Все фрукты и овощи под микроскопом. Урок по биологии "строение растительной клетки"

Клубень картофеля (Solanum tuberosum)

Если тонкий срез кусочка клубня картофеля поместить в каплю воды и рассмотреть под микроскопом, то видно, что все клетки сплошь заполнены довольно крупными образованиями, налегающими одно на другое, - крахмальными зернами. Чтобы лучше рассмотреть их строение, с поверхности разрезанного клубня соскабливают небольшое количество мутноватой массы и переносят в каплю воды на предметное стекло. Накрыв препарат покровным стеклом, отыскивают при малом увеличении микроскопа место, где крахмальные зерна расположены достаточно редко, и переводят микроскоп на большое увеличение.

Крахмальные зерна имеют различную величину и форму: более крупные яйцевидные и более мелкие округлые. Крупные зерна являются вполне развитыми, типичными. Медленно поворачивая микровинт, можно заметить, что зерна слоисты, т. е. состоят из темных и светлых слоев неравной толщины. Слои расположены вокруг общего центра, так называемого образовательного центра, который смещен к периферии. Слоистое строение зерна зависит оттого, что слои крахмала, образуемые пластидой вокруг центра образования, отличаются по содержанию влаги. При высушивании крахмала слоистость исчезает.

Крахмальные зерна, имеющие один центр образования, называются простыми. Если в теле лейкопласта возникают два или более центров образования, то каждое зерно нарастает самостоятельно до соприкосновения друг с другом. Если после этого пластида перестает откладывать новые слои, образуется сложное зерно, если же откладываются еще общие слои вокруг образовавшихся зернышек, то возникает полусложное зерно (рис. 9).

Для доказательства того, что зерна состоят из крахмала, можно провести йодную реакцию. Чтобы познакомиться с разнообразием крахмальных зерен, можно использовать семена овса, пшеницы, гороха, кукурузы и т. д. или заменить их соответствующей мукой. На рисунке 9, кроме крахмальных зерен картофеля, изображены сложные крахмальные зерна овса, легко распадающиеся на отдельные зернышки, и крупные простые крахмальные зерна кукурузы, имеющие в центре щель.

Ткань (мякоть) картофеля, овощей и плодов состоит из тон­костенных клеток, разрастающихся примерно одинаково во всех направлениях. Такую ткань называют паренхимной. Содер­жимое отдельных клеток представляет собой полужидкую мас­су - цитоплазму, в которую погружены различные клеточные элементы (органеллы) - вакуоли, пластиды, ядра, крахмальные зерна и др. (рис. 9.2). Все органеллы клетки окружены мембрана­ми. Каждая клетка покрыта оболочкой, представляющей собой первичную клеточную стенку.

Оболочки каждых двух соседних клеток скрепляются с по­мощью срединных пластинок, образуя остов паренхимной ткани (рис. 9.3).

Контакт между содержимым клеток осуществляется через плазмодесмы, которые представляют собой тонкие цитоплазматические тяжи, проходящие через оболочки.

Поверхность отдельных экземпляров овощей и плодов по­крыта покровной тканью - эпидермисом (плоды, наземные овощи) или перидермой (картофель, свекла, репа и др.).

Поскольку в свежих овощах содержится значительное коли­чество воды, то все структурные элементы их паренхимной ткани в той илиЧшой степени гидратированы. Вода как растворитель оказывает важное влияние на механические свойства растительной ткани. Гидратируя в той или иной степени гидрофильные соединения, она пластифицирует структуру стенок и срединных пластин. Это обеспечивает достаточно высокое тургорное дав­ление в тканях.

Тургор - состояние напряжения, возникающее вследствие давле­ния содержимого клеток на их эластичные оболочки и давления оболо­чек на содержимое клеток.

Тургорное давление может снижаться, например, при увядании или подсыхании овощей и плодов или возрастать, что наблюдается при погружении увядших овощей в воду. Это свойство овощей и плодов можно учитывать при их кулинарной переработке. Так, картофель и корнеплоды с ослабленным тур-гором перед механической очисткой рекомендуют замачивать в течение нескольких часов для сокращения времени обработки и снижения количества отходов.

Рис. 9.2. Строение растительной клетки

Рис. 9.3. Стенка растительной ткани:

1 -- срединная пластинка; 2 - плазмалемма.

Увеличение х 45000 (по Ж.-К. Ролан, А. Сёлеши, Д. Сёлеши)

Вакуоль - самый крупный элемент, расположенный в цен­тре клетки. Она представляет собой своеобразный пузырек, запол­ненный клеточным соком, и является наиболее гидратированным элементом клетки паренхимы овощей и плодов (95...98 % воды). В состав сухого остатка клеточного сока входят в том или ином количестве практически все водорастворимые пищевые вещества.

Основная масса Сахаров, содержащихся в картофеле, овощах и плодах в свободном состоянии, растворимого пектина, органи­ческих кислот, водорастворимых витаминов и полифенольных соединений концентрируется в вакуолях.

В клеточном соке содержится примерно 60... 80 % мине­ральных веществ от общего их количества в овощах и плодах. Со­ли одновалентных металлов (калия, натрия и др.) практически полностью концентрируются в клеточном соке. Солей же каль­ция, железа, меди, магния содержится в нем несколько меньше, так как они входят в состав других элементов тканей.

Клеточный сок содержит как свободные аминокислоты, так и растворимые белки, которые образуют в вакуолях растворы от­носительно слабой концентрации.

Тонкий слой цитоплазмы с другими органеллами занима­ет в клетке пристенное положение. В состав цитоплазмы входят в основном белки, ферменты и в небольшом количестве липиды (соотношение белков и липидов 90:1). В цитоплазме, как и в ва­куолях, они находятся в виде раствора, но более концентриро­ванного (10 %).

Пластиды - это органеллы, которые присутствуют только в растительных клетках. Наиболее типичные из них - хлоропласты, которые содержат хлорофилл. В определенных физиологи­ческих условиях пластиды не образуют хлорофилл; в этих случа­ях они вырабатывают либо белки (протеопласты), либо липиды и пигменты (хромопласты), но чаще всего такие пластиды выпол­няют резервные функции, и тогда в них накапливается крахмал (амилопласты), поэтому пластиды бывают окрашенными и бес­цветными. Последние называют лейкопластами.

В состав хлоропластов кроме хлорофилла входят белки и липиды в соотношении 40:30, а также крахмальные зерна.

В процессе развития хромопластов образуются крупные глобулы, или кристаллы, содержащие каротиноиды, в том числе и каротины. Присутствие этих пигментов в зеленых овощах и не­которых плодах (крыжовник, виноград, слива ренклод и др.) обусловливает различные оттенки их зелено-желтой окраски. Каротины придают желто-оранжевую окраску моркови, репе и др. Однако не всегда оранжевая окраска указывает на высокое содержание их в плодах и овощах; например, окраска апельси­нов, мандаринов обусловлена другим пигментом - криптоксантином. В то же время в зеленых овощах относительно высокое содержание каротина может быть замаскировано хлорофиллом.

Амилопласты заполнены в основном крупными гранула­ми крахмала. Следует отметить, что в растительных клетках все содержащиеся в них крахмальные зерна находятся в пространст­ве, ограниченном оболочкой амилопластов или других пластид.

Ядро клетки содержит хроматин (деспирализованные хро­мосомы), состоящий из ДНК и основных белков (гистонов), и ядрышки, богатые РНК.

Мембраны - это активный молекулярный комплекс, спо­собный осуществлять обмен веществ и энергии.

Цитоплазма на границе с клеточной оболочкой покрыта про­стой мембраной, называемой плазмалеммой. Внешнюю гра-ни1ДУ плазмалеммы можно увидеть при рассмотрении под микро­скопом препаратов растительной ткани, обработанных концент рированным раствором поваренной соли. Из-за разности между осмотическим давлением внутри клетки и вне ее происходит пе­реход воды из клетки в окружающую среду, вызывающий плазмо­лиз - отделение цитоплазмы от клеточной оболочки. Аналогич­но плазмолиз можно вызвать, обрабатывая срезы растительной ткани концентрированными растворами Сахаров или кислот.

Цитоплазматические мембраны регулируют клеточную про­ницаемость, избирательно задерживая либо пропуская молекулы и ионы тех или иных веществ в клетку и за ее пределы.

Вакуоль, как и цитоплазма, также окружена простой мембра­ной, называемой тонопластом.

Основные структурные компоненты мембран - белки и по­лярные липиды (фосфолипиды). Существуют различные типы строения цитоплазматической мембраны: трехслойное (из двух слоев белка с биомолекулярной прослойкой липидов), грануляр­ное (из частиц, диаметр которых составляет около 100 Ю- 10 м, или из более мелких частиц - субъединиц). В настоящее время мембрану рассматривают как жидкую структуру, пронизанную белками.

Поверхность ядер, пластид и других цитоплазматических структур покрыта двойной мембраной, состоящей из двух рядов простых мембран, разделенных перинуклеарным пространст­вом. Эти мембраны препятствуют также смешиванию содержи­мого двух соседних органелл. Отдельные вещества переходят из одних органелл в другие лишь в строго определенных количест­вах, необходимых для протекания физиологических процессов в тканях.

Клеточные оболочки в совокупности со срединны­ми пластинками называют клеточными стенками. В от­личие от мембран они характеризуются полной проницаемостью.

Клеточные стенки составляют 0,7...5,0 % сырой массы ово­щей и плодов. Так, в овощах плодовой группы, например в ка­бачках, количество их не превышает 0,7 %. В листовых овощах - белокочанной капусте, салате, шпинате - около 2 %. Наиболь­шим содержанием клеточных стенок отличаются корнеплоды - 2...4%.

В состав клеточных стенок входят в основном полисахариды (80...95 %) - клетчатка, гемицеллюлозы и протопектин, поэтому их часто называют углеводами клеточных стенок. В со­став клеточных оболочек входят все перечисленные выше поли­сахариды. Считают, что срединные пластинки состоят в основном из кислых полисахаридов (протопектина), играющих роль межклеточного цементирующего вещества, которому иногда со­путствуют протеиновые соединения, а в наиболее старых тка­нях - лигнин.

Таб.9.1. Содержание экстенсина и оксипролина

в клеточных стенках некоторых растительных продуктов (%)

Кроме углеводов в клеточных стенках содержатся азотистые вещества, лигнин, липиды, воска, минеральные вещества.

Из азотистых веществ в клеточных стенках растительной тка­ни обнаружен структурный белок экстенсии - полимер из груп­пы гликопротеидов, белковая часть которого связана с углевода­ми - остатками арабинозы и галактозы. Молекулярная масса белковой части таких макромолекул равна 50 000, экстенсии имеет форму жесткого стержня, на 50 % состоит из оксипролина. В клеточной стенке присутствует несколько фракций белка, раз­личающихся содержанием оксипролина.

Экстенсии в некоторых отношениях напоминает белок кол­лаген, выполняющий аналогичные функции в животных тканях. Содержание экстенсина и оксипролина в клеточных стенках раз­личных овощей и картофеля неодинаково (табл. 9.1). Клеточные стенки картофеля состоят примерно на 1/5 из экстенсина. В кле­точных стенках корнеплодов его содержится в 2 раза меньше, чем в клеточных стенках картофеля; в клеточных стенках дыни содержание экстенсина не превышает 5 %.

Соотношение углеводов и экстенсина в клеточных стенках зависит от вида растительной ткани. Клеточные стенки многих растительных продуктов состоят примерно на 1/3 из целлюлозы, на 1/3 из гемицеллюлоз и на 1/3 из пектиновых веществ и белка. В клеточных стенках томатов между углеводами и белком суще­ствует другое соотношение -1:1.

Лигнин - природный полимер сложного строения, фор­мирующий клеточные стенки растений. Играет роль инкрусти­рующего вещества, скрепляющего волокна целлюлозы и геми­целлюлоз. Ковалентно связан с полисахаридами гемицеллюлоз (кспланом), с пектиновыми веществами и белком. Содержание лигнина в тканях растений зависит от их вида и степени одревес­нения. Значительное количество лигнина содержится в клеточ­ных стенках свеклы, моркови, меньше его накапливается в бело­кочанной капусте.

В связи с тем, что размягчение картофеля, овощей и плодов, происходящее в процессе их тепловой кулинарной обработки, связывают с деструкцией клеточных стенок, представляется це­лесообразным рассмотреть строение последних.

По современным представлениям, клеточная стенка - это вы­соко специализированный агрегат, состоящий из различных по­лимеров (целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, белков и др.), структура которых у разных растений закодирована с той же степенью точности, что и структура молекул белков.

На рис. 9.4 представлена модель структуры первичной клеточной стенки.

Первичная клеточная стенка состоит из волокон (микрофиб­рилл) целлюлозы, которые занимают менее 20 % объема гидратированной стенки. Располагаясь в клеточных стенках парал­лельно, целлюлозные волокна с помощью водородных связей образуют мицеллы, которые имеют правильную, почти кристал­лическую упаковку. Одна мицелла целлюлозы может отстоять от другой на расстоянии, равном десяти ее диаметрам. Пространст­во между мицеллами целлюлозы заполнено аморфным основ­ным веществом (матриксом), состоящим из пектиновых ве­ществ, гемицеллюлоз (ксилоглюкан и арбиногалантан) и струк­турного белка, связанного с тетрасахаридами.

Первичная стенка клетки рассматривается как целая мешко­образная макромолекула, компоненты которой тесно взаимо­связаны. Между мицеллами целлюлозы и ксилоглюканом суще­ствуют многочисленные водородные связи. В свою очередь, кси­логлюкан ковалентно связан с боковыми галактановыми цепями пектиновых веществ, а пектиновые вещества через арабиногалактан ковалентно связаны со структурным белком.

Учитывая, что клеточные стенки многих овощей и плодов от­личаются относительно высоким содержанием двухвалентных катионов, в основном Са и Mg (0,5... 1,0 %), между пектиновыми молекулами, содержащими свободные карбоксильные группы, могут возникать хелатные связи в виде солевых мостиков.

Рис. 9.4. Структура первичной клеточной стенки (по Альберсхейму):

1 - микрофибрилла целлюлозы: 2 - ксилоглюкан; 3 - главные

рамногалактуроновые цепи пектиновых веществ; 4 - боковые

галактановые цепи пектиновых веществ; 5- структурный белок

с арабинозными тетрасахаридами; 6- арабиногалактан

Вероятность образования солевых мостиков и степень этерификации полигалактуроновых кислот связаны обратной зависи­мостью. Солевые мостики способствуют упрочнению клеточных стенок и паренхимной ткани в целом.

Покровные ткани клубней картофеля, корнеплодов и других овощей характеризуются пониженной пищевой цен­ностью из-за концентрации в них клетчатки и гемицеллюлоз, поэтому при кулинарной обработке картофеля и большинства овощей эти ткани удаляют.

Цель: Ознакомиться со строением крахмальных зерен основных пищевых растений

Методические указания. Наиболее распространенное запасное вещество растений – полисахарид крахмал. Первичный крахмал образуется из продуктов фотосинтеза в листьях растений и имеет вид мелких крупинок. Здесь он не хранится, а транспортируется для построения органов растений или откладывается в виде запасного вещества в плодах.

Рис. 6. Крахмальные зерна различных видов растений

А – из клубней картофеля: 1 – простое; 2 – сложное; 3 – полусложное;

Б – пше-ница (простое); В – овес (сложное); Г – кукуруза (простое);

Д – рис (сложное); Е – гречиха (простое)

Здесь он не хранится, а транспортируется для построения органов растений или откладывается в виде запасного вещества в плодах.

Вторичный или запасной крахмал образуется в лейкопластах (амилопластах) в специализированных органах – корневищах, клубнях, семенах, плодах. Из этого крахмала образуются простые, полусложные и сложные зерна.

Если в лейкопласте имеется одна точка, вокруг которой откладываются слои крахмала, то формируется простое крахмальное зерно (рис. А1, Б, Г).

Сложное зерно образуется, если точек отложения две и больше (рис. А2; В, Д, Е).

Полусложные зерна образуются в том случае, если крахмал сначала откладывается вокруг нескольких точек, а затем после их соприкосновения образуются общие слои (рис.6,А3). Простые крахмальные зерна имеют пшеница, рожь, кукуруза, сложные – рис, овес, гречиха. В клубнях картофеля встречаются все три типа крахмальных зерен. Форма, размер, строение крахмальных зерен специфичны для каждого вида растений. Поэтому при анализе продовольственного сырья растительного происхождения, в частности муки, по строению крахмальных зерен можно идентифицировать и установить в них наличие примесей.

Задание: Изготовить препараты крахмальных зерен картофеля, пшеницы, овса, риса, гречихи. Произвести окраску (реакцию) раствором йода. Зарисовать при большом увеличении крахмальные зерна, указанных выше растений, сохраняя при этом между ними пропорции. Подписать рисунки, указав вид растения и тип крахмальных зерен.

Последовательность выполнения работы:

Крахмальные зерна картофеля. Отрезают небольшой кусочек клубня и делают им мазок по предметному стеклу с предварительно нанесенной на него каплей воды. Каплю накрывают покровным стеклом, микроскопируют при малом, затем при большом увеличении. Необходимо постараться найти все три типа крахмальных зерен (иногда этого сделать не удается). При рассмотрении слоистости крахмальных зерен прикрывают диафрагму и слегка вращают микровинт. Зарисовать увиденную картину.

Осуществляют окраску препарата раствором йода и, глядя в микроскоп, наблюдают процесс окрашивания.

Препараты крахмальных зерен пшеницы, овса, риса и гречихи лучше готовить из разбухших семян. При этом, разрезав зерновку, извлекают содержимое ее (эндосперм) и переносят его в каплю воды на предметное стекло. Далее поступают, как в предыдущем случае, и рассматривают при большом увеличении.

Необходимо зарисовать форму крахмальных зерен пшеницы, овса, риса и гречихи. Необходимо научиться дифференцировать их по строению и определять видовую принадлежность.

Обозреватель BBC Future решила подробнее разузнать о популярнейшем в кулинарии многих стран корнеплоде и о свойствах, которые делают ту или иную его разновидность оптимальной для приготовления одних блюд и абсолютно непригодной для других…Вареная ль, запеченная, жареная или толченая — как картошку ни приготовь, испортить ее, вообще говоря, трудно.

(Согласно самому лучшему из известных мне рецептов пюре, кстати, предварительно растопленное масло в отварной картофель добавлять нужно постепенно и до тех пор, пока оно не перестанет впитываться.)
Это настолько привычный для нас продукт питания, что при его приготовлении мы часто не учитываем разницы даже между внешне отличающимися друг от друга видами.

А между тем не всякий картофель подходит для жарки во фритюрнице, и в салате хороши лишь определенные сорта. На школьных уроках домоводства обычно не учат различать картошку по сортам, и она вся кажется нам «на одно лицо».
Однако любой, кто пробовал одну и ту же разновидность и жарить, и варить для салата, прекрасно знает, что в мире корнеплодов тоже нет равенства.
Сорта отличаются своим химическим составом и, соответственно, технологическими свойствами. Так что если вы хотите, чтобы картофельное кушанье вам удалось, очень важно выбрать клубни с подходящими характеристиками.

До фритюрницы, к примеру, некоторые виды никак нельзя допускать. Я вот недавно лично убедилась в этом у себя на кухне, и тревожные сигналы от датчика дыма развеяли мои последние сомнения относительно профпригодности той породы картошки, из которой я тщетно пыталась приготовить чипсы.

Существуют сотни разных сортов картофеля, и, как утверждают диетологи и селекционеры, клубни с желтоватой, бурой, лиловой или красной шкуркой могут довольно сильно отличаться друг от друга не только внешне, но и по своему химическому составу.
Главное же отличие состоит в процентном содержании крахмала, и по этому критерию картофель подразделяют на две основных категории.

К первому типу — крахмалистому (или мучнистому) — относится картошка с высоким содержанием крахмала (в среднем около 22% от массы клубня, согласно результатам исследования Дайаны Маккомбер, которые приводит в своей работе диетолог Ги Кросби).
Она сухая и слоистая; при термической обработке приобретает зернистую текстуру.

Вам захотелось хрустящей обжаренной картошечки? Тогда постарайтесь не использовать так называемый восковой картофель — с ним вы не получите желаемого результатаОбразцовый представитель крахмалистого картофеля (по крайней мере в США) — сорт «Рассет» (Russet), обладающий красноватой кожурой. Он оптимален для фритюра. Низкое содержание в нем воды означает, что, когда чипсы входят в контакт с кипящим маслом, большая часть воды выкипает до того, как на поверхности образуется корочка, и оставшегося количества влаги хватает как раз на то, чтобы нутро каждого кусочка хорошенько пропарилось.

Многочисленные молекулы крахмала в картофеле «Рассет» помогают образованию румяной корочки по краям нарезанных ломтиков, а благодаря тому, что мякоть у него довольно плотная, чипсам не грозит остаться не прожаренными из-за проникшего глубоко внутрь масла.
Крахмалистый картофель также подходит для приготовления пюре и для запекания.
Сравнивая под микроскопом прошедший тепловую обработку картофель двух типов, исследователи обнаружили интересные различия
Но горе тому повару, кто для салата станет варить картошку с высоким содержанием крахмала — впитав в себя воду, она быстро развалится на части.

В салат лучше класть картофель восковых сортов, у которого тонкая кожица и водянистая мякоть. В нем всего около 16% крахмала, и при варке клубни сохраняют целостность ткани.
Многие из относящихся к этой категории разновидностей, кстати, имеют красивые названия, часто образованные от женских имен: «Шарлотта», «Аня», «Кара»…
Сравнивая под микроскопом прошедший термическую обработку картофель крахмалистого и воскового типов, исследователи обнаружили между ними интересные различия.
В отличие от восковых сортов, в мучнистых молекулы крахмала имеют обыкновение высасывать влагу из соседних участков ткани.
Вот почему крахмалистые сорта ощщаются нами как сухие и рассыпчатые, а восковые мы узнаем по их водянистости.
В микроскоп можно увидеть, что клетки, составляющие ткань крахмалистых картофелин, при варке распадаются на маленькие группы, словно крошки песочного печенья, а клубень теряет свое структурное единство. Восковая же картошка, напротив, прекрасно держит форму.Это объясняется тем, что у отвариваемого мучнистого картофеля расщепление содержащихся в клетках крахмальных зерен начинается при более низких температурах, чем у воскового (разница составляет почти 12C).

В результате у первого типа быстрее ослабляются межклеточные связи, и стенки клеток разрушаются на более ранних этапах процесса тепловой кулинарной обработки.
Для любимого многими пюре тоже подходит далеко не каждый тип картофеля
Эти свойства картофеля важно учитывать при выборе сорта, соответствующего конкретной кулинарной задаче. Впрочем, эти знания могут понадобиться не только дома на кухне.

Статья Рэймонда Уилера под названием Potatoes for Human Life Support in Space («Картофель и его роль в поддержании жизнедеятельности человека в космосе») рассказывает об экспериментах по выращиванию картофеля в невесомости.

Для пилотируемых межпланетных полетов умение выращивать съедобные плоды будет ключевым, и уже не один десяток лет ведутся эксперименты, направленные на то, чтобы выяснить, как картофель и другие культуры ведут себя в камерах роста при разных внешних условиях.Тестируются сорта, относящиеся как к крахмалистому типу, так и к восковому, и, по всей видимости, поварам не удастся избавиться от проблемы выбора даже в космосе.

Впрочем, те астрошефы, что долетят до Юпитера, будут вознаграждены — по мнению некоторых ученых, чипсы, приготовленные в условиях гравитации этой планеты, обладают идеальной хрусткостью.
Но у нас на Земле иные законы притяжения. И вот правительство КНР неожиданно объявило о том, что картошка теперь станет основным продуктом в рационе питания китайцев, наряду с рисом и пшеницей.
До сих пор картофель в Китае использовали в основном в качестве приправы к рису, а не как полноценный гарнир.

В китайской кухне мелко нарезанные клубни обычно маринуются в уксусе и затем обжариваются с острым перцем чили. Еще один популярный способ приготовления — потушить с добавлением соевого соуса и аниса.
Однако обещанный статус основного продукта вовсе не означает, что с его обретением картофель займет на столе у китайцев более заметное положение. Вряд ли запеченный «Рассет» заменит им традиционный рис.
По прогнозам обозревателей whatsonweibo.com, освещающего главные тренды китайских медиа, в том числе и социальных, в кулинарный обиход Поднебесной войдут, скорее всего, не блюда из цельного картофеля, а изделия из картофельной муки, вроде лапши и булочек.

Если так, то китайским потребителям не придется ломать себе голову, выбирая правильный сорт картофеля, — выбор за них сделает производитель.