юрин физиология растений

Коэффициент проницаемости легко определяется из выражения

dS	PÀ(Ñ í Ñ â).	(5.7)
dt

Как мы уже отмечали, вещество в растворе диффундирует из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Движущей силой такой диффузии служит разность химических потенциалов данного вещества в этих двух областях. Химический потенциал i есть функция концентрации (точнее, активности) i-èîíà

i *i RTlnCi,

(5.8)

ãäå *i — химический потенциал в стандартных условиях; R — ãà-

зовая постоянная; Ò — абсолютная температура; Ñi — концентрация i-èîíà.

Все это соответствует ситуации, когда вещество незаряжено. Так как все ионы заряжены, скорость диффузии и распределение в равновесном состоянии определяется не только свойствами мембраны и разницей в концентрациях ионов по обеим сторонам мембраны (химический потенциал), но и разностью электрического потенциала на мембране. Поэтому движение ионов обусловлено градиентом электрохимического потенциала.

Обычно мембрана на внутренней стороне отрицательно заряжена по отношению к наружной поверхности. Это приводит к преимущественному поступлению катионов по сравнению с анионами. В этом случае физической движущей силой будет электрохимический потенциал i, в величину которого вносят свой вклад

химический и электрический потенциалы:
i *i RTlnCi ZiF ,	(5.9)

ãäå *i — электрохимический потенциал i-иона в стандартных ус-

ловиях; Zi — валентность i-èîíà; F — число Фарадея; — электрический потенциал.

В реальных условиях описания процесса диффузии ионов в клетку нас интересует разность электрохимических потенциалов ( ) по обеим сторонам мембраны, т. е. i iâ íi . Используя

уравнение (5.9), запишем
			(RTlnC â	Z Fâ) (RTlnC í		Z Fí )
		i
			i	i	i	i
			ZiF RTln(Cií /Ñiâ).				(5.10)

272

В случае равновесного состояния, когда электрохимический потенциал i-иона одинаков по обе стороны мембраны, т. е. iâ ií , получаем

	RT	ln(Cií /Ciâ).	(5.11)
	ZiF

Разность потенциалов в состоянии равновесия (5.11) получила название потенциала Нернста.

Чем больше разность потенциалов на мембране, тем сильнее обозначена тенденция прохождения катиона по сравнению с анионом. В конечном итоге действие градиента концентрации нейтрализуется градиентом электрического потенциала. Таким образом, мембранный потенциал играет важную роль в прохождении ионов через мембрану.

Вывод: если даже концентрация i-иона в клетке выше, чем в окружающей среде, это не означает, что на его поступление требуется затрата энергии, процесс может быть и пассивным.

Для многих растительных клеток подавляющая часть пассивного потока ионов складывается главным образом из перемещения трех ионов: K , Na и Cl–. При условии электронейтральности: ФK ÔNa – ÔCl 0. Подставив в это соотношение соответствующие выражения для разных Фi, можно получить уравнение Гольдмана для диффузионного потенциала ( ì)

		RT			P C í	P C í		P C â
	ì			ln	K K	Na	Na		Cl	Cl
		F			ÐK ÑKâ ÐNa ÑNaâ			ÐCl ÑClí
					ÑKí ÑNaí		ÑClâ				(5.12)
									,
					ÑKâ ÑNaâ		ÑClí

ãäå ÐNa/PK, PCl/PK.

Уравнение Гольдмана выражает разность электрических потенциалов, возникающих по причине разных тенденций K , Na и Cl– диффундировать через мембрану в области более низкого электрохимического потенциала.

Основные допущения, сделанные при выводе уравнения Гольдмана:

постоянство электрического поля в мембране;

постоянство коэффициента активности в мембране;

коэффициент распределения одинаков по обеим сторонам мембраны.

273

Сравнение величины коэффициентов проницаемости плазмалеммы к ионам K , Na и Cl– показывает, что мембрана, главным образом, проницаема для ионов K :

ÐK : ÐNa : ÐCl 1,0 : 0,2 : 0,11 (харовые водоросли); РK : ÐNa : ÐCl 1,0 : 0,68 : 0,34 (колеоптили овса); РK : ÐNa : ÐCl 1,0 : 0,04 : 0,45 (аксон кальмара).

5.3. Системы пассивного транспорта

Ионные каналы

Для прохождения ионов пассивным путем через мембраны имеются специальные структуры, ионные каналы. Ионные каналы обеспечивают быстрый векторный перенос ионов по градиенту электрохимического потенциала. Важной особенностью транспорта через каналы является снижение энергетических затрат на трансмембранный перенос ионов. Например, для перемещения 1 моля ионов калия через липидный бислой растрачивается энергия около 250 кДж, а при наличии каналов (калиевых) в этом слое — около 20 кДж.

Что собой представляет ионный канал?

Ионные каналы формируются интегральными (обычно субъединичными) белками. Они пронизывают мембрану таким образом, что образуется гидрофильная пора. Канал — это белковая макромолекула, образующая пору через двухслойную липидную мембрану.

Схематически строение ионного канала можно представить следующим образом. Основные структурные элементы канала: устье — расширенная часть поры, которая находится по обеим сторонам мембраны; узкая часть поры — туннель (рис. 5.3).

В стенах туннеля с внутренней стороны размещены атомы кислорода.

Конформация канала меняется в ответ на физиологические раздражители, которыми могут быть электрическое поле, хими- ческие соединения (медиаторы и др.). Эти конформационные изменения обычно называют воротными. Открывая и закрывая канал, они обусловливают движение проникающих через мембрану ионов. Опыты показали, что ворота расположены ближе к внутренней стороне мембраны.

Механизмы, управляющие воротами, т. е. открытием и закрытием канала, получили название сенсоров. Сенсоры могут действовать под влиянием либо электрического поля на мембране, либо химических агентов (медиаторов).

274

Ðèñ. 5.3. Схема строения ионного канала

Одной из важнейших характеристик ионных каналов является селективность, обусловленная особенностью их строения: диаметром канала, природой и размещением заряженных групп. Большое значение при этом имеют заряды, локализованные непосредственно у входа в канал, где они выполняют функцию селективного фильтра.

Открытая пора дает возможность ионам проходить через мембрану в водном окружении. При этом ион преодолевает ряд энергетических барьеров, задерживаясь в местах связывания на различные промежутки времени. Подобно ферментам, каналы выполняют роль катализаторов, селективно увеличивая скорость движения ионов на много порядков в сравнении с движением без катализаторов.

Наибольшим лимитирующим энергетическим барьером является «селективный фильтр». Этот фильтр такой узкий, что ионы должны частично дегидратироваться.

Каким образом происходит дегидратирование ионов в канале? Внутренняя часть канала содержит атомы кислорода. От характера взаимодействия гидратной оболочки иона со стенками поры, содержащими атомы О2, зависит перенос иона через мембрану. Ионы, величина которых больше диаметра поры, не проходят по стерическим эффектам. Ионы, величина которых значительно меньше диаметра поры, не проходят (или плохо проходят) из-за того, что недостаточно эффективно взаимодействуют с атомами кислорода. Когда ион связывается не со всеми атомами О2 (Î2 не может подойти из-за упругости стенок), то его потенциальная энергия выше, чем в воде, и ион не может пройти через канал. И толь-

275

ко тот ион, который эффективно взаимодействует с атомами О2 (последний как бы занимает место воды вокруг иона), хорошо проходит через пору соответствующего диаметра (рис. 5.4).

Ðèñ. 5.4. Схематическое изображение ионов K и Na в воде и в калиевом канале соответственно

Таким образом, в канале есть узкий туннель с селективным фильтром вблизи наружной стороны мембраны, воротное устройство вблизи внутренней стороны. Сенсор, расположенный в липидном бислое, управляет воротами под действием внутримембранного поля или хемомедиаторов. Более широкая часть канала — устье — расположена с двух сторон мембраны и способствует большим по диаметру ионам блокировать прохождение основных ионов.

На мембране существует небольшой поверхностный заряд (отрицательный), обусловливающий образование двойного (неперемешивающего) слоя. Этот слой может быть очень значительным по своим размерам и влияет на движение ионов через мембрану (одна из причин, почему неизвестна величина õ).

В настоящее время на мембранах растительных клеток идентифицировано несколько видов ионных каналов. В частности, это Са2 —Na -канал и K -каналы. Са2 —Na -канал идентифицирован в нестационарных условиях, т. е. при возбуждении клетки и возникновении ПД.

Повышенный интерес к кальциевым каналам связан с особой ролью Са2 как вторичного посредника во многих функционально важных процессах. Са2 —Na -канал плазмалеммы является потенциалзависимым, и для его функционирования необходимо, чтобы

276

внутри клетки находились Mg2 и АТФ; существует также цАМФзависимая регуляция функционального состояния Са2 —Na -ка- налов растительной клетки.

Что касается калиевых каналов, они изучены более детально. Выявлен ряд их свойств: механизм движения ионов в канале, потенциалзависимость, блокирование и т. д. Установлено, что калиевые каналы бывают двух типов: Д-каналы и Г-каналы. Д-каналы в обычных условиях активируются в интервале потенциалов от –80 до –100 мВ, а Г-каналы — от –100 мВ и ниже. Ряд проницаемости качественно одинаков для обоих видов K -каналов:

K Rb NH 4 Na Li Cs ,

K Mg2 Sr2 Ca2 Cd2 Ba2 .

В настоящее время детализированы разные типы калиевых каналов. Известно достаточное количество небольших гидрофобных молекул, повышающих проницаемость мембран к ионам (ионофоры). Существует два вида ионофоров — каналообразующие ионофоры (каналоформеры) и подвижные переносчики. Пример каналообразующего ионофора — грамицидин А — линейный пептид, состоящий из 15 аминокислот. Вероятно, в липидном бислое две молекулы грамицидина объединяются и образуют трансмембранный канал, позволяющий моновалентным катионам передвигаться по электрохимическим градиентам.

Кроме катионных каналов на плазматических мембранах растительных клеток идентифицированы и анионные каналы. В плазмалемме и тонопласте харовых водорослей и клетках высших растений присутствуют анионные каналы, активируемые сдвигом потенциала в сторону гиперполяризации и повышением уровня Са2 . Есть и анионные каналы, активирующиеся при деполяризации мембраны. В замыкающих клетках устьиц эти каналы открываются, например, при мембранном потенциале от –80 до –20 мВ и являются также Са2 -зависимыми. У высших растений на тонопласте обнаружены медленные и быстрые вакуолярные каналы. Для анионных каналов первого типа характерна высокая проницаемость к катионам, что объясняется совместным передвижением аниона с катионом, поскольку селективный фильтр канала, как считают, представлен анионной группой.

Второй тип анионных каналов более специфичен по отношению к анионам по сравнению с катионами и лучше проницаем для нитрата, чем для хлорида. На открывание и закрывание ион-

277

ных каналов влияют изменения мембранного потенциала, ионы Са2 , механические воздействия, фосфорилирование и дефосфорилирование белков каналов.

Система облегченного транспорта (переносчики)

О возможности молекул-переносчиков принимать участие в процессе транспорта веществ через мембраны растительных клеток было высказано впервые В. Остерхаутом в 30-х гг. ХХ в. В настоящее время концепция переносчиков широко используется для интерпретации экспериментальных результатов.

Процесс передвижения переносчика с ионом и самого перенос- чика с одной стороны мембраны на другую, который проходит без затраты энергии по законам диффузии, называют облегченной диффузией.

Ðèñ. 5.5. Схема функционирования подвижного (à)

èфиксированного (á) переносчиков:

í.— наружная сторона; в. — внутренняя сторона

Облегченная и простая диффузия отличаются одна от другой по меньшей мере тремя критериями:

1.Ионный поток при простой диффузии пропорционален концентрации иона с той стороны мембраны, откуда начинается его движение. При облегченной диффузии мы видим отклонение от линейности: зависимость скорости транспорта (потока) от концентрации имеет выход на плато, т. е. происходит насыщение (рис. 5.6). Это связано с тем, что количество переносчиков в мембране ограничено, поэтому в какой-то момент все переносчики оказываются заполненными переносимыми ионами.

2.Переносчики, функционирующие по механизму облегченной диффузии, владеют, как правило, выраженной специфичностью — селективно транспортируют одни ионы и не взаимодействуют с другими (рис. 5.5).

278

Ðèñ. 5.6. Соотношение между внешней концентрацией вещества

èскоростью поступления в клетку в рамках кинетики Михаэлиса — Ментен

3.Облегченная диффузия чувствительна к ингибиторам — веществам, способным избирательно инактивировать переносчик.

Процесс поступления ионов в клетку с помощью перенос- чиков описывается в рамках кинетики Михаэлиса — Ментен (см. рис. 5.6).

Скорость поступления (Фâíi ) иона в клетку пропорциональна наружной концентрации этого иона в интервале низких ее значе- ний, а затем снижается по мере роста Ñií и в конце концов при-

ближается к максимуму (насыщение). В этом случае поток записывается в виде

Ôiâ	Ñií	Ôiâmax	,			(5.13)
	Ki	Cií
ãäå Ki — константа Михаэлиса; Ki Cií				ïðè	1	Ôiâmax.
				2

Константа Ki характеризует сродство переносчика к переносимому иону. Чем ниже Ki, тем больше сродство, т. е. ион лучше связывается с молекулой переносчика.

В качестве примера облегченной диффузии часто приводят функционирование высокоселективного ионофора валиномицина — подвижного переносчика K (рис. 5.7).

Валиномицин — антибиотик депсипептидной природы. Молекула валиномицина построена из трех идентичных фрагментов, в

279

Ðèñ. 5.7. Схема строения молекулы валиномицина

каждый из которых входит остаток D-валина, L-лактата, L-âà- ëèíà è D-гидроксиизовалериановой кислоты. Эти остатки формируют в центре молекулы отрицательно заряженную гидрофильную полость.

Наружная часть молекулы гидрофобна. Стерически внутренняя часть молекулы валиномицина точно соответствует дегидратированному иону K . При образовании комплекса «K — валиномицин» происходит нейтрализация внутримолекулярных зарядов ионофора положительным зарядом K , комплекс становится более гидрофобным и поэтому легко проходит через мембрану, транспортируя ион K .

5.4. Активный транспорт

При активном транспорте энергия, выделяемая в процессе метаболизма, участвует в переносе веществ через мембрану в направлении возрастания энергии. Таким образом, активный перенос ионов — это перемещение против градиента электрохимиче- ского потенциала с затратой энергии. Сама по себе разница в

280

электрохимическом потенциале по обеим сторонам мембраны не предполагает обязательного участия активного транспорта. Когда растворенное вещество не проникает через мембрану, оно не может находиться в состоянии равновесия по обе стороны мембраны и электрохимический градиент может быть не одинаков с обеих

ååсторон.

Âнастоящее время выделяют два типа активного транспорта веществ — первичный и вторичный.

1. Первичный активный транспорт — трансмембранный векторный перенос иона происходит непосредственно в ходе энергетического превращения в АТФазных системах или ЭТЦ (используется или энергия АТФ, или ОВ-реакций):

а) электронейтральный активный транспорт — первичный активный трансмембранный перенос ионов во время АТФазной или ОВ реакций, которые сопровождаются генерацией электрического потенциала;

б) электронейтральный активный транспорт — первичный активный трансмембранный перенос ионов во время АТФазной или

ОВ реакций, который не сопровождается генерацией электриче- ского потенциала (например, Н /K -обмен при стехиометрии 1 : 1).

2. Вторичный активный транспорт происходит, когда в каче-

стве энергетического источника используются градиенты других ионов. Например, электрохимический градиент ионов Н используется для сопряженного транспорта анионов, сахаров, амино-

кислот и т. д. (симпорт или котранспорт) или, напротив, для вывода ионов Na из клетки (антипорт).

Каждая из названных систем может функционировать при определенных условиях в качестве переносящего ион механизма.

АТФазные помпы

Активная секреция протонов из клеток корневой системы — фундаментальный процесс, важный для всех трансмембранных потоков в растениях. Ацидофицирующая активность (подкисление среды) растений известна давно: исследования, касающиеся способности растений сдвигать рН питательного раствора в кислую сторону, относятся к 20—40 гг. прошлого века, когда в практику начали внедряться стеклянные рН-электроды и методы ионометрии. Одна из первых в этом направлении — работа Д. А. Сабинина, изданная в 1927 г., в которой он подчеркивал практическую и теоретическую значимость сдвига реакции среды под воздействием корневых систем растений.

281