В почвенном растворе ионы находятся в свободном состоянии или связаны с почвенными коллоидами. Поглощаются элементы минерального питания чаще всего в ионной форме: азот как NO 3 + или NH 4 + , фосфор как НРО 4 2- или Н 2 РО 4 - , сера как SO 4 2- , молибден как МоО 4 2- ; калий, натрий, кальций, магний, тяжелые металлы (железо, марганец, медь) и цинк – в виде катионов; хлор – в виде хлорид-аниона; бор, вероятно, в форме недиссоциированной борной кислоты. Растение может поглощать и некоторые органические растворимые соединения, например аминокислоты. Однако основным источником питательных веществ являются минеральные соли.
Длительное время считали, что сильно разбавленный почвенный раствор поступает в корни в неизмененном виде, поднимается по стеблю и потом «сгущается» в листьях в результате испарения воды, т.е. вещества поступают в растение в тех же количествах и соотношениях, в каких они находятся в почвенном растворе. Транспирационный ток считался одним из обязательных условий поступления веществ из почвы в корень, а затем в надземные органы.
Однако более поздние опыты показали, что количество поступивших в растение и накапливаемых в нем минеральных веществ не пропорционально количеству прошедшей через него воды. В тропических лесах транспирация может быть подавлена из-за большой влажности воздуха. Несмотря на это, деревья достигают очень больших размеров и развивают большую листовую поверхность; следовательно, они обеспечивают себя всеми необходимыми элементами минерального питания.
Изучение растений, выращенных в водной культуре, показало, что из очень разбавленных растворов соли поглощаются быстрее, чем вода, а из концентрированных растворов, наоборот, в растение быстрее поступает вода.
Итак, минеральные соли и вода поступают в растение относительно независимо друг от друга и с помощью существенно различающихся механизмов. Однако независимость этих двух процессов не означает, что транспирационный ток не имеет никакого значения. Если в почвенном растворе много солей, то основная масса их передвигается из корней в надземные органы вместе с водой по сосудам ксилемы, т.е. вода облегчает транспорт веществ из корней в побеги (массовый ток). Если растение испытывает недостаток солей, то они передвигаются из корней в побеги не по древесине, а по коре, в этом случае транспирационный ток не может влиять на их транспорт.
Не только различные соли, но даже анион и катион одной и той же соли поступают в растение из раствора с разной скоростью. Так, если в качестве источника азота используется сульфат аммония, то катион аммония поглощается растением более интенсивно, чем сульфат-анион, так как растению азот необходим в больших количествах, чем сера. В результате по мере роста растения в растворе, содержащем эту соль, может накапливаться серная кислота, повреждающая корни. Если в качестве источника азота используется нитрат натрия, то анион будет поступать в корни быстрее катиона. В окружающем растворе будет накапливаться NaHCО 3 . Эта соль, подвергаясь гидролизу, образует сильную щелочь NaOH и слабую кислоту Н 2 СО 3 , что вызывает подщелачивание питательного раствора. Азотнокислый аммоний является примером соли, у которой анион и катион поглощаются почти с одинаковой скоростью. Соль, у которой быстрее поглощается катион, называется физиологически кислой ; у которой быстрее поглощается анион, – физиологически основной , у которой анион и катион поглощаются с одинаковой скоростью, – физиологически нейтральной.
Растение поглощает вещества избирательно. Например, С 4 -растения поглощают большее количество калия, железа и кальция, чем C 3 -виды, произрастающие в тех же условиях. В результате избирательного поглощения соотношение поглощенных веществ в клетках может быть совсем другим, чем во внешнем растворе. Наблюдения показали также, что поглощение веществ идет не только избирательно, но и против градиента химического потенциала. Для такого поглощения нужно затратить энергию АТФ.
Энергия дыхания может использоваться на перенос ионов против градиента химического потенциала и непосредственно, без предварительного запасания ее в АТФ. Согласно хемиосмотической теории П. Митчелла, в результате транспорта электронов по дыхательной цепи на наружной стороне внутренней митохондриальной мембраны накапливаются ионы водорода. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно. Катионы поступают внутрь органеллы, притягиваясь к отрицательно заряженной стороне мембраны. Таким образом, дыхательная цепь работает как протонный насос. Дыхательные яды, например динитрофенол, увеличивающие проницаемость мембраны для протонов, тормозят и поглощение ионов.
Поглощение минеральных элементов в корневую систему растений может быть не только активным, но и пассивным. Пассивное поступление идет по градиенту химического потенциала. Однако главную роль в жизнедеятельности растения играет активное поглощение элементов.
Как и поступление воды, процесс поглощения делят на два этапа: 1-й – поступление ионов из почвы или питательного раствора в свободное пространство клетки; 2-й – передвижение их из свободного пространства через плазмалемму в протопласт. Иногда поглощенные ионы могут транспорти-роваться из цитозоля в вакуоль или в другую органеллу.
Механизмы поглощения веществ корнем . В свободное пространство клетки ионы поступают или из почвенного раствора, если речь идет об эпиблеме, или из свободного пространства соседних клеток. На первом этапе главными механизмами поглощения являются диффузия и адсорбция, на втором – мембранные транспортные белки, эндоцитоз. Клеточные стенки не могут служить преградой для поглощаемых веществ, потому что в них находятся межфибриллярные полости, через которые эти вещества свободно диффундируют.
Ту часть объема корня, в которую минеральные вещества проникают или из которой выделяются путем свободной диффузии, называют апопластом. Анатомически апопласт представлен межфибриллярными полостями клеточных стенок и межклетниками. Объем свободного пространства составляет 5–10 % от всего объема корневой системы. Свободное пространство является внешним по отношению к протопластам клеток и внутренним по отношению к внешней среде.
За счет диффузии вещества поступают из почвенного раствора в свободное пространство клетки (межфибриллярные полости), где концентрация их в основном меньше, чем в окружающем растворе. Скорость диффузии мала и уменьшается с увеличением ее продолжительности: за час вещество передвигается на 5 мм, за 24 ч – на 25 мм, а за год – на 500 мм. Поэтому диффузия не может играть важной роли в передвижении растворенных веществ на далекие расстояния, например из корня в лист. Итак, диффузия является основным механизмом поступления веществ в свободное пространство корня .
Возможно, что через клеточную стенку вещества проходят не только с помощью диффузии, но и вместе с водой, когда, передвигаясь через мембрану, она захватывает одну или несколько небольших молекул растворенных в ней веществ (массовый ток).
Стенки межфибриллярных полостей, составляющих свободное пространство клеток, имеют отрицательный электрический заряд, например, за счет карбоксильных групп пектиновых веществ, входящих в состав клеточных стенок. Поскольку вещества поглощаются главным образом в ионной форме, то на их поступление будет влиять и этот электрический заряд. Поэтому поступление ионов в свободное пространство клетки зависит не только от разности концентраций, но и от разностей электрических потенциалов. Существование отрицательного заряда на клеточной стенке облегчает поглощение катионов и затрудняет поглощение анионов.
Кроме того, катионы могут адсорбироваться на клеточных стенках, поэтому концентрация катионов около стенок межфибриллярной полости больше, а анионов – меньше; в центре полости она равна концентрации катионов и анионов в наружном растворе. Из центра межфибриллярной полости ионы могут быть выделены в воду в результате диффузии.
Ионы, адсорбированные на стенках межфибриллярных полостей, могут выделяться в солевой раствор путем обмена, причем адсорбированный ион вытесняется ионом, который содержится в солевом растворе в избытке (обменная адсорбция). Например, если корень, выдержанный ранее в растворе кальция, перенести в раствор калия, то кальций будет выделяться из корня в раствор. Если же корень поместить в дистиллированную воду, то этого не произойдет.
Для явлений адсорбции характерна чрезвычайно большая начальная скорость, этим адсорбция отличается от диффузии. Вторым доказательством участия адсорбции в поглощении веществ служит существование состояния насыщения. Характерной особенностью поглощения является малая зависимость его вначале от температуры. Начальное поглощение зависит от величины pH. Особенно сильно концентрация водородных ионов влияет на соотношение количеств поглощаемых катионов и анионов.
Итак, интенсивное поглощение вначале, существование состояния насыщения, независимость начального поглощения от температуры и полная зависимость от величины pH – все это доказывает, что в поглощении веществ принимает участие адсорбция. Благодаря высокой скорости, свойственной этому процессу, растение способно достаточно быстро адсорбировать на поверхности корня и затем накапливать в своих клетках необходимые ему питательные вещества из таких разбавленных растворов, какими обычно являются почвенные растворы.
Войдя с помощью диффузии в свободное пространство корня, ионы адсорбируются не только на клеточных стенках, но и на плазмалемме, которая тоже несет электрический заряд. Разность электрических потенциалов на плазмалемме колеблется от 60 до 100, а иногда достигает 180 мВ, причем клетка заряжена отрицательно по отношению к наружному раствору.
На втором этапе поглощения вещество из свободного пространства должно проникнуть в протопласт клетки. Для этого ему необходимо пройти через плазмалемму – основной барьер на пути диффузии ионов и молекул в клетку. Находящиеся в растворе в непрерывном хаотическом движении молекулы растворенного вещества при столкновении с этой мембраной либо отскочат от нее, либо адсорбируются на ней, либо пройдут через плазмалемму. В последнем случае говорят, что мембрана проницаема для данного вещества. Если вещество само пройти через плазмалемму не может, то помогают мембранные транспортные белки, а также эндоцитоз.
Разные механизмы работают не изолированно, а в различных сочетаниях, например «диффузия – адсорбция – переносчик» или «диффузия – адсорбция – ионный насос». В зависимости от природы поглощаемого вещества и условий в клетке удельное значение того или иного механизма изменяется. Организм сам регулирует, какой механизм поглощения должен работать.
Хотя механизмы поглощения веществ делят на пассивные (диффузия, адсорбция) и активные (белки-переносчики, ионные каналы, эндоцитоз), это деление условно, так как для работы любого механизма нужна энергия. Например, для поддержания диффузии нужно, чтобы количество вещества в протопласте было меньше, чем в свободном пространстве клетки. Это возможно, если поглощаемое вещество сразу включается в обмен веществ, а для этого необходима энергия.
Интенсивное поглощение клеткой веществ должно было бы привести к выравниванию концентраций и к прекращению поглощения. Однако этого не происходит, так как поступающие ионы, например нитрат-, сульфат- и фосфат-ионы, быстро включаются в клетке в органические соединения. Скорость включения ионов в обмен веществ в свою очередь определяет скорость их поглощения.
Главный орган поглощения элементов минерального питания – корень . Удобрения можно вносить и через листья (внекорневая подкормка), но, как показали опыты с меченым фосфором, это вызывает их быстрое старение и опадение. В опытах с внекорневой подкормкой растения росли в 10 раз медленнее по сравнению с контрольными, получавшими такую же дозу фосфора через корни.
Рассмотрим особенности строения корня как органа поглощения веществ. Эпиблема, покрывающая корень снаружи, непосредственно соприкасается с почвенным раствором и почвой. Поэтому первичное поступление ионов в корень происходитименно через клетки этой ткани. Эпиблема – основной барьер на пути поглощения ионов корнем. Это доказывается тем, что именно в клетках этой ткани как анионы, так и катионы накапливаются в наибольших количествах. Эпиблема как поглотительная ткань неоднородна: некоторые из ее клеток превращаются в корневые волоски. На 1 мм 2 поверхности корня находится 200–400 корневых волосков; в результате поглощающая поверхность корня увеличивается в сотни раз. Корневой волосок – основной вход для ионов в корень; через другие клетки эпиблемы их поступает меньше. Косвенным доказательством этого служит и наибольшее число плазмодесм, выходящих из корневых волосков в клетки первичной коры.
Первичная кора составляет до 86–90 % от всего объема корня, в ней много межклетников. Чем толще кора, тем больше общий объем корня и, следовательно, его поглощающая поверхность, так как в зоне корневых волосков корень имеет форму цилиндра.
Центральный цилиндр корня отделен от коры эндодермой, которая, регулирует переход веществ с апопластного пути на симпластный и обратно. Под эндодермой находится перицикл. Специально проведенный на электронно-микроскопических фотографиях подсчет показал, что в то время как между соседними клетками перицикла в клеточных стенках находится 45 тыс. плазмодесм, из каждой клетки перицикла в клетки центрального цилиндра идет только 12 тыс. Наблюдение позволило предположить, что в перицикле изменяется направление движения ионов с радиального на кольцевое. В результате из клеток перицикла ионы поступают непосредственно в сосуды, по крайней мере, у тех растений, у которых сосуды погружены в перицикл. Следовательно, роль перицикла можно сравнить с ролью кольцевой автодороги, позволяющей изменять направление движения. Функции находящихся в центре корня проводящих тканей хорошо известны: по ним поглощенные вещества транспортируются из корней в надземные органы.
Корневая система неоднородна не только анатомически, но и физиологически. Разные зоны корня, отличающиеся разной скоростью роста, дыхания, поглощают вещества тоже с различной интенсивностью. Наиболее активно поглощают вещества клетки зоны растяжения и зоны корневых волосков. Опыты с проростками пшеницы показали, что корневые волоски не только увеличивают поверхность корня, но в их мембранах находятся транспортные белки, обладающие большей активностью по сравнению с такими же белками других клеток эпиблемы.
В этих зонах наиболее активно происходит синтез белков и других компонентов протопласта, являющихся акцепторами ионов, поглощаемых из внешней среды. В зоне опробковения поглощение ионов на единицу поверхности корня резко уменьшается. Зона наиболь-шего поглощения, зависящая от особенностей растения, почвы, уровня грунтовых вод, орошения и распреде-ления элементов минераль-ного питания, с возрастом растения опускается вниз. Итак, в каждом корне существует значительный градиент поглотительной способности, который уменьшается от кончика корня к его базальной части.
Если корень в течение какого-то времени поглощает вещества, то их концентрация около активно поглощающих участков корня уменьшится и скорость поглощения будет зависеть от скорости диффузии ионов в почве. У растущего кончика корня положение иное. Его клетки не только лучше поглощают, но благодаря делению и растяжению клеток кончик продвигается все дальше и дальше в новые участки почвы, где запасы необходимых веществ еще не истощились. В процессе роста корень двигается к питательным веществам. Поглощение в растущей части происходит намного быстрее, чем в других зонах корня, вблизи которых доставка веществ лимитирована. Чем быстрее ветвится корень, тем больше данная корневая система имеет зон растяжения и зон корневых волосков, т.е. зон активного поглощения.
Итак, поглощение веществ зонами корня, закончившими рост, зависит лишь от скорости диффузии поглощаемых веществ; растущими зонами – от скорости диффузии и от скорости их роста.
Мощное развитие корневых систем растений, особенно их мелких активных корешков и корневых волосков, беспрерывное распространение их во все новых и новых слоях почвы является необходимым условием поглощения веществ. Чем меньше подвижность данного иона в почве, тем большее значение приобретает мощность развития корневой системы, ее распространение в большем объеме почвы. Растение обладает большими потенциальными способностями к корнеобразованию. Изменяя схему внесения удобрений, можно управлять ростом корней в длину и скоростью их ветвления, следовательно, и урожаем. Кроме того, известно, что обрезка стимулирует ветвление корней, а это увеличивает количество зон с максимальным поглощением.
Таким образом, быстрый рост корневой системы, стимулируя поглощение веществ, сам является одним из необходимых условий быстрого поглощения солей.
Зоны корня отличаются между собой не только по скорости поглощения веществ, но и по интенсивности снабжения ими надземных органов. Так, клетки зоны деления и растяжения поглощают вещества исключительно для собственного («внутреннего») потребления. Они не только не транспортируют эти вещества в надземные органы, а, напротив, сами частично употребляют минеральные элементы, поглощенные в зоне корневых волосков. Это связано как с их функциями, так и с особенностями анатомии корня, в зоне растяжения которого проводящие ткани начинают закладываться.
Таким образом, в корне различают зону, участвующую в поглощении питательных веществ (зона деления и растяжения клеток), и зону, участвующую как в поглощении, так и в снабжении питательными веществами надземных органов (зона корневых волосков).
Однако неправильно было бы думать, что мощное развитие корней всегда является обязательным условием для удовлетворения потребностей растения в питательных веществах. Например, огромное количество сортов сахарного тростника с сильно развитой корневой системой низкоурожайны, поскольку много сахарозы расходуется на дыхание корней. Развитие растениями мощной и сильно разветвленной корневой системы является формой приспособления к поглощению малоподвижных веществ, к тому же часто весьма рассеянных в почве. При наличии в корнеобитаемой среде питательных веществ в легкодоступной форме и в достаточной концентрации мощное развитие корней не нужно, потому что корневая система работает обычно не с полной нагрузкой.
Неравномерное распределение в почве питательных веществ привело к тому, что у корней в процессе эволюции выработалась способность быстрее расти в том направлении, где больше концентрация недостающего элемента. Это свойство получило название хемотропизма .
Итак, скорость и направление движения корня в почве, величина поверхности, активно поглощающей соли и снабжающей ими другие органы, скорость включения ионов в метаболизм обусловлены ростом корня. Следствием этой зависимости является то, что при недостатке питательных веществ прежде всего тормозится рост побегов, а рост корней в длину, наоборот, стимулируется, что позволяет корню быстрее пройти слой почвы, бедный питательными веществами.
Значение изучения закономерностей формирования корневых систем и поглощения ими элементов минерального питания важно, во-первых, для решения некоторых вопросов агротехники (глубины пахотного слоя, глубины заделки семян и удобрений, выбора методов обработки почвы и орошения); во-вторых, существуют определенные корреляции между развитием корней и приспособляемостью растений к засухе, к повышенной влажности или к повреждению вредителями.
Министерство сельского хозяйства РФ
ФГБОУ ВПО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»
Кафедра экологии
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «Физиология растений»
Выполнила:
студентка 4 курса
технологического факультета
Степанова А. Ю.
Проверил:
преподаватель Таран Т. В.
Ярославль 2014
1. Поглощение веществ растительной клеткой. Пассивный и активный транспорты……………………………………………………………………
2. Транскрипция и ее биологическое значение, виды. Факторы, определяющие величину транскрипции……………………………………
3. Дегидрогеназы, их химическая природа и характер действия………………
4. Физиология покоя и прорастания семян. Влияние внутренних и внешних условий на процесс прорастания семян……………………………………..
1. Поглощение веществ растительной клеткой. Пассивный и активный транспорты
Поступление веществ в клеточную стенку (1-й этап).
Поглощение веществ клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной оболочкой. Еще работами Д. А. Сабинина и И. И. Колосова было показано, что клеточная оболочка способна к быстрой адсорбции ионов. Причем эта адсорбция в ряде случаев носит обменный характер. В дальнейшем в опытах с выделенными клеточными оболочками было показано, что их можно рассматривать как ионообменник. На поверхности клеточной оболочки оказываются адсорбированными ионы Н + и НС0 3 - , которые в эквивалентных количествах меняются на ионы, находящиеся во внешней среде. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межмолекулярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами.
Первый этап поступления характеризуется большой скоростью и обратимостью. Поступившие ионы легко вымываются. Это пассивный диффузионный процесс, идущий по градиенту электрохимического потенциала. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, включает клеточные стенки и межклеточные промежутки, т. е. апопласт или свободное пространство. По расчетам свободное пространство (СП) может занимать в растительных тканях 5-10% объема. Поскольку в клеточную оболочку входят амфотерные соединения (белки), заряд которых меняется при разных значениях рН, то в зависимости от значения рН скорость адсорбции катионов и анионов также может меняться. Поступление веществ через мембрану (2-й этап). Для того чтобы проникнуть в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, вещества должны пройти через мембрану - плазмалемму. Перенос веществ через мембрану может идти пассивным и активным путем. При пассивном поступлении веществ через мембрану основой переноса и в этом случае является диффузия. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и от растворимости вещества в липидной фазе мембраны. Поэтому неполярные вещества, которые растворяются в липидах (органические и жирные кислоты, эфиры), легче проходят через мембрану. Однако большинство веществ, которые важны для питания клетки и ее метаболизма не могут диффундировать через липидный слой и транспортируются с помощью белков, которые облегчают проникновение воды, ионов, Сахаров, аминокислот и других полярных молекул в клетку. В настоящее время показано существование трех типов таких транспортных белков: каналы, переносчики, помпы.
Три класса транспортных белков:
1 - белковый канал;
2 - переносчик;
3 - помпа.
Каналы - это трансмембранные белки, которые действуют как поры. Иногда их называют селективными фильтрами. Транспорт через каналы, как правило, пассивный. Специфичность транспортируемого вещества определяется свойствами поверхности поры. Как правило, через каналы передвигаются ионы. Скорость транспорта зависит от их величины и заряда. Если пора открыта, то вещества проходят быстро. Однако каналы открыты не всегда. Имеется механизм «ворот», который под влиянием внешнего сигнала открывает или закрывает канал. Долгое время представлялась труднообъяснимой высокая проницаемость мембраны (10 мкм/с) для воды - вещества полярного и нерастворимого в липидах. В настоящее время открыты интегральные мембранные белки, представляющие канал через мембрану для проникновения воды - аквапорины. Способность аквапоринов к транспорту воды регулируется процессом фосфорилирования. Было показано, что присоединение и отдача фосфатных групп к определенным аминокислотам аквапоринов ускоряет или тормозит проникновение воды, но не влияет на направление транспорта.
Переносчики - это специфические белки, способные связываться с переносимым веществом. В структуре этих белков имеются группировки, определенным образом ориентированные на наружную или внутреннюю поверхность. В результате изменения конформации белков вещество передается наружу или внутрь. Поскольку для транспорта каждой отдельной молекулы или иона переносчик должен изменить конфигурацию, скорость транспорта вещества в несколько раз меньше, чем происходит перенос через каналы. Показано наличие транспортных белков не только в плазмалемме, но и в тонопласте. Транспорт с помощью переносчиков может быть активным и пассивным. В последнем случае такой транспорт идет по направлению электрохимического потенциала и не требует затрат энергии. Этот тип переноса называется облегченной диффузией. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия.
Согласно представлениям о работе переносчиков, ион (М) реагирует со своим переносчиком (X) на поверхности мембраны или вблизи нее. Эта первая реакция может включать или обменную адсорбцию, или какое-то химическое взаимодействие. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не могут перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ионом (MX) подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду с образованием предшественника переносчика (X 1). Этот предшественник переносчика снова передвигается к внешней стороне мембраны, где вновь превращается из предшественника в переносчик, который на поверхности мембраны может соединиться с другим ионом. При введении в среду вещества, способного образовать прочный комплекс с переносчиком, перенос вещества блокируется. Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показали, что перенос ионов может проходить под влиянием некоторых антибиотиков, вырабатываемых бактериями и грибами,- ионофоров. Транспорт с участием переносчиков обладает свойством насыщения, т. е. при увеличении концентрации веществ в окружающем растворе скорость поступлении сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это объясняется ограниченным количеством переносчиков.
Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе только определенных веществ и, тем самым, обеспечивают избирательность поступления.
Комплекс ионофор К +
Это не исключает того, что один и тот же переносчик может обеспечивать перенос нескольких ионов. Например, переносчик К + , обладающий специфичностью для этого иона, также переносит Rb + и Na + , но не транспортирует Сl - или незаряженные молекулы сахарозы. Транспортный белок, специфичный для нейтральных кислот, хорошо переносит аминокислоты глицин, валин, но не аспарагин или лизин. Благодаря разнообразию и специфичности белков осуществляется избирательная их реакция с веществами, находящимися в среде, и, как следствие, их избирательный перенос.
Насосы (помпы) - интегральные транспортные белки, осуществляющие активное поступление ионов. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии и против электрохимического градиента. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессами дыхания и фотосинтеза и в основном аккумулирована в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ, это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН -> АДФ + Ф н. Ферменты, осуществляющие гидролиз АТФ, называются аденозинтрифосфатазы (АТФазы). В мембранах клеток обнаружены различные АТФазы: К + - Na + - АТФаза; Са 2+ - АТФаза; Н + - АТФаза. Н+- АТФаза (Н + -насос или водородная помпа) является основным механизмом активного транспорта в клетках растений, грибов и бактерий. Н + - АТФаза функционирует в плазмалемме и обеспечивает выброс протонов из клетки, что приводит к образованию электрохимической разности потенциалов на мембране. Н + - АТФаза переносит протоны в полость вакуоли и в цистерны аппарата Гольджи.
Расчет показывает, что для того, чтобы 1 моль соли диффундировал против градиента концентрации, необходимо затратить около 4600 Дж. Вместе с тем при гидролизе АТФ выделяется 30660 Дж/моль. Следовательно, этой энергии АТФ должно хватить для транспорта нескольких моль соли. Имеются данные, показывающие прямо пропорциональную зависимость, существующую между активностью АТФазы и поступлением ионов. Необходимость молекул АТФ для осуществления переноса подтверждается еще и тем, что ингибиторы, нарушающие аккумуляцию энергии дыхания в АТФ (нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования), в частности динитрофенол, тормозят поступление ионов.
Насосы делят на две группы:
1. Электрогенные, которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны.
2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.
Механизм действия транспортной АТФазы (P - неорганический фосфат).
Таким образом, перенос ионов через мембрану может осуществляться активным и пассивным путем. В обеспечении транспортной функции мембран и избирательности поглощения большую роль играют транспортные белки: каналы, переносчики и помпы. В настоящее время для многих транспортных белков гены клонированы. Идентифицированы гены, кодирующие калиевые каналы. На арабидопсисе получены мутации генов, которые влияют на транспорт и восстановление нитратов. Показано, что в геноме растений за транспорт веществ через мембраны отвечает не один ген, а несколько. Такая множественность обеспечивает выполнение функции в различных частях растений, что позволяет транспортировать вещества из одной ткани в другую.
Наконец, клетка может «заглатывать» питательные вещества вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз - это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с растворенными веществами. Явление пиноцитоза известно для клеток животных. Сейчас доказано, что оно характерно и для клеток растений. Процесс этот можно подразделить на несколько фаз: 1) адсорбция ионов на определенном участке плазмалеммы; 2) впячивание, которое происходит под влиянием заряженных ионов; 3) образование пузырьков с жидкостью, которые могут мигрировать по цитоплазме; 4) слияние мембраны, окружающей пиноцитозный пузырек, с мембранами лизосом, эндоплазматической сети или вакуоли и включение веществ в метаболизм. С помощью пиноцитоза в клетки могут попадать не только ионы, но и различные растворимые органические вещества.
Действие АТФ-азного насоса цитоплазматической мембраны.
Транспорт веществ в цитоплазме (3-й этап) и поступление в вакуоль (4-й этап). Пройдя через мембрану, ионы поступают в цитоплазму, где включаются в метаболизм клетки. Существенная роль в процессе связывания ионов цитоплазмой принадлежит клеточным органеллам. Митохондрии, хлоропласта, по-видимому, конкурируют между собой, поглощая катионы и анионы, поступившие через плазмалемму в цитоплазму. В процессе аккумуляции ионов в разных органеллах цитоплазмы и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт. Этот процесс осуществляется, по-видимому, по каналам ЭПР.
В вакуоль попадают ионы в случае, если цитоплазма уже насыщена ими. Это как бы излишки питательных веществ, не включенные в реакции метаболизма. Для того, чтобы попасть в вакуоль, ионы должны преодолеть еще один барьер - тонопласт. Если в плазмалемме механизм переноса ионов действует в пределах относительно низких концентраций, то в тонопласте - при более высоких концентрациях, когда цитоплазма уже насыщена данным ионом. В мембранах вакуоли были обнаружены вакуолярные каналы, которые отличаются по времени открывания (быстрые и медленные). Перенос ионов через тонопласт совершается также с помощью переносчиков и требует затраты энергии, что обеспечивается работой Н+ - АТФазы тонопласта. Потенциал вакуоли по сравнению с цитоплазмой положителен, поэтому анионы поступают по градиенту электрического потенциала, а катионы и сахара - в антипорте с протонами. Низкая проницаемость тонопласта для протонов позволяет снизить затраты энергии для поступления веществ. Вакуолярная мембрана имеет и вторую протонную помпу, связанную с Н + -пирофосфатазой. Этот фермент состоит из единственной полипептидной цепи. Источником энергии для потока протонов является гидролиз неорганического пирофосфата. В тонопласте обнаружены транспортные белки, которые позволяют проникать в вакуоль большим органическим молекулам непосредственно за счет энергии гидролиза АТФ. Это играет роль в аккумуляции пигментов в вакуоли, в образовании антимикробных веществ, а также при обезвреживании гербицидов. Поступившие в вакуоль вещества обеспечивают осмотические свойства клетки. Таким образом, проникающие через плазмалемму ионы накапливаются и связываются цитоплазмой, и только их избыток десорбируется в вакуоль. Именно поэтому между содержанием ионов во внешнем растворе и клеточном соке нет и не может быть равновесия. Необходимо еще раз подчеркнуть, что большое значение для жизнедеятельности клетки имеет активное поступление. Именно оно ответственно за избирательное накопление ионов в цитоплазме. Поглощение питательных веществ клеткой тесно связано с обменом веществ. Эти связи многосторонни. Для активного переноса необходимы синтез белков - переносчиков, энергия, поставляемая в процессе дыхания, эффективная работа транспортных АТФаз. Надо учитывать также, что, чем быстрее поступающие ионы включаются в метаболизм, тем интенсивнее идет их поглощение. Для многоклеточного высшего растения не меньшее значение имеет и передвижение питательных веществ из клетки в клетку. Чем быстрее проходит этот процесс, тем быстрее соли будут при прочих равных условиях поступать в клетку.
ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ ПОСТУПЛЕНИЯ
Поглощение питательных веществ клеткой может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение - это поглощение, не требующее затраты энергии. Оно связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного вещества. С термодинамической точки зрения направление диффузии определяется химическим потенциалом вещества. Чем выше концентрация вещества, тем выше его химический потенциал. Передвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Необходимо отметить, что направление движения ионов определяется не только химическим, но также электрическим потенциалом. Следовательно, пассивное передвижение ионов может идти по градиенту химического и электрического потенциала. Таким образом, движущей силой пассивного транспорта ионов через мембраны является электрохимический потенциал.
Электрический потенциал на мембране - трансмембранный потенциал может возникать в силу разных причин:
1.Если поступление ионов идет по градиенту концентрации (градиенту-химического потенциала), однако благодаря разной проницаемости мембраны с большей скоростью поступает либо катион, либо анион. В силу этого на мембране возникает разность электрических потенциалов, что, в свою очередь, приводит к диффузии противоположно заряженного иона.
2. При наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих определенные ионы, т. е. иммобилизирующих их. За счет фиксированных зарядов создается дополнительная возможность поступления ионов противоположного заряда (доннановское равновесие) .
3. В результате активного (связанного с затратой энергии) транспорта либо катиона, либо аниона. В этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала. Явление, когда потенциал генерируется активным поступлением через мембрану ионов одного заряда, носит название электрогенного насоса. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии.
Активный транспорт - это транспорт, идущий против электрохимического потенциала с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма.
Пассивный и активный транспорт
Имеется ряд доказательств существования активного транспорта ионов. В частности, это опыты по влиянию внешних условий. Так, оказалось, что поступление ионов зависит от температуры. В определенных пределах с повышением температуры скорость поглощения веществ клеткой возрастает. В отсутствие кислорода, в атмосфере азота, поступление ионов резко тормозится и может даже наблюдаться выход солей из клеток корня наружу. Под влиянием дыхательных ядов, таких, как KCN, СО, поступление ионов также затормаживается. С другой стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения. Все это указывает на то, что между поглощением солей и дыханием существует тесная связь.
Многие исследователи приходят к выводу о тесной взаимосвязи между поглощением солей и синтезом белка. Так, хлорамфеникол - специфический ингибитор синтеза белка - подавляет и поглощение солей. Активное поступление ионов осуществляется с помощью особых транспортных механизмов - насосов. Насосы подразделяются на две группы:
1.Электрогенные (упомянутые ранее), которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны.
2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.
Способность клетки к избирательному накоплению питательных солей, зависимость поступления от интенсивности обмена служат доказательством того, что наряду с пассивным имеет место и активное поступление ионов. Оба процесса часто идут одновременно и бывают настолько тесно связаны, что разграничить их трудно.
Корневая система растений поглощает из почвы как воду, так и питательные минеральные вещества. Оба эти процесса взаимосвязаны, но осуществляются на основе разных механизмов. Корни извлекают минеральные вещества из почвенного раствора и из почвенного поглощающего комплекса, с частицами которого зона поглощения корня (корневые волоски) тесно контактирует.
Клеточные стенки принимают непосредственное участие как в поглощении веществ из почвы, так и в транспорте элементов минерального питания по тканям.
Основной движущей силой поглотительной активности корней, как и вообще каждой клетки в отдельности, является работа ионных насосов (помп), локализованных в мембранах. Радиальный транспорт минеральных веществ от поверхности корня к проводящей системе осуществляется в результате взаимодействия всех основных тканей зоны поглощения, причем каждая ткань выполняет определенные функции. Радиальный транспорт завершается загрузкой минеральных веществ и их органических производных в трахеиды и сосуды ксилемы. В другие части растения ксилемный сок перемещается за счет транспирации и (или) корневого давления. Клетки, входящие в состав различных тканей и органов, в свою очередь поглощают и метаболизируют элементы минерального питания, доставляемые с ксилемным соком. Причем их поглотительная активность зависит от возраста и функционального состояния.
В целом процесс минерального питания растения - это сложная цепь биофизических, биохимических и физиологических процессов со своими обратными и прямыми связями и системой регуляции. В настоящее время не все звенья этой цепи изучены достаточно подробно.
Поглотительная активность корня основывается на механизмах поглотительной активности, присущей любой растительной клетке. Поэтому такие общие вопросы, как избирательное поступление веществ в клетку, роль фазы клеточных стенок, трансмембранного переноса ионов будут обсуждаться применительно ко всем растительным клеткам.
В различных органах растений накапливается неодинаковое количество минеральных элементов, причем содержание минеральных веществ в клетках не соответствует концентрации этих же веществ во внешней среде. В десятки раз выше в клетках содержание азота и калия. Это свидетельствует о том, что в клетках существуют механизмы не только поглощения веществ против концентрационного градиента, но и способы избирательного их накопления. Этот процесс начинается уже в клеточной стенке и затем продолжается с участием мембран.
Роль клеточных стенок в процессах адсорбции минеральных веществ. В отличие от клеток животных растительная клетка имеет оболочку (стенку), состоящую из целлюлозы, гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Пектиновые вещества (полиуроновые кислоты) в своем составе содержат карбоксильные группы, в результате чего клеточные оболочки приобретают свойства катионообменников и могут концентрировать положительно заряженные вещества.
Если в сосуд, содержащий раствор 86 RbCl или катионный краситель (например, метиленовый синий), погрузить корни (или другую растительную ткань), то в первые же 2 мин из раствора исчезнет до 50% рубидия (или красителя) от того количества, которое поглотится за длительное время (рис.).
Динамика поглощения растительными клетками ионов и их выход при отмывке водой или солевым раствором (фаза I - проникновение веществ в кажущееся свободное пространство (КСП), фаза II - накопление веществ в клетках; пунктиром обозначена экстраполяция кривой поглощения в фазе II на ось ординат для определения величины КСП)
В последующие 10 - 30 мин поглотится 70%, а дальнейшее связывание вещества тканями будет происходить очень медленно (часами). Чем обусловлено такое быстрое перемещение вещества в самом начале? Если ткань, находившуюся несколько часов в опытном растворе, перенести в воду или в солевой раствор того же состава, но без радиоактивной метки (или без красителя), то наблюдается обратная картина: быстрое выделение вещества в первые минуты и последующий медленный его выход из ткани. Таким образом, можно выделить две фазы поглощения веществ, протекающие с различными скоростями - высокой и медленной, причем вещество, быстро поглощенное тканью, так же быстро и выходит из нее. Первоначальное быстрое поглощение веществ осуществляется в клеточных стенках и является обменной адсорбцией (а быстрая потеря -десорбцией). Медленная фаза связана с функциональной активностью плазмалеммы (проникновением веществ в клетку или выходом из нее). Молекулярное пространство в клеточной стенке, где происходят процессы обменной адсорбции, получило название кажущегося свободного пространства (КСП). Термин «кажущееся» означает, что объем этого свободного пространства зависит от объекта и природы растворенного вещества. КСП включает в себя межмолекулярное пространство в толще клеточных стенок и на поверхности плазмалеммы и клеточных стенок. По расчетам КСП занимает в растительных тканях 5-10% объема. Поглощение и выделение веществ в КСП - физико-химический пассивный процесс. Его обусловливают адсорбционные свойства ионообменника и доннановский электропотенциал на границе водной среды и катионообменника. Эти факторы уже на первом этапе обеспечивают избирательность поглощения веществ, несущих заряд, так как катионообменник (клеточные стенки) более активно связывает катионы (особенно двух- и трехвалентные) по сравнению с анионами. Из-за высокой плотности отрицательных фиксированных зарядов в клеточной стенке (1,4-1,8 мэкв/мг сухой массы) происходит первичное концентрирование катионов в пространстве, непосредственно примыкающем к плазмалемме.
В конкретных условиях почвенного питания клетки корня (ризодерма) контактируют с водной фазой (почвенным раствором) и с частицами почвы, которые также являются преимущественно катионообменниками (почвенный поглощающий комплекс). При этом большая часть минеральных питательных веществ находится не в растворе, а адсорбирована на частицах почвы.
Катионы и анионы поступают в клеточные стенки ризодермы как непосредственно из почвенного раствора, так и благодаря контактному обмену с частицами почвенного поглощающего комплекса. Оба эти процесса связаны с обменом ионов Н + на катионы окружающей среды и HCO 3 - (OH -) или анионов органических кислот на анионы минеральных веществ.
Контактный обмен ионов клеточной стенки ризодермы (ионов Н +) с частицами почвы осуществляется без перехода ионов в почвенный раствор. Тесный контакт обеспечивается благодаря выделению слизи корневыми волосками и отсутствию у ризодермы кутикулы и других защитных покровных образований. Зона поглощения корней и частицы почвы образуют единую коллоидную систему (рис).
Контактный ионный обмен между клетками корня и частицами почвы
Так как адсорбированные ионы находятся в постоянном колебательном движении и занимают определенный «осцилляторный объем» (сферу колебаний), при тесном контакте поверхностей сферы колебаний двух ближайших адсорбированных ионов могут перекрываться, в результате чего осуществляется ионный обмен.
Способность к обменной адсорбции вообще и контактному обмену в частности определяется обменной емкостью корня. Она зависит от химического состава корневых выделений и клеточных оболочек и поддерживается непрерывным синтезом новых веществ, связанным с ростом корня и с процессами обновления его структур, а также с поглощением веществ через цитоплазматическую мембрану внутрь клеток и дальнейшим их перемещением внутрь корня. Обменная емкость корня у разных видов растений неодинакова и зависит от возраста.
Способы проникновения ионов через биологические мембраны. Проблема мембранного транспорта включает в себя два основных вопроса: 1) каким образом различные вещества физически преодолевают мембрану, состоящую из гидрофобных компонентов; 2) какие силы обусловливают перемещение веществ через мембрану при входе в клетку или при выходе из нее.
В настоящее время известно, что ионы и различные соединения преодолевают липидную фазу биологических мембран несколькими способами. Основные из них:
Простая диффузия через липидную фазу, если вещество растворимо в липидах.
Облегченная диффузия гидрофильных веществ с помощью липофильных переносчиков.
Простая диффузия через гидрофильные поры (например, через ионные каналы).
Перенос веществ с участием активных переносчиков (насосов).
Перенос веществ путем экзоцитоза (везикулярная секреция) и эндоцитоза (за счет инвагинации мембран).
В последние годы открыты и изучены вещества, с помощью которых можно резко ускорить транспорт веществ через липидную фазу мембран. Например, антибиотик грамицидин создает каналы для ионов К + и Н + . Молекулы другого липофильного антибиотика - валиномицина, свойства которого изучены Ю.А. Овчинниковым и сотр., группируясь вокруг ионов К + , формируют высокоспецифичные переносчики для этого катиона. Такого рода мембранотропные физиологически активные вещества в современной биологии стали мощным и тонким орудием экспериментального воздействия на живую клетку.
Пассивный и активный мембранный транспорт . Второй основной вопрос в проблеме мембранного транспорта - выяснение движущих сил этого процесса. Пассивным транспортом называют перемещение веществ путем диффузии по электрохимическому, т.е. по электрическому и концентрационному, градиенту. Так перемещаются, например вещества, если их концентрация во внешней среде более высока, чем в клетке. Активный транспорт - это трансмембранное перемещение веществ против электрохимического градиента с затратой метаболической энергии, как правило, в форме АТР. Примерами активного транспорта служат ионные насосы: Н + -АТРаза, Na + , К + -АТРаза, Са 2+ -АТРаза, анионная АТРаза.
Особую роль в плазмалемме растительных клеток (а также, по-видимому, в тонопласте) играет Н + -насос, создающий через эти мембраны электрический (Δψ) и химический (ΔрН) градиенты ионов Н + .
На рис. показано, что электрический потенциал ионов Н + (мембранный потенциал) может быть использован на транспорт катионов по электрическому градиенту против концентрационного. В свою очередь ΔрН служит энергетической основой для переноса через мембрану Cl - , SO 4 2- и др. в симпорте с ионами Н + (т.е. в ту же сторону) или для выкачки излишнего Na + в антипорте с Н + (т.е. в противоположные стороны). В этом случае ионы Н + перемещаются через мембрану по концентрационному градиенту, но это перемещение с помощью специальных белков-переносчиков сопряжено с транспортом других ионов (Cl - , Na +) против их концентрационных градиентов. Такой способ передвижения веществ через мембрану получил название вторичного активного транспорта .
Возникновение ΔрН на мембране может служить основой для вторичного активного транспорта и органических веществ. В плазмалемме обнаружены белки-переносчики сахаров, аминокислот, которые приобретают высокое сродство к субстрату только в условиях протонирования. Поэтому когда Н + -насос начинает работать и на наружной поверхности плазмалеммы увеличивается концентрация ионов Н + , то эти белки-переносчики протонируются и связывают сахара (аминокислоты). При переносе молекул сахара на внутреннюю сторону мембраны, где ионов Н + очень мало, Н + и сахара освобождаются, причем сахара поступают в цитоплазму, а ионы Н + снова выкачиваются из клетки Н + -насосом. По существу, Н + играет в этом процессе роль катализатора. Точно так же в симпорте с ионами Н + в клетку могут поступать и анионы. Кроме того, анионы слабых органических кислот при понижении рН на поверхности плазмалеммы могут проникать через мембрану в виде незаряженных молекул (если они растворимы в липидной фазе), так как с повышением кислотности снижается их диссоциация.
Механизмы мембранного транспорта в плазмалемме растительных клеток: К n + - катионы, А - - анионы, Сах - сахара, АК – аминокислоты.
Аналогично Н + могут функционировать и НСО 3 - или ОН - , избыток которых появляется в примембранном слое цитоплазмы при интенсивной работе Н + -насоса. Транспорт ионов ОН - , НСО 3 - и (или) анионов органических кислот наружу по электрохимическому градиенту может протекать в антипорте с поступлением в клетку анионов минеральных веществ.
растительный клеточный хлоропласт хлорофилл флавоноидный
В живой клетке растения всегда поддерживается определенное соотношение воды, солей и органических веществ, регулирующееся обменом веществ с окружающей средой, без которого жизнь невозможна. В клетке полупроницаемой перегородкой являются поверхностные слои протопласта, через которые легко проникают вода и растворенные в ней вещества. Различные вещества проникают также в клеточный сок. Без этого невозможным было бы поступление в клетку питательных веществ извне и передвижение их из одной клетки в другую, а следовательно, существование и самого растения. Способность цитоплазмы пропускать сквозь себя определенные вещества получила название проницаемости цитоплазмы.
Поступление питательных веществ в клетки -- результат активного процесса поглощения, которое подчинено законам диффузии. Но не все можно объяснить диффузией. На процессы поступления растворенных веществ, на проницаемость цитоплазмы влияют снабжение тканей кислородом, температура, наличие органических веществ, содержание солей в клетках, а также свойства и концентрация растворенных веществ в окружающем субстрате.
Поддержание проницаемости цитоплазмы на определенном уровне связано с сохранением баланса между ионами, содержащимися в окружающих клетку растворах и в самой цитоплазме; их соотношение определяет степень ее вязкости. Следовательно, проницаемость цитоплазмы зависит от ряда условий, а именно: характера самих веществ, которые содержатся в клетке, соотношения различных ионов минеральных веществ, температуры и других внешних условий.
Все органические вещества можно разделить на две группы: неполярные, у которых совпадают центры электрических зарядов, и полярные, у которых центры электрических зарядов не совпадают. У неполярных соединений преобладают группы --СН 3 , --С 2 Н 5 , --С 4 Н 9 , --С 6 Н 6 , у полярных -- ОН, --СООН, --NH 2 , --СОН, --CN, --CONH 2 , --SH, --NCS, а также группы, которые имеют двойные и тройные связи. Есть также соединения смешанного типа, которые одновременно полярны и неполярны. Такие соединения легко адсорбируются, например наркотики. Неполярными соединениями являются липиды, которые вместе с другими веществами входят в состав цитоплазмы. К полярным веществам относятся глюкоза, мочевина, глицерин, которые не растворяются в липидах, но легко проникают в клетку. Проникновение ионов в клетку происходит путем пассивного неметаболического поглощения в результате диффузии по градиенту концентрации соответственно кривой насыщения и путем метаболической (активной) абсорбции. Плазматические мембраны хорошо пропускают воду и мало проницаемы для ионов, которые поглощаются и против градиента концентрации. Так, концентрация К + в вакуоли бывает в 100 и более раз выше, чем в почве.
Неметаболическое поглощение -- обратимый процесс. Так, при переносе корневой системы растения из питательного раствора в воду в ней можно обнаружить часть элементов, диффундировавших в клеточные стенки и межклетники.
Метаболическое (активное) поглощение в отличие от неметаболического происходит медленно, поглощенные ионы быстро вовлекаются в обмен веществ и подвергаются превращениям:
NH 4 + , NO 3 - и SO 4 2- >аминокислоты,
РО 4 3- >АТФ, Са и Mg > фитин, Fe > порфирины.
Метаболическое поглощение является избирательным по отношению к различным ионам. Кроме того, процесс поглощения ионов требует затраты энергии и сопровождается повышением интенсивности дыхания.
Таким образом, поглощение веществ, элементов питания -- сложный процесс и осуществляется он при участии физико-химических и метаболических сил. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что единого механизма поглощения веществ, очевидно, не существует. Возможно существование ряда одновременно функционирующих механизмов поглощения веществ.
Поступление веществ в клетку, в цитоплазму происходит путем поверхностных адсорбционных процессов, диффузии, активного переноса и пиноцитоза. В общем виде адсорбция выражается концентрацией молекул растворенного вещества на поверхности раздела фаз, которые имеют поверхностную активность. Различают физическую, или неполярную, адсорбцию (действуют силы Ван дер Ваальса), полярную (адсорбция электролитов или ионов) и хемосорбцию (вследствие химических реакций).
Передвижение диспергированных веществ из одной части системы в другую называется диффузией (от лат. diffusio -- распространение, растекание). Растворенные в воде вещества рассеяны среди молекул растворителя, теряют силы сцепления друг с другом и находятся в непрерывном движении подобно движению частиц газа. Частицы растворенного вещества равномерно распределяются в доступном для них пространстве. Чем меньше частицы молекулы вещества, тем быстрее они распространяются в массе растворителя; крупные частицы веществ коллоидного характера передвигаются в десятки раз медленнее, чем молекулы кристаллоидов. Отсюда и основной закон: скорость диффузии обратно пропорциональна размеру частиц.
К диффузии способны газы, жидкости и твердые тела. Белки и полисахариды отличаются пониженной способностью к диффузии.
Активный перенос молекул осуществляется за счет энергии обмена веществ, которая поставляется в виде макроэргических связей (АТФ) при участии АТФ-азы, расщепляющей и освобождающей энергию.
Экспериментально разрабатывается теория клеточных переносчиков (П. Беннет-Кларк, А.Л. Курсанов, У. Стейн и др.). Суть этой теории заключается в том, что ионы, которые поступают из окружающей среды в полупроницаемую зону цитоплазмы, связываются специальными веществами -- клеточными переносчиками, выполняющими роль проводников ионов во внутренние слои протопласта. К веществам-переносчикам относятся б-кетоглютаровая кислота (НООС--СОСН 2 -- СН 2 --СООН) и другие кетокислоты из цикла Кребса, фосфолипид лецитин.
«Захваченное» клеточным переносчиком вещество попадает в более глубокие слои цитоплазмы и удерживается там веществами, которые акцептируют его.
Вещества-переносчики могут функционировать и в обратном направлении -- выносить органические и неорганические соединения из клетки наружу, что приводит, например, к выделению корневой системой органических соединений в окружающую среду.
Поглощение клеткой веществ из внешней среды может осуществляться также (по гипотезе Г. Холтера) пиноцитозом. Клетка в результате активного движения цитоплазматической поверхности как бы заглатывает капельки жидкости из раствора. Длительное время пиноцитоз считался присущим только животным клеткам. Однако обнаружены факты проникновения макромолекулярных веществ, в частности рибонуклеаз (РНК-азы --молекулярная масса 137683), в растительную клетку. Таким образом, возможен перенос в клетку больших молекул без их расщепления, путем пиноцитозных инвагинаций на поверхностных мембранах растительной клетки.
Электрически нейтральные молекулы (нуклеиновые кислоты, углеводы) не вызывают пиноцитоза. При добавлении к ним индуктора -- полярных молекул ионов металла -- появляются пиноцитозные инвагинации. Из органических веществ сильным индуктором пиноцитоза являются белки. Адсорбированные поверхностными мембранами цитоплазмы вещества втягиваются во внутренние слои, где и происходит их взаимодействие с веществом цитоплазмы.
Поглощение веществ, их транспортировка и превращения, движение протопласта связаны с затратой энергии, которая освобождается в процессе дыхания и аккумулируется в веществах, богатых макроэргическими связями. Кроме того, ионы кислоты Н + , HCО 3 - , образующиеся при дыхании, непрерывно поступают в плазмалемму вместо катионов и анионов, которые переходят в более глубокие слои цитоплазмы. Таким образом, процессы адсорбции, десорбции и дыхания Тесно связаны между собой.
Поглощение веществ клетками является относительно избирательным; только определенные вещества подвергаются десорбции со стороны цитоплазмы и выделяются из клетки в окружающую среду. Такая избирательность -- одно из важнейших свойств живой материи, которое возникло и закрепилось в процессе развития жизни.
Все неорганические питательные вещества поглощаются в форме ионов, содержащихся в водных растворах. Поглощение ионов клеткой начинается с их поступления в апопласт и взаимодействия с клеточной стенкой. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межфибриллярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами. Поступившие в апопласт ионы легко вымываются. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, получил название свободного пространства. Свободное пространство включает межклетники, клеточные стенки и промежутки, которые могут возникать между клеточной стенкой и плазмалеммой. Иногда его называют кажущимся свободным пространством (КСП). Этот термин означает, что его рассчитываемый объем зависит от объкта и природы растворенного вещества. Так, для одновалентных ионов объем КСП будет больше, чем для двухвалентных. Кажущееся свободное пространство занимает в растительных тканях 5–10 % объема. Поглощение и выделение веществ в КСП – физико-химический пассивный процесс, независимый от температуры (в интервале +15 – +35 о С) и ингибиторов энергетического обмена. Клеточная стенка обладает свойствами ионообменника, так как в ней адсорбированы ионы Н+и НCO -3 , обменивающиеся в эквивалентных количествах на ионы внешнего раствора. Из-за преобладания отрицательных фиксированных зарядов в клеточной стенке происходит первичное концентрирование катионов (особенно двух- и трехвалентных). Второй этап поступления ионов – транспорт через плазмалемму. Транспорт ионов через мембрану может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение не требует затрат энергии и осуществляется путем диффузии по градиенту концентрации вещества, для которого плазмалемма проницаема. Пассивное передвижение ионов определяется не только химическим потенциалом µ, как это имеет место при диффузии незаряженных частиц, но и электрическим потенциалом ε. Оба потенциала объединяют в виде электрохимического потенциала µ:
µ = µ + nFε,
где µ – химический, ε – электрический, µ – электрохимический потенциалы;
n – валентность иона; F – константа Фарадея.
Любая разность электрических потенциалов, которая возникает на мембранах, вызывает соответствующее перемещение ионов.
Пассивный транспорт может идти с участием переносчиков с большей скоростью, чем обычная диффузия, и этот процесс носит название облегченной диффузии. Известны высокоспецифические транслоказы – белковые молекулы, переносящие адениловые нуклеотиды через внутреннюю мембрану митохондрий: Nа+/Са2+-обменник – белок, входящий в состав плазматических мембран многих клеток; низкомолекулярный пептид бактериального происхождения валиномицин – специфический переносчик для ионов К+. Процесс
облегченной диффузии имеет ряд особенностей: 1) описывается уравнением Михаэлиса-Ментен и имеет определенные Vmax и Km; 2) селективен (обладает специфичностью к определенному иону); 3) подавляется специфическими
ингибиторами.
Диффузионным путем идет также и транспорт ионов через селективные ионные каналы – интегральные белковые комплексы мембран, образующие гидрофильную пору. Основной составляющей движущей силы этого транспорта является градиент электрохимического потенциала иона. Активность каналов модулируется мембранным потенциалом, рН, концентрацией
ионов и др. Активный транспорт веществ осуществляется против концентрационного градиента и должен быть сопряжен с энергодающим процессом. Основным источником энергии для активного транспорта является АТФ. Поэтому, как правило, активный транспорт ионов осуществляется с помощью транспортных АТФаз.
В сопрягающих мембранах имеются протонные насосы, работающие как Н+-АТФ-азы. В результате их функционирования на мембране возникают разность концентраций протонов (ΔрН) и разность электрических потенциалов, в совокупности образующие протонный электрохимический потенциал, обозначаемый ΔμН+. За счет работы Н+-АТФ-азы создается кислая среда в некоторых органеллах клетки (например лизосомах). В митохондриальной мембране Н+-АТФ-аза работает в обратном направлении, используя
ΔμН+, создаваемый в дыхательной цепи, для образования АТФ. Наконец, в клетках широко представлен вторично-активный транспорт, в процессе которого градиент одного вещества используется для транспорта другого. С помощью вторично-активного транспорта клетки аккумулируют сахара, аминокислоты и выводят некоторые продукты метаболизма, используя градиент Н+.
Пройдя через плазмалемму, ионы поступают в цитоплазму, где включаются в метаболизм клетки. Внутриклеточный транспорт ионов осуществляется благодаря движению цитоплазмы и по каналам эндоплазматического ретикулума. Ионы попадают в вакуоль, если цитоплазма и органеллы уже насыщены ими, или для пополнения пула осмотически активных частиц. Для того, чтобы попасть в вакуоль, ионы должны преодолеть еще один барьер – тонопласт. Транспорт ионов через тонопласт совершается также с помощью
переносчиков и требует затраты энергии. Переносчики, расположенные в тонопласте, имеют меньшее сродство к ионам и действуют при более высоких концентрациях ионов по сравнению с переносчиками плазмалеммы. В тонопласте была идентифицирована особая Н+-АТФаза. Она не тормозится диэтилстильбэстролом – ингибитором Н+-АТФазы плазмалеммы.
Взаимосвязь процессов поглощения веществ корнем с другими функциями растения (дыханием, фотосинтезом, водообменом, ростом, биосинтезом и др.); поглощение ионов клетками листа, отток ионов из листьев, перераспределение и реутилизация веществ в растении.
Известные исследователи (И. Кноп, Ю.Сакс, Д.Н.Прянишников и др.) установили, что потребность растения в отдельных зольных элементах изменяется на разных фазах его развития. Более высокие потребности связаны с активным метаболизмом, ростом и новообразованиями. При дефиците многих минеральных элементов симптомы голодания проявляются, в первую очередь, на старых органах. Это обусловлено тем, что регуляторные системы растения мобилизуют необходимые минеральные элементы и они транспортируются в молодые, активно растущие ткани. Очень подвижны азот, фосфор, калий. Плохо или совсем не реутилизируются бор и кальций. Для нормальной жизнедеятельности растений должно соблюдаться определенное соотношение различных ионов в окружающей среде. Чистые растворы одного какого-либо катиона оказываются ядовитыми. Так, при помещении проростков пшеницы на чистые растворы KCL или CaCL2 на корнях сначала появлялись вздутия, а затем корни отмирали. Смешанные растворы этих солей не обладали ядовитым действием. Смягчающее влияние одного катиона на действие другого называют антагонизмом ионов. Антагонизм ионов проявляется как между разными ионами одной валентности, например между ионами натрия и калия, так и между ионами разной валентности, например ионами калия и кальция. Одной из причин антагонизма ионов является их влияние на гидратацию белков цитоплазмы. Двухвалентные катионы (кальций, магний) дегидратируют коллоиды сильнее, чем одновалентные (натрий, калий). Следующей причиной антагонизма ионов является их кокуренция за активные центры ферментов. Так, активность некоторых ферментов дыхания ингибируется ионами натрия, но их действие снимается добавлением ионов калия. Кроме того, ионы могут конкурировать за связывание с переносчиками в процессе поглощения. Действие одного иона может и усиливать влияние другого. Это явление называется синергизмом. Так, под влиянием фосфора повышается положительное действие молибдена. Изучение количественных соотношений необходимых элементов позволило создать сбалансированные питательные смеси, растворы минеральных солей для выращивания растений. Хорошо известны смеси Кнопа, Пря нишникова, Гельригеля и др.
Исследования ученых школы Д. Н. Прянишникова показали, что каждый вид растения предъявляет специфические требования к количественным комбинациям отдельных зольных элементов. Было также установлено, что потребность растения в отдельных зольных элементах изменяется на разных фазах его развития. Таким образом, наилучшим питательным раствором для растения должен считаться раствор не постоянного, а переменного состава, изменяемый соответственно изменению потребностей растения на разных стадиях его развития. Это положение имеет громадное практическое значение, являясь основой нового метода искусственного поднятия урожайности. Работы Д. А. Сабинина позволили выяснить механизмы поступления воды и минеральных веществ в клетки корней растений, антагонизма и синергизма во взаимодействии ионов.
