Транспорт веществ из почвенного раствора в цитоплазму через плазматическую мембрану эпидермальных клеток корня. Особенности строения эпидермиса корня.

Скорость поступления ионов в клетки корня, растущего в почве, определяется взаимодействием почвенных факторов, зависящих от растения. Как уже отмечалось, наличие неперемешиваемого слоя раствора вокруг корней, находящихся в питательном растворе, может лимитировать скорость поступления ионов. Почва – это неперемешиваемая среда, из которой корни получают питательные вещества. Ионы движутся к местам поглощения либо за счет диффузии, либо с массовым потоком (с водой, извлекаемой корнем из почвы). Диффузия. Когда с границы раздела корень – почва часть ионов удаляется вследствие их поступления, то концентрация ионов в растворе в непосредственной близости от корня падает; благодаря этому возникает определенный градиент, по которому ионы диффундируют из основной массы раствора. Если скорость поступления ионов намного превосходит скорость, с которой ионы пополняют окружающую вокруг корня зону, то запасы данного иона исчерпываются. Величина коэффициента диффузии D для данного иона, очевидно, сильно зависит от природы почвы

Если содержание иона в почвенном растворе невелико и диффузия его происходит медленно, а растение поглощает его интенсивно, то концентрация иона у поверхности корня может упасть до нуля очень быстро, за какихнибудь несколько часов. Сказанное относится в первую очередь к фосфату. Массовый поток. Благодаря поглощению воды корнями растений ионы получают возможность двигаться к поверхности корня с массовым потоком. Этот путь очень сильно зависит от соотношения между скоростью доставки иона к поверхности корня и скоростью его поступления в клетки корня. Поскольку скорость доставки, в свою очередь, зависит от концентрации данного иона в почвенном растворе, можно сказать, что массовый поток должен играть весьма важную роль в перемещении таких ионов, как кальций, магний и нитрат в возделываемых почвах; есть также данные, указывающие на то, что от массового потока в заметной мере зависит доставка растениям калия в хорошо удобренных почвах. Однако на целинных землях ситуация может быть совершенно иной. Для грубой оценки вклада массового потока в доставку ионов кор-

ням растений в почве пользуются тремя показателями, которые можно измерить: средняя концентрация иона в почвенном растворе, общий объем воды, поступившей за данный промежуток времени (израсходованной на транспирацию и на рост), и количество данного иона, поступившего в растение за тот же промежуток времени. Содержание фосфата в почвенном раствореобычно невелико, поэтому лишь небольшое количество доставляется растениям массовым потоком. Уместно напомнить, что вклад массового потока в общий поток ионов определяется и типом почвы. Например, в кислых подзолистых поч-

вах концентрация кальция в почвенном растворе может быть низкой, а концентрация алюминия и водородных ионов весьма высокой. В таких условиях фактором, регулирующим общее поглощение кальция растением, возможно, является диффузия. Вместе с тем растениям в этих условиях могут понадобиться какие-то физиологические приспособления, для того чтобы противостоять вредному действию алюминия и водородных ионов, которые массовый поток доставляет корням в избытке.

Контактный обмен. Катионы и анионы поступают в клеточные стенки ризодермы как непосредственно (диффузия и массовый поток) 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 НСО3−(ОН) 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 ризодермиса кутикулы и других защитных покровных образований. Зона поглощения корней и частицы почвы образуют единую коллоидную систему. 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, связанных с ростом и с процессами обновления его структур, а также с поступлением веществ через цитоплазматическую мембрану внутрь клеток и дальнейшим

их перемещением в клетке. Из сказанного ясно, что если корень в течение какого-то времени находится в почве, то некоторые его участки должны омываться раствором с очень низкой концентрацией ионов. Какова бы ни была собственная поглотительная способность этих участков корня, скорость, с которой они поглощают ионы, будет определяться скоростью диффузии ионов через почву и массовым потоком. У растущего кончика корня положение иное. Благодаря делению и растяжению клеток кончик корня продвигается все

дальше и дальше, в новые неиспользованные участки почвы, т. е. туда, где запасы ионов еще не истощились. Таким образом, в течение короткого периода времени (порядка нескольких часов) скорость поступления ионов определяется свойствами мощной поглощающей системы молодой корневой ткани, вокруг которой еще не успела возникнуть зона истощения; поступление происходит здесь намного быстрее, чем в «зрелой» зоне корня, вблизи которой доставка иона лимитирована.

Примеры структуры субъединиц катионных каналов, их молекулярно-биологических и физиологических свойств.

В настоящее время на мембранах растительных клеток идентифицированы несколько видов катионных каналов. Это Са2+-канал и K+-каналы. В последние годы имеются доказательства о наличии на плазмалемме клеток высших растений Na+ -каналов. Характеристики кальциевого канала получены как на модифицированных искусственных бислойных мембранах, так и на нативной плазмалемме. Отличительной их особенностью по отношению к другим катионным каналам является их малый вклад в общую проводимость мембраны в обычном физиологическом состоянии. Са2+-канал идентифицирован в нестационарных условиях, т. е. при возбуждении клетки и возникновении потенциала действия (ПД). Все кальциевые каналы делят на две группы: потенциалзависимые и

рецепторуправляемые (хемозависимые). В зависимости от проводимости, времени жизни в открытом состоянии, скорости активации и инактивации потенциалзависимые Са2+-каналы делятся на L -, T -, N - и P -типы. Эффективными блокаторами кальциевых токов через мембрану служат ионы Ni2+, Cd2+, Co2+, Mn2+ и La3+. К блокаторам Са2+-каналов органической природы относятся три типа липофильных азотосодержащих соединений; в частности, верапамил, нифедипин и дильтиазем. Чувствительность к лигандам зависит от их строения, от типа канала и величины мембранного потенциала. Деполяризация мембраны, как правило, вызывает повышение степени связывания с каналом дигидро-

пиридинов. Различие в действии органических лигандов проявляется в случае Са2+-агонистов.

Фитогормоны модулируют работу Са2+-каналов, при этом внешний лиганд действует через G-белки. Кальциевые каналы, активируемые инозитол-1,4,5-трифосфатом, обнаружены в тонопласте. Са2+-каналы функционируют практически во всех мембранных структурах растительных клеток. Например, увеличение концентрации ионов в цитоплазме замыкающих клеток устьиц Vicia faba и протопластах Pisum sativum при действии гормонов связано с работой Са2+-каналов плазмалеммы. Из клеток колеоптилей удалось выделить мембранные белки, имеющие сайты связывания с ингибитором Са2+-каналов верапамилом. При встраивании этих белков в липидный бислой они проявляли свойства Са2+-каналов. Выделенные из клеток корней пшеницы ивстроенные в липидный бислой Са2+-каналы находились в закрытом состоянии при потенциалах отрицательнее –130 мВ. Каналы блокировались верапамилом (10–6 М) с внешней стороны мембраны. Са2+-каналы мембран растительных клеток характеризуются большим временем нахождения в открытом (от нескольких миллисекунд до секунд) и закрытом (до 100 с) состояниях по сравнению с животными клетками. Анализ зависимости транспорта ионов кальция через мембраны

плазматических визикул клеток колеоптилей кукурузы показал, что наиболее интенсивный поток их наблюдается в диапазоне потенциала от –50 до –70 мВ. Аналогично наибольшую активность Са2+-каналы плазмалеммы клеток водоросли Nitellopsis obtusa проявляли при потенциале фиксации –50 мВ.

Повышенный интерес к кальциевым каналам связан с особой ролью Са2+ как вторичного посредника, медиатора многих функционально важных процессов в клетке. Проводимость Са2+-канала для разных видов одновалентных ионов характеризуется следующим рядом: Rb+ > K+ > Cs+ > Na+ > Li+, т. е. проводимость растет с увеличением размера иона; выпадает из этого ряда только Cs+. Неполное блокирование этакриновой кислотой Сl−-каналов не позволяет детально проанализировать ряд селективности плазмалеммы для двухвалентных катионов, который имеет вид: Cа2+ > Mg2+ > Sr2+ > Ba2+. На реконструированном одиночном Са2+-канале ряд селективности для двухвалентных катионов несколько отличен от такового на плазмалемме клеток харовой водоросли: (Ba2+ > Sr2+ > Са2+ > Mg2+). В опытах с перфузированными клетками с удаленным тонопластом

показано, что для функционирования потенциалзависимых кальциевых

каналов необходимо присутствие внутри клетки Mg2+ и АТФ. Более того, проведенные эксперименты по действию ингибитора цАМФ фосфодиэстеразы (теофилина), действие самого цАМФ, а также влияние на активацию каналов ингибитора кальмодулина (хлорпромазина) и активатора аденилатциклазы (форсколина) подтверждают существование цАМФ –зависимого регулирования функционального состояния Са2+-каналов растительной клетки. Что касается калиевых каналов, то к настоящему времени имеется уже достаточно экспериментальных данных, описывающих их транспортные свойства: механизм движения в канале, потенциалзависимость, селективность, блокирование и др. Коротко остановимся на каждом из перечисленных показателей полученных, как правило, в электрофизиологическом эксперименте. При помещении клетки в экспериментальный раствор, содержащий 5·10–3 М ионов K+, потенциал снижался от –60 до –80 мВ (–70 ± 5), чтоот величины напряжения на плазмалемме и времени выделялись три состояния: максимум выходящего тока, стационарное состояние после завершения инактивации при деполяризации и стационарное состояние по окончании уменьшения тока (деактивация) при гиперполяризации. Можно предположить, что каждое состояние обусловлено функционированием разных типов каналов. В частности, при деполяризации плазмалеммы ток возрастал при постоянном напряжении. Это происходит вследствие открывания (активации) каналов. Последующий спад тока с выходом на стационарный уровень – результат закрывания (инактивации) каналов. Причем в максимуме тока проводимость реализуется каналами обоих типов, а во время стационарного режима – преимущественно одного. Условно эти типы каналов были обозначены Д-каналы, открывающиеся при деполяризации, Г-каналы – при гиперполяризации; в последнее время их стали называть наружу- и внутрь- выпрямляющими соответственно. Смещение потенциала нулевого тока для обоих семейств кривых на десятикратное варьирование концентраций ионов K+ в диапазоне 0,5–10 мМ составляло 50–55 мВ, т. е. как при де-, так и при гиперполяризации мембраны ее проводимость оставалась почти чисто калиевой.

Впоследствии на основании анализа процессов активации – деактивации Д-каналов были идентифицированы два их типа – ДI и ДII.