Fiziologia_rasteny

ды). Углеводные компоненты этих соединений в основном нейтральные сахара, гексозоамины и сиаловые кислоты.

Чрезвычайно важным структурным компонентом биологиче- ских мембран является вода, составляющая примерно 30 % от сухого веса мембраны. Вода в мембранах находится в связанном с белковыми и липидными молекулами состоянии.

Ведущую роль в удержании белков и липидов в составе биологических мембран играют нековалентные физико-химические связи. И хотя они значительно слабее ковалентных, им удается обеспечить исключительные свойства мембран и, прежде всего, их высокую механическую прочность и упругость.

Âсостав мембран входят и неорганические вещества, среди которых большую структурную роль играют ионы Са2 è Mg2 .

Первые факты в исследовании собственно мембран были полу- чены Э. Гортером и Ф. Гренделом в 1925 г. при работе с липидами, экстрагированными из эритроцитов. Они показали, что площадь, которую покрывают эти липиды, примерно вдвое превышает площадь поверхности этих клеток. Таким образом, количество липидов в клетке достаточно для образования двойного слоя в мембране. Кроме того, и проникновение молекул через мембрану зависит от относительной растворимости в липидах.

Все эти факты привели к представлению о двойном липидном слое, образующем основу биологической мембраны. С другой стороны, отмечалось более низкое поверхностное натяжение клеточ- ных мембран по сравнению с липидными каплями. Поэтому Дж. Даниели и Х. Давсон в 1931 г. предложили модель мембраны, в которой гидрофильные участки липидных молекул на поверхности бимолекулярного липидного слоя связаны водородными связями с глобулярным белком.

Как предположили Даниели и Давсон, двойной липидный слой с белком, адсорбированным на обеих его сторонах, должен иметь толщину примерно 7—8 нм, толщина собственно липидного слоя должна составить около 4 нм.

На основании липидной теории трудно объяснить известные факты о проницаемости мембран для воды. Молекулы воды — гидрофильные частицы, проникают через мембрану крайне легко. Поэтому модель мембраны Даниели — Давсона была исправлена путем добавления наполненных водой пор, выложенных белковым слоем.

Âнастоящее время мембрану представляют как жидкокристаллическую структуру мозаичного строения (рис. 1.7).

32

Ðèñ. 1.7. Схема строения элементарной клеточной мембраны:

1 — периферические белки; 2 — глобулы интегральных белков;

3 — двойной липидный слой; 4 — липидная мицелла;

5 — молекулы неполярных липидов

Главное свойство липидного бислоя — текучесть. Липидный бислой представляет собой жидкость, в которой отдельные молекулы без труда меняются местами со своими соседями в пределах одного монослоя. В бислое молекула липида остается в среднем не более чем 10–7 с. Иногда молекула может переходить из одного монослоя в другой. Такой переход получил название «флипфлоп». Одновременно молекулы липидов вращаются вокруг своих продольных осей, а их углеводородные «хвосты» колеблются, при этом наибольшие колебания наблюдаются у центра бислоя, а наименьшие — около «головки» молекулы.

Текучесть липидного бислоя определяется его составом и имеет большое значение для выполнения мембранами своих функций. От текучести мембранных липидов зависит форма глобулы и, следовательно, активность мембранных ферментов.

Мембранные белки также подвижны. Они способны вращаться вокруг своей оси; многие из них могут свободно плавать в липидном бислое. Расположение белковых молекул в мембране и степень их погружения в липидный бислой зависит от числа гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности глобулы и может изменяться. Это определяется слабыми связями третичной структуры, которые под действием любого фактора могут разо-

33

рваться. В этом случае на поверхность глобулы могут выйти гидрофильные радикалы, а гидрофобные — уйти внутрь глобулы, или наоборот. Перераспределение гидрофильных и гидрофобных групп на поверхности белковой молекулы вызовет изменение ее расположения в бислое липидов, поскольку известно, что гидрофильные и гидрофобные группы атомов отталкиваются. На расположение глобул влияют и электрические заряды.

Молекулы мембраны непрерывно и быстро обмениваются на соответствующие молекулы из окружающей среды. В мембрану входят и новые молекулы. Следовательно, мембрана динамична.

Липидный бислой — структурная основа мембраны, а белковые молекулы выполняют большинство ее функций.

Один из авторов мозаичного строения мембраны считал, что мембрана представлена в виде липидного моря, в котором плавают белковые айсберги. Правда, вскоре выяснилось, что белковые айсберги не всегда плавают свободно, а могут быть заякорены за цитоплазматические структуры — микрофиламенты и микротрубочки.

Мембраны способны к самосборке. Как это происходит? Мы уже говорили, что молекулы липидов в воде образуют бислой. Белки встраиваются в этот бислой согласно своим свойствам, и образуется мембрана. Этот процесс был воспроизведен на бактериях. Самосборка мембран происходит постоянно: она сопровождает рост клетки; с ее помощью восстанавливаются разрушенные части мембраны.

На электронных микрофотографиях растительной клетки от- четливо видны две мембраны. Плазмалемма, окружающая весь протопласт, и тонопласт, окружающий вакуоль, состоят из двух слоев, между которыми виден светлый слой. Вакуолярную мембрану назвали тонопластом. Тщательное изучение микрофотографий показало, что наружный и внутренний слои имеют толщину около 2,5 нм, толщина среднего светлого слоя достигает 2,5—3,5 нм. За редким исключением, на всех электронных микрофотографиях тканевых срезов независимо от типов и функций клеток можно видеть одну и ту же структуру. Три слоя, которые видны на фотографиях, представляют собой составные части мембраны. Такую структуру Дж. Робертсон (1959) называл элементарной мембраной. Общая толщина плазмалеммы составляет 7,5 нм, а тонопласта несколько больше (около 8 нм). Транспортные процессы на тонопласте играют важную роль в осморегуляции, поддержании тургора в клетках.

34

Плазмалемма контролирует поглощение и секрецию веществ, участвует в формировании клеточной стенки, выполняет рецепторную и осмотическую функции, а также функцию механиче- ской защиты у клеток, лишенных клеточных стенок.

Âсоответствии с представлениями о динамичности мембран можно допустить, что все мембраны, за исключением мембран митохондрий и пластид, могут взаимопревращаться. Так, например, мембраны эндоплазматической сети могли бы давать начало плазмалемме и мембранам диктиосом, а последние в свою очередь — мембранам вакуолей, лизосом и плазмалемме.

С наружной плазматической мембраной генетически связана внутриклеточная система мембран, открытая в 1945 г. Дж. Паладе и названная Р. Портером эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), или эндоплазматической сетью (ЭС). ЭС образована элементарной мембраной и может выполнять разнообразные функции. Шероховатый ЭР осуществляет синтез, накопление и транспорт белков, а также участвует в процессах секреции белков (например, при росте клеточных стенок). Гладкий ЭР осуществляет синтез углеводов, липидов, терпеноидов и других веществ, участвует

âпроцессах детоксикации вредных для клетки соединений гидрофобной природы. Вместе с митохондриями ЭР — важный компонент окислительно-восстановительных систем клетки. ЭР может служить системой передачи раздражения внутри клетки, а также способствует объединению процессов обмена веществ в клетке в единое целое.

Âто время как ЭС образована элементарной мембраной, ядро окружено двойной мембраной, которую часто называют ядерной оболочкой. Одно из отличий этой мембраны в том, что она пронизана множеством пор, которые связаны с другими структурами и поэтому не представляют просто отверстия в оболочке ядра. Интересно, что расположение пор меняется на протяжении жизни клетки. В фазе роста они распределены беспорядочно по всей поверхности ядра, в отдельные фазы клеточного цикла собираются

âопределенных местах, а во время деления — исчезают вовсе. Ядерная мембрана, кроме защитной роли, выполняет функцию

обеспечения энергией процессов, происходящих внутри ядра, она, вероятно, служит также и передатчиком информации между ядром и остальной частью клеток.

Митохондрии и хлоропласты, подобно ядру, как уже отмеча- лось, окружены двойной мембраной, внутренний слой которой имеет весьма сложное строение. Целый ряд данных свидетельст-

35

вует о том, что по составу растворенных веществ содержимое митохондрий и хлоропластов сильно отличается от цитоплазмы, а мембраны этих органелл — от плазмалеммы, как по своей проницаемости, так и по транспортным свойствам.

Мембраны хлоропластов и наружные мембраны митохондрий обнаруживают на поперечных срезах обычное строение: видна трехслойная структура толщиной около 7,5 нм.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема для сахарозы, небольших анионов и катионов, адениннуклеотидов и многих других соединений в противоположность значительно менее проницаемой внутренней митохондриальной мембране. Внутренняя мембрана митохондрий, напротив, существенно отличается от этой универсальной модели. Внутренняя мембрана образует впячивание, в результате чего возникают митохондриальные кристы (см. рис. 1.5), в которые «вмонтированы» ферменты, ответственные за перенос электронов и сопутствующее образование АТФ. В частности, система внутренних мембран содержит различные дегидрогеназы, АТФазу, цитохромы à, à3, b è ñ. Белки расположены в мембранах органелл и обладают, хотя бы частич- но, глобулярной структурой.

В вязком пространстве между внутренними мембранами митохондрий, называемом матриксом, локализованы ферменты цикла лимонной кислоты (цикл Кребса) и другие. Чтобы подвергнуться катаболическим превращениям в цикле Кребса, субстраты должны пересечь две мембраны на пути из цитоплазмы во внутреннее пространство митохондрий. Часто ограничивающей стадией окисления этих субстратов является скорость их поступления в митохондриальный матрикс. Поскольку внутренняя мембрана непроницаема для большинства молекул, поступление различных веществ в матрикс объясняют транспортировкой с помощью «переносчиков». Эти переносчики переносят субстраты из пространства между внутренней и наружной мембранами в матрикс. Благодаря наличию внутренней мембраны ионы и субстраты не могут уйти из митохондриального матрикса; следовательно, такие барьеры проницаемости между различными внутриклеточными отсеками повышают общую эффективность работы клетки.

Внутренняя мембрана хлоропластов также образует впячивание, в результате возникает сложная внутренняя система тилакоидов (см. рис. 1.6). Мембраны тилакоидов хлоропластов содержат 52 % липидов и 48 % белка. По-видимому, значительная часть хлорофилла и других фотосинтетических пигментов связа-

36

на с белками и липидами мембран гидрофобными взаимодействиями. В мембранах тилакоидов хлоропластов локализованы также ферменты и другие компоненты, участвующие в переносе электронов в процессе фотосинтеза. Толщина этих мембран составляет около 10 нм.

Организация тилакоидных мембран внутри хлоропласта варьирует в зависимости от вида.

Разные вещества проходят через мембрану с разной скоростью, поэтому мы говорим, что мембраны избирательно проницаемы. При этом скорость прохождения веществ меняется в зависимости от физиологического состояния клетки или органеллы. Благодаря избирательной проницаемости они регулируют транспорт веществ между наружной средой и клеткой, между органеллами и цитоплазмой и т. д.

Регулируя поступление веществ в клетку и их выведение из нее, мембраны тем самым регулируют скорость и направление биохимических реакций, которые составляют основу обмена веществ организма. Сама избирательная проницаемость мембран зависит от обмена веществ в клетке.

Мембраны регулируют обмен веществ и другим способом — изменяя активность ферментов. Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране, другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать только после того, как мембрана выпустит их на «свободу». Изменение проницаемости мембраны способствует контакту фермента с субстратом, после чего начинается химическая реакция, которая сначала была невозможна.

Мембранные ферменты работают хорошо только тогда, когда находятся в контакте с липидами. В присутствии липидов может меняться форма молекул мембранных белков — ферментов, таким образом, что их активные центры становятся доступны для субстрата. Кроме того, локализация фермента на мембране определяет место данной реакции в клетке.

Другой важной стороной ферментативной деятельности мембран является координация химических реакций, проходящих в клетках. Когда несколько ферментов катализируют цепь реакций, в которой продукт первой реакции служит субстратом для другой и т. д., то эти ферменты располагаются на мембране в определенной последовательности, образуя мультиферментную систему. Таких систем в мембране много, например цепь дыхательных ферментов. В этом случае ферменты располагаются в строгой последовательности с минимальным расстоянием между ними.

37

Компартментализация клетки — необходимое условие для жизнедеятельности и одна из основных функций мембран. Во-пер- вых, мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на которой локализованы ферменты и проходят химические реакции. Во-вторых, разные компартменты отличаются по химическому составу. Далее, поскольку компартменты имеют различный химиче- ский состав, в них проходят разные биохимические реакции, то с помощью мембран осуществляется физическое разделение метаболических процессов, часто противоположного направления. Например, синтез белков идет в рибосомах, а распад — в лизосомах. Каждый из этих процессов регулируется независимо один от другого. Приведем пример: синтез жирных кислот и их окисление. Первый процесс происходит в цитоплазме, второй — в митохондриях.

Однако метаболические системы не полностью изолированы одна от другой. В мембранах, разделяющих клетку на компартменты, действуют специализированные механизмы, транспортирующие из одного в другой субстраты, продукты реакции, а также кофакторы и соединения, имеющие регуляторное действие. Таким образом, скорость отдельных метаболических процессов, происходящих внутри компартментов, частично регулируется транспортными системами мембран.

Регуляция скорости метаболических процессов может происходить благодаря перемещению регулируемых веществ из одного компартмента в другой.

В разных компартментах имеются разные концентрации органических веществ, ионов, разный химический состав. Например, в вакуолях всегда находится запас аминокислот, органических кислот, сахаров, ионов. Это приводит к химической гетерогенности в клетке. Неодинаковая концентрация ионов по обеим сторонам мембраны приводит к возникновению разности электриче- ских потенциалов. Так, плазмалемма несет отрицательный заряд, а тонопласт — положительный. Разные концентрации и химиче- ский состав обусловливают разную вязкость в разных частях цитоплазмы.

Обладая избирательной проницаемостью, пропуская в клетку необходимые вещества, мембраны выполняют еще одну функцию — регуляцию гомеостаза. Гомеостазом называют свойство клетки (органеллы, органа, организма, экосистемы) поддерживать постоянство своей внутренней среды.

Почему внутренняя среда клетки должна оставаться постоянной? Мембранные белки и белки-ферменты относятся к глобуляр-

38

ным. Глобулярная нативная структура белковых молекул зависит от слабых связей, легко разрушаемых даже при малом изменении внутренней среды клетки. Таким образом, клетка должна поддерживать гомеостаз, чтобы не изменялась нативная структура белков. Если изменится третичная или четвертичная структура белка, то и фермент потеряет или изменит свою активность, и нарушится строгое соответствие структуры фермента и субстрата, чтобы пошла реакция.

От структуры белковой молекулы зависит ее размещение в мембране, и, таким образом, ее свойства и функции. Изменение конформации белковых молекул может менять количество гидрофобных и гидрофильных радикалов на ее поверхности. Это приводит к изменению расположения белковых глобул в мембране. Последнее влияет на ее избирательную способность и другие свойства, что в свою очередь нарушит гетерогенность, вызовет исчезновение ферментов и может даже привести к гибели клетки.

Мембраны участвуют в адаптации клетки к меняющимся условиям окружающей среды, о чем поговорим ниже.

Большая часть мембран, кроме общих функций, таких как регулирование обмена веществ, компартментизация, выполняют и специальные. Например, мембраны митохондрий и хлоропластов принимают непосредственное участие в синтезе АТФ. Жизнь — это беспрерывная работа, для выполнения которой все время необходимо расходовать энергию.

Таким образом, синтез АТФ необходим постоянно, он связан со строго определенной структурой мембран органелл (хлоропласты, митохондрии). Нарушение этой структуры приводит к снижению синтеза АТФ, а это значит — к смерти.

Лабильная структура мембран позволяет им выполнять разные функции: барьерные, транспортные, осмотические, электри- ческие, структурные, энергетические, биосинтетические, секреторные, рецепторно-регуляторные и некоторые другие.

В последнее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что некоторые мембраны образуются путем физического переноса мембранного материала от одних клеточ- ных компонентов к другим. Есть данные, позволяющие считать ЭС источником тех строительных блоков, которые в конечном итоге включаются в плазмалемму. Возможно, это происходит в результате отшнуровывания пузырьков от цистерн Гольджи. По всей вероятности, в аппарате Гольджи совершается перестройка мембран двух типов: мембран, характерных для ЭС, в мембраны, свойственные плазмалемме.

39

В заключение укажем на основные свойства мембран:

1.Мембраны являются сложными структурами. Они состоят из структурных белков и липидов, но могут также включать высокоспецифические молекулы ферментов, пигментов и кофакторов.

2.Благодаря химической вариабильности составляющих мембраны молекул белков и липидов и в зависимости от их функций, различные мембраны могут иметь разную структуру.

3.Структура мембран обеспечивает высокую степень упорядо- ченности, в которой специфические молекулы могут образовывать комплексные функциональные единицы.

4.Ферментные реакции и другие процессы в мембранах могут приводить к пространственно направленным, или векторным, реакциям; мембраны асимметричны.

1.3. Физико,химические свойства цитоплазмы

Основные классы веществ цитоплазмы легко определяются. Воду, белки, липиды, соли и углеводы легко идентифицировать с помощью соответствующих методик. В небольших количествах в цитоплазме содержатся также и многие группы соединений, как органические, так и неорганические.

Как уже указывалось, вода составляет самую значительную часть цитоплазмы, но основные признаки строения и свойства цитоплазмы определяются белком. Липиды играют важную роль в мембранах всех видов, а 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 поэтому образует 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 и многие другие элементы. Как уже отмечалось,

40

характерная структура цитоплазмы определяется белками; молекулярный вес этих веществ очень высок — от 13 тыс. до многих миллионов дальтон. 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.

Впоследствии была принята коллоидная теория. Крупные мо- лекулы-белки и в меньшей мере РПК образуют коллоидные растворы 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 è Ca2 , которые в клетке содержатся в излишке.

Двухвалентные катионы притягиваются сильнее, 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 , притягиваются 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 ее гидратную оболочку и остается на некотором расстоянии от отрицательно зараженной поверхности (рис. 1.8).

Переходы гель-золь, вызываемые ионами металлов, играют важную роль во многих жизненных процессах клетки.

Сегодня цитоплазму уже не рассматривают только как коллоидный раствор, так как она имеет более сложные свойства. Так, для цитоплазмы характерна эластичность, некоторое сжатие и значи- тельная вязкость (вязкость цитоплазмы можно измерять по скорости перемещения структурных элементов под микроскопом,

41