Механизм и пути поступления минеральных солей через корневую систему

Поступление питательных солей в корневую систему носит частично активный характер, связанный с метаболизмом. Об этом свидетельствуют следующие особенности поступления: способность растений к избирательному концентрированию веществ; относительная независимость поступления: воды и солей; зависимость от дыхания и фотосинтеза; ускорение процесса под влиянием температуры и света. Необходимо учитывать, что часто трудно провести границу между пассивным (не связанным с затратой энергии) и активным (связанным с затратой энергии) поступлением.

Как уже разбиралось, в корневой системе различают два объема – апопласт и симпласт. Тот факт, что оба эти объема участвуют в поглощении солей, был доказан в опытах с меченой серой Отрезанные корневые системы ячменя погружали в раствор, содержащий сульфат (SO₄^2–), меченный по сере (³⁵S). В одной пробе корней было определено количество серы, поглощенной в течение одного часа. Другую пробу после часового пребывания в растворе помещали в раствор CaSO₄, не содержащий меченой серы. Сначала ³⁵S быстро обменивалась и выходила в окружающий раствор, затем обмен прекращался. В дальнейшем ³⁵S в раствор больше не выходила. Та часть серы, которая быстро обменивалась, была легкодиффундирующая, поступившая пассивным путем. Оставшаяся часть ³⁵S в растении, очевидно, проникла внутрь клетки через мембрану. Таким образом, эти исследования подтвердили наличие свободного пространства корня (апопласта), т. е. той части тканей, в которую вещества вместе с водой могут поступать путем свободной диффузии.

Большинство исследователей считают, что объем свободного пространства составляет 5–10% от всего объема корневой системы. В свободное пространство корня входит поверхность клеточных стенок и система межклетников, сосуды ксилемы. Свободное пространство тканей является внешним по отношению к цитоплазме клеток и внутренним по отношению к органу в целом и к окружающей среде.

Корни поглощают вещества из почвенного раствора (водная фаза) и при контакте с частицами ППК – почвенного поглощающего комплекса (твердая фаза почвы). ППК – это мелкодисперсная коллоидная часть почвы, смесь минеральных (алюмосиликатных) и органических (гуминовых) соединений. Большая часть коллоидов почвы заряжена отрицательно, на их поверхности в адсорбированном (поглощенном) состоянии находятся катионы. Некоторая часть коллоидов почвы в определенных условиях может быть заряжена положительно, поэтому на них в поглощенном адсорбированном состоянии будут находиться анионы. Обменные катионы и анионы – один из важнейших источников питания для растений. Катионы и анионы, находящиеся в поглощенном состоянии на частицах почвенного поглощающего комплекса, могут обмениваться на ионы, адсорбированные на поверхности клеток корня. Так может осуществляться поступление катионов К⁺, Са²⁺, Na⁺ в обмен на протоны, а также анионов NO^3–, PO₄^3– и других в обмен на НСО^3– или анионы органических кислот. Особенно эффективно идет поглощение при контактном обмене, при котором происходит обмен ионами без перехода их в раствор.

Поглощенные ионы адсорбируются на поверхности клеточных оболочек ризодермы. Из адсорбированного состояния ионы могут по коре корня передвигаться двумя путями: по апопласту и симпласту. При поступлении в симпласт ионы проникают через мембрану и далее передвигаются по плазмодесмам к сосудам ксилемы. Однако такие большие молекулы как белки не могут преодолеть пространство в плазмодесмах, поэтому имеются специальные механизмы. Поступление ионов через мембрану происходит с помощью переносчиков как пассивно, по градиенту электрохимического потенциала, так и активно, с использованием метаболической энергии. Механизм этого процесса и роль транспортных белков подробно разбирались выше.

Ток воды с растворенными веществами, движущийся по свободному пространству (апопласту), как бы омывает все клетки коры. На всем этом пути могут наблюдаться адсорбция веществ клеточными стенками, поступление ионов в клетки через соответствующие мембраны и включение их в обмен веществ, т. е. метаболизация. Необходимо учесть, что на пути движения по атопласту имеется преграда в виде клеток эндодермы с поясками Каспари. Передвижение через клетки эндодермы возможно, по-видимому, только через цитоплазму. Даже если признать наличие в стенках клеток эндодермы промежутков для свободной диффузии, то они настолько малы, что вещества не могут через них проникнуть. В связи с этим перенос ионов через мембраны клеток эндодермы необходим и также осуществляется с помощью переносчиков В целом между апопластом и симпластом в корневой системе происходит непрерывное взаимодействие и обмен питательными солями. По мнению некоторых исследователей, основным для транспорта ионов является симпластный путь, отличающийся от апопластного большей эффективностью и возможностью осуществлять метаболическую регуляцию. В осуществлении этого большая роль принадлежит осморетулирующей функции вакуолей.

Вопрос, что является движущей силой, заставляющей клетки корня секретировать ионы в сосуды ксилемы, является спорным. Имеется мнение, что клетки, расположенные около сосудов ксилемы, обладают более низкой метаболической активностью по сравнению с более удаленными благодаря меньшему содержанию в них кислорода. В силу низкой интенсивности дыхания эти клетки не удерживают соли и отдают их в сосуды ксилемы. Затем соли вместе с водой благодаря градиенту водного потенциала поднимаются по сосудам вверх (массовый ток). Последние биохимические исследования показывают, что важную роль в переносе ионов в ксилему имеют паренхимные клетки ксилемсы. Плазмалемма этих клеток содержит протонные помпы, водные каналы и различные ионные каналы, которые специализированы в поступлении и отдаче веществ. Так, в паренхиме идентифицированы два типа ионных каналов: К-специфичные и неспецифичные. Эти каналы регулируются благодаря мембранному потенциалу и концентрации калия. Из этих данных следует, что транспорт ионов из паренхимы в сосуды ксилемы находится под контролем обмена веществ путем регуляции Н⁺-АТФазы плазмалеммы и ионных каналов.

ЭТАПЫ ПОСТУПЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

Поступление веществ в клеточную стенку (1-й этап). Поглощение веществ клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной оболочкой. 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 НС^–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

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 фосфоршшрования. 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 (X¹). 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 поступления 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. 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 С1^– 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; Са²⁺ – 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.

Фермент АТФаза осуществляет гидролиз АТФ и использует выделяющуюся энергию для переноса ионов, непосредственно являясь переносчиком. Поэтому такой тип транспорта получил название первично-активный. Первично-активный транспорт связан с гидролизом АТФ или окислительно-восстановительными реакциями в электронтранспортной цепи хлоропластов и митохондрий. Примером последнего служит непосредственное использование энергии дыхания на перенос ионов против градиента концентрации без предварительного накопления в АТФ. Механизм этого явления заключается в том, что в результате процесса дыхания на одной стороне мембраны (наружной) накапливаются ионы водорода, при этом внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно. Катионы поступают внутрь, притягиваясь к отрицательно заряженной внутренней стороне мембраны. Однако существует и другой механизм активного транспорта веществ, который называют вторично-активным. При этом переносчиками являются специальные белки, а энергия АТФ, высвобождаемая с помощью АТФазы, затрачивается на их перемещение в мембране. Благодаря работе Н⁺ – АТФазы происходит выход протонов из клетки и на мембране возникает разность электрохимических потенциалов (rµН⁺). Это и используется для транспорта других ионов (веществ) при участии переносчиков. Так как первично-активный транспорт Н⁺ против градиента электрохимического потенциала опосредует транспорт другого иона (или молекулы) по градиенту электрохимического потенциала, поэтому такой тип транспорта называют вторично-активным.

Если переносчик транспортирует два вещества в противоположном направлении, то такой встречный перенос получил название антипорт. Примером является поступление Na⁺, Mg⁺², Mn⁺² в антипорте с протонами при работе Н⁺ – АТФазы. Вещества могут поступать и в одном направлении с выкачиваемым ионом. При этом переносчик осуществляет совместный однонаправленный перенос веществ или ионов, т.е. симпорт. Экспериментальные данные позволяют заключить, что в симпорте с протонами в растительную клетку поступают аминокислоты, сахара, Cl^–, NO^–₃ и другие анионы. Перенос ионов калия при низких концентрациях происходит благодаря симпорту с протонами, а при высоких идет через специальные калиевые каналы.

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: шалы, переносчики и помпы. В настоящее время для многих транспортных белков гены клонированы. Идентифицированы гены, кодирующие калиевые каналы,

Наконец, клетка может «заглатывать» питательные вещества вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз –- это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с рассоренными 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.

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.

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 транспортныебелки, которые позволяет 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.

Если переносчик транспортирует два вещества в противоположном направлении, то такой встречный перенос получил название антипорт. Примером является поступление Na⁺, Mg⁺², Mn⁺² в антипорте с протонами при работе Н⁺ – АТФазы. Вещества могут поступать и в одном направлении с выкачиваемым ионом. При этом переносчик осуществляет совместный однонаправленный перенос веществ или ионов, т.е. симпорт. Экспериментальные данные позволяют заключить, что в симпорте с протонами в растительную клетку поступают аминокислоты, сахара, Cl^–, NO^–₃ и другие анионы. Перенос ионов калия при низких концентрациях происходит благодаря симпорту с протонами, а при высоких идет через специальные калиевые каналы.

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: шалы, переносчики и помпы. В настоящее время для многих транспортных белков гены клонированы. Идентифицированы гены, кодирующие калиевые каналы,

Наконец, клетка может «заглатывать» питательные вещества вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз –- это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с рассоренными 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.

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, хлоропласты, по-видимому, конкурируют между собой, поглощая катионы и анионы, поступившие через плазмалемму в цитоплазму. В процессе аккумуляции иинов 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 транспортныебелки, которые позволяет 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.

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