Крупная центральная вакуоль у покрытосеменных

Обновлено: 12.09.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ВАКУОЛЬ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ.

Современный этап развития биологии характеризуется исследованиями в ряде приоритетных научных направлений, одним из которых является изучение механизмов мембранного транспорта. Менее всего в настоящее время изучены эти механизмы применительно к специфичной для растений мембране - вакуолярной.

Наличие вакуоли является отличительной особенностью растительной клетки. Её роль в жизнедеятельности растений достаточно велика. В настоящее время показано, что это полифункциональный компартмент, который занимает особое место в структурной и функциональной организации растительного организма. Трудно переоценить роль вакуоли в регуляции клеточного объёма, тургора, а также pH и ионного гомеостаза цитозоля, что обеспечивает работу ферментов цитоплазмы, в изоляции вторичных продуктов метаболизма и метаболических ядов, в трансдукции сигналов различной природы, в процессах апоптоза, в ответных защитных реакциях растения на стрессовое воздействие и т.д. Одна из важнейших функций вакуоли состоит в запасании метаболитов.

Основным метаболитом, запасаемым в растении (в отличие от глюкозы в животной клетке), является сахароза. Процессы синтеза и транспортировки сахарозы по растению в настоящее время изучаются. Но каким бы способом ни транспортировалась сахароза (по симпласту или по апопласту), конечный этап дальнего транспорта - вакуолярная мембрана, которая содержит переносчик сахарозы и протонные помпы, обеспечивающие процесс транспорта. Путь к тонопласту идёт по донорно-акцепторным градиентам, а скорость закачивания сахарозы в вакуоль, которая зависит от активности протонных помп тонопласта, может являться в этом процессе одним из определяющих звеньев.

Различают пищеварительные и сократительные (пульсирующие) вакуоли, регулирующие
осмотическое давление и служащие для выведения из организма продуктов распада.
В клетках животных – пиноцитозная вакуоль.
Внутренняя мембрана клетки – тонопласт - окружает вакуоль. Царство одноклеточные, тип простейшие. – группа животных большинство из которой питаются органической пищей (бактерии, одноклеточные водоросли). Захваченные ими оформленные частицы пищи перевариваются в пищеварительных вакуолях – органоидах пищеварения. После чего растворенная часть переваренной пищи поступает в цитоплазму. У простейших, поглощающих
из окружающей среды жидкие органические вещества, пищеварительные вакуоли,
как правило, отсутствуют.

Так же для простейших характерны сократительные вакуоли – органоиды, основная функция которых заключается в регуляции осмотического давления в клетке. Эти вакуоли свойственны преимущественно пресноводным простейшим, так как в их теле осмотическое давление благодаря образованию солей, всегда выше, чем в окружающей среде, в результате чего через покровы внутрь тела непрерывно поступает вола. Удаление избытка воды с помощью сократительных вакуолей предохраняет простейших от гибели. Вместе с водой через сократительные вакуоли из тела простейших частично выводятся продукты обмена веществ.

Для клеток растений характерна хорошо развитая система вакуолей, в значительной степени обеспечивающая их соматические свойства.

Почти во всех клетках, особенно в старых, хорошо заметны полости – вакуоли. Они заполнены клеточным соком.

Клеточный сок – это вода с растворенными в ней сахарами и другими органическими веществами. В клеточном соке могут содержаться красящие вещества, придающие синюю, фиолетовую, малиновую окраску лепесткам и другим органам растений. Осенняя окраска листьев также обусловлена окрашенным клеточным соком. Разрезая спелый плод или другую сочную часть растения, мы повреждаем клетки, и из их вакуолей вытекает сок. Цитоплазма в каждой из клеток оттеснена вакуолью к оболочке. Молодые клетки, в отличии от старых, неспособных делиться, содержат много вакуолей. В старой клетке обычно имеется одна большая вакуоль.

II . ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ.

Растительные клетки отличаются наличием толстой целлюлозной клеточной стенки, пластид, крупной центральной вакуоли, смещающей ядро к периферии. Клеточный центр высших растений не содержит центриоли. Запасным углеводом является крахмал.

Вакуоль (франц. vacuole, от лат. vacuus — пустой) – наполненный жидкостью мембранный мешочек. В животных клетках могут наблюдаться небольшие вакуоли, выполняющие фагоцитарную, пищеварительную, сократительную и другие функции. Растительные клетки имеют одну большую центральную вакуоль. Жидкость, заполняющая её, называется клеточным соком . Это концентрированный раствор сахаров, минеральных солей, органических кислот, пигментов и других веществ. Вакуоли накапливают воду, могут содержать красящие пигменты, защитные вещества (например, таннины), гидролитические ферменты, вызывающие автолиз клетки, отходы жизнедеятельности, запасные питательные вещества. У растений вакуоли - производные эндоплазматической сети, окружены полупроницаемой мембраной - тонопластом. Вся система вакуолей растительной клетки называется вакуомом, который в молодой клетке представлен системой канальцев и пузырьков; по мере роста и дифференцировки клетки они увеличиваются и сливаются в одну большую центральную вакуолю, занимающую 70- 95% объема зрелой клетки .

Вакуоли растений, строение и функции.

В
очень молодых клетках вакуолей нет или они почти незаметны по мере роста и дифференцировки клетки вакуоли появляются в разных её участках, а затем, постепенно увеличиваясь, сливаются друг с другом и образуют одну или несколько крупных вакуолей, занимающих до 80% объема всей клетки.

Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной липоидно-белковой полупроницаемой мембраной, сходной по толщине с плазмалеммой. Мембрана, ограничивающая центральные вакуоли, носит название тонопласта. Возникают центральные вакуоли из мелких пузырьков, отщепившихся от эндоплазматической сети. Такие первичные провакуоли растут в объеме, сливаются друг с другом и, в конце концов, образуют одну или несколько крупных вакуолей, оттесняющих цитоплазму с ядром и органоидами к периферии клетки.

Полость вакуоли заполнена так называемым клеточным соком, представляющим собой водный раствор, в который входят различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и их соли и другие низкомолекулярные соединения, а также некоторые высокомолекулярные вещества (например, белки).

Одной из главных ее функций является поддержание тургорного давления клеток. Растворенные в соке вакуолей молекулы определяют его осмотическую концентрацию. Соответствующая молярная концентрация сока вакуолей и полупроницаемые свойства как ее мембраны, тонопласта, так и плазмалеммы способствуют тому, что вакуоль функционирует в

качестве осмометра и придает клетке необходимую прочность и тургисцентность (напряженность).

Другая функция определяется тем, что вакуоль представляет собой большую полость, отделенную от метаболизирующей гиалоплазмы мембраной, тонопластом, обладающим свойствами полупроницаемости и через который может происходить, как и через плазматическую мембрану, активный транспорт различных молекул. Поэтому вакуоли могут использоваться клетками как накопительные резервуары не только для отложения запасных веществ, но и для выброса метаболитов, для экскреции. Так выводятся, секретируются из клетки все водорастворимые метаболиты. Нерастворимые в воде органические компоненты могут превращаться в растворимые глюкозиды, соединяясь с молекулами сахаров. В вакуолях происходит отложение многих глюкозидов, к которым относятся различные пигменты, например антоцианы. Из неорганических веществ в вакуолярном соке накапливаются фосфаты калия, натрия, кальция, могут накапливаться соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др.). Это придает вакуолярному соку отчетливую кислую реакцию (рН от 2 до 5).

Другой обширный ряд функций вакуолей связан с накоплением запасных веществ, таких, как сахара и белки. Сахара в вакуолях содержатся в виде растворов, встречаются и резервные полисахариды типа инулина. В вакуолях происходит запасание белков, что характерно для семян. Поступление белков в вакуоли связано со способностью вакуолей ЭР и АГ сливаться с тонопластом. Запасание белков семян происходит в так называемых алейроновых вакуолях, которые заполняются альбуминами и глобулинами, после чего вакуоли обезвоживаются, превращаясь в твердые алейроновые зерна. При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в вакуоли. В таких новообразованных вакуолях выявляется активность некоторых ферментов, протеазы и РНКазы. Следовательно, алейроновые вакуоли отчасти напоминают лизосомы, где происходит переваривание запасных белков при прорастании семян. Стенки вакуолей могут образовывать впячивания внутрь, затем они отщепляются от тонопласта и растворяются внутри вакуоли.

Вакуолярная мембрана и роль вакуоли в растительной клетке .

Отличительной особенностью растительной клетки является наличие в ней центральной вакуоли, которая в ряде случаев может занимать до 90% объема зрелой растительной клетки и играет особую роль в структурной и функциональной организации растительного организма. Вакуоли активно участвуют во внутриклеточном перераспределении веществ, а также выполняют функции лизосом. Вакуоли аккумулируют большие количества запасных веществ и

других метаболитов, составляющих пищевую и лекарственную ценность растений (сахара, аминокислоты, органические кислоты, витамины, белки и др.).

При отложении веществ в запас вакуолярная мембрана выступает в качестве конечного барьера, регулирующего процессы накопления и удержания питательных веществ в запасающих органах растений. Механизмы формирования вакуолей при дифференциации клеток подробно рассматривались Матилем, который показал, что центральную вакуоль нужно рассматривать как скомбинированную органеллу, образованную путём объединения и слияния мембран различных клеточных органелл. Она является конечным продуктом дифференциации эндомембранной системы растений.

Образование центральной вакуоли стало решающем условием и основой выживания при выходе растений из воды на сушу. Формирование центральной вакуоли со специализированной мембраной - тонопластом, имеет фундаментальное значение в эволюции сосудистых растений и, видимо, является генетически закреплённым способом поддержания гомеостаза целого растения. То, что центральные вакуоли имеются практически во всех растительных организмах, свидетельствует о фундаментальной значимости этих органелл, поскольку в противном случае они бы элиминировали в процессе эволюции, по крайней мере, у некоторых видов или в некоторых тканях. Возникновение вакуоли способствовало ускорению эволюции растений и, в свою очередь, привело к изменению функциональной нагрузки и дифференциации вакуолей и их мембран в связи со специализацией клеток в системе целого растения.

В выполнении указанных функций ключевая роль принадлежит уникальной клеточной мембране - тонопласту. На сегодня известно, что вакуолярная мембрана содержит ряд специализированных систем пассивного и активного переноса веществ: каналы, переносчики, протонные помпы. Основной вклад в транспорт на тонопласте вносят две протонные помпы: Н^-АТФаза и ЕГ-пирофосфатаза. Оба фермента способны преобразовывать освобождённую при гидролизе АТФ и неорганического пирофосфата энергию в перенос протонов через тонопласт. Генерируемая разность электрохимического потенциала расходуется на вторичный транспорт ионов, Сахаров, аминокислот, который осуществляется через каналы и переносчики. Таким образом, Н^-АТФаза и К^-пирофосфтаза являются ключевыми ферментами в системе переноса углеводов и других соединений в антипорте с протоном.

Функции вакуоли в клетках высших растений .

В последние годы выявлена важная роль вакуоли в трансдукции сигналов различной природы, в процессах апоптоза и в ответных защитных реакциях растений на стрессовое воздействие. Это перечисление наиболее значимых функций вакуоли скорее всего не является исчерпывающим.

Доминирующая роль центральной вакуоли в регуляции внутриклеточного осмотического давления и клеточного тургора доказана результатами многочисленных исследований. Она

находится в соответствии с интенсивным накоплением внутри вакуоли неорганических ионов, а также целого ряда других соединений, в том числе органических. Осмотический баланс в клетке может достигаться благодаря аккумуляции внутри вакуолярного и цитозольного компартментов осмолитов различной природы, что особенно важно в условиях осмотического стресса, когда в цитоплазме накапливаются осмолиты, способные защитить ферменты и другие биополимеры от инактивации в результате обезвоживания или сопутствующего ему окислительного стресса. Осморегуляторная функция вакуоли не ограничивается участием в регуляции клеточного тургора и, по-видимому, связана с включением в регуляцию объёма или оводнённости цитозоля растительных клеток. Это предположение подтверждается обнаружением на вакуолярной мембране аквапоринов -интегральных белков, облегчающих пассивный трансмембранный перенос молекул воды.

Одной из основных функций вакуоли является гомеостатическая регуляция ионного состава цитозоля растительных клеток, связанная с поддержанием оптимальных условий для активной работы ферментов цитоплазмы. Её потенциальная способность к выполнению этой важной функции в клетке обусловлена тем, что она может накапливать внутри себя значительные концентрации как основных физиологически важных ионов, таких как Н4", К+, Na+, Ca2+, Mg2+, СГ, N03", так и ионов, обладающих токсическим действием (Cd , Zn ). Недавно была убедительно продемонстрирована гомеостатическая регуляция уровня К+ в цитозоле растительных клеток за счёт его вакуолярной компартментации. Включение вакуоли в регуляцию уровня свободного Са2+ также является хорошо известным примером участия этой органеллы во внутриклеточном ионном гомеостазе растительных клеток. Регуляция уровня Са2+ в цитозоле с участием вакуоли включает в себя не только аккумуляцию Са2+ внутри этой органеллы, но и мобилизацию его из вакуоли в цитозоль. Экспорт Са из вакуоли выполняет также очень важную роль в трансдукции сигналов в растительной клетке. В этом случае вакуоль выступает в роли донора вторичных посредников, обусловливающих передачу сигналов к метаболическим системам клетки.

Одна из важных функций вакуоли состоит в изоляции вторичных продуктов метаболизма и метаболических ядов. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в изучении обусловленных активностью вакуоли механизмов детоксикации экзогенных токсинов растительными клетками. Решающую роль в этом сыграло недавно обнаруженная способность изолированных вакуолей к Mg-АТФ-зависимой аккумуляции разнообразных глютатион-S-коньюгатов, в том числе и с гербицидами. Экспорт из цитозоля в вакуоль соответствующих GS-коньюгатов предотвращает токсическое действие на клетку тех или иных ксенобиотиков. В настоящее время найдено, что через GS-коньюгат-транслоцирующую систему могут

переноситься GS-коньюгаты антоцианина, некоторые фенольные соединения с аллелопатическими свойствами, а также некоторые фитоалексины. В животных клетках через эту транспортную систему могут изолироваться соединения, образуемые в ходе перекисного окисления липидов клеточных мембран или окислительного повреждения ДНК под действием активных форм кислорода. Поэтому есть основание предполагать, что эти же функции будут обнаружены и в растительных клетках.

Одной из наиболее важных функций вакуоли является запасающая. В некоторых случаях в вакуолях накапливаются значительные количества аминокислот и водорастворимых углеводов, причём их содержание нередко достигает 70-80% от суммы всех аминокислот или углеводов клетки. Нередко в вакуолях обнаруживают значительный пул органических кислот. Так, на листьях Bryophylum показано, что всего 2% всей внутриклеточной изолимонной кислоты участвует в метаболизме, остальные 98% изолированы в вакуолях. Состав углеводов, накапливаемых в большом количестве в вакуолях, значительно различается. Если вакуоли из лепестков и листьев тюльпана содержат в основном глюкозу и фруктозу, то корнеплоды столовой свёклы накапливают сахарозу. В вакуолях накапливаются большие количества фенолов, нитратов, витаминов и других вторичных соединений, которые нередко являются антиоксидантами или относятся к лекарственным соединениям.

В выполнении всех этих функций важная роль принадлежит уникальной клеточной мембране - тонопласту, которая разделяет содержимое вакуоли и цитоплазму клетки.
1.2. Тонопласт: особенности химического состава и физиологическая роль белков
Изолированная вакуолярная мембрана обладает типичным трёхслойным строением при толщине 9,5-10 нм, присущим для пограничных мембран in suti, и характеризуется достаточно сложной надмолекулярной структурой. При этом тонопласт имеет чёткую асимметрию, которая выражается в различной электронной плотности периферических слоев мембраны на поперечных срезах и в неодинаковой концентрации внутримембранных глобулярных частиц на вакуолярных и цитоплазматических сколах. Коэффициент распределения глобулярных частиц между вакуолярной и цитоплазматической сторонами составлял 725/1006 = 0.361. Известно, что высокая насыщенность глобулярными частицами (до 1000 - 3500 частиц на 1мкм2) характерна для мембран, проявляющих особенно высокую функциональную активность.

Внутримембранные глобулы, как правило, представляют собой глобулы трансмембранных (интегральных) белков, которые могут являться ферментами, ионными каналами и переносчиками. Суммарная площадь, занятая частицами на продольных сколах, составляла около 23,5% от общей площади поверхности тонопласта, а объём, занимаемый глобулярными частицами, составлял около 22% от объёма мембраны. Это удовлетворительно

коррелирует с результатами прямых биохимических анализов тонопласта, согласно которым во фракции вакуолярных мембран, тщательно очищенных от периферических белков, около 20% приходится на долю интегральных белков, извлекаемых из мембран только с помощью детергентов. Белок / липидное соотношение в тонопласте столовой свёклы составляло 0,69. 6-8% белков тонопласта были отнесены к периферическим, остальные 92% -к интегральным, пронизывающим мембранный матрикс. При электрофоретическом разделении в ПААГ с ДС в спектре белков тонопласта выявлялось около 20 полипетидов, большинство из которых имели молекулярные массы менее 70 кД. Спектр белков тонопласта, солюбилизированных Тритоном Х-100, состоял из 15 белковых полос, 8 из которых были гликопротеинами.

Такие биохимические характеристики, как белок/липидное соотношение, количественный и качественный спектр белков изменялись при использовании других объектов для получения вакуолярных мембран. Так, например, во фракции тонопласта, выделенной из корнеплодов столовой свёклы и из лепестков амариллиса обнаружены лишь следы углеводов, тогда как в тонопласте, выделенном из дрожжей, на 100 мг белка приходилось 79 мг углеводов. Но все исследователи, независимо от объекта исследования, отмечают высокую текучесть и эластичность вакуолярной мембраны, которая обусловлена большим содержанием липидов, составляющих до 80% от её общего веса.

Центральный вакуоль большая вакуоль найдена внутри растение клетки. Вакуоль – это сфера, заполненная жидкостью и молекулами внутри клетка, Центральная вакуоль хранит воду и поддерживает тургор давление в растительная клетка, Это также толкает содержимое клетки к клеточная мембрана, что позволяет клеткам растений поглощать больше световой энергии для приготовления пищи через фотосинтез, Вакуоли также встречаются у животных, протисты, грибковые и бактериальные клетки, но большие центральные вакуоли обнаруживаются только в растительных клетках.

Функция центральной вакуоли

Основная функция центральной вакуоли – поддерживать тургорное давление в клетке. Тургорское давление – это давление содержимого ячейки, толкающего клеточная стенка ; он встречается только в клетках, которые имеют клеточные стенки, такие как клетки растений, грибы, а также бактерии, Тургор изменения давления в клетке из-за осмос, какой диффузия воды в или из клетки. Когда растительная клетка находится в гипотоническое решение, существует более высокая концентрация молекул воды вне клетки, чем внутри, и вода будет течь в клетку. У растений это приводит к тому, что вакуоль заполняется водой, а клетка имеет высокую степень помутнения. Это оптимальное условие для растительных клеток. изотонический растворы имеют примерно одинаковую концентрацию молекул воды внутри и снаружи клеточной мембраны, поэтому количество воды, выходящей и входящей, одинаково. Растительные клетки становятся вялыми в изотонических растворах, и растение может начать опадать. В гипертонический В тех случаях, когда внутри клетки больше воды, чем снаружи, вода вытечет из клетки, и растение увядет и, возможно, умрет. Центральная вакуоль способна хранить много воды и набухать, так что растительные клетки могут поддерживать высокую вязкость, необходимую для оптимального функционирования растения. Центральная вакуоль также может временно хранить отходы и питательные вещества, и их концентрация также влияет на тургорное давление; наличие молекул, отличных от воды, в центральной вакуоли уменьшает тургутность, поэтому клетка всегда должна иметь гораздо более высокую концентрацию воды в центральной вакуоле, чем любая другая молекула.

Растительные клетки процветают в гипотонический решения, потому что их клеточные стенки предотвращают их разрыв из-за чрезмерного потребления воды. В отличие от животных клеток, которые не имеют клеточных стенок, лучше всего в изотонических решениях. Если клетки животных находятся в гипотонических растворах, слишком много воды попадет в клетку и клетка может взорваться.

Центральная вакуоль может занимать от 30 до 90 процентов пространства растительной клетки внутри клеточной мембраны, и одна из других функций центральной вакуоли заключается в том, чтобы подтолкнуть другое содержимое клетки ближе к клеточной мембране. Это позволяет органеллам внутри растительной клетки, называемым хлоропластами, получать больше света, что очень важно, потому что фотосинтез происходит в хлоропластах. Фотосинтез – это производство питательных веществ из световой энергии, углекислого газа и воды; это то, как растение готовит себе еду. Придавливая хлоропласты ближе к поверхности клетки, центральная вакуоль позволяет хлоропластам получать больше энергии от солнечного света.

Структура центральной вакуоли

Центральная вакуоль состоит из двух частей: клеточного сока и тонопласта. Клеточный сок относится к жидкости внутри вакуоли. В основном это вода, но также состоит из ионов, солей, отходов, питательных веществ, а иногда и пигментных молекул. Тонопласт – это мембрана центральной вакуоли; это также известно как вакуолярная мембрана. Он отделяет содержимое центральной вакуоли от остальной части клетки. Он состоит из фосфолипидов и белков, как и клеточная мембрана, которая покрывает растительную клетку. Белки в мембране тонопласта могут контролировать вход и выход воды в центральной вакуоли, а также регулировать движение ионов, таких как калий.

хлоропластов – органеллы в растительной клетке, которая осуществляет фотосинтез.
вакуоль – Маленькая заполненная жидкостью сфера мембраны в клетке, которая содержит и транспортирует молекулы.
осмос – диффузия воды через полупроницаемую мембрану.
тонопласт – фосфолипид мембрана центральной вакуоли.

викторина

1. Клетки каких организмов имеют центральную вакуоль?A. растенияB. животныеC. ГрибыD. Как А, так и С

Ответ на вопрос № 1

верно. Вакуоли находятся внутри клеток растений, грибов и некоторых простистов, бактерий и животных, но только клетки растений имеют центральную вакуоль. Одной из отличительных характеристик растительной клетки является ее большая центральная вакуоль, которая может занимать 30-90% пространства в клетке.

2. В оптимальных условиях растительные клетки имеют _____ тургорное давление.A. ВысокаяB. НизкийC. умеренный

Ответ на вопрос № 2

верно. Растительные клетки работают лучше всего, когда центральная вакуоль полна воды. Наполненный водой набухшая центральная вакуоль давит на остальную часть цитоплазма клетки, которая в свою очередь давит на клеточную стенку. Это создает высокое тургорское давление. Когда давление тургора потеряно, растения увядают.

3. Что НЕ является функцией центральной вакуоли?A. Для хранения отходовB. Контролировать тургорное давление клеткиC. Толкать другие части растительной клетки к поверхности клеточной мембраныD. Проводить фотосинтез

Ответ на вопрос № 3

D верно. Центральная вакуоль хранит отходы, питательные вещества и воду и поддерживает тургорное давление в растительной клетке. Поскольку он занимает так много места в клетке, он прижимает другие органеллы, такие как хлоропласты, ближе к клеточной мембране, и это позволяет хлоропластам поглощать больше света для использования в фотосинтезе. Фотосинтез не происходит в центральной вакуоли; это происходит только в хлоропластах.

Что такое вакуоль растительной клетки

Вакуоли – это действительно полости, которые есть в клетках растений и животных. В зависимости от тканей, местоположения, возраста клетки, вакуоли могут выполнять очень разнообразные функции. Особенно многочисленны функции вакуолей в растительных клетках.

Вакуоли – это органеллы клетки, которые представляют собой полости, заполненные жидкостью (клеточным соком) и отделенные от цитоплазмы клетки одной мембраной.

Особенности строение вакуолей растительной клетки

Вакуоли образуются из слившихся вместе везикул. Их образуют эндоплазматический ретикулум и комплекс Гольджи. В молодой растительной клетки вакуоли небольших размеров и обычно их несколько штук. Клетка растет и созревает, и мелкие вакуоли сливаются. Они образуют одну большую, так называемую, центральную вакуоль. Эта крупная вакуоль может занимать до 90% объема растительной клетки.

Функции вакуоли растительной клетки

Поскольку основное местонахождение вакуолей это растительные клетки, то и главная роль этого органоида именно в растительных клетках. Какие же функции выполняют вакуоли?

Одно из основных свойств – поддержание тургорного давления. Жидкость, которая заполняет центральную вакуоль, давит на клеточную стенку. Благодаря этому, растительные структуры остаются жесткими и выпрямленными. (Вспомните, что происходит с листьями растений, если забыть их полить несколько дней.)
Основное место хранении различных веществ. Это, в первую очередь, вода. Кроме нее: минералы, все питательные вещества, ионы, небольшие молекулы и отходы. Также растительные пигменты и ферменты.
Участвуют в росте клетки. Центральные вакуоли, оказывая давление тургора на клеточную стенку, помогают в удлинении клетки. Кроме того, из вакуолей выделяются особые белки, которые уменьшают жесткость клеточной стенки и делают ее более эластичной и способной к растягиванию.
Являются местом деградации молекул. Кислая среда внутреннего содержимого вакуолей, созданная тонопластом, активизирует ферменты. Более крупные молекулы (биологические полимеры) направляются в вакуоль и там разрушаются под их воздействием.
Сходная функция – детоксикация. С помощью вакуолей из цитозоля (жидкая составляющая цитоплазмы, окружающая органеллы клетки) удаляются потенциально опасные токсичные вещества. Это могут быть тяжелые металлы или гербициды.
Защита. Интересно, что вакуоли растительных клеток могут содержать и выделять химические вещества, которые неприятны или даже ядовиты для животных. Поэтому некоторые растения животные не только не едят, а стараются обходить их стороной.
Вакуоли обеспечивают прорастающие семена питательными веществами. Все необходимые для роста углеводы, белки и липиды, хранятся в вакуолях.

Типы вакуолей растительной клетки

Тип вакуолей определяется их основной функцией.

Химический состав вакуоли растительной клетки

Что же составляет химический состав вакуолей? Клеточный сок – это результат жизнедеятельности протопласта клетки. Клеточный сок – это водный раствор, обычно слабо концентрированный. В его состав входят как различные органические вещества, так и минеральные. Эти смеси образуют истинные или коллоидные растворы. При обезвоживании вакуолей эти вещества превращаются в форму кристаллов или кристаллоидов.

Клеточный сок имеет кислую среду. Состав химических веществ в клеточном соке во многом зависит от вида и состояния самого растения и его возраста.

Неорганические вещества клеточного сока:

фосфаты;
нитраты;
хлориды;
сульфаты,
карбонаты: кальция, калия, натрия;
йод,
бром.

Органические вещества более разнообразны:

Безазотистые вещества:

углеводы:
- моносахариды (глюкоза, фруктоза),
- дисахариды (сахароза),
- полисахариды (инулин),
- пектины;
- амигдалин и синиргин (горький вкус),
- кумарин (резкий запах),
- сапонин, дигитоксин (ядовиты в больших дозах),
- флавоны — это пигменты желтого цвета,
- антоцианы – пигменты, цвет окраски которых зависит от Ph среды клеточного сока. (В нейтральной среде – антоцианы лиловатой окраски, в щелочной — синие, в кислой — красные).
Примером красного цвета антоцианов могут быть расцветки в цветках пионов, гераней, маков, роз. Синий цвет — это антоцианы клеток цветков дельфиниума, васильков; малиново-лиловый — сливы, винограда, даже корнеплод свеклы.

Ярко-красный цвет осенних листьев – это тоже заслуга антоцианов. По мере разрушения хлорофилла, антоцианов становится все больше, особенно в холодную и солнечную погоду. Обратите внимание, что самые яркие листья во время холодной, но ясной осени.

Эти вещества, соединяясь с белками дают нерастворимое соединение. Богаты этими веществами кора дуба (до 20%), листья чая (15-20%). При дублении кожи, получается очень прочное и красивое изделие. Кроме дубления кожи, дубильные вещества используются как лекарства. Например, при лечении расстройств желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), ожогов и кожных заболеваний. Они обладают еще вяжущим и противовоспалительным свойствами.
- Органические кислоты: щавелевая кислота; яблочная, лимонная, винная, янтарная, бензойная, салициловая.
- Соли органических кислот: щавелевокислый кальций (оксалат кальция), щавелевокислый магний, щавелевокислый натрий, виннокаменный кальций.
1. Азотосодержащие:
- Белки – белковые кристаллоиды и глобоиды;
Обычно они накапливаются в вакуолях клетки, но при обезвоживании могут выпасть из коллоидного раствора, образуя кристаллоиды. Кристаллоид, заключенный в тонопласт высохшей вакуоли, называется алейроновым зерном.
- Аминокислоты: лейцин, аспарагин и тирозин;
- Алкалоиды.
Алколоиды обычно обладают жгучим вкусом и ядовиты. Они имеют выраженную физиологическую активность. И хотя для растений они полезны лишь косвенно, то на организмы животных и человека могут оказывать достаточно сильное влияние. И это влияние может быть как положительным, так и отрицательным, а иногда и губительным.

Алколоиды чаще всего используют в качестве лекарственных препаратов: наркотики, транквилизаторы, обезболивающие. Например: хинин, атропин, кофеин, эфедрин, стрихнин, морфин и другие. Никотин и анабазин используют как инсектицидные средства (против насекомых).

Размер вакуоли в растительной клетке

Поскольку вакуоли располагаются внутри клеток, то их размеры сопоставимы с размерами клеток. Например, большинство клеток растений имеет размер 15-60 мкм (бывают экземпляры как 10, так и 100 мкм). Клетки животные меньше по размеру.

Обычно объем вакуоли в клетки составляет более 30% от объема клетки. Но это не постоянная величина. В зависимости от типа клетки вакуоли могут составить от 5 до 90% объема клетки.

Количество и размер вакуолей также зависит и от возраста клеток. В молодых клетках – вакуоли небольшие и их несколько. С возрастом клетки, вакуоли сливаются в одну крупную.

Чем отличается вакуоль растительной клетки от животной

Вакуоли характерны в основном для клеток растений и грибов. Но некоторые животные клетки также могут содержать вакуоли.

В животных клетках вакуоли по своей сути выполняют функцию лизосом. Они содержат ферменты. С помощью процессов фагоцитоза и пиноцитоза вакуоли переваривают питательные частицы, отмершие части и элементы клеток.

Как и вакуоли растительных клеток, они накапливают и запасают питательные вещества и регулируют содержание солей и воды в клетках.

Какое значение для растительной клетки имеет вакуоль

Значение вакуолей растительных и животных клеток связано с их основными функциями.

В составе сока, находящегося внутри вакуолей, есть ферменты. Именно они разрушают все образовавшиеся вредные соединения. Очень важно значение вакуолей при гибели клетки. Вакуоли отмерших клеток лопаются, и ферменты разрушают уже не только продукты жизнедеятельности клетки, но и саму клетку. Это явление автолиза.

Ни одна растительная клетка не сможет существовать без внутреннего давления или тургора. Некоторые клетки умеют увеличиваться в размерах, и расти за счет этого растяжения. Вакуоли поддерживают упругость клеток.

Водный баланс важен для любого организма, в том числе и для клеток. Удерживать концентрацию внутриклеточной жидкости на постоянном уровне и регулировать водный баланс помогают вакуоли.

Даже внешняя красота листьев, цветов и плодов связана с вакуолями растительных клеток. В них содержаться красящие вещества, которые придают тканям определенный окрас. Вместе с хромопластами, сочетание цветов получается многообразным.

А вспомните, какое разнообразие вкусов дарят нам растения, благодаря клеточному соку. Сладкая малина, кислая смородина, кисло-сладкая облепиха. А лимон? Достаточно сказать название и мгновенно вспоминается яркий кислый вкус. Количество запасенного сока тоже впечатляет. Персики и вишня, арбузы и дыни. Даже высушенный сок вкусен – курага и изюм.

Царство — одна из высших ступеней биологической систематики. Растения, как таксон, этого высокого уровня объединяет 400 тыс. видов организмов — от микроскопических водорослей до гигантской секвойи, высота которой достигает 100 м. Общее свойство растений — фотоавтотрофный способ питания.

Царство растений

Растения — объект изучения науки ботаники. Основы одной из старейших отраслей научного знания заложил Теофраст — ученик древнегреческого ученого и философа Аристотеля. Современная ботаника представляет собой комплекс наук. Крупнейшие отрасли: морфология, физиология, систематика, происхождение растений. Отдельные крупные группы внутри биологического царства изучают частные ботанические науки. Например, предмет альгологии — водоросли.

Сходство строения клеток, механизмов обмена веществ и роста позволяют объединить растения с животными и грибами в группу эукариот.

Отличительные признаки растительного организма:
- Автотрофное питание.
- Пластиды в клетках;
- Целлюлозная клеточная стенка.
- Способность к постоянному росту.
- Характер ответа на внешние изменения.
- Относительная неподвижность.
- Связь с субстратом.
- Разветвленное тело.
Фотосинтез осуществляется в клетках, обладающих зелеными пластидами. Растения в экосистемах являются продуцентами, так как сами для себя создают органические вещества. Выделяемый при фотосинтезе кислород используют для аэробного дыхания другие живые организмы. Молекулы О₂ образуют защитный озоновый экран в атмосфере (Рис. 1).

Рис. 1. Фотосинтез

Царство растений (научное название Plantae) объединяет 12 отделов, из которых 4 — водоросли, 2 — мхи. В состав биологического царства также входят плауны, папоротники, хвойные и цветковые. Другие отделы представлены малым числом семейств, родов и видов.

Тело водорослей — талом (слоевище) — состоит из сходных по строению и функциям клеток. Вода обеспечивает водоросли (Algae) углекислым газом и кислородом, поддерживает тело, поэтому нет необходимости в механических тканях.

Высшие растения отличаются наличием тканей и органов. Сформированы многоклеточные органы полового и бесполого размножения. К высшим относятся споровые и семенные растения.

Как установили палеонтологи, низшие растения появились около 2 млрд. лет назад. Древние псилофиты вышли из воды на сушу. Это уже были высшие растения, лишенные корней, но имеющие сосуды — группы клеток для проведения воды к фотосинтезирующим клеткам. Сформировались защитные и механические ткани.

Выходу растений на сушу способствовали ароморфозы:
- возникновение эукариотической клетки;
- появление фотосинтеза;
- многоклеточность, дифференциация клеток;
- мейоз и оплодотворение;
- обособление гаплоидного и диплоидного поколений, их чередование в цикле развития;
- появление семени у древних папоротников;
- формирование цветка.
Покрытосеменные, или цветковые, заняли господствующее положение в царстве растений после голосеменных. Многие виды и более крупные систематические группы низших растений исчезли полностью или угасают.

Строение (ткани, клетки, органы растительного организма)

Растительные клетки содержат ядро, являются эукариотическими (хотя бы на одном из этапов развития). Органоиды в цитоплазме сходны у растений и животных (Рис. 2).

Рис. 2. Строение растительной клетки

Черты отличия клеточного строения растений от животных:
- есть пластиды, хлорофилл;
- над плазматической мембраной сформирована целлюлозная клеточная стенка;
- имеется крупная центральная вакуоль, наполненная клеточным соком;
- крахмал содержится в цитоплазме в виде зерен.
Ткани — группы клеток, сходных по происхождению, строению и функциям (Табл. 1). Всего у растений насчитывается от 20 до 30 типов таких скоплений клеток.

Описание тканей цветковых растений

Название

Локализация

Функции

Верхушка побега, кончик корня, основания листьев, междоузлия.

Образование других типов тканей; верхушечный и другие типы роста; регенерация повреждений.

Кора, кожица листа, стебля, корневые волоски.

Защита; газообмен с внешней средой; испарение.

Листья, стебель, плоды.

Фотосинтез; газообмен с окружающей средой; запасание воды; накопление продуктов обмена веществ.

Лубяные и древесные волокна, каменистые клетки.

Образование наружного и внутреннего каркасов для опоры и защиты.

Сосуды древесины, ситовидные трубки.

Транспортировка воды и минеральных веществ к листьям; проведение органических веществ от листьев к другим органам.

Железистые клетки, волоски, нектарники, млечники.

Образование млечного сока, влаги, нектара; накопление продуктов обмена.

Через устьица происходит испарение воды, газообмен. Специальные образования состоят из щели и замыкающих клеток. Последние имеют относительно толстые внутренние стенки, способные изменять форму и открывать устьица.

Органы цветковых растений

Орган — часть тела живого организма, состоящая из одного типа тканей, выполняющая определенные функции. Органы растений образуют две группы — вегетативные и генеративные. Вегетативные — корень и побег, состоящий из стебля, листьев и почек. Вместе они обеспечивают обмен веществ и рост. Генеративные органы у цветковых — цветок, семя и плод — участвуют в половом размножении (Рис. 3).

Рис. 3. Органы растения
- закрепление растения;
- снабжение водой и минеральными веществами;
- запасание питательных веществ;
- вегетативное размножение.
Клетки и ткани корня образуют четыре зоны: роста, всасывания, проведения и корневой чехлик. Последний защищает зону роста, облегчает движение между частицами почвы. Клетки корневых волосков в зоне всасывания поглощают воду с растворенными в ней минеральными веществами.

Зона проведения выполняет функцию транспортирования веществ из корня в стебель, листья. Также, в этой зоне у растений возможно закладывание почек, запасание питательных веществ.

Все корни растения образуют его корневую систему. Выделяют главный, боковые и придаточные корни. У двудольных растений стрежневая корневая система с хорошо развитым главным корнем. Однодольные растения имеют мочковатую корневую систему. Главный корень неотличим от придаточных.

Различия в функциях корней:
- воздушные позволяют эпифитам поглощать воду из воздуха, как происходит у филлокактусов, орхидей;
- дыхательные отрастают у видов, обитающих на мелководьях, на чрезмерно влажной почве;
- ходульные помогают выживать растениями в приливной зоне, на зыбкой почве;
- корнеплоды и корневые клубни запасают питательные вещества;
- цепляющиеся помогают закреплению стебля на опоре;
- опорные поддерживают развесистую крону.
Корни бобовых формируют симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Деревья образуют симбиоз с грибами, что позволяет получать больше воды из почвы. Грибы взамен получают органические вещества, созданные растением.

Побег — стебель с листьями и почками. Они могут быть расположены поочередно, супротивно (напротив друг друга), мутовками (группами), спирально. В строении побегов различают места прикрепления листьев — узлы. Участок побега между соседними узлами — междоузлие. Побег выполняет разные функции: дыхания, фотосинтеза, транспорта веществ.

По продолжительности жизни и степени одревеснения выделяют следующие жизненные формы растений: деревья, кустарники, травы. Последние еще делят на одно-, дву- и многолетние. Первые завершают жизненный цикл в течение 1 года. Двулетние в первый год образуют только вегетативные органы, на второй — цветут и образуют семена. Многолетники живут и цветут в течение продолжительного периода времени.

Почка — зачаточный побег. Различают вегетативные и генеративные почки. Вторые обычно более крупные, округлой формы. Внутри находится зачаток цветка.

Стебель — вегетативный орган растения, выполняющий функции опоры, проведения и запасания веществ. Для стебля характерны рост и ветвление. Орган принимает участие в вегетативном размножении. По характеру роста различают прямостоячие, ползучие, лазающие, цепляющиеся и вьющиеся стебли. К видоизменениям органа относят корневища, луковицы и клубни.

Лист обеспечивает фотосинтез, транспирацию (испарение воды), газообмен с внешней средой. Фотосинтез происходит в паренхиме листа. В строении органа выделяют листовую пластинку и черешок. В зависимости от количества этих составных частей различают простые и сложные листья. Форма и расположение на стебле, характер жилкования — важные систематические признаки.

Видоизменения листьев — приспособление к среде обитания:
- мясистые чешуи;
- сухие чешуи;
- колючки;
- усики.
Листья отличаются по размеру. У ряски, вольфии бескорневой они крошечные, у тропических пальм достигают нескольких метров в длину.

Цветок — это видоизмененный генеративный побег, который развивается из генеративной почки (Рис. 4). Строение цветка — важнейший систематический признак.

Рис. 4. Части цветка: 1— цветоножка и цветоложе; 2 — чашечка; 3 — лепестки венчика; 4 — тычинки; 5 — пестик.

Тычинка состоит из пыльника с пыльцой и тычиночной нити. В строении пестика различают верхнюю часть — рыльце и столбик, нижнее образование — завязь. Внутри находится семяпочка, из которой после оплодотворения развивается семя. Стенки завязи разрастаются и образуют плод.

Если в цветке имеются пестики и тычинки, то он относится к обоеполым. Однополые содержат только тычинки или только пестики. На однодомном растении расположены и тычиночные, и пестичные цветки. На двудомных развиваются или тычиночные, или пестичные цветки.

Упорядоченное расположение частей цветка отражают в формуле — условной записи строения с помощью обозначений (условных знаков). Например:
- ⚥ — символ обоеполого,
- ♀ — пестичного,
- ♂ — тычиночного цветка.
Семя — генеративный орган, который служит для распространения семенных растений, содержит запас питательных веществ для зародыша. Последний имеет все вегетативные органы в зачаточном состоянии.

Плод развивается из завязи цветка, служит для защиты и распространения семени. В зависимости от консистенции околоплодника, возникающего из стенок завязи, различают сухие и сочные плоды. Они могут быть одно- или многосемянными.

Жизнедеятельность растительного организма

Растение — живой организм, для которого характерны особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, раздражимость, развитие и воспроизведение. Основные метаболические процессы — фотосинтез, кислородное дыхание, корневое питание, водный обмен (Рис. 5).

Рис. 5. Жизнедеятельность растений

Фотосинтез происходит в зеленых клетках. Суть процесса — преобразование энергии света в энергию химических связей органических соединений. В превращениях веществ и усвоении энергии велика роль зеленого пигмента хлорофилла. Конечные продукты — сахар и крахмал.

Почвенное питание — процесс поглощения корнем воды с растворенными минеральными веществами. Неорганические соединения необходимы растениям для синтеза углеводов и белков, нуклеиновых кислот, АТФ. Недостаток питательных веществ приводит к минеральному голоданию растительного организма.

Клеточное дыхание у растений — процесс окисления органических соединений до углекислого газа и воды. Кислород поступает во все органы на свету и в темноте. Фотосинтез протекает только в зеленых клетках на свету. Дыхание, фотосинтез и водный обмен тесно связаны. Недостаток света, кислорода, воды отрицательно сказывается на жизнедеятельности растительного организма.

Размножение растений

Покрытосеменные размножаются вегетативным и половым способами. Первый тип воспроизведения себе подобных происходит за счет отделения и самостоятельного развития вегетативных органов либо их частей. Вегетативное размножение в природе осуществляется с помощью корневищ, клубней, луковиц, отпрысков, усов, выводковых почек и черенков. В практике растениеводства получили широкое распространение такие способы как черенкование, прививка, деление корневища, клональное размножение.

В половом размножении участвуют половые клетки. Они формируются в разных частях цветка — пыльцевом зерне и внутри семязачатков. Слияние гамет — оплодотворение — происходит после опыления. Так называют процесс переноса пыльцы на рыльце пестика.

У растений происходит двойное оплодотворение. Из вегетативной клетки пыльцы после опыления образуется трубка, растущая внутри пестика. Она достигает семязачатка. По пыльцевой трубке двигаются два спермия. Один из них сливается с яйцеклеткой, другой — с центральной клеткой. Образуются зигота и триплоидная клетка, обеспечивающая зародыш запасом питательных веществ. Созревшие семена и плоды распространяются ветром, животными, водой, человеком.

Рис. 6. Развитие растения из семени

Процесс индивидуального развития, или онтогенез, делится у растений на эмбриональный, вегетативный, генеративный периоды и старение. Длительность каждого этапа онтогенеза зависит от видовой принадлежности растительного организма (Рис. 6).

Раздражимость — способность воспринимать и отвечать на воздействия окружающей среды. Растения реагируют на внешние изменения не так, как животные. Реакция сводится к перестройке метаболизма, ростовым движениям. При неблагоприятных воздействиях закрываются устьица, останавливаются рост и развитие.

Растительный организм — целостная система, в которой каждый орган выполняет определенные функции в тесной связи с остальными. Сложные процессы регулируются с помощью биоэлектрических импульсов, фитогормонов.

Читайте также: