Физиология растений

Лекция 1. Основные принципы действия регуляторных механизмов растительной клетки; компартментация каталитических систем и метаболических фондов протопласта как один из механизмов регуляции клеточного метаболизма

Клетка – это мельчайшая единица жизни, характеризующаяся определенным типом обмена веществ, самостоятельным энергетическим циклом и способностью к саморегуляции и саморазвитию на основе взаимодействия различных своих компо-нентов и взаимодействия с внешними условиями. В живой клетке нет изолированных процессов. Основой этого взаимодействия служит непрерывный обмен продуктами реакций, образующимися в органоидах определенного вида и поступающими в цитоплазму и другие органоиды.

Сложное строение растительной клетки, дифференцированной на большое количество специализированных органоидов и структур в соответствии с выполняемыми ее функциями, требует и совершенных систем регуляции. Регуляция обеспечивает целостность и гомеостаз организма, т. е. сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создает условия для его развития (эпигенеза).

В ходе эволюции сначала возникли внутриклеточные системы регуляции. К ним относятся регуляция на уровне ферментов, генетическая и мембранная регуляции. Все эти системы регуляции тесно связаны между собой. Принципы действия регуляторных механизмов клетки:

• рецепторно-конформационный принцип;

• принцип компартментации;

• принцип взаимодействия компонентов цитоплазмы.

В основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый первичный принцип – рецепторно-конформационный принцип. Белковая молекула – фермент, рецептор или регуляторный белок — «узнает» специфический для нее фактор и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурацию. В мультикомпонентных комплексах ферментов, генов и мембран конформационные изменения молекул-рецепторов кооперативно передаются на весь комплекс, влияя на его функциональную активность.

Важнейшими в регуляторных механизмах клетки является принцип компар-тментации, обуславливающий высокую степень временной и пространственной ор-ганизованности метаболизма, и взаимодействия компонентов цитоплазмы. Взаимо-действие обеспечивается наличием гиалоплазмы и эндоплазматической сети.

Компартменты – дифференцированные, специализированные участки, или отсеки в протоплазме, различаю­щиеся по степени активности содержащихся в них химических сое­динений и систем, регулирующих их превращения. Явление компартментации обуславливают клеточные мембраны, которые выполняют функцию расчленения биохимических процессов, разделения их между различ­ными компонентами протоплазмы и пространственного размещения в объеме клетки фондов метаболитов и ферментов.

В растительной клетке имеется три основных компартмента: сво­бодное пространство (СП), цитоплазма и вакуоль. Компартментальны отдельные участки клетки и органелл, отдельные участки мембран, отдельные фонды метаболитов, ферментов и всех других морфологических и химических компонентов протопласта.

Характерная особенность компартментированных метаболитов и ферментов — их подвижность, что достигается включением мета­болитов в везикулы и мелкие вакуоли и концентрацией их в трубоч­ках эндоплазматического ретикулума и других трубчатых структурах. Это способствует, например, отводу ассимилятов из хлоропластов без их соприкос­новения со стромой цитоплазмы. Эф­фективность действия механизмов фотофосфорилирования в хлоропластах определяется компартментами, обеспечивающими образование протонного градиента. Компартментальны в данном случае мембранные диски гран хлоропластов. Практиче­ски все основные пути метаболизма углеводов прочно ассоциирова­ны с определенными участками плазматических мембран. В клетке существуют компартменты, содержащие системы гликолиза, цикла Кребса и пентозофосфатного шунта. Так все участки цикла Кребса локализованы в матриксе или во внутренней мембране мито­хондрий. Аналогичные закономерности установлены для процессов биосинтеза и превращения аминокислот, по­глощения и выделения минеральных веществ, воды, регуляции действия имеющихся в клетке ферментов и т. п.

С появлением многоклеточных организмов развиваются и совершенствуются межклеточные системы регуляции. Они включают в себя по крайней мере трофическую, гормональную и электрофизиологическую системы. Такие взаимодействия сразу обнаруживаются при культивировании частей и органов растений в изолированном виде. Для поддержания жизни изолированных частей в инкубационную среду необходимо добавлять трофические и гормональные факторы, в норме поступающие из других органов целого растения.

Важным также является взаимная координация процессов, реакций, координация накопления и выделения веществ и энергии клеткой. Так, нуклеиновые кислоты играют роль хранителя и передатчика наследственной информации (ДНК) и посредника ее реализации (РНК). Белки несут функции рабочих механизмов – это ферменты, которые входят в состав клеточных структур и многих активных соединений. Основной механизм регуляции внутриклеточных процессов связан с влиянием на ферменты разнообразных факторов. Это может осуществляться на генетическом уровне, если определяется состав ферментов или количество того или иного фермента в клетке. Второй тип регуляции – влияние на сам фермент, в результате чего активность его может стимулироваться или ингибироваться. Может иметь место также структурный уровень регуляции – влияние на образование и сборку клеточных структур (мембран, хлоропластов, рибосом, митохондрий и т. д.). Конкретными регуляторами внутриклеточных процессов могут быть фитогормоны, которые вырабатываются клетками или окружающими их другими клетками, или продукты реакций по принципу обратной связи (аллостерический эффект). Регуляция может осуществляться также путем транспортировки в клетку продуктов метаболизма и их предшественников, ионов, изменения формы регулируемого фермента (конформаций).

Лекция 2. Структурная организация фотосинтетического аппарата, строение листа как органа фотосинтеза, ультраструктура и онтогенез хлоропластов

«Зеленый лист, или, вернее, микроскопическое зеленое зерно хлорофилла является фокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекает энергия солнца, а с другого берут начало все проявления жизни на земле. Растение — посредник между небом и землею. Оно истинный Прометей, похитивший огонь с неба» ( К. А. Тимирязев ).

Основой фотосинтетического аппарата служат:

− у высших зелёных растений внутриклеточные органеллы – хлоропласты;

− у большинства водорослей − специализированные внутриклеточные органеллы – хроматофоры;

− у фотосинтезирующих бактерий и синезелёных водорослей – тилакоиды (мембраны их содержат пигмент бактериохлорофилл или бактериовиридин, а также др. компоненты реакций фотосинтеза), погруженные в периферические слои цитоплазмы.

Хлоропласты занимают 20–30% объёма растительной клетки. У водорослей, например хламидомонады, имеется один хлоропласт, в клетке высших растений содержится от 10 до 70 хлоропластов и более.

Хлорофилл и каротиноиды, погруженные в тилакоидные мембраны хлоропластов, собраны в функциональные единицы – фотосистемы, каждая из которых содержит примерно 250 молекул пигментов. Фотосистема – совокупность ССК (светособирающего комплекса), фотохимического реакционного центра и переносчиков электрона.

ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины, за ними фикоцианины и аллофикоцианины, последовательно передающие энергию на хлорофилл a реакционного центра.

Роль ССК состоит в том, чтобы собирать и передавать энергию квантов света на небольшое количество молекул (молекулы-ловушки) реакционных центров П₆₈₀ и П₇₀₀ которые и осуществляют фотохимические реакции.

Органом фотосинтеза у высших растений является лист. Кроме фотосинтеза в жизни растений лист выполняет функции газообмена, транспирации, синтеза ряда органических веществ, в том числе и фитогормонов.

Листья, будучи боковыми органами, как правило, имеют более или менее плоскую форму, что способствует созданию максимальной фотосинтезирующей поверхности.

Основной тканью листа является паренхимный комплекс клеток, несущий хлоропласты – мезофилл (греч. mesos – средний и филл) (рисунок 1). Остальные ткани листа обеспечивают работу мезофилла и поддерживают связь с окружающей средой. Покровная ткань (эпидермис) регулирует газообмен и транспирацию, защищает лист от внешних воздействий. Проводящие ткани осуществляют отток и приток веществ, поддерживают нормальное оводнение фотосинтезирующих клеток. Механические ткани совместно с живыми тургесцентными клетками мезофилла и эпидермиса образуют опорную систему листа.

Мезофилл. Представлен клетками основной паренхимы, расположенными между верхним и нижним эпидермисом (исключая механические ткани и проводящие пучки). Состоит из живых клеток, с тонкими оболочками, округлой или слегка вытянутой формы, реже с небольшими выростами. Благодаря многочисленным хлоропластам мезофилл окрашен в зеленый цвет, так называемая хлоренхима листа. Иногда оболочки клетки образуют складки внутрь полости клетки, что увеличивает рабочую поверхность хлоренхимных клеток.

У типичных дорсовентральных листьев мезофилл неоднороден и диффе-ренцирован на столбчатую (палисадную) и губчатую паренхиму.

Рисунок 1 – схема строения листа

Клетки столбчатой паренхимы плотно сомкнуты, имеют продолговатую форму и располагаются перпендикулярно к верхней стороне листа. Столбчатый мезофилл может быть однослойный, иногда двуслойный, редко (у светолюбивых растений) многослойный. Основная функция палисадной паренхимы – ассимиляция углекислого газа (фотосинтез). Палисадная ткань располагается в наилучших условиях освещения, непосредственно под верхней эпидермой. Благодаря тому, что ее клетки вытянуты перпендикулярно к поверхности листа, у них имеется возможность регулировать направление и расположение хлоропластов таким образом, чтобы избежать повреждающего действия прямой солнечной радиации на фотосинтезирующий аппарат.

Губчатую паренхиму составляют относительно округлые клетки с большими межклетниками, которые занимают больший объем, чем сами клетки. Рыхлая структура мезофилла обусловливает большую общую площадь поверхности клеток, обращенной к межклетникам. Через крупные межклетники губчатого мезофилла идет газообмен.

Хлоропласты

Форма – овальные тельца длиной 5-10 мкм и диаметром 2-3 мкм. Количество в клетке листа – 15-20, у некоторых водорослей - 1-2 гигантских хлоропласта различной формы. Окраска – зеленая, обусловлена содержанием в хлоропластах хлорофилла.

Хлоропласты – двухмембранные органоиды (рисунок 2). Внутреннее содержимое хлоропластов − строма (матрикс) представляет собой гомогенную среду. Хлоропласты, как и другие органоиды, например, митохондрии, имеют ламеллярное строение, т.е. внутренние структуры органоида образованы инвагинациями внутренней мембраны – ламеллами. В хлоропластах внутренняя мембрана образует уплощенные инвагинации — тилакоиды, которые могут иметь форму дисков и в этом случае называются тилакоидами гран.

Рисунок 2 – схема строения хлоропласта:

1 – липидная капля; 2 – зерна крахмала; 3 – наружная мембрана; 4 – грана; 5 – ДНК; 6 – рибосома; 7 – строма; 8 – тилакоид граны; 9 – тилакоид стромы; 10 – внутренняя мембрана

Несколько лежащих друг над другом тилакоидов образуют стопку – грану. Другие тилакоиды, связывающие между собой граны или не контактирующие с ними, называются тилакоидами стромы. При таком строении значительно увеличивается фотоактивная поверхность хлоропластов и обеспечивается максимальное использование световой энергии. В мембранах тилакоидов локализованы зеленые (хлорофиллы), желтые и красные (каротиноиды) пигменты, компоненты редокс-цепей и запасания энергии, участвующие в поглощении и использовании энергии света.

Граны часто имеют форму цилиндров размером 2 мкм, в которых пигментно-липидные слои чередуются с белковыми слоями. Морфологически тилакоиды не гомогенны. На внутренней поверхности их мембран имеются специфические структурные образования, названные Парком квантосомами.

Хлоропласты – системы, способные к автономному синтезу белков. В них присутствуют низко- и высокомолекулярная РНК, специфическая кольцевая ДНК и ферменты, активирующие аминокислоты. Хлоропласты обладают собственными рибосомами.

Функции хлоропластов:

1) осуществление фотосинтеза (основная функция);

2) в хлоропластах происходит вся сложная цепь процессов превращений первичных продуктов фотосинтеза (наращивание углеродной цепи, образование и распад полимерных форм углеводов и др.);

Биохимические системы синтеза и превращения углеводов функционируют в строме хлоропластов. В ней же может откладываться крахмал. В хлоропластах представлен весь набор биохимических систем, участвующих в синтезе АТФ.

Онтогенез хлоропластов. При нормальном освещении пропластиды пре-вращаются в хлоропласты. Сначала они растут, при этом происходит образование продольно расположенных мембранных складок от внутренней мембраны. Одни из них простираются по всей длине пластиды и формируют ламеллы стромы; другие образуют ламеллы тилакоидов, которые выстраиваются в виде стопки и образуют граны зрелых хлоропластов.

Несколько иначе развитие пластид происходит в темноте. У этиолированных проростков происходит в начале увеличение объема пластид – этиопластов, но система внутренних мембран не строит ламеллярные структуры, а образует массу мелких пузырьков, которые скапливаютсяя в отдельные зоны и даже могут формировать сложные решетчатые структуры (проламеллярные тела). В мембранах этиопластов содержится протохлорофилл, предшественник хлорофилла желтого цвета. Под действие света из этиопластов образуются хлоропласты, протохлорофилл превращается в хлорофилл, происходит синтез новых мембран, фотосинтетических ферментов и компонентов цепи переноса электронов.

Лекция 3. Фотосинтетическое фосфорилирование, характеристика и физиологическое значение основных типов фотофосфорилирования: циклического, нециклического и псевдоциклического

Любой механизм образования АТФ носит название фосфорилирования.

В широком смысле фосфорилирование – процесс присоединения к какому-либо субстрату остатков фосфорной кислоты.

В случае фотосинтеза говорят о фотофосфорилировании, подчеркивая, что АТФ образуется за счет трансформации энергии света.

Фотофосфорилирование сопряженос странспортом электронов в ЭТЦ митохондрий. Основные типы фотофосфорилирования: циклическое, нециклическое и псевдоциклическое.

Рисунок 4 – Схема нециклического (Z-схема) и циклического транспорта электронов в хлоропласта

Нециклический транспорт электронов и нециклическое фотофосфорилирование

В ФСII димер П₆₈₀, поглотив энергию, эквивалентную 2 квантам коротковолнового красного света, и перейдя в синглетное возбужденное состояние П₆₈₀^*, отдает 2 электрона феофетину (Фф).

От Фф электроны, теряя энергию, последовательно передаются на пластохиноны ФС II – Q_A и Q_B, на пул липидорастворимых молекул пластохинона (PQ), переносящих через липидную фазу мембраны электроны и протоны, на железосерный белок FeS_R и цитохром f цитохромного комплекса b₆–f, восстанавливая Cu-содержащий белок пластоцианин (Пц).

Вакантные места («дырки») в П₆₈₀ заполняются двумя электронами из содержащего Мn переносчика электронов Z, который в свою очередь восстанавливается с участием системы S. Окисленный белковый комплекс S связывает воду и восстанавливается за счет электронов воды. Для осуществления этой реакции в белковом комплексе S необходимы Мn, Сl^– и Са^{2 +} .

При возбуждении П₇₀₀ в реакционном центре ФС I энергией, эквивалентной 2 квантам длинноволнового красного света, 2 электрона захватываются мономерной формой хлорофилла a (A₁) и затем последовательно передаются переносчикам электронов А₂ и Ав (железосерные белки FeS), ферредоксину (водорастворимый FeS-белок) и ферредоксин:NADP-оксидоредуктазе с FAD в качестве кофактора. Наконец, редуктаза восстанавливает NADP ⁺ .

На вакантные места в П⁺₇₀₀ переходят электроны с Пц, и нециклическая цепь переноса электронов таким образом замыкается.

Энергия, освобождающаяся при движении электронов от П₆₈₀ (Е'^о = – 0,8 В) до П₇₀₀ (Е'^о = +0,4 В), используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (фотофосфорилирование).

Таким образом, нециклический транспорт электронов сопровождается выделением кислорода и восстановлением НАДФ+ и сопряжен с синтезом АТФ (нециклическое фотофосфорилирование).

Циклический транспорт электронов и циклическое фотофосфорилирование.

Циклический транспорт электронов осуществляется отдельно в ФС I или ФСII.

Циклический транспорт в ФС I включает перенос электронов от восстановленого ферредоксина(Фдвост.) обратно к окисленному П⁺₇₀₀. В этом случае возбужденные молекулы П₇₀₀ последовательно отдают электроны на А₁, А₂, А_В, Фд, PQ, цитохром b₆, FeS_R, цитохром f, Пц и, наконец, П₇₀₀. При этом NADP+ не восста­навливается. Освобождающаяся энергия используется для фосфорилирования ADP.

Циклический поток электронов с участием ФСI сопряжен с с синтезом АТФ (циклическое фотофосфорилирование) и может обеспечивать дополнительный синтез АТФ, необходимый для ассимиляции углерода. Он может быть альтернативным путем использования энергии света при его высоких интенсивностях.

Циклический транспорт электронов в ФС II связан с обратным переносом электронов от восстановленных первичных хинонов QA и QB к окисленному пигменту П⁺₆₈₀. При этом участвуют цитохром b₅₅₉, β-каротин и сопровождающие молекулы хлорофилла а РЦ ФСII.

Является альтернативным путем использования энергии света. Он активируется в условиях, когда интенсивность света превышает возможности ЭТЦ утилизировать его энергию или при повреждении водоокисляющей системы хлоропластов.

Псевдоциклический транспорт электронов – перенос электронов от воды на кислород – впервые был исследован А. Меллером (1951) и назван реакция Меллера.

Восстановление кислорода может происходить как в ФС I, так и в ФС II. При этом поглощение кислорода может компенсировать его выделение в ходе окисления Н₂О. В результате единственным продуктом этого процесса, как и в случае циклического транспорта электронов, будут АТФ, синтезируемая при псевдоциклическом фотофосфорилированиии.

Лекция 4. Электронтранспортная цепь митохондрий растительной клетки: структурная организация, основные компоненты, их окислительно-восстановительные потенциалы. Пять состояний дыхательной цепи переноса электронов (по Чансу)

Дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ), локализована во внутренней мембране митохондрий и служит для передачи электронов от восстанов­ленных субстратов на кислород, что сопровождается транс­мембранным переносом ионов Н⁺. Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окисли­тельно-восстановительной Н⁺-помпы.

Б. Чанс и др. (США) в 50-х годах, используя значения окислительно-восстановительных потенциалов известных в то время переносчиков е⁻, спектрофотометрические данные о вре­менной последовательности их восстановления и результаты ингибиторного анализа, расположили компоненты ЭТЦ мито­хондрий в следующем порядке:

Сукцинат ФАД 1/2О₂+2Н⁺

Е°' -0,045

НАДН ФМН Q Цит Цит Цит Цит

b c₁ c a, a₃

Е°', В Н₂О

-0,320 -0,300 +0,070 +0,080 +0,235 +0,250 0,300

Пара электронов от НАДH или сукцината передается по ЭТЦ до кислорода, который, восстанавливаясь и присоединяя два протона, образует воду.

Основным фактором, определяющим способность какого-либо соединения присоединять или отдавать электроны, является соот­ношение величин окислительных потенциалов данного соединения и соединения, с которым оно взаимодействует. Непосредственное взаимодействие соединений, имеющих различные потенциалы, осуществляется самопроизволь­но тем успешнее, чем меньше различия между их потенциалами. В дыхательной цепи перенос электро­на от НАДН (Е° = -0,32) на О₂ (Е° = +0,82) идет через цепь переносчиков по градиенту, т. е. от соединений с более отрицательным к соединениям с более положительным редокс-потенциалом. По величине положительного потенциала более всего к потен­циалу кислорода приближается цитохромоксидаза. К потенциалу дыхательного субстрата наиболее близки потенциалы, свойственные пиридиннуклеотидам, и т. д.

Согласно современным данным дыхательная цепь мито­хондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компо­нента — убихинон и цитохром с.

Комп­лекс I осуществляет перенос электронов от NADH к убихинону Q. Его субстратом служат молекулы внутримитохондриального NADH, восстанавливающиеся в цикле Кребса. В состав комплекса входит флавиновая FMN-зависимая NADH-убихинон-оксидоредуктаза, содержащая три железосерных центра.

Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном. Эту функцию осуществляют флавиновая (FAD-зависимая) сукцинат убихинон-оксидоредуктаза, в состав которой также входят три железосерных центра.

Комплекс III переносит электроны от восстановлен­ного убихинона к цитохрому с, т. е. функционирует как убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза. В своем составе он содержит цитохромы b₅₅₆ и b₅₆₀, цитохром с₁ и железосерный белок Риске. В присутствии убихинона комплекс III осу­ществляет активный трансмембранный перенос протонов.

В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду, т. е. этот комплекс является цитохром с-кислород-оксидоредуктазой (цитохромоксидазой). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохромы а и а₃ и два атома меди. Цитохром а₃ и Сu_В способны взаимодействовать с О₂, на который передаются электроны с цитохрома а−Cu_А Транспорт электронов через комплекс IV сопряжен с активным транспортом ионов Н ⁺.

В результате изучения пространственного расположения компонентов ЭТЦ во внутренней мембране митохондрий показано, что комплексы I, III и IV пересекают мембрану. Именно в этих трех участках окислительные процессы в ЭТЦ сопрягаются с синтезом АТР. Передача 2е− от сукцината на убихинон в комплексе II не сопровождается трансмембранным переносом протонов.

Пять состояний дыхательной цепи переноса электронов (по Чансу)

Согласно Чансу митохондрии могут находиться в пяти состоя­ниях:

I) дыхание осуществляется только за счет имеющихся в интактных митохондриях эндогенных субстратов и систем окисления и фосфолирования;

II) наступает после дополнительного внесения субстрата фосфорилирования (АДФ). Лимитирующим фактором в этих условиях является субстрат. Все элементы ЭТЦ в данных условиях находятся в окисленном состоянии;

3. возникает после совместного внесения АДФ и субстрата окисления, что сопровождается резким активированием процесса. Лимитировать дыхание может только проницаемость митохондриальных мембран и скорость окисления;

4. наступает вследствие исчерпания всей внесенной АДФ и ее превращения в АТФ. Наблюдающееся в этих условиях торможение дыхания и соответствует тому, что называют дыхательным контролем.

Дополнительное внесение АДФ при наличии кислорода обус­ловливает новое активирование дыхания и фосфорилирования;

V) соответствует полному поглощению кислорода и возникновению условии, необходимых для анаэробного процесса, в результате чего все компоненты ЭТЦ находятся в восстановленной форме.

Лекция 5. Основные соединения серы в растении, их роль в структурной организации клетки, участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Содержание серы в растительных тканях невелико – 0,2-1,0 % сухой массы.

Сера содержится в растениях в двух основных формах:

– в окисленной – в виде неорганического сульфата;

– в восстановленной.

Сера, поступающая в корень в виде сульфатов, метаболизируясь, входит в состав органических соединений – цистеина, цистина, метионина, глутатиона, коэнзима А, тиамина, липоевой кислоты и др.

В семенах сера находится преимущественно в органической форме, а в процессе их прорастания частично переходит в окисленную. Редукция сульфата и синтез серосодержащих аминокислот и белков наблюдается при созревании семян.

Доля сульфата в общем балансе серы в тканях может колебаться от 10 до 50% и более. Она минимальна в молодых листьях и резко возрастает при их старении в связи с усилением процессов деградации серосодержащих белков.

Процесс восстановления сульфата обеспечивает включение серы в серо-содержащие аминокислоты. Цистеин – первый стабильный продукт, в котором органическая сера находится в восстановленной форме. Он дает начало образованию большей части производных серы. Ближайшим производным цистеина является цистин, образующийся при ферментативном окислении сульфгидрильной группы в дисульфидную. Цистеин служит также предшественником метионина – важнейшей серосодержащей аминокислоты главного пути метаболизма серы у растений.

Цистеин и метионин могут находиться в растениях как в свободном виде, так и в составе белков. Метионин относится к числу незаменимых аминокислот и благодаря сере и метильной группе обладает уникальными свойствами. Метионин найден в активных центрах многих ферментов, S-аденозилметионин участвует в реакциях трансметилирования, а метионил-тРНК – инициатор роста полипептидных цепей.

Метиониновые остатки могут придавать молекуле белка гидрофобные свойства, что играет важную роль в стабилизации активной конформации ферментов в солевом окружении.

Одна из основных функций серы в белках и полипептидах – участие SH-групп в образовании ковалентных, водородных, меркаптидных связей, поддерживающих трехмерную структуру белка. Дисульфидные мостики между полипептидными цепями или двумя участками одной цепи (по типу — S —S-мостика в молекуле цистина) стабилизируют молекулу белка.

Другая важнейшая функция серы в растительном организме состоит в поддержании определенного уровня окислительно-восстановительного потенциала клетки за счет обратимости реакций цистеин ↔цистин и SH-глутгтион ↔ S — S-глутатион. Эти редокс-системы могут связывать или освобождать атомы водорода в зависимости от преобладающих метаболических условий в клетке. Трипептид глутатион, состоящий из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина, благодаря хорошей растворимости в воде играет важную роль в метаболизме. Обычно глутатион находится в восстановленном SH-состоянии и может реагировать с дисульфидными группами тиоловых ферментов, в том числе протеолитических, активируя их и переходя в окисленную — S —S-форму.

Сера входит также в состав важнейших биологических соединений — коэнзима А и витаминов (липоевой кислоты, биотина, тиамина) и в форме этих соединений принимает участие в энзиматических реакциях клетки. Особенно велика роль серы как компонента коэнзима A (CoA-SH), SH-группа которого участвует в образовании высокоэнергетической тиоэфирной связи с ацильными группами кислот. При взаимодействии СоА с уксусной кислотой синтезируется ацетил-СоА: Н₃С— C~S-CoA, который, будучи донором и переносчиком ацетильной группы, играет важнейшую роль в метаболизме жирных кислот, аминокислот и углеводов.

Липоевая кислота является коэнзимом в реакциях окислительного декарбоксилирования α-кетокислот; SH-группы липоевой кислоты могут также принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Производное тиамина – тиаминпирофосфат – действует как коэнзим при декарбоксилировании пирувата в ацетальдегид и окислении α-кетокислот благодаря участию тиазольного кольца в связывании и активировании альдегидных групп. SH-группы обусловливают каталитическую активность многих ферментов, играя важную роль во взаимодействии белка с коферментом.

Лекция 6. Гуттация, транспирация (устьичная и кутикулярная); физиологическое значение этих процессов, количественные показатели транспирации (интенсивность и продуктивность транспирации, транспирационный коэффициент)

Гутта́ция (от лат. gutta – «капля») – процесс выведения воды в виде капель жидкости на поверхности растения. Слабая освещённость, высокая влажность способствуют гуттации. Гуттация весьма обычна у многих растений влажных тропических лесов и часто наблюдается на кончиках листьев молодых проростков.

Транспирация – это физиологический процесс испарения во­ды растением. Основным органом транспирации является лист.

Транспирация слагается из двух процессов: а) передвижения воды из листовых жилок в поверхностные слои стенок клеток мезофилла; б) испарения воды из клеточных стенок в межклетные пространства и подустьичные полости с последующей диффузией в окружающую атмосферу через устьица (устъичная транспирация) или испарения воды из клеточных стенок эпидермиса в атмосферу путем кутикулярной транспирации. Кроме этого возможно испарение воды через чечевички – лентикулярная и окружающие их слои пробки – перидермальная транспирация.

Устьичная транспирация. Устьица (рисунок 3) играют важнейшую роль в газообмене между листом и атмосферой, это основной проводящий путь для водяного пара, СО₂ и О₂. В среднем число устьиц колеблется от 50 до 500 на 1 мм² поверхности листа. Транспирация с поверхности листа через устьица идет почти с такой же скоростью, как и с поверхности чистой воды. Объяснение этому явлению было дано в исследованиях английских ученых Броуна и Эскомба, которые установили, что испарение из ряда мелких отверстий идет быстрее, чем из одного крупного той же площади. Это связано с явлением краевой диффузии. Для малых отверстий интенсивность испарения пропорциональна их диаметру, а не площади. Поры (устьица) имеют малый диаметр и достаточно удалены друг от друга. При открытых устьицах выход паров воды идет достаточно интенсивно, закрытие устьиц резко тормозит испарение.

Рисунок 3 – Строение устьица листа:

А – вид с поверхности; Б – поперечный разрез; 1 – замыкающие клетки с хлоропластами и ядрами (2), 3 – полость замыкающих клеток, 4 – щель устьица, 5 – передний дворик, 6 – задний дворик, 7 – клетки эпидермиса, 8 – кутикула, 9 – воздухоносная полость под устьицем, 10 – клетки хлорофиллоносной ткани

Регуляция устьичной активности. Открывание и закрывание устьиц регулируется несколькими механизмами:

1. изменение тургора замыкающих клеток

Замыкающие клетки устьиц имеют неоднородные клеточные стенки. Клеточная стенка, которая ближе к устьичной щели толще, чем противоположная стенка. Целлюлозные волокна располагаются в ней так, что эта стенка менее эластична. По мере того, как клетка поглощает воду, тонкая и эластичная часть клеточной стенки, удаленной от устьичной щели растягивается. Менее эластичный участок клеточной стенки, окаймляющий устьичную щель, растягивается слабее. Поэтому замыкающие клетки устьиц принимают круглую форму и между замыкающими клетками образуется отверстие – устьица раскрываются. Когда вода выходит из замыкающих клеток, то устьица закрываются.

2. степень обеспеченности клеток водой

Гидропассивная устьичная реакция происходит тогда, когда клетки эпидермиса и хлоренхимы, окружающие устьица, после обильного полива переполняются водой и механически сжимают замыкающие клетки. Если окружающие клетки теряют воду, то устьица открываются.

Гидроактивная устьичная реакция. Гидроактивное закрывание устьиц происходит в результате того, что транспирация превышает поглощение воды корнем. При этом тургорное давление замыкающих клетках достигает критического уровня. По мере развития водного дефицита в клетках листа увеличивается содержание фитогормона абсцизовой кислоты (АБК), которое приводит к снижению тургора клеток, и устьица закрываются.

3. фотоактивное открывание устьиц.

При хорошем освещении, чем выше уровень освещенности, тем шире открываются устьица. Установлено, что днем на свету в замыкающих клетках увеличивается содержание сахаров и, соответственно, повышается осмотическое давление. В замыкающих клетках увеличивается сосущая сила и в них поступает вода. Это приводит к открыванию устьиц. Кроме того, днем на свету в замыкающих клетках накапливаются и ионы калия, что также приводит к повышению осмотического давления и открыванию устьиц.

Кутикулярная транспирация. При открытых устьицах потери водяного пара через кутикулу листа обычно незначительны по сравнению с общей транспирацией. Но если устьица закрыты, как, например, во время засухи, кутикуляр­ная транспирация приобретает важное значение в водном ре­жиме растений многих видов. Интенсивность кутикулярной транспирации сильно варьирует у разных видов: от совершен­но незначительных потерь до 50% от общей транспирации. У молодых листьев с тонкой кутикулой кутикулярная транспи­рация составляет около половины всей транспирации. У зрелых листьев с более мощной кутикулой кутикулярная транспирация составляет лишь 1/10 общей транспирации. В ста­реющих листьях кутикулярное испарение воды может вновь возрастать из-за разрушения и растрескивания кутикулы.

Транспирация играет в жизни растения значительную роль:

• основное значение транспирации состоит в том, что она служит одним из основных механизмом передвижения воды и различных веществ вверх по стеблю (верхний концевой двигатель):

• транспирация оказывает большое влияние на процессы воздушного питания растения. Поглощение СО₂ из воздуха осуществляется посредством устьиц, через которые одновременно испаряется основная масса воды;

• транспирация защищает листья от перегрева. Только в условиях непрерывной транспирации температура листьев может поддерживаться на уровне, лишь незначительно превышающем температуру окружающего воздуха.

Количественные показатели транспирации

Интенсивность транспирации обычно выражают в граммах испаренной воды за 1 ч на единицу площади (дм²) или на 1 г сухой массы. Эта величина колеблется от 0,15 до 1,5.

Продуктивность транспирации — количеством граммов сухих веществ, образуемых при расходовании каждых 1000 г воды. Продуктив­ность транспирации у растений в умеренном климате колеблет­ся от 1 до 8 г (в среднем 3 г) на 1000 г израсходованной воды

Величиной, обратной продуктивности транспирации, является транспирационный коэффициент, т. е. число граммов воды, израсходованной при накоплении 1 г сухих веществ. Транспирационный коэффициент у растений в умеренном климате колеблет­ся от 125 до 1000 (в среднем, около 300 г, т. е. около 300 г воды расходуется на накопление 1 г сухих веществ).

Лекция 7. Механизм поглощения ионов растительной клеткой: роль процессов диффузии и адсорбции, понятие свободного пространства, транспорт ионов через плазматическую мембрану, роль вакуоли, пиноцитоз

Процесс минерального питания растения – это сложная цепь биофизических, биохимических и физиологических процессов.

Минеральные вещества корни извлекают из почвенного раствора и из почвенного поглощающего комплекса. Извлечение минеральных веществ из почвы осуществляется корневыми волосками. В поглощении веществ из почвы и транспорте элементов питания по тканям непосредственное участие принимают клеточные стенки. Основной движущей силой поглотительной активности корней является работа ионных насосов (помп), локализованных в мембранах.

В различных органах растений накапливается неодинаковое количество минеральных элементов, причем содержание минеральных веществ в клетках не соответствует концентрации этих же веществ во внешней среде. Например, в тканях актинидии китайской концентрация фосфора в 1 тыс. – 10 тыс. раз превышает содержание этого элемента в почвенном растворе.

В десятки раз выше в клетках содержание азота и калия. Это свидетельствует о том, что в клетках существуют механизмы не только поглощения веществ против концентрационного градиента, но и способы избирательного их накопления. Этот процесс начинается уже в клеточной стенке и затем продолжается с участием мембран.

Роль процессов диффузии и адсорбции

В отличие от клеток животных растительная клетка имеет оболочку (стенку), состоящую из целлюлозы, гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Пектиновые вещества (полиуроновые кислоты) в своем составе содержат карбоксильные группы, в ре-зультате чего клеточные оболочки приобретают свойства катионообменников и мо-гут концентрировать положительно заряженные вещества.

Различают две фазы поглощения веществ, протекающие с различными скоростями — высокой и медленной. Доказательство: если в сосуд, содержащий раствор ⁸⁶RbCl или катионный краситель (например, метиленовый синий), погрузить корни (или другую растительную ткань), то в первые 2 мин из раствора исчезнет до 50 % рубидия (или красителя) от того количества, которое поглотится за длительное время. В последующие 10-30 мин поглотится 70%, а дальнейшее связывание вещества тканями будет происходить очень медленно (часами). Первоначальное быстрое поглощение веществ осуществляется в клеточных стенках и является обменной адсорбцией (а быстрая потеря – десорбцией). Медленная фаза связана с функциональной активностью плазмалеммы (проникновением веществ в клетку или выходом из нее).

Межмолекулярное пространство в клеточной стенке, где происходят процессы обменной адсорбции, получило название кажущегося свободного пространства (КСП). Термин «кажущееся» означает, что объем этого свободного пространства зависит от объекта и природы растворенного вещества. КСП включает в себя межмолекулярное пространство в толще клеточных стенок и на поверхности плазмалеммы и клеточных стенок. КСП занимает в растительных тканях 5-10% объема. Поглощение и выделение веществ в КСП – физико-химический пассивный процесс. Его обусловливают адсорбционные свойства ионообменника и доннановский электропотенциал на границе водной среды и катионообменника.

Катионообменник (клеточные стенки) более активно связывает катионы (особенно двух- и трехвалентные) по сравнению с анионами. Из-за высокой плотности отрицательных фиксированных зарядов в клеточной стенке (1,4-1,8 мэкв/мг сухой массы) происходит первичное концентрирование катионов в пространстве, непосредственно примыкающем к плазмалемме.

В конкретных условиях почвенного питания клетки корня (ризодерма) контактируют с водной фазой (почвенным раствором) и с частицами почвы, которые также являются преимущественно катионообменниками (почвенный поглощающий комплекс). При этом большая часть минеральных питательных веществ находится не в растворе, а адсорбирована на частицах почвы. Катионы и анионы поступают в клеточные стенки ризодермы как непосредственно 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 ризодермы кутикулы и других защитных покровных образований. Зона поглощения корней и частицы почвы образуют единую коллоидную систему. Так как адсорбированные ионы находятся в постоянном колебательном движении и занимают определенный «осцилляторный объем» (сферу колебаний), при тесном контакте поверхно-стей сферы колебаний двух ближайших адсорбированных ионов могут перекрывать-ся, в результате чего осуществляется ионный обмен.

Транспорт ионов через плазматическую мембрану. Ионы и различные соединения преодолевают липидную фазу биологических мембран несколькими способами. Основные из них:

• простая диффузия через липидную фазу, если вещество растворимо в липидах;

• облегченная диффузия гидрофильных веществ с помощью липофильных переносчиков;

• простая диффузия через гидрофильные поры (например, через ионные каналы);

• перенос веществ с участием активных переносчиков (насосов);

• перенос веществ путем экзоцитоза (везикулярная секреция) и эндоцитоза (за счет инвагинации мембран).

Важнейшими движущими силами процесса мембранного транспорта являются пассивный и активный транспорт.

Пассивным транспортом называют перемещение веществ путем диффузии по электрохимическому, т. е. по электрическому и концентрационному, градиенту. Так перемещаются вещества, если их концентрация во внешней среде более высока, чем в клетке.

Активный транспорт – это трансмембранное перемещение веществ против электрохимического градиента с затратой метаболической энергии, как правило, в форме АТР. Примерами активного транспорта служат ионные насосы: Н+-АТРаза, Na +, К+-АТРаза, Са:+-АТРаза, анионная АТРаза.

Особую роль в плазмалемме и в тонопласте растительных клеток играет Н+-насос, создающий через эти мембраны электрический (Δψ) и химический (ΔрН) гра-диенты ионов Н + .

Электрический (мембранный) потенциал ионов Н+ может быть использован на транспорт катионов по электрическому градиенту против концентрационного. В свою очередь ΔрН служит энергетической основой для переноса через мембрану С1^- SO₄^2- и др. в симпорте с ионами Н + (т. е. в ту же сторону) или для выкачки излишнего Na⁺ в антипорте с Н+ (т. е. в противоположные стороны).

В плазмалемме обнаружены белки-переносчики сахаров, аминокислот, которые приобретают высокое сродство к субстрату только в условиях протонирования. Поэтому когда Н⁺-насос начинает работать и на наружной поверхности плазмалеммы увеличивается концентрация ионов Н⁺, то эти белки-переносчики протонируются и связывают сахара (аминокислоты). При переносе молекул сахара на внутреннюю сторону мембраны, где ионов Н+ очень мало, Н+ и сахара освобождаются, причем сахара поступают в цитоплазму, а ионы Н+ снова выкачиваются из клетки Н⁺-насосом.

Точно так же в симпорте с ионами Н+ в клетку могут поступать и анионы. Кроме того, анионы слабых органических кислот при понижении рН на поверхности плазмалеммы могут проникать через мембрану в виде незаряженных молекул (если они растворимы в липидной фазе), так как с повышением кислотности снижается их диссоциация.

Na+, К+-насос характерен для животных клеток, однако у видов растений, оби-тающих на засоленных почвах, может функционировать и Na+, К+-насос.

Роль вакуоли. Пиноцитоз

На перенос поглощенных ионов и молекул оказывает влияние активное движение цитоплазматических мембран клетки. Поглощение крупных органических молекул и капелек растворов может осуществляться с помощью механизма пиноцитоза, при котором на плазматической мембране клетки появляются короткие, тонкие выросты, окружающие молекулу или капельку жидкости. Этот участок плазматической мембраны впячивается и затем отшнуровывается в виде пузырька внутрь протопласта. В электронном микроскопе прослежено формирование пиноцитозных пузырьков диаметром 0,07-0,1 мкм.

Существенную роль в симпластическом транспорте веществ играют вакуоли. В определенной степени они конкурируют с сосудами ксилемы за поглощенные вещества и таким образом могут выполнять роль регулятора поступления веществ в сосуды. Этот процесс зависит от степени насыщения вакуолярного сока растворенными веществами. При снижении концентрации веществ в цитоплазме они могут вновь выходить из вакуолей, представляя, таким образом, запасной фонд питательных веществ. Поглощение ионов вакуолями снижает концентрацию их в симпласте и обеспечивает создание градиента концентрации, необходимого для транс-порта их по симпласту. Поступление ионов в вакуоли может происходить против градиента концентрации и против электрохимического градиента, т. е. за счет активных процессов мембранного транспорта.