Тема Продукты жизнедеятельности клетки 1 Клеточная оболочка 2

Тема. Продукты жизнедеятельности клетки: 1. Клеточная оболочка 2. Запасные вещества 3. Клеточный сок вакуолей

Продукты жизнедеятельности клетки Что мы используем от растения? Витамины, жиры, углеводы, клетчатку и т. д. А где и кем это сделано, изготовлено? Растением. Его клеткой! Главные части клетки – ядро, цитоплазма, пластиды, митохондрии. Но мы не их используем… Мы используем продукты жизнедеятельности клетки: отходы, вторичное сырье – клеточный сок, клеточную оболочку, запасные вещества.

Клеточная оболочка – результат деятельности протопласта. Наличие прочной оболочки - характерная черта растительных клеток.

Функции клеточной оболочки • Создает опорную систему клетки, придавая ей определенную форму. • Не препятствует поглощению и выделению живой клеткой растворенных веществ.

Физические свойства оболочки • Прозрачная, легко пропускает солнечный свет. • Бесцветная (иногда бывает окрашена) • Упругая и относительно прочная.

Макроструктура клеточной оболочки Оболочки делящихся и растущих клеток называют первичными оболочками. Они непрочные, тонкие (0, 1 -0, 5 мкм), легко проницаемы для растворов, пронизаны плазмодесмами цитоплазматическими мембранами. Клетки постоянных тканей имеют дополнительно вторичные оболочки. Они более или менее толстые (до 10 мкм), прочные, жесткие или упругие. Образуются путем наслоения на первичную оболочку новых веществ. Вторичная оболочка имеет поры, где сохраняются плазмодесмы.

Макроструктура клеточной оболочки.

Клетки с первичными и оболочками

Клетки со вторичными оболочками

Наличие плазмодесм и поровых каналов обеспечивает взаимосвязь протопластов

Плазмодесмы в клетках разных растений

Поры вторичной оболочки

Химический состав оболочки • Характерная особенность – непостоянство химического состава, как в качественном, так и в количественном соотношении ее компонентов. • Главный компонент всех оболочек – полисахариды: целлюлоза, гемицеллюлоза и пектиновые вещества. • Дополнительные вещества: кутин, суберин, воска, лигнин, минеральные соли и особый структурный белок – гликопротеид.

Пекти новые вещества или пектины (от др. греч. — свернувшийся, замёрзший)- главный компонент первичных оболочек. • По химической природе – это полисахариды, образованные остатками главным образом галактуроновой кислоты.

Пектин представляет аморфное вещество, растворимое в воде, что объясняется структурной формулой расположения в нем мономеров (сравнить: молекула целлюлозы (а) и молекула пектиновых веществ (б)

• Пектиновые вещества присутствуют во всех высших растениях, особенно много во фруктах и в некоторых водорослях. Пектины, являясь структурным элементом растительных клеток, способствуют поддержанию в них тургора, повышают засухоустойчивость растений, устойчивость овощей и фруктов при хранении.

Пектиновые вещества • Важным свойством пектина, обуславливающим его применение в пищевых продуктах, является гелеобразование. • Используются в пищевой промышленности — в качестве структурообразователей (гелеобразователей), загустителей, а также в медицинской и фармацевтической промышленности — в качестве физиологически активных веществ с полезными для организма человека свойствами. В промышленных масштабах получают пектиновые вещества в основном из яблочных и/или цитрусовых выжимок, жома сахарной свёклы, корзинок подсолнечника.

Гемицеллюлоза – второй компонент первичной оболочки. • Гемицеллюлоза является полисахаридом, состоящим из пентоз (ксилозы, арабинозы) или гексоз (маннозы, галактозы, фруктозы). В зависимости от моносахаридного состава основной цепи гемицеллюлозы делятся на ксиланы, глюкоманнаны и галактаны. • Гемицеллюлоза отличается от целлюлозы составом мономеров и разветвленным их расположением в молекулах. Являясь одним из компонентов пластичного матрикса, гемицеллюлозы придают клеточной стенке дополнительную прочность, но почти не препятствуют ее росту.

Гемицеллюлозы • Гемицеллюлоза занимает промежуточное место между крахмалом и целлюлозой. Она является постоянным спутником целлюлозы в стенках клеток, а у некоторых видов растений составляет преобладающую часть углеводов. • Гемицеллюлозы составляют около одной трети органической массы большинства высших растений. • Гемицеллюлозы могут быть и запасными веществами, так как легко гидролизуются.

Целлюлоза или клетчатка – обязательный компонент оболочки клетки • Целлюлоза – скелетное вещество оболочек клеток высших растений. • Полимерная молекула целлюлозы состоит из большого числа мономеров-остатков глюкозы, связанных между собой в виде цепочки. Параллельные пучки таких молекул собраны в микрофибриллы.

Ориентация микрофибрилл целлюлозы в оболочке под электронном микроскопом

Микроструктура первичных и вторичных оболочек. Первичные оболочки содержат беспорядочно расположенные микрофибриллы целлюлозы, погруженные в аморфные пектиновые вещества и гемицеллюлозу (1). Во вторичных оболочках преобладают целлюлозные микрофибриллы, образующие фибриллы (2).

Структурная организация оболочки • А. Клетка • Б. Препарированный участок оболочки: • 1. Фибриллы (d=0, 40, 5 мкм) или макрофибриллы • 2. Микрофибриллы (d =10 -30 нм) 3. Мицеллы 4. Молекулы целлюлозы

Видоизменения клеточной оболочки • • Одревеснение Опробковение Кутинизация Минерализация

Одревеснение - лигнизация • Лигнин от лат. lignum – дерево. • После целлюлозы, - лигнин самый распространенный полимер на земле, играющий важную роль в природном круговороте углерода. В ходе эволюции при переходе растений от водного к наземному образу жизни, для обеспечения жесткости и устойчивости стеблей и стволов, произошло возникновение лигнина (подобно хитину у членистоногих). • Лигнин - аморфное вещество жёлто-коричневого цвета; нерастворим в воде и органических растворителях. • Отложение лигнина в клеточных оболочках растений приводит к увеличению их прочности и одревеснению. Лигнин прочно физически и химически инкрустирован в клеточную оболочку и очень непросто его оттуда выделить.

Химическая формула лигнина • Сложный природный ароматический полимер, в основе формулы которого – бензольное кольцо. • В химическом смысле лигнин - понятие условное и обобщающее. Трудно найти два одинаковых лигнина. Лигнины, получаемые из разных растений, значительно отличаются друг от друга по химическому составу. • В литературе встречается несколько вариантов формулы лигнина. Считается, что молекула лигнина состоит из атомов углерода, кислорода и водорода. • На рисунке приведено представление химической структуры лигнина рекомендуемое Международным институтом лигнина.

Свойства лигнина • При нормальных условиях лигнин плохо растворяется в воде и органических растворителях. • Лигнин почти не усваивается при пищеварении у высших животных; в природе его перерабатывают различные грибы, насекомые, земляные черви и бактерии. Основную роль в этом процессе играют грибы-базидиомицеты. К ним относятся многие грибы, живущие как на живых, так и на мёртвых деревьях, а так же грибы, разлагающие опавшие листья. Среди грибов которые перерабатывают лигнин есть съедобные - опенок, вешенка, шампиньон. • Основным продуктом разложения лигнина в природе является гумус. Декомпозиция лигнина в естественных условиях происходит в присутствии других элементов растительной ткани - целлюлозы и гемицеллюлозы.

О лигнине • Различают протолигнин, - лигнин содержащийся внутри растения в его естественной форме, и технические его формы, полученные извлечением из растительной ткани при помощи физикохимических методов. • Лигнин, как и целлюлозу, специально не изготавливают. Он и его химически модифицированные формы являются отходами биохимического производства. В ходе физико-химической переработки растительной ткани молекулярная масса лигнина уменьшается в несколько раз, а его химическая активность возрастает.

Об использовании лигнина • Сульфатный лигнин ограниченно применяется в производстве полимерных материалов, фенолформальдегидных смол, и как компонент клеящих композиций в производстве ДСП, картона, фанеры и др. Гидролизный лигнин служит котельным топливом в лесохимических производствах, а также сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича, удобрений, уксусной и щавелевой кислот, наполнителей. • Сравнительно недавно лигнин был успешно использован в производстве полиуретановой пены. • В медицине гидролизный лигнин используется как энтеросорбирующее, дезинтоксикационное, противодиарейное, антиоксидантное средство. Один грамм препарата поглощает и удерживает в своей структуре 7 300 000 бактерий. Очень высоким оказалось также и поглощение лигнином сальмонелл, холероподобного вибриона, жёлтого стафилококка и некоторых грибов. • Гидролизный лигнин также используется в ветеринарии для тех же целей, что и у человека.

Еще один вариант применения лигнина • Ученые из Университета Канзаса разработали новую технологию модернизации дорог с помощью биологического материала. Лигнин, устойчивый растительный материал, способен устранить основные недостатки грунтовых дорог и существенно повысить их качество. • Грунтовые дороги весьма распространены даже в развитых странах, не говоря уже о развивающихся, где грунтовки зачастую составляют основу автомобильных сетей сообщения. Так, в том же Канзасе из почти 160 тыс. км автодорог 70% - грунтовые. • Выяснилось, что добавка в покрытие грунтовых дорог смеси лигнина в концентрации 4%, 6% и 9% повышает твердость покрытия, позволяет автомобилям двигаться быстрее и снижает образование пыли. Исследование ученых из Университета Канзаса открывает новые возможности для модернизации транспортных путей сообщения. • С помощью простой поливки смесью воды и лигнина можно усовершенствовать грунтовку и превратить ее в более качественную дорогу.

Опробковение - суберинизация • Суберин (от лат. suber — кора пробкового дерева) вещество, выделяемое клетками покровных тканей растений; пропитывает клеточные оболочки, в результате чего происходит их опробковение. • По химической природе суберин — глицерид феллоновой [СН 3(СН 2)19 СН (ОН) СООН] и пробковой [СООН (СН 2)6 СООН] кислот.

Формула суберина березы - бетулина

Физические свойства суберина • Эластически упругое, непроницаемое для воды вещество, с малой теплопроводностью. • Не растворяется в воде, органических растворителях и кислотах, но гидролизуется спиртовым раствором, щелочью. • Служит барьером от высыхания и для проникновения почвенной микрофлоры и предохраняет корни от загнивания.

Кутинизация • Кутин (от лат. cutis — кожа), воскоподобное вещество, выделяемое эпидермисом листьев растений. • Кутинизированные оболочки препятствуют потере воды поверхностью листа, т. к. кутин по химической природе - непроницаем для воды и газов.

Химический состав кутина • По химическому составу это органическое жироподобное вещество, смесь высших жирных кислот и их эфиров. • Основные компоненты кутина — wоксимонокарбоновые кислоты, содержащие 16 и 18 атомов углерода в неразветвлённой цепи и 2 или 3 гидроксильные группы.

Содержание кутина в клеточных оболочках разных растений • Содержание кутина в эпидермисе сильно варьирует: от 0, 8% в листьях берёзы до более чем 15% в листьях агавы.

2. Запасные питательные вещества растений.

Функция запасных питательных веществ Помогают растению переносить неблагоприятные условия среды. После периода покоя при отсутствии зеленых побегов растению необходима энергия на формирование новых структур (распускание почек, формирование листьев, корней). Для этого растение и использует синтезированные ранее органические вещества, отложенные растением в запас (в корнях, корневищах, клубнях, луковицах, семенах).

Химический состав и форма отложения запасных веществ. • Углеводы: крахмал в виде зерен; инулин и сахароза в виде растворов; • Белки: протеины в виде алейроновых зерен; • Жиры: в виде жировых капель в цитоплазме.

Крахмал – широко распространенный запасной углевод растений • Крахмал – смесь двух полисахаридов, амилозы и амилопектина. Оба сходны по составу с целлюлозой, но имеют разную структуру молекулы и потому различны по физическим свойствам

Крахмальные зерна пшеницы (1), овса (2), гороха (4), картофеля (3), кукурузы(5) (от 2 до 150 мкм)

Инулин – растворимый полисахарид при действии спирта образует сферокристаллы

Запасные белки и крахмал в зерновках и семенах

Жировые капли в семенах кокоса • Запасные жиры откладываются между мембранами ЭПС в форме жировых капель.

3. Клеточный сок вакуолей

Функции вакуолей • 1. Поддержание тургорного состояния клеток. • 2. Накопление разного рода веществ, являющихся промежуточными или конечными продуктами метаболизма клетки.

Состояние тургора или плазмолиза клеток является показателем обеспеченности растения водой. При нормальном водообеспечении растения клетки находятся в упругом – тургорном состоянии, при дефиците воды - в состоянии плазмолиза.

Клетки листа элодеи в состоянии тургора и плазмолиза

Химический состав клеточного сока • Органические вещества: А. Безазотистые • Углеводы (моно-ди- полисахара; • Гликозиды; • Дубильные вещества • Органические кислоты • Соли органических кислот • Б. Азотсодержащие • 1. белки и аминокислоты • 2. Алкалоиды • 3. Гликоалкалоиды • Неорганические вещества • 1. Фосфаты K, Ca, Na • 2. Нитраты K, Na • 3. Иодиды и бромиды

Типы кристаллических включений в клетках растений

Типы кристаллов

Межклетные пространства