Содержание (Экзаменационные  вопросы) 

 

Ответы на экзаменационные вопросы по физиологии растений

1. Задачи физиологии  растений. Теоретическая  и практическая  значимость физиологии  растений.

Физиология  растений — наука о функциональной активности растительных организмов. Как отмечали Ж. Б. Буссенго и К. А. Тимирязев, знание основных закономерностей жизнедеятельности растений делает физиологию растений теоретической основой рационального земледелия. Таким образом, перед современной физиологией растений стоят многочисленные и увлекательные задачи, имеющие как теоретическое, так и практическое значение.

В обобщенном виде эти задачи можно сформулировать следующим, образом:

1) изучение закономерностей жизнедеятельности растений (механизмы питания, роста, движения, размножения и др.),

2) разработка теоретических основ получения максимальных урожаев сельскохозяйственных культур,

3) разработка  установок для осуществления процессов фотосинтеза в искусственных условиях.

Первая  задача заложена в определении самой  физиологии растений. Помимо изучения специфических функций, растительные объекты в ряде случаев оказываются чрезвычайно удобными для изучения общих фундаментальных явлений жизни, таких, как трансформация энергии, немышечные формы подвижности, биоэлектрические и гормональные взаимодействия и т. д. Поэтому все большее число биохимиков и биофизиков предпочитают иметь дело именно с растением, что предопределяет дальнейший расцвет физиологии растений.

Вторая  задача остается наиболее актуальной, так как рост населения нашей  планеты и сокращение посевных площадей из-за урбанизации и развития промышленности оставляют лишь один путь — путь интенсификации сельскохозяйственного производства. Причем со временем речь будет идти не только о пищевых, технических, лекарственных и декоративных культурах, но и о выращивании растений на биомассу для получения топлива, а также белка и других органических продуктов.

Третья  задача в настоящее время кажется  фантастической. Однако вряд ли люди, овладев  тайнами биологического фоторазложения воды на водород (который является идеальным топливом) и кислород и принципами фотосинтеза органических кислот и сахаров, не попытаются осуществить эти процессы сначала в лабораторных, а затем в промышленных установках. Это откроет перспективу получения топлива и замены сельского хозяйства промышленным производством продуктов питания и материалов.

2. История развития  физиологии растений  как науки. Роль  отечественных учёных  в развитии физиологии  растений.

Физиология  растений зародилась в XVII—XVIII вв. Датой ее рождения как науки считают 1800 г., когда был издан пятитомный труд швейцарского ботаника Ж. Сенебье «Физиология растений». Этот ученый предложил термин «физиология растений», сформулировал основные задачи новой науки. Основоположниками физиологии растений в России являются Андрей Сергеевич Фаминцын (1835—1918) и Климент Аркадиевич Тимирязев (1843—1920). А. С. Фаминцын, академик Российской академии наук, в 1867 г. организовал в Санкт-Петербургском университете первую в России кафедру физиологии растений, а в системе Академии наук — лабораторию анатомии и физиологии растений, прообраз современного Института физиологии растений АН России (ИФР). Он автор книги «Обмен веществ и превращение энергии в растениях» (1883 г.) и первого отечественного учебника по физиологии растений (1887 г.). Среди учеников А. С. Фаминцына Д. И. Ивановский, открывший вирусы (1892 г.), М. С. Цвет, разработавший принципы адсорбционно-хроматографического анализа (1903 г.), О. В. Баранецкий, С. Н. Виноградский, В. А. Ротерт, А. А. Рихтер и другие известные ученые.

К. А. Тимирязев  — профессор Петровской земледельческой  и лесной академии (ныне Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева) и Московского государственного университета, академик Российской академии наук. Основные исследования К. А. Тимирязева посвящены процессу фотосинтеза. Им опубликованы труды «Жизнь растения» (1878), «Чарльз Дарвин и его учение» (1883), «Борьба растений с засухой» (1891), «Земледелие и физиология растений» (1906) и др.

Условно выделяют три этапа развития физиологии растений. Первый этап — разработка основ корневого питания, второй этап — разработка проблемы превращения энергии, третий этап — современный период. Физиология растений сначала развивалась как наука о почвенном питании.

Первый  этап. Огромный вклад в изучение проблемы минерального питания внес Д. Н. Прянишников (1865—1948), который всесторонне изучил азотный обмен и другие вопросы минерального питания сельскохозяйственных растений. Дальнейшее развитие учение о минеральном питании получило в работах Д. А. Сабинина, Я. В. Пейве и др.

Второй  этап. М. В. Ломоносов (1711—1765) впервые  высказал мысль, что растение строит свое тело с помощью листьев за счет окружающей атмосферы. В 1772—1782 гг. Д. Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сенебье, дополняя друг друга, открыли явление фотосинтеза. К. А. Тимирязев доказал применимость закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза. Много сделали для развития этого направления отечественные ученые В. И. Палладии, В. Н. Любименко, Е. Ф. Вотчал, М. А. Монте-верде, Н. М. Гайдуков, А. А. Красновский, А. Н. Теренин А. А. Ничипорович, Т. Н. Годнев, А. Т. Мокроносов и др.

Третий  этап. На этом этапе наряду с углублением  исследований на субклеточном и молекулярном уровнях отличается интересом к  изучению систем регуляции, обеспечивающих целостность растительного организма (А. Л. Курсанов, М. X. Чайлахян, И. И. Гунар, В. В. Полевой, В. И. Кефели и др.), а также дальнейшей разработкой теоретических проблем физиологии, направленных на решение практических задач сельского хозяйства.

3. Химические вещества, входящие в состав растительных клеток. Ферменты, их основные свойства и физиологическое значение.

Из 100 известных  химических элементов в составе  живых клеток постоянно обнаруживается чуть более 20, а обязательными для  выполнения жизненных функций можно считать всего 16. В то же время с помощью этого ограниченного набора элементов построено огромное множество разнообразных веществ. Так, одних только белков у маленькой бактерии 3 тыс., а у человека их 5 млн. Большую часть массы живых клеток составляет вода (около 80 %). Воду не зря называют матрицей жизни — она обеспечивает прижизненную структуру макромолекул и клеточных орга-нелл, участвует в химических реакциях, транспортных процессах и терморегуляции, поддерживает форму и размеры клетки. О соотношении органических веществ дает представление анализ цитоплазмы клеток листьев капусты: белки составляют 63,11 % сухой массы, липиды — 20,75, другие органические вещества — 9,69, а зола — 6,46 % сухой массы.. Оставшаяся доля в сухом веществе цитоплазмы принадлежит другим органическим веществам — углеводам, пигментам и пр., а также минеральному компоненту (около 5 %). В клетках, выполняющих сугубо специфические функции, химический состав несколько иной. Это касается, например, клеток семян или других продуктивных частей растений, где хранятся запасные вещества, ради которых и возделывают сельскохозяйственные культуры. Так, в составе клеток семени пшеницы содержится 78 % углеводов, 16 — белков, 2 — жиров и 2 % золы. Таким образом, белки, липиды и нуклеиновые кислоты служат химической основой жизненных процессов.

В основе всех функций организма лежат  химические реакции. В живой клетке их скорость регулируется ферментами — биологическими катализаторами. Принцип действия ферментов основан на их способности временно связываться с субстратами, участвующими в реакции. По окончании реакции фермент освобождается из комплекса с субстратом и может вновь взаимодействовать со следующей его молекулой. В комплексе с субстратом фермент как бы изменяет путь химической реакции, направляя ее по энергетически более выгодному руслу, тем самым снижая уровень энергии активации. Это достигается за счет поляризации связей, смещения электронной плотности в молекулах субстрата. Кроме того, реагирующие молекулы ориентируются по отношению друг к другу так, что их взаимодействие становится более эффективным.

Ферменты  образуются на рибосомах и подвергаются медленному окислению (денатурации). Ферменты активны в малых концентрациях, и не входят в число конечных продуктов, не требуют энергии.

Значение:

-биологический  катализатор, обеспечивающий 100% выход

-все  биохимические реакции контролируются  ферментами

-строго  специфичны

-действие  всех физиологически активных  в-в опосредовано через ферменты

-через  действия ферментов организм адаптируется к условиям внешней среды

Химический  состав:

1. Однокомпонентные (состоят только из белка Пример: пепсин, трепсин)

2. двухкомпонентные (состоят из апофермента и кофермента  Пример: каталаза) 

Большинство ферментов действует в пределах одной клетки – эндоферменты.

Есть  которые выделяются наружу – экзоферменты.

Изоферменты – состав и строение разное а функции одинаковые.

Ферменты  вне клетки способны только на реакции  распада, синтезировать не могут.

Ферментативные  реакции протекают мгновенно.

Скорость  зависит от:

-частоты  столкновений субстрата и фермента

-концентрации  реагирующих веществ

-температуры

Число столкновений не определяет число прореагировавших молекул. Взаимодействуют только активизированные молекулы, фермент снижает энергию  активации.

Пути  активации молекул:

-деформация  хим связей (эффект дыбы)

-сближение  реагирующих в-в

-поляризация  связи

Условия:

- у каждого  фермента свой температурный  оптимум (40-60 при 80 денатурация)

- у каждого  свой опт рН (около 7)

- концентрация  субстрата – константа михаэлиса(равна конц субстрата при которой скорость 50% от макс) чем выще тем медленнее скорость

-Наличие  активаторов (ионы Ме) и ингибиторов  (соли тяж Ме)

Ингибиторы бывают:

-конкурентные (занимают место фермента и  мешают реакции) 

-не  конкурентные

-неспецифичные  (вызывают денатурацию)

-специфичные  (специфическое ингибирование)

Аллостерические ингибиторы действуют на все аминокислотные остатки фермента.

Регуляция действия ферментов:

1. грубая  – на уровне генов

2. точная  – регуляция с помощью рН, С

4. Клеточная оболочка, её структура и  физиологические  функции. Фазы  роста клетки, этапы  образования клеточной  оболочки у растений.

Клетки  растений окружены плотной полисахаридной оболочкой, выстланной изнутри плазмалеммой. Формируется клеточная стенка на стадии телофазы во время митотического деления клеток. Клеточную стенку делящихся и растущих растяжением клеток называют первичной. После прекращения роста клетки на первичную клеточную стенку изнутри откладываются новые слои и возникает прочная вторичная клеточная стенка.

В состав клеточной стенки входят структурные  компоненты (целлюлоза у растений, хитин у грибов), компоненты матрикса стенки (гемицеллюлозы, пектин, белки), инкрустирующие компоненты (лигнин, суберин) и вещества, откладывающиеся на поверхности стенки (кутин и воска). Клеточные стенки могут содержать также силикаты и карбонаты кальция.

Целлюлоза, гемицеллкиозы и пектиновые вещества являются углеводными компонентами клеточных стенок. Целлюлоза и пектиновые вещества адсорбируют воду, обеспечивая оводненность клеточной стенки. Пектиновые вещества, содержащие много карбоксильных групп, связывают ионы двухвалентных металлов, которые способны обмениваться на другие катионы (Н⁺ К⁺ и т.д.). Это обусловливает катионообменную способность клеточных стенок растений. Помимо углеводных компонентов в состав матрикса клеточной стенки входит также структурный белок, называемый экстенсимом. Это гликопротеин, содержащий более 20% L-оксипролина от суммы аминокислот. По этому признаку белок клеточных стенок растений сходен с межклеточным белком животных — коллагеном. Основным инкрустирующим веществом клеточной стенки является лигнин. Интенсивная лигнификаиия клеточных стенок начинается после прекращения роста клетки. Лигнин представляет собой полимер с неразветвленной молекулой, состоящей из ароматических спиртов. Разрушение и конденсация лигнина в почве — один из факторов образования гумуса.