70. Механизмы поглощения веществ растительной клеткой. Пассивный и активный транспорт веществ.

Поступление веществ в клеточную стенку (1-й этап). Поглощение веществ клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной оболочкой. Еще работами Д. А. Сабинина и И. И. Колосова было показано, что клеточная оболочка способна к быстрой адсорбции ионов. Причем эта адсорбция в ряде случаев носит обменный характер. В дальнейшем в опытах с выделенными клеточными обо­лочками было показано, что их можно рассматривать как ионообменник. На поверхности клеточной оболочки оказываются адсорбированными ионы Н+ и НС03-, которые в эквивалентных количествах меняются на ионы, находящиеся во внешней среде. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межмолекулярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами. Первый этап поступления характеризуется большой скоростью и обратимостью. Поступившие ионы легко вымываются. Это пассивный диффузионный процесс, идущий по градиенту электрохимического потенциала. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, включает клеточные стенки и межклеточные промежутки, т. е. апопласт или свободное пространство. По расчетам свободное пространство (СП) может занимать в растительных тканях 5—10% объема. Поскольку в клеточную оболочку входят амфотерные соединения (белки), заряд которых меняется при разных значениях рН, то в зависимости от значения рН скорость адсорбции катионов и анионов также может меняться. Поступление веществ через мембрану (2-й этап). Для того чтобы проникнуть в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, вещества должны пройти через мембрану — плазмалемму. Перенос веществ через мембрану может идти пассивным и активным путем. При пассивном поступлении веществ через мембрану основой переноса и в этом случае является диффузия. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и от растворимости вещества в липидной фазе мембраны. Поэтому неполярные вещества, которые растворяются в липидах (ор­ганические и жирные кислоты, эфиры), легче проходят через мембрану. Однако большинство веществ, которые важны для питания клетки и ее метаболизма не могут диффундировать через липидный слой и транспортируются с помощью белков, которые облегчают проникновение воды, ионов, Сахаров, аминокислот и других полярных молекул в клетку. В настоящее время показано существование трех типов таких транспортных белков: каналы, переносчики, помпы.

Каналы — это трансмембранные белки, которые действуют как поры. Иногда их называют селективными фильтрами. Транспорт через каналы, как правило, пассивный. Специфичность транспортируемого вещества определяется свойствами поверхности поры. Как правило, через каналы передвигаются ионы. Скорость транспорта зависит от их величины и заряда. Если пора открыта, то вещества проходят быстро. Однако каналы открыты не всегда. Имеется механизм «ворот», который под влиянием внешнего сигнала открывает или закрывает канал. Долгое время представлялась труднообъяснимой высокая проницаемость мембраны (10 мкм/с) для воды — вещества полярного и нерастворимого в липидах. В настоящее время открыты интегральные мембранные белки, представляющие канал через мембрану для проникновения воды — аквапорины. Способность аквапоринов к транспорту воды регулируется процессом фосфорилирования. Было показано, что присоединение и отдача фосфатных групп к определенным аминокислотам аквапоринов ускоряет или тормозит проникновение воды, но не влияет на направление транспорта.

Переносчики — это специфические белки, способные связываться с переносимым веществом. В структуре этих белков имеются группировки, определенным образом ориентированные на наружную или внутреннюю поверхность. В результате изменения конформации белков вещество передается наружу или внутрь. Поскольку для транспорта каждой отдельной молекулы или иона переносчик должен изменить конфигурацию, скорость транспорта вещества в несколько раз меньше, чем происходит перенос через каналы. Показано наличие транспортных белков не только в плазмалемме, но и в тонопласте. Транспорт с помощью переносчиков может быть активным и пассивным. В последнем случае такой транспорт идет по направлению электрохимического потенциала и не требует затрат энергии. Этот тип переноса называется облегченной диффузией. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия.

Насосы (помпы) — интегральные транспортные белки, осуществляющие активное поступление ионов. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии и против электрохимического градиента. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессами дыхания и фотосинтеза и в основном аккумулирована в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ, это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН —> АДФ + Фн. Ферменты, осуществляющие гидролиз АТФ, называются аденозинтрифосфатазы (АТФазы). В мембранах клеток обнаружены различные АТФазы: К+ — Na+ — АТФаза; Са2+ — АТФаза; Н+ — АТФаза. Н+— АТФаза (Н+—насос или водородная помпа) является основным механизмом активного транспорта в клетках растений, грибов и бактерий. Н+ — АТФаза функционирует в плазмалемме и обеспечивает выброс протонов из клетки, что приводит к образованию электрохимической разности потенциалов на мембране. Н+— АТФаза переносит протоны в полость вакуоли и в цистерны аппарата Гольджи.

Насосы делят на две группы:

1. Электрогенные, которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны.

2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.

Таким образом, перенос ионов через мембрану может осуществляться активным и пассивным путем. В обеспечении транспортной функции мембран и избирательности поглощения большую роль играют транспортные белки: каналы, переносчики и помпы. В настоящее время для многих транспортных белков гены клонированы. Идентифицированы гены, кодирующие калиевые каналы. На арабидопсисе получены мутации генов, которые влияют на транспорт и восстановление нитратов. Показано, что в геноме растений за транспорт веществ через мембраны отвечает не один ген, а несколько. Такая множественность обеспечивает выполнение функции в различных частях растений, что позволяет транспортировать вещества из одной ткани в другую.

Наконец, клетка может «заглатывать» питательные вещества вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз — это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с растворенными веществами. Явление пиноцитоза известно для клеток животных. Сейчас доказано, что оно характерно и для клеток растений. Процесс этот можно подразделить на 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. С помощью пиноцитоза в клетки могут попадать не только ионы, но и различные

Транспорт веществ в цитоплазме (3-й этап) и поступление в вакуоль (4-й этап). Пройдя через мембрану, ионы поступают в цитоплазму, где включаются в метаболизм клетки. Существенная роль в процессе связывания ионов цитоплазмой принадлежит клеточным органеллам. Митохондрии, хлоропласта, по-видимому, конкурируют между собой, поглощая катионы и анионы, поступившие через плазмалемму в цитоплазму. В процессе аккумуляции ионов в разных органеллах цитоплазмы и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт. Этот процесс осуществляется, по-видимому, по каналам ЭПР.

В вакуоль попадают ионы в случае, если цитоплазма уже насыщена ими. Это как бы излишки питательных веществ, не включенные в реакции метаболизма. Для того, чтобы попасть в вакуоль, ионы должны преодолеть еще один барьер — тонопласт. Если в плазмалемме механизм переноса ионов действует в пределах относительно низких концентраций, то в тонопласте — при более высоких концентрациях, когда цитоплазма уже насыщена данным ионом. В мембранах вакуоли были обнаружены вакуолярные каналы, которые отличаются по времени открывания (быстрые и медленные). Перенос ионов через тонопласт совершается также с помощью переносчиков и требует затраты энергии, что 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. Низкая проницаемость тонопласта для протонов позволяет снизить затраты энергии для поступления веществ. Вакуолярная мембрана имеет и вторую протонную помпу, связанную с Н+-пирофосфатазой. Этот фермент состоит из единственной полипептидной цепи. Источником энергии для потока протонов является гидролиз неорганического пирофосфата. В тонопласте обнаружены транспортные белки, которые позволяют проникать в вакуоль большим органическим молекулам непосредственно за счет энергии гидролиза АТФ. Это играет роль в аккумуляции пигментов в вакуоли, в образовании антимикробных веществ, а также при обезвреживании гербицидов. Поступившие в вакуоль вещества обеспечивают осмотические свойства клетки. Таким образом, проникающие через плазмалемму ионы накапливаются и связываются цитоплазмой, и только их избыток десорбируется в вакуоль. Именно поэтому между содержанием ионов во внешнем растворе и клеточном соке нет и не может быть равновесия. Необходимо еще раз подчеркнуть, что большое значение для жизнедеятельности клетки имеет активное поступление. Именно оно ответственно за избирательное накопление ионов в цитоплазме. Поглощение питательных веществ клеткой тесно связано с обменом веществ. Эти связи многосторонни. Для активного переноса необходимы синтез белков — переносчиков, энергия, поставляемая в процессе дыхания, эффективная работа транспортных АТФаз. Надо учитывать также, что, чем быстрее поступающие ионы включаются в метаболизм, тем интенсивнее идет их поглощение. Для многоклеточного высшего растения не меньшее значение имеет и передвижение питательных веществ из клетки в клетку. Чем быстрее проходит этот процесс, тем быстрее соли будут при прочих равных условиях поступать в клетку.

71.Рост-необратимое увеличение массы размеров,количества органов растений,связанное с появлением новых структур.

Закономерности роста.

Для всех живых организмов: 1) рост растений осуществляется неравномерно,согласно сигмоидной кривой(кривая Стокса). Можно выделить отдельные этапы:

1.лаг-фаза-фаза скрытого роста

2.лог-фаза-фаза интенсивного роста

3.фаза замедления роста

4.фаза стационарного роста.

2)ритмичность роста-чередование ускорения и замедления процессов роста. Виды ритмов:суточные,околосуточные,часовые.

полярность-неравноценность полюсов клетки органа растения в целом.различия могут быть морфологические,анатомические,физиологические,концентрационные.

Дифференциация

раздражимость-ответные реакции могут быть специфические(накопление углеводов при низкой тем-ре,образование специфических стрессовых белков) и неспецифические(изменение структуры белков,изменение рН)

Корреляция-согласованный рост частей растений,взаимная обусловленность.

Для растений:

1)локальный тип роста,рост меристемами, рост в толщину, вставочный. В составе меристем есть покоящийся центр клетки с очень медленным ростом.

2) Рост на всех этапах онтогенеза

3)Фотосинтез

4) Тропизмы-направленный рост растений в ответ на одностороннее действие фактора. Движение растений в основе которого лежит неравномерный рост.

5) заместительная регенерация обычно не восстанавливают орган,а формируют новый аналогичного назначения.

6)тотипопотентность-свойство любой живой клетки растения восстанавливать целостность всего растения.

72 Клеточная стенка состоит из клетчатки или целлюлозы - полисахарида, который гидролизуется до глюкозы. Все компоненты, входящие в состав клеточной стенки, можно разделить на 4 группы:

Структурные компоненты, представленные целлюлозой у большинства автотрофных растений.

Компоненты матрикса, т. е. основного вещества, наполнителя оболочки – гемицеллюлозы53%, белки5%, липиды.7%

Компоненты, инкрустирующие клеточную стенку, (т.е. откладывающиеся и выстилающие ее изнутри) – лигнин и суберин.

Компоненты, адкрустирующие стенку, т.е. откладывающиеся на ее поверхности, - кутин, воск.

Функции клеточной стенки.

1.Она защищает клеточное содержимое от повреждений и инфекций (Защитная функция);

2.Клеточная стенка поддерживает форму и определяет размер клетки;

3.Стенка играет скелетную (опорную) роль, которая особенно возрастает у наземных растений;

4.Она имеет большое значение в росте и дифференцировании клетки;

5.Стенка участвует в ионном обмене и поглощении клеткой веществ;

6.Единый апопласт способствует перемещению веществ из клетки в клетку внеклеточным путем (проводящая функция);

7.Структура клеточных стенок предохраняет клетки от избыточной потери воды ( покровная функция).

8.оказывает физическое противодействие осмотическому давлению со стороны внутреннего содержимого клетки.

Клеточная стенка начинает развиваться с образования клеточной ластинки в анафазе митоза. это происходит сразу после деления ядра. Целлюлоза в виде микрофибрилл образует каркас. Микрофибриллы - эластичный строительный элемент клеточной стенки. Микрофибриллы располагаясь параллельно своей оси удерживаются вместе водородными связями и цементируются у высших растений гемицеллюлозой.

73 Калий - макроэлемент, связан с жизнедеятельностью протоплазмы. В растениях он содержится в форме солей KCL KHCO3 K2HPO4. Особенно богаты калием молодые органы - меристема почек, молодые листья, живые ткани коры. Большое количество калия в органах богатых углеводом. Калий повышает активность ферментов амилазы, сахарозы, действующих на углеводы, усиливает действие протеолитических ферментов, активирует гидролитическую и синтетическую деятельность этих ферментов. Он активирует более 20ферментов,принимающих участие в синтезе и гидролизе АТФ. Калий способствует конверсии солнечной энергии в АТФ, участвует в переносе энергии в клетке и синтезе высокомолекулярных соединений, что способствует повышении. Эффективности фотосинтеза. При резкой недостаточности калия на пластинках листьев с краев появляются бурые пятна - характерный признак калийного голодания растений.

Кальций-макроэлемент .находится в форме солей пектиновой кислоты, сульфата, карбоната и щавелеуксусного кальция. Кальций в соединении с пектиновыми веществами составляет основу срединных пластинок, склеивающих стенки отдельных клеток. Он играет большую роль в сохранении целостности протоплазматических мембран. Кальций нейтрализует щавелевую кислоту и переводит ее в нерастворимое состояние, безвредное для растений. При кальциевом голодании наблюдается уменьшение количества пектиновых веществ. Недостаток кальция ведет к слабому формированию покровных тканей, сильному развитию межклетников. Внешне недостаток кальция проявляется в пожелтении листьев, появлении на них буроватых пятен.

Магний-макроэлемент. Много его в молодых растениях. Он входит в состав металлоорганических соединений например хлорофилл. Поступает в растения в виде иона Мg2+. Магний является составной частью кальций-магний пектина. Активирует деятельность ферментов киназ. Значительное его количество содержится в рибосомах которые при недостатке его распадаются на субъединицы что сопровождается уменьшением их биологической активности. Внешние признаки недостатка магния проявляются в появлении между жилками листьев светло-зеленых или белых пятен от середины к краям.

74 1.Эмбриональный период- у семенных растений от оплодотворения яйцеклетки до начала прорастания зародыша. У вегетативно-размножающихся в почках органов вегетативного размножения. В эмбрионогенезе выделяют следующие этапы:

1)налив зерна - формируется эндосперм, 2)маночная спелость - развивается зародыш, 3)восковая и полная - интенсивное отложение запасных веществ и быстрое понижение содержания воды

Семена переходят в состояние покоя.

ювенильный(этап молодости) начинается с прорастания семян или почек. идет интенсивное накопление вегетативной массы, формируется развитая корневая система.

Этап зрелости-начинается с закладки цветочных зачатков, формирования клубней, луковиц и др. органов вегетативного размножения. образуются репродуктивные органы.

Этап размножения- период заложения роста развития и созревания плодов и семян. начинается с оплодотворения, семена становятся мощными оттрагирующим центром.

Этап старения - период закономерного ослабления процессов жизнедеятельности.

Устанавливают специальные и важнейшие агротехнические мероприятия, необходимые для растений в каждый период их развития.