4. Биохимический состав, свойства и функции цитозоля и цитоскелета Цитозоль составляет большую часть цитоплазмы (55 % от общего объема клеток), не содержит органелл. Это коллоид, который состоит из сложной смеси растворенных в воде органических макромолекул - белков, жиров, углеводов и неорганических веществ. Содержит до 10000 различных видов белков, главным образом ферментов. В цитозоле находятся неорганические (вода, соли, газы) и органические вещества. Вода является основной составной частью цитозоля, она обеспечивает почти все жизненные процессы в клетках. Соли составляют 1-2 % цитозоля. В водной среде они образуют ионы. Большинство солей клеток - это карбонаты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и хлориды солей натрия, калия, кальция, магния и железа. Поддерживают осмотичность и кислотность цитозоля. Многие из них участвуют в биологических процессах и входят в состав некоторых белков. В клетках имеются кислород, углекислый газ, азот и аммиак. Кислород и азот поступают из атмосферы путем диффузии. Углекислый газ и аммиак образуются в клетке в результате обмена веществ. СО₂ образуется как конечный продукт при окислительных реакциях и постоянно удаляется из клеток. Азот - инертный газ, он не участвует в клеточных реакциях. Органические вещества составляют 20-25 % от массы живой клетки. Основными группами этих веществ являются: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Они обеспечивают специфику строения и функции клеток, являются энергетическими субстратами окисления, образуют запасные вещества. Цитозоль - это среда, где проходят биохимические реакции; на рибосомах в цитозоле синтезируется много белков; участвует в процессе поддержания гомеостаза клетки; обеспечивает постоянство состава клетки и ее структурной организации; является резервуаром различных субстратов (аминокислот, нуклеотидов, глюкозы и других), которые постоянно используются в обмене веществ для образования новых структур или их восстановление; обеспечивает рост и дифференцировку клетки. Цитоскелет - это сетка белковых фибрилл и микротрубочек, покрывающие изнутри цитоплазматическую мембрану и пронизывают внутреннее пространство клетки. Цитоскелет состоит из трех типов структур: 1) микротрубочки, образованные несколькими белковыми фибриллами, которые содержат глобулярний белок - тубулин; 2) микрофиламенты, имеющие способность сокращаться, образуются глобулярним белком - актином; 3) промежуточные филаменты (комбинация нескольких микрофиламентов).Функции цитоскелета: поддержка объема и формы клеток; изменение формы клеток; передвижение органелл и транспортных везикул; образование мультиферментних компонентов; интеграция всей цитоплазмы - объединение в единое целое; образование веретена деления во время митоза. 5. Биохимический состав и функции вакуоли. Осмотические свойства растительной клетки. Вакуоль - ϶ᴛᴏ полость в клетке, заполненная водянистым содержимым – клеточным соком и ограниченная от цитоплазмы избирательно проницаемой мембраной – тонопластом. Клеточный сок выделяется протопластом в процессе его жизнедеятельности и накапливается в вакуолях. Есть 2 пути образования вакуолей в клетке. 1 путь – расширения гранулярной ЭПС теряют рибосомы, изолируются, округляются и превращаются в мелкие вакуоли, а мембрана ЭПС становится тонопластом. Мелкие вакуоли сливаются, образуя одну центральную вакуоль. 2 путь – цистерны комплекса Гольджи образуют пузырьки с водянистым содержимым, которые сливаются, образуя мелкие вакуоли, а те в свою очередь – крупную вакуоль. Содержимое вакуоли – клеточный сок - это, чаще всего, водный раствор веществ, продуктов жизнедеятельности протопласта. Основа клеточного сока – вода (70% и более). В ней растворены органические и минеральные вещества, образуя коллоидный раствор, бывают и твёрдые включения. Из органических веществ на первом месте по количеству стоят углеводы, представленные низкомолекулярными растворимыми сахаридами (моносахариды – глюкоза, фруктоза; дисахариды – сахароза) и полисахаридами. Часто встречаются производные углеводов, образующих сложные органические соединения со спиртами, альдегидами, фенолами - гликозиды. К группе гликозидов относятся пигменты клеточного сока – флавоноиды. Самые важные из них – антоцианы. Антоцианы дают синюю, красную, розовую, фиолетовую, а в большой концентрации – чёрную .Функции антоцианов: 1) приспособительная (сигнальная); 2) защитная (чем ниже температура, тем больше антоцианов накапливается в растении – защита от замерзания).Другие пигменты-гликозиды – флавоны, окрашивают лепестки цветов в жёлтый цветРеже встречается бурый пигмент – антофеин, который обуславливает окраску бурых пятен на лепестках орхидных и некоторых других растений.Другая важная группа веществ – танины. Это высокомолекулярные соединения с фенольными кольцами. Содержатся в клеточном соке клеток коры, древесины, листьев и плодов многих растений. Функции танинов: 1) физиологическая (до конца не выяснена); 2) защитная -танины обладают дезинфицирующими свойствами (антисептики) и предохраняют клетки растений от гниения и инфекции.. Алкалоиды – большая группа природных азотсодержащих соединений основного характера. Аккалоиды содержатся в клеточном соке многих высших растений, чаще двудольных..В клеточном соке могут содержаться также органические кислоты: винная, яблочная, щавелевая, янтарная, лимонная и др.. Их соли, вместе с катионами калия и натрия, играют большую роль в осмотических процессах клетки. Много в клеточном соке минеральных солей, находящихся в растворённом состоянии в виде ионов. Также в качестве включений в клеточном соке могут содержаться белки, кристаллы солей .Значение веществ клеточного сока для растений.1) Вещества клеточного сока время от времени используются растениями, вовлекаясь в обмен веществ.2) Вещества клеточного сока имеют большое значение для передвижения воды в растении и обуславливают осмотические свойства клетки. Следовательно, клеточный сок определяет осмотические свойства клетки.  Тонопласт обладает избирательной проницаемостью для разных веществ и в основном выполняет транспортную и барьерную. Именно поэтому концентрация ионов и органических веществ в клеточном соке вакуоли обычно выше, чем в оболочке клетки, и поэтому вода будет поступать в вакуоль путём диффузии, стремясь уравнять концентрацию окружающей среды и клеточного сока. Одностороннее, однонаправленное, пассивное проникновение воды через полупроницаемую для растворённых веществ мембрану называется осмосом.По мере того, как вакуоль клетки насыщается водой создается давление вакуоли на протопласт – осмотическое давление (π*). Чем концентрированнее клеточный сок, тем активнее идёт диффузия воды в клетку, следовательно тем выше π* в клетке.По мере насыщения клетки водой протопласт становится упругим и развивается гидростатическое (тургорное) давление протопласта на клеточную оболочку .Упругое состояние клетки при максимальном её насыщением водой называется тургорным состоянием, или тургором. При потере воды растение теряет тургор и завядает.То есть тургорное давление – это давление, развивающееся в растительной клетке в результате осмоса. Тургорному давлению противостоит равное ему по величине и противоположное по знаку механическое давление, вызванное эластичным растяжением клеточной оболочки, направленное внутрь клетки. Оно называется противодавлением клеточной оболочки .Необходимое клетке количество воды, её поступление зависит от разности осмотического (π*) и тургорного (Р) давления. π* - Р = S - сосущая сила, - сила с которой вода входит в клетку. Когда клетка полностью насыщена водой её S = 0,а Р = π* (тургорное давление равно осмотическому давлению).Полный тургор наступает при достаточной влажности воздуха и почвы.При длительном недостатке воды Р = 0(растение вянет), а S = π*. 6. Фазы онтогенеза растительной клетки. Рост растений происходит в течение всего онтогенеза и обеспечивается постоянным функционированием апикальных меристем, которые формируют все части растительного организма. Апикальные меристемы главного побега и корня закладываются на ранних этапах развития зародыша. Они функционируют как два постоянно действующих эмбриональных центра растения. В основе роста лежит увеличение числа и размеров клеток, сопровождаемое их дифференциацией. Фазы роста – эмбриональная, растяжения и дифференци-ровки. На эмбриональной фазе на конце растущей зоны находится эмбриональная ткань – первичная меристема. Состоит из одинаковых мелких клеток, имеющих тонкие оболочки, нет центральной вакуоли, сплошь заполнена протоплазмой. Клетки делятся, при этом их размеры остаются более или менее постоянными. Вслед за делением происходит увеличение массы живого вещества до тех пор, пока она не достигнет размера материнской, после чего клетка делится. Увеличение размеров на этой фазе роста невелико. Эта фаза состоит из двух периодов: периода между делениями (интерфаза) и собственно деления клетки.. Процессы обмена веществ интенсивны. Происходит самовоспроизведение ДНК. В этот период происходят основные синтетические и энергетические процессы. Во время интерфазы клетка имеет высокий энергетический потенциал (АТФ/АМФ). При переходе к митозу, благодаря глубокой структурной перестройке, наступает энергетическая разрядка – и энергия выделяется в виде коротковолнового излучения. В этот период интенсивность процессов обмена, в том числе и дыхания, падает. Процесс деления клеток.зависит от соотношения ауксинов и цитокининов в ткани. Ключевыми ферментами, регулирующими вхождение клетки в клеточный цикл, переходы от одной фазы клеточного цикла к другой (G1-S-G2-митоз), являются циклинзависимыепротеинкиназы. На фазе растяжения идут значительные структурные и физиологические изменения. Объем клетки возрастает в 20–50 раз и даже в 100 раз. Особенности этой фазы: цитоплазма менее вязкая, более обводненная, каналы ЭПС расширяются; рибосомы прикрепляются к ЭР; изменяются митохонд-рии; увеличивается контакт митохондрий . Кроме того, увеличивается поверхность ядра, уменьшается ядрышко. Мелкие вакуоли сливаются в одну, где накапливаются гидролитические ферменты, в вакуолях увеличивается содержание сахаров, растет содержание осмотически активных веществ. В клетке усиливаются метаболические процессы. Возрастание синтеза отдельных белков-ферментов происходит неравномерно, меняется их соотношение, что приводит к различным биохимическим и физиоло-гическим особенностям. Усиливается рост клеточной оболочки за счет новообразования ее составляющих. Рост растяжением включает следующие этапы: рыхление связей между компонентами клеточной оболочки и увеличение ее пластичности; поступление воды, которая давит на стенки, вызывая растяжение и увеличение объема клетки; закрепление увеличения объема путем многосетчатого роста оболочки Процесс растяжения клеток контролируется ИУК. Это вызывает активацию локализованной в плазматиче-ской мембране Н+ - АТФазы и подкисление фазы клеточных стенок, что и приводит к их размягчению и растяжению. На фазе дифференцировки, в зависимости от концентрации гормонов, питательных веществ, энергетических зарядов и т. д., происходят дерепрессия или репрессия определенных участков генома и, как следствие, морфоло-гическая, биохимическая и функциональная дифференциация. На фазе дифференцировкиклетки не увеличиваются в размере, количество их остается прежним; поэтому линейный рост незначителен. Существует три типа дифференцировки: структурная– это возникновение различий по морфологическим признакам (на клеточном уровне она выражается в различной толщине и структуре клеточной стенки, форме клеток, разной степени их вакуолизации, особенностях развития тех или иных органелл); биохимическая – возникновение различий по составу белков-ферментов, способности к синтезу запасных веществ или вторичных метаболитов и другие изменения в клетке, влияющие на обмен веществ; физиологическая (функциональная) – формирование различий, при- водящих к выполнению разных функций. Биохимическая дифференцировка предшествует ее другим типам. На этой фазе возникает много клеток; при этом может происходить как усложнение, так и упрощение их структуры.

7. Исторические аспекты изучения фотосинтеза. Эволюционные этапы развития. В истории исследований фотосинтеза выделяют несколько основных этапов.1771-1850 годы. Открытие фотосинтеза английским ученым Дж. Пристлии первые исследования по зависимости фотосинтеза от освещения, содержания хлорофилла в листе и наличия СО₂в атмосфере (голландский врач Я. Ингенгауз и швейцарские естествоиспытатели Ж. Сенебье, Н. Соссюр).1850-1900 годы. Работы, связанные с исследованием энергетики фотосинтеза. Сформулированы основные положения о преобразовании в растении световой энергии в химическую (немецкий врач и физик Ю. Майер), о роли в этом процессе отдельных участков спектра (английский физикД. Г. Стокс, немецкий ботаник Ю. Сакс). ИсследованиямиК. А. Тимирязеварешен вопрос о зависимости фотосинтеза от лучей различной длины волны и сформулированы представления о фотосинтезе как процессе аккумуляции солнечной энергии.1900-1940 годы. Развитие физиологии фотосинтеза. В 1906 году русский ботаник М.С. Цветразработал метод хроматографического разделения и выделения хлорофиллов. Экспериментально обосновано представление о световых (фотохимических) и темновых (ферментативных) стадиях фотосинтеза (английский ученый Ф. Блекман, российский —А. А. Рихтер, немецкий — О. Варбург, американские — Р. Эмерсон, У. Арнольд). Английским исследователем Р. Хиллом в 1939 году показано, что изолированные хлоропласты в присутствии искусственного акцептора электронов (феррицианида калия) способны осуществлять транспорт электронов от воды с выделением молекулярного кислорода.1940-1950 годы. На основании анализа распределения изотопов кислорода показано, что источником О₂, выделяемого при фотосинтезе, является вода (российские ученые А. П. Виноградов и М. В. Тейц, 1941).1950-1960 годы. Развитие биохимиии фотосинтеза. Обнаружение цитохромов в хлоропластах (Р. Хилл, 1951). М. Калвин, используя метод меченых атомов, выяснил путь углерода при фотосинтезе (Нобелевская премия по химии в 1961). Р. Эмерсон (1957) экспериментально обосновал концепцию о двух фотосистемах. Американский биохимик Д. Арнон открыл в 1954 году фотосинтетическое фосфорилирование и провел различия между его циклическим и нециклическим путями. Разработаны основные положения фотохимии пигментов (российские ученые А. Н. Теренин, А. А. Красновский, американский биофизик Е. Рабинович и др.).С 1960 по настоящее время. Развитие исследований в области биофизики, биохимии, молекулярной биологии, генетики и физиологии фотосинтеза. В 1960 году Р. Хилл и Ф. Бендалл сформулировали представление о Z-схеме фотосинтеза. В 1966 году М. Хетч и К. Слэк (и одновременно российский исследователь Ю. С. Карпилов) обнаружили путь С₄-дикарбоновых кислот. В 70-х годах разработана теория фотосинтетической продуктивности растений (российский физиолог растений А. А. Ничипорович). Сформулированы представления о надмолекулярных комплексах ФС I, ФС II, b\f-цитохромном и АТФ-синтазном комплексах и их локализации в тилакоидных мембранах хлоропластов. Установлена структура реакционного центра — основного компонента фотосинтетического аппарата у пурпурных бактерий (немецкие биофизики И. Дайзенхофер, Х. Михель и Р. Хубер; Нобелевская премия, 1988). 8. Роль фотосинтеза в биосфере Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию в реакциях фотосинтеза. Гетеротрофные организмы — животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли — обязаны своим существованием автотрофным организмам — растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обоснованную К.А. Тимирязевым и В.И. Вернадским: экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты. Автотрофные растения Мирового океана (занимающего площадь около 360 млн. км²) по приблизительным подсчетам способны ежегодно превращать в органическое вещество 20-155 млрд. т углерода. При этом они используют всего 0,11% падающей на поверхность Земли солнечной энергии. Наземные растения (растущие на площади около 150 млн. км²) ежегодно фиксируют 16-24 млрд. т углерода. В результате фотосинтеза на земном шаре ежегодно образуется более 150 млрд. т углеводов. Кроме того, фотосинтез — единственный процесс, восполняющий убыль молекулярного кислорода из атмосферы в результате дыхания, горения и производственной деятельности человека. Ежегодная биопродукция О₂ составляет около 100 млрд. т. Однако увеличивающееся с каждым годом промышленное потребление О₂ . Ежегодный дефицит кислорода составляет почти 10 млрд. т. Одновременно регистрируется прирост СО₂, ежегодно составляющий до 1,5% от содержания его в атмосфере. Однако некоторые исследователи считают, что при повышении СО₂ в атмосфере скорость фотосинтеза увеличивается, что устраняет избыточное накопление углекислоты и восполняет убыль кислорода в атмосфере. Таким образом, в соответствии с основными функциями фотосинтеза можно выделить основные аспекты космической и планетарной роли зеленых растений: накопление органической массы; обеспечение постоянства содержания кислорода и СО₂ в атмосфере; предохранение поверхности Земли от парникового эффекта; образование озонового экрана в верхних слоях атмосферы.

9.Уровнение фотосинтеза. Происхождение О2. Световая фаза. Происхождение О2 при фотосинтезе обеспечивается ассимиляцией СО2. В основном используют воду в качестве источника водорода. Кислород, выделенный из воды, воздуха и образующийся при фотосинтезе, имеет одинаковое соотношение изотопов, тогда как кислород СО2 содержит относительно больше тяжелых изотопов. На основании этого: 1. В процессе фотосинтеза разлагаеся вода; 2. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, который является основным источником кислорода воздуха. Поскольку весь кислород фотосинтеза выделяется из воды, общее уравнение фотосинтеза принимает следующий вид: 6СО₂+12Н₂О+hv→С₆Н₁₂О₆+6О₂+6Н₂О. Световая фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента — АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды:Н₂О + Q_света → Н⁺ + ОН^—.Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН:ОН^— → •ОН + е^—.Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:4НО• → 2Н₂О + О₂.Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре». В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н⁺ заряжается положительно, с другой за счет электронов — отрицательно. Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ; атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) до НАДФ·Н₂:2Н⁺ + 2е^— + НАДФ → НАДФ·Н₂.Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н₂; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н₂транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазе.

10. Фотоэффект и квантовый выход фотосинтеза. Эффект Эммерсона и две пигментные системы.

Явление фотоэффекта (испускание электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения), открытое Эйнштейном, интенсивнее любой фотохимической реакции, зависит не от количество поглощенных электронов, а от числа поглощенных квантов. Объясняет более высокую интенсивност фотосинтеза в красных лучах по сравнению с синими: красный – 42 ккал/моль, синий – 70 ккал/моль.

Квантовый выход фотосинтеза (КВФ) - соотношение между количеством молекул усвоенного углекислого газа или образовавшихся молекул кислорода и числом квантов, поглощенных фотосинтезирующим аппаратом. Квантовый выход фотосинтеза иллюстрирует эффективность использования растением света при фотосинтезе. Максимальное значение К. В. Ф. при 100%-ной конверсии поглощенной энергии составляет 0,34 О₂ на 1 квант красного света. Известно также понятие квантового расхода (КР), являющееся величиной, обратной КВФ. Минимальное значение КР для образования одной молекулы О₂ составляет 8 квантов. Коэффициент полезного действия трансформации световой энергии в химическую при КР-8 составляет 37%. При неблагоприятных условиях среды КР может увеличиваться в десятки, сотни и более раз. Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удаленную, орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень. Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на бесконечно большом расстоянии от него. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света. В первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Не каждая молекула хлорофилла принимает участие в последующих фотохимических реакциях. Непосредственная связь с реакционным центром осуществляется примерно одной из 200—250 молекул хлорофилла. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. В 1957 г. Эммерсон рассчитал квантовый выход фотосинтеза. Величина показывает, сколько выделяется молекул кислорода (или поглощается молекул СО₂) на 1 квант поглощенного света.

В световой фазе фотосинтеза функционирует 2 фотосистемы. Эффект усиления Эммерсона. 650 нм – коротковолновой красный свет. Ф = 0,01 м.О₂/1 кв.; h = 100 кв./1м.О₂. Q₆₅₀+Q₆₉₀=Ф 0.09 мО₂/1кв и h 112.5 кв/1м О₂; Q₆₅₀+Q₆₉₀=Ф 0,13 мО₂/1кв; h 7,7 кв/1м О₂.

Если освещать одновременно короткими и длинными красными лучами, то показатели Q будут выше, чем сумма действия каждого света в отдельности и выше, чем действие красного. В хлоропластах взаимодействуют 2 системы, благодаря чему резко повышается эффективность использования поглощенного света. Можно попеременно освещать через краткие промежутки времени длинами волн 650-690 нм, что дает такой же эффект. В 2-х фотосистемах существуют промежуточные продукты, относительно долгоживущие, через эти продукты фотосистемы взаимодействует друг с другом, только при этом условии резко повышается квант системы.

В состав фотосистем входит: ССК(светособирающий комплекс)+РЦ(реакционный центр), электронтранспортная цепь, АТФ-комплекс. Для фотосистемы-2: S-комплекс – кислородовыделяющий компонент. Состав ССК для 2-х фотосистем разный: для ФС-2 – состав несколько коротковолновой(хлорофиллы В(650) и хлорофиллы А(650,660,670,677,684); РЦ – Р₆₈₀. Для ФС-1 – более длинноволновой(хлорофиллы В, хлорофилл А(662,668,679,687,695); РЦ – хл.А Р₇₀₀.

Соотношение хл. А и В =1,2-1,4. В ССК входит примерно 50 м. каратиноидов, 400-550 нм. Хлорофиллов на 1 РЦ от 200-400 молекул. В ходе эволюции ФС-1 возникла раньше, у фотосинтезирующих бактерий есть только ФС-1 и у них нет кислородовыделяющего комплекса.