48. Корневая система как орган потребления воды. Корневое давление: значение, механизм и методы определения.

Вода поглощается за счет осмотических сил, перемещаясь от участков с высоким водным потенциалом почвы к участкам с более низким водным потенциалом корня. В транспорте воды может также участвовать и микориза, особенно в старых частях корня. При недостатке воды рост корня ориентирован по градиенту влажности, а не силы тяжести. При этом происходит резкое возрастание поглощающей поверхности за счет увеличения количества корневых волосков. Строение корня. Эпидерма корня (ризодерма) представляет собой однослойную ткань, покрывающую корень снаружи. У одних видов растений эпидермальные клетки делятся на трихобласты, которые образуют корневые волоски,  и атрихобласты, не способные к их формированию. У других видов каждая клетка ризодермы способна формировать корневой волосок.

Площадь корневой поверхности на один-два порядка превышает площадь надземной части растений. Эндодерма сформирована одним слоем клеток, каждая из которых содержит в клеточной стенке поясок Каспари — водонепроницаемый слой суберина и лигнина. Поэтому апопластный водный поток на уровне эндодермы прерывается. Эндодерма разделяет клетки коры и ткани центрального цилиндра.

Между эндодермой и эпидермой находится кора корня, состоящая из нескольких слоев паренхимных клеток. Между клетками коры имеются крупные межклетники, обеспечивающие хорошую аэрацию.

Центральный цилиндр (стела) включает проводящие ткани (ксилему и флоэму), паренхимные клетки и один (или несколько) слой клеток перицикла. Ткани, входящие в центральный цилиндр, отделены от клеток коры корня эндодермой. Перицикл представляет собой слой клеток, расположенный непосредственно под эндодермой. Из перицикла происходит образование боковых и придаточных корней, камбия и феллогена. Через клетки перицикла проходит радиальный поток воды, ионов и ассимилятов.

Радиальный транспорт воды в корне. Поглощение воды корнем из почвы возможно, если имеется градиент водного потенциала. От поверхности корня до сосудов ксилемы вода должна пройти клетки эпидермы, коры, эндодермы и перицикла. Радиальное передвижение воды в корне возможно двумя путями: через цитоплазму по плазмодесмам (симпластный поток) и по клеточным стенкам (апопластный поток). По апопласту вода диффундирует по градиенту водного потенциала в направлении эндодермы. При симпластном транспорте вначале вода и ионы поглощаются клетками эпидермиса или коры, а затем перемещаются от клетки к клетке по плазмодесмам до сосудов ксилемы. Апопластный транспорт воды гораздо быстрее, поскольку сопротивление клеточных стенок для воды намного ниже, чем у цитоплазмы. Однако апопластный поток воды и растворенных в ней ионов обрывается на уровне эндодермы из-за непроницаемых для него поясков Каспари. Поэтому на уровне эндодермы вода и ионы должны войти в клетку через мембрану и далее передвигаться уже симпластным путем. Клетки эндодермы не всегда непроницаемы для воды. Во-первых, в молодых растущих клетках пояски Каспари еще не сформированы. Во-вторых, эндодерма прерывается в участках корня, где происходит заложение боковых корней. Тем не менее массовый поток воды по апопласту через клетки эндодермы резко ограничен.

Корневое давление. В сосуды ксилемы вода поступает благодаря градиенту водного потенциала. Осмотически активными веществами в сосудах ксилемы служат минеральные вещества и некоторые метаболиты, выделяемые активными насосами в плазмалемме паренхимных клеток центрального цилиндра. Эти вещества создают осмотический потенциал (s). В результате этого процесса развивается гидростатическое (корневое) давление, обеспечивающее подъем раствора по сосудам ксилемы в надземную часть растения. Механизм, обеспечивающий подъем воды наверх за счет корневого давления, называют нижним концевым двигателем.

Примером работы нижнего концевого двигателя является плач растений. У деревьев весной на раневых поверхностях происходит выделение ксилемного эксудата. На этом явлении основан сбор березового сока. Еще одним доказательством является гуттация — процесс выделения капель жидкости на кончиках листьев через гидатоды при высокой влажности воздуха, когда транспирация затруднена. В таких условиях подъем воды осуществляется главным образом за счет корневого давления.

49. Основные положения хемиосмотической теории сопряжения Митчелла. Трансформация энергии на сопрягающих мембранах.

Основные постулаты:

1.      Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов и малых молекул (за исключением молекул воды);

2.   Дыхательная цепь работает как «насос», т.е. перекачивает протоны из матрикса в межмембранное пространство – движение 2 электронов от субстрата на кислород приводит к переносу 8-10 Н⁺ (протоны транспортируются через I, III и IV комплексы)

3.   Работа дыхательной цепи создает электрохимический градиент протонов (Н +), т.к. они свободно через внутреннюю митохондриальную мембрану вернуться в матрикс не могут и накапливаются в межмембранное пространство; Н⁺ – это промежуточная форма хранения энергии окисления субстратов;

4.   Энергию протонного градиента использует Н⁺ -АТФ- синтаза (V комплекс) для синтеза АТФ, когда через одну из ее субъединицу протоны возвращаются в матрикс;

5.   Существуют соединения – разъединители окислительного фосфорилирования, которые нарушают электрохимический градиент протонов и снижают эффективность работы Н⁺ АТФ-синтазы.

Протонная АТФ-синтаза – белок, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрии,  содержит две субъединицы:

·         Fo – протонный канал,  через этот канал протоны могут вернуться в матрикс;

·         F1 – фермент, использующий энергию, которая высвобождается при транспорте протонов через Fo для синтеза АТФ из АДФ и Фн.

П. Митчелл в своей теории теоретически отдал функцию сопряжения окисления и фосфорилирования именно Н⁺-АТФ-азу.

При транспорте протонов через Fo-субъединицу происходят конформационные изменения в активном центре F1-субъединицы, которые приводят к ее активации и соответственно синтеза АТФ и ее высвобождение. Молекулы АТФ транспортируются в цитозоль с помощью транслоказы.

Для синтеза молекулы АТФ, ее высвобождения и транспорта в цитозоль нужна энергия 4 протонов (40% этой энергии идет на синтез АТФ, 60% выделяется в виде тепла).

Согласно этой теории, перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается скачиванием протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в водную среду межмембранного пространства.

Компоненты дыхательной цепи, расположенные на внутренней мембране, образуют три петли, которые переносят через мембрану протоны, т.е. служат протонной помпой. С каждой парой электронов, передаваемых от субстрата к кислороду, эти три петли транспортируют из матрикса митохондрий шесть протонов (по новым данным, не менее 9).

Таким образом, энергия, которая выделяется при переносе электронов, затрачивается на перекачку ионов Н⁺ против градиента концентрации. Вследствие скачивания ионов Н⁺ с матрикса внутренняя сторона внутренней мембраны митохондрий становится электроотрицательной, а внешняя – электроположительной, то есть возникает градиент концентрации ионов водорода: меньше в матриксе и больше – во внешней водной фазе. Суммарный электрохимический протонный потенциал обозначается Н⁺. Он состоит из 2-х компонентов: Н = рН и V.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н⁺, а также ионов ОН, К⁺, Na⁺, СI-, но мембранный белок Fo АТФазы образует канал, по которому ионы Н⁺ возвращаются в матрикс по градиенту концентрации, свободная энергия, которая при этом выделяется, используется F1-компонентом АТФазы для синтеза АТФ из АДФ и Фн.

50. Основные пути диссимиляции углеводов в растительной клетке. Гликолиз локализуется в цитозоле и в хлоропластах. Этапы:  1 – подготовительный (фосфорилирование гексозы и образование двух фосфотриоз); 2 – первое окислительное субстратное фосфорилирование; 3 – второе внутримолекулярное окислительное субстратное фосфорилирование.

В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокина зой, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат, он вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата под действием фосфофруктокиназы. На активацию одной молекулы глюкозы расходуются две молекулы АТФ.

Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется альдолазой на два фосфорилированных С3-фрагмента: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат – превращаются один в другой триозофосфатизомеразой. Глицеральдегид-3-фосфат окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой с образованием НАДН⁺ + Н⁺ . В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат с образованием 1,3-дифосфоглицерата. На следующей стадии, катализируемой фосфоглицераткиназой, гидролиз этого соединения сопряжен с образованием АТФ. Затем реакция изомеризации 3- фосфоглицерата, полученного в результате реакции окисления 3ФГА, в 2- фосфоглицерат (фермент фосфоглицератмутаза) и последующего отщепления воды (фермент энолаза). Продукт этой реакции - фосфоэнолпируватом (ФЭП). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой, образуются пируват и АТФ.

В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты и 4 молекулы АТФ.

В анаэробных условиях пируват претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию НАД+ . При этом образуются продукты брожения: лактат или этанол (анаэробный гликолиз).

Пировиноградная кислота окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса (ЦТК). В этом цикле окисляется производное пирувата – ацетил-КоА. Он образуется в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Этот процесс  состоит из ряда реакций и катализируется сложной мультиферментной системой, состоящей из трех ферментов и пяти коферментов – пируваткарбоксилазой.

ЦТК начинается с конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелевоуксусной кислоты, катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются цитрат КоА. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты. При этом за счет перемещения гидроксила и протона при присоединении воды в молекуле изолимонной кислоты появляется группировка, -НСОН-, которой не было в молекуле лимонной кислоты и которую способна окислить НАД-зависимая дегидрогеназа. Изолимонная кислота превращается в α-кетоглутаровую кислоту в ре- акции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. На первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуются щавелевоянтарная кислота и НАД-H +Н+ . На втором этапе щавелевоянтарная кислота подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции – α -кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и CO2. Далее α-кетоглутаровая кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, катализируемому α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, в результате чего образуется сукцинил-КоА. Эта реакция – единственная необратимая реакция из десяти, составляющих ЦТК. Один из продуктов реакции – сукцинил-КоА – представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь. Следующий этап – образование янтарной кислоты из сукцинил-КоА, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, осво- бождающаяся при разрыве тиоэфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ. ГТФ затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, что приводит к образованию АТФ. Янтарная кислота окисляется в фумаровую с помощью фермента сукцинатдегидрогеназы (кофактор –ФАД). Далее фумаровая кислота гидратируется под действием фумаразы, в результате чего образуется яблочная кислота. Яблочная кислота подвергается окислению, приводящему к образованию ЩУК. Реакция катализируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой.

Итогом 2-х декарбоксилирований является выведение из цикла 2-х атомов углерода (2 молекулы CO2. В результате 4-х дегидрирований образуются 3 молекулы НАДH и 1 молекула ФАДН2.

При окислении одной молекулы пировиноградной кислоты образуются 3 молекулы НАДН, 1 молекула НАДФН и 1 молекула ФАДН2, при окислении которых в дыхательной электрон-транспортной цепи синтезируются 14 АТФ. + 1 молекула АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования.

Глиоксилатный цикл

Поскольку из цикла Кребса происходит постоянный отток метаболитов для биосинтеза различных соединений, приводящий к понижению уровня ЩУК, возникает необходимость в ее дополнительном синтезе. Это обеспечивается как в реакциях карбоксилирования пирувата или фосфоенолпирувата (гликолиз), так и с помощью глиоксилатного шунта. Он является модификацией цикла Кребса и локализован в глиоксисомах. В этих органеллах образуется изолимонная кислота. Затем под действием изоцитратлиазы она распадается на глиоксиловую и янтарную кислоты. Глиоксиловая кислота реагирует со второй молекулой ацетил-КоА с образованием яблочной кислоты, т. е. в результате двух новых реакций происходит синтез C4-кислоты из двух C2- остатков. Затем яблочная кислота окисляется до щавелевоуксусной. Янтарная кислота выходит из глиоксисомы и превращается в щавелевоуксусную кислоту. В первой из них изолимонная кислота под действием изоцитратлиазы расщепляется на янтарную и глиоксиловую кислоты. Во второй реакции, катализируемой малатсинтетазой, глиоксиловая кислота конденсируется с ацетил-КоА с образованием яблочной кислоты, превращающейся далее в ЩУК.

Апотомический путь катаболизма гексоз (пентозофосфатный путь окисления глюкозы, гексозомонофосфатный цикл, пентозный шунт) происходит в цитоплазме и при отсутствии света в хлоропластах. Он состоит из двух этапов:

1. Окислительный этап. Глюкоза фосфорилируется при участии гексокиназы до глюкозо-6-фосфата. Он окисляется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Образуются восстановленный НАДФН и лактон фосфоглюконовой кислоты. Лактон произвольно или при участии глюконолактозы гидролизуется до 6-фосфоглюконовой кислоты. Она под действием фосфоглюконатдегидрогеназы с коферментом НАДФ декарбоксилируется с образованием восстановленного НАДФН и  рибулозо-5-фосфата.

2. Этап регенерации. Последующие реакции представляют собой цикл регенерации исходного субстрата – глюкозо-6-фосфата. Из шести молекул глюкозо-6-фосфата образуются 6 молекул СО2 и 6 молекул рибулозо-5- фосфата, из которых восстанавливаются 5 молекул глюкозо-6-фосфата. При этом также образуются 12 молекул НАДФН, которые при окислении в дыха- тельной электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) могут дать 36 молекул АТФ.

Метаболиты апотомического пути участвуют в обмене веществ.

51. Основные соединения магния в растении, их метаболизм и функции. Как и другие факторы внешней среды, элементы минерального питания играют в растительном организме субстратную и регуляторную роль. Субстратная роль элементов заключается в том, что они входят в состав органических веществ‚ являющихся, в свою очередь, строительным материалом клетки и ее органелл как составная часть мембран, ферментов, электронно — транспортных цепей дыхания и фотосинтеза, аппарата синтеза белка элементы минерального питания регулируют скорость основных функций растения.

Магний содержится в клетке в виде свободных или адсорбированных ионов, а также в хелатах. Всего в прочносвязанном состоянии может находиться до 50 % элемента. Около 10 % магния входит в состав хлорофилла, однако для его образования магний используется лишь тогда, когда удовлетворены все другие потребности растения в этом элементе. Магний поддерживает структуру мембран, соединяя, как и ионы кальция, отрицательно заряженные белковые молекулы с головками мембранных липидов, а также структуру рибосом, связывая РНК и белок. Большая и малая субъединицы рибосом соединены (ассоциированы) вместе лишь в присутствии магния, поэтому в растении синтез белка не идет при недостатке данного элемента.

Регуляторная роль ионов магния проявляется прежде всего в том, что они нужны для активации ферментов, участвующих в дыхании, фотосинтезе, синтезе нуклеиновых кислот. Важной особенностью магния является то, что он связывает фермент с субстратом по типу хелатной связи. Магний активирует такие ферменты, как ацетил - КоА— синтетаза, пируваткиназа, ДНК — и РНК - полимеразы, АТФаза, глутаматсинтетаза, енолаза, а также ферменты, катализирующие перенос карбоксильной группы.

В ряде случаев влияние магния на работу ферментов состоит в том, что он реагирует с продуктами реакции, сдвигая равновесие в сторону их образования. Магний может инактивировать некоторые ингибиторы ферментативных реакций.

Вероятно, с активацией ферментов связано влияние магния на образование и транспорт углеводов, синтез белков, жиров, а также его влияние на превращение фосфорных соединений, непосредственно связанных с дыханием и обменом энергией. Например, присоединяясь к пирофосфатной группе, магний связывает АТФ с соответствующими ферментами, поэтому все реакции, включающие перенос фосфатной группы, требуют присутствие магния.

При недостатке магния он накапливается в основном в репродуктивных органах. Дефицит магния заметно усиливает окислительно-восстановительные процессы в растениях, что обуславливает меньшее образование пестичных цветков. Если недостаток мания не ликвидируется в течение длительного времени, то происходит его передвижение из нижних листьев в меристемы, где идет образование цветков.

Недостаток магния тоже приводит к хлорозу: жилки листьев остаются зелеными, а находящаяся между ними ткань желтеет. Пожелтение начинается с более нижних листьев и постепенно распространяется на верхние. Позднее участки ткани между жилками отмирают. Типичные признак недостатка магния является опадение листьев. Магний находится в сложном взаимоотношении с фосфором, азотом, серой.