Плазмолиз и деплазмолиз клетки: механизм и типы

Плазмолиз - это отставание протопласта от клеточной оболочки в гипертоническом растворе. Явление изучают в школьных и вузовских лабораториях по эпидермису лука или листу элодеи, а в агрономии оно определяет устойчивость культур к засолению и засухе. Ниже разобраны механизм, классификация форм, условия обратимости и методы оценки.

Осмотическая основа плазмолиза

Растительная клетка отличается от животной прочной целлюлозной оболочкой и центральной вакуолью, заполненной клеточным соком. Когда клетку помещают в гипертонический раствор (внешняя концентрация выше внутренней), вода выходит из вакуоли по градиенту водного потенциала. Объём вакуоли уменьшается, протопласт сжимается и отходит от оболочки - этот отрыв и называется плазмолизом.

Движущая сила - разность водных потенциалов:

$\Delta \Psi = \Psi_{\text{нар}} - \Psi_{\text{кл}}$

Если $\Delta\Psi < 0$ (внешний потенциал ниже клеточного), вода выходит. Осмотический потенциал клетки зависит от концентрации растворённых веществ в вакуоли и напрямую определяет порог наступления плазмолиза.

Водный потенциал клетки складывается из осмотической и тургорной составляющих:

$\Psi_{\text{кл}} = \Psi_s + \Psi_p$

где $\Psi_s$ - осмотический потенциал (всегда отрицательный, снижает $\Psi$), а $\Psi_p$ - потенциал давления (в тургесцентной клетке положительный). В момент начала плазмолиза $\Psi_p = 0$: тургорное давление исчезает, а клетка ещё только начала сжиматься. Этот момент называется точкой начального плазмолиза (incipient plasmolysis).

Рассчитать для своей задачи

Виды плазмолиза

По форме отставшего протопласта различают несколько стадий и типов.

Уголковый плазмолиз - начальная стадия: протопласт отходит только в углах клетки, оставаясь прикреплённым к оболочке в большинстве точек. Здесь ещё хорошо заметны нити цитоплазмы - нити Гехта, удерживающие протопласт у стенки.

Выпуклый плазмолиз - протопласт принял округлую или выпуклую форму и отошёл от всей поверхности стенки. Полость между стенкой и протопластом заполнена плазмолитиком.

Вогнутый плазмолиз возникает в сильно гипертонических растворах: протопласт сжимается настолько, что его края становятся вогнутыми. Эта форма часто необратима.

Судорожный (спазматический) плазмолиз - нити Гехта удерживают части протопласта, создавая неравномерное отставание и характерный «рваный» контур. Признак ослабленной клетки.

Деплазмолиз: возврат в тургор

Деплазмолиз - процесс, обратный плазмолизу: при переносе плазмолизированной клетки в гипотонический раствор или воду протопласт поглощает воду и возвращается к клеточной стенке, восстанавливая тургор.

Условия деплазмолиза:

• клетка жива (мембраны сохраняют избирательную проницаемость);
• плазмолизирующий агент не нарушил структуру мембран (уголковый и выпуклый плазмолиз обратимы; вогнутый - часто нет);
• внешний раствор гипотоничнее клеточного сока.

Скорость деплазмолиза зависит от концентрационного градиента и температуры. При быстром деплазмолизе в чистой воде ткань можно разорвать - именно поэтому при поливе засоленных почв применяют постепенное разбавление.

Во время деплазмолиза можно выделить три характерные стадии. Во-первых, нити Гехта натягиваются: вода начинает входить в зазор между стенкой и протопластом, нити сначала провисают, потом сокращаются, подтягивая протопласт. Во-вторых, протопласт касается стенки в нескольких точках: вид «выпуклого» деплазмолиза. Наконец, протопласт полностью прижимается к стенке, тургорное давление нарастает, клетка обретает упругость. Наблюдение за этими стадиями под микроскопом - наглядный тест жизнеспособности ткани.

Рассчитать для своей задачи

Плазмолитический метод и изотонический коэффициент

Метод граничного плазмолиза позволяет определить осмотическое давление клеточного сока. Находят минимальную концентрацию раствора, при которой ровно 50% клеток ткани находятся в состоянии плазмолиза (граничный плазмолиз). В этой точке давление раствора равно давлению клеточного сока.

Осмотическое давление раствора рассчитывают по уравнению Вант-Гоффа:

$\Pi = iCRT$

где $i$ - изотонический коэффициент (для электролитов $i > 1$), $C$ - молярная концентрация, $R = 8{,}314$ Дж/(моль·К), $T$ - температура в кельвинах.

Для неэлектролитов (сахароза) $i = 1$. Для NaCl при полной диссоциации $i \approx 2$, что нужно учитывать при расчёте плазмолитика.

Значение в агрономии и засухоустойчивость

Устойчивость растений к засолению и засухе во многом определяется способностью клеток поддерживать тургор или переносить плазмолиз без гибели.

Ксерофиты и галофиты накапливают в вакуолях высокие концентрации осмотически активных веществ - органических кислот, пролина, бетаина. Это снижает водный потенциал клеток ниже потенциала почвенного раствора, что предотвращает потерю воды даже при засолении.

Агрономически ценная структура почвы влияет на осмотический потенциал почвенного раствора: при нарушении структуры возрастает концентрация солей в прикорневой зоне, что повышает риск плазмолиза корневых клеток.

Для оценки стрессоустойчивости определяют:

• пороговую концентрацию плазмолитика (чем выше, тем устойчивее сорт);
• время деплазмолиза (ускоренный деплазмолиз указывает на высокую жизнеспособность);
• процент плазмолизируемых клеток при стандартной концентрации.

Лабораторный опыт: эпидермис лука

Классическая постановка использует внешний эпидермис чешуи репчатого лука (пурпурного - для контраста, так как вакуоли содержат антоцианы).

1. Поместить срез в каплю 1 М сахарозы под покровное стекло.
2. Наблюдать через 3-5 минут: протопласт (розово-фиолетовый) отошёл от прозрачной стенки.
3. Промыть: у края покровного стекла добавить каплю воды, с другого края вытянуть фильтровальной бумагой.
4. Через 2-5 минут наблюдать деплазмолиз: протопласт возвращается к стенке.

Нити Гехта хорошо видны в фазово-контрастной микроскопии или с окрашиванием нейтральным красным (окрашивает вакуоль). Время появления нитей и их толщина - показатель состояния цитоскелета.

Рассчитать для своей задачи

Отличие от цитолиза и тургора

Плазмолиз не следует путать с родственными явлениями:

• Тургор - состояние, противоположное плазмолизу: протопласт прижат к оболочке, создаёт давление. Клетка упругая. Характерно для нормально гидратированных тканей.
• Цитолиз - разрушение клетки в гипотоническом растворе, когда вода входит настолько быстро, что мембрана разрывается. У растений этого почти не происходит: клеточная стенка ограничивает набухание.
• Плазмолиз у животных клеток: формально называют «кренацией» (сморщивание эритроцита в гипертоническом растворе), но механизм тот же - потеря воды.

Изучение клеток-спутниц ситовидных трубок флоэмы показывает, что осмотические механизмы регулируют транспорт сахаров по всему растению - тургор флоэмы служит движущей силой дальнего транспорта.

Частые ошибки

• Путаница гипер- и гипотонического. Плазмолиз - в гипертоническом (концентрация снаружи выше). Деплазмолиз - при помещении в гипотонический или воду. Мнемоника: «гипер» - больше, вода уходит; «гипо» - меньше, вода входит.
• Игнорирование изотонического коэффициента. При расчёте плазмолитика из NaCl забывают умножить на $i \approx 2$: используют концентрацию вдвое меньшую нужной и не наблюдают плазмолиза.
• Считают плазмолиз гибелью клетки. Уголковый и выпуклый плазмолиз обратимы; клетка жива. Гибель наступает при вогнутом или длительном плазмолизе.
• Забывают про нити Гехта. Их отсутствие при уголковом плазмолизе - признак повреждения цитоскелета или старой клетки.
• Смешивают плазмолиз и цитолиз. Цитолиз - разрыв мембраны в гипотоническом растворе; плазмолиз - отрыв протопласта в гипертоническом.

FAQ

Можно ли наблюдать плазмолиз у животных клеток? Прямого аналога нет: у животных клеток нет жёсткой клеточной стенки и вакуоли. При погружении в гипертонический раствор эритроциты сморщиваются (кренация) - это схожее явление, но без отрыва «протопласта» от «оболочки».

Почему вогнутый плазмолиз необратим? При сильном обезвоживании фосфолипидный бислой мембраны теряет воду гидратных оболочек, липиды перегруппировываются, а некоторые мембранные белки денатурируют. Восстановить избирательную проницаемость уже невозможно - вода при деплазмолизе входит неконтролируемо, клетка гибнет.

Как плазмолиз используется в пищевой промышленности? Засолка и квашение овощей основаны на плазмолизе: гипертонический рассол вытягивает воду из клеток, клетки сморщиваются, что облегчает проникновение соли и препятствует развитию патогенов. Брожение начинается на клеточном соке, вышедшем при плазмолизе.

Коротко

Плазмолиз - отставание протопласта от клеточной стенки при потере воды в гипертоническом растворе. Различают уголковый (обратимый), выпуклый (обратимый) и вогнутый (часто необратимый) типы. Деплазмолиз происходит при переносе в гипотонический раствор: вода возвращается, тургор восстанавливается - если мембраны целы. Метод граничного плазмолиза позволяет измерить осмотическое давление клеточного сока по уравнению Вант-Гоффа. В агрономии устойчивость к плазмолизу - показатель засухо- и солеустойчивости сорта.