ОБМЕН ВЕЩЕСТВ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ
Обмен веществ — это совокупность всех происходящих в организме химических процессов
Особенности обмена веществ • Химические реакции, составляющие обмен веществ, тесно взаимосвязаны и согласованы друг с другом • Обмен веществ внутри клетки тесно взаимосвязан со средой • Условия среды, в которых осуществляется жизнедеятельность организма, оказывают глубокое влияние на скорость и направленность обмена • Организм обладает способностью регулировать обмен веществ
Состав протоплазмы • белковые вещества и их соединения - около 2/3 содержащихся в протоплазме сухих веществ • липофильные вещества (липиды, фосфатиды, растительные стеролы) - около 1/5 сухих веществ
Среднее содержание воды • в живой протоплазме растений может быть принято равным 75— 80% • в клеточном соке, находящемся в вакуоли до 98%
Полярность молекулы воды обусловлена несимметричным расположением в молекуле воды электронов водорода и кислорода и в связи с этим неравномерным распределением положительных и отрицательных зарядов. Молекула воды, являясь электронейтральной, имеет два полюса, т. е. представляет собой диполь.
образование молекулами воды соединений с другими заряженными частицами: Диполь (А) притягивается к иону (Б) концом, заряженным противоположно заряду иона (I фаза) Одноименно заряженный конец диполя при этом отталкивается (II фаза)
гидратация присоединение воды к различным ионам, молекулам, коллоидным мицеллам. Гидратация гидрофильной коллоидной частицы от гидратации зависит одно из важных свойств протоплазмы — вязкость
По А. М. Алексееву • Осмотически связанная гидратирующая ионы и молекулы • Коллоидно связанная гидратирующая мицеллы вода, Эти формы воды отличаются друг от друга, а также от свободной воды по ряду свойств и, в первую очередь, по своей химической активности.
Гидратирование и дегидратирование органических молекул — важнейшие звенья в цепи превращений, которым подвергаются химические компоненты протоплазмы Для всего комплекса превращений веществ в организме вода необходима не только как среда, но и как непосредственный материальный участник реагирующих химических систем
• Вода является основным растворителем и, следовательно, при ее непосредственном участии в растении осуществляется процесс передвижения продуктов обмена веществ из одних клеток тканей и органов в другие
• Взаимодействие коллоидов протоплазмы корневых клеток с коллоидами почвы осуществляется через водные оболочки мицелл. • При участии воды, содержащейся в листьях, осуществляется связь растения с воздушной средой. • Способность листьев поглощать рассеянную в атмосфере углекислоту в очень большой мере определяется степенью насыщенности клеток листовой ткани водой.
Свободная и связанная вода Связанной считают воду, которая удерживается с той или иной силой коллоидами протоплазмы, а также воду, удерживаемую осмотически активными веществами. • Содержание коллоидно- связанной воды зависит от содержания гидрофильных биоколлоидов и степени их гидратации, которая связана с их водоудерживающей силой. • На содержание осмотически связанной воды влияет, соответственно, количество находящихся в клетке растворенных веществ.
• процессы обмена, связанные с определенными структурными элементами, не осуществляются в них самостоятельно, независимо от процессов, идущих в других органоидах • доказано, что каждая группа органоидов выполняет свои функции на основе непрерывного взаимодействия со всеми другими центрами физиологической активности клетки
Регуляции ферментативной активности в клетке
• все химические процессы в живой клетке являются каталитическими и осуществляются благодаря присутствию биологических катализаторов — ферментов или энзимов, ничтожное количество которых осуществляет колоссальный объем превращений
Катализаторы не могут вызвать реакцию, которая в их отсутствие не идет, они ускоряют лишь реакции, которые термодинамически осуществимы Многие ферменты ускоряют реакции в 109— 1011 раз
состав ферментов • Апофермент - белковая часть фермента • Простетическая группа - небелковый компонент, прочно связанный, • Кофермент - небелковый компонент, слабо связанный, обслуживающий несколько ферментов В состав простетических групп и коферментов входят металлы (железо, медь, цинк), витамины и их производные.
• Эндоферменты функционируют в клетке • Экзоферменты выделяются из клетки или локализуются в плазмалемме и действуют снаружи от нее
• субстратная специфичность - ферменты обладают специфичностью к субстратам • специфичность действия - ферменты обладают специфичностью к определенным химическим реакциям в 1911 г. крупный немецкий химик Эмиль Фишер выдвинул положение, что фермент должен подходить к субстрату, как «ключ к замку» .
Ферменты — это не только катализаторы, но и регуляторы процессов обмена число реакций в клетке ограничивается, поскольку специфичность ферментов позволяет различать определенные молекулы. Каждый организм имеет свой набор ферментов, обусловленный его наследственной основой
Ферменты разделяют на 6 классов: 1) оксидоредуктазы - катализируют окислительновосстановительные реакции; 2) трансферазы - перенос целых атомных группировок от одного соединения к другому; 3) гидролазы - распад органических соединений с участием воды;
Ферменты разделяют на 6 классов: 4) лиазы - присоединение какой-либо атомной группировки к органическим соединениям или отщепление от субстратов определенной группы без участия воды; 5) изомеразы - превращение одних изомеров в другие; 6) лигазы или синтетазы - синтез органических соединений, происходящий при участии АТФ с использованием энергии этой кислоты.
изоферменты или изозимы - ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию и встречающиеся у одного организма, но различающиеся по своим физико-химическим свойствам Наличие изоферментов позволяет организмам лучше приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды
Последовательность катализа • образование фермент-субстратного комплекса • сближение реагирующих молекул или создание напряженных химических связей путем их растягивания • процесс взаимодействия субстрата с ферментом, претерпевающим при этой реакции конформационные изменения • продукты реакции отделяются от фермента и молекулы фермента регенерируются Благодаря своей способности регенерироваться, одна и та же молекула фермента может катализировать большой объем превращений.
Образование фермент-субстратного комплекса: Е — фермент; S — субстрат
Схематическая иллюстрация напряжения ковалентной связи в фермент-субстратном комплексе (эффект «дыбы» ). Сближение реагирующих молекул, или создание напряженных связей, большое значение имеет поляризация субстрата
Скорость и направленность ферментативных реакций зависит: • от количества фермента • температуры • р. Н Температурный коэффициент (Q 10) - показывает во сколько раз данный процесс ускоряется при повышении температуры на 10 °С.
Повышение температуры свыше 35 -40 С° вызывает частичную инактивацию ферментов, а дальнейшее повышение температуры приводит уже к необратимой денатурации У каждого фермента имеется свой оптимум р. Н, при котором лучше всего проявляется его активность. Это связано с тем, что р. Н влияет на заряд функциональных групп фермента, составляющих его активный центр, а от заряда зависит возможность образования фермент-субстратного комплекса.
механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: 1. Метаболитная регуляция происходит в результате изменения концентрации метаболитов и не затрагивает активность или число ферментных молекул. Различают: • регуляцию в местах разветвления путей обмена веществ - ферменты конкурируют за один и тот же субстрат и выбор пути определяется концентрацией общего для конкурирующих ферментов субстрата и степенью сродства фермента к субстрату • регуляцию по принципу обратной связи - под обратной связью понимается влияние более позднего члена цепи взаимосвязанных реакций на более ранний.
механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: 2. Ферментная регуляция. При этом типе регуляции изменяется активность ферментов: а) обратимое или необратимое превращение неактивных предшественников ферментов зимогенов в активные ферменты б) изменение активности фермента под влиянием эффекторов. Связываясь с ферментом, эффекторы могут повышать его активность - это положительные эффекторы активаторы или уменьшать ее - это отрицательные эффекторы - ингибиторы.
механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: изостерический эффект - эффектор может влиять на активность фермента, взаимодействуя с активным центром Изостерический эффект происходит в том случае, когда эффектор и субстрат похожи по своему строению и конкурируют друг с другом за активный центр фермента. Такой тип ингибирования называют конкурентным ингибированием аллостерический эффект - изменяется конформация ферментной молекулы в результате связывания с ее аллостерическим центром.
механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: 3. Генная регуляция Изменяется количество ферментных молекул в клетке из-за включения или выключения синтеза ферментов. Регулирующие факторы действуют на ДНК, РНК или рибосомы.
механизмы внутриклеточной регуляции функционирования ферментов: 4. Мембранная регуляция Контактная регуляция - связывание ферментов с мембранами или их освобождение меняет их активность Дистанционная мембранная регуляция активности ферментов осуществляется косвенным путем в результате транспорта через мембраны субстратов и коферментов, удаления продуктов реакции, ионных и р. Н сдвигов в компартментах клетки.
Проницаемость клетки
проницаемость совокупность физикохимических свойств, которыми определяется соотношение между процессами поступления в клетку веществ из внешней среды, их распределение между отдельными компонентами клетки, накопление этих веществ в клетке и выделение их клеткой во внешнюю среду
Траубе - мембранная теория Скорость проникновения в клетку солей, растворимых в воде, зависит от молекулярного веса и молекулярного объема соединения Овертон (1895) - проникать внутрь протоплазмы могут только те из органических веществ, которые растворимы в растворителях жиров Скорость проникновения веществ в клетку возрастает параллельно удлинению цепи молекулы и увеличению в ней числа гидрофобных групп; противоположно влияние, оказываемое гидрофильными группами молекулы
Овертон (1895) Проникновение электролитов в клетку падает с увеличением растворимости соли в воде Для сильных электролитов протоплазма непроницаема Проницаемость протоплазмы тем выше, чем больше коэффициент распределения, которым называют величину отношения растворимости в жире или масле к растворимости этого же соединения в воде.
процессы поступления веществ в клетку идут против градиента концентраций, что они продолжаются и тогда, когда содержание определенного вещества внутри клетки в десятки и сотни раз выше, чем вне клетки
Скорость передвижения веществ по тканям растений, включающего процессы выделения и поглощения, зачастую значительно превосходят скорость передвижения этих же соединений при свободной диффузии Показано существование высокой избирательной способности клетки по отношению к ионам, близким по своим химическим и физико-химическим свойствам
При изменении условий внешней среды изменяется соотношение скоростей поступления в растение отдельных элементов Следует рассматривать проницаемость как одно из проявлений активной жизнедеятельности протоплазмы
Решающая роль в регулировании проницаемости принадлежит дыханию — процессу, поставляющему свободную химическую энергию, с потреблением которой связано любое проявление жизнедеятельности клетки С затратой энергии связан активный транспорт через мембрану и, прежде всего, тогда, когда поступление осуществляется против градиента концентраций данного вещества
теория активного транспорта поступление против градиента концентраций становится осуществимым благодаря имеющимся в клетке специфическим соединениям, которые располагаются на поверхности мембран и выполняют переносчиков определенных ионов и молекул из внешней среды внутрь клетки
Мембрана, будучи непроницаема отдельно для вещества и для переносчика, проницаема для комплексного соединения последнего с данным веществом: роль переносчиков выполняют органические соединения, обладающие повышенным запасом свободной энергии. На их образование расходуется энергия дыхания, чем и определяется связь между проницаемостью и окислительным метаболизмом клетки
поглощение и выделение веществ в клетке может осуществляться различными путями, регулируемыми специфическими механизмами: • пассивное поступление, подчиняющееся законам диффузии и осмоса • системы активного переноса, обеспечивающие возможность поглощения веществ против градиента
Соотношение между различными путями отражает исторически сложившуюся адаптацию вида к определенному сочетанию условий внешней среды, обеспечивает возможность активного избирательного отношения организма к условиям существования
Раздражимость
Раздражимость способность клетки реагировать на действие внешних и внутренних факторов раздражителей и передавать возбуждение в другие клетки Перцепция или рецепция - восприятие раздражения
Раздражимость В раздражимости воплощено активное отношение организма к внешней среде, способность реагировать на факторы среды избирательно, в соответствии с историей данного вида.
Раздражимость Ч. Дарвин впервые доказал, что у растений зона, воспринимающая действие раздражителя (сенсорная зона), пространственно отделена от зоны, в которой обнаруживается двигательная реакция (моторная зона).
Раздражимость Рецепторные белки и клетки воспринимают разные воздействия Различают фото-, механорецепторы. хемо- и
Раздражимость Возбуждение представляет состояние клетки. собой измененное В отсутствие раздражения растительная клетка имеет отрицательный потенциал покоя от -50 до -200 м. В то есть протоплазма заряжена отрицательно по отношению к наружной поверхности. Это связано с тем, что внутри клетки находится больше ионов хлора и калия, но меньше ионов кальция, чем снаружи.
Раздражимость В ответ на раздражение возникает потенциал противоположного знака потенциал действия, который может распространяться и на время сравняться или превысить потенциал покоя. Потенциал действия образуется в результате выхода ионов хлора из клетки и поступления ионов кальция в клетку.
Раздражимость Одним из факторов, существенно влияющих на электрические свойства клетки, служат растительные гормоны — соединения, активирующие процессы роста и развития растений. Основная роль в этой группе соединений принадлежит гетероауксину (индолилуксусная кислота), который, представляя собой слабую кислоту, образует в растворе отрицательно заряженные ионы. Параллельно продвижению гормона по растению наблюдается движение электрической волны, иными словами, при этом возникает переменное электрическое поле.
Раздражимость Растительные клетки реагируют на различного рода раздражения аналогично реакции, характерной для нервных клеток. В обоих случаях раздражение сопровождается возникновением электрического импульса
Раздражимость Раздражение воспринимается клеткой, если его сила превышает пороговую величину Следующие друг за другом подпороговые раздражения могут суммироваться, если интервалы между ними незначительны Минимальное время, необходимое для рецепции, называют временем презентации
законы раздражимости: • Закон силы раздражения: чем больше раздражение, тем сильнее ответная реакция. • Закон длительности раздражения: чем длительнее раздражение, тем сильнее ответная реакция. • Закон количества раздражения: чем больше сила раздражения, тем меньше время презентации. • Закон градиента раздражения: чем выше скорость нарастания силы раздражителя, тем больше ответная реакция. При действии чрезмерно сильных и (или) длительных воздействий чувствительность клеток к раздражителю снижается и клетки могут погибнуть.
Раздражимость Реституция - это восстановление исходного состояния после раздражения Она идет с затратой энергии и тормозится под действием наркотиков, ингибиторов дыхания, при недостатке кислорода и снижении температуры Во время реституции клетки находятся в рефрактерном периоде, когда новое раздражение не вызывает возбуждения.
Раздражимость Наличие поляризующего действия электрического тока на растительную ткань может рассматриваться как веское доказательство взаимосвязанности отдельных клеток, благодаря которой ткань только и может функционировать как непрерывная структура Взаимосвязь клеток осуществляется через плазмодесмы, которые обеспечивают, следовательно, не только передвижение органических и минеральных веществ, но и передачу стимулирующих эффектов
Раздражимость протоплазмы имеет определяющее значение в явлениях взаимодействия растительного организма со всеми без исключения условиями окружающей его живой и неживой природы, в явлениях приспособления к этим условиям Раздражимость лежит в основе всех видов движений и других явлений жизнедеятельности растений
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
Скачать презентацию ОБМЕН ВЕЩЕСТВ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ Обмен веществ
Презентация 4. Обмен веществ.ppt