Механизмы поглощения веществ корнем

Процесс поглощения ионов корнем можно подразделить на три этапа:

• 1) диффузия растворенных ионов в свободное пространство клеточной стенки, в апопласт;
• 2) передвижение ионов из свободного пространства через плазмалемму в протопласт;
• 3) транспорт поглощенных ионов из цитозоля в вакуоль или в другую органеллу.

В свободное пространство клетки ионы поступают или из почвенного раствора, если речь идет об эпиблеме, или из свободного пространства соседних клеток. Сначала главными механизмами поглощения являются диффузия и адсорбция, затем — мембранные транспортные белки, эндоцитоз. Клеточные стенки не могут служить преградой для поглощаемых веществ, потому что в них находятся межфибриллярные полости, через которые эти вещества свободно диффундируют. Участие диффузии в поглощении доказывается с помощью простого опыта. Если корни растения, находящиеся в разбавленном растворе, перенести в концентрированный, то скорость поглощения вначале усиливается, а потом стабилизируется. Если затем вернуть корни в более слабый раствор или дистиллированную воду, то некоторое количество ионов выделяется во внешнюю среду.

Как уже известно, ту часть объема корня, в которую минеральные вещества проникают или из которой выделяются путем свободной диффузии, называют апопластом. Анатомически апопласт представлен межфибриллярными полостями клеточных стенок и межклетниками. Объем свободного пространства составляет 5—10% от всего объема корневой системы. Свободное пространство является внешним по отношению к протопластам клеток и внутренним по отношению к внешней среде.

За счет диффузии ионы поступают из почвенного раствора в свободное пространство клетки, где концентрация их в основном меньше, чем в окружающем растворе. Скорость диффузии мала и уменьшается с увеличением ее продолжительности: за 1 ч вещество передвигается на 5 мм, за 24 ч — на 25 мм, а за год — на 500 мм. Поэтому диффузия не может играть важной роли в транспорте растворенных веществ на далекие расстояния, например из корня в лист.

Итак, диффузия является основным механизмом поступления веществ в свободное пространство корня.

Возможно, что через клеточную стенку вещества проходят не только с помощью диффузии, но и вместе с водой, когда, передвигаясь через мембрану, она захватывает одну или несколько небольших молекул растворенных в ней веществ (массовый ток).

Стенки межфибриллярных полостей, составляющих свободное пространство клеток, имеют отрицательный электрический заряд (например, за счет карбоксильных групп пектиновых веществ, входящих в состав клеточных стенок). Так как вещества поглощаются главным образом в ионной форме, то на их поступление будет влиять и этот электрический заряд. Поэтому поступление ионов в свободное пространство зависит не только от разности концентраций, но и от разностей электрических потенциалов. Существование отрицательного заряда на клеточной стенке облегчает поглощение катионов и затрудняет поглощение анионов.

Кроме того, катионы могут адсорбироваться на клеточных стенках. Поэтому концентрация катионов около стенок межфибриллярной полости больше, а анионов — меньше; в центре полости она равна концентрации катионов и анионов в наружном растворе. Из центра межфибриллярной полости ионы могут быть выделены в воду в результате диффузии.

Ионы, адсорбированные на стенках межфибриллярных полостей, могут выделяться в солевой раствор путем обмена (обменная адсорбция), причем адсорбированный ион вытесняется ионом, который содержится в солевом растворе в избытке. Например, если корень, выдержанный ранее в растворе кальция, перенести в раствор калия, то кальций будет выделяться из корня в раствор. Если корень перенести в дистиллированную воду, то этого не произойдет.

Для явлений адсорбции характерна чрезвычайно большая начальная скорость, этим адсорбция отличается от диффузии. В опытах корни проростков пшеницы, погруженные в 0,005 н раствор уксуснокислого свинца, поглощали в первые 10 мин почти 2/3 от количества свинца, поглощенного ими за следующие 22 ч (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Адсорбция свинца корневыми системами пшеницы¹

Вторым доказательством участия адсорбции в поглощении веществ служит существование состояния насыщения. Как видно из рис. 6.2, после очень быстрого поглощения на 10—15-й минуте наступает замедление поглощения свинца, а через час от начала опыта оно полностью прекращается. Перегиб кривой на рисунке соответствует достижению состояния насыщения, т. е. образованию мономолекулярного слоя вещества на поверхности корня. Если поглощаемый ион, например NO3, не остается в свободном пространстве, а поступает в протопласт, то очень быстрое поглощение в первые минуты сменяется медленным равномерным поглощением; состояния насыщения при этом не наблюдается.

Характерной особенностью поглощения является малая зависимость его вначале от температуры. Как показано на рис. 6.3, поглощение фосфата из 0,005 н раствора КН₂Р0₄ в первое время происходит почти с одинаковой скоростью при 1 и 20 °C.

Рис. 6.3. Поглощение фосфата при разных температурах²

• 1 См.: Сабинин Д. Л. Физиологические основы питания растений. М.: Изд-во АН СССР, 1955.
• 2 См.: Там же.

Начальное поглощение зависит от величины pH. Особенно сильно концентрация водородных ионов влияет на соотношение количества поглощаемых катионов и анионов. Например, из раствора фосфорнокислого аммония в кислой среде сильнее поглощается анион, а в щелочной — катион (рис. 6.4). Это доказывает, что в основе адсорбции лежат электростатические силы.

Рис. 6.4. Поглощение фосфата (/) и аммония (2) корнями конских бобов при различной величине pH питательного раствора¹

Итак, интенсивное поглощение вначале, существование состояния насыщения, независимость начального поглощения от температуры и полная зависимость от величины pH — все это доказывает, что в поглощении веществ принимает участие адсорбция.

Благодаря высокой скорости, свойственной этому процессу, растение способно достаточно быстро адсорбировать на поверхности корня и затем накапливать в своих клетках необходимые ему питательные вещества из таких разбавленных растворов, какими обычно являются почвенные растворы.

Войдя с помощью диффузии в свободное пространство корня, ионы адсорбируются не только на клеточных стенках, но и на плазмалемме, которая тоже несет электрический заряд. Напомним, что разность электрических потенциалов на плазмалемме колеблется от 60 до 100, а иногда достигает 180 мВ, причем клетка заряжена отрицательно по отношению к наружному раствору.

На следующем этапе поглощения вещество из свободного пространства должно проникнуть в протопласт клетки. Для этого ему необходимо пройти через плазмалемму — основной барьер на пути диффузии ионов и молекул в клетку. Находящиеся в растворе в непрерывном хаотическом движении молекулы растворенного вещества при столкновении с этой^[1]

мембраной либо отскочат от нее, либо адсорбируются на ней, либо пройдут через плазмалемму. В последнем случае мы говорим, что мембрана проницаема для данного вещества. Если вещество само пройти через плазмалемму не может, то помогают мембранные транспортные белки, а также эндоцитоз (см. параграф 1.5). Движущей силой транспорта через плазмалемму является протонный градиент (например, активный транспорт симпорта с протоном).

Разные механизмы работают не изолированно, а в различных сочетаниях, например «диффузия — адсорбция — переносчик» или «диффузия — адсорбция — ионный насос». В зависимости от природы поглощаемого иона и условий в клетке удельное значение того или иного механизма изменяется.

Хотя механизмы поглощения веществ делят на пассивные (диффузия, адсорбция) и активные (белки-переносчики, ионные каналы, насосы, эндоцитоз), это деление условно, так как для работы любого механизма нужна энергия. Например, для поддержания диффузии нужно, чтобы количество вещества в протопласте было меньше, чем в свободном пространстве клетки. Это возможно, если поглощаемое вещество сразу включается в обмен веществ, а для этого необходима энергия.

Интенсивное поглощение клеткой веществ должно было бы привести к выравниванию концентраций и прекращению поглощения. Однако этого не происходит, так как поступающие ионы, например нитрат-, сульфати фосфат-ионы, быстро включаются в клетке в органические соединения. Скорость включения ионов в обмен веществ, в свою очередь, определяет скорость их поглощения.

Ионофоры. Не только белки переносят вещества через мембраны. Эту задачу могут выполнять небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидных бислоях. Они повышают проницаемость мембран для ионов. Такие переносчики называют ионофорами. Большинство ионофоров синтезируется микроорганизмами. Некоторые из них используются человеком как лекарстваантибиотики. Антибиотики — вещества биологического происхождения, способные даже в низких концентрациях подавлять рост микроорганизмов.

Ионофоры не связаны ни с какими источниками энергии, поэтому с их помощью ионы передвигаются только пассивно, по градиентам электрохимических потенциалов.

Существует два типа ионофоров — подвижные и каналообразующие. Примером подвижного ионофора может служить валиномицин. Молекула этого антибиотика имеет форму кольца, наружная поверхность которого, состоящая из боковых цепей валина, гидрофобна. Кроме того, в состав молекулы входят шесть карбонильных групп (=С—О—), кислород которых заряжен отрицательно. Внутренний диаметр кольца равен диаметру иона калия с его водной оболочкой. В водной среде карбонильные группы направлены к внешней стороне кольца. Однако когда в кольцо встраивается положительно заряженный ион калия, несущие отрицательный заряд карбонильные группы обращаются к нему (рис. 6.5). В результате теперь наружу направлены углеводородные группы. Благодаря этому поверхность комплекса валиномицина с калием оказывается гидрофобной. Валиномицин захватывает ион калия на одной стороне мембраны, диффундирует с ним через бислой и освобождает этот ион на другой ее стороне. Валиномицин переносит калий по его электрохимическому градиенту.

Рис. 6.5. Комплекс молекулы валиномицина с ионом калия Примером каналообразующего ионофора может служить другой антибиотик — грамицидин А. Он представляет собой линейный полипептид, состоящий из 15 аминокислотных остатков, имеющих гидрофобные радикалы. В липидном бислое мембраны молекула грамицидина принимает форму спирали, наружная поверхность которой гидрофобна, а внутренняя — гидрофильна. Длина этой спирали равна половине толщины мембраны. Две спирали грамицидина располагаются в липидном бислое одна за другой и образуют канал (рис. 6.6), позволяющий ионам водорода, калия и натрия проходить через мембрану по их электрохимическому градиенту. Эти димеры грамицидина нестабильны, они постоянно образуются и разрушаются, так что канал работает в среднем в течение 1 с. По каналу, образованному грамицидином А, за 0,001 с может пройти 20 000 ионов, что в 1000 раз больше, чем может перенести за то же время одна молекула белка-переносчика.

Рис. 6.6. Расположение молекул грамицидина А в липидном бислое мембраны Исследования этой роли антибиотиков очень интересны, особенно в связи с тем, что некоторые почвенные грибы, скапливающиеся в непосредственной близости от корней, например Fusarium orthoceras, могут выделять валиномицин, грамицидин и другие подобные вещества.

• [1] См.: Сабинин Д. А. Физиологические основы питания растений.