Раздел 1. Физиология и биохимия растительной клетки

Растительная клетка является элементарной структурной и функциональной единицей растительного организма, в клетке протекают все физиологические процессы, характерные для организма в целом. Клетка – открытая биологическая система, обменивающаяся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Единство этих процессов составляет сущность жизни.

Растительная клетка состоит из клеточной оболочки и протопласта. Протопласт состоит из цитоплазмы и органоидов, которым присущи основные жизненные свойства клетки.

Клеточная оболочка выполняет защитную, опорную и транспортную функцию. Основными её химическими компонентами являются углеводы – целлюлоза, образующая прочную арматуру, пектиновые вещества и гемицеллюлоза, образующие полужидкий матрикс. Клеточная оболочка обладает высокой прочностью, упругостью, эластичностью, ограниченной растяжимостью. Она хорошо проницаема для воды, минеральных и органических веществ. Совокупность клеточных стенок и межклетников ткани называют апопластом.

Основной принцип структурной организации клетки – мембранный. На долю мембран приходится более половины сухой массы протоплазмы. Мембраны состоят из белков и фосфолипидов. Мембраны покрывают цитоплазму и органоиды клетки, за исключением рибосом. Цитоплазма от клеточной оболочки отделена плазмолеммой (внешняя мембрана), а от вакуоли – тонопластом (внутренняя мембрана). Матрикс цитоплазмы – гиалоплазма, или цитозоль. Гиалоплазма относительно однородная коллоидная субстанция, содержащая белки, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды, минеральные вещества. Важнейшим свойством мембран и цитоплазмы является их избирательная проницаемость (работы 1 и 2).

Каждый органоид клетки выполняет специфические функции: ядро – хранение и передача наследственной информация, регулирование всей жизнедеятельности клетки; хлоропласты – фотосинтез; митохондрии – дыхание; рибосомы – синтез белка; лизосомы – расщепление сложных органических веществ; аппарат Гольджи – синтез полисахаридов, белков и липидов, необходимых для построения мембран и оболочки (секреторная функция); пероксисомы – фотодыхание; глиоксисомы – превращение жиров в углеводы. Эндоплазматическая сеть связывает между собой все органоиды, выполняет транспортную и синтетическую функцию (на её поверхности находятся рибосомы).

Больше половины объема взрослой растительной клетки занимает вакуоль. Она заполнена клеточным соком – водным раствором минеральных солей, сахаров, органических кислот, аминокислот и других веществ. Концентрация клеточного сока колеблется в пределах 0,2…0,8 М. Вакуоль определяет осмотические свойства растительных клеток – их способность поглощать и выделять воду. Благодаря поступлению воды в вакуоль в клетках поддерживается тургорное давление, определяющее прочность и упругость растительных тканей. Вакуоль – депо запасных веществ (сахара, белки) и продуктов обмена (пигменты, алколоиды, гликозиды, сахара и пр.).

Основными химическими компонентами клетки являются углеводы, липиды и белки, относящиеся к веществам первичного происхождения.

Углеводы (работа 3) образуются в процессе фотосинтеза и используются для синтеза многих других органических веществ. Моносахариды подвергаются наиболее интенсивному обмену, они являются запасными, транспортными и защитными веществами клетки. Пентозы входят в состав различных нуклеотидов (РНК, ДНК, АТФ), витаминов, коферментов. Гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза и другие) являются мономерами многих олигосахаридов (мальтозы, сахарозы, раффинозы) и полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмала, инулина), выполняющих структурную или запасную функции.

Растительные липиды представлены ацилглицеринами (запасные вещества), фосфоглицеридами и гликолипидами (структурные компоненты мембран и цитоплазмы), восками (защитные вещества) и стероидами (физиологически активные вещества). Свойства липидов зависят от их кислотного состава, степени предельности и соотношения жирных кислот – предельных (пальмитиновая, стеориновая) и непредельных (олеиновая, линолевая, линоленовая). Свойства жиров характеризуют константы: температура плавления, йодное число, число омыления, кислотное число (работа 4).

Белки – высокомолекулярные полимерные соединения, построенные из аминокислот. Они имеют сложное строение (структуру) и важные для процессов жизнедеятельности свойства – амфотерность, заряд (работа 5), высокая реакционная способность, чувствительность к различным факторам, способность к самоорганизации и специфическому взаимодействию по принципу комплементарности и других. Благодаря этому белки выполняют самые разнообразные функции: структурную, энергетическую, транспортную, сигнальную, защитную, регуляторную, каталитическую или ферментативную (работы 6…9).

Из веществ первичного происхождения в растениях синтезируются вещества вторичного происхождения – органические кислоты, алкалоиды, гликозиды, эфирные масла и смолы, фитонциды, дубильные вещества, обладающие высокой физиологической активностью. Методы их количественного и качественного определения изучаются в разделе «Физиология и биохимия формирования качества урожая сельскохозяйственных культур» (стр. 95).