1.3. Физико-химические свойства цитоплазмы

Основные классы веществ цитоплазмы нетрудно определить качественно. Воду, белки, липиды, соли и углеводы легко индетифицировать с помощью соответствующих методик. В небольших количествах в цитоплазме содержатся также и другие группы соединений как органических, так и неорганических.

Цитоплазма любой растительной клетки содержит около 75–85 % воды, 10– 20 % белка, 2–3 % липидов, 1 % углеводов и около 1 % солей и других веществ. Несмотря на то, что вода составляет самую значительную часть цитоплазмы, основные признаки строения и свойства цитоплазмы определяются белком. Липиды играют важную роль в мембранах всех видов, тогда как углеводы образуют запасы питательных веществ.

Вода содержится в цитоплазме в двух видах – свободном и связанном. Свободная вода – это вода, которая может участвовать в процессах обмена веществ. Связанная вода удерживается белковыми молекулами при помощи водородных связей и образует поэтому часть структуры цитоплазмы (подсчитано, что всего 4,5 % всей воды цитоплазмы находится в связанном состоянии).

Соли содержатся во всех клетках и необходимы для процессов жизнедеятельности. Следует отметить, что из катионов наивысшей концентрации в клетке достигает калий. Содержание натрия и кальция ниже, в цитоплазме концентрация свободного кальция составляет всего 10^–7 моль/л. Преобладающим анионом в растительной клетке является хлорид. Наряду с основными солями в клетке найдены также многие другие элементы. Как уже отмечалось, характерная структура цитоплазмы определяется белками; молекулярный вес этих веществ очень высок – от 13 тыс. дальтон до многих миллионов. Своеобразные свойства белков обусловлены, вероятно, крупным размером их молекул. Все белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и обычно серы, а некоторые, кроме того, содержат фосфор.

Начиная с конца ХIХ в. было предложено множество теорий строения цитоплазмы. В 1875 г. Фроман предположил, что цитоплазма представляет собой фибриллярную сеть. Это положение подтвердил в 1882 г. В. Флемминг.

В 1893 г. Р. Альтман, исходя из грубой зернистости таких клеток, как амеба и яйца некоторых морских животных, предложил гранулярную теорию цитоплазмы.

Как мы уже отмечали, белки цитоплазмы заряжены в основном отрицательно, что является главной причиной их гидратации. Противоположно заряженные катионы адсорбируются коллоидной частицей, разряжают ее и оказывают, таким образом, дегидратирующее действие. Поэтому гидратация цитоплазмы находится под влиянием катионов: K⁺, Mg²⁺, и Ca²⁺, которые в клетке содержатся в излишке.

Двухвалентные катионы притягиваются сильней, они ближе подходят к белковой молекуле и нейтрализуют ее отрицательный заряд. В этом случае молекула коллоидной частицы теряет часть гидратной воды, цитоплазма превращается в вязкую гелеподобную массу (гель). Одновалентные катионы, в частности K⁺, притягивается слабее. Гидратные оболочки белка и иона сливаются и цитоплазма оводняется, превращаясь в жидкий коллоидный раствор (золь). Нейтрализации заряда белковой молекулы при этом не происходит из-за слабого притяжения катион K⁺ не может подойти через их гидратные оболочки и остается на некотором расстоянии от отрицательно заряженной поверхности (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схематическое изображение действия гидратированного катиона (+) на гидратацию коллоидной молекулы белка (-):

а– гидратирующее действие (золь); б– дегидратирующее действие (гель)

Гель-золь переходы, вызываемые ионами металлов, играют важную роль во многих жизненных процессах в клетке.

Нужно подчеркнуть, что сегодня цитоплазму уже не рассматривают только как коллоидный раствор. Она имеет более сложные свойства, чем простой коллоидный раствор. Так для цитоплазмы характерна эластичность, некоторое сжатие и значительная вязкость (вязкость цитоплазмы можно измерять по скорости перемещения структурных элементов под микроскопом, например, хлоропластов, или измерить скорость броуновского движения); вязкость цитоплазмы в клетках корковой паренхимы бобов в 24 раза превышает вязкость воды.

Экспериментальные величины свидетельствуют о большом диапазоне изменений структурной вязкости цитоплазмы. Этот параметр является хорошим показателем физиологического состояния клеток, уровня их жизнедеятельности. В структурной вязкости находит свое отражение реакция растений на изменение внешних условий (температура, освещенность, водный режим, минеральное питание). Изменение с ростом и развитием тоже тесно связаны с изменением вязкости. Таким образом, очень важно знать величины вязкости при исследовании различных физиологических процессов.

Еще одной очень важной физико-химической величиной является изоэлектрическая точка протоплазмы. Отметим, что все амфолиты, какими являются и аминокислоты, способны иметь положительные и отрицательные группы (NH₂ и СООН). Эти ионогенные группы и определяют электрические свойства белковых молекул. На заряд кислых и щелочных групп сильно влияет рН; в кислой среде аминокислоты присоединяют ион водорода, образуя положительный ион – NH₃⁺, в щелочной диссоциирует карбоксильная группа, становясь отрицательно заряженной – СОО^–. При определенной величине рН заряды выравниваются – нейтральны. Значение рН, при котором белок имеет минимальный электрический заряд, называется изоэлектрической точкой. В растворе с рН = ИЭТ белок не двигается ни к одному полюсу; в кислой среде белок движется к катоду (–), в щелочной – к аноду (+). Этот прием, получивший название электрофореза, широко используется при разделении белков.

В ИЭТ белок имеет минимальное значение вязкости, растворимости, степени гидратизации, осмотического давления и электропроводности.

Если рассматривать не белок, а живую структуру (клетка, органоид и т. д.), тогда надо говорить об изоэлектрической зоне, которая включает все белки с разными ИЭТ. Размеры изоэлектрической зоны и рН – это существенный показатель гетерогенности белкового комплекса.

В процессе роста клетки происходит не только увеличение ее размеров, но и упорядочение структуры. В этой связи гиалаплазма и отдельные органеллы беспрерывно перемещаются в клетке – происходит движение. Скорость движения цитоплазмы может служить мерой активности клетки, ее функционального состояния.

Клетка должна приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям внешней среды, это значит сохранить основные внутриклеточные процессы и структуры в условиях изменяющейся среды (гомеостаз).

Растительной клетке присуща и раздражимость (возбудимость), т. е. способность реагировать на действие факторов внешней или внутренней среды разнообразной природы. Эти факторы называют раздражителями.

Понятие раздражимость было введено профессором университета в Кембридже Глиссоном в середине ХVII в. Клод Бернар определял раздражимость как «свойство, которым обладает всякий анатомический элемент возбуждаться к деятельности и реагировать известным образом под влиянием возбудителей». Возбудимость – это способность клеток переходить в функционально активное состояние в ответ на действие раздражителя.

В основе ответных реакций организмов на воздействие окружающей среды, в конечном счете, лежит раздражимость цитоплазмы, являющаяся одним из основных свойств жизни. Для поддержания способности к реакции цитоплазма должна затрачивать энергию.

Раздражители можно подразделить на три группы:

1. Физические (температура, механические, электрические, световые, звуковые);

2. Физико-химические (осмотические, реакция среды, электролитный состав, коллоидное состояние);

3. Химические (гормоны, продукты обмена веществ, яды и т. д.).

По физиологическому значению раздражители делят на адекватные (действие раздражителей в естественных условиях, к восприятию которых система приспособлена) и неадекватные (раздражители, для восприятия которых клетки специально не приспособлены, поэтому реакции на такие воздействия могут привести к повреждениям).

Механизм раздражимости на уровне клетки включает в себя три компоненты: 1) клеточные мембраны, через которые осуществляются ионные потоки, определяющие асимметрию в распределении ионов и отсюда мембранный потенциал; 2) рецепторы в мембранах, воспринимающие сигналы внешней среды; 3) механизмы трансформации и передачи внешних сигналов на внутриклеточные процессы.

У растений обнаружены фото-, хемо- и механорецепторы.

Функциональная активность фиторецепторов обеспечивает фототаксисы, фототропизмы, фотонастии и восприятие фотопериодических сигналов. Хеморецепция позволяет растениям реагировать на аттрактанты, трофические факторы внешней среды (хемотаксисы, хемотропизмы) и на фитогормоны. Механорецепция лежит в основе таких явлений, как геотропизмы, тигмотропизмы, сейсмонастии.

Рецепция складывается из двух процессов: кодирование, т. е. преобразование внешнего стимула, и передачи кода в виде электрических или химических сигналов из рецепторной клетки другим клеткам.

Известно, что свет, звуковые колебания, гравитация и другие раздражители могут оказывать и неспецифическое действие на любую клетку, но только рецепторный белок способен кодировать определенный стимул и передавать его в виде информации.

При раздражении определенной силы в растениях, как и в животных тканях, возникает распространяющаяся волна возбуждения (потенциал действия).

Электрофизиологические процессы в клетке являются составной частью механизма раздражимости на уровне как рецепции, так и проведения раздражения.

Потенциал действия (ПД) возникает в клетках при действии местного раздражения достаточной силы и продолжительности, что приводит к изменению потоков через мембрану, вызывая быструю деполяризацию мембранного потенциала. Фаза деполяризации индуцируется выходом ионов Сl^– через ионные каналы, активируемые ионами Са²⁺. Восстановление мембранного потенциала достигается выходом из клетки ионов K⁺.

ПД выполняет у растений сигнальные функции, включая функциональную активность растительных тканей: двигательную, секреторную, поглотительную и др. ПД обеспечивает синхронизацию физиологических процессов и взаимодействие частей в целом растении.

Таким образом, для растительной клетки присущи все свойства живой материи: обмен веществ и энергии, способность к росту и размножению, движение, раздражимость, способность приспосабливаться к внешним условиям.

Клетка является, с одной стороны, элементарной структурой многоклеточного организма, а с другой – это самостоятельный организм.