НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Агрономический факультет
Кафедра ботаники и ландшафтной архитектуры
Контрольная работа по физиологии и биохимии растений
Выполнила: студентка группы 1210(б)
Иванова Светлана
Проверила:
Дымина Елена Владимировна
Новосибирск 2017
1. Клетка как осмотическая система
Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы, а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что цитоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется на клетке с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между цитоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором. Явление отставания цитоплазмы от клеточной оболочки получило название плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (от своего большего химического потенциала к меньшему), тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние -- тургор.
Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и цитоплазма сохранила полупроницаемость. В мертвых клетках мембрана не обладает полупроницаемостью, не контролирует потоки веществ, и осмотический выход воды не происходит. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости цитоплазмы. Явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического потенциала в клетке (плазмолитический метод). Этот метод основан на подборе изоосмотического, или изотонического раствора, т. е. имеющего осмотический потенциал, равный осмотическому потенциалу клеточного сока. Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал, примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно вычислить его осмотический потенциал, следовательно, осмотический потенциал клетки.
Величина осмотического потенциала позволяет судить о максимальной способности растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на иссушающее действие атмосферы. Осмотический потенциал колеблется в широких пределах, от --5 до --200 бар. Осмотический потенциал около --1 бара наблюдается у водных растений. У большинства растений средней полосы осмотический потенциал колеблется от --5 до --30 бар. Вместе с тем необходимо отметить, что факторы, действующие на изменение осмотического потенциала, чрезвычайно разнообразны. Даже соседние, рядом расположенные клетки могут отличаться по величине осмотического потенциала. Обычно отрицательная величина осмотического потенциала больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Установлены определенные градиенты осмотического потенциала в пределах одной ткани. Так, в тканях стебля отрицательный осмотический потенциал возрастает от периферии к центру и от основания к верхушке. В корне отрицательный осмотический потенциал, наоборот, постепенно снижается от основания к верхушке. В проводящих элементах стебля и корня, как правило, отрицательная величина осмотического потенциала очень низка (от --1 до --1,5 бара). В листьях осмотический потенциал колеблется от -10 до -18 бар. Осмотический потенциал различен у разных жизненных форм. У древесных пород он более отрицателен, чем у кустарников, а у кустарников более отрицателен, чем у травянистых растении. Разные экологические группы различаются по величине осмотического потенциала. У растений пустынь осмотический потенциал более отрицателен, чем у степных растений; у степных более отрицателен, чем у луговых. Еще меньше осмотическая концентрация у растений болотных и водных местообитаний (соответственно наименее отрицательный осмотический потенциал). У светолюбивых растений осмотический потенциал более отрицательный, чем у теневыносливых. На величину осмотического потенциала влияет концентрация растворенных веществ в клеточном соке -- это осмотически активные вещества (органические кислоты, соли, аминокислоты, сахара). Растение в определенной степени регулирует величину осмотического потенциала. Ферментативное превращение сложных нерастворимых веществ в растворимые (крахмала в сахара, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточного сока и повышению отрицательной величины осмотического потенциала. Увеличенное накопление растворимых солей также делает более отрицательным осмотический потенциал. Несмотря на то, что осмотический потенциал меняется в зависимости от внешних условий, все же для каждого вида эти изменения происходят в своих определенных пределах. Величину осмотического потенциала многие физиологи считают одной из характеристик данного вида растений.
2. Электрон-транспортная цепь митохондрий
Электрон-транспортная цепь локализована на внутренней мембране митохондрий и служит для переноса электронов от восстановленных субстратов на O2 . Процесс переноса электронов (т. е. окисление субстратов) сопровождается созданием на внутренней мембране митохондрий электрохимического градиента протонов (H), энергия которого трансформируется в энергию макроэргической связи АТФ.
Переносчики электрона сгруппированы в митохондриальной мембране в четыре мембранных комплекса:
Комплекс I, или НАДН-дегидрогеназа (НАДН: убихинон оксидоредуктаза), состоит из гидрофобного компонента, встроенного в мембрану, и гидрофильной части. Электронно-микроскопические снимки показали, что комплекс имеет форму, похожую на башмак, который своей "подошвой" встроен в мембрану. Этот крупный комплекс с молекулярной массой 600--900 кДж включает до 40 белковых субъединиц. В качестве редокс-центра функционируют ФМН и несколько белков (N-1, N-2,N-3, N-4), содержащих железосерные кластеры. В составе белков N-1 имеются FeS2 2-кластеры, а в белках N-2 и N-3 содержатся FeS4 4-кластеры. В гидрофобной части комплекса имеется сайт (сайты) для связывания убихинона.
Комплекс II, или сукцинат-дегидрогеназа (сукцинат-коэнзим Q редуктаза), состоит из 4-х крупных полипептидов - двух гидрофильных, проявляющих сукцинат-дегидрогеназную активность (A,B), и двух трансмембранных гидрофобных (C,D). Редокс-центрами комплекса являются ФАД и три железосерных кластера -- S-1 (Fe-S 2 2), S-2 (Fe-S 4 4) и S-3 (Fe-S 3 4). В комплексе II также имеется цитохром 560 b . Сукцинат-дегидрогеназа -- единственный фермент цикла Кребса, встроенный в мембрану митохондрий. растительный клетка митохондрия фитогормон
Комплекс III, или убихинол-цитохром с оксидоредуктаза (цитохром 6 1 b c/ комплекс), состоит из цитохрома b, цитохрома 1 c (цитохром 551 c), железо - серного белка Риске (Fe S2 2). Цитохром b содержит два гема (565 b и 560 b) -- низкопотенциальный (Lb , -0,04 В) и высокопотенциальный (bH ,+0,04 В). Комплекс III функционирует как димер. В структуре комплекса III имеются два участка для связывания восстановленной и окисленной форм убихинона. Первый специфически блокируется миксотиазолом, а второй -- антимицином А.
Комплекс IV, или цитохром с оксидаза, включает до 13 субъединиц, три из которых (I--III) кодируются геномом митохондрий. В комплексе имеется 4 редокс-центра: два гема а (a и 3a) и два Cu-центра (CuA и CuB). Центр CuA , содержащий два атома меди, расположен на субъединице II. Субъединица I содержит гем а и так называемый биядерный центр (гем 3 B a -Cu), в котором происходит восстановление кислорода. Комплекс IV функционирует как димер. Четыре комплекса ЭТЦ не связаны между собой в некий суперкомплекс, а активно диффундируют в липидном слое внутренней мембраны митохондрий. Единственным белком ЭТЦ, который не интегрирован в мембрану, является цитохром с. Этот небольшой (12,5 кДа) водорастворимый белок (цитохром 550 c) переносит электроны в межмембранном пространстве от комплекса III к комплексу IV. В митохонд- риальной мембране также имеется пул убихинонов, которые свободно диффундируют и функционируют как переносчики электронов и протонов.
Отдельные белки-переносчики электронов расположены во внутренней мембране митохондрий не беспорядочно, а собраны в 4 белковых комплексах. Транспорт электронов идет от одного комплекса к другому. Перенос электронов в дыхательной цепи от НАДН (0 E 0,32 В) на кислород (0E0,82В) идет по градиенту окислительно-восстановительного потенциала -- от соединений с более отрицательным 0E к акцепторам, имеющим более положительный E. Освобождаемая при этом энергия окисления переходит в энергию электрохимического градиента ионов водорода.
3. Фитогормоны роста
Фитогормоны -- это вещества, вырабатывающиеся в процессе естественного обмена веществ и оказывающие в ничтожных количествах регуляторное влияние, координирующее физиологические процессы. В этой связи к ним часто применяется термин -- природные регуляторы роста. В большинстве случаев, но не всегда фитогормоны образуются в одних клетках и органах, а оказывают влияние на другие. Иначе говоря, гормоны способны к передвижению по растению и их влияние носит дистанционный характер. Большинство физиологических процессов, в первую очередь рост, формообразование и развитие растений, регулируется гормонами. Гормоны играют ведущую роль в адаптации растений к условиям среды. Известны следующие пять групп фитогормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, газ этилен.
Цитокинины
Открытие цитокининов связано с обширными исследованиями по выращиванию каллуса, образовавшегося из изолированной ткани сердцевины стебля табака на питательной среде (Ф. Скут и К. Миллер). Было показано, что клетки каллуса в стерильной культуре через определенный промежуток времени прекращают деление. Однако при добавлении к питательной среде производных ДНК, получающихся после ее автоклавирования, деление клеток возобновляется. В 1955 г. было выделено активное начало, вызывающее деление клеток, -- 6-фурфурила-минопурин, названное кинетином. Все известные цитокинины -- это производные пуриновых азотистых оснований, а именно аденина, в котором аминогруппа в шестом положении замещена различными радикалами.
Соединения цитокининового типа обнаруживаются в растениях не только в свободном состоянии, но и в составе некоторых тРНК. Богаты цитокининами клетки апикальных побегов и меристем корня. Цитокинины образуются главным образом в корнях (О.Н. Кулаева) и пассивно в виде зеатинрибозида передвигаются в надземные органы по ксилеме. Цитокинины во многом определяют физиологическое влияние корневой системы на обмен веществ надземных органов (К. Мотес). Вместе с тем имеются данные об образовании цитокининов в семенах (зрелые зародыши) и развивающихся плодах. Нанесенные на лист синтетические цитокинины передвигаются плохо. Долгое время вопрос о синтезе цитокининов в растении оставался не ясным. Даже высказывались предположения, что цитокинины в растениях являются продуктом жизнедеятельности бактерий, которые живут на растениях (бактерии ризосферы). Открытия последних лет позволили установить, что цитокинины синтезируются в растениях. С помощью генной инженерии в 2001 г. из Arabidopsis thaliana был выделен ген, кодирующий ключевой фермент синтеза цитокининов -- изопентенилтрансферазу и назван ipt-геном. Содержание цитокининов определяется скоростью их синтеза и разложения. Распад цитокининов регулируется ферментом цитокининоксидазой.
Действие цитокининов, как и других фитогормонов, многофункционально. Цитокинины в первую очередь оказывают влияние на деление клеток, хотя в некоторых случаях могут регулировать и их растяжение. Особенно ярко влияние цитокининов на процессы деления проявляется на культуре изолированных тканей. На листьях целого растения показано соответствие активности цитокининов и скорости клеточных делений (А.Т. Мокроносов). Цитокинины также оказывают влияние на направление дифференциации клеток и тканей. Влияние цитокининов тесно связано с присутствием ауксинов. Взаимосвязь в действии этих фитогормонов проявляется по-разному. В некоторых случаях действие цитокининов требует определенной концентрации ауксинов. В других случаях проявляется антагонизм этих фитогормонов. Цитокинины способствуют пробуждению и росту боковых почек. В опытах К. Тиманна обработка пазушных почек растворами кинетина устраняла тормозящее влияние верхушечных почек, вызывая их рост. В этом случае цитокинины являются как бы антагонистами ауксинов, которые задерживают рост боковых побегов (апикальное доминирование). Цитокинины задерживают старение листьев. Одним из показателей процесса старения является разрушение хлорофилла. Так, если срезанные листья выдерживать во влажной атмосфере, они постепенно желтеют. Анализы показывают, что в них происходит разрушение хлорофилла и белка. Обработанные цитокининами листья остаются в течение долгого времени зелеными. Цитокинины не только задерживают распад белка и хлорофилла, но и стимулируют синтез этих соединений (омолаживающее влияние).
Цитокинины оказывают влияние на ультраструктуру хлоропластов. Опыты показали, что обработка кинетином ускоряет дифференциацию пластид, образование в них мембран и гран (И.Н. Свешникова, О.Н. Кулаева). Цитокинины повышают содержание хлорофилла, ускоряя образование его предшественника -- протохлорофиллида. Под влиянием цитокининов усиливается интенсивность фотофосфорилирования, возрастает активность сопрягающего фактора (АТФ-синтаза) в хлоропластах, содержание АТФ увеличивается (Н.И. Якушкина, С.М. Похлебаев). Вместе с тем цитокинины активируют синтез ключевого фермента темновых реакций фотосинтеза -- РБФ-карбоксилазы/оксигеназы (С.С. Повар). Интенсивность фотосинтеза у обработанных цитокинином листьев возрастает. Возможно, отчасти повышению интенсивности фотосинтеза способствует усиление оттока ассимилятов, а также изменение степени открытости устьиц. Цитокинины, подобно ауксинам, усиливают передвижение веществ к обогащенным ими тканям (аттрагирующее влияние), Так, в опытах немецких физиологов К. Мотеса и Л. Энгельбрехт показано, что аминокислоты и углеводы перетекают из необработанной половины листа к половине, которая обогащена кинетином. Это проявляется как на изолированных листьях, так и на интактных растениях. Имеются данные о стимуляции кинетином флоэмного транспорта. Усиливая поглощение калия замыкающими клетками устьиц, цитокинины способствуют их открыванию. Цитокинины влияют на азотный обмен растений, стимулируя синтез белка-фермента нитратредукатазы. В ряде исследований отмечается, что обработка растений цитокининами повышает устойчивость к различным неблагоприятным условиям среды. Подобно гиббереллинам, цитокинины способствуют выходу из покоящегося состояния спящих почек, семян, клубней. Цитокинины образуются в корнях и у клубненосных растений, передвигаясь акропетально, вызывают утолщение столонов и образование клубней.