Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Кореневе живлення рослин
Активне транспортування іонів

Активне транспортування — це найважливіший регулятор трансмембранного потенціалу. У зв’язку з тим що всі іони заряджені, швидкість дифузії їх визначається не лише проникністю мембрани, а й різницею концентрації їх по обидві сторони мембрани (хімічний потенціал), а також електричним потенціалом, що виникає між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. Саме тому ми говоримо, що рух іонів зумовлюється градієнтом електрохімічного потенціалу. Ця напруга між двома сторонами мембрани (на внутрішній стороні мембрани, як правило, від’ємний заряд, тому поглинаються катіони) носить назву трансмембранного потенціалу.

Одним з головних іонів, які беруть участь у формуванні трансмембранного потенціалу, є Н⁺. Теоретично можливі такі основні механізми генерації градієнта pH в рослинних клітинах:

·електронна Н⁺-транспортуюча АТФ-аза;

·нейтральна Н⁺-АТФаза, яка виконує K⁺/H⁺-обмін;

·нейтральний обмін Са⁺⁺ і протонів (Са⁺⁺-АТФ-аза);

·редокс-ланцюг;

·пасивний H⁺-приток або ОН відтік;

·ендоцитоз.

Витрати енергії протонрушійної сили здійснюються різними шляхами або, іншими словами, за допомогою різних механізмів: це може бути електричне або електрофоретичне сполучення Н⁺-транспортування з дифузним перенесенням іонів. Електричний потенціал в даному випадку виступає рушійною силою для неспецифічного транспортування катіонів у клітину (електрогенний антипорт) або транспортування аніонів у напрямку активного транспортування (електрогенний симпорт).

Важливо зазначити, що транспортні шляхи Н⁺, катіонів та аніонів структурно ізольовані, тобто локалізовані в різних (можливо суміжних) ділянках мембрани. З іншого боку, Н⁺-транспорт може бути хімічно спряженим з антипортом катіонів (наприклад, К⁺/Н⁺ обмін за участю К⁺ стимулюючої Н⁺-АТФ-ази або 2Н⁺⁺/Са⁺⁺ обмін). Може бути аналогічний симпорт аніонів, наприклад хлор-стимулююча АТФ-аза на тонопласті. Крім того, можливе використання протонрушійної сили для активного транспортування (хімічне сполучення, через переносники) — антипорт Н⁺/катіонів, симпорт Н⁺/аніон, або. симпорт Н⁺/неелектроліти і —цукри, амінокислоти.

Нарешті, градієнт pH впливає на розподіл слабких кислот регуляторів росту та різних основ між зовнішнім та внутрішнім середовищем клітини.

Крім дифузії іонів через певні ділянки мембран завдяки градієнту електрохімічного потенціалу іони переміщуються також через специфічні зони мембрани — іонні насоси із витра-

тами енергії АТФ. Активне транспортування, на відміну від дифузії, в тому числі і за градієнтом трансмембранного потенціалу, заключається в перенесенні іонів проти даного градієнта.

Іонні насоси. Це білки-ферменти, але ферменти незвичайні. Якщо більшість ферментів забезпечує перетворення субстратів у продукти реакції, то в даному випадку мова йде про перетворення енергії хімічних зв’язків молекули субстрату (в даному випадку АТФ) в кінетичну енергію руху іонів.

В спрощеному вигляді це можна уявити на прикладі натрієвого насоса, який постійно викачує баластні іони Na⁺ (рис. 123).

Рис. 123. Модель роботи натрій-калієвого насоса: а — іон Na⁺ в цитоплазмі з’єднується з молекулою транспортного білка; б,— реакція з участю АТФ, в результаті якої фосфатна група (Р) приєднується до білка, а АДФ (аденозиндифосфат) звільняється; в — фосфорилування індукує зміну конформації білка, що спричинює вивільнення Na⁺ за межами клітини; г— іон К⁺ у міжклітинному просторі з’єднується з транспортним білком (д), який у цій формі більш пристосований для сполучення з К⁺, ніж з Na⁺; е — фосфатна група відщеплюється від білка, що спричинює відновлення попередньої форми, а іон К* звільняється у цитоплазму. Транспортний білок тепер готовий до винесення другого іона Na⁺ з клітини

В плазматичну мембрану вмонтовано ферментний білок — натрієва АТФ-аза. Сама назва говорить про те, що він гідролізує АТФ при наявності натрію. Активний центр ферменту направлено всередину в сторону цитоплазми, причому він має в своєму складі N⁺-зв’язуючу групу, отже, він вибірково зв’язує іони натрію.

При взаємодії з АТФ цитоплазми фермент гідролізує його на АДФ та Р_н. Причому доля енергії макроергічного зв’язку незвичайна — вона перетворюється з хімічної на кінетичну. Придбавши цю енергію, білкова макромолекула зазнає конформаційних змін. Вона немов би перевертається в мембрані таким чином, що її N⁺-зв’язуюча група потрапляє назовні (перевертається, умовно кажучи, бо природу цього явища ще не з’ясовано). В такому перевернутому стані АТФ-аза набуває нових властивостей. По-перше, вона втрачає здатність зв’язувати іони, тому натрій, виявившись на зовнішній стороні мембрани, відокремлюється від активного центра в зовнішнє середовище. По-друге, такий перевернутий стан нестійкий, тому білок повертається в висхідне попереднє положення, але уже спонтанно, як стискується розтягнута пружина. Як результат, активний центр разом з Na⁺-зв’язуючою групою знову повертається в бік цитоплазми і може приєднувати новий іон натрію.

Слід зазначити, що мембранні іонні насоси нагадують скоротливі білки м’язів — актиміозин. Адже він також являє собою АТФ-азу (але на відміну від рослинних активується Са²⁺) і перетворює хімічну енергію АТФ на механічну енергію скорочення м’язових волокон. Тому не буде перебільшенням сказати, що мембранні АТФ-ази — це ніби м’язова система клітини.

Але повернемось до N⁺-залежної АТФ-ази. Як виявилось, поряд з іонами натрію вона активується також магнієм та калієм, причому останнє особливо важливо. Адже викачуючи з клітини баластний натрій, ця мембранна АТФ-аза одночасно накачує також активно (проти градієнта) потрібний клітині калій. Тому її назвали натрій-калієвою АТФ-азою. Цю ферментну систему в тваринних мембранах вивчено добре, чого не можна сказати про рослинні мембрани. Непрямі докази дають змогу припустити, що подібного типу насоси працюють також і в рослинних мембранах Так доведено наявність в плазмалемі клітин кореня АТФ-аз, що потребують наявності магнію, активуються натрієм та калієм, а також аналогічно попереднім — гальмуються убаїном. Було показано, що у галофітів активність таких АТФ-аз досить висока, бо їм потрібно інтенсивно викачувати іони натрію. На плазмалемі клітин кореня вівса було виявлено фермент, що сприяє гідролізу АТФ до АДФ та Ф_н в присутності К⁺. Очевидно, цей фермент діє як переносник, що використовує для перенесення іонів калію крізь плазмалему енергію гідролізу АТФ.

До непрямих доказів слід віднести також іонні співвідношення в системі рослинної клітини: так, в клітинній стінці та у вакуолях сконцентровані іони калію, натрію, кальцію та Н⁺. Нагромадження Са²⁺ та протонів Н⁺ в клітинній стінці особливо важливий факт для регулювання роботи Н⁺-насосів та К⁺-каналів плазмалеми і пов’язаного з цим котранспорту протонів та аніонів. Низькі значення pH вакуолярного соку, а також концентрація катіонів та неметаболічних іонів хлору, свідчать про високу активність Н⁺-АТФази тонопласта, пов’язаної (спряженої), мабуть, з котранспортом іонів хлору. Крім Na⁺ H⁺-АТФ-ази функцію іонного насоса виконують Са⁺⁺- АТФ-аза, аніонна АТФ-аза, Н⁺-АТФ-аза.

В рослинних клітинах особливо важливу роль відіграє водневий насос — H⁺-АТФ-аза, який функціонує в плазмалемі, і, можливо, тонопласті. Він створює на мембрані електричний (Δψ) та хімічний (pH) градієнт іонів водню. Протонна АТФ-аза (воднева помпа) функціонує в мембранах мітохондрій та хлоропластів. Адже саме з її допомогою в цих органелах відбувається процес окислювального та фотофосфорилування.

Встановлено існування таких насосів і в плазматичних мембранах бактеріальних клітин (адже у бактерій немає раніше зазначених органел), а тому синтез АТФ у них відбувається за участю плазмалеми.

Семидесяті роки — період, коли з’явились різноманітні докази наявності електрогенних Н⁺- насосів та функціональної ролі їх як генераторів протонрушійної сили — основного двигуна трансмембранного обміну іонів, цукрів, амінокислот. Поява нового хімічного інструмента — грибного токсину фузикокцину, найсильнішого на сьогодні стимулятора Н⁺-насосів, значно сприяла розширенню досліджень з іонного транспортування.

Восьмидесяті роки можна назвати тріумфом прихильників гіпотези про Н⁺-насоси, які вдалося продемонструвати на мембранних везикулах плазмалеми та тонопласта. Був зроблений і заключний крок — виділено Н⁺-транспортні білки та реконструйовано їх в штучну біліпідну мембрану. Від перших уявлень на початку 60-х років до признання факту про функціонування Н⁺- насосів в мембранах рослинних клітин пройшло майже 25 років. Цей шлях був важким не лише в плані методичних пошуків, а і в плані боротьби ідей та жорсткої критики нового кроку (важко сприймалась оригінальна гіпотеза В.В. Польового про участь Н⁺-насосів в ростових процесах).

Продемонстровано модельні системи у вигляді замкнутих везикул плазмалеми із клітин колеоптиле кукурудзи, завдяки яким можна вивчати пасивний і активний транспорт іонів флуо- риметричним методом. З використанням потенціал залежних зондів, а також рН-чутливого внутрішньовезикулярного зонда на мембранах везикул виявлена генерація обох компонент електрохімічного потенціалу іонів водню — трансмембранного потенціалу та градієнта протонів (Інге-Вечтомова, 1993).

Ось власне цими даними і обмежуються наші сьогоднішні знання про активні транспортні механізми — натрієвий та водневий насоси. А скільки ще існує різних речовин — іонів мінерального живлення, органічних кислот, амінокислот, цукрів, які рослина виділяє та поглинає активно? І ось тут виявилось, що природа дуже економна, бо для всього цього різноманіття досить і цих механізмів активного транспортування. Це стало можливим завдяки котранспорту, тобто перенесенню двох різних речовин за допомогою одного й того самого механізму. Так ми вже спостерігали, що насос, викачуючи натрій, одночасно сприяє перенесенню калію (антипорт).

Виникає питання, чому ж саме цим двом механізмам природа надала перевагу в процесі еволюційного розвитку? Тому, що саме ці два іони (натрій та водень) завжди знаходяться в необмеженій кількості в розпорядженні клітини.

Натрій знаходиться у надлишку в навколишньому середовищі. В клітинах його завжди в кілька разів більше, ніж калію, тому клітина змушена постійно викачувати його надлишок. І коли вже такий насос повинен був постійно працювати, то чому ж його не використати як привід для поглинання іонів калію та інших потрібних для клітини речовин?

Щодо водню, то його клітинні запаси також невичерпні, але з іншої причини: адже ці іони неперервно утворюються в самій клітині в процесах дихання, окислювально-відновних реакцій. Нагромадження таких іонів шкідливе, бо воно змінює pH з усіма наслідками. Один із засобів позбавитись цього — це активне викачування їх назовні. Тому протонний насос також можна використати як привід для симпорту та антипорту різних речовин.

Слід звернути увагу на явища ендоцитозу та піноцитозу рослинних організмів. При ен- доцитозі сполуки потрапляють в клітину в результаті інвагінації плазматичної мембрани, в разі розчинних речовин це явище носить назву піноцитозу. Хоча вони і відрізняються від мембранних транспортних систем, все ж принцип функціонування їх грунтується на здатності мембран «пізнавати вибірково" певні молекули. Тому контрольований рух речовин з клітини в клітину можливий і шляхом ендоцитозу та екзоцитозу, який передбачає транспортування речовини в пухирцях.

Можливі звичайно й інші поки що не відомі нам механізми транспортування.

Отже, на сьогодні визначився новий напрям досліджень — енергетика біологічних мембран, яка, за визначенням В.П. Скулачова, стає теоретичною основою водно-сольового обміну в рослинах та цілого ряду біотехнологічних розробок, включаючи спрямоване транспортування метаболітів, генетичного матеріалу і фізіологічну селекцію рослин.