46. Кинетика процессов поглощения ионов. Участие мембранных структур клетки в поглощении и компартментации ионов.
При исследовании кинетики поступления ионов можно разделить транспорт по клеточным компартментам: клеточная оболочка, плазмалемма и т. д. Экспериментально это можно сделать перенося клетки или ткани из немеченного раствора в меченный и изучая кинетику поступления веществ. Движение в клеточной оболочке определяется шириной микрофибриллярного и межмицеллярного пространства, характером и концентрацией фиксированных ионных зарядов.
При изучении кинетики поступления (поглощения) резко выявляются две кинетически разные фазы. Первая – очень быстрая, с периодом полунасыщения (t1/2) около нескольких минут. Другая – медленная, которая наблюдается на протяжении нескольких часов с постоянной скоростью. Быструю первую фазу можно выявить и при изучении кинетики вымывания радиоактивных частиц из ткани. Ингибиторы блокируют только медленную фазу, которая, скорее всего, и контролируется живой цитоплазмой.
В первой фазе поступление растворенных веществ, вероятно, происходит очень быстро независимо от мембранного барьера; это свидетельствует о том, что определенная часть клетки или ткани легко доступна для движения частиц растворенных веществ. Поэтому такое поступление было названо поступлением в кажущееся свободное пространство (КСП).
Можно считать, что транспорт в КСП является пассивным процессом, обусловленным исключительно физическими движущими силами. Объем КСП составляет от 8 до 15 % общего объема ткани.
Для заряженных частиц КСП включает две составляющие, поскольку часть ионов, свободно находящихся в растворе, занимает пространство в клеточных оболочках, а часть связывается фиксированными заряженными местами в клеточной оболочке. В соответствии с этим выделяют водное свободное пространство (ВСП) и донноновское свободное пространство (ДСП):
Величина ДСП зависит от природы и плотности фиксированных зарядов в клеточной стенке. Например, в тканях столовой свеклы величина ДСП составляет 2 % от общего объема ткани. КСП ограничено только клеточными оболочками. В последние годы появился термин апопласт, более подходящий, чем КСП. Апопласт – пространство, находящиеся снаружи плазмалеммы, включает пространство клеточных стенок, а для многоклеточного организма, и межклеточные пространства.
При изучении действия низких концентраций катионов в наружной среде на скорость поступления было отмечено, что при увеличении концентрации ионов (на примере K+) в среде поступление ионов в ткань растений достигает насыщения или максимальной скорости при концентрации 0,5–1,0 мМ. Тип поступления в этой области (до 1 мМ) получил название поглощения системой I (низкая константа сродства 0,02–0,03 мМ, т. е. высокое сродство системы к ионам, которые перемещаются через мембрану). Поступление ионов при низких концентрациях в окружающей среде подавляется низкими температурами, динитрофенолом и др. ингибиторами. Это свидетельствует о том, что поступление в диапазоне концентраций, в которых действует система I, связано с активным транспортом (расходом энергии метаболизма).
Но растительные ткани все же не достигают насыщения в диапазоне концентраций свыше 1 мМ. Если значительно повышать концентрацию, то поток будет увеличиваться и, в конце концов, может достичь величины, во много раз превышающей максимальные величины системы I.
При этих высоких концентрациях скорость поглощения начинает медленно снижаться, наблюдается только некоторая тенденция к насыщению, обычно при концентрациях > 50 мМ. Из анализа полученных данных сделан вывод, что транспорт ионов в диапазоне концентраций, в которых действует система II, не зависит от метаболизма и возможно является пассивным.
Считают, что система I переноса ионов, находится в плазмалемме. Что касается локализации системы II, то по этому вопросу существуют две точки зрения. Эпстейн считает, что система I и II локализованы в плазмалемме, а К. Тори и Г. Летис считают, что система II локализована на тонопласте.
Но скорость поглощения зависит не только от концентрации вещества во внешней среде, но и от времени. Кривую, которая описывает зависимость между внешней концентрацией и скоростью поступления, называют изотермой поглощения, поскольку ее получают при постоянной температуре и разных концентрациях. Анализ полученных результатов показал, что процесс поступления можно описать в рамках уравнения Михаэлиса – Ментен при концентрациях вещества в среде до 1 мм.
На перенос поглощенных ионов и молекул оказывает влияние активное движение цитоплазматических мембран клетки. Поглощение ионов, органических молекул и капелек растворов может осуществляться с помощью механизма пиноцитоза. Процесс пиноцитоза постоянно осуществляют все эукариотическме клетки, в том числе и клетки растений. В процессе пиноцитоза можно выделить 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.
Пройдя через мембрану, ионы поступают в цитоплазму, где включаются в метаболизм клетки. Существенная роль в процессе связывания ионов цитоплазмой принадлежит клеточным органеллам. Митохондрии, хлоропласты, по-видимому, конкурируют между собой, поглощая поступившие в цитоплазму катионы и анионы. В процессе аккумуляции ионов в органоидах и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт, который осуществляется, по-видимому, по каналам ЭПР.
В вакуоль попадают ионы в случае, если цитоплазма уже насыщена ими. Ионы, чтобы попасть в вакуоль, преодолевают еще один барьер – тонопласт. Особенности транспорта веществ через тонопласт:
– в тонопласте механизм переноса ионов действует при более высоких концентрациях, чем в плазмалемме (цитоплазма уже насыщена данным ионом);
– перенос ионов совершается также с помощью переносчиков и 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;
– тонопласт имеет вторую протонную помпу, связанную с Н+-пирофосфатазой. Источником энергии для потока протонов является гидролиз неорганического пирофосфата;
– в тонопласте имеются транспортные белки, которые позволяют проникать в вакуоль большим органическим молекулам непосредственно за счет энергии гидролиза АТФ.
Поступившие в вакуоль вещества обеспечивают осмотические свойства клетки.
Источник
Механизм поглощение ионов растениями
Для питания растениям необходимы не только углеводы, образующиеся при фотосинтезе, но и некоторые минеральные вещества. Для чего нужны эти элементы, указано в таблице. У высших растений минеральные вещества из почвы или окружающей воды поглощают корни1. Максимальное поглощение происходит в зоне корневых волосков. Участие в этом процессе микоризы обсуждается в статье. Чтобы понять механизм поглощения и транспорта минеральных ионов, необходимо помнить следующее. 1. Минеральные элементы, необходимые растению, входят в состав солей. В водном растворе молекулы солей диссоциируют и образующиеся ионы свободно передвигаются. 2. Ионы способны пересекать клеточные мембраны различными путями. Один из них — активный транспорт. Он требует затрат энергии в форме АТФ, образующегося в процессе дыхания и может вести к перемещению ионов против градиента их концентрации (разд. 5.9.8). 3. Внутрь корня от его эпидермиса распространяется непрерывная система клеточных стенок — апопласт. Вода и любые растворенные в ней вещества свободно проникают в эту систему из почвы.
поглощение ионов четко разделяется на две фазы. Первая длится примерно 10—20 мин. Поглощение в этот период идет относительно быстро. Ионы калия, соприкасаясь с эпидермисом корня, проникают в клеточные стенки и движутся вглубь через апопласт по механизму либо объемного потока, обеспечиваемому транспирацией, либо диффузии. Можно видеть, что эта фаза относительно независима от температуры, поскольку скорость поглощения примерно одинакова и при 25, и при 0 °С. Речь идет о пассивном процессе. Вторая фаза зависит от температуры и не наблюдается при 0 °С, когда интенсивность метаболизма и дыхания очень низка. Ингибирование поглощения К-ионов цианистым калием свидетельствует о том, что этот процесс зависит именно от дыхания. Во время второй фазы ионы калия поступают в клетки корня через плазма-лемму путем активного транспорта. Сходные результаты можно получить и на изолированных тканях. Обычно в таких опытах используются запасающие органы растений, например корнеплод моркови. Данные, приведенные на рисунке, подтверждают, что поглощение ионов зависит от дыхания и ингибируется цианидом калия. Итак, поступление ионов в корень обеспечивают два процесса: 1) пассивное поступление, когда ионы движутся за счет объемного потока и диффузии через апопласт; 2) активный транспорт, при котором ионы переносятся в клетки против градиента их концентрации за счет энергии, генерируемой при дыхании.
Активный транспорт — процесс избирательный и зависит от дыхания, а диффузия неизбирательна и энергозатрат не требует. В результате пассивного поглощения все клетки первичной коры корня омываются раствором, сходным по составу с почвенным. Так создается обширная поверхность для поглощения ионов. Ионы, передвигаясь по апопласту, доходят только до эндодермы, где дальнейшее их продвижение блокируют пояски Каспари. Пересечь этот барьер ионы могут путем диффузии или путем активного транспорта через плазмалеммы эндодермальных клеток и попадая в их цитоплазму и, возможно, в вакуоли. Таким способом растение контролирует, какие минеральные вещества в конце концов попадают в ксилему. Ионы могут перемещаться и по симпласту. Попав в цитоплазму одной клетки, они будут продвигаться дальше по плазмодесмам, не пересекая мембран. Непрерывный симпластный путь идет от корневых волосков до самой ксилемы. На рисунке показаны все возможные пути транспорта ионов внутри корня. Конечный этап передвижения минеральных солей по корню — высвобождение ионов в ксилему. Для этого им рано или поздно надо покинуть цитоплазму клеток через плазмалемму. Это происходит либо путем диффузии, либо за счет активного транспорта.
Источник
1. Механизмы поглощения эмп растениями и пути их передвижения в растении.
Теперь, когда мы рассмотрели основные понятия о физиологической роли ЭМП, следует обсудить вопрос: как они поступают из внешней среды.
Минеральные вещества (ЭМП) обычно поглощаются из почвы с помощью корней. Почему обычно? Дело в том, что в небольших количествах они могут поступать в растения и через листья.
ЭМП почти всегда поглощаются растениями в форме ионов. Но могут поглощаться и усваиваться и в органической форме. Например, в виде мочевины – СО(NH2)2, некоторых аминокислот. Поглощаясь в форме ионов минеральные вещества, сначала пересекают плазмолемму, затем попадают в цитоплазму, а затем и через мембраны органелл. Какие же существуют механизмы и пути поглощения ЭМП? Таких механизмов – три.
Пассивное поглощение – это поглощение, не требующее затрат энергии. Оно связано с диффузией ионов через клеточную оболочку корневых волосков и других эпидермальных клеток поглощающей части корня. Это корневой чехлик, зона корневых волосков. Ионы при этом свободно диффундируют через клеточные стенки, адсорбируются в них и накапливаются на поверхности плазмолеммы в концентрациях равной почвенному раствору. Так как ионы заряжены, скорость их диффузии через плазмалемму определяется не только проницаемостью мембран, но и разностью электрических потенциалов, возникающих между внутренней и внешней сторонами мембраны. Поэтому движение силой пассивного поглощения ЭМП является градиент Электрохимического потенциала. Так как внутренняя сторона мембраны обычно заряжена отрицательно, то этим способом поглощаются в основном катионы. Одним из главных ионов, участвующих в создании разности потенциалов по обе стороны мембраны, является водород. При выходе его из клетки, внутри нее возникает отрицательный потенциал, который вызывает диффузию в клетку катионов.
Второй путь (или способ) поглощения растворенных веществ и ионов против градиента концентрации или электрохимического градиента требует затрат энергии в форме АТФ и называется активным транспортом. Энергия АТФ затрачивается на работу протонных «насосов» — механизма обеспечивающего активную перекачку ионов через мембраны. Вот почему корневая система должна хорошо аэрироваться.
Источник