Физиология растений. Лекция 1

1. «Физиология растений»

Кафедра биохимии и физиологии
клетки
Заведующий кафедрой БФК
доктор биологических наук, профессор
Епринцев Александр Трофимович
«Физиология растений»

2.

Форма занятий
1. Лекции (проф. Епринцев А.Т.).
2. Лабораторные занятия
(асс. Хожаинова Галина Николаевна,
асс. Моисеенко Александр
Владимирович).
3. Коллоквиумы и тесты (асс. Хожаинова
Г.Н., асс. Моисеенко А.В.).
4. Экзамен (проф. Епринцев А.Т.).

3. Учебники и учебные пособия:

1. Под ред. Ермакова И.П. «Физиология растений». М. МГУ.
2007.
2. Медведев С.С. Физиология растений. С.-Петербург. 2004.
3. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М. 2011.
4. Полевой В.В. Физиология растений. М. Высшая школа. 1989.
5. Якушкина Н.И. Физиология растений. Москва. 2005.
6. Либберт Э. Физиология растений. Москва. - 1979.
7. Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения.
Москва. Мир. - 1983.
8. Епринцев А.Т., Федорин Д.Н. Фотосинтез в схемах.
Воронеж. Изд-во ВГУ. - 2009.

4. Цель и задачи

Цель физиологии растений исследование
функционирования
растительных организмов.

5. Задачи

1.
2.
3.
4.
5.
Выяснение физико-химической
сущности физиологических процессов.
Роль и значение отдельных процессов.
Исследование взаимосвязи
физиологических процессов.
Экологическая физиология растений.
Разработка приемов управления
процессами жизнедеятельности.

6. Методология

1.
2.
Наблюдение – исследование
осуществляется без
вмешательства человека в
процессы жизнедеятельности
растения.
Эксперимент – изучение
процессов растительного
организма с вмешательством
ученого в их естественный ход.

7. Эксперимент

1.
2.
3.
Полевой
(изучение интенсивности
дыхания в биоценозе без нарушения
функционирования организма).
Вегетационный (исследование
процесса в растении, находящемся в
контролируемых условиях среды).
Вегетационный домик, фитотрон.
Лабораторный эксперимент (растение
подвергается резкому вмешательству
со стороны исследователя).
Центрифугирование, электрофорез,
радиоизотопный метод и др.

8. Перспективы физиологии растений

1.
2.
3.
Фундаментальная наука
Выяснение физико-химической
сущности физиологических процессов.
Создание банка наследственной
информации (исчезает ежедневно один
вид растений).
Изучение биосферных потоков света
(hv), С, N, P и других биогенных
элементов.

9. Перспективы физиологии растений

Прикладная наука
1. Теоретическая основа
растениеводства. Оптимизация
условий выращивания растений.
«Зеленая революция» - 80 ц/га.
2. Промышленная фитотроника (1 га
пашни кормит 1 человека, при
фитотронике 10 кв.м. почвы
обеспечивают 1 человека).

10. Перспективы физиологии растений

3. «Растение в пробирке» - культуры
тканей, органов, клеток решают
следующие проблемы:
- получение полезных для человека
веществ;
- микроклонирование безвирусных
культур. 1 апикальная точка листа
позволит культивировать 10 тыс.
растений;
- Материал для генной инженерии.

11. Фотосинтез

СО2 + Н2О
Свет
→
[СН2О] + О2
Фотосинтез – процесс трансформации
электромагнитной энергии в стабильную
форму энергии химических связей
органических веществ, которые
образуются из СО2 и воды; при этом
выделяется кислород.

12. История

Английский ученый Дж. Пристли в
1771 году открыл фотосинтез.
Огромный вклад в исследование
фотосинтеза внесли:
Я. Ингенгаус (Швейцария),
Н. Соссюр (Швейцария),
Ж. Сенебье (Франция),
Р. Пфеффер (Германия),
К.А. Тимирязев (Россия).

13. Значение фотосинтеза

1. Синтез и накопление органической
массы биосферы. Для синтеза
органических веществ затрачивается
200 млрд.тонн СО2 и 145 млрд.тонн
кислорода ежегодно. При этом ежегодно
образуется 155 млрд.тонн или 95% от
их общего количества на Земле.
Растения являются продуцентами всех
живых организмов биосферы.

14. Значение фотосинтеза

2. «Космическая роль»
фотосинтеза – Тимирязев К.А.
Зеленые растения превращают
энергию солнца в химическую
энергию органических веществ, то
есть делают доступной энергию,
поступающую из космоса (солнце),
для жизнедеятельности всех
организмов биосферы.

15. Значение фотосинтеза

3. Создание кислородной атмосферы
Земли. Первоначально в атмосфере
Земли кислорода было очень мало.
Сейчас его содержание - 21 %. Этот
кислород (99,9 %) является продуктом
фотосинтеза. Ежегодно в процессе
фотосинтеза образуется примерно 120
млрд.тонн кислорода.
Возникло аэробное дыхание.

16. Значение фотосинтеза

4. Обеспечение постоянства
содержания СО2 в воздухе.
Связывание СО2 фотосинтезом
компенсирует его выделение при
дыхании, брожении, извержении
вулканов, деятельности человечества.
В атмосфере в настоящее время
углекислый газ составляет чуть больше
0,04%. В последнее время из-за
возрастающего сжигания горючих
ископаемых, а также из-за вырубки
лесов и разложения гумуса содержание
СО2 увеличивается ежегодно на 0,23 %.

17. Механизм парникового эффекта

18. Значение фотосинтеза

5. Озоновый экран. Озон (О3)
образуется в результате
фотодиссоциации молекул кислорода
под действием солнечной радиации на
высоте около 25 км.
Озон задерживает большую часть
ультрафиолетовых лучей (240-290 нм),
губительных для всего живого.
Существует опасность разрушения
озонового экрана промышленными и
другими отходами.
Жизнь вышла из воды на сушу.

19. Фотосинтетический аппарат

Пластиды
Хлоропласты Лейкопласты Хромопласты
(зеленые)
(бесцветные) (оранжевые)
Амилопласты Протеопласты Олеопласты

20.

1 – Наружная мембрана хлоропласта; 2 – Внутренняя
мембрана; 3 – Строма хлоропласта (матрикс);
4 – Тилакоид граны; 5 – Тилакоид стромы; 6 – Грана

21. Строение хлоропласта

22. Химический состав хлоропласта

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Белки - 35-50%.
Липиды - 20-30%.
Углеводы - 10%.
Нуклеиновые кислоты - 2-3%.
Пигменты - 9%.
Минеральные вещества - 80%
от всех в растительной клетке.

23. Взаимопревращение пластид

24. Происхождение хлоропластов

Гипотеза эндосимбиотического
происхождения (Мережковский
К.С., Фаминцын А.С., КозоПолянский Б.М., Маргулис Л.).
На заре эволюции (2-3 млрд. лет
назад) цианобактерия проникла в
эукариотическую клетку. Возник
взаимовыгодный симбиоз.

25. Доказательства эндосимбиотической гипотезы

1. Кольцевая ДНК в хлоропластах
аналогичная ДНК цианобактерий.
2. В ДНК хлоропластов отсутствует
5-метил-цитозин.
3. ДНК хлоропластов не связывается
с гистонами (основные белки), то
есть не формируется хромосомная
структура.

26. Доказательства эндосимбиотической гипотезы

4. В хлоропластах функционируют
рибосомы-70S-типа, в цитоплазме
– 80S.
5. Биохимический состав внутренней
мембраны гомологичен мембране
цианобактерий.
6. Экспериментально подтверждено
захватывание хлоропластов
изолированными животными
клетками.

27. Пигменты фотосинтеза

Классификация пигментов
1. Тетрапирролы.
а) Циклические (хлорофилл а, хл.b,
хл.с, хл.d и т.д.).
в) Линейные (фикобилины).
2. Каротиноиды - изопреноиды.
3. Флавоноиды – антоцианы,
флавоны, локализованы в
вакуоли.
В фотосинтезе не участвуют.

28. Хлорофилл

Химическое строение хлорофилла
стало известным в 1961 году.
Комплексная Мg-соль,
1,3,5,8-тетраметан, 2-винил, 4-этил,
9-оксо, 10-карбометоксифорбин,
7-фитиловый эфир пропионовой
кислоты.

29. Строение хлорофилла а

30. Пространственная организация

1. Порфириновое ядро – 10 х 10 нм.
2. Фитол - 20 нм.
3. Магний – 2,4 нм (стабильность
молекулы).
4. Конъюгированная система связей
- 9 двойных связей (поглощение
света и его трансформация).

31. Физико-химические свойства

Спектр поглощения.
2. Флюоресценция (красная).
3. Растворимость.
4. Реакция омыления.
5. Феофитин.
См. лабораторные занятия.
1.

32. Нативное состояние

В живой клетке молекулы
хлорофилла образуют ассоциаты,
состоящие из нескольких десятков
или сотен пигментов. Это
светособирающие комплексы
(ССК).
Передают поглощенную энергию на
пигмент-ловушку.

33. Фикобилины

Фикобилины - красные и синие
пигменты, содержащиеся только у
одной группы эубактерий цианобактерий. Фикобилины
обеспечивают в клетках
цианобактерий поглощение света в
области 450 - 700 нм и с высокой
эффективностью (больше 90%)
передают поглощенный свет на
хлорофилл.

34.

35. Фикобилины

1. Фикоэритрины имеют красный
цвет с максимумом поглощения
498-568 нм (красные водоросли).
2. Фикоцианины – сине-голубые с
максимумом поглощения 585-630
нм (сине-зеленые водоросли).
3. Аллофикоцианины – синий цвет с
максимумом поглощения 585-650
нм (сине-зеленые водоросли).

36. Функции фикобилинов

1.
2.
3.
Дополнительный пигмент для
поглощения недоступных для
хлорофилла участков спектра.
Обеспечивают хроматическую
комплиментарную адаптацию
водорослей к условиям
освещения.
Участие в окислительновосстановительных реакциях.

37. Каротиноиды

Широко распространены в природе,
известно более 400 каротиноидов.
1. β-каротин (С40Н56) – 40-45% от
всех каротиноидов.
2. α-каротин
3. Лютеин – кислородсодержащий
каротиноид.
4. Зеаксантин и виолаксантин.

38.

39. Функции каротиноидов

1.
2.
3.
4.
Дополнительный пигмент,
поглощающий сине-фиолетовую часть
спектра (450-480 нм).
Защитная. Мутанты кукурузы,
лишенные каротиноидов, погибают в
обычных условиях освещения.
Кислородный обмен. Участвуют в
виолаксантиновом цикле.
Играют важную роль в половом
процессе, накапливаются в пыльце.

40.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ