46. Кинетика процессов поглощения ионов. Участие мембранных структур клетки в поглощении и компартментации ионов.

При исследовании кинетики поступления ионов можно разделить транспорт по клеточным компартментам: клеточная оболочка, плазмалемма и т. д. Экспериментально это можно сделать перенося клетки или ткани из немеченного раствора в меченный и изучая кинетику поступления веществ. Движение в клеточной оболочке определяется шириной микрофибриллярного и межмицеллярного пространства, характером и концентрацией фиксированных ионных зарядов.

При изучении кинетики поступления (поглощения) резко выявляются две кинетически разные фазы. Первая – очень быстрая, с периодом полунасыщения (t1/2) около нескольких минут. Другая – медленная, которая наблюдается на протяжении нескольких часов с постоянной скоростью. Быструю первую фазу можно выявить и при изучении кинетики вымывания радиоактивных частиц из ткани. Ингибиторы блокируют только медленную фазу, которая, скорее всего, и контролируется живой цитоплазмой.

В первой фазе поступление растворенных веществ, вероятно, происходит очень быстро независимо от мембранного барьера; это свидетельствует о том, что определенная часть клетки или ткани легко доступна для движения частиц  растворенных веществ. Поэтому такое поступление было названо поступлением в кажущееся свободное пространство (КСП).

Можно считать, что транспорт в КСП является пассивным процессом, обусловленным исключительно физическими движущими силами. Объем КСП составляет от 8 до 15 % общего объема ткани.

Для заряженных частиц КСП включает две составляющие, поскольку часть ионов, свободно находящихся в растворе, занимает пространство в клеточных оболочках, а часть связывается фиксированными заряженными местами в клеточной оболочке. В соответствии с этим выделяют водное свободное пространство (ВСП) и донноновское свободное пространство (ДСП):

КСП = ВСП + ДСП

Величина ДСП зависит от природы и плотности фиксированных зарядов в клеточной стенке. Например, в тканях столовой свеклы величина ДСП составляет 2 % от общего объема ткани. КСП ограничено только клеточными оболочками. В последние годы появился термин апопласт, более подходящий, чем КСП. Апопласт – пространство, находящиеся снаружи плазмалеммы, включает пространство клеточных стенок, а для многоклеточного организма, и  межклеточные пространства.

При изучении действия низких концентраций катионов в наружной среде на скорость поступления было отмечено, что при увеличении концентрации ионов (на примере K+) в среде поступление ионов в ткань растений достигает насыщения или максимальной скорости при концентрации 0,5–1,0 мМ. Тип поступления в этой области (до 1 мМ) получил название поглощения системой I (низкая константа сродства 0,02–0,03 мМ, т. е. высокое сродство системы к ионам, которые перемещаются через мембрану). Поступление ионов при низких концентрациях в окружающей среде подавляется низкими температурами, динитрофенолом и др. ингибиторами. Это свидетельствует о том, что поступление в диапазоне концентраций, в которых действует система I, связано с активным транспортом (расходом энергии метаболизма).

Но растительные ткани все же не достигают насыщения в диапазоне концентраций свыше 1 мМ. Если значительно повышать концентрацию, то поток будет увеличиваться и, в конце концов, может достичь величины, во много раз превышающей максимальные величины системы I.

При этих высоких концентрациях скорость поглощения начинает медленно снижаться, наблюдается только некоторая тенденция к насыщению, обычно при концентрациях > 50 мМ. Из анализа полученных данных сделан вывод, что транспорт ионов в диапазоне концентраций, в которых действует система II, не зависит от метаболизма и возможно является пассивным.

Считают, что система I переноса ионов, находится в плазмалемме. Что касается локализации системы II, то по этому вопросу существуют две точки зрения. Эпстейн считает, что система I и II локализованы в плазмалемме, а К. Тори и Г. Летис считают, что система II локализована на тонопласте.

Но скорость поглощения зависит не только от концентрации вещества во внешней среде, но и от времени. Кривую, которая описывает зависимость между внешней концентрацией и скоростью поступления, называют изотермой поглощения, поскольку ее получают при постоянной температуре и разных концентрациях. Анализ полученных результатов показал, что процесс поступления можно описать в рамках уравнения Михаэлиса – Ментен при концентрациях вещества в среде до 1 мм.

На перенос поглощенных ионов и молекул оказывает влияние активное движение цитоплазматических мембран клетки. Поглощение ионов, органических молекул и капелек растворов может осуществляться с помощью механизма пиноцитоза. Процесс пиноцитоза постоянно осуществляют все эукариотическме клетки, в том числе и клетки растений. В процессе пиноцитоза можно выделить 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.

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 поступившие в цитоплазму катионы и анионы. В процессе аккумуляции ионов в органоидах и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт, который осуществляется, по-видимому, по каналам ЭПР.

В вакуоль попадают ионы в случае, если цитоплазма уже насыщена ими. Ионы, чтобы попасть в вакуоль, преодолевают еще один барьер – тонопласт. Особенности транспорта веществ через тонопласт:

– в тонопласте механизм переноса ионов действует при более высоких концентрациях, чем в плазмалемме (цитоплазма уже насыщена данным ионом);

– перенос ионов совершается также с помощью переносчиков и 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;

– тонопласт имеет вторую протонную помпу, связанную с Н+-пирофосфатазой. Источником энергии для потока протонов является гидролиз неорганического пирофосфата;

– в тонопласте имеются транспортные белки, которые позволяют проникать в вакуоль большим органическим молекулам непосредственно за счет энергии гидролиза АТФ.

Поступившие в вакуоль вещества обеспечивают осмотические свойства клетки.