Строение растительной клетки

Избирательная проницаемость мембран  обеспечивает прохождение через  них молекул воды, препятствует проникновению растворенных в воде веществ и обусловливает явление плазмолиза при действии на клетку гипертонического раствора. Если же молекулы растворенного вещества через мембрану проходят, но медленнее, чем молекулы воды, то начавшийся плазмолиз потом исчезает. Деплазмолиз происходит в результате постепенного проникновения растворенного вещества в клетку, изменения водного потенциала снаружи и внутри, а также поступления воды в клетку из наружного раствора по градиенту водного потенциала.

 

2.6.1. Формы плазмолиза

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного  протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего  в уголках. Плазмолиз такой формы  называют уголковым. Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называется вогнутым. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого. А если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 10). Время, в течение которого вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый, позволяет оценивать степень вязкости цитоплазмы.

 

 

Рис.10. Формы плазмолиза.

 

1 – уголковый, 2 – вогнутый, 3 –  выпуклый, 4 – судорожный, 5 – колпачковый (а – цитоплазма, б – вакуоль).

 

При сравнении вязкости цитоплазмы в растворах солей калия и  кальция можно отметить, что ионы калия, проникая в цитоплазму, повышают ее гидрофильность, уменьшают вязкость и способствуют ее быстрому отрыву от клеточной стенки. Поэтому в растворах солей калия плазмолиз быстро принимает форму выпуклого. Ионы кальция, наоборот, повышают вязкость цитоплазмы, увеличивают силы сцепления ее с клеточной стенкой, и плазмолиз принимает форму судорожного плазмолиза.

Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и протоплазма сохранила полупроницаемость. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости протоплазмы. Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического потенциала (плазмолитический метод). Этот метод основан на подборе изоосмотического, или изотонического, раствора, т. е. имеющего осмотический потенциал (Ψ;осм р.ра), равный осмотическому потенциалу клеточного сока (Ψ;осм.кл). Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал, примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно вычислить его осмотический потенциал, а следовательно, осмотический потенциал клетки (Ψ осм р- ра=Ψ осм. кл.).

 

2.7. ПОСТУПЛЕНИЕ ИОНОВ В РАСТИТЕЛЬНУЮ  КЛЕТКУ

 

Из внешней среды в клетку растения непрерывно поступают питательные  соли. Это естественный процесс, без  которого жизнедеятельность клетки была бы невозможна. Причем клетка осуществляет поглощение, несмотря на ограниченную проницаемость плазмалеммы, о чем говорит явление плазмолиза. Живая клетка в высокой степени обладает способностью к избирательному накоплению питательных веществ.

 

На протяжении истории физиологии растений учеными были созданы многочисленные теории относительно механизмов проникновения растворенных веществ в клетку. Многие из этих теорий оказались несостоятельными, в частности в силу того, что под проникновением веществ в клетку понималось их поступление в клеточный сок.

В настоящее время не вызывает сомнений, что поступление солей происходит в виде ионов и проходит несколько  этапов. Питательные вещества могут  поступать и накапливаться в  клеточной оболочке, цитоплазме, вакуоли. Особенно важным этапом является поступление веществ в цитоплазму. Экспериментально показано, что питательные вещества могут поступать в цитоплазму и не проникать в вакуоль. Это хорошо видно из опытов советского ученого Н. Г. Холодного по влиянию солей на форму плазмолиза. В растворах разных солей форма плазмолиза различна. Кальций повышает вязкость протоплазмы, и, как следствие, форма плазмолиза в растворах его солей вогнутая. Калий снижает вязкость — форма плазмолиза выпуклая. Изменение вязкости протоплазмы свидетельствует о том, что ионы проникли в нее. Вместе с тем наличие плазмолиза показывает, что в вакуоль соли если и проникли, то в малой степени.

 

2.7.1. ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ ПОСТУПЛЕНИЯ

 

Поглощение питательных веществ  клеткой может быть пассивным  и активным. Пассивное поглощение — это поглощение, не требующее затраты энергии. Оно связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного вещества. С термодинамической точки зрения направление диффузии определяется химическим потенциалом вещества. Чем выше концентрация вещества, тем выше его химический потенциал. Передвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Необходимо отметить, что направление движения ионов определяется не только химическим, но также электрическим потенциалом. Следовательно, пассивное передвижение ионов может идти по градиенту химического и электрического потенциала. Таким образом, движущей силой пассивного транспорта ионов через мембраны является электрохимический потенциал.

Электрический потенциал на мембране — трансмембранный потенциал может возникать в силу разных причин:

 

1.Если поступление ионов идет  по градиенту концентрации (градиенту-химического  потенциала), однако благодаря разной  проницаемости мембраны с большей  скоростью поступает либо катион, либо анион. В силу этого на мембране возникает разность электрических потенциалов, что, в свою очередь, приводит к диффузии противоположно заряженного иона.

 

2.  При наличии на внутренней  стороне мембраны белков, фиксирующих  определенные ионы, т. е. иммобилизирующих  их. За счет фиксированных зарядов создается дополнительная возможность поступления ионов противоположного заряда (доннановское равновесие) .

 

3.  В результате активного  (связанного с затратой энергии)  транспорта либо катиона, либо  аниона. В этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала. Явление, когда потенциал генерируется активным поступлением через мембрану ионов одного заряда, носит название электрогенного насоса. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии.

Активный транспорт — это  транспорт, идущий против электрохимического потенциала с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма.

Имеется ряд доказательств существования  активного транспорта ионов. В частности, это опыты по влиянию внешних условий. Так, оказалось, что поступление ионов зависит от температуры. В определенных пределах с повышением температуры скорость поглощения веществ клеткой возрастает. В отсутствие кислорода, в атмосфере азота, поступление ионов резко тормозится и может даже наблюдаться выход солей из клеток корня наружу. Под влиянием дыхательных ядов, таких, как KCN, СО, поступление ионов также затормаживается. С другой стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения. Все это указывает на то, что между поглощением солей и дыханием существует тесная связь.

Многие исследователи приходят к выводу о тесной взаимосвязи  между поглощением солей и  синтезом белка. Так, хлорамфеникол  — специфический ингибитор синтеза  белка — подавляет и поглощение солей. Активное поступление ионов осуществляется с помощью особых транспортных механизмов — насосов. Насосы подразделяются на две группы:

 

1.Электрогенные (упомянутые ранее), 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.

 

Способность клетки к избирательному накоплению питательных солей, зависимость  поступления от интенсивности обмена служат доказательством того, что  наряду с пассивным имеет место и активное поступление ионов. Оба процесса часто идут одновременно и бывают настолько тесно связаны, что разграничить их трудно.

 

2.7.2. Этапы поступления ионов

 

Поглощение ионов 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 NСОз-, 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 диффузионный пассивный процесс, идущий по градиенту электрохимического потенциала.

Объем клетки, доступный для свободной  диффузии ионов, получил название свободного пространства (СП). В СП включаются клеточные  стенки и промежутки, которые могут  возникать между клеточной стенкой и плазмалеммой. Поскольку в клеточную оболочку входят амфотерные соединения (белки), заряд которых меняется при разных рН, то в зависимости от рН скорость адсорбции катионов и анионов также может меняться. Для того чтобы поступить в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, ионы должны пройти через мембрану — плазмалемму (второй этап поступления). Спорным является вопрос о том, существуют ли в мембранах поры или каналы. Вероятно наличие каналов, образованных белками, пронизывающими мембрану. Перенос ионов через мембрану может идти пассивным и активным путем. Наиболее распространено мнение, что ионы проникают через мембрану с помощью переносчиков. Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показа ли, что перенос ионов (например, К+) может проходить под влиянием некоторых антибиотиков, вырабатываемых бактериями и грибами,— ионофоров. В одних случаях катион входит во внутреннюю полость молекулы ионофора (рис. 12). Образованный комплекс диффундирует через мембраны во много раз быстрее по сравнению со свободным ионом. Ионофоры другого типа взаимодействуют с мембранами и, таким образом, формируют поры.

Аналогичные закономерности могут  иметь место при переносе ионов  через мембрану в живой клетке. Согласно концепции переносчиков, ион (М) реагирует со своим переносчиком (X) на поверхности мембраны или вблизи нее. Эта первая реакция может включать или обменную адсорбцию, или какое-то химическое взаимодействие. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не может перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ионом (MX) подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду, образуя предшественник переносчика (X1). Этот предшественник переносчика снова передвигается к внешней стороне мембраны, где вновь превращается из предшественника в переносчик, который на поверхности мембраны может соединиться с другим ионом.

Подтверждением гипотезы переносчиков служит тот факт, что при увеличении концентрации минеральных солей в окружающем растворе скорость поступления солей сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это объясняется ограниченным количеством переносчиков. Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе только определенных ионов и, тем самым, обеспечивают избирательность поступления. Это не исключает того, что один и тот же переносчик может обеспечивать перенос нескольких ионов. Относительно природы переносчиков высказываются различные соображения. Их химическая природа не установлена, но большинство исследователей считает, что это белки. Благодаря разнообразию и специфичности белков осуществляется избирательная их реакция с ионами, находящимися в среде, и, как следствие, их избирательный перенос. Катионы и анионы могут иметь разные переносчики. Вместе с тем не исключено, что с помощью переносчиков переносятся катионы, а анионы будут проникать в результате сил электростатического притяжения.

Транспорт с участием переносчиков может идти по направлению химического  или электрического градиента. В этом случае поступление ионов не требует затрат энергии — это пассивный процесс. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия (облегченная диффузия). Процесс избирательного концентрирования ионов в клетке, идущий против электрохимического градиента, требует затраты энергии. Именно этот активный перенос имеет решающее значение для жизнедеятельности клетки. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессом дыхания 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. Процесс этот катализируется ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-аза).

АТФ-аза обнаружена в мембранах  различных клеток. Для животных клеток показано, что в мембранах локализована транспортная АТФ-аза. Этот фермент активируется в присутствии одновалентных катионов калия и натрия (К+, Na+ —АТФ-аза) и ингибируется гликозидом оубаином. С наличием транспортной АТФ-азы связывают активный перенос ионов через мембраны.

Для растений большое значение имеет  Н+ - АТФ-аза. Н+— АТФ-аза (Н+— насос  или Н+—водородная помпа) осуществляет перенос протонов через мембраны, используя энергию гидролиза  АТФ. Это сопровождается обратным переносом катионов (антипорт). Вместе с тем с ионом Н+ в ту же сторону могут передвигаться анионы (симпорт). Предполагается, что АТФ-аза располагается поперек мембраны. Освобождаемая при распаде АТФ энергия используется для изменения конфигурации самой АТФ-азы, благодаря чему участок фермента, связывающий определенный ион, поворачивается и оказывается по другую сторону мембраны (рис. 13, 14). В этом случае АТФ-аза служит и переносчиком ионов. Возможно также, что переносчиками являются специальные белки, а энергия АТФ, высвобождаемая с помощью АТФ-азы, используется на их перемещение в мембране. Таким путем может осуществляться активный перенос ионов (с использованием энергии) против градиента концентрации.