Основы цитологии, биохимии растений и водного обмена

1. Виды структур молекул белка и внутримолекулярные связи

• Первичная структура: Последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями (-CO-NH-).
• Вторичная структура: Локальное упорядочение полипептидной цепи (α-спираль, β-лист, β-изгибы). Поддерживается водородными связями между атомами пептидной связи.
• Третичная структура: Трехмерная укладка полипептидной цепи, определяемая взаимодействием аминокислотных радикалов. Поддерживается следующими связями:
  • Водородные связи: Между полярными радикалами.
  • Ионные (электростатические) связи: Между заряженными радикалами.
  • Дисульфидные связи: Ковалентные связи между цистеиновыми остатками (-S-S-).
  • Гидрофобные взаимодействия: Между неполярными радикалами.
  • Ван-дер-ваальсовы силы: Слабые взаимодействия между всеми атомами.
• Четвертичная структура: Объединение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) в один белковый комплекс. Поддерживается теми же связями, что и третичная структура.

2. Факторы, нарушающие белковую структуру и их влияние на ферментативную функцию

• Денатурация белка: Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка с сохранением первичной (последовательности аминокислот).
• Факторы денатурации:
  • Высокая температура: Разрывает водородные связи и гидрофобные взаимодействия.
  • Изменение pH среды (сильные кислоты или щелочи): Нарушает ионные связи и водородные связи, изменяет заряд радикалов аминокислот.
  • Органические растворители (спирт, ацетон): Нарушают гидрофобные взаимодействия.
  • Тяжелые металлы (свинец, ртуть): Связываются с сульфгидрильными группами (-SH) цистеина, нарушая дисульфидные связи.
  • Механическое воздействие (взбивание): Разрушает слабые взаимодействия.
• Влияние на ферментативную функцию: Денатурация приводит к изменению конформации фермента, в том числе активного центра. Активный центр — это область фермента, которая непосредственно связывается с субстратом и катализирует реакцию. Изменение формы активного центра препятствует связыванию субстрата и, следовательно, фермент теряет свою каталитическую активность. Это связано с принципом комплементарности (ключ-замок) между ферментом и субстратом.

3. Схема фосфолипида и его гидрофильные и гидрофобные части

O
||
CH2 - O - P - O - X (X - различный спирт: холин, этаноламин, серин и т.д.)
| |
O O
|| ||
C=O C=O
| |
R1 R2 (R1 и R2 - углеводородные "хвосты" жирных кислот)
| |
CH2 CH2
| |
CH2 CH2
| |

Гидрофильная "головка": -PO4-X (фосфатная группа и спирт X)

Гидрофобные "хвосты": R1 и R2 (углеводородные цепи жирных кислот)

4. Вещества вторичного обмена по группам

• а) Азотсодержащие вещества: Алкалоиды
• б) Сахароспирты: (Вещества вторичного обмена не относятся к сахароспиртам как таковым, это первичные метаболиты).
• в) Производные изопропена (изопреноиды): Эфирные масла, некоторые гликозиды (содержат терпеноидный агликон).
• г) Фенольные соединения: Танины, флавоноиды, лигнин. Некоторые гликозиды (содержат фенольный агликон).

5. Термин "фитонциды"

• Перевод: "Убивающие растения" (фито — растение, циды — убивающие).
• Вещества: Комплекс летучих веществ, выделяемых растениями (эфирные масла, терпены, органические кислоты, альдегиды и др.).
• Роль: Защита от бактерий, грибов, насекомых. Улучшение качества воздуха. Аллелопатия (влияние одних растений на другие).

6. Виды нуклеиновых кислот, локализация и функции

• ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота):
  • Локализация: Ядро (хромосомы), митохондрии, пластиды.
  • Функции: Хранение и передача наследственной информации.
• РНК (рибонуклеиновая кислота):
  • Локализация: Ядро, цитоплазма, рибосомы.
  • Функции:
    • мРНК (матричная РНК): Перенос информации о последовательности аминокислот от ДНК к рибосомам.
    • тРНК (транспортная РНК): Перенос аминокислот к рибосомам для синтеза белка.
    • рРНК (рибосомная РНК): Входит в состав рибосом и участвует в синтезе белка.
• Химические отличия:
  • Сахар: ДНК содержит дезоксирибозу, РНК — рибозу.
  • Азотистые основания: ДНК содержит тимин (Т), РНК — урацил (U).
  • Структура: ДНК обычно двухцепочечная (двойная спираль), РНК — одноцепочечная.

7. Кодирование наследственной информации в ДНК

• Кодирование: Последовательность нуклеотидов (аденин, тимин, гуанин, цитозин — A, T, G, C) в ДНК.
• Триплет (кодон): Последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая определенную аминокислоту.
• Ген: Участок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка или РНК (включая кодирующие и некодирующие участки).

8. Реализация генетической информации: транскрипция и трансляция

• Транскрипция: Синтез мРНК на матрице ДНК. Происходит в ядре. Фермент — РНК-полимераза.
  • РНК-полимераза связывается с промотором (специфическим участком ДНК).
  • РНК-полимераза двигается по ДНК, используя одну из цепей как матрицу для синтеза мРНК.
  • Синтез мРНК происходит по принципу комплементарности (A-U, G-C).
  • Транскрипция заканчивается, когда РНК-полимераза достигает терминатора.
• Трансляция: Синтез белка на рибосоме, используя мРНК как матрицу. Происходит в цитоплазме.
  • мРНК связывается с рибосомой.
  • тРНК, несущие аминокислоты, связываются с мРНК по принципу комплементарности между кодоном мРНК и антикодоном тРНК.
  • Рибосома двигается по мРНК, добавляя аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
  • Образуются пептидные связи между аминокислотами.
  • Трансляция заканчивается, когда рибосома достигает стоп-кодона.

9. Классификация и функции клеточных структур

Классификация по наличию мембраны:

• Немембранные:
  • Рибосомы: синтез белка
  • Клеточный центр (центриоли): организация микротрубочек, участвует в клеточном делении
• Одномембранные:
  • Эндоплазматическая сеть (ЭПС): синтез, модификация и транспорт белков и липидов
  • Комплекс Гольджи: модификация, сортировка и упаковка белков и липидов
  • Лизосомы: внутриклеточное переваривание
  • Вакуоли: хранение веществ, поддержание тургора, участие в лизисе
  • Пероксисомы: окислительные реакции
• Двумембранные:
  • Митохондрии: клеточное дыхание, синтез АТФ
  • Пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты): фотосинтез (хлоропласты), запасание питательных веществ (лейкопласты), придание окраски (хромопласты)
  • Ядро: хранение и передача генетической информации

10. Строение клеточной оболочки и ее функции

• Строение:
  • Первичная клеточная оболочка: Тонкий слой, состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и пектиновых веществ.
  • Вторичная клеточная оболочка: Более толстый слой, образуется после прекращения роста клетки. Содержит больше целлюлозы и лигнина.
• Вещества:
  • Первичная: Целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, белки.
  • Вторичная: Целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин (основной компонент), суберин, кутин, воск.
• Функции:
  • Защита клетки от механических повреждений и проникновения патогенов.
  • Поддержание формы клетки.
  • Регуляция водного баланса.
  • Участие в транспорте веществ.

11. Жидкостно-мозаичная модель мембраны

• Компоненты:
  • Фосфолипиды: Основной компонент, образуют билипидный слой.
  • Белки: Интегральные (пронизывают мембрану насквозь) и периферические (расположены на поверхности).
  • Холестерин: Уменьшает текучесть мембраны, стабилизирует ее.
  • Гликолипиды и гликопротеины: Углеводные остатки, связанные с липидами и белками, участвуют в распознавании и взаимодействии клеток.
• Функции мембран:
  • Барьерная: Разделяет внутреннюю среду клетки от внешней.
  • Транспортная: Регулирует перенос веществ внутрь и из клетки (активный и пассивный транспорт).
  • Рецепторная: Содержит рецепторы для сигнальных молекул (гормонов, нейротрансмиттеров).
  • Ферментативная: Содержит ферменты, участвующие в различных метаболических процессах.
  • Структурная: Обеспечивает организацию клеточных структур.

12. Сущность и значение обмена веществ

• Обмен веществ (метаболизм): Совокупность всех химических реакций, происходящих в живом организме, обеспечивающих его жизнедеятельность.
• Значение:
  • Получение энергии из питательных веществ.
  • Синтез необходимых для жизни веществ (белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот).
  • Удаление отходов метаболизма.
  • Рост и развитие организма.
• Направления обмена веществ:
  • Анаболизм (ассимиляция): Синтез сложных органических молекул из простых, требует затрат энергии (эндотермические реакции).
  • Катаболизм (диссимиляция): Расщепление сложных органических молекул на простые, сопровождается высвобождением энергии (экзотермические реакции).

13. Авто- и гетеротрофный типы питания

• Автотрофы: Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических (CO2, H2O) с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или химических реакций (хемоавтотрофы). Примеры: зеленые растения (фотоавтотрофы), серобактерии (хемоавтотрофы). Примеры клеток и тканей растений (автотрофных): клетки мезофилла листа, хлоренхима стебля.
• Гетеротрофы: Организмы, получающие органические вещества из других организмов (готовые). Примеры: животные, грибы, большинство бактерий. Примеры клеток и тканей растений (гетеротрофных): клетки корневых волосков, клетки запасающей паренхимы семян.

14. АТФ (аденозинтрифосфат)

• Группа: Нуклеотид, производное аденина.
• Строение: Аденин — рибоза — три фосфатные группы.
• Роль: Главный универсальный источник энергии в клетке. Энергия высвобождается при отщеплении одной или двух фосфатных групп.

15. Фосфорилирование АДФ

• Фосфорилирование: Присоединение фосфатной группы к молекуле АДФ (аденозиндифосфат) с образованием АТФ.
• Виды:
  • Субстратное фосфорилирование: Фосфатная группа переносится на АДФ с органической молекулы. Происходит в цитоплазме, например, в гликолизе.
  • Окислительное фосфорилирование: Фосфорилирование АДФ за счет энергии, выделяющейся при окислении органических веществ кислородом. Происходит в митохондриях (дыхательная цепь).
  • Фотофосфорилирование: Фосфорилирование АДФ за счет энергии света. Происходит в хлоропластах (световая фаза фотосинтеза).

16. Небелковые части сложных ферментов

• Кофакторы: Небелковые компоненты, необходимые для активности фермента.
  • Коферменты: Органические кофакторы (витамины, производные нуклеотидов, НАД+ и НАДФ+ как коферменты дегидрогеназ).
  • Простетические группы: Кофакторы, прочно связанные с ферментом (например, витамин В1 — кофермент декарбоксилаз, витамин В2 — кофермент дегидрогеназ).
  • Металлы: (Mg2+, Fe2+, Zn2+).

17. Ферментативный катализ

• Причины необходимости катализаторов: Большинство биохимических реакций протекают медленно или не протекают совсем в условиях клетки (нейтральный pH, умеренная температура). Ферменты снижают энергию активации реакции, ускоряя ее.
• Механизм ферментативного катализа:
  1. Фермент связывается с субстратом (веществом, на которое действует фермент), образуя фермент-субстратный комплекс (ES).
  2. В активном центре фермента происходят изменения, облегчающие протекание реакции (например, ослабление связей в субстрате).
  3. Образуется продукт реакции (P), который высвобождается из активного центра.
  4. Фермент возвращается в исходное состояние и может катализировать новую реакцию.

18. Факторы, влияющие на скорость ферментативной реакции

• Температура: Скорость реакции увеличивается с повышением температуры до оптимальной. При дальнейшем повышении температуры фермент денатурирует, и скорость падает.
• pH среды: Каждый фермент имеет свой оптимальный pH. Отклонение от оптимального pH приводит к изменению заряда аминокислотных радикалов в активном центре, что нарушает связывание субстрата и снижает активность фермента.
• Концентрация субстрата: С увеличением концентрации субстрата скорость реакции увеличивается до тех пор, пока все активные центры фермента не будут заняты (насыщение фермента).
• Концентрация фермента: Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента.
• Наличие ингибиторов и активаторов:
  • Ингибиторы снижают активность фермента (конкурентные и неконкурентные).
  • Активаторы увеличивают активность фермента.

19. Осмотическое давление у ксеро-, мезо-, гигро- и галофитов

Приблизительные значения:

• Ксерофиты (засухоустойчивые): Очень высокое осмотическое давление (20-70 атм).
• Мезофиты (средние условия): Среднее осмотическое давление (5-20 атм).
• Гигрофиты (влажные условия): Низкое осмотическое давление (2-10 атм).
• Галофиты (соленые почвы): Очень высокое осмотическое давление (30-100 атм). Это необходимо для поглощения воды из засоленной почвы.

20. Вещества, выполняющие запасающую, транспортную, защитную и регуляторную функции

• Запасающая:
  • Крахмал (углевод, полисахарид) в растениях.
  • Белки (например, альбумин в семенах).
  • Жиры/масла (липиды).
• Транспортная:
  • Гемоглобин (белок) в крови животных.
  • Белки-переносчики в мембранах клеток.
  • Сахара (глюкоза, сахароза) — транспортируются по сосудам растений.
• Защитная:
  • Антитела (белки) в иммунной системе животных.
  • Фитонциды (различные вещества) в растениях.
  • Воски и кутин на поверхности листьев растений.
• Регуляторная:
  • Гормоны (белки, пептиды, стероиды).
  • Ферменты (белки).
  • Витамины (различные органические соединения).

21. Состав и функция живицы

• Состав: Смесь смол (терпеноиды), эфирных масел, канифоли.
• Функция: Защита дерева от повреждений (зарастание ран, отпугивание насекомых, антимикробное действие).

22. Осмотический механизм корневого давления

1. Клетки коры корня содержат более высокую концентрацию растворенных веществ, чем почвенный раствор (создают осмотический градиент).
2. Вода поступает в клетки коры корня по осмосу из почвы.
3. Далее вода поступает в сосуды ксилемы (проводящая ткань корня).
4. Накопление воды в ксилеме создает корневое давление, которое поднимает воду вверх по стеблю.

Доказательства активного поглощения воды:

• Ингибиторы метаболизма (например, цианиды) подавляют поглощение воды.
• Поглощение воды зависит от температуры.
• В анаэробных условиях (без кислорода) поглощение воды снижается.

23. Влияние аэрации и температуры почвы на водопоглощение

• Аэрация: Недостаток кислорода в почве (плохая аэрация) угнетает дыхание корней и снижает активное поглощение воды. В анаэробных условиях корни не могут нормально функционировать.
• Температура: Низкая температура снижает активность ферментов, участвующих в поглощении воды, и увеличивает вязкость воды, затрудняя ее движение. Высокая температура может повредить корни.

24. Основные функции белка в клетке

• Каталитическая (ферментативная): Ферменты ускоряют биохимические реакции.
• Структурная: Образование цитоскелета, мембран, клеточной стенки.
• Транспортная: Перенос веществ через мембраны, транспорт кислорода гемоглобином.
• Защитная: Антитела, компоненты свертывающей системы крови.
• Сократительная: Актин и миозин в мышцах.
• Рецепторная: Связывание сигнальных молекул (гормонов, нейротрансмиттеров).
• Регуляторная: Регуляция экспрессии генов, клеточного цикла.
• Запасающая: Альбумин в семенах.

25. Водный баланс и водный дефицит растений

• Водный баланс: Соотношение между поступлением воды в растение и ее расходом.
  • Уравнение водного баланса: Приток воды = Отток воды + Изменение запаса воды в растении.
• Водный дефицит: Состояние, когда расход воды превышает ее поступление.
  • Уравнение водного дефицита: Водный дефицит = Транспирация - Поглощение воды.

26. Способы поддержания водного баланса растений

• Орошение: Регулярный полив растений.
• Мульчирование: Покрытие почвы вокруг растений органическими материалами (солома, опилки), чтобы уменьшить испарение воды.
• Удаление сорняков: Сорняки конкурируют с культурными растениями за воду.
• Применение антитранспирантов: Вещества, уменьшающие транспирацию.
• Выбор засухоустойчивых сортов: Сорта растений, приспособленные к недостатку влаги.
• Правильная агротехника: Рыхление почвы для улучшения аэрации и водопроницаемости.

27. Водный, осмотический и тургорный потенциалы

• Водный потенциал (Ψw): Мера свободной энергии воды в системе, выражается в мегапаскалях (МПа). Вода движется из области с высоким водным потенциалом в область с низким водным потенциалом.
  • Формула: Ψw = Ψs + Ψp
• Осмотический потенциал (Ψs): Потенциал, обусловленный наличием растворенных веществ (снижает водный потенциал). Всегда отрицательный.
• Тургорный потенциал (Ψp): Потенциал давления, создаваемый давлением цитоплазмы на клеточную стенку (повышает водный потенциал). Обычно положительный.

28. Суточный ход транспирации

• Достаток влаги:
  • Транспирация увеличивается утром с повышением освещенности и температуры.
  • Достигает максимума в середине дня.
  • Снижается во второй половине дня и ночью.
• Недостаток влаги:
  • Транспирация может быть снижена даже при благоприятных условиях (высокая освещенность и температура) из-за закрытия устьиц.
  • В экстремальных условиях транспирация может быть почти полностью прекращена.

29. Регуляция транспирации

• Устьица: Основной механизм регуляции.
  • Гидроактивная реакция: Изменение тургора замыкающих клеток устьиц в ответ на изменение водного потенциала листа. При недостатке влаги тургор снижается, устьица закрываются.
  • Фотоактивная реакция: Открывание устьиц на свету. Свет стимулирует накопление калия (K+) в замыкающих клетках, что увеличивает их тургор.
• Кутикула: Слой воска на поверхности листа, уменьшает испарение воды.
• Опушение: Защищает лист от перегрева и уменьшает испарение воды.

30. Формы влаги в почве

• Химически связанная вода: Входит в состав минералов, недоступна для растений.
• Гигроскопическая вода: Молекулы воды, адсорбированные на поверхности почвенных частиц, недоступна для растений.
• Пленочная вода: Вода, удерживаемая вокруг почвенных частиц силами адгезии, доступность ограничена.
• Капиллярная вода: Вода, находящаяся в капиллярных пространствах между почвенными частицами, доступна для растений.
• Гравитационная вода: Свободно перемещается в почве под действием силы тяжести, временно доступна для растений, но быстро уходит вниз.
• Доступные формы влаги: Капиллярная вода (основной источник), пленочная вода (частично).

31. Транспирация как "неизбежное зло"

• "Зло": Потеря воды растением, что может привести к водному стрессу и гибели.
• "Неизбежное": Открывание устьиц для поглощения CO2 (необходимого для фотосинтеза) неизбежно приводит к потере воды.
• Физиологическая роль транспирации:
  • Охлаждение растения: Испарение воды охлаждает лист.
  • Транспорт минеральных веществ: Транспирационный ток поднимает воду и минеральные вещества от корней к листьям.
  • Поддержание тургора клеток: Обеспечивает жесткость и форму клеток.

32. Движущие силы подъема воды на большую высоту

• Корневое давление: Незначительно способствует подъему воды на большую высоту.
• Транспирационный ток (основная сила):
  1. Испарение воды с поверхности мезофилла листа создает отрицательное давление (натяжение) в ксилеме.
  2. Вода поднимается по ксилеме как по непрерывной колонне (теория когезии-натяжения).
  3. Когезия (сила сцепления между молекулами воды) и адгезия (сила сцепления между молекулами воды и стенками сосудов ксилемы) поддерживают непрерывность водяного столба.
• Ткани, транспортирующие воду: Ксилема (сосуды и трахеиды).

33. Пересадка деревьев весной или осенью

• Причины:
  • Весна: Растение еще не начало активно расти, и потеря части корней (при пересадке) не приведет к сильному водному стрессу.
  • Осень: Растение заканчивает вегетационный период, и потребность в воде снижается. Кроме того, до наступления зимы у растения есть время на формирование новых корней.
• Почему не летом: Летом растение активно растет и транспирирует, поэтому потеря части корней может привести к сильному водному стрессу и гибели растения.