4. Будова та функції елементарної біологічної мембрани. Плазмалема. Тонопласт.
І. Ботаніка як наука про будову та життєдіяльність рослин.
Ботаніка (від гречок."ботанэ" - трава, овоч, зелень) - наука про рослини.
Основні завдання ботаніки:
— вивчення особливостей зовнішньої й внутрішньої будови рослин;
— вивчення життєдіяльності, поширення на Землі;
— вивчення взаємин із навколишнім середовищем;
— можливості використання людиною.
Рослинний світ (флора) - характеризується величезним різноманіттям форм, що пристосувалися до різних умов середовища. Загальна площа планети Земля складає 510 млн. км2, на частку суші приходиться 149 млн. км2, на частку Світового океану - 361 млн. км2. На цьому великому просторі - близько 500 тис. видів рослин.
Рослини надзвичайно різноманітні за розмірами, способу життя, поширенню. Найбільш велика рослина суші - секвойядендрон, що досягає більш 100 м висоти при діаметрі стовбура до 10 м. Зараз це зникаючий вид, у дикому вигляді зустрічається лише в горах Каліфорнії, де знаходиться під охороною. У СНД також чимало могутніх дерев. Багато з них збереглися до наших днів і є пам'ятниками природи. Окружність стовбура платана "Дулдулу - чинар" 27 м, тасманського дуба длинноножкового - 43 м.
Поряд із такими гігантами серед квіткових рослин зустрічаються і карлики, наприклад, ряска мала. Діаметр її пластинки досягає 5-10 мм і вона вільно уміщається на нігті людини.
Рослини зустрічаються усюди: у гарячих джерелах, у пустелі, в Антарктиді, у гарячих ключах з Т0 60-65 С0 живуть і розмножуються зелені і синьо-зелені водорості.
Говорити про різноманіття рослин можна нескінченно, я зараз лише перелічу основні групи рослин, а в другому семестрі, вивчаючи "систематику рослин" ми детально зупинимося на кожній з цих груп.
Основні групи рослин:
- водорості,
- гриби,
- слизовики,
- лишайники,
- мохи,
- плауни,
- хвощі,
- папороті,
- голонасінні,
- покритонасінні.
ІІ. Космічна роль зелених рослин.
Космічна роль зелених рослин може бути коротко визначена таким чином:
I. Зелені рослини забезпечують атмосферне повітря киснем і підтримують вміст O2 в атмосфері на певному рівні (21% за об'ємом). Майже весь О2 сучасної атмосфери біогенного "походження, тобто вторинний. Первинний О2 утворився до появи зелених рослин у результаті розкладання молекул H2О під дією ультрафіолетових променів. За рік зелені рослини планети поглинають 600 млрд. тон CO2 та виділяють 400 млрд. тон O2.
II. У процесі фотосинтезу зелені рослини створюють органічні речовини з неорганічних, використовуючи енергію сонця. Річна продукція фотосинтезу на Землі досягає 1010 т. органічної речовини. Однак, при цьому варто врахувати, що рослини використовують лише 1-2% падаючої на них світлової енергії. І зараз, підвищення інтенсивності фотосинтезу, що веде до збільшення продуктивності рослин, є одним із перспективних напрямків сучасної науки.
III. В органічній речовині зелених рослин акумулюється сонячна енергія, за рахунок якої розвивається життя на Землі і яка становить у той же час основу енергетичних ресурсів, використовуваних людиною. Окислення органічних сполук у процесі дихання сприяє вилученню сонячної енергії. Таким чином, лише зелені рослини засвоюють енергію сонця, перетворюючи її з кінетичної форми на потенціальну - хімічно зв'язану. Сонячна енергія є рушійною силою всього живого.
IV. Рослини дають величезну кількість продуктів, необхідних людині, це і:
- деревина (дуб, сосна, береза, вільха);
- речовини, застосовувані в медицині (звіробій, пеніцил, ромашка);
- харчові продукти (картопля, пшениця, томати);
- зелена маса, використовувана на корм худобі (кукурудза, люцерна);
- рослинні барвники, що знаходять застосування в харчовій промисловості;
- рослини, що використовуються для декоративних і озеленювальних цілей.
Рослинна клітка звичайно, складається з трьох частин:
1. клітинної стінки - твердої і міцний;
2. протопласта - живого вмісту клітки;
3. вакуолі - порожнини в центрі клітки, заповненої клітинним соком.
Схематично можна зобразити в такий спосіб:
КЛІТинА
клітинна стінка вакуоль протопласт
цитоплазма ядро
гіалоплазма органели частки
Клітинна стінка (чи оболонка) і вакуоль є продуктами життєдіяльності протопласта. Хімічний склад протопласта характеризується наявністю білків, жирів, вуглеводів, мінеральних та інших речовин, а також високим вмістом води (75—90 % і більше).
Із загального складу сухих речовин протопласта найбільше припадає на білкові сполуки, які й становлять матеріальну основу життя клітини. Вони знаходяться в комплексних зв'язках з іншими складними органічними речовинами (наприклад, з нуклеїновими кислотами, жироподібними речовинами, вуглеводами і т. п.) і в своїй сукупності становлять складні сполуки — протеїди (нуклеопротеїди, ліпопротеїди, глікопротеїди, хромопротеїди та ін.).
Усі метаболічні процеси у клітині відбуваються з участю ферментів. Ферменти за своєю природою є особливими білками, тобто біологічними каталізаторами.
З вуглеводів зустрічаються моносахариди (монози), глюкоза, фруктоза, які мають формулу С6Н12О6; дисахариди — С12Н24О11 (сахароза); полісахариди —(С6Н10О5)—крохмаль, глікоген, інулін.
Важлива функція в життєвих процесах належить нуклеїновим кислотам, які відіграють велику роль в синтезі білка і формотворчих процесах. Відомі два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). Основна маса ДНК міститься в ядрі. Крім того, вона є в цитоплазмі, мітохондріях, хлоропластах. РНК знаходиться в рибосомах, незначна кількість в ядрі та цитоплазмі.
Мінеральні солі, жири, ліпоїди (жироподібні речовини) і цілий ряд інших компонентів доповнюють хімічний склад протопласта.
Протопласт - це складне утворення, диференційоване на різні компоненти – органели (чи органоїди). До органел клітки відносяться: ядро, пластиди, мітохондрії, лізосоми, ендоплазматичний ретикулум (ЕПР), диктіосоми. Див. схему 1.
Органели, занурені в гіалоплазму, що забезпечує їхню взаємодію. Гіалоплазма з органелами, за винятком ядра, складає цитоплазму клітини.
Структурну основу цитоплазми становить гіалоплазма (від гр. huаlоs — скло і плазма), вона є матриксом (від лат. mаtriх — субстрат, основа), в якому розташовані всі органели клітини. У зв'язку з цим створюються умови для взаємодії органоїдів між собою. Гіалоплазма неоднорідна, має сітку розгалужених канальців, трубочок і міхурців з мембранними оболонками.
Гіалоплазма — основна речовина цитоплазми. Вона активно рухається внаслідок перетворення хімічно зв'язаної енергії на механічну, що забезпечує внутрішньоклітинне транспортування речовин, синтез та обмін ліпідів, вуглеводів тощо. Маса гіалоплазми в клітині нестала і залежить від рівня розвитку клітини. В молодої клітини вона заповнює майже всю її порожнину. У міру старіння клітини об'єм гіалоплазми зменшується, обгортаючи тоненькою плівкою клітинні органели. Основну частину в такій клітині займає вакуоля (вакуолі).
Гіалоплазма живих клітин — гідрофільна багатофазна колоїдна система. Для гіалоплазми, а значить і для цитоплазми, властива лабільність (від лат. lаbіlіs — легкозмінний), тобто здатність змінювати свій стан і переходити з золю в гель, і навпаки. Колоїдний стан цитоплазми зумовлює в'язкість її, еластичність, здатність протистояти змішуванню колоїдів з водою.
Важливим компонентом гіалоплазми є мікротрубочки і мікрофіламенти. Це надмолекулярні білкові агрегати (структурні білкові компоненти). У мікротрубочках стінки побудовані з субодиниць білка тубуліна, які утворюють 13 повздовжних ниток. Центральна частина їх прозора. Мікротрубочки зорієнтовані одна з одною і розташовані недалеко від плазмалеми. Довжина мікротрубочок становить кілька мікрометрів.
Мікротрубочки нестійкі, вони то розпадаються, то з'являються знову. Передбачають, що їхні функції пов'язані з транспортуванням речовин по цитоплазмі, орієнтацією мікрофібрил целюлози, утворених плазмалемою, в бік клітинної оболонки. З участю їх хромосоми переміщуються під час поділу клітини, підтримується стабільна форма протопласта.
Мікрофіламенти мають розмір 4—10 нм, за будовою вони подібні до мікротрубочок, але внутрішня частина їх не пустотіла, а стінки складаються із скорочувального білка актіна. Вони можуть розміщуватися паралельно один одному або утворювати скупчення. За функціями ці структури, скорочуючись, зумовлюють рух цитоплазми. Мікрофіламенти разом з мікротрубочками утворюють гнучку сітку – цитоскелет.
Для зручності вивчення компоненти клітини умовно підрозділяють на дві категорії. До першої відносяться живі компоненти - органели, вони обумовлюють функціонування клітини як елементарної біологічної системи. Друга група компонентів - продукти життєдіяльності протопласта.
Органели в клітинах рослин і тварин мають подібну молекулярну організацію і близькі за хімічним складом, що свідчить про спільність походження.