Плазмолиз - необычное явление, наблюдаемое в растительных и некоторых микробных клетках при помещении в гипертонический раствор. Происходит резкое обезвоживание клетки, отрыв цитоплазмы от клеточной стенки. Что именно вызывает плазмолиз? Какие последствия он влечет для клетки? Обо всем по порядку.
Что представляет собой плазмолиз
Плазмолиз - это отделение протопласта (цитоплазмы) от клеточной стенки под действием гипертонического раствора, когда концентрация солей снаружи клетки выше, чем внутри. Плазмолизу предшествует потеря тургора и уменьшение объема клетки.
Данный процесс возможен в клетках растений, грибов, водорослей, крупных бактерий - обладающих плотной клеточной стенкой. Животные клетки без жесткого каркаса при помещении в гипертонический раствор лишь сжимаются, но их цитоплазма не отслаивается от мембраны.
Формы плазмолиза
- Уголковый - отслоение протопласта происходит только по углам клетки
- Вогнутый - цитоплазма остается в контакте со стенкой лишь в отдельных местах
- Выпуклый - полное отделение протопласта от стенки
Также различают судорожный плазмолиз, при котором сохраняются нити цитоплазмы, соединяющие ее с клеточной стенкой. Для вытянутых клеток характерен колпачковый плазмолиз.
Причины возникновения плазмолиза
Основной причиной возникновения плазмолиза является разница в концентрации растворов снаружи и внутри клетки, что приводит к нарушению осмотического равновесия. Из клетки начинает интенсивно выходить вода, клеточный сок концентрируется, объем цитоплазмы уменьшается, и в конце концов она отслаивается от ригидной клеточной стенки.
Скорость развития плазмолиза зависит от:
- Величины разницы осмотического давления
- Концентрации внешнего гипертонического раствора
- Вязкости цитоплазмы конкретной клетки
- Наличия плазмодесм и других цитоплазматических нитей
Чем выше разница концентраций и ниже вязкость цитоплазмы, тем быстрее протекает плазмолиз.
Следствия и значение плазмолиза
Плазмолиз может обратим - клетка после деплазмолиза (переноса в гипо- или изотонический раствор) восстанавливает нормальное состояние. Однако при длительном нахождении в сильно гипертонической среде или полном выпуклом плазмолизе клетка как правило погибает.
Наблюдая за плазмолизом в клетках лука, голландский ботаник Хуго де Фриз в 1877 году впервые измерил величину осмотического давления внутри растительной клетки.
Существуют два основных метода сравнительной оценки степени плазмолиза в клеточных тканях:
- Метод пограничного плазмолиза (автор - Де Фриз)
- Плазмометрический метод
| Метод | Суть метода |
| Пограничный плазмолиз | Определение концентрации раствора, при которой плазмолизируется 50% клеток |
| Плазмометрический | Измерение объемов клетки и протопласта после плазмолиза, расчет осмотического давления |
Таким образом, изучение плазмолиза позволяет глубже понять процессы осмотического регулирования в клетке, оценить жизнеспособность тканей, исследовать влияние различных веществ и условий на живые организмы.
Наблюдение плазмолиза на примере клеток лука
Наглядно продемонстрировать явление плазмолиза можно на примере эпидермальных клеток лука. Их цитоплазма окрашена в синий цвет за счет антоцианов, поэтому хорошо видна под микроскопом.
Подготовка материалов и оборудования
Для проведения опыта потребуются:
- Луковица с пигментированными чешуями
- Гипертонические растворы (нитрат кальция, хлорид кальция, сахароза)
- Дистиллированная вода
- Предметные и покровные стекла
- Микроскоп
Проведение эксперимента
Из нижнего эпидермиса лука готовим временный препарат и рассматриваем клетки под микроскопом. Заменяем воду на гипертонический раствор до появления плазмолиза кожицы лука. Наблюдаем его стадии: уголковый, вогнутый, выпуклый. Затем добавляем дистиллированную воду и наблюдаем обратный процесс - деплазмолиз.
Результаты эксперимента
Результаты опытов заносим в таблицу. Сравниваем скорость плазмолиза и деплазмолиза, анализируем влияние концентрации раствора, жизнеспособности клеток и других факторов.
Плазмолиз бактериальных клеток
Явление плазмолиза можно наблюдать и у бактерий при помещении в гипертонический раствор. Морфологически это выражается в появлении шаровидных включений в цитоплазме. Степень устойчивости бактерий к плазмолизу различна.
Влияние на жизнеспособность микроорганизмов
Гипертонические растворы оказывают бактерицидное действие, вызывая гибель клетки. Особенно чувствительны к плазмолизу кишечная палочка, холерный вибрион. А споры сенной палочки и стафилококки сохраняют высокую устойчивость в подобных условиях.
Применение плазмолиза
Знания о явлении плазмолиза и осмотических свойствах клеток находят широкое применение в медицине, фармакологии, пищевой промышленности и других областях.
Использование в медицине
В медицине гипертонические растворы применяются для лечения отеков, так как вызывают отток жидкости из тканей. Осмотические свойства учитывают и при создании лекарственных препаратов.
Применение в пищевой промышленности
В пищевой промышленности явление плазмолиза используется, например, при производстве варенья, джема, повидла. Высокая концентрация сахара в этих продуктах консервирует фрукты и ягоды, подавляя развитие микроорганизмов.
Перспективы изучения плазмолиза
Несмотря на почти полуторавековую историю, явление плазмолиза до конца не изучено. Остается много вопросов о точных механизмах данного процесса, влиянии различных факторов, возможностях практического применения.
Углубленное изучение механизмов
Необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить точные молекулярные механизмы плазмолиза и сопутствующих процессов в клетке. Какие структуры и вещества задействованы на каждом этапе? Какова роль цитоскелета и отдельных органоидов?
Влияние стрессовых факторов
Представляет интерес изучение воздействия на клетки различных стрессоров в сочетании с плазмолизом. Как, например, скажется на протекании процесса действие высоких или низких температур, токсинов, радиации?
Поиск новых применений
Плазмолиз и осмотические свойства клеток могут найти широкое применение в самых разных областях - от генной инженерии до пищевой промышленности. Необходимы новые исследования для выявления дополнительных возможностей использования этого явления на практике.
Итак, плазмолиз - любопытное и перспективное явление, знание которого важно как в фундаментальной науке для понимания процессов в клетке, так и в прикладных областях - медицине, сельском хозяйстве, биотехнологиях. Остается пространство для дальнейших исследований в этой области.
Методы предотвращения плазмолиза клеток
Для предотвращения нежелательного плазмолиза клеток существует несколько методов. Их выбор зависит от типа клеток, условий культивирования, поставленных задач.
Поддержание изотоничности среды
Самый очевидный способ избежать плазмолиза - это поддерживать изотоническую среду, когда концентрация раствора снаружи клетки соответствует (изо) внутриклеточной. Для этого используют специальные питательные растворы, часто меняя среду.
Использование осмопротекторов
Добавление осмопротекторов (таких как глицин, трегалоза) помогает клеткам поддерживать гомеостаз и избежать плазмолиза даже в условиях гипертонической среды. Эти вещества накапливаются в цитозоле, снижая его осмотический потенциал.
Генетическая модификация осмотолерантности
Методы генной инженерии позволяют повысить устойчивость клеток к осмотическому стрессу за счет экспрессии специальных белков. Это предотвращает плазмолиз даже в сильно гипертонических условиях.
Негативные эффекты плазмолиза
Помимо гибели клетки, плазмолиз может оказывать и иные негативные эффекты.
Нарушение метаболизма
Из-за рассогласования процессов, вызванных резким обезвоживанием цитоплазмы, в клетке могут нарушаться пути метаболизма, синтез белка, деление.
Потеря тургора у растений
У растений плазмолиз приводит к потере тургора, увяданию тканей, нарушению транспорта веществ - что негативно сказывается на росте и развитии.
