План урока:

Обмен энергии и веществ в клетке растений

Как вещества проходят из клетки и внутрь неё?

Циркуляция цитоплазмы

Рост и развитие клетки растений

Клеточное деление

Как клетки реагируют на окружающую среду и общаются?

Обмен энергии и веществ в клетке растений

Это основное свойство живых организмов. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (греч. «изменение», «превращение») включает в себя такие основные процессы клеточного уровня, как производство (биосинтез) белков и липидов, фотосинтез и дыхание. Он делится на два противоположных, но взаимозависимых процесса: катаболизм, в результате которого сложные вещества разлагаются на простые с выделением энергии и анаболизм – производство сложных, свойственных данному организму веществ, сопровождающееся затратой энергии. Рассмотрим подробнее, какие процессы обеспечивают обмен веществ и превращение энергии в клетке растений.

Обмен энергии и веществ у растений

Катаболизм у растений

Дыхание клетки – общее свойство всех организмов. Только дышат они разными веществами. Растения дышат кислородом, такие организмы называют аэробами. В цитоплазме и органеллах («органах дыхания» клетки) митохондриях происходит последовательное расщепление глюкозы. В митохондриях у многих организмов, в том числе и у растений, этот процесс происходит при участии кислорода и называется он окислением, или дыханием клетки. При этом чаще глюкоза, реже белки и липиды, разлагается до минимальных продуктов: воды и углекислого газа, при этом происходит накопление и запасание энергии химических связей.

Процесс дыхания клетки растений происходит и ночью и днём. Значит, они тоже поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Универсальным источником энергии у всех живых организмов являются молекулы АТФ. Они легко расстаются с остатками фосфорной кислоты и при этом вырабатывают много энергии. А она необходима для большинства жизненных процессов клетки.

Дыхание клетки

Световая фаза фотосинтеза тоже относится к катаболизму. Она проходит только на свету. В это время в хлоропластах листьев происходит разложение воды, запасание энергии солнца в виде энергии химических связей и некоторые другие процессы. А запасённые продукты участвуют во второй (темновой) фазе фотосинтеза, которая уже относится к анаболизму.

В клетке также разбираются ненужные, вредные (попавшие через плазмолемму бактерии), ошибочные, нерабочие или лишние макромолекулы и элементы самой клетки, которые неспособны делать свою работу. Переваривание больших сложных молекул происходит в лизосомах – пузырьках, наполненных ферментами.

Аппарат Гольджи помогает удалять избыточные вещества из клетки

Анаболизм у растительной клетки

Другие названия этой части обмена веществ – биосинтез, пластический обмен, ассимиляция. В растительной клетке собираются все органические вещества. Синтез белков происходит в рибосомах, большая часть которых расположена на эндоплазматической сети. Помните строение клетки, мы изучали его на прошлом уроке. Производство нужных клетке и всему организму белков проходит одинаково в клетках всех царств живой природы. Сахара производятся в хлоропластах в процессе фотосинтеза. Поэтому по типу питания клетки растений являются автотрофами. Кроме первичных метаболитов (производимых веществ), непосредственно нужных для жизни, клетки производят много вторичных веществ, которые есть не во всех тканях.

Вторичные метаболиты

Учёные открыли 45 000 веществ, синтезируемых специально предназначенными для этого клетками. Они нужны растению для общения со средой и защиты. Например, для самозащиты от вызывающих болезни бактерий и вирусов, травоядных животных они выделяют отпугивающие и ядовитые секреты, для привлечения животных – ароматные летучие вещества. Вот несколько примеров таких веществ:

• эфирные масла обладают свойством убивать бактерий и отпугивать фитофагов. Они появляются в железистых волосках листьев перечной мяты, лимона. Главная часть эфирных масел – это терпены. Хлопчатнику, кукурузе и другим растениям они нужны для привлечения хищных насекомых, которые поедают напавших на растения членистоногих;
• липкие пищеварительные секреты, содержащие ферменты, у хищных растений;

Железистые волоски росянки

• яды. Всем известны ядовитые растения: анчар, клещевина, ландыш, вороний глаз. Но мало кто знает, что яд есть в семенах яблони, вишни, персика, миндаля и многих других растений. Есть животные, которые в результате эволюции приспособились поедать и токсичные растения. И после этого они сами становятся ядовитыми. Например, бабочка монарх питается растениями семейства молочайных и накапливает в своём теле их токсины, поэтому птицы её не едят. Монотерпены хвойных находятся в смоле, они ядовиты для насекомых, в том числе и для злейших врагов деревьев короедов;
• клетки молочайных производят форболовый эфир, который не только очень ядовит, если попадает в пищеварительную систему млекопитающих, но и вызывает раздражение кожи при проникновении на её поверхность.

Сок молочая

• каучук есть у многих растений, но наибольшее его количество находится в млечниках бразильской гевеи, манихота и фикуса.
• фенолы (ароматические вещества) нужны растениям для привлечения опылителей и животных, распространяющих их семена.
• для этой же цели служат и красящие вещества – антоцианы, находящиеся в лепестках цветов и частях побегов.

Темновая фаза фотосинтеза – питание клетки растений

Фотосинтез ещё называют воздушным питанием растения. Хотя во многих школьных определениях говорится, что он проходит только на свету, это не совсем точно. Первая фаза фотосинтеза действительно запасает энергию Солнца, она не может проходить в темноте. Вторая фаза может проходить в отсутствии света, в ней используются уже запасённые в первый этап вещества. В результате множества химических реакций в хлоропластах синтезируются углеводы с использованием тех продуктов, которые были запасены во время световой фазы и поступили из внешней среды: энергии АТФ, атомов водорода и молекул углекислого газа.

Кроме воздушного, у растений есть и другой способ питания клетки – минеральный. У высших растений корни всасывают воду с растворёнными минеральными солями и клетки ксилемы доставляют её ко всем частям растения. У низших растений – водорослей, питание клеток организма минералами и водой осуществляется всей поверхностью тела. Они участвуют во всех жизненных процессах растений, например, вода, магний и марганец нужны для фотосинтеза. Магний входит в состав хлорофилла и участвует в реакциях его образования. При недостатке этого элемента, листья растения желтеют, потому что в них разрушается хлорофилл. Марганец путём активации ферментов регулирует белково-углеводный обмен, дыхание и фотосинтез.

Схема фотосинтеза

Как вещества проходят из клетки и внутрь неё?

Для жизни клетке нужны многие вещества: вода, минералы, газы, органические вещества и их «строительные частички». Они проходят в неё через плазмолемму, которая не является полностью непроницаемой. Проходимость веществ зависит от химических и физических свойств мембраны и самих молекул и ионов, проходящих через неё. Из клетки выходят произведённые в ней гормоны, ферменты и другие вещества белкового и липидного происхождения, а также ненужные и вредные молекулы и ионы.

Как проходит через плазмолемму молекула воды?

Вода в клетке участвует во многих процессах. Она разлагается в ходе фотосинтеза с образованием иона водорода, который участвует в производстве сахаров. В воде протекают все химические реакции, необходимые для жизни организма. Она наполняет вакуоль и цитозоль, тем самым поддерживая форму клетки при помощи тургорного давления.

Вода через плазмолемму проходит легко, прямым объёмным потоком и по законам физики: от места с большей концентрацией молекул к стороне с меньшей их концентрацией (по градиенту). Такой процесс называется диффузией, при этом вода проходит через мембранные поры. Распространённый пример: разбрызгивание духов в одной части комнаты и заполнение их запахом всей комнаты даже при неподвижности воздуха в ней. Или вспомните, как вы обмакивали грязную кисточку в стакан с водой. В одном месте опустили, а краска «расползлась» по всей жидкости. Молекулы поступают с той стороны, на которой их концентрация выше.

Транспорт веществ через плазмолемму

Другой способ прохождения воды называется осмосом. Он заключается в том, что жидкость проходит в ту сторону, на которой расположена вода с большей концентрацией каких-либо ионов, или солей. Это явление приносит немало проблем многим одноклеточным, особенно обитающим в воде. У эвглены, живущей в пресных водоёмах, внутри клетки водный раствор более «солёный», чем вода снаружи. Поэтому вода стремится внутрь клетки. Если её будет слишком много, она разбавит содержимое цитоплазмы или приведёт к разрыву плазмолеммы. Чтобы спастись, эвглена постоянно удаляет избыток воды при помощи сократительной вакуоли.

Прохождение кислорода и углекислого газа через мембрану

Кислород как остаточный продукт удаляется из клетки в результате фотосинтеза. Он нужен клетке для дыхания, поэтому он постоянно проходит как внутрь, так и наружу. Так же движется и углекислый газ. Клетке он нужен для фотосинтеза, а образуется при дыхании и удаляется.

Кислород и углекислый газ – незаряженные и очень мелкие молекулы, они растворяются в липидах, а плазмалемма из них и состоит, поэтому эти газы проходит сквозь неё легко, способом простой диффузии и при помощи белков-переносчиков. На скорость их прохождения влияет только степень концентрации такого же газа на противоположной стороне мембраны.

Заряженные полярные молекулы проходят через плазмолемму против градиента, при помощи погружённых в мембрану транспортных белков с затратой энергии.

Выделение веществ из клетки

Клетки растений секретируют и выделяют вещества, нужные им для привлечения опылителей, отпугивания животных или защиты от испарения воды (вторичные метаболиты). Такие секреторные клетки расположены в железистых волосках, нектарниках, млечниках, гидатодах. Они выделяются через устьица на покровной кожице растения.

Избыточные или ненужные продукты клетка растений накапливает в вакуолях или собирает в везикулы (секреторные пузырьки) и удаляет за пределы протопласта через плазмолемму. Они проходят через неё путём фагоцитоза и пиноцитоза.

Фагоцитоз и пиноцитоз

Циркуляция цитоплазмы

Её научное название: циклоз. Значение движения цитоплазмы очень велико. В растительных клетках он помогает передвижению всех нужных веществ к её частям. Под микроскопом это можно наблюдать по перемещению органелл, но внутренняя структура клетки при этом сохраняется. Движение цитоплазмы в клетке обеспечивают микротрубочки и микрофиламенты цитоскелета, затрачивая энергию АТФ.

Хлоропласты используют это движение, чтобы найти наиболее подходящее место по отношению к свету, а пузырьки с веществами, чтобы передвинуться поближе к плазмолемме и выйти за пределы клетки. Скорость циклоза зависит от освещения, температуры, количества необходимого кислорода.

Способы передвижения цитоплазмы в клетках

Рост и развитие клетки растений

Клетка растений родятся в образовательной ткани. Там они все внешне одинаковые. Различаются химическим составом, особенностями строения ядер и органелл. В маленьких клетках все части мелкие, недоразвитые. В митохондриях не развиты кристы, ядро мелкое с крупным ядрышком, много небольших вакуолей, рибосомы не прикреплены к эндоплазматической сети.

С возрастом клетка растений растёт – увеличивается в размере за счёт растяжения и увеличения центральной вакуоли при слиянии мелких пузырьков. И развивается. Процесс развития клетки сопровождается изменением, превращением в часть какой-либо ткани растения. Она становится либо одной из покровных клеток, либо проводящих с толстыми стенками и без ядра и т.д. В ней дозревают хлоропласты и митохондрии, большинство рибосом прикрепляются к ЭПС, утолщается клеточная оболочка, клетка теряет способность к делению и становится частью ткани организма.

Развитие и рост клетки растений

Клеточное деление

У растений, как и у всех эукариот, существует 2 типа непрямого (с образованием веретена) деления клеток: неполовых (митоз) и половых (мейоз). Размножение неполовых клеток у растений происходит только в определённых местах, в образовательной ткани, расположенной в верхушках побегов, в основании листьев, в узлах злаков, в верхушке корня и под корой – в камбии. Деление половых клеток бывает в пестиках и тычинках или в других специальных образованиях растений.

При митозе из одной клетки получается две. Они такие же, как и та, из которой они образовались. Митоз у растений отличается от такого же деления у других организмов.

1. Интерфаза – период между делениями. В ней происходят процессы обмена веществ и энергии, т. е. жизнедеятельность клетки. А также подготовка к делению – удвоение ДНК, накопление веществ и энергии.
2. Митоз – само деление.
   1. Препрофаза – этап деления, характерный только для растительной клетки. В него происходит образование под плазмолеммой кольца из микротрубочек. Оно называется препрофазной лентой. Так как в клетках растений нет клеточного центра с центриолями, то их заменяет препрофазная лента. Она будет участвовать в образовании веретена деления и растягивании хромосом.
   2. Профаза. В процессе этого этапа деления клетки белки и хроматин скручиваются в хромосомы и становятся заметными под микроскопом. Оболочка ядрышка разрушается, начинает образовываться веретено деления.
   3. Прометафаза. В её начале растворяются мембраны ядра, хромосомы движутся к экватору клетки.
   4. Метафаза. В ней хромосомы становятся примерно на одинаковом расстоянии от полюсов, нити присоединяются к пояскам хромосом.
   5. Анафаза характеризуется растягиванием частей хромосом – хроматид к верхнему и нижнему краям клетки.
   6. Телофаза. В ней происходит растворение хроматина и становятся невидимыми под микроскопом, образуются ядра у каждого из полюсов клетки, заканчивается формирование клеточной перегородки, или пластинки (фрагмопласта у высших растений и некоторых водорослей и фикопласта у других водорослей), разделяющей материнскую клетку на две дочерние. Недостающие органоиды достраиваются.

Митоз в клетке растений

Как клетки реагируют на окружающую среду и общаются?

Растения реагируют на свет и звуки, общаются между собой при помощи химических веществ, передавая их через воздух и почву. Если в клетки проникают патогенные бактерии, то в них начинает выделяться биохимическое оружие, клетки корня растения «договариваются» с грибными гифами о совместной взаимовыгодной жизни – симбиозе. За общение клеток отвечает белок MICU, который настраивает ионы кальция, выполняющие основную работу по передаче сигналов. Клетки растений соединены тяжами цитоплазмы (плазмодесмами), по ним вещества и поступают из клетки в клетку. То есть происходит обмен веществ между клетками.