МУ СРСП. Срсп 1 Новые направления цитологии, гистологии и физиологии растений Цель
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
СРСП 1 Новые направления цитологии, гистологии и физиологии растений Цель: Изучить новые направления цитологии, гистологии и физиологии растений. Задание: Аргументировано ответьте на вопросы: Современные исследования в цитологии растений; Перечислите основные направления развития физиологии растений; Расскажите о достижениях в изучении фотосинтеза; Расскажите о достижениях в области изучения пигментов; Изучение фотодыхания; Основные направления в изучении онтогенеза; Изучение корневого питания. Усовершенствование методов изоляции клеточных компонентов, использование методов аналитической и динамической биохимии применительно к задачам цитологии и гистологии (меченные радиоактивными изотопами предшественники, авторадиография, количественная цитохимия с использованием цитофотометрии, разработка цитохимических и гистохимических методик для электронной микроскопии, применение антител, меченных флуорохромами, для обнаружения под флуоресцентным микроскопом локализации индивидуальных белков; метод гибридизации на срезах и мазках радиоактивных ДНК и РНК для идентификации нуклеиновых кислот клетки и т.д.) привело к уточнению химической топографии клеток и расшифровке функционального значения и биохимической роли многих составных частей клетки. Это потребовало широкого объединения работ в области цитологии с работами по биохимии, биофизике и молекулярной биологии. Для изучения генетических функций клеток большое значение имело открытие содержания ДНК не только в ядре, но и в цитоплазматических элементах клетки - митохондриях, хлоропластах, а по некоторым данным, и в базальных тельцах. Для оценки роли ядерного и цитоплазматического генного аппарата в определении наследственных свойств клетки используется пересадка ядер и митохондрий. Гибридизация соматических клеток становится перспективным методом изучения генного состава отдельных хромосом (см. Соматических клеток генетика). Установлено, что проникновение веществ в клетку и в клеточные органоиды осуществляется с помощью особых транспортных систем, обеспечивающих проницаемость биологических мембран. К числу принципиально важных достижений современной физиологии растений относится расшифровка тонких механизмов, регулирующему влиянию которых подчинён энергетический обмен зелёного растения. Таким образом, выяснено, что фотосинтез и дыхание представляют собой две стороны единого процесса обмена веществ и энергии. Установлена роль биохимических процессов дыхания как источника промежуточных продуктов, используемых клеткой для синтеза основных структурных и физиологически активных компонентов протоплазмы. По своему значению дыхание в определённых условиях аналогично фотосинтезу, т.к. в отсутствие фотосинтеза растения могут усваивать питательные вещества только в результате окислительно-восстановительных превращений, осуществляемых при дыхании. Достигнуты успехи в раскрытии природы физико-химических и биохимических процессов, участвующих в поглощении световой энергии, преобразовании этой энергии в химическую и её запасании в форме богатых энергией, макроэргических соединений, выполняющих роль биологического "горючего". Принципиально важные успехи достигнуты при изучении строения и физико-химических свойств и путей биосинтеза фотосинтетических пигментов, их метаболизма и механизмов осуществляемых ими функций. Достижения в области изучения пигментов выразились в открытии нескольких видов фотофосфорилирования (циклическое, нециклическое, псевдоциклическое, американский учёный Д. И. Арнон и др.), расшифровке механизмов первичных этапов поглощения кванта света (советский ученый А. Н. Теренин, американские Б. Чанс, Л. Н. М. Дьюйзенс), выяснении путей биосинтеза хлорофиллов (советский исследователь Т. Н. Годнев, амереканский – Е. Рабинович и др.), раскрытии биохимических механизмов и путей темновой стадии фотосинтеза (амереканским учёный М. Калвин, австралийским М. Д. Хетч. С. Р. Слэк, советским Ю. С. Карпилов). Теоретическое значение этих исследований состоит в утверждении принципа альтернативности, взаимозаменяемости, который лежит в основе организации всех физиологических функций и регуляторных систем растительного организма. Соотношение циклического, нециклического или псевдоциклического путей фотофосфорилирования в онтогенезе зависит от внешних условий (например, освещения) и т.д. Установлено существование одно-, двух- и, возможно, даже трёхквантового механизмов фотосинтеза. Наряду с эволюционно наиболее древним анаэробным путём окислительного энергообмена (гликолиз) существуют пути аэробного окисления (цикл трикарбоновых кислот, глиоксилатный цикл, пентозофосфатный цикл). Соотношение между ними также непостоянно и зависит от вида растения и условий его развития (парциальное давление O2 в атмосфере, температура, свет). Важное событие в современной физиологии растений – открытие новой специфической функции энергообмена зелёного растения – фотодыхания, т. е. индуцируемого светом поглощения зелёной клеткой кислорода, сопровождающегося выделением CO2. С фотодыханием, по-видимому, в значительной мере связана эффективность использования растением света, чистая продуктивность фотосинтеза и общая продуктивность растения. Изучение индивидуального развития растительного организма (его онтогенеза) и природы регулирующих его факторов показало, что наряду с условиями внешней среды мощное влияние на развитие растения оказывают содержащиеся в его тканях фитогормоны – ауксины, гиббереллины, цитокинины. Открытие этих веществ дало толчок изучению с новых позиций ростовых процессов, перехода растения от вегетативной к генеративной фазе развития. Выявлена важнейшая роль в регуляции общего хода развития растений, выполняемая корневыми системами, в тканях которых осуществляется синтез гиббереллинов и цитокининов. Наряду со стимуляторами в растениях обнаружены соединения, тормозящие рост и развитие. Так, процессы прорастания семян, покой зимующих почек и т.п. регулирует ингибитор абсцизовая кислота. Выявлено также, что ряд физиологических процессов регулируется фитохромом (например, прорастание семян, удлинение и разгибание гипокотиля, образование листовых зачатков, дифференцировка первичных листьев, элементов ксилемы, устьиц и т.д.). Доказана индукция фитохромом биосинтеза ферментов, участвующих в образовании хлорофилла, формировании хлоропласта и фотосинтетического аппарата в целом. Обнаружены также др. вещества – компоненты группы фитохромов, по-видимому, регулирующие реакции фототропизма, фотопериодизма и некоторые др. Работы в этой области физиологии растений открывают принципиально новые стороны, характеризующие общерегуляторную роль света в жизнедеятельности растения. Принципиально важные факты получены в исследованиях по проблемам корневого питания растений. Изучение поглотительной деятельности корней и превращений, которым подвергаются в их тканях минеральные вещества, воспринятые ими из почвы, позволило открыть способность корневых систем осуществлять синтезы важных в физиологическом отношении соединений (аминокислот, нуклеиновых кислот, витаминов, ауксинов и др.). Установлена способность корней самостоятельно, без связи с деятельностью листьев, синтезировать хлорофилл. Таким образом, выяснена роль корневой системы как одного из регуляторов деятельности листьев и формирования аппарата фотосинтеза. В области минерального питания растений выявлены механизмы, регулирующие поглотительную деятельность корневых систем, взаимосвязи минерального питания и водообмена растений. Получены ценные факты о роли отдельных минеральных элементов в обмене веществ растения и, в частности, ряда микроэлементов, физиологическое действие которых обусловлено, прежде всего, их участием в построении многих ферментных систем. Успешно развиваются исследования в области физиологии клетки – о функциях органоидов протоплазмы, строении клеточных мембран и их роли в процессах поглощения, транспорта и выделения ионов. Большое практическое значение имеют исследования физиологической природы устойчивости растений к различного рода неблагоприятным абиотическим (высокие и низкие температуры, засуха, избыточное увлажнение, засоление и др.) и биологическим (иммунитет к болезням и вредителям-насекомым) факторам. Результаты этих исследований всё более широко используются в селекции, в разработке приёмов повышения устойчивости растений, служат основой закаливания растений. Наряду с успешным решением проблем общей физиологии растений. всё большее внимание уделяется развитию исследований по физиологии отдельных видов и сортов сельскохозяйственных растений. Связано это с тем, что урожайность растений, их способность продуктивно использовать питательные вещества, влагу, свет и прочее зависят от взаимоотношения всех функций растений на разных этапах и в различных условиях развития. Этим определяется не только теоретическая, но и практическая ценность исследования по частной физиологии растений. СРСП 2 Роль мембран цитоплазмы в поступлении веществ и воды в клетку Цель: Изучить значение клетки для биотехнологии Задание: Аргументировано ответьте на вопросы: На чем основываются биотехнологические процессы? Сравнение растительной и животной клеток; Процесс диффузии Осмос, осмотическое давление и осмотический потенциал. Тургор и тургорное давление. Возникновение плазмолиза и деплазмолиза в клетке. Сосущая силу растений. Составить и нарисовать схему нарастания сосущей силы в растении. Биотехнологические процессы основываются на функционировании клетки и изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. Именно поэтому необходимо знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять ростом и метаболизмом биологических агентов и получать целевой продукт с максимальным выходом при высокой интенсивности процесса. Таким образом, биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности. Если рассматривать клетки растений и животных, то в общих чертах их строение одинаково. Однако со строго научной точки зрения четкая граница между растительными и другими живыми существами проходит на микроскопическом уровне (рисунок 2.1). К структурным элементам, общим для животной и растительной клеток, относятся мембраны, ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, вакуоли и эндоплазматический ретикулум. Кроме того, в соответствии с современными представлениями можно выделить следующие структурные компоненты клетки: 1) мембранная система; 2) цитоплазматический матрикс; 3) клеточные органеллы; 4) клеточные включения. Мембранная система представлена клеточной цитоплазматической мембраной, эндоплазматическим ретикулумом (сетью) и аппаратом Гольджи. Клеточная мембрана Проникновение веществ в клетку осуществляется через клеточную стенку и мембраны цитоплазмы. При этом внутрь клетки проникают лишь некоторые соединения в определенных соотношениях. Значит, клетка не является непроницаемой структурой, но не является и совершенно проницаемой. Клетка обладает избирательной проницаемостью — свойством пропускать одни вещества и задерживать другие.   Рисунок 2.1 – Обобщенная структурная организация: А – животной клетки; Б – растительной клетки В двойной слой липидов встроены белки, которые пронизывают липидный слой насквозь, либо погружены в него частично. Существуют периферийные белки, покрывающие некоторые мембраны с одной или двух сторон сетью вытянутых молекул. При этом молекулы фосфолипидов и белков находятся в непрерывном движении и взаимодействии. Липидный слой определяет основные структурные особенности биологических мембран, а белки ответственны за большинство функций мембран (транспорт, передача сигналов и т.д.). В активном состоянии мембрана имеет жидкую консистенцию, которая зависит от соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (рисунок 2.2).  Рисунок 2.2 – Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны Через клеточную стенку к плазмалемме легко проходят все растворимые вещества. Они движутся через поровые каналы и по так называемому «свободному пространству», доступному для диффузии ионов и молекул. Клеточная стенка адсорбирует вещества и концентрирует их на своей поверхности, создавая запас ионов для клетки. Свойством же избирательности клетка обязана цитоплазме, которая пропускает через себя и воду, и растворимые вещества, но с разной скоростью. Ряд веществ она совсем не пропускает. Следовательно, цитоплазме обладает избирательной проницаемостью и связана главным образом с ее пограничными мембранами — плазмалеммой и тонопластом. Избирательная проницаемость является одним из специфических свойств живой материи, возникшим и закрепившимся в процессе эволюции. Пути поглощения и выделения веществ в клетке также различны для разных веществ. Возможно пассивное поступление, которое осуществляется благодаря диффузии и осмосу, и активное, происходящее с затратами энергии в результате деятельности ферментных систем переноса или пиноцитоза. Пассивное поступление веществ Частицы всех веществ обладают кинетической энергией и находятся в состоянии непрерывного движения. Скорость движения различна: наиболее подвижны молекулы газов, наименее — молекулы твердых тел, способные лишь к колебаниям около какой-то точки. В жидкости молекулы перемещаются относительно свободно. В однородном растворе столкновение молекул в процессе их хаотичного движения происходит повсюду в среднем одинаково часто, так что распределение их остается равномерным. Если же концентрация раствора различна, то удары происходят неравномерно с разных сторон, и молекулы будут двигаться туда, где свободнее, т. е. в область меньшей их концентрации, пока они не распространятся равномерно по всему доступному пространству. Это явление называется диффузией. Скорость диффузии обратно пропорциональна размерам и массе молекул. Диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом. В растительных тканях существует следующая осмотическая система: клеточный сок одной клетки — двойной слой цитоплазмы — клеточный сок другой клетки. Некоторые клетки растения находятся в непосредственном контакте с водой или водными растворами. Клеточный сок содержит растворенные вещества и является осмотически деятельным раствором. Если клеточный сок имеет более высокую концентрацию, чем окружающий раствор, то благодаря более высокому осмотическому давлению сока вода будет проникать в клетку. Увеличиваясь при этом в объеме, вакуоль будет давить на цитоплазму, прижимая ее к клеточной стенке и создавая давление. Клеточная стенка в силу своей упругости будет оказывать обратное давление на протопласт. Это противодавление клеточных стенок называется тургорным натяжением. По мере поступления воды в клетку оно возрастает. Когда будет достигнут предел растяжимости клеточной стенки, всасывание воды прекратится. Концентрация клеточного сока оказывается при этом наименьшей, тургорное натяжение максимальным, клетка имеет наибольший возможный объем. Состояние напряжения такой клетки называется тургором. Тургор является нормальным физиологическим состоянием растительной клетки. Благодаря тургору растение сохраняет свою форму, занимает определенное положение в пространстве, противостоит механическим воздействиям. Если клетку в состоянии туpгopа поместить в раствор, осмотическое давление которого выше, чем осмотическое давление клеточного сока, то вода устремится в сторону более концентрированного раствора и будет выходить из клетки. Сокращение объема вакуоли приведет к падению давления ее на цитоплазму, а цитоплазмы — на клеточные стенки. Они в силу своей эластичности станут менее растянутыми, и объем клетки уменьшится. Если объем клетки достигнет минимума, а уменьшение объема цитоплазмы будет продолжаться, то, сжимаясь, она начнет отставать от стенок и постепенно соберется в центре клетки. Наступает плазмолиз — состояние, обратное тургору. Если плазмолизированную клетку поместить в чистую воду, то тургор восстановится, произойдет деплазмолиз. Длительный и сильный плазмолиз может вызвать гибель клетки; при частичном плазмолизе растение вянет. Поступление воды в клетку, хотя и происходит на основе осмоса, лимитировано присутствием ограниченно растяжимой клеточной стенки. Вследствие этого клетка поглощает воду с силой, равной разности между осмотическим давлением клеточного сока Р и противодействием клеточной стенки, равным тургорному давлению Т; это и есть сосущая сила клетки S: S = Р – Т. Когда осмотическое давление станет равным тургорному (Р = Т), сосущая сила будет равна 0 (S = 0) и вода перестанет поступать в клетку. Рассмотрим, какие вещества проникают в клетку путем диффузии и как. Вода и малые полярные молекулы таких веществ, как метанол и другие, проникают в клетку через поры в мембраны, заполненные водой. Площадь их составляет лишь сотые доли процента поверхности клетки. Вещества, растворимые в жирах, тоже легко диффундируют в клетку через мембрану, основу которой составляют липиды. Чем лучше вещества растворяются в жироподобных средах, тем они быстрее проникают в клетку (правило Овертона, 1895). Скорость проникновения вещества возрастает с удлинением углеводородной цепи и увеличением числа гидрофобных групп в молекуле (углеводы, жирные кислоты и др.). Ионы минеральных веществ обладают невысокой проникающей способностью. Как правило, катионы проникают в клетку легче, чем анионы. Движение их происходит под влиянием разности потенциалов, которая создается, когда по одну сторону мембраны содержатся преимущественно отрицательные, а по другую — положительные ионы. Предполагается, что эти вещества, нерастворимые в жирах, проходят сквозь мембрану через своеобразные поры, заполненные белковыми молекулами, несущими электрический заряд. Разницу в скорости пассивной диффузии анионов и катионов можно объяснить, исходя из электрического заряда поры. Если заряд поры отрицателен, то это уменьшит ее эффективный диаметр для анионов и в то же время никак не будет влиять на диффузию катионов. Итак, мембрана клетки для неполярных молекул служит растворителем, для полярных — молекулярным ситом. Пассивная диффузия осуществляется по градиенту концентрации (от большей концентрации к меньшей); основой ее является перемещение веществ за счет разности концентраций в клетке и вне ее. Пассивный перенос веществ не требует затраты энергии со стороны живой клетки. Эндо- и экзоцитоз – процессы поступления и вывода различных материалов соответственно в клетку и из нее. Эндоцитоз имеет две разновидности: фагоцитоз (поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкого материала). В обоих случаях плазматическая мембрана образует выросты или выпячивания, обволакивающие вещество. Образуется пузырек, который отделяется от мембраны, попадает в цитоплазму, где мембрана пузырька разрушается и вещество переходит в протоплазму (рисунок 2.3).  Рисунок 2.3 – Схематическое изображение фаго- и пиноцитозов Активное поступление Активное поступление (перенос)— это поступление веществ через клеточную мембрану, сопровождающееся затратой энергии. Оно наблюдается при поступлении в клетку веществ против градиента концентрации, когда в клетку проникают вещества, концентрация которых в среде ниже, чем внутри клетки. Например, растительные клетки поглощают калий в сотни и даже в тысячи раз больше, чем в окружающей среде. Корневые волоски поглощают против градиента концентрации не только калий, но и кальций, магний и другие вещества. Установлен активный перенос сахаров, белков, витаминов. В выделениях корней обнаружено наличие различных органических соединений со сложной структурой и большой величиной молекул. Все это свидетельствует о том, что проницаемость есть одно из проявлений активной жизнедеятельности цитоплазмы. Механизм активного переноса очень сложен и до конца еще не установлен. Активный перенос всегда происходит с затратой энергии. Непосредственное участие в нем принимает наружная цитоплазматическая мембрана. Система переносчика. Первым шагом к поступлению в клетку веществ является их адсорбция, под которой понимают поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела. Явление адсорбции связано с особыми свойствами поверхностного слоя вещества. Благодаря сильному внутреннему притяжению поверхностный слой притягивает молекулы оказавшихся вблизи него веществ и адсорбирует их. Адсорбированные молекулы находятся в движении и могут покидать поверхностный слой. Скорость адсорбции зависит от температуры, давления и свойств веществ. Последующее движение веществ в цитоплазматической мембране может быть объяснено с помощью следующей схемы. Ионы или молекулы веществ, адсорбированных на наружной стороне мембраны, соединяются с веществами-переносчиками, находящимися в ней. Затем происходит перемещение образовавшегося комплекса — проникающее вещество + переносчик — через мембрану и освобождение проникающего вещества на внутренней поверхности мембраны. Переносчик возвращается к наружной стороне мембраны. Роль переносчиков выполняют соединения, обладающие повышенным запасом свободной энергии. На их образование и расходуется энергия активного переноса. Само же проникновение комплекса вещество + переносчик через мембрану, видимо, не требует затрат энергий. Для растительных клеток установлен пиноцитоз (буквально означает «питье клетки»), давно известный для животных клеток. Пиноцитоз — это своего рода заглатывание. В участках мембраны, где адсорбировалось поглощаемое вещество, образуется впячивание, с помощью которого вещество втягивается внутрь. Затем образовавшееся впячивание отшнуровывается, и пиноцитозный пузырек с заключенным в нем веществом перемещается в глубь цитоплазмы. После того как вещество проникнет через окружающую его мембрану или сама мембрана растворится, оно включается в обмен веществ клетки. СРСП 3 Включения цитоплазмы Цель: Ознакомиться с включениями цитоплазмы Задание: Составьте таблицу: Таблица – Включения цитоплазмы
Включения цитоплазмы - временные ее компоненты, обусловленные накоплением продуктов метаболизма клеток. Традиционно подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные. Трофические включения разделяют в зависимости от природы накапливаемого вещества. Липидные включения встречаются в виде липидных капель (особенно крупных в жировых клетках), которые располагаются в цитоплазме поотдельности или сливаются друг с другом. Их вид на электронно-микроскопических фотографиях варьирует в зависимости от способа фиксации. На гистологических препаратах они обычно имеют вид светлых ("пустых") вакуолей, так как при стандартных методах обработки ткани липиды растворяются. Липидные капли служат источником веществ, используемых в качестве энергетических субстратов; в некоторых клетках (например, продуцирующих стероидные гормоны) они могут содержать субстраты, необходимые для последующего синтеза. Из углеводных трофических включений наиболее распространены гранулы гликогена, представляющего собой полимер глюкозы. Они встречаются в виде плотных гранул диаметром 20-30 нм (/3-частиц), которые часто образуют скопления (розетки), называемые а-час-пищами. Гранулы гликогена часто расположены вблизи аЭПС и используются в качестве источника энергии. Секреторные включения обычно имеют вид мембранных пузырьков, содержащих секретируемый клеткой продукт; в мембране могут находиться ферменты, осуществляющие конечный процессинг продукта по мере перемещения пузырька к плазмолемме. Избыток невостребованного секреторного продукта поглощается и разрушается в цитоплазме клетки механизмом кринофагии. Экскреторные включения по своему строению сходны секреторными, однако они содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из клетки. Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных или экзогенных пигментов, которые могут окружаться мембраной. К наиболее распространенным эндогенным пигментам относятся гемоглобин (растворен в цитоплазме эритроцитов, переносит кислород), гемосидерин (продукт обмена гемоглобина, накапливается в макрофагах в виде мелких плотных частиц ферритина), меланин (синтезируется в пигментных клетках - меланоцитах, в которых он накапливается и химически дозревает в окруженных мембраной гранулах - меланосомах), липофусцин (пигмент старения, накапливается в виде мембранных гранул с плотным содержимым, в котором определяются липидные капли). СРСП 4 |