществ обладают определенной клеточной энергией, что является причиной их непрерывного движения. Передвижение диспергированного ве­щества из одной части системы в другую называется диффузией. Это не хаоти­ческое движение молекул, а направленное, характер которого определяется рядом факторов: активностью диффундируемых молекул, градиентом концентри­рованных растворов; скорость диффузии определяется величиной и массой молекул, вязкостью среды, температурой,составом и свойст­вами других соединений в растворе и др. условиями. Сложность и гетерогенность строения протоплазмы обусловливает неодинаковую скорость диффузии в различных частях одной клетки. Если диффундирующее вещество встречает на своем пути перепонку с разной проницаемостью для растворителя и растворенного вещества, передвижение веществ в такой системе становится более сложным. Являясь преградой для свободной диффузии электролитов, она обеспечивает постоянную разность концентраций между клеточным соком и окружающим клетку раствором. Проникновение жидких и растворимых веществ через полу­проницаемые перегородки получило название осмоса. Основное значение в процессе осмоса имеют явления адсорбции и десорбции. Им сопутствуют электроосмотические процессы. Осмотическое давление в клетке зависит не от коллоидов протопласта, а от растворов различных солей, сахаров, аминокис­лот в клеточном соке. Для проникновения извне каких-либо растворенных со­лей в клетку необходимо, чтобы осмотическое давление клеточного сока бы­ло выше, чем в окружающем клетку солевом растворе. Соли (электролиты) поступают в клетку не в виде молекул, а отдельными ионами, которые адсор­бируются на поверхности полупроницаемых мембран благодаря ее электрическому потенциалу. Ионы также имеют свои заряды и чем они больше, тем труднее проникновение их в клетку. Адсорбированные ионы затем десорбируются на внутреннюю стенку плазмалеммы и передаются в мезоплазму. Сорбционные процессы имеют обменный характер. Интенсивность этих явлений за­висит от дыхания клеток. Энергия, освобождаемая при ступенчатом распаде веществ, в процессе дыхания, используется в значительной степени на сорбционные функции клеток.

Если живую клетку положить в сильно разбавленный водный раствор се­литры, тотчас начинается осмотическое взаимодействие между клеточным со­ком и окружающим раствором. Клеточный сок, представляющий собой раствор разных веществ в различной концентрации, будет иметь более высокое осмо­тическое давление, чем внешний раствор и будет притягивать из него воду. Клеточный сок, увеличившись в объеме, будет давить на цитоплазму, послед­няя - на клеточную оболочку, растягивая ее во всех направлениях. Обладая уп­ругостью, оболочка окажет сопротивление давлению клеточного сока. Так как оболочка имеет ограниченную растяжимость, то сопротивление будет уве­личиваться по мере возрастания давления от прибавления воды. В известный момент эта сила сопротивления уравновесит осмотическое давление, хотя кон­центрация обеих растворов еще не будет однородной. Состояние напряжения клеточной оболочки называется тургором, а давление тургорным.

Степень тургора зависит от разности осмотического давления внутри и вне клетки и от упругости оболочки. Соединенный тургор массы клеток в организме растения создает напряжение, упругость всего растения, помогает стеблям со­хранять прямое положение, поддерживать массу листьев, противостоять ветру, бурям, ливням, ориентировать листья по отношению к свету. Словом, тургор обеспечивает нормальное физиологическое состояние растения.

Разность осмотического давления внутри и вне клетки обеспечивает сосу­щую силу клеток.

Обратное тургору явление получается, если клетку положить в крепкий раствор поваренной соли, более концентрированный, чем клеточный сок. В этом случае начнется сжатие оболочки и протопласта, но т.к. оболочка менее эла­стична, сжатие ее скоро приостановится, цитоплазма же, продолжая сокра­щаться, будет отходить от стенки клетки и примет форму комочка внутри клетки. Это явление называется плазмолизом. Плазмолиз в тканях расте­ния делает их вялыми, органы становятся дряблыми. Бывает выгнутым (протопласт округлый); вогнутый (протопласт местами не отрывается от обо­лочки, а частично втягивается внутрь); судорожный (без определенной законо­мерности).Если поместить плазмолизную клетку в чистую воду, наблюдается явление, обратное плазмолизу - деплазмолиз.

При определенных условиях при потере клеточного тургора наблюдается циторриз, когда сжимается вся клетка (с оболочкой). Наблюдается при увя­дании растений и не является следствием потери воды осмотическим путем, а результатом испарения воды.

Все химические вещества клетки в зависимости от функций можно разде­лить на три группы: конституционные, запасные, экскреторные.

Конституционные вещества участвуют в построении тела клетки: всех ее час­тей и органоидов. Это сложные (строительные) белки, из которых со­стоят мембраны, гиалоплазма, кариоплазма, рибосомы, белки – гистоны (хроматиновые нити) и т.п. Углеводы в виде полисахаридов - в состав обо­лочки; липиды(фосфолипиды) – ходят в состав мембран.

Запасные вещества бывают растворимые (экстрактивные) и нерастворимые (собственно запасные). Экстрактивные вещества: растворимые белки, угле­воды - глюкоза, сахароза, фруктоза и жиры в виде глицерина и жирных ки­слот находятся, в основном, в клеточном соке и частично в цитоплазме клеток различных тканей. Нерастворимые откладываются в запасающей ткани. Углеводы запасаются в виде крахмальных зерен, обра­зующихся из амилопластов в органах запаса (корневищах, клубнях, лукови­цах, эндосперме и т.п.). С физиологической точки зрения различают ассимиля­ционный, транзиторный и запасной крахмал. Ассимиляционный образуется в хлоропластах в процессе фотосинтеза из из­быточной глюкозы, нормализуя тем самым осмотическое давление. По пути движения от органов ассимиляции к органам запаса, глюкоза также частично превращается в крахмал (в ситовидных трубках), называемый транзиторным. Он может вновь осахариваться и продолжать движение в запасающие ткани, где откладывается в виде крахмальных зерен. Крахмальные зерна образуются из амилопластов и по строению являются сферокристаллами из тончайших радиально расположенных игл, сконцентрированных слоями вокруг так назы­ваемого центра наслоения. Сложность крахмальных зерен связана с неравно­мерным притоком крахмала днем и ночью. В зависимости от расположения центра наслоения, крахмальные зерна бывают эксцентрическими (картофель), концентрическими (горох, фасоль); простыми (пшеница, яч­мень, кукуруза), сложными (овес, гречиха), полусложными (рожь, ячмень). По форме - шаровидные, эллиптические, почковидные, многогранные, в виде берцовой кости и т.д.; по величине - мелкие (3-10 мкм у риса), крупные (70-100 мкм у картофеля). Форма и величина крахмальных зерен - диагностический признак растения.

Крахмальные зерна содержат амилозу, растворяю­щуюся в горячей воде, окрашивающуюся раствором Люголя в синий цвет и амилопектин, набухающий в горячей воде и окрашивающийся в фиолетовый цвет. Существует так называемый оберегаемый крахмал, который не использу­ется растением даже при голодании. Он откладывается в виде мелких крах­мальных зерен в клетках корневого чехлика и в эндодерме.

Запасные белки откладываются в виде аморфного или кристаллического протеина (в алейроновых зернах). Последние образуются из белковых вакуолей путем обезвоживания. При этом часть белка образует кристаллоид, другая часть - аморфное тело; а фитин (калий-кальций-натриевая соль инозитгексафосфорной кислоты) - глобоид. Алейроновые зерна могут быть 3 видов:

1) с глобоидами (семена бобовых, злаковых);

2) с глобоидом и кристаллоидом (семена льна и клещевины);

3) с кристаллами оксалата кальция (зонтичные, виноград).

При прорастании семян кристаллоиды алейроновых зерен растворяются в во­де, а сами зерна сливаются в одну центральную вакуоль. Реактив Люголя ок­рашивает алейроновые зерна в золотисто-желтый цвет.

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот (олеиновой, стеариновой, пальмитиновой). Откладываются в виде капель (иногда в олеопластах) в цитоплазме, пластидах, кариоплазме. Это наибо­лее экономичная форма запаса энергии (1г жира - 39 кДж). Окрашиваются рас­твором судана III в оранжево- розовый цвет.

Экскреторные вещества находятся в клеточном соке. Это соли органических и неорганических кислот, чаще оксалаты, образуют различной формы кристаллы: палочковидные (стиллоиды), игловид­ные (рафиды), звездчатые (друзы), мелкие одиночные (кристаллический песок). Форма кристаллов - диагностический признак.

У некоторых растений (крапивные, тутовые) образуются цистолиты - гроздевидные выросты клеточной оболочки внутрь, пропитанные карбонатом кальция или кремнеземом. Образование кристаллов необходимо в клетке для нормализа­ции осмотического давления, кислотно-щелочного равновесия; эпидерма, содержащая кристаллы - блестящая, в результате чего отражает сол­нечный свет и защищает растения от перегревания.

Заключение. Химические вещества клетки имеют определенное функциональное назна­чение, обеспечивая жизнедеятельность клетки и всего растения как целостно­го организма.

Лекция №3. ТКАНИ РАСТЕНИЙ - ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ,

Дата добавления: 2014-01-03