Поглощение и выделение веществ и энергии клеткой
В живой растительной клетке всегда поддерживается определенное соотношение воды, солей и органических соединений регулирующееся обменом веществ с окружающей средой, без; которого жизнь невозможна. Через полупроницаемые поверхностные слои протопласта в клетку легко проникают вода и растворенные в ней вещества, в том числе в клеточный сок. Без этого невозможны 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, который подчинен законам диффузии. Но не все можно объяснить диффузией. На поступление растворенных веществ в клетку, проницаемость цитоплазмы влияют снабжение тканей кислородом, температура, наличие органических веществ, содержание солей в клетках, а также свойства и концентрация растворенных веществ в окружающем субстрате. Особенно хорошо это наблюдается на проницаемости слоев цитоплазмы — плазмалеммы и тонопласта. Полная потеря цитоплазмой способности регулировать передвижение растворенных веществ служит показателем ее гибели.
Рассмотренные ранее свойства живой цитоплазмы свидетельствуют о том, что проницаемость ее и поступление ионов и молекул в клетку — это активный процесс обмена веществ. Под влиянием растворов солей одновалентных металлов (Na, К) проницаемость цитоплазмы значительно увеличивается, а под влиянием растворов солей двухвалентных металлов (Са), наоборот, уменьшается. Изменения проницаемости цитоплазмы можно избежать введением в раствор иной соли. Это так называемый антагонизм одно- и двухвалентных ионов.
Таким образом, 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 соединений, температуры и других внешних факторов.
Советские ученые (Д. Н. Насонов, В. Я. Александров, И. Е. Камнев и др.) разработали фазовую теорию распределения веществ между клетками и средой. Согласно этой теории, цитоплазма является системой коацерватов, содержащих связанную воду. Последняя отличается меньшей растворяющей способностью и обеспечивает несмешиваемость цитоплазмы с обычной водной средой, поэтому цитоплазма по отношению к среде является особой фазой. Согласно теории, распределение веществ между клеткой и средой определяется растворимостью веществ в цитоплазме, адсорбцией их на цитоплазматических структурах и изменениями, происходящими в процессе жизнедеятельности клетки. Физиологические изменения в клетках (возбуждение, торможение) изменяют адсорбционную способность цитоплазмы и количество связанной воды в ней, а это, в свою очередь, влияет на проницаемость цитоплазмы.
Поступление отдельных веществ в клетку также обусловливается их свойствами. Чем больше гидроксильных групп имеет вещество, тем медленнее оно проникает в цитоплазму. Так, слабее этилового спирта С2Н5ОН поступает этиленгликоль С2Н4(ОН)2, хуже — глицерин С3Н5(ОН)3, еще хуже — маннит С2Н8(ОН)6. Карбоксильные группы и аминогруппы также задерживают проникновение веществ, метиловые и этиловые радикалы, наоборот, способствуют поступлению их в цитоплазму. Следовательно, поступление веществ обусловливается строением молекулы, а не ее размером и молекулярной массой, как это считали раньше. Важен также тот факт, что диссоциированные ионы, которые имеют отрицательный или положительный заряд, хуже проникают в цитоплазму, чем недиссоциированные молекулы, которые преимущественно бывают нейтральными.
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 — СН3, —С2Н5, —С4Н9, —С6Н6, у полярных —ОН, —СООН, —NH2, -СОН, -CN, —CONH2, —SH, —NCS, а также группы, имеющие двойные и тройные связи. Известны и 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, не растворяющиеся в липидах, но легко проникающие в клетку. Поступают ионы в клетку путем пассивного неметаболического поглощения в результате диффузии по градиенту концентрации соответственно кривой насыщения и путем метаболической (активной) абсорбции. Плазматические мембраны хорошо пропускают воду и малопроницаемы для ионов, которые поглощаются и против градиента концентрации. Так, концентрация К + в вакуоли бывает в 100 и более раз выше, чем в почве.
Пассивное передвижение ионов, которое возникает на мембранах клетки в результате разности электрохимических потенциалов, определяется уравнением $$\large \overline <\mu>= \mu + nFe,$$
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:
Метаболическое поглощение избирательно 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, нет. 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 определяется 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 вытекает и основной закон: скорость диффузии обратно пропорциональна размеру частиц.
Диффузия — не хаотическое, а направленное движение молекул, которое обусловлено влиянием ряда факторов: активностью диффундирующих молекул, градиентом концентрации растворов. Скорость диффузии определяется величиной (массой), химической природой и вязкостью среды.
Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны один из физических факторов, влияющих на избирательное проникновение и накопление элементов в растительных клетках. Диффузионное движение отдельных частиц из мест с высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией образует диффузионный поток j (в м 2 /с), который пропорционален градиенту концентрации ΔС (уменьшению концентрации на единицу длины Δх). Эта зависимость подчиняется закону Фика и выражается уравнением $$j = — D\Delta C/\Delta x,$$
где D — коэффициент диффузии, м 2 /с.
К диффузии способны газы, жидкости и твердые тела. На скорость движения частиц влияют концентрация, вязкость среды, температура и ряд других факторов. Среди электролитов наивысшую способность к диффузии имеют кислоты и щелочи — ионы Н и ОН; соли кислот, диффундирующих с меньшей скоростью, менее подвижны. Сахароза диффундирует медленнее глюкозы, глюкоза медленнее, чем триоза и глицерин. Таким образом, скорость диффузии неэлектролитов обратно пропорциональна массе их молекул. Белки и полисахариды отличаются пониженной способностью к диффузии.
Скорость диффузии любого вещества зависит также от состава и особенностей сопутствующих веществ, содержащихся в растворе. Так, в присутствии электролитов диффузия органических веществ из водных растворов ускоряется, и, наоборот, в присутствии коллоидов скорость диффузии электролитов значительно уменьшается.
Таким образом, диффузия диспергированных веществ зависит от многих факторов, и прежде всего от активности диффундирующих молекул и градиента концентрации раствора.
Как показали исследования, на небольших участках жидкости молекулы расположены в определенном порядке, обусловленном взаимодействием молекул между собой. Если одна из молекул меняет место, то происходит перегруппировка соседних молекул до тех пор, пока каждая молекула не займет энергетически наиболее выгодное положение. При этом образуются пустоты, и соседние молекулы могут переходить в них.
Активный перенос молекул осуществляется за счёт энергии обмена веществ, которая поставляется в виде макроэргических связей (АТФ) при участии АТФ-азы, расщепляющей и освобож-дающей 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 акетоглутаровая кислота (НООС—СОСН2-—СН2—СООН) и другие кетокислоты из цикла Кребса, фосфолипид лецитин. При активном переносе достигаются две цели: 1) вещество может транспортироваться через мембрану, которая для него непроницаема или малопроницаема; 2) вещество может аккумулироваться, т. е. транспортироваться против градиента химического потенциала или градиента концентрации. При этом молекулы-переносчики относятся к транспортируемому веществу так же, как фермент к своему субстрату.
Выдающийся вклад в становление и развитие науки о биологических мембранах внесли советские ученые Ю. А. Овчинников и В. Т. Иванов. Им удалось расшифровать строение и способ действия нового класса природных соединений, так называемых ионофоров — веществ, способных переносить ионы через биологические мембраны. Ионофоры вырабатываются определенными видами микроорганизмов. Известны, например, ионофоры-антибиотики: грамицидин (А, В, С), выделенный из бактерии Bacillus brewis,— линейный полипептид, в его состав входят остатки аминокислот валина, орнитина, лейцина, фенилаланина, пролина, для него характерна резко выраженная катионная избирательность; валиномицин — циклический полипептид, подавляет дыхание, обладает высокой избирательностью к ионам К + и Н + . Ионофоры-антибиотики действуют при самых низких кон-центрациях (10 -11 -10 -6 М) на липидный комплекс мембраны.
Кроме ионофоров-антибиотиков, в клетках высших растений имеются собственные ионофоры, компоненты мембран, — пермеазы (от лат. permeo — прохожу, проникаю). Каждая пермеаза участвует в переносе ограниченной группы химически сходных веществ. Биосинтез пермеаз детерминирован определенными генами. Пермеазы называют также транспортными белками, или трансфорами. «Захваченное» клеточным переносчиком вещество попадает в более глубокие слои цитоплазмы и удерживается там веществами, которые акцептируют его.
Гипотезу мембранных переносчиков можно выразить уравнением
где М — транспортируемый ион; R — переносчик; MR — лабильный комплекс переносчиков с ионом.
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.
Клеточные переносчики различны по своей природе. Это определяет их специфическое сродство с той или иной группой соединений, конкурирующих между собой за данный переносчик.
Образованный лабильный комплекс (ух) проходит через мембрану к ее поверхности (рис. 9), распадается на свободный ион, взаимодействующий с компонентами мезоплазмы, и свободный переносчик (х). Последний снова может образовывать комплекс с соответствующим ионом и т. д. Функции переносчиков могут выполнять и митохондрии.
Аминогруппы органические кислоты переносят в виде аминокислот, ион РО4 включается в фосфолипиды, нуклеопротеиды переносятся на сахар. Функционирование переносчиков требует дополнительной энергии, которая генерируется в клетках в процессе дыхания.
Реальной считают гипотезу мембранного переноса веществ в клетке при конформационных перестройках структурных компонентов мембран. Сократительные белки мембран (миозин, актин и актомиозин) также играют определенную роль в процессах переноса веществ в клетках.
Рис. 9. Схема механизма действия переносчиков.
В растительных мембранах найдены белки, сходные с актомиозином мышц, которым свойственны АТФ-азная активность и способность к сокращению. Перенос осуществляется по схеме:
- АТФ+белок+Na (активатор) ⇄ Na-белок
Поглощение веществ из внешней среды клеткой может осуществляться также (по гипотезе Г. Холтера) путем пиноцитоза. 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 137 683), 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 индуктораполярных молекул ионов металла — появляются пииоцитозные 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.
Электронейтральиые небольшие молекулы (О2 и СО2) свободно диффундируют сквозь всю толщу ткани со скоростью, равной скорости диффузии через эквивалентный слой воды. Было сделано предположение, что в растительной ткани имеется свободное водное пространство, в которое могут диффундировать ионы и молекулы. Они поступают пассивно и достигают концентрации внешнего раствора, 8-10% свободного пространства в корневой системе составляют межклетники клеточной оболочки. Это свободное пространство создает единую гидростатическую систему растений, которая связывает в единое целое все части растения и в значительной мере обусловливает осмотические свойства клетки.
Обычно считают, что клеточная оболочка не мешает взаимодействию цитоплазмы с компонентами внешней среды. Многочисленные исследования показали, что катионы и анионы могут быстро проникать внутрь клетки, не взаимодействуя с клеточной оболочкой. Однако существует и другое бесспорное положение — клеточная оболочка является прекрасным адсорбентом веществ, которые поступают из внешней среды.
Клеточная оболочка в значительной мере пронизана протопластом, содержимое которого изменяется с возрастом клетки.
Рис. 10. Соотношение между внешней концентрацией растворенного вещества и скоростью его притока внутрь клетки (по П. Нобелу).
При этом изменяются структура и химический состав клеточной оболочки. Не вызывает сомнения и то, что в поры оболочки, которые заполнены раствором, вещества из внешней среды проникают вследствие диффузии.
Таким образом, в клеточной оболочке минеральные вещества, поступающие из внешней среды, могут связываться и удерживаться ее структурными элементами, живой цитоплазмой и раствором, имеющимся в порах. Скорость связывания различных изотопов структурными элементами живой цитоплазмы показывает, что этот процесс осуществляется или на поверхности в плазмодесмах, или в порах, которые содержат цитоплазму. Н. Г. Потапов, используя метод дифференциального центрифугирования и радиоактивные изотопы 35 S, 32 Р, 131 I, выяснил их распределение по структурным элементам клетки. Установлено, что в клеточных оболочках связывается не более 20% серы и фосфора, а йода — 50% всего поглощенного за определенное время вещества.
Скорость активного поглощения вещества клеткой в интервалах низких концентраций пропорциональна внешней его концентрации, затем уменьшается с увеличением концентрации вещества внутри клетки, приближаясь к максимальной или к насыщающей концентрации данного вещества. Соотношение между внешней концентрацией растворенного вещества и скоростью его притока внутрь клетки при активном переносе через мембрану выражают уравнением (по П. Нобелу): $$\large J^
где Jj in — скорость активного поглощения вещества j; Сj 0 — внешняя концентрация вещества j; J in jmax— максимальная скорость активного поступлення вещества; Кj — константа, характеризующая вещество j.
Эту зависимость можно выразить в виде графика (рис. 10), на котором показано, что, когда внешняя концентрация вещества j равна Кj, скорость поступления j in равна половине максимальной скорости поступления Jj in max.
Приведенное уравнение по внешнему виду сходно с уравнением, описанным Михаэлисом — Ментен для кинетики действия ферментов. Поступление многих ионов в клетки тканей корня и другие ткани растения обычно происходит с максимальной скоростью — от 1 до 10 мкм на 1 г сырой массы в час, тогда как константа Кj, характеризующая вещество, проникающее через мембрану, находится в интервале от 10 до 20 мкм.
Поглощение, транспорт и превращения веществ, движение протопласта связаны с затратой энергии, которая освобождается в процессе дыхания и аккумулируется в веществах, богатых макроэргическими связями. Кроме того, ионы кислоты Н + , НСО3 — 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.
Установлено, что на целлюлозных элементах оболочки некоторых клеток в состоянии адсорбции находятся биокатализаторы процессов обмена: инвертаза, фосфатаза, аскорбиноксидаза, что свидетельствует о возможном участии клеточной оболочки в переносе веществ. Доказано также, что с помощью АТФ усиливается активация аминокислот. Это необходимо для включения их в протеины.
Однако механизмы, с помощью которых используется энергия для переноса различных веществ через клеточные мембраны и их превращения, еще не изучены.
Итак, проницаемость цитоплазмы, поглощение и выделение веществ обусловлены целым комплексом как внутренних, так и внешних факторов.
Поглощение веществ клетками — относительно избирательный процесс, 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.
Кутикула листа по своим сорбционным свойствам подобна полупроницаемой катионообменной мембране. Установлено, что при некорневой подкормке питательные вещества довольно легко и быстро проникают в клетки листа. Экспериментальные данные свидетельствуют, что вещества попадают в лист не через устьица, а через кутикулу.
Возможно, что поступление питательных веществ в лист и обмен между клетками происходят через эпидермальные плазмодесми (протоплазменные тяжи). Количество таких мельчайших тяжей во внешних стенках одной эпидермальной клетки огромно (8000-10000). С развитием молодого листа оно увеличивается, а при старении листа уменьшается. Считают, что плазмодесми могут проходить непосредственно под кутикулой, а внутриклеточные плазмодесми проникают даже в кутикулу.
Источник
