Розділ 1 ФІЗІОЛОГІЯ РОСЛИННОЇ КЛІТИНИ 1 Клітина як

Розділ 1 ФІЗІОЛОГІЯ РОСЛИННОЇ КЛІТИНИ 1. Клітина як організм і як елементарна багатоклітинного рослинного організму. структура 2. Особливості структури та функцій рослинної клітини. Мембранний принцип організації внутрішньоклітинних структур. 3. Фізико-хімічні параметри рослинних клітин. 4. Органи, тканини та функціональні системи вищих рослин. 5. Поглинання клітиною води. 6. Рослинна клітина як осмотична система. 7. Осмотичний тиск, тургор, всисна сила. Осмотичний потенціал. 8. Старіння і загибель клітини

Хімічний склад різних організмів, % сухої маси елемент людина люцерна бактерії С 19, 3 11, 3 12, 1 Н 9, 3 8, 7 9, 9 N 5, 1 0, 8 3, 0 О 62, 8 77, 9 73, 7 Р 0, 6 0, 7 0, 6 S 0, 6 0, 1 0, 3 Разом 97, 9 99, 6 99, 7

Клітинна стінка рослин • • • КС жорстка, . Складається з полісахаридів, структурних білків гідроксипролін, пролінбагатих глікопротеїнів і гліцинбагатих білків, ферменти, полімери фенольних сполук (лігнін), входить Са. Розрізняють первинну КС ембріональних тканин і клітин, які ростуть розтягом (формується при мітозі на стадії телофази). Утворюється з везикул апарата Гольджі – скупчення везикул, елементів цитоскелету і залишків мітотичного веретена називають фрагмопластом. Склад первинної КС – 75 -80% води, інші компоненти: 25% целюлоза, 25% геміцелюлози, 35% - пектини, 1 -8% структ. білки. У злакових – 20 -25% целюлоза, 60 -70% - геміцелюлози, 5 -10% - пектини, 1 -8% структурні білки Між клітинними стінками клітин є серединна пластинка, яка складається в основному з пектинів і не містить целюлози – формується з вмісту клітинної пластинки. По мірі диференціювання відбувається її розм'якшення і розтягнення, далі припинення росту і відкладання зсередини нових шарів целюлози з утворенням вторинної КС Вторинна КС, формується всередині первинної після припинення ростувона більш жорстка ніж первинна

Функції клітинної стінки • Є зовнішнім скелетом • Захисна- від патогенів і механічних ушкоджень • Утворення тургорного тиску • Є катіонообмінником – приймає участь у мінеральному живленні та іонному обміні • СО 2, фіксоване у фотосинтезі, в більшості потрапляє у склад КС

Функції вакуолярної системи • Запасна – збереження великих кількостей білків (алейронові зерна), особливо в клітинах насіння, цукрів, іонів, полісахаридів, амінокислот, органічних кислот. Усі первинні метаболіти можуть повторно використовуватися клітиною у різних метаболічних перетвореннях. Більшість ароматичних речовин фруктів і овочів зберігаються у вакуолях. • Травна – кислі гідролази тваринні лізосоми. Протеази, нуклеази, глікозидази, ліпази здійснюють руйнування та повторне використання усіх клітинних компонентів. • Підтримка гомеостазу – резерв протонів та Са 2+, р. Н 5. 0 -5. 5. Регулює р. Н цитозолю, а відповідно - активність ензимів. • Захисна від патогенних мікроорганізмів та травоїдних. Містить токсичні сполуки – феноли, алкалоїди, ціаногенні глікозиди, інгібітори протеаз, ензими, що руйнують клітинну оболонку (хітиназа, глюканаза), сапоніни, латекси. • Знешкодження токсичних сполук. (важкі метали, ксенобіотики). У вакуолях спеціалізованих клітин накопичуються каучук (Hevea brasiliensis) та опіум (Papaver somniferum). • Вакуолярний сік може містити пігменти антоціани, приваблюють запилювачів і переносників насіння, захищають клітини від дії низьких температур та пігменти ФС від фотоокислення.

Будова і функції плазмодесм у рослин • Це цитоплазматичні тяжі , які з’єднують цитоплазму всіх клітин. За будовою це вузькі трубки (діаметр 20 -100 нм), всередині яких є канал-десмотрубочка. • Плазмодесми з’язані з ЕПР • Кількість їх різна – на 1 мм 2 нараховується від 100000 до 50 млн. • Ділянки розташування плазмодесм називаються поровими полями

Плазмалема • Плазмалема – цитоплазматична мембрана, яка відділяє цитоплазму від зовнішнього середовища. Товщина до 7, 5 нм. • Значення: – – контроль транспорту молекул у та із клітини, передача подразнення із середовища в клітину; синтез та збирання компонентів КО; фізичний зв‘язок між елементами цитоскелета та позаклітинним простором; – утворює плазмодесми; формує симпласт; – осмос.

Тонопласт • Оточує вакуоль, має таку ж товщину, але не забарвлюється фосфорновольфрамовою к-тою • Накопичує у вакуолі певні сполуки шляхом активного транспорту, який здійснюється пермеазами та шляхом злиття з мембранними пухирцями, утвореними апаратом Гольджі

Білки мембран

Ліпіди клітинних мембран

Переміщення ліпідів

Плинність мембран

ФУНКЦІЇ КЛІТИННИХ МЕМБРАН • Структурна та бар’єрна • Транспортна • Осмотична • Акумуляція та трансформація енергії • Електрофізіологічна • Рецепторнорегуляторна

Пластидна система рослин Хлоропластиди зеленого кольору, у яких відбувається процес фотосинтезу. Лейкопласти Безбарвні, локалізовані в запасаючих тканинах (кореневища, корені, бульби). Амілопласти містять крохмаль, олеопласти – жири, протеїнопласти - білки. Хромопласти Пластиди жовтого, оранжевого чи червоного кольору. Є в оцвітині, зрілих плодах та ін. органах. Окрім хлорофілу, містять каротиноїди.

Будова хлоропласту ST- тилакоїди строми, GT- тилакоїди гран

ТИЛАКОЇДНА СИСТЕМА

Пропластида (зліва), що дотикається до мітохондрії в клітині кореня квасолі. Великі стрілочки – цитоплазматичні рибосоми, маленькі – пластидні.

Ядро • У більшості клітин одне ядро = 10 мкм • Вміст-нуклеоплазма, оточене двома різними мембранами, між якими є перинуклеарний простір. До внутрішньої примикає шар гетерохроматину, зовнішня зв’язана з ЕПР, а на стороні поверненій до цитоплазми знаходяться рибосоми. • Оболонка має велику кількість пор- транспорт елементів через них селективний • У багатьох диплоїдних видів є два ядерця – по одному на кожний гаплоїдний набір хромосом. Мембрани ядерця не мають, скдадаються з нуклеопротеїнів • 1 Питання – чи може клітина жити без ядра • 2 питання – якщо видалити ядро, які структури клітини постраждають найменше

Апарат Гольджі

Функції АГ у рослинній клітині • участь у синтезі компонентів матриксу клітинної оболонки; • оновлення та ріст мембран, в т. ч. плазмалеми; • синтез, сортування, упаковка інших складних полісахаридів (калоза, целюлоза) та продуктів виділення; • секреція протеолітичних ферментів у комахоїдних рослин; • модифікації глікопротеїнів, гліколіпідів, протеогліканів.

Будова і фукції мітохондрій • У рослин менше, ніж у тварин, але вони подібні, мають дві мембрани. Міжмембранний простір є зовнішнім середовищем для внутрішньої мембрани і макриксу. • Містять рибосоми, ДНК, РНК. ДНК кільцева, успадковується по материнській лінії. Діляться незалежно від поділу ядра, однак більшість білків мітохондрій кодується ядерними генами. • Здійснює процеси аеробного дихання, окисного фосфорилювання, має ферменти і кофактори для синтезу білків

Будова і фукції мітохондрій • Геном мітохондрій- хоча кодує лише коло 50 білків, але більший, ніж у тварин і різний по величині • Дивно, але нуклеотидна послідовність ДНК мітохондрій не комплементарна м. РНК, яка утворюється при транскрипції, але це не впливає на якість білків. Це пояснюється виправленням(editing) некомплементарних м. РНК перед трансляцією

hhh

Структура кардіоліпіну, фосфоліпіда типового для внутрішньої мембрани мітохондрій Поздовжній переріз мітохондрії клітини. Стрілочками позначені рибосоми.

Мітохондрії клітини кінчика кореня квасолі, утворені шляхом поділу

питання • Квітка арума(аронника) в період цвітіння підвищує температуру до 35 градусів(незалежно від зовнішньої) і живе 3 -4 дні. Як, за рахунок чого і для чого це здійснюється?

Рибосоми • Місце синтезу білка з амінокислот, майже однакова кількість білку і РНК. • Утворюються з двох субодиниць(40 S і 60 S утворюються в ядерці) і скріплюються іонами магнію. • В цитоплазмі 80 S, хлоропластах 70 S. в мітохондріях 78 -80 S S • При синтезі можуть об’єднуватись в полісоми (вільні або зв’язані з ЕПР).

Клітина як осмотична система 1. Надходження води у рослинну клітину. • 2. Осмотичний та водний потенціали. Осмотичний та тургорний тиск, всисна сила. 3. Рослинна клітина як осмотична система.

Надходження води в рослинну клітину відбувається двома шляхами: • 1. У клітини, що не мають вакуолі, вода надходить завдяки набряканню біоколоїдів (в основному макромолекул білків) та капілярних явищ у клітинній оболонці. Набрякання – фізико-хімічний процес поглинання води (або водяної пари) високомолекулярною сполукою, що супроводжується гідратацією її полярних зв'язків і як наслідок має збільшення об'єму колоїду. У насіння поглинання води відбувається виключно шляхом набрякання: вода дифундує через насінні покриви і спричиняє збільшення об'єму насінини. Виникає тиск в декілька сотень атмосфер. гідратація протоплазматичних білків необхідна для підтримки ультраструктури та функціональної активності органоїдів.

2. У клітини, що мають вакуолю, вода потрапляє за рахунок явища осмосу. Осмос – однобічна дифузія молекул розчинника (води) через напівпроникну мембрану. Осмос обумовлений прагненням системи до термодинамічної рівноваги і вирівнювання концентрацій розчинів по обидва боки мембрани.

Осмотична система повинна мати мембрану, проникну для молекул розчинника та непроникну для молекул розчиненої речовини та 2 розчини різної концентрації: • Гіпертонічний (з більшою концентрацією) • Гіпотонічний (з меншою концентрацією). В цих умовах спостерігається переміщення молекул розчинника через мембрану з гіпертонічного розчину у гіпотонічний. Процес відбувається доти, доки не наступить рівновага і концентрація обох розчинів стане однаковою – ізотонічною.

Надходження води в клітину можливе і за рахунок електроосмосу, який виникає внаслідок різниці електричних потенціалів по обидва боки мембрани, або шляхом захоплення води в процесі піноцитозу (угинання поверхневої мембрани всередину, завдяки чому захоплюється крапля рідини). В клітинній оболонці спостерігаються як капілярний ефект (нагромадження води мікрофібрилами целюлози за рахунок сил поверхневого натягу), так і колоїдальний (гідратація полісахаридів, зокрема, геміцелюлоз).

2. Осмотичний та тургорний тиск, всисна сила. Осмотичний та водний потенціали. Осмос характеризується осмотичним тиском (Р) – це такий гідростатичний тиск, який потрібно прикласти до розчину з більшою концентрацією, щоб запобігти осмотичному надходженню в нього води. Чим вища концентрація розчину, тим вищий його осмотичний тиск.

• • • Для розрахунку осмотичного тиску використовують формулу Вант-Гоффа: P = іCRТ, де С – молярна концентрація розчину R – універсальна газова стала T – температура (в 0 К) і – ізотонічний коефіцієнт Вант-Гоффа, і = 1+α(n-1), де α – ступінь електролітичної дисоціації, n – кількість іонів, на які розпадається електроліт (для неелектролітів і=1)

Точнішою формулою розрахунку осмотичного тиску, яка враховує ступінь гідратації іонів є формула Портера Р= RT (V-b), де • b – поправка на об'єм, який у розчині займають гідратовані молекули розчиненої речовини • V – об'єм розчину.

Виміряти осмотичний тиск можна плазмолітичним та кріоскопічним методами • Плазмолітичний метод заснований на підборі розчинів плазмолітика, в які занурюють рослинні тканини і через певний час спостерігають стан клітин під мікроскопом. Настання плазмолізу свідчить про те, що концентрація клітинного соку є нижчою від концентрації зовнішнього розчину. • Кріоскопічний метод базується на різниці у температурах замерзання чистої води і розчину, яка залежить від його концентрації. Використовуючи термометр Блекмана, вимірюють температуру замерзання клітинного соку і розраховують його концентрацію і осмотичний тиск. Для отримання точніших результатів доцільно використовувати обидва методи.

Осмотичний потенціал (П) – термодинамічний показник, що характеризує енергетичний рівень води в системі. Це різниця між хімічним потенціалом розчину та хімічним потенціалом чистої води. Хімічний потенціал – функція концентрації і є виміром енергії, яку дана речовина використовує на рух чи хімічні реакції. Тому чим вища концентрація даної речовини, тим вищий її хімічний потенціал. Осмотичний потенціал(П) – величина рівна за модулем та обернена за знаком до осмотичного тиску: П = -Р

Для опису переміщення молекул води в розчині часто користуються поняттям водного потенціалу ΨH 2 O. Водний потенціал ΨH 2 O - це міра прагнення молекул води до переміщення в розчині. Він виражає здатність води в даній системі виконувати роботу (випаровуватися, дифундувати) у порівнянні з тією ж роботою, яку за таких умов виконала б чиста вода. Здатність виконувати роботу у води зменшується в міру збільшення концентрації розчину, тому що при гідратації молекул розчиненої речовини зменшується частка вільної, незв'язаної води, здатної випаровуватися чи дифундувати і водний потенціал розчину зменшується. Для хімічно чистої води водний потенціал Ψ H 2 O = 0, для всіх розчинів ΨH 2 O < 0.

Водний потенціал ΨН О включає два компоненти: 2 • Осмотичний потенціал П, який визначається наявністю розчиненої речовини, • Потенціал гідростатичного тиску Ψт - ΨН О = - П - Ψт 2

За нормального атмосферного тиску водний потенціал розчину визначається його концентрацією, тобто осмотичним потенціалом (тиском). ΨН 2 О = П = -Р Таким чином водний потенціал – інтегральний показник стану води в будь-якій системі, що дозволяє оцінити не лише переміщення води з однієї клітини в іншу, а й з ґрунту в корінь, з листка в атмосферу, з ґрунту в атмосферу. Через рослини водa безупинно за градієнтом водного потенціалу пересувається від ґрунту до атмосфери.

3. Рослинна клітина як осмотична система В клітинному соці наявні осмотично активні речовини (солі, цукри, амінокислоти тощо), завдяки чому вода за законами осмосу та дифузії прагне потрапити у клітину. Силу, з якою вода надходить у клітину, називають всисною силою (S). Ця величина визначається осмотичним тиском клітинного соку і тотожна водному потенціалу клітини.

Поглинання клітиною води спричиняє тиск на клітинну стінку, який називають тургорним (Т), напружений стан клітинної стінки – тургором, клітину у такому стані – тургоресцентною. Полісахаридна клітинна стінка має певну еластичність і може обмежено розтягуватися, тому згодом вона чинить опір поглинанню води і протидія клітинної стінки (W) дорівнює тургорному тиску (Т).

Клітини поглинають воду із силою, рівною різниці між осмотичним потенціалом клітинного соку та протитиском клітинної стінки Оскільки протидія клітинної стінки рівна тургорному тискові (W=T), то всисна сила буде дорівнювати: S = P –T Якщо замінити у рівнянні S = P – T окремі позначення відповідними термодинамічними показниками, то воно матиме вигляд: - Ψ Н 2 О = - П – Ψ т

При повному насиченні клітини водою осмотичний тиск рівний тургорному, а всисна сила дорівнює нулю: P =T = W, S = 0, тоді настає рівновага. Цей стан характерний лише для гідрофітів – підводних рослин. В стані зав`ядання і втраті тургору всисна сила досягає максимуму, тоді S = Р, коли Т = 0, У наземних рослин Р > Т, Р = Т + S, S = P – T,

Об‘єм клітини Тиск, атм Р S S S=0 Т Існує функціональна залежність між трьома величинами: осмотичним тиском, тургором та всисною силою S=P–T Вміст води, %

Всисна сила клітини є непостійна величина і залежить від ступеня насичення водою. Чим далі клітина від насичення, тим з більшою силою буде її поглинати. Отже, рослинна клітина являє собою саморегулюючий осмотичний механізм, який вбирає воду тим сильніше, чим більша в тому є потреба.

При великій втраті води протопласт клітини починає зменшуватися в об'ємі і тягне клітинну стінку за собою. Зовні це проявляється в утворенні на поверхні клітини хвилеподібних вигинів. В цьому випадку пружність клітинної стінки прагне розтягти протопласт і тургорний тиск стає негативною величиною. Тому всисна сила таких клітин дорівнює сумі осмотичного та тургорного тисків S= P+T

Втрату тургору клітинами можна спостерігати експериментально, якщо помістити їх в гіпертонічний розчин будь-якої солі. За законами осмосу вода починає виходити з клітини через плазмалему. Спочатку втрачається вода цитоплазми, потім через тонопласт виходить вода з вакуолі. Об'єм протопласта зменшується і він поступово відокремлюється від клітинної стінки. Простір між стінкою і протопластом заповнює розчин. Такий процес називають плазмолізом, а клітини – плазмолізованими. Процес плазмолізу може бути оборотний, якщо клітина не одержала ушкоджень. Для цього плазмолізовану клітину поміщають у воду чи гіпотонічний розчин і відбувається деплазмоліз.

Старіння та загибель рослинної клітини

1. Старіння рослинних клітин 1. 1. Механізми запуску старіння 1. 2. Етапи старіння 1. 3. Особливості обміну старіючих клітин 1. 4. Структурні особливості старіючих клітин 1. 5. Зворотність процесу старіння 1. 6. Роль ФГ у регуляції старіння 1. 7. Економічне значення 2. Типи загибелі рослинних клітин 3. Програмована загибель клітин(ПЗК) 3. 1. Поняття апоптозу і некрозу 3. 2. Автофагія 3. 3. Гіперчутлива реакція рослинних клітин 4. ПЗК у життєвому циклі рослин

СИСТЕМА ВЕЛИЧИНА ПІВПЕРІОДУ ЖИТТЯ Субстрати 10 -100 хв. Ензими 5 -500 хв. Органели Окрема рослина 8 -100 днів 1 -100 років (рідко до тисяч років) Види рослин 1000 -10000 сторіч Квіткові рослини 10 -100 млн. років

Етапи старіння

Старіння і фотосинтез • Зліва – дикий вид в період старіння; • Справа – нежовтіючий мутантний вид в період старіння

Руйнування структури хлоропласта внаслідок старіння

Механізми активації протеаз

Зміни будови при старінні Старіння квіток іпомеї

Зміни будови при старінні. Формування трахеїд

Зміни будови при старінні ПЗК як реакція надчутливості на дію патогена

Зміни будови при старінні Пролонгована загибель клітини(ПЗК) у онтогенезі формування нових листкових пластинок у монстери і відмирання старих

Зміни будови при старінні Утворення олійних порожнин

Зміни будови при старінні Формування аеренхіми внаслідок гіпоксії

Етилен як фактор дозрівання А-обробка етиленом призводить до опадання квітів; В, С- етиленнечутливі мутанти, в яких оцвітина не опадає; Е – зліва – етиленнечутливий мутант, який не дозріває …

ПЗК у життєвому циклі рослини Всі етапи життя рослини включають процеси програмованої загибелі клітини (ПЗК) починаючи від проростання до репродуктивного розвитку, сюди також відносять реакцію на патогени і абіотичні чинники середовища 1)- формування гамет. В результаті мегагаметогенезу утворюються 4 мегаспори, з яких 3 гинуть і залишається 1; 2)- дегенерація суспензора після запилення; 3)- проростання насінини – загибель клітин ендосперму – особливий тип ПЗК муміфікація; 4)- утворення трихом, голочок на листках, які в зрілому стані є мертвими; 5)- утворення трахеїд. Ранні етапи формування ксилеми; 6)- клітини кореневого чохлика постійно відмирають від механічних пошкоджень; 7)- старіння листків; 8)- утворення аеренхіми внаслідок гіпоксії; 9)- реакція надчутливості; 10)- формування квітки. На початкових етапах чоловічі та жіночі квітки не відрізняються і лише на певних етапах, шляхом руйнування відбувається детермінація статі у квіткових рослин; 11)- залози утворюються внаслідок загибелі клітин. Особливо активно цей процес відбувається у цитрусових. Процес формування олійної порожнини, внаслідок руйнування живих клітин називається лізогенією.

• • Старіння це фінальний етап розвитку рослинної клітини, що здійснюється природнім шляхом. Процес старіння включає в себе 3 етапи: 1) початковий етап; 2) етап реорганізації; 3) завершальний етап. Старіння рослинних клітин до певної міри оборотне. Старіння органів і цілого організму рослин служить одним із способів адаптації до несприятливих чинників зовнішнього середовища. Для рослин як і для тварин властиве явище програмованої загибелі клітин (ПЗК), що включається у всі етапи життєвого циклу рослин: починаючи від проростання до репродуктивного розвитку. ПЗК в основному пов’язане із старінням та гіперчутливою реакцією рослин на стресс. ПЗК проявляється у вигляді автофагії: мікро-, макро- та мегафагія. ОСНОВНИМ ЕНДОГЕННИМ ФАКТОРОМ РЕГУЛЮВАННЯ СТАРІННЯ І ЗАГИБЕЛІ Є ЕТИЛЕН ( ЧАСТКОВО АБСЦИЗОВА КИСЛОТА)!!!