Физико-химические свойства протоплазмы, их физиологическое значение и роль во взаимодействии растения с внешней средой

Тема 3 Основные принципы действия регуляторных механизмов клетки

Физико-химические свойства протоплазмы, их физиологическое значение и роль во взаимодействии растения с внешней средой

Протоплазма – живое содержимое клетки (цитоплазма + ядро). Термин протоплазма впервые предложил чешский ученый Я. Пуркинье в 1839 г. Протоплазма обладает рядом физико-химических свойств. Физические свойства протоплазмы тесно связаны с ее структурными и коллоидно-химическими свойствами.

Структурная неоднородность протоплазмы тесно связана с ее химической разнокачественностью. Структурной основой протоплазмы служат белковые вещества и их соединения, которым принадлежит 2/3 содержащихся в протоплазме сухих веществ. В цитоплазме имеется непрерывная липидная фаза, которая простирается от плазмолеммы до тонопласта и выполняет роль растворителя липофильных веществ. В мезоплазме (толща протоплазмы, заключенная между плазмалеммой и тонопластом) имеется непрерывная водная фаза. По существу вся имеющаяся в клетке вода находится в связи с веществами, входящими в состав клеточной стенки, протоплазмы и вакуолярного сока. Различна лишь форма и характер этой связи.

Протоплазма представляет собой сложное соединение коллоидных растворов белка и других органических веществ с истинными растворами солей и ряда неорганических соединений.

Следует различать истинные растворы, коллоидные растворы и суспензии. Истинные растворы отличаются прозрачностью; благодаря малым размерам растворенных частиц они легко проходят через биологические мембраны. Суспензии или взвеси – мутные жидкости, частицы которых более 0,2 мкм. При отстаивании взвешенные частицы оседают. Если частицы имеют промежуточные размеры – от 0,1 до 0,001 мкм т. е. слишком велики, чтобы образовать истинный раствор, но и слишком малы, чтобы выпасть в осадок, возникает коллоидный раствор (от греч. colla – клей).

В Коллоидных растворах на поверхностях частиц создаются огромные суммарные площади. Например, общая площадь поверхности 1 см³ равна 6 см². Если раздробить его на 8 кубиков величиной 0,5 см³, то поверхность каждого кубика будет равна 1,5 см², а общая площадь поверхностей всех 8 кубиков возрастет до 12 см². Если измельчение частиц будет доведено до размеров, встречающихся в коллоидных растворах, например с ребрами в 0,01 мкм, то общая площадь поверхности таких частиц достигнет 6 000 000 см² (т. е. 600 м²). Поскольку многие химические реакции происходят на поверхностях частиц цитоплазматического матрикса клетки, коллоидные растворы оказываются наиболее удобным физико-химическим состоянием вещества для протекания таких реакций.

В коллоидном растворе различают непрерывную фазу, или дисперсионную среду, и коллоидные частицы – дисперсионную фазу. Дисперсионная фаза протоплазмы состоит чаще всего из макромолекул белка. Коллоидные частицы протоплазмы как бы «взвешены» в дисперсионной (жидкой) среде, вследствие чего создается огромная поверхность, на которой происходит оседание, адсорбция веществ, поступающих в клетку, и осуществляются разнообразные биохимические реакции.

Коллоиды протоплазмы бывают в двух состояниях: в виде коллоидного раствора (золя) и студня (геля). В состоянии геля (от лат. gelatin а – студень) вытянутые белковые молекулы, соприкасаясь частями поверхностей между собой, образуют остов из сетки, заполненный дисперсионной средой. Когда коллоидные частицы – белковые макромолекулы расходятся, коллоид переходит в золь (от лат. solutus – растворенный).

Коллоидным состоянием протоплазмы обусловлена ее вязкость. У большинства клеток консистенция цитоплазматического матрикса превышает вязкость воды не более чем в 5-10 раз, но в ряде случаев может быть и значительно выше.

Физико-химическое состояние протоплазмы очень лабильно. При действии на нее разнообразных термических, механических, химических и других повреждающих агентов в клетках происходят паранекротические изменения («паранекроз» в дословном переводе значит «вблизи смерти»). Паранекроз проявляется в повышении вязкости, укрупнении раздробленных коллоидных частиц, увеличении адсорбции, изменении реакции цитоплазмы в сторону большей кислотности и т. д. Если сила раздражителя незначительна, процесс обратим. При более сильном воздействии наступают необратимые изменения – денатурация протоплазмы, при которой клетки гибнут. Такие изменения сопровождаются внутримолекулярными изменениями белка. Денатурированная протоплазма теряет свои нативные, естественные свойства, нерастворима в воде, химически инертна. Она не может быть возвращена в прежнее, нативное состояние.

Для поддержания нормального состояния протоплазма нуждается в непрерывной затрате энергии, освобождающейся из веществ, поступающих в клетку или синтезированных в ней.

И так, протоплазма обладает рядом таких физико-химических свойств, как:

− проницаемость;

− вязкость;

− эластичность;

− раздражимость;

− движение и т.д.

Проницаемость протоплазмы – совокупность физико-химических свойств, которые определяют способность протоплазмы поглощать те или иные вещества из внешней среды, накапливать и выделять их во внешнюю среду.

Вещество, поглощаемое протоплазмой, либо связывается ею, либо поступает из нее в клеточный сок. Взятые в высоких концентрациях вещества обычно не проникают в протоплазму, но оттягивают из нее воду. При этом протоплазма в некоторых местах отходит от клеточной стенки. Это явление получило название плазмолиза.

Плазмолиз (от др.-греч. πλάσμα – вылепленное, оформленное и λύσις – разложение, распад) – отделение протопласта от клеточной стенки в гипертоническом растворе.

Проницаемость протоплазмы носит избирательный характер. Например, проницаемость протоплазмы одно­го и того же растения по отношению к различным ионам неодинако­ва. Так, у водоросли валонии содержание Na⁺ в 5-6 раз меньше, чем в окружающей морской воде. Содержание же К⁺ в клеточном соке той же валонии значительно превышает содержание К⁺ в морской воде.

Факторы, влияющие на проницаемость протоплазмы:

1) температура;

2) освещение. Влияние света на поступление разных ионов неодинаково. В опытах Колландера хара поглощала ионы Li в темноте в 4-6 раз больше, чем Rb, а на свету – в 10-12 раз;

3) концентрация вещества во внешнем растворе. Нередко абсолютное количество ионов, поглощенных корнями из разбавленного раствора, значительно выше, чем из растворов более концентрированных;

4) генетические свойства растения;

5) возраста и физиологическое состояние растения;

6) тип растительной ткани (например, различные зоны растущей части корня) и уровень метаболизма в ее клетках и др.

Избирательная проницае­мость свойственна только живым клеткам. Поступление веществ в убитые клетки осуществляется путем диффузии и осмоса, т. е. пассивно. В живых клетках в этом процессе участвуют специфические активные механизмы.

Уровень проницаемости различных мембран одной и той же клетки неодинаков. Различна даже проницаемость отдельных участков одной и той же мембраны. Так, основным барьером для большинства электролитов слу­жит практически только плазмалемма, тогда как пассивное проник­новение неэлектролитов из внешней среды в вакуоль контролируют как плазмалемма, так и тонопласт.

Дата добавления: 2015-07-10