Физико-химические свойства цитоплазмы. Гетерогенность цитоплазмы

 

Таким образом, РНК, состоящая из большого количества разнообразно соединенных  четырех нуклеотидов, выполняет  роль кода, т. е. определяет первичную  структуру (аминокислотный состав и  последовательность), а следовательно, вторичную и третичную структуры синтезируемого белка. Ниже приведено соединение нуклеотидов, отвечающих определенным аминокислотам (нуклеотидно-аминокислотный код).

 

Первичным фактором, определяющим строение белков, являемся ДНК, находящаяся в хромосомах ядра клетки, где синтезируется иРНК. Таким образом, в зависимости от того, из каких нуклеотидов состоит молекула иРНК, поступающая в рибосому, и, будут синтезироваться соответствующие полипептидная цепочка, белок или фермент. 37. Поступление воды в растение. Верхние и нижние «двигатели» водного потока

теневыносливый растение орошение микрофлора

Основным  источником влаги является вода, находящаяся  в почве, и основным органом поглощения воды в растение-- корневая система. Роль этого органа, прежде всего, заключается в том, что благодаря огромной поверхности обеспечивается поступление воды в растение из большего объема почвы.

Сформировавшаяся  корневая система представляет собой  сложный орган с хорошо дифференцированной внешней и внутренней структурой.

Корневая  система имеет поглощающую или  всасывающую зону - это зона корневых волосков. Поступив в клетку корневого  волоска, вода становится частью живой  системы - клетки растения - и подчиняется  закономерностям, действующим в  живой клетке.

Передвижение  по растению определяется двумя основными  двигателями водного потока в  растении: нижним двигателем водного  потока или корневым давлением, верхним  двигателем водного потока или присасывающим  действием атмосферы.

Основной  силой, вызывающей поступление и  передвижение воды в растении, является процесс транспирации, в результате которого возникает градиент водного  потенциала. Градиент водного потенциала между клеткой и окружающим пространством  создает движущую силу потока воды через мембрану. Если окружающая клетку среда представляет собой гипертонические, более концентрированные, чем клеточный  сок, растворы, то вода станет выходить из клетки наружу. Это приведет к  потере тургора клеткой, отделению  плазмалеммы от клеточной стенки и обособлению протопласта - явлению  плазмолиза.

Механизм, обеспечивающий поднятие воды по растению за счет корневого давления, - носит  название нижнего концевого двигателя  водного тока.

Корневое  давление создается при переходе воды из коры корня в сосудистую систему корня при прохождении воды через пропускные клетки перицикла, из которых вода под давлением как бы впрыскивается в сосуды ксилемы. Доказательством этого служат явления гуттации и «плача растений».

Гуттация - это выделение капельно-жидкой влаги листьями через гидатоды в условиях затрудненного испарения. Плач растения - это вытекание пасоки (воды с растворенными в ней минеральными веществами, находящейся в ксилеме) из стеблей растений со срезанными побегами. Гуттация обычно имеет место в условиях высокой влажности воздуха, когда «выключен» верхний концевой двигатель водного токатранспирация- физиологический процесс испарения воды надземными органами растений. Он осуществляется в основном из листьев через устьица и кутикулу. 56 вопросПИГМЕНТЫ ЛИСТА

Для того чтобы свет мог оказывать  влияние на растительный орга-

низм и, в частности, быть использованным в процессе фотосинтеза,

необходимо  его поглощение фоторецепторами-пигментами.

Пигменты  — вещества, имеющие окраску. Видимая  часть спект-

ра представлена длинами волн от 400 до 800 нм. Органические ве-

щества, поглощающие свет с длиной волны менее 400 им, кажутся

бесцветными.

1. ХЛОРОФИЛЛЫ 

Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играет зеленый пиг-

мент  — хлорофилл. Французские ученые Пелетье и Кавенту (1818)

выделили  из листьев зеленое вещество и  назвали его хлорофиллом 

(от  греч. «хлорос» — зеленый и «филлон» -—лист). В настоящее вре-

мя известно около 10 хлорофиллов. Они отличаются по химическому

строению, окраске, распространению среди  живых организмов. У sctex

высших  зеленых растений содержатся хлорофиллы а и Ъ. Хлорофилл с

содержится  в диатомовых водорослях, хлорофилл d — ъ красных 

водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (а, I

с и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерш

В клетках зеленых бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и и

В клетках пурпурных бактерий —  бактериохлорофиллы а и Ъ. Основ-

ными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являются хлоро-

филл а для зеленых растений и бактериохлорофилл для бактерий.

Впервые точное представление о пигментах  зеленого листа было

получено  благодаря работам крупнейшего  русского ботаника

М. С. Цвета. Он выделил пигменты листа  в чистом виде и разработал

новый хроматографический метод разделения веществ. Метод этот

в дальнейшем получил широкое .применение как в биохимии, так и

в чисто химических исследованиях. ,

Хроматографический метод разделения веществ основан на их

различной способности к адсорбции. М. С. Цвет пропускал вытяжку 

из  листа через Стеклянную трубку, заполненную  порошком —- мелом

или сахарозой (хроматографическую колонку). Отдельные компонен-

 

ты  смеси пигментов различались  по степени адсорбируемости и пере-

двигались с разной скоростью, в результате чего они концентрирова-

лись в разных зонах колонки. Разделяя колонку на отдельные части

(зоны), используя соответствующую систему  растворителей, можно 

было  выделить каждый пигмент.

Хлорофиллы  а и Ъ различаются по цвету. Хлорофилл а имеет

сине-зеленый  оттенок, а хлорофилл Ъ — желто-зеленый. Содержание

хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с

хлорофиллом Ь.

Химические  свойства хлорофилла

По  химическому строению хлорофилл  — это сложный эфир дикар-

боновой органической кислоты — хлорофиллина и двух остатков

спиртов — фитола и метилового. Хлорофиллин представляет собой

азотсодержащее  металлоргаиическое соединение, относящееся к маг-

ний-пор фиринам . Эмпирическая формула хлорофиллина следующая:

.COOH

MgN4OH30C32/ .В хлорофилле водород карбоксильных  групп 

4COOH .

замещен остатками двух спиртов —- метилового СНзОН и фитола

С20Н39ОН. На рисунке 32, А дана структурная  формула хлорофил-

ла  а. Хлорофилл Ъ (рис. 32, Б) отличается тем, что содержит иа два

атома водорода меньше и на один атом кислорода  больше (вместо

лО

группы  СНз группа ). В связи с этим молекулярная масса хло-

рофилла а —• 893 и хлорофилла Ъ — 907-

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, кото-

рый соединен с четырьмя азотами пиррольных группировок. В пир-

рольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся

двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлоро-

филла, обусловливающая его окраску.

Расстояние  между атомами азота пиррольных группировок в ядре

хлорофилла  составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома маг-

ния равен 0,24 нм. Таким образом, магний почти полностью заполня-

ет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это

придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность. Еще 

К. А. Тимирязев обратил внимание на близость химического строения

двух  важнейших пигментов: зеленого —- хлорофилла листьев и крас-

ного — гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к

магний-порфиринам, то гемии — к железопорфиринам. Сходство

это не случайно и служит еще одним  доказательством единства всего 

органического мира.

Одной из специфических черт строения хлорофилла является на-

личие в его молекуле, помимо четырех гетероциклов, еще одной ци-

клической группировки из пяти углеродных атомов — циклопеита-

нона. В циклопентанонном кольце содержится кетогруппа, обладаю-

щая большой реакционной способностью. Есть данные, что в резуль-

 

H3O

 

 

C2H5

-N N=

HC \LG /CH

V //

 

С2Н5

НоС-Ч IV

 

 

H2C

Н2с^сн2

н2с<5.

 

69 вопрос Значения работ К.А  Тимирязева по фотосинтезу

 

К.А. Тимирязев известен как пламенный  борец за торжество материалистического  мировоззрения, как блестящий экспериментатор  и смелый ученый-демократ.

 

Климент Аркадьевич Тимирязев родился 22 мая 1843 г. в Петербурге в дворянской, но демократически настроенной семье. В 1860 г. Тимирязев поступил на естественное отделение физико-математического  факультета Петербургского университета.

 

Много времени и труда посвятил Тимирязев  разработке важнейшего вопроса биологии: какова роль солнечного луча в создании зеленым растением органического вещества. В результате длительного изучения спектра поглощения у зеленого пигмента хлорофилла ученый установил, что наиболее интенсивно поглощаются красные и несколько слабее сине-фиолетовые лучи. Кроме того, он выяснил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и химически участвует в самом процессе фотосинтеза. Современная наука окончательно подтвердила эти выводы ученого.

 

Однако  главная научная заслуга Тимирязева заключается в доказательстве того, что величайший закон природы - закон  сохранения энергии - распространяется и на процесс фотосинтеза, а следовательно, и на живую природу. Большинство исследователей тех лет, в особенности немецкие ботаники Ю. Сакс и В. Пфеффер, отрицали эту связь. К.А. Тимирязев показал, что его противники допустили ряд экспериментальных ошибок. Разработав методику необычайно точного исследования, Тимирязев установил, что только поглощаемые растением лучи производят работу, т.е. осуществляют фотосинтез. Зеленые лучи, например, не поглощаются хлорофиллом, и в этой части спектра фотосинтез не происходит. Кроме того, он отметил, что существует прямая пропорциональность между количеством поглощенных световых лучей и произведенной работой. Иными словами, чем больше световой энергии поглощено хлорофиллом, тем интенсивнее идет фотосинтез. Хлорофилл больше всего поглощает красные лучи, поэтому в красных лучах фотосинтез идет интенсивнее, чем в синих или фиолетовых, которые поглощаются слабее. Наконец, Тимирязев доказал, что на фотосинтез затрачивается не вся поглощенная энергия, а лишь некоторый ее процент (1-3%). Только после классических опытов К.А. Тимирязева наши знания о фотосинтезе получили прочный фундамент.

 

Также огромное влияние на развитие русской  агрономической науки оказала доступно и интересно написанная Тимирязевым  книга "Земледелие и физиология растений". Этот научный труд не утерял значения и в наше время.

 

Фотосинтез - процесс образования органического  вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических  пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

 

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза  в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры - это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.

 

Скорость  фотосинтеза возрастает линейно, или  прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего  увеличения интенсивности света  нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности  света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности (энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона - фиолетового и красного, различается всего лишь в два раза, и все фотоны этого диапазона в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза).

 

В случае низких интенсивностей света  скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования света, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температурам. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия - это температура около 25°С.

 

В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2. Отсюда можно сделать вывод, что С02 участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5%. (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие высоких концентраций СО2 повреждает листы). Высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании С02 около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если помещенное в замкнутый объем растение освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного под названием "С02 компенсационного пункта". В этой точке появление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2 в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны. 78Суточные и возрастные изменения фотосинтеза