【矩道生物虚拟实验室】生物的多功能秘密武器-液泡

2022/5/20 10:05:10 矩道科技 产品动态



生物教学中,通过矩道生物仿真实验室中的各类虚拟仿真资源创设生物学科融合课程,以虚补实,日常教学中令人苦恼的微观的结构与抽象难以理解的机理跃然眼前,鲜活生动。这样的虚拟仿真融合课程可以帮助学生更好地助推“结构与功能观”的初步建立,贯彻生命观念的养成。

液泡是“必修1-分子与细胞”中重要的的知识点,也是组成细胞的十分重要的结构。它为什么这么重要呢?



液泡不是植物细胞的特有结构,只不过是植物细胞的液泡较大、液泡之间差别也较大;而动物细胞的液泡较小、液泡之间差别也不显著;低等动物特别是单细胞动物的食物泡、收缩泡等也属于液泡。


高等植物细胞中的液泡


原生动物细胞中的液泡


藻类细胞中的液泡


在每个植物细胞内,液泡的大小、形状和数目相差很大,甚至其中的颜色也不相同。在幼龄细胞中,液泡的体积很小,用光学显微镜很难发现。随着细胞的生长,这些小液泡逐渐增大和合并,在成熟的细胞中,通常只有一个大的中央液泡,它可达细胞体积的90%。

液泡是由一层单位膜包围的细胞器,这层膜叫液泡膜,它使液泡的内含物与细胞质分隔开。液泡膜虽然在形态上与细胞膜无区别,但它们的通透性和物理性质是有区别的。液泡膜含不饱和脂肪酸的比例较高,它所含的磷脂分子以磷脂酰胆碱为主。


植物成熟细胞中的中央大液泡


液泡膜上具有多种酶和一些与物质运输相关的蛋白质。液泡膜有特殊的通透性,使得贮存在液泡内的糖类、盐类及其他物质的浓度往往很高,由此引起细胞质中的水分向液泡内流动,从而维持细胞的紧张度。


细胞质中的水分向液泡内流


液泡的来源是多方面的,它可来自内质网、高尔基体或细胞膜。内质网顶端膨大或出芽形成囊泡,而成为最初的小液泡,小液泡可逐步形成大液泡。

高尔基体的囊泡也能出芽形成小液泡,这些小液泡可与细胞膜融合,也可形成大液泡。此外,细胞膜内陷形成的囊泡也可参与大液泡的形成。

液泡主要有以下几个方面的功能。


01

贮存作用

液泡中的主要成分是水,但在不同种类的细胞中,液泡中还贮存有各种细胞代谢活动的产物。

甘蔗茎和甜菜根细胞的液泡中贮存有大量的蔗糖,柿子果皮细胞的液泡中含有丹宁。有些植物,特别是药用植物的某些细胞液泡中含有特殊的植物碱,如茶叶含有咖啡碱,罂粟果实中含有吗啡,金鸡纳树的树皮中含有奎宁。未成熟的水果中,由于液泡中含有较多的有机酸,故具有酸味。


液泡与花瓣


花瓣、果实常显示出红色、黄色、蓝色和紫色,它们都是液泡中的色素所显示的颜色。花青素的颜色可随液泡中的酸碱度不同而变化,碱性时显蓝色,中性时显紫色,酸性时显红色。


液泡与果实


液泡还是贮藏蛋白质和脂肪的场所。有证据表明,种子的贮藏蛋白多数位于液泡内,当种子萌发时,蛋白质被水解,以满足胚根和胚芽生长的需要。越冬木本植物(如杨树),在进入冬季时,其枝条的皮层细胞的液泡内积累大量的蛋白质。在油类植物的种子中,脂肪也是贮藏在液泡中,形成圆球体,常常占据细胞体积的大部分。

液泡作为贮藏库,还起着保持生物合成原料稳定供应的作用。在有些物质过剩时,则输入液泡贮存,当细胞质缺少这些物质时,液泡又及时地给予供应。由于液泡是植物细胞的主要Ca²⁺库,它在调控细胞质基质Ca²⁺的水平上具有重要作用。


02

维持细胞膨压的作用

液泡内含有较高浓度的糖类、盐类及其他物质,使得大量的水分进入液泡,充满水分的液泡维持着细胞的膨压,这是植物体保持挺立状态的根本因素,若液泡失水,植物体就发生萎蔫。


液泡参与气孔的调节


膨压还直接参与了调节气孔的开放。当K+、Cl-或苹果酸盐在保卫细胞液泡内迅速增加时,液泡膨压增大,致使气孔开放,而当K+、Cl-或苹果酸盐输出液泡时,膨压变小,液泡体积随之缩小,则气孔关闭。


03

与溶酶体类似的作用

液泡中含有各种酸性水解酶,它们能分解细胞内的蛋白质、核酸、脂质及多糖等物质,类似动物细胞中的溶酶体。细胞器碎片通过液泡膜的内陷吞噬进入液泡,最后在液泡中被分解。


液泡与溶酶体


液泡在植物细胞的自溶中起一定的作用。植物中有些衰老的或不需要的细胞,可经过自溶作用被消化掉。在正常的生理状态下,这种过程进行得比较缓慢,是逐渐消化的。如果液泡被破坏,释放出其中的水解酶,将导致细胞成分的迅速降解。


04

防御作用

许多植物的液泡中含有几丁质酶,它能水解破坏真菌的细胞壁。当植物体遭到真菌病原体的危害时,几丁质酶的生物合成增加,以增强对入侵病原体的杀伤作用。

液泡还具有吞噬病原体的作用,并通过其中的水解酶将病原体分解消灭,或将病原体围困在液泡内,使之不能增殖蔓延。此外,液泡还具有吸收细胞质中某些有毒物质,将其贮存隔离起来,避免细胞中毒的作用。

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