Осмотические явления в растительной клетке. Плазмолиз
Осмос и осмотические явления. Осмотическое давление
Все биологические мембраны представляют собой полупроницаемые мембраны,
так как в силу своей структуры они пропускают одни вещества (воду, газы), а другие
(крупные заряженные молекулы, к примеру, глюкозу) – нет. На самом деле, конечно, в
мембране клетки есть переносчики для глюкозы, но они строго регулируются и не
позволяют веществу проходить в клетку бесконтрольно; то же самое можно сказать про
каналы для ионов. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается
одним из признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует
поступление и веществ внутрь себя и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за
липидной природы даже мембрана мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и
менее «избирательной», чем мембрана живой.
Избирательность
транспорта
через
проницаемую
мембрану
ведет
к
возникновению в клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления,
происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой
мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют:
плазмалемма – мембрана, разделяющая цитоплазму и внеклеточную среду, и
тонопласт – мембрана, разделяющая цитоплазму и клеточный сок, представляющий
собой содержимое вакуоли растительной клетки.
Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из
раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой
концентрацией
растворенного
вещества.
Явление
осмоса
может
быть
продемонстрировано на классическом примере. Представим сосуд, разделенный на
две части полупроницаемой мембраной, в одной половине сосуда находится более
концентрированный раствор соли (к примеру, 1M NaCl), в другой – менее
концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта (рис. 12A) объем раствора в каждой
из половин одинаков, а концентрация соли различается.
Рис. 12. Схема, демонстрирующая явление осмоса
Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу
после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул
воды. Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит
в отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но
интенсивность перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы – покрыты
гидратной «шубой». Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически
связываются с ионами хлора и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине
сосуда (см. рис. 12) концентрация Na+ и Cl- больше, соответственно больше воды
требуется для гидратирования этих ионов. В связи с этим вода интенсивнее переходит
из отсека с малой концентрацией соли в отсек с большой концентрацией. Поскольку
вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем
в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти
в одну сторону. В результате уровень раствора в первом понижается, а в последнем
повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис 12B). Заметим, что
изменение объема жидкости и концентрации соли связано с перераспределением
только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для ионов натрия и
хлора.
Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией
соли давление (красная стрелка на рисунке 12B), диффузия воды замедлится. Давление,
при котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением.
Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому
прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое
давление раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление
– очень важная величина, характеризующая осмос. В физической химии осмотическое
давление обозначается буквой π и вычисляется по простой формуле:
π = CRT,
где C – концентрация раствора, R – универсальная газовая постоянная (8,314
Дж
), T – абсолютная температура (K). Попробуем проанализировать это
моль  K
выражение. R – просто постоянная величина, константа, которая никак не влияет на
осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную величину,
поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком
температурном диапазоне (мы не будем принимать во внимание бактерийэкстремальных термофилов). Следовательно, по большому счету, осмотическое
давление раствора зависит только от его концентрации, причем зависимость линейная:
чем больше концентрация соли (или сахара, или другого вещества, не проходящего
через полупроницаемую мембрану – осмотически активного вещества) в растворе,
тем больше его осмотическое давление. В нашем случае осмотическое давление
раствора поваренной соли с концентрацией 0,01M гораздо меньше, чем осмотическое
давление раствора с концентрацией 1M.
Обычно при описании живых систем, биологических жидкостей и других
растворов не указывают значение осмотического давления, пользуясь относительной
характеристикой. Принято описывать осмотическое давление растворов относительно
интересующей нас жидкости (к примеру, крови, цитоплазмы, клеточного сока). Если
осмотическое давление раствора больше, чем давление «нашей» жидкости, раствор
называют гипертоническим; если меньше – гипотоническим, если такое же –
изотоническим. В этом определении слова «осмотическое давление» смело можно
заменить на «концентрация осмотически активного вещества», так как мы уже
выяснили, что осмотическое давление раствора зависит от концентрации линейно. В
приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01M NaCl является
гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1M NaCl. Широко
используемый
в
медицинской
практике
физиологический
раствор,
является
изотоническим по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом
растворе и плазме крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление.
Заметим, что существует несколько типов физиологических растворов с одинаковым
осмотическим давлением и немного отличающимся составом солей – растворы Рингера
– Локка, Рингера – Тироде и Кребса – Рингера.
Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень
значительным. К примеру, осмотическое давление жидкостей человеческого тела в
среднем равно семи (!) атмосферам. Именно за счет осмотического давления вода из
корней деревьев доходит до листьев.
Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее
осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» - начнется переход растворителя из
отсека с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это
явление носит название обратного осмоса. Обратный осмос находит широкое
применение в производстве фильтров для очистки питьевой воды.
Тургор растительной клетки
Если взять клетки животных, например, эритроциты, и поместить их в
физиологический раствор, морфология клеток не изменится, так как физиологический
раствор изотоничен плазме крови (содержит физиологическое количество солей). Если
же поместить эритроциты в гипертонический раствор, например, в раствор с
концентрацией соли 10%, вода по закону осмоса будет выходить из цитоплазмы (как из
жидкости с меньшей концентрацией соли) в окружающий раствор, в результате чего
эритроциты сморщатся. При помещении эритроцитов в гипотоническую среду
(дистиллированную воду), вода будет проникать внутрь клеток, «стараясь»
уравновесить концентрации солей внутри и вне клетки. В конце концов, эритроциты
лопнут, их содержимое высвободится в воду, превратив содержимое пробирки в так
называемую «лаковую кровь» - прозрачную красную жидкость. Этот известный
эксперимент показывает, что клетки животных не окружены плотной оболочкой и
вынуждены существовать в очень ограниченном диапазоне концентраций солей.
Клетки пресноводных простейших, не обладающих достаточно плотной оболочкой
(амебы, инфузории) справляются с проблемой переизбытка воды с помощью
сократительных вакуолей, постоянно «вычерпывающих» лишнюю воду за пределы
клетки.
Если поместить взрослые клетки растений (в составе ткани, к примеру,
эпидермиса) в гипотонические условия, они не лопнут, поскольку
каждая клетка
растения окружена более или менее толстой клеточной стенкой. Последняя служит
ригидной структурой, не позволяющей притекающей воде разорвать клетку. Если бы
клеточная стенка и плазматическая мембрана клетки могли растягиваться, вода входила
бы в клетку до тех пор, пока концентрация осмотически активных веществ снаружи и
внутри клетки не выровнялась бы. В реальности клеточная стенка – прочная
нерастяжимая структура, и в гипотонических условиях входящая в клетку вода давит на
клеточную стенку, плотно прижимая к ней плазмалемму. Давление протопласта
изнутри на клеточную стенку называется тургорным давлением. Говорят, что клетки
растений
обладают
тургесцентностью.
Тургорное
давление
препятствует
дальнейшему поступлению воды в клетку. Состояние внутреннего напряжения клетки,
обусловленное
высоким
содержанием
воды
и
развивающимся
давлением
содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора.
Заметим, что клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях,
поскольку
содержимое
растительной
клетки
богато
веществами, большая часть которых (органические
осмотически
активными
кислоты, сахара, солей,
низкомолекулярных пигментов) входят в состав клеточного сока, расположенного
внутри вакуоли. Вакуоли – органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана,
ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с
плазмалеммой. Это мембрана, обладающая избирательной проницаемостью и
способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью
запасения или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и
переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. Таким образом,
с помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент
осмолярности – клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а
цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в
клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на
клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор.
Тургор – показатель оводненности и состояния водного режима растений.
Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. Именно за
счет тургора органы растений находятся в выпрямлено, упругом состоянии. Увядание
растения – не что иное, как понижение тургорного давления его клеток.
Неверно думать, что тургесцентность свойственна только клеткам растений или
бактерий, обладающих клеточной стенкой. Тургор есть и у животных клеток, но он
невелик из-за гораздо меньшей прочности плазмалеммы по сравнению с клеточной
стенкой (именно из-за наличия тургора, а также из-за эластичности цитоплазматической
мембраны, эритроциты в гипотонических условиях разрушаются не сразу, а после
некоторого набухания). При разрушении клеточных стенок растительных клеток
тургесцентность последних резко падает, и в гипотонических условиях обнаженные
протопласты клеток растений ведут себя так же, как клетки млекопитающих.
Плазмолиз. Виды плазмолиза
Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под
действием на клетку гипертонического раствора. Плазмолиз характерен главным
образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные
клетки при помещении в гипертонический раствор, как было указано выше, теряя воду,
сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен
этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В
нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной
стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор,
концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации
клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать
скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды
из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение
объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В
процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от
клеточной стенки.
Известно, что живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как
симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между
собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах,
пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на
месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в
обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке.
Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм,
поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше
всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.
Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран
растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного
давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки
расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам
можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.
В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим
давлением клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери
воды цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и
колпачковый.
Изучение форм плазмолиза на препарате листа элодеи
В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется.
Рассмотрим плазмолиз клетки листа элодеи, помещенного в гипертонический раствор.
Для наблюдения плазмолиза нужно сделать временный препарат листа элодеи, для
начала поместив лист в воду и накрыв покровным стеклом. Клетки листа следует
рассматривать на большом увеличении. Вода – гипотоничная относительно
содержимого клетки среда, и пока лист элодеи находится в воде, клетки находятся в
состоянии тургора, их протопласт плотно прижат тургорным давлением к клеточной
стенке (рис. 8A). При этом на микропрепарате не видно мест, где находятся
плазмодесмы (плазмодесмы – объект электронномикроскопического исследования, их
средний диаметр составляет 0,3-0,4 нм). Для того чтобы вызвать плазмолиз в клетках,
нужно сменить внеклеточную среду на гипертоничную. С этой целью препарат снимают
со столика микроскопа, с одного бока покровного стекла, прикрывающего лист элодеи,
помещают каплю гипертонического раствора так, чтобы она касалась покровного
стекла. С другой стороны стекла аналогично помещают кусочек фильтровальной бумаги.
Из-за возникающих капиллярных сил вода, находящаяся под стеклом, впитывается
бумагой, втягивая гипертонический раствор под стекло. После замены раствора нужно
немного подождать (5 минут), затем наблюдать формы плазмолиза, переходящие одна
в другую.
В начале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще
всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 13Б). Затем
протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в
отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую
форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 13В). Места, в которых
сохраняется связь протопласта с клеточной стенкой, отражают расположение групп
плазмодесм в клетке. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей
поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого
(рис. 13Г). Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах
сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт
приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой
многочисленными нитями Гехта, прикрепляющимися к клеточной стенке в местах
расположения групп плазмодесм. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис.
13Д).
Рис. 13. Плазмолиз растительной
клетки: А – клетка в состоянии тургора;
Б – уголковый; В – вогнутый; Г –
выпуклый; Д – судорожный. 1 оболочка, 2 - вакуоль, 3 - цитоплазма, 4
- ядро, 5 - нити Гехта.
Приготовить временный препарат кожицы лука, листа элодеи либо эпидермиса
листа высшего растения. Вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло
каплю раствора соли - более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся
в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу
положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока
раствор соли не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить
внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз.
Деплазмолиз
Плазмолизированные клетки обычно остаются живыми, особенно если клетка
провела в состоянии плазмолиза короткое время. При помещении живой
плазмолизированной клетки в воду или гипотонический раствор происходит
деплазмолиз – клетка вернется в состояние тургора и приобретет нормальный вид.
В условиях гипотонического раствора, концентрация осмотических веществ в
котором меньше, чем в клеточном соке, вода из внеклеточной среды будет поступать
внутрь клетки (а там – внутрь вакуоли, «стараясь» уменьшить концентрацию клеточного
сока). В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на
цитоплазму, которая, в свою очередь, которая начнет приближаться к стенкам клетки,
пока не примет первоначальное положение. Деплазмолиз обычно происходит
медленнее, чем плазмолиз.
Тема: «Физиологические свойства клеточной мембраны»
Цель. Показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью.
Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза, а
также познакомиться с плазмолизом растительной клетки — процессом отделения
протопласта (содержимого клетки) от клеточных стенок.
Оборудование. Микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели,
препаровальные иглы, стаканчики для воды и растворов, фильтровальная бумага,
пипетки, тушь; культура инфузорий или культура ткани на питательной среде,
культура амеб, кусочки растения элодеи, листья традесканции.
Реактивы. 3%-ный раствор хлорида натрия или хлорида калия, 3%-ный раствор
хлорида кальция или хлорида магния, 2%-ный раствор альбумина, раствор сахара,
10%-ный раствор хлорида натрия, дистиллированная вода.
Ход работы
1. Повышение проницаемости клеточной мембраны под влиянием ионов натрия (или
калия). В 3% -ный раствор хлорида натрия или хлорида калия поместите инфузории
или кусочки культивируемой ткани. Приготовьте препарат для микроскопа. Можно
увидеть сморщивание клеток, указывающее на проницаемость клеточной мембраны. В
данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду. Оттяните из-под
покровного стекла раствор соли при помощи фильтровальной бумаги и замените его
дистиллированной водой. Наблюдайте набухание клеток вследствие поступления в них
воды.
2. Понижение проницаемости клеточной мембраны под влиянием ионов кальция (или
магния). Поместите инфузории или кусочки культивируемой ткани в 3%-ный раствор
хлорида кальция или хлорида магния. Инфузории, как и культивируемые клетки,
продолжают жить, каких^ либо деформаций не наблюдается. Дело в том, что ионы
кальция и магния в противоположность ионам калия и натрия понижают
проницаемость клеточной мембраны, поэтому передвижения воды через оболочку не
происходит.
3. Пиноцитоз и фагоцитоз у амебы. Поместите амеб в каплю 2%-ного раствора
альбумина (белок куриного яйца). Приготовьте препарат для микроскопа. Через
некоторое время на поверхности амеб начинают образовываться пузырьки и
выпячивания. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это
сопровождается интенсивным движением жидкости у внутренней поверхности
мембраны. Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы, которые затем
смыкаются. Это явление шмывают пиноцитозом. Пиноцитозные пузырьки иногда
появляются внезапно, что говорит о быстром захвате капельки жидкости вместе с
растворимым в ней веществом.
Поместите амеб в раствор сахара. Пиноцитоз отсутствует. Пиноцитоз вызывают лишь
вещества, понижающие поверхностное натяжение клеточной мембраны, например
аминокислоты, некоторые соли.
В каплю жидкости, в которой находятся амёбы, поместите немного мелко растертой
туши. Приготовьте препарат для микроскопа. Через некоторое время амебы начинают
медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии
(ложноножки). Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, затем
медленно окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в
цитоплазму. Это явление называют фагоцитозом.
4. Плазмолиз и деплазмолиз в клетках листа элодеи. Приготовьте микропрепарат из
листа элодеи. Нанесите на один край покровного стекла каплю 10%-ного раствора
хлорида натрия, а с противоположной стороны положите полоску фильтровальной
бумаги, которая впитает часть воды. Наблюдайте за состоянием цитоплазмы в клетках
при большом увеличении микроскопа. Вода из цитоплазмы клетки будет переходить в
окружающую среду, где концентрация соли больше. Объем цитоплазмы при этом
уменьшится, и она начнет отходить от клеточных стенок. Постепенно цитоплазма
примет форму шара. Это явление называют плазмолизом. Если затем под покровное
стекло добавить дистиллированную воду, она начнет поступать в цитоплазму (где
концентрация соли больше, чем в дистиллированной воде), которая в результате
займет прежний объем. Это явление называют де-плазмолизом.
В цитоплазме клеток элодеи видно множество округлоовальных телец зеленого цвета
— хлоропластов. Рассмотрите клетки вблизи центральной жилки листа. В них можно
обнаружить движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок. Если движение
малозаметно, подогрейте препарат под электролампой.
Зарисуйте в альбоме все, что было видно на микропрепаратах.
Сделайте вывод.
Скачать

Плазмолиз и деплазмолиз в растительных клетках