Учеба  ->  Науки  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Поглощение веществ растительной клеткой

Поглощение и выделение клеткой воды и растворенных веществ составляют важнейшую сторону её взаимодействия с внешней средой. Эти процессы очень сложны и многообразны, они протекают на уровне молекул и поэтому недоступны для непосредственного наблюдения. Однако их можно косвенно обнаружить в лабораторных условиях довольно простыми и доступными методами, позволяющим по внешним изменениям клетки или ткани судить о природе происходящих в клетке процессов.

Поступление в клетку веществ строго избирательно, эта избирательность определяется проницаемостью её мембран и активностью обмена веществ. Проницаемость клетки для воды и растворенных веществ зависит прежде всего от химического состава и строения ее клеточной ( целлюлозной ) оболочки и цитоплазматических мембран.

Целлюлозная оболочка растительной клетки имеет мелкопористую структуру. Молекулы целлюлозы, входящие в состав клеточной стенки, образуют целлюлозные волокна, которые в несколько слоев располагаются в оболочке клетки. По свободному пространству клеточной стенки ( то есть между целлюлозными волокнами ) вода, а также некоторые растворенные неорганические и органические вещества и ионы перемещаются свободно ( почти как по фильтровальной бумаге ).

Наружная поверхность цитоплазмы в клетке образована ультрамикроскопической плёнкой – наружной клеточной мембраной ( плазмалеммой ). Это очень эластичная плёнка, хорошо смачивающаяся водой и быстро восстанавливающая свою целостность после повреждения. Наружная клеточная мембрана участвует в процессах избирательного поглощения клеткой веществ, выведении продуктов обмена, во взаимосвязи с соседними клетками и защите клетки от повреждений. Всё это делает её роль исключительно важной.

На границе между цитоплазмой и вакуолью в клетке находится ещё одна мембрана – тонопласт. Обе эти мембраны ( плазмалемма и тонопласт ) имеют типичное для всех биологических мембран строение.

Строение и свойства биологической мембраны: основой мембраны является двойной слой молекул жиров, с которым связаны молекулы белков. Молекулы белков могут примыкать к слою жиров, погружаться в него или же пронизывать насквозь.

Биологическая мембрана не представляет собой жёсткую структуру – большая часть входящих в её состав молекул жиров и белков может перемещаться в плоскости мембраны. Это свойство мембраны называют текучестью. Как уже было сказано выше, мембрана обладает свойством избирательной проницаемости. Мембраны живых клеток пропускают, помимо воды, лишь определенные молекулы и ионы растворенных веществ.

Избирательный обмен веществ между клеткой и средой происходит двумя путями: пассивное поступление веществ (пассивный транспорт) и активный перенос их через мембраны (активный транспорт).

При пассивном поступлении вещества перемещаются в клетку и из клетки благодаря диффузии: из области большей концентрации в сторону меньшей концентрации веществ. Так, например, перемещаются молекулы воды, некоторые растворенные вещества и ионы. Таким путем в клетке могут накапливаться необходимые элементы. Если часть поступающих в клетку веществ в процессе обмена веществ включается в состав сложных органических соединений (белков, жиров, углеводов), то концентрация этих веществ в клетке снижается и пассивное поступление будет продолжаться даже при очень небольшой концентрации их во внешней среде.

Однако многие вещества, необходимые для клетки, не могут поступать в нее пассивно: в одних случаях концентрация этих веществ во внешней среде меньше, чем в самой клетке; в других случаях для этих веществ клеточные мембраны непроницаемы или слабопроницаемы. Тем не менее, если эти вещества необходимы для жизнедеятельности клетки, они тоже поступают в неё, но уже другим путём – путем активного транспорта. В этом случае передвижение веществ возможно лишь с затратой клеткой определенного количества энергии. Такая работа ( транспорт веществ ) совершается в клетке за счёт энергии молекул АТФ – сложного органического вещества, молекулы которого содержат богатые энергией химические связи. Активный транспорт веществ через мембраны происходит при участии молекул белков, входящих в состав мембран. Путём активного транспорта переносятся некоторые ионы и органические вещества ( молекулы глюкозы и аминокислот ).

Цели исследования: ознакомиться с методами обнаружения избирательной проницаемости цитоплазматических мембран для различных веществ:

1) сравнить проницаемость цитоплазматических мембран клетки для различных веществ;

2) сравнить поступление ионов калия и кальция в цитоплазму клетки и оценить действие этих ионов на цитоплазму;

3) сравнить проницаемость мембран живых и мертвых клеток;

Работа № 1. Сравнение проницаемости цитоплазматических мембран для различных веществ – стойкий и временный плазмолиз в растительных клетках

Оборудование: микроскоп, предметные и покровные стёкла, стеклянные палочки, препаровальные иглы, скальпель, карандаш по стеклу.

Реактивы: растворы глюкозы и мочевины.

Растения: побеги элодеи ( Elodea Canadensis ).

Ход работы:

На два предметных стекла стеклянной палочкой нанесла по капле растворов: на первое – глюкозы, на второе – мочевины. В каждую каплю поместила по одному листу элодеи. Препараты накрыла покровными стёклами и через 2 – 3 минуты рассмотрела под микроскопом при малом увеличении. Нашла участки листа, в которых хорошо видны измененные клетки ( рис. 1 ), зарисовала их и отметила время начала наблюдения. Затем отложила препараты в сторону на 30 мин, с тем, чтобы потом вновь рассмотреть их.

Результаты:

1) в клетках листа элодеи обоих препаратов после первичного осмотра (через 2 -3 мин) наблюдается отделение пристеночного слоя цитоплазмы от клеточной стенки. Это явление называется плазмолиз;

2) при вторичном осмотре препаратов ( через 30 мин ) наблюдается сохранение плазмолиза клеток в растворе глюкозы ( стойкий плазмолиз ), а клетки в растворе мочевины вернулись в обычное состояние ( явление деплазмолиза ).

время наблюдения / реактив раствор глюкозы раствор мочевины

1) через 2 – 3 мин плазмолизированные клетки плазмолизированные клетки

2) через 30 мин плазмолизированные клетки обычные клетки

( стойкий плазмолиз ) ( деплазмолиз )

Выводы:

1) плазмолиз происходит под действием растворов солей, содержащих меньше воды, чем живое содержимое клетки. В этих условиях вода путем диффузии ( осмоса ) начинает выходить из клетки через цитоплазматическую мембрану. Сначала теряется вода цитоплазмы, затем через тонопласт выходит вода из вакуоли. В результате объём протопласта (живого содержимого клетки ) уменьшается, протопласт сморщивается и отстает от клеточной стенки;

2) не только плазмалемма клетки, но и тонопласт вакуолей легко проницаемы для молекул мочевины. При помещении клетки в концентрированный раствор мочевины, вода начинает оттягиваться из клетки – наблюдается явление плазмолиза. При длительном нахождении клетки в концентрированном растворе мочевины молекулы мочевины начинают проникать внутрь клетки через плазмалемму, а затем и внутрь вакуолей через тонопласт. Концентрация мочевины внутри и снаружи клетки постепенно выравнивается и плазмолиз заканчивается. Наблюдается явление временного плазмолиза ( деплазмолиза );

3) стойкий плазмолиз клеток в растворе глюкозы объясняется малой проницаемостью плазмалеммы и тонопласта для молекул глюкозы.

Работа № 2. Поступление ионов калия и кальция в цитоплазму клеток

Действие этих ионов на цитоплазму.

Оборудование: микроскоп, предметные и покровные стёкла, стеклянные палочки, препаровальные иглы, скальпель, карандаш по стеклу.

Реактивы: растворы нитрата калия и нитрата кальция.

Растения: луковица лука.

Ход работы:

На два предметных стекла нанесла по капле растворов: на первое – нитрата калия, на второе – нитрата кальция. В каждую каплю поместила по кусочку верхней кожицы ( эпидермиса ) с одной и той же чешуи луковицы лука. Препараты накрыла покровными стёклами и рассмотрела через 15 минут под микроскопом. Зарисовала клетки с характерной для каждого случая изменениями.

Результаты:

1) в клетках кожицы лука, находившихся в растворе нитрата калия, живое содержимое клетки ( протопласт ) сократился и образовал на своих полюсах набухшие участки – колпачки, которые располагаются по обе стороны вакуоли. Такой плазмолиз называется колпачковый;

2) в клетках кожицы лука, находившихся в растворе нитрата кальция, живое содержимое клетки отошло от клеточной стенки очень неравномерно, лишь на отдельных участках. Такой плазмолиз называется вогнутый.

раствор вид плазмолиза

1) нитрат калия колпачковый

2) нитрат кальция вогнутый

Выводы:

1) образование набухших участков цитоплазмы – колпачков свидетельствует о проницаемости цитоплазматической клеточной мембраны ( плазмалеммы ) для ионов калия и накоплении их в цитоплазме. Ионы калия способствуют уменьшению вязкости цитоплазмы ( она становится более жидкой ) и протопласт легко отходит от клеточной оболочки. От более коротких поперечных стенок клеточной оболочки протопласт отходит быстрее, чем от более длинных продольных, поэтому и приобретает вид « колпачков »;

2) ионы кальция также проникают через плазмалемму и накапливаются в цитоплазме. Они оказывают на цитоплазму противоположное действие: увеличивают её вязкость ( цитоплазма становится более густой ). Вязкая цитоплазма очень прочно сцепляется с клеточной оболочкой. Протопласт отходит от клеточной оболочки очень медленно и лишь на отдельных её участках, поэтому в растворе нитрата кальция в клетках образуется вогнутый плазмолиз;

3) цитоплазматическая мембрана ( плазмалемма ) живых клеток обладает таким свойством как проницаемость.

Работа № 3. Проницаемость цитоплазмы живых и мёртвых клеток.

Оборудование: микроскоп, предметные и покровные стёкла, стеклянные палочки, препаровальные иглы, скальпель, 3 пробирки, штатив для пробирок, зажим для пробирок, большой химический стакан ( 0,5 л ) с водой, сухое горючее, асбестовая сетка, карандаш по стеклу.

Реактивы: 30 %-ный раствор уксусной кислоты.

Растения: корнеплод столовой свёклы.

Ход работы:

Из корнеплода свёклы вырезала 3 одинаковых кубика со стороной приблизительно около 8 мм и, поместив их в химический стакан с водой, промывала кубики свёклы до тех пор, пока из пораненных клеток не перестал выходить клеточный сок ( клетки свёклы содержат в клеточном соке вакуолей красящее вещество – пигмент антоциан ).

Затем в три пробирки опустила по одному кубику корнеплода. В первую и вторую пробирки налила воды, а в третью – 5 мл 30%-ного раствора уксусной кислоты. Первую пробирку оставила для контроля. Содержимое второй пробирки прокипятила в течение 2 -3 минут.

Результаты:

1) во второй и третьей пробирках вода окрасилась в красный цвет, а в первой осталась бесцветной.

условия, результат /

- кипячение цвет раствора

№№ пробирок вода 30% уксусная кислота

№ 1 ( контроль ) + - - бесцветный

№ 2 + - + красный

№ 3 - + - красный

Выводы:

1) в контрольной пробирке № 1 во внутренних, неповрежденных при нарезании кубиков, клетках, сохраняется живое содержимое, так как вода не является для клеток повреждающим фактором. А в живых клетках тонопласт вакуолей, обладающий, как и все биологические мембраны, избирательной проницаемостью, препятствует выходу клеточного сока в цитоплазму;

2) в пробирках № 2 и № 3 клеточный сок, содержащий красный пигмент антоциан, оказался во внешней среде, так как и концентрированная уксусная кислота, и кипячение являются повреждающими факторами, которые привели к гибели клеток и разрушению внутриклеточных структур, в том числе тонопласта и плазмалеммы;

3) целлюлозная клеточная оболочка, сохраняющаяся после воздействия данных повреждающих факторов, легко проницаема для растворов веществ;

4) биологические мембраны ( тонопласт и плазмалемма ) сохраняют свои свойства ( избирательная проницаемость) и функции ( транспорт веществ ) только в живых клетках, в мёртвых клетках эти свойства и функции утрачиваются.

Общие выводы:

1) клеточные мембраны выполняют следующие функции: а) разделение содержимого клетки и внешней среды; б) регуляция обмена веществ между клеткой и средой;

2) клеточные мембраны сохраняют свои свойства и функции только в живых клетках.

Глоссарий

Деплазмолиз – процесс, обратный плазмолизу: восстановление клеткой необходимого давления протопласта на клеточную стенку ( восстановление упругости клеток ). Для подобного восстановления плазмолизированную клетку надо поместить в воду или раствор, содержащий больше воды, чем сама клетка. После этого вода путём осмоса ( диффузии ) начнёт поступать в клетку и постепенно клетка придёт в равновесие с окружающим её раствором, давление протопласта поднимется до необходимой величины, произойдет деплазмолиз; см. также диффузия, осмос, протопласт, плазмолиз.

Диффузия – передвижение любых молекул или ионов из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Диффузия будет происходить до тех пор, пока концентрации молекул в обеих областях не уравняются.

Ионы – атомы или группы атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом.

Клеточный сок – жидкость, заполняющая вакуоли, содержит растворённые в воде органические и неорганические вещества, ядовитые продукты обмена веществ, некоторые пигменты ( например, красный пигмент – антоциан ).

Клеточная стенка – оболочка, располагающаяся поверх ( снаружи ) клеточной цитоплазматической мембраны. Свойственна растительным клеткам, а также клеткам грибов и бактерий. В клетках животных не встречается. Клеточная стенка растений содержит углевод целлюлозу.

Осмос – процесс перехода молекул растворителя ( например, воды ) из области с более высокой концентрацией этих молекул ( то есть из раствора более разбавленного ) в область с более низкой их концентрацией ( то есть в раствор более концентрированный ) через избирательно проницаемую мембрану ( например, цитоплазматическую мембрану клетки ). Таким образом, необходимым условием для возникновения осмоса является наличие двух растворов разной концентрации, разделенных полупроницаемой мембраной; см. также диффузия.

Плазмалемма ( наружная клеточная мембрана ) – ультрамикроскопическая плёнка, состоящая из молекул жиров, белков и воды. У растительных клеток снаружи от плазмалеммы находится прочная, создающая внешнюю опору, поддерживающая форму и обеспечивающая защиту клетки клеточная стенка; см. также клеточная стенка.

Плазмолиз – отделение пристеночного слоя цитоплазмы от клеточной стенки растительной клетки. При плазмолизе протопласт перестаёт оказывать давление на клеточные стенки в результате чего растение увядает. Длительный плазмолиз приводит к гибели клеток. Для клеток животных не характерен, так как в их клетках отсутствует прочная клеточная стенка.

Плазмолизированная клетка – клетка, в которой произошёл плазмолиз.

Протопласт – живое содержимое клетки ( всё содержимое клетки, за исключением клеточной стенки, клеточного сока и запасных питательных веществ ).

Тонопласт – мембрана, находящаяся на границе между цитоплазмой и вакуолью.

Целлюлоза ( клетчатка ) – органическое вещество, углевод. Входит в состав клеточной стенки растительных клеток, обеспечивает клеткам прочность; см. также плазмалемма и клеточная стенка.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)