Олимпиадная работа по биологии на тему Роль углеводов и жиров в повышении морозоустойчивости клеток и тканей растений Выполнил ученик 11 класса Галанов Николай 2000 год Содержание I. Цель работы стр II. Особенности теплолюбивых и холодолюбивых растений стр III. Биосинтез углеводов в зелных растениях стр 7 Роль углеводов в повышении морозоустойчивости растений стр IV. Биосинтез липидов стр10 Механизм защитного действия жиров стрV. Опыты и наблюдения стр1. Опыт 1 Много ли питательных веществ в опавших листьях стр2. Опыт 2 Судьба запаснного крахмала стр3. Опыт 3 Повышение морозоустойчивости растений стр4. Пояснение к опыту 3 стрVI.Общий вывод по проделанной работе стрVII. Список использованной литературы стрVIII. Приложение Рис. 1. Последовательное разъедание крахмального зерна ферментом амилазой стр19 Цель работы. 1. Подобрать и изучить материал в научной литературе по проблеме биосинтеза углеводов, липидов, их роли жизни растений. 2. Изучить материал по роли углеводов, липидов в повышении морозоустойчивости растений. 3. Изучить материал о возможностях перехода углеводов в энергию, механизме защитного действия жиров клеток и тканей растений от низких температур. 4. Провести наблюдения и опыты, подтверждающие переход крахмала в растворимые сахара, оттекающие из листьев в запасающие органы растений. 5. На опыте проследить колебание содержания крахмала в древесине за период осень-зима-весна у некоторых лиственных и хвойных пород деревьев. 6. Провести опыт по искусственному увеличению морозостойкости клеток и тканей корнеплода свклы столовой, используя растворы сахарозы разной концентрации. 7. На основе материалов и фактических данных сформулировать общий вывод по данной теме. Особенности теплолюбивых и холодолюбивых растений.
По отношению к температуре как к экологическому фактору различают 2 группы растений теплолюбивые термофилы и холодолюбивые психрофилы.
Теплолюбивыми называются растения, которые хорошо растут и развиваются в условиях высоких температур, холодолюбивые - растения, способные расти в условиях довольно низких температур. Настоящими термофилами являются растения - выходцы из тропических районов.
Они совсем не переносят низких температур и гибнут уже при 0С. При наступлении холодов термофилы начинают болеть, а если охлаждение продолжительно, то могут погибнуть даже без физического замораживания.
Причиной гибели в этих случаях обычно являются нарушения в обмене веществ.
Оказывается, что при действии холода на теплолюбивые растения физиологические процессы в них подавляются неодинаково. В результате образуются несвойственные растениям продукты, в том числе и вредные для организма вещества, которые постепенно отравляют растение и приводят его к гибели.
Эта точка зрения на простуду теплолюбивых растений и их гибель, установившаяся давно, широко принята и в настоящее время. Однако у большинства термофилов уже при температуре 40С наблюдаются признаки угнетения, а при 50С многие погибают. Гибель растений при высоких температурах во многом объясняется отравляющим действием аммиака, который накапливается в тканях растений при распаде белков и аминокислот, а также действием других веществ типа токсинов, отравляющих цитоплазму.
При температуре от 50С и выше к этому отравляющему действию присоединяется свртывание цитоплазмы, что ускоряет процесс отмирания. У жаростойких же растений лучше проявляется способность накапливать органические кислоты, которые связывают аммиак, делая его неопасным для растений. Морозостойкость - это свойство организмов, тесно связанное с их физиологическим состоянием, которое, в свою очередь, обусловлено условиями жизни, особенно сезонным ритмом температурного режима.
Морозоустойчивость растений объясняется рядом особенностей. По мнению большинства ученых, она связана, во-первых, с происхождением вида. Например, выходцы с Востока обычно более морозостойки, чем западные виды. Особенно чувствительны к морозы виды южного происхождения. При этом следует учитывать характер местообитаний, выходцами из которых растения являются.
Известно, что растения равнинных мест зоны тропических лесов и жарких пустынь совершенно неморозостойки, а растения высокогорной той же тропической зоны проявляют высокую способность к холодостойкости. Другой очень важной особенностью, обеспечивающей морозостойкость растений, является их способность проходить закаливание. Под закаливаением понимают приобретение растениями свойств зимостойкости Зимостойкость - способность растений переносить различные неблагоприятные условия в течение холодного времени года. Холодостойкость - способность растений переносить низкие положительные температуры. под влиянием комплекса внешних условий.
При этом происходят изменения физиологического состояния растений. Закалка озимых и древесных пород проходит в два этапа. На первом этапе в зимующих органах идт накопление сахаров, обусловленное дневными 10 15С и ночными около 0С температурами. В этих условиях идущий днм процесс фотосинтеза дат большое количество сахаров, при низких ночных температурах они не успевают тратиться на дыхание и рост, а откладываются про запас.
Второй этап закаливания протекает в растениях при слабых морозах -2 5С, во время которых организм приобретает полную морозостойкость. К этому моменту фотосинтез уже прекращается, а в клетках и тканях растений завершается целый ряд своеобразных биохимических и биофизических процессов. В итоге заметно повышается осмотическое давление, усиливается вязкость цитоплазмы, в клеточном соке увеличивается количество дубильных веществ и антоциана.
Большая часть запасного крахмала превращается вновь в сахара. Интересно, что с наступлением зимы в клетках тканей коры у многих хвойных растений наряду с сахарозой, глюкозой и фруктозой в значительном количестве имеются и такие сахара, как стахиоза и рафиноза, которые летом там практически отсутствуют. Как показали исследования, закаливание растений во многом зависит от накопления запасных питательных веществ. Причем в надземных органах растений обычно откладываются сахара и масла, а в подземных органах - крахмал.
Накопленные вещества растение использует в течение зимы на дыхание. За счет этих же веществ осуществляется рост растений в начале весны. Большой запас сахара, главным образом глюкозы, содержащейся в зимующих органах растений, привл учных к выводу о его защитной роли, проявляющейся не только в увеличении осмотического давления в клетках, но и в специфическом химическом действии его на цитоплазму, благодаря чему под влиянием мороза не происходит коагуляции.
Кроме того, у растений наблюдается большое накопление масла во внутренних слоях древесины, оно повышает устойчивость организмов к сильным морозам. Масло прежде всего вытесняет воду из вакуолей и этим предохраняет е от замерзания. Далее, откладываясь в самой цитоплазме, делает е несравненно более стойкой к морозу и другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода. Такую же роль играют и другие откладываемые в вакуоли и протоплазме вещества - крахмал и белки.
Все они непосредственно защищают цитоплазму от мороза. Однако морозостойкость растений нельзя объяснить только накоплением в их клетках запасных питательных веществ. Исследования показали, что осенью в процессе закаливания растения претерпевают и другие изменения. Особенно большое значение имеет повышение водоудерживающей способности цитоплазмы. Вода в ней становится как бы связанной. В таком состоянии она трудно испаряется и замерзает, трудно отжимается под давлением, отличается большой плотностью и утрачивает в значительной мере свойство растворителя.
Вода становится кристаллической по структуре, хотя и сохраняет жидкое состояние. Между частичками цитоплазмы и водой устанавливается единство структуры. В известной мере вода входит в состав макромолекул белков и нуклеиновых кислот. Заморозить е в таком состоянии, то есть перевести в тврдое тело, практически невозможно. Такого рода изменения водных свойств цитоплазмы особенно важны, именно они во многом определяют морозостойкость растений.
Морозостойкость зависит и от того, как растения провели вегетационный период. Например, плодовые деревья, перенсшие летом засуху, будут менее морозостойки, чем деревья, выросшие в условиях обильного полива. Позднелетняя подкормка также снижает морозостойкость. Одна только способность переносить большие морозы ещ не позволяет растениям существовать в условиях умеренного холодного пояса и в приполярных районах. Значительно важнее зимостойкая способность видов, то есть способность переживать в течение длительного времени иногда 8-9 месяцев в году не только действие низких температур, но и выпревание, вымокание, действие ледяной корки, а также частые смены температуры воздуха - то оттепель, то замораживание и многое другое.
Растения по-разному приспосабливаются к переживанию этого периода. Одни переносят зиму в состоянии органического и вынужденного покоя. У других, помимо физиологических, появляется целый ряд анатомо-морфологических особенностей распластанные по земле стебли и листья, горизонтальное нарастание побегов, подземное расположение узлов кущения и корневых шеек, листопадность а у вечнозелных - способность листьев скручиваться и целый ряд других изменений, благодаря которым уменьшается испаряющая поверхность, развитие мощного слоя пробки, белоствольность и другие признаки, позволяющие избегать ожогов коры, почечные чешуи, их тмная окраска, кожистость - вс это прямо или косвенно помогает растениям выжить зимой. Биосинтез углеводов в зелных растениях.
Физиологические и биохимические процессы в зелном растении тесно связаны с углеводами.
Они составляют 75-80 сухого вещества тела растительного организма и служат основным питательным и скелетным материалами клеток и тканей растения. Основной орган биосинтеза в растении - лист. Характерная его особенность - сочетание фото- и биосинтезов. В листе происходит трансформация энергии, обмен углеводов, аминокислот, белков, липидов, нуклеиновых кислот, витаминов.
В прорастающих семенах и пробуждающихся почках происходят процессы мобилизации запасных веществ. Наиболее характерная черта этих процессов - распад сложных запасных веществ на более простые. Полисахариды распадаются на моносахариды. Эти реакции происходят с присоединением воды и относятся к типу гидролитических. Крахмал состоит на 96,1-97,6 из полисахаридов двух типов - амилозы и аминопектина, различающихся своими физическими и химическими свойствами. В крахмале содержится фосфорная кислота до 0,7 и некоторые высокомолекулярные жирные кислоты пальмитиновая, стеариновая и другие.
Крахмал - основное запасное вещество большинства растений. У прорастающих семян под микроскопом можно наблюдать разъедание крахмальных зрен см. рис. 1. Это процесс гидролитического распада полисахаридов на моносахариды. В быту известно явление, когда охлажднный при 1-2 С картофель приобретает сладковатый вкус. У картофеля гидролиз крахмала происходит при пониженной температуре, процесс дыхания при этом угнетается, вследствие чего использование сахаров уменьшается.
Таким образом, в клубнях происходит односторонний процесс - гидролиз крахмала до гексоз и их накопление. Мучнистый вкус семян благодаря наличию большого количества крахмала сменяется при прорастании сладковатым вследствие накопления в них глюкозы. Превращение крахмала в сахар происходит под влиянием фермента амилазы. Более обстоятельное изучение фермента амилазы показало, что это смесь двух ферментов - б- и в-амилазы, которые действуют параллельно и расщепляют гигантскую молекулу крахмала на более мелкие молекулы полисахаридов, называемых декстринами, и дисахаридов, назвываемых мальтозы.
Количество амилазы в семени, находящемся в состоянии покоя, незначительно, но с прорастанием с семени оно возрастает. Центром образования амилазы, например, в зрнах пшеницы или кукурузы является зародыш, в частности его щиток, а также алейроновый слой, окружающий эндосперм. Образующиеся ферменты б- и в-амилаза диффундируют в ткани эндосперма и вызывают расщепление крахмала.
Осахаривание крахмала в эндосперме идут до конца только в том случае, когда он находится в тесном контакте с молодым побегом, который непрерывно поглощает и использует сахар, образующийся при гидролизе. Гликозиды - сложные вещества, образующиеся из сахаров в основном из глюкозы и одного или нескольких компонентов несахаров - агликонов. К цианогенным гликозидам, содержащим синильную кислоту, относится вицин семян с некоторых видов вики и фасоли.
У белого клевера, сорго содержится ряд цианогенных гликозидов, токсичных для животных. В растении картофеля образуются ядовитые для человека и животных гликоалкалоиды - гликозиды, у которых в качестве агликона входит алкалоидсоланидин. Эти вещества, обладающие горьким вкусом, называются соланинами и чаконинами. В картофельном растении клубни, а также стебли содержат меньше гликоалкалоидов по сравнению с другими органами молодыми листьями, цветками, ягодами.
Наибольшее количество гликоалкалоидов содержат ростки 4-5 мг массы сухого вещества. Молодые клубни картофеля содержат около 10 мг гликоалкалоидов, а зрелые 2-4 мг. При хранении клубней на свету количество гликоалкалоидов значительно возрастает, особенно в позеленевших участках, примыкающих к эпидермису. Установлено, что картофель с содержанием гликоалкалоидов в количестве 20 мг и более опасен для потребления, особенно если клубни варились в кожуре. Большинство красных, голубых и пурпурных пигментов клеточного сока листьев лепестков цветков, плодов, корней, стеблей многих растений васильков, столовой свклы, вишни, сливы, смородины, малины и других, относится к группе веществ - антоцианам. Антоцианы - это гетерогликозиды, образующиеся в растениях в результате взаимодействия между сахарами и комплексными соединениями антоцианидинами агликоны. Физиологическая роль гликозидов мало изучена, но их образование связано с физиологической функцией сахаров в растениях гликозиды считаются также запасным материалом для синтеза сахаров и связанных с ними комплексов.
Роль углеводов в повышении морозоустойчивости растений.
Морозоустойчивость - способность растений переносить температуру ниже 0С. Разные растения переносят зимние условия, находясь в различном состоянии. У одноклеточных растений зимуют семена, нечувствительные к морозам, у много летних - защищнные слоем земли и снега клубни, луковицы и корневища, а также надземные древесные стебли. У озимых растений и древесных пород ткани под воздействием морозов могут промрзнуть насквозь, однако растения не погибают.
У них достаточно высокая морозоустойчивость. Нечувствительность к морозам достигается физико-химическими изменениями в клетках. В зимующих листьях и других частях растения накапливается много сахара. Сахар является веществом, защищающим белковые соединения от коагуляции при вымораживании, и поэтому его можно назвать защитным. При наличии достаточного количества сахара в клетках повышаются водоудерживающие силы коллоидов протопласта, увеличивается количество прочно связанной и уменьшается содержание свободной воды. Связанная с коллоидами вода при действии низких температур не превращается в лд. У ряда древесных пород в результате превращения углеводов в древесине накапливаются жиры, которые не замерзают и проявляют защитные действия в зимний период.
Биосинтез липидов. Липазы - ферменты из класса гидролаз, широко распространены в растениях. Под их воздействием происходит гидролиз жиров до глицерина и жирных кислот.
Схема превращения жиров в запасающих органах растения ГЛИЦЕРИН ТРИОЗОФОСФАТЫ ЖИРЫ УГЛЕВОДЫ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ АЦЕТИЛКОФЕРМЕНТ А ЦИКЛ ДИ- И ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ CO2 и H20 Фермент липаза катализирует гидролиз жиров с присоединением воды до свободных жирных кислот CH2 - O - OC - R1 CH2 - OH R1COOH CH - O - OC - R2 3H2O ЛИПАЗА CH - OH R2COOH CH2 - O - OC - R3 CH2 - OH R3COOH ЖИР ГЛИЦЕРИН ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, где R1, R2, R3 - радикалы высокомолекулярных жирных кислот.
Жирные кислоты подвергаются активации и окислению. В качестве продукта реакции образуются молекулы ацетилкофермента-А, которые вовлекаются в цмкл трикарбоновых кислот. При созревании семян из сахаров, альдегидов, глицерина и жирных кислот синтезируются жиры. Липазы также катализируют превращения липидов, входящих в систему клеточных мембран, состоящих их двух слов липидов и двух нелипидных слов. Липоиды - это химически близкие к жирам вещества. У них обычно один жирнокислотный остаток заменн другим веществом, например, гликолипиды, у которых один остаток жирной кислоты замещн сахаром.
Гликолипиды содержатся в листьях. К липоидам относятся и фосфолипиды. Липоиды входят в состав клеточных органоидов - митохондрий и пластид принимают участие в регуляции проницаемости клетки для поступающих в не веществ. Воска предохраняют листья, стебли и плоды от высыхания, предупреждают смачивание водой, предохраняют от повреждения инфекционными болезнями.
Учные разработали теорию транспорта органических веществ, по которой процесс передвижения органических веществ по ситовидным трубкам связан с обменом веществ и использованием энергии дыхания АТФ. Доказано, что быстрое движение органических веществ сопровождается интенсивным дыханием. У древесных растений важной потребляющей зоной является камбиальный слой ствола ветвей, корней. Ежегодное утолщение стволов деревьев, образовывание колец наглядно свидетельствует об этом. В годы обильного плодоношения древесных пород в силу большого притока органики наблюдается ограничение питания и уменьшение годичного прироста древесины.
Средняя скорость движения для различных веществ в растении может быть такой см в час аминокислоты - 90, сахароза 70-80, неорганические соли 20-40. Таким образом, перемещение и транспортировка органических веществ в растении - сложный физиологический процесс. Механизм защитного действия липидов. Он связан с регуляцией содержания воды в клетках. У морозоустойчивых видов подготовка к зиме начинается заранее.
Один из е этапов - обезвоживание клеток. Жиры, накапливаясь в клетках, вытесняют из них воду. Оставшаяся вода прочно связана с молекулами белков, углеводов и теряет способность к кристаллизации. Поэтому у морозостойких видов кристаллы льда в клетках кристаллы льда не образуются. При значительном понижении температуры кристаллы льда начинают образовываться в межклетниках. Кристаллы растут, оттягивая воду из клеток. Сильное обезвоживание тоже вредно оно приводит к разрушению структуры мембран, белков, нуклеиновых кислот.
Увеличение содержания жиров на поверхности протоплазмы препятствует дальнейшему выходу воды из клеток и тем самым повышает устойчивость растений к морозам. Морозостойкость связана с накопление в клетках не только жиров но и растворимых сахаров. Опыты и наблюдения. Опыт 1 Много ли питательных веществ в опавших листьях Цель убедиться в способности растений экономить питательные вещества с помощью метода крахмальной пробы.
Оборудование и объекты раствор Люголя, 50 мл 96 этилового спирта, 30 зелных листьев с верхушки побега и 30 жлтых листьев с основания побега тополя обыкновенного. Ход опыта 1. Дата проведения опыта 13.09.00. Сорвал с тополя обыкновенного по 30 листьев- зелных с верхушки побега и жлтых - с основания побега. 2. Прокипятил отдельно жлтые и зелные листья в воде до полного отмирания клеток. Затем поместил в горячий спирт на водяной бане для удаления пигментов. 3. Обесцвеченные листья обработал раствором Люголя. 4. Результаты опыта зелные листья под действием йода окрасились в синий цвет, а жлтые не изменили окраски.
Вывод посинение листьев происходит в результате взаимодействия йода с крахмалом, следовательно, жлтые листья крахмала не содержат. Перед листопадом крахмал превращается в растворимые сахара, которые по проводящим пучкам перемещаются в запасающие органы стебель и корень древесные растения, семена травянистые одно- двухлетние. В клетках стебля и корня из растворимых сахаров снова синтезируется крахмал. Опыт 2 Судьба запасного крахмала.
Цель проследить за превращениями запасного крахмала в стеблях хвойных и лиственных пород деревьев. Оборудование и объекты раствор Люголя, кусочки побегов ивы козьей, сирени обыкновенной, лиственницы европейской, сосны обыкновенной. Ход опыта 1. Опыт начат 30.10.99 года, после окончания листопада. 2. Один раз в месяц срезал по 2 небольших побега ивы козьей, сирени обыкновенной, лиственницы обыкновенной, сосны обыкновенной.
Делал продольный расщеп и с помощью раствора Люголя определял наличие крахмала. 3. Содержание крахмала выражал в баллах 4 балла - иссиня-чрный цвет содержание крахмала высокое 3 балла - тмно-синий цвет содержание крахмала среднее 2 балла - светло-синий цвет содержание крахмала низкое 1 балл - голубой цвет следы крахмала 0 баллов - жлтый цвет крахмал отсутствует. 4. Результаты опытов занс в таблицу Таблица 1 Изменение содержания крахмала в стеблях древесных пород Дата проведения опытаСодержание крахмала в баллахива козьяСирень обыкновеннаяЛиственница обыкновеннаясосна обыкновенная30.10.99344430.11.99233230.1 2.99221130.01.00110030.02.00110030.03.00 221130.04.002333 Опыт проведн в трх повторностях для получения более достоверного результата.
Вывод наблюдал колебание содержания крахмала, к середине зимы у сосны и лиственницы крахмал почти исчез. Такие колебания связаны с распадом крахмала и накоплением жиров в вакуолях клеток и в цитоплазме. Накопление жиров в клетках позволяет растениям перезимовать.
Эти процессы усиливаются при наступлении сильных холодов. Повышение температуры воздуха в конце зимы вызывает распад жиров и повторное накопление крахмала. К началу сокоотделения и распускания почек запасной крахмал окончательно распадается с образованием растворимых сахаров У ивы и сирени пробы немного отличаются от проб на крахмал у хвойных. Не наблюдается полного исчезновения крахмала к середине зимы, так как он служит энергетическим материалом, за счт которого растения живут зимой.
Он повышает устойчивость клеток к морозам. Поэтому в зависимости от характера превращения крахмала древесные растения делят на две группы крахмалистые куда вошли ива и сирень маслянистые хвойные. Опыт 3 Повышение морозоустойчивости растений Цель выяснить роль сахара в повышении морозоустойчивости тканей корнеплода свклы столовой. Оборудование и объекты корнеплод свклы столовой, 3 пробирки, штатив, термометр на 25С, лд, поваренная соль, пробочное сверло, растворы сахарозы.
Ход опыта 1. Пробочным сверлом из корнеплода вырезал 6 небольших одинаковых пластинок 2х0,5 см пластинок. 2. Тщательно промыл их водой, чтобы удалить антоциан содержится в вакуолях клеток, растворимый в воде - бетацианин из разрезанных клеток. 3. Поместил пластинки свклы в пробирки. В первую налили на 14 объма воду. Во вторую пробирку - столько же 0.5 М раствора сахарозы. В третью - столько 1,0 М раствора сахарозы. Количество раствора в пробирках и количество пластинок свклы одинаково. 4. Пробирки поместил в охлаждающую смесь к 3 частям измельчнного льда добавил 1 часть поваренной слои, перемещал. 5. Измерил температуру смеси, когда она опустилась до 20С, содержимое пробирки замрзло. 6. Через 20 минут достал пробирки и поставил в стакан с водой комнатной температуры для оттаивания.
После этого сравнил окраску раствора в пробирках. Таблица 2 Влияние сахарозы на морозоустойчивость тканей корнеплода свклы столовой пробиркиРезультаты интенсивность окраски раствора1 вода - контрольВода окрасилась интенсивно в красный цвет2 раствор 0,5 мРаствор окрасился в красный цвет средний по интенсивности3 раствор 0,1 МРаствор слабо окрашен следы антоциана Вывод выход антоцианов из вакуолей в раствор означает, что клетки погибли, мембраны их разрушены и уже не могут удержать содержимое клетки.
В пробирках с 0,5 М и 1,0 М растворами сахарозы цвет отличается от контроля. Чем выше концентрация сахарозы, тем слабее окрашен раствор. Уменьшение выхода антоциана из тканей корнеплода свклы, находившихся в растворах сахарозы, свидетельствует о том, что сахарозы оказала защитное действие на цитоплазму клеток при их замораживании.
Степень защитного действия зависит от концентрации сахарозы в более концентрированном растворе 1,0 М растворе повреждение тканей оказалось минимальным.
Чем выше количество сахарозы в клетке, тем ниже температура замерзания... Физиологические и биохимические процессы в зелных растениях тесно связ... Остальная вода прочно связана с молекулами белков и углеводов, теряет ... 1. 5.