Хохотушка. Лекция 1. Физиология растений
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
«Физиология растений» Заведующий кафедрой БФК доктор биологических наук, профессор Епринцев Александр Трофимович Кафедра биохимии и физиологии клетки 1. Лекции (проф. Епринцев А.Т.). 2. Лабораторные занятия (асс. Хожаинова Галина Николаевна, асс. Федорина Ольга Сергеевна). 3. Экспериментально-полевая практика (асс. Хожаинова Г.Н., асс. Федорина О.С., доц. Фалалеева М.И.). 4. Экзамен (проф. Епринцев А.Т.). Форма занятий Учебники и учебные пособия: 1. Под ред. Ермакова И.П. «Физиология растений». М. МГУ. 2007. 2. Медведев С.С. Физиология растений. С.-Петербург. 2004. 3. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М. - 2011. 4. Полевой В.В. Физиология растений. М. Высшая школа. - 1989. 5. Якушкина Н.И. Физиология растений. Москва. 2005. 6. Либберт Э. Физиология растений. Москва. - 1979. 7. Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. Москва. Мир. - 1983. 8. Епринцев А.Т., Федорин Д.Н. Фотосинтез в схемах. Воронеж. Изд-во ВГУ. - 2009. Цель и задачи Цель физиологии растений - исследование функционирования растительных организмов. Задачи Выяснение физико-химической сущности физиологических процессов. Роль и значение отдельных процессов. Исследование взаимосвязи физиологических процессов. Экологическая физиология растений. Разработка приемов управления процессами жизнедеятельности. Методология Наблюдение – исследование осуществляется без вмешательства человека в процессы жизнедеятельности растения. Эксперимент – изучение процессов растительного организма с вмешательством ученого в их естественный ход. Эксперимент Полевой (изучение интенсивности дыхания в биоценозе без нарушения функционирования организма). Вегетационный (исследование процесса в растении, находящемся в контролируемых условиях среды). Вегетационный домик, фитотрон. Лабораторный эксперимент (растение подвергается резкому вмешательству со стороны исследователя). Центрифугирование, электрофорез, радиоизотопный метод и др. Перспективы физиологии растений Фундаментальная наука Выяснение физико-химической сущности физиологических процессов. Создание банка наследственной информации (исчезает ежедневно один вид растений). Изучение биосферных потоков Н√, С, N, P и других биогенных элементов. Перспективы физиологии растений Прикладная наука 1. Теоретическая основа растениеводства. Оптимизация условий выращивания растений. «Зеленая революция» - 80 ц/га. 2. Промышленная фитотроника (1 га пашни кормит 1 человека, при фитотронике 10 кв.м. почвы обеспечивают 1 человека). Перспективы физиологии растений 3. «Растение в пробирке» - культуры тканей, органов, клеток решают следующие проблемы: получение полезных для человека веществ; микроклонирование безвирусных культур. 1 апикальная точка листа позволит культивировать 10 тыс. растений; Материал для генной инженерии. Фотосинтез Свет СО2 + Н2О → [СН2О] + О2 Фотосинтез – процесс трансформации электромагнитной энергии в стабильную форму энергии химических связей органических веществ, которые образуются из СО2 и воды; при этом выделяется кислород. История
Я. Ингенгаус (Швейцария), Н. Соссюр (Швейцария), Ж. Сенебье (Франция), Р. Пфеффер (Германия), К.А. Тимирязев (Россия). Химическая сущность – перестройка бедных связей (С-О, Н-О). В результате появляются связи С-С, С-Н, богатые энергией. Физическая сущность – высокая энергия нового типа связей обусловлена поднятием электронов на более высокий энергетический уровень, благодаря квантам света. Значение фотосинтеза 1. Синтез и накопление органической массы биосферы. Для синтеза орг.веществ затрачивается 200 млрд.тонн СО2 и 145 млрд.тонн кислорода ежегодно. При этом ежегодно образуется 155 млрд.тонн или 95% от их общего количества на Земле. Растения являются продуцентами всех живых организмов биосферы. Значение фотосинтеза 2. «Космическая роль» фотосинтеза – Тимирязев К.А. Зеленые растения превращают энергию солнца в химическую энергию органических веществ, то есть делают доступной энергию, поступающую из космоса (солнце), для жизнедеятельности всех организмов биосферы. Значение фотосинтеза 3. Создание кислородной атмосферы Земли. Первоначально в атмосфере Земли кислорода было очень мало. Сейчас его содержание - 21 %. Этот кислород (99,9 %) является продуктом фотосинтеза. Ежегодно в процессе фотосинтеза образуется примерно 120 млрд.тонн кислорода. Возникло аэробное дыхание. Значение фотосинтеза 4. Обеспечение постоянства содержания СО2 в воздухе. Связывание СО2 фотосинтезом компенсирует его выделение при дыхании, брожении, извержении вулканов, деятельности человечества. В атмосфере в настоящее время углекислый газ составляет чуть больше 0,03%. В последнее время из-за возрастающего сжигания горючих ископаемых, а также из-за вырубки лесов и разложения гумуса содержание СО2 увеличивается ежегодно на 0,23 %. Механизм парникового эффекта Значение фотосинтеза 5. Озоновый экран. Озон (О3) образуется в результате фотодиссоциации молекул кислорода под действием солнечной радиации на высоте около 25 км. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей (240-290 нм), губительных для всего живого. Существует опасность разрушения озонового экрана промышленными и другими отходами. Жизнь вышла из воды на сушу. Фотосинтетический аппарат Пластиды Хлоропласты Лейкопласты Хромопласты (зеленые) (бесцветные) (оранжевые) Амилопласты Протеопласты Олеопласты Строение хлоропласта 1 – Наружная мембрана хлоропласта; 2 – Внутренняя мембрана; 3 – Строма хлоропласта (матрикс); 4 – Тилакоид граны; 5 – Тилакоид стромы; 6 – Грана Химический состав Белки - 35-50%. Липиды - 20-30%. Углеводы - 10%. Нуклеиновые кислоты - 2-3%. Пигменты - 9%. Минеральные вещества - 80% от всех в растительной клетке. Взаимопревращение пластид Происхождение хлоропластов Гипотеза эндосимбиотического происхождения (Мережковский К.С., Фаминцин А.С., Козо-Полянский Б.М., Маргулис Л.). На заре эволюции (2-3 млрд. лет назад) цианобактерия проникла в эукариотическую клетку. Возник взаимовыгодный симбиоз. 1. Кольцевая ДНК в хлоропластах аналогичная ДНК цианобактерий. 2. В ДНК хлоропластов отсутствует 5-метил-цитозин. 3. ДНК хлоропластов не связывается с гистонами (основные белки), то есть не формируется хромосомная структура. 4. В хлоропластах функционируют рибосомы-70S-типа, в цитоплазме – 80S. 5. Биохимический состав внутренней мембраны гомологичен мембране цианобактерий. 6. Экспериментально подтверждено захватывание хлоропластов изолированными животными клетками. Пигменты фотосинтеза Классификация пигментов 1. Тетрапирролы. а) Циклические (хлорофилл а, хл.b, хл.с, хл.d и т.д.). в) Линейные (фикобилины). 2. Каротиноиды - изопреноиды. 3. Флавоноиды – антоцианы, флавоны, локализованы в вакуоли. В фотосинтезе не участвуют. Хлорофилл Химическое строение хлорофилла стало известным в 1961 году. Комплексное: Мg-соль, 1,3,5,8-тетраметан, 2-винил, 4-этил, 9-оксо, 10-карбометоксифорбин, 7-фитиловый эфир пропионовой кислоты. С20Н39 Фитол Порфирин Пространственная организация 1. Порфириновое ядро – 10 х 10 нм. 2. Фитол - 20 нм. 3. Магний – 2,4 нм (стабильность молекулы). 4. Конъюгированная система связей - 9 двойных связей (поглощение света и его трансформация). Физико-химические свойства Спектр поглощения. Флюоресценция (красная). Растворимость. Реакция омыления. Феофитин. См. лабораторные занятия. Нативное состояние В живой клетке молекулы хлорофилла образуют ассоциаты, состоящие из нескольких десятков или сотен пигментов. Это светособирающие комплексы (ССК). Передают поглощенную энергию на пигмент-ловушку. Фикобилины Фикобилины - красные и синие пигменты, содержащиеся только у одной группы эубактерий - цианобактерий. Фикобилины обеспечивают в клетках цианобактерий поглощение света в области 450 - 700 нм и с высокой эффективностью (больше 90%) передают поглощенный свет на хлорофилл. Фикобилины 1. Фикоэритрины имеют красный цвет с максимумом поглощения 498-568 нм (красные водоросли). 2. Фикоцианины – сине-голубые с максимумом поглощения 585-630 нм (сине-зеленые водоросли). 3. Аллофикоцианины – синий цвет с максимумом поглощения 585-650 нм (сине-зеленые водоросли). Функции фикобилинов Дополнительный пигмент для поглощения недоступных для хлорофилла участков спектра. Обеспечивают хроматическую комплиментарную адаптацию водорослей к условиям освещения. Участие в окислительно-восстановительных реакциях. Каротиноиды Широко распространены в природе, известно более 400 каротиноидов. β-каротин (С40Н56) – 40-45% от всех каротиноидов. α-каротин Лютеин – кислородсодержащий каротиноид. Зеаксантин и виолаксантин. Функции каротиноидов Дополнительный пигмент, поглощающий сине-фиолетовую часть спектра (450-480 нм). Защитная. Мутанты кукурузы, лишенные каротиноидов, погибают в обычных условиях освещения. Кислородный обмен. Участвуют в виолаксантиновом цикле. Играют важную роль в половом процессе, накапливаются в пыльце. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ |