Вакуоли. Состав и свойства клеточного сока. Осмотическое давление, тургор и плазмолиз.

Вакуоли — это полости, ограниченные мембраной; хорошо выражены в клетках растений и имеются у простейших. Возникают в разных участках расширений эндоплазматической сети. И постепенно отделяются от нее. Вакуоли поддерживают тургорное давление, в них сосредоточен клеточный или вакуолярный сок, молекулы которого определяют его осмотическую концентрацию. Считается, что первоначальные продукты синтеза - растворимые углеводы, белки, пектины и др. — накапливаются в цистернах эндоплазматической сети. Эти скопления и представляют собой зачатки будущих вакуолей. В результате обмена веществ в растительной клетке образуются вакуоли - про­странства, заполненные раствором различных веществ - продуктов жизнедея­тельности протопласта. Этот раствор - клеточный сок. В молодых клетках клеточного сока мало и вакуоли имеют вид очень маленьких пузырьков вязкого коллоидного характера, но по мере роста клетки они разжижаются, увеличиваются, сливаются друг с другом. В конце концов в клетке образуется одна крупная вакуоль, а цитоплазма облегает ее тонким слоем и располагается постенно. Вакуоль отделена от цитоплазмы тонопластом.

Химический состав клеточного сока сильно варьирует в зависимости от вида растения. Огромное разнообразие химических веществ, выделяемых из рас­тений и обладающих лекарственными свойствами, находится в клеточном со­ке. Клеточный сок имеет чаще кислую реакцию.

Клеточный сок содержит 2 группы веществ: Продукты первичного обмена: углеводы (моно- и дисахариды - глюкоза, фруктоза, сахароза), белки простые растворимые, жиры в виде глицерина и жирных кислот.

Продукты вторичного обмена: Гликозиды клеточного сока - соединения некоторых сахаров (чаще глю­козы) со спиртами, альдегидами, фенолами и другими органическими вещест­вами. При соприкосновении с воздухом под влиянием ферментов быстро рас­падаются, нередко выделяя приятный запах. Этим объясняются запахи чая, кофе, какао, табака, горчицы, ванили. К гликозидам относятся вещества: амигдалин (в семенах миндаля, абрикоса); сапонины, используемые в качестве моющих средств (мыльнянка); кумарины - в листьях донника и др.; сердеч­ные гликозиды - в листьях наперстянки.

Дубильные вещества (танины) - сложные органические безазотистые со­единения вяжущего вкуса. Обладают антисептическими свойствами, что за­щищает растения от поражения микроорганизмами. Широко распространены в растительном мире: в коре дуба 10-20%, в листьях чая 15-20%, коре ивы 9-13%, в плодах хурмы, айвы, кизила. Используются в медицине как вяжущее средство, в текстильном производстве для окраски тканей в темно-коричневый цвет, в кожевенном производстве для дубления кож.

Алкалоиды - азотистые соли органических кислот: яблочной, винной и др. нерастворимы в щелочах, растворимы в воде. Образуются во всех частях рас­тения: в корнях и листьях белладонны (атропин), в семенах и млечном соке мака - папаверин, морфин, кодеин; в листьях табака - никотин; в клубнях кар­тофеля - соланин; в мухоморе - мускарин.

Широко применяются в медицине и сельском хозяйстве; в незначительных дозах возбуждающе действуют на нервные центры, в больших - парализующе. Хинин - против малярии, стрихнин - стимулирует мышечную деятельность; ко­каин болеутоляющее средство, морфин болеутоляющее и снотворное; папаве­рин - сосудорасширяющее; никотин - используется в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. Растения, содержащие алкалоиды, ядовиты и не поеда­ются животными. В клетках, содержащих алкалоиды, не развиваются споры и зачатки микроорганизмов, растения не поражаются грибковой и бактериаль­ной флорой (защитная роль).

Клеточный сок богат различными органическими кислотами: яблочная, винная, щавелевая, лимонная, янтарная и др. Функции разнообразны: участву­ют в процессе дыхания, отчасти выполняют роль фитонцидов и антибиотиков, защищая растение от поражения грибками, вирусными, бактериальными забо­леваниями, обеспечивая вкус растений и запах за счет летучих кислот: муравь­иной, масляной, уксусной.

Широко распространены в клеточном соке вещества, родственные углеводам – пектины. Легко желатинообразующие, используются в кондитерской про­мышленности. В фармации - для приготовления ряда лекарственных форм (как эмульгатор в эмульсиях, в пилюлях - как связывающий компонент).

Содержатся в большом количестве в ягодах клюквы, корне алтея, солодко­вом корне и др.

В клеточном соке накапливаются различные красящие вещества – пигменты, специфичные для каждого вида растений. Наиболее распростра­нены антоцианы, присутствуют в виде гликозидов. В зависимости от реакций, ко­торые он претерпевает в клеточном соке с солями, дубильными веществами, кислотами, он и придает различную окраску клеточному соку. Необычайное раз­нообразие окраски цветков у растений, а также листьев связано чаще всего с антоцианами. Красные маки, красные головки клевера, голубые и синие гиацин­ты, синие васильки - все это создается антоцианом. Не следует смешивать антоциан с хлорофиллом, каротином, ксантофиллом и другими пигментами пластид. Кроме привлечения насекомых, антоциан обладает защитным дейст­вием от низких температур, вредных короткосветовых волн. Из желтых пиг­ментов в клеточном соке встречается антохлор (в цветках желтого мачка, коро­вяка, льнянки, в плодах цитрусовых).

Существенными для жизни клетки являются витамины. Эта группа ор­ганических соединений разнообразной химической природы растительного, реже животного происхождения тесно связаны с ферментами; объединены в группы, основанные на их физиологическом действии на организм. Делятся на две группы: водорастворимые (С, В) и растворимые в жирах (А, Д, Е). Наиболь­шее содержание витаминов отмечено в листьях, созревших плодах, корнях. Некоторые (Е) содержатся в зародышах семян, другие (Д) - в прорастающих семенах.

Минимальные дозы необходимы для нормальной жизнедеятельности са­мих растений (для поддержания роста, регуляции дыхания, обмена веществ и пр.).

Протопласт растительной клетки вырабатывает также особую группу ве­ществ, обладающих свойством усиливать физиологические процессы. Такие вещества называют фитогормонами. Установлены фитогормоны, усиливаю­щие рост, клеточное деление, половые функции.

Гормоны роста - ауксины усиливают доступ кислорода, приток питательных веществ к эмбриональным тканям и создают условия для ростовых процессов. Изучен химический состав ауксинов, сначала выделен, а затем синтезирован искусственный гетероауксин, повышающий урожайность огурцов, томатов, перцев, конопли и других технических и овощных культур.

Клетки растений также продуцируют жидкие или летучие вещества, имею­щие для клеток профилактическое значение, они задерживают рост, а иногда и убивают микроорганизмы и других паразитов. Обладают избирательным дей­ствием: угнетают одних и безвредны для других микробов. Их называют антибиотиками (у низших) и фитонцидами (у высших).

Поступление веществ в растительную клетку. Жизнедеятельность организма, всех органов и клеток возможна лишь при непрерывно протекающих в них процессах обмена веществ. Клетка поглощает вещества из окружающей среды и одновременно передает образующиеся в ней продукты соседним клеткам или выделяет их во внешнюю среду.

Способность протопласта к непрерывному обмену с окружающей средой не­сет черты избирательности. Из большого количества веществ, находящихся вне клетки, в нормальных условиях внутрь ее проникают лишь определенные со­единения в определенных соотношениях. Соответственно этому лишь опреде­ленные продукты жизнедеятельности выделяются клеткой в окружающую сре­ду. В явлениях поглощения и выделения веществ клеткой, большую роль иг­рают процессы диффузии и осмоса. Как известно, частицы составляющих про­топлазму веществ обладают определенной клеточной энергией, что является причиной их непрерывного движения. Передвижение диспергированного ве­щества из одной части системы в другую называется диффузией. Это не хаоти­ческое движение молекул, а направленное, характер которого определяется рядом факторов: активностью диффундируемых молекул, градиентом концентри­рованных растворов; скорость диффузии определяется величиной и массой молекул, вязкостью среды, температурой и др. условиями, составом и свойст­вами других соединений в растворе. Сложность и гетерогенность строения протоплазмы обусловливает неодинаковую скорость диффузии в различных частях одной клетки. Если диффундирующее вещество встречает на своем пути перепонку с разной проницаемостью для растворителя и растворенного вещества, передвижение веществ в такой системе становится более сложным.

Являясь преградой для свободной диффузии электролитов, она обеспечивает постоянную разность концентраций между клеточным соком и окружающим клетку раствором. Проникновение жидких и растворимых веществ через полу­проницаемые перегородки получило название осмоса. Основное значение в процессе осмоса имеют явления адсорбции и десорбции. Им сопутствуют электроосмотические процессы. Осмотическое давление в клетке зависит не от коллоидов протопласта, а от растворов различных солей, сахаров, аминокис­лот в клеточном соке. Для проникновения извне каких-либо растворенных со­лей в клетку необходимо, чтобы осмотическое давление клеточного сока бы­ло выше, чем в окружающем клетку солевом растворе. Соли (электролиты) поступают в клетку не в виде молекул, а отдельными ионами, которые адсор­бируются на поверхности полупроницаемых мембран благодаря ее электрическому потенциалу. Ионы также имеют свои заряды и чем они больше, тем труднее проникновение их в клетку. Адсорбированные ионы затем десорбируются на внутреннюю стенку плазмалеммы и передаются в мезоплазму. Сорбционные процессы имеют обменный характер. Интенсивность этих явлений за­висит от дыхания клеток. Энергия, освобождаемая при ступенчатом распаде веществ, в процессе дыхания, используется в значительной степени на сорбционные функции клеток.

Если живую клетку положить в сильно разбавленный водный раствор се­литры, тотчас начинается осмотическое взаимодействие между клеточным со­ком и окружающим раствором. Клеточный сок, представляющий собой раствор разных веществ в различной концентрации, будет иметь более высокое осмо­тическое давление, чем внешний раствор и будет притягивать из него воду. Клеточный сок, увеличившись в объеме, будет давить на цитоплазму, послед­няя - на клеточную оболочку, растягивая ее во всех направлениях. Обладая уп­ругостью, оболочка окажет сопротивление давлению клеточного сока. Так как оболочка имеет ограниченную растяжимость, то сопротивление будет уве­личиваться по мере возрастания давления от прибавления воды. В известный момент эта сила сопротивления уравновесит осмотическое давление, хотя кон­центрация обеих растворов еще не будет однородной. Состояние напряжения клеточной оболочки называется тургором, а давление тургорным.

Степень тургора зависит от разности осмотического давления внутри и вне клетки и от упругости оболочки. Соединенный тургор массы клеток в организме растения создает напряжение, упругость всего растения, помогает стеблям со­хранять прямое положение, поддерживать массу листьев, противостоять ветру, бурям, ливням, ориентировать листья по отношению к свету. Словом, тургор обеспечивает нормальное физиологическое состояние растения.

Разность осмотического давления внутри и вне клетки обеспечивает сосу­щую силу клеток.

Обратное тургору явление получается, если клетку положить в крепкий раствор поваренной соли, более концентрированный, чем клеточный сок. В этом случае начнется сжатие оболочки и протопласта, но т.к. оболочка менее эла­стична, сжатие ее скоро приостановится, цитоплазма же, продолжая сокра­щаться, будет отходить от стенки клетки и примет форму комочка внутри клетки. Это явление называется плазмолизом. Плазмолиз в тканях расте­ния делает их вялыми, органы становятся дряблыми. Бывает выгнутым (протопласт округлый); вогнутый (протопласт местами не отрывается от обо­лочки, а частично втягивается внутрь); судорожный (без определенной законо­мерности).

Если поместить плазмолизную клетку в чистую воду, наблюдается явление, обратное плазмолизу - деплазмолиз.

При определенных условиях при потере клеточного тургора наблюдается циторриз, когда сжимается вся клетка (с оболочкой). Наблюдается при увя­дании растений и не является следствием потери воды осмотическим путем, а результатом испарения воды.