П. Зитте, Э.В. Вайлер, Й.В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кернер - Ботаника. Учебник для вузов. Том 2. Физиология растений, страница 20

6.5 При этом речьидет о вторично активных переносчикахили ионных каналах, так как поглощениеионов минеральных элементов из апопласта в клетки корня, за исключением каль­ция (см ниже), связано с концентрацион­ной работой и поэтому протекает эндергонически (энергетическое сопряжение, см6 1 5) Движущую силу этого процесса обес­печивает присутствующая в плазмалеммевсех растительных клеток первично актив­ная Н + -транспортируюшая АТФаза (про­тонная помпа, см рис 6 4 , 6 5) сравнитель­но большой, состоящий из одной-един-Ризодермаи паренхимакоры корняЯ.Цитоплазма ^-Г30* ч= ВакуольВ области корня неспецифическая диф­фузия и абсорбция ионов из почвенногораствора в радиальном направлении можетпродолжаться только до эндодермы Здесьапопластическому потоку препятствуютпреимущественно состоящие из отложенийлигнина и суберина (структуру см в 6.17 2,6.17 3) пояски Каспари (см рис 3 18) в ра­диальных клеточных стенках Пояски Кас­пари нарушают беспрепятственное про­Паренхимасосудистого СосудпучкаЭндодерма: Вакуольи/КлеточнаястенкаВнешний растворВакуольГ^ПоясокКаспариПлазмалеммаРис.

6 . 2 2 . Упрощенная схема продольногоразреза корня, изображающая происходящиев нем транспортные процессы при поглощенииминеральных веществ (ионов)6.2. Минеральное питаниественной полипептидной цепи фермент(смол, массой около 100—110 кДа) пригидролизе АТФ претерпевает конформационные изменения, в ходе которых ЬГ-ионыстехиометрически, с затратой АТФ пере­носятся из цитоплазмы в апопласт. В ре­зультате электрогенного транспортногопроцесса возникает протон-движущая сила(см. 6.1.4.3, уравнение 6.19) около < -240 мВ(ДрН 2, ДЕм = -120 мВ).До настоящего времени в плазмалемме оха­рактеризованы на молекулярном уровне симпортные переносчики для поглощения нитра­та, сульфата и фосфатаи ионные каналы длятранспорта ионов К+, СГ~ и Са2+.

Для изученияионных каналов были разработаны методы элек­трофизиологии, которые позволяют в количе­ственной форме изучить поток ионов черезодну-единственную молекулу ионного канала(бокс 6.1).Наиболее важные характеристики про­цесса поступления веществ в симпластможно объяснить через взаимодействиепассивных и активных процессов.Накопление: энергия протон-движущейсилы достаточна для совершения значи­тельной концентрирующей работы. Кон­центрация иона К+, например, в клеткахводорослей и высших растений часто мо­жет быть выше 1000 и более раз по срав­нению с окружающей средой. Концентри­рование происходит тем сильнее, чем бо­лее разведен внешний раствор.

Например,если инкубировать кусочки свеклы в про­точной водопроводной воде, то через не­которое время концентрация К+ в клеткахустановится на уровне свыше 10 000:167по сравнению со средой, что требует про­тон-движущей силы величиной не менее-240 мВ (-59 мВ на каждый порядок накоп­ления; см.

уравнение 6.19).Селективность и насыщаемость. Способ­ность клетки к избирательному поглоще­нию определенных веществ по сравнениюс другими (например, К+ по отношению кNa f , фосфата по отношению к силикату)велика, однако не абсолютна. С одной сто­роны, в определенной мере постояннопроисходит неселективное, пассивное по­глощение веществ, с другой — перенос­чики и каналы тоже не вполне строго спе­цифичны. Так, ионы рубидия (Rb+) про­ходят через калиевые каналы; кальциевыеканалы проводят в определенном объеме(помимо кальция) также другие двух- иодновалентные катионы.

Вероятно, с по­мощью достаточно чувствительных мето­дов можно обнаружить в растениях всеприродные элементы. Наконец, помимовысокоаффинных и специфичных, встре­чаются также низкоаффинные, менее спе­цифичные системы поглощения (см. ниже).Если отобразить на графике поглощениеионов корнем растения (или другими тканями,например запасающей или тканями листа) привозрастающей концентрации ионов во внешнейсреде, то можно получить кривые, которые фор­мально подчиняются закономерности Михаэлиса—Ментен (рис. 6.23), действующим примени­тельно к многим ферментам(см. рис.

6.9). Так,скорость поглощения К+ корнем ячменя дости­гает максимума приблизительно при 0,2ммоль л"' КС1 во внешнем растворе, и этот мак­симум не будет превзойден даже приповыше­нии концентрации до 0,5 ммоль • л-1. Если, одна-Щ|ШЩ*:.::|ЛТехника «patch-clamp»К поверхности протопласта (или вакуоли)присоединяется стеклянный микроэлектрод (1).За счет легкого подсасывания клетки (2) обра­зуется очень прочный контакт между границейповерхности мембраны и стеклом, электриче­ское сопротивление которого лежит в пределах1 — 100 ГОм. Таким путем фоновый шум со­кращается настолько, что можно регистриро­вать открывание и закрывание отдельных ион­ных каналов, которые находятся на участкемембраны под пипеткой.

Вероятностью состо­яния открытости канала (Р0) называют ту долювремени в пределах избранного временного ин­тервала, в течение которой исследуемый ка­нал находится в открытом состоянии (пропус­кает ионы) при определенных эксперименталь­ных условиях (0 < Р0 < 1).Если в результате дальнейшего подсасыва­ния протопласт открывается внутрь электрода(нарушается целостность мембраны протопла-68| ГЛАВА 6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВЭлектродок 1 мкмСтеклянныймикроэлектрод-О(1) Подсасывание,tЭлектрод(2)Удаление / разрывклеткимембраныпрото­пластаИнкубационный раствор(буфер для инкубации)Реконструи­рованныймембранмембрана *585 ный белок(4)А. Принцип техники «patch-clamp*ста), то можно регистрировать суммарный токчерез общую поверхность протопласта (3). Если,напротив, удалить остатки клетки, то на пи­петке останется изолированный сектор клеточ­ной мембраны, который своей цитоплазматической стороной обращен в окружающий рас­твор (4) (англ.

patch — полоска, пятно, clamp —зажим, щипцы). Этот метод исследования внаибольшей степени подходит для изучениярегуляции ионных каналов внутриклеточнымифакторами, так как состав раствора с цитоплазматической стороны мембраны можно сво­бодно варьировать по желанию эксперимента­тора.^nnL^wiВезикулас мембраннымбелком^____^Г"*" ]U-~jI]WJС. Принцип техники липидного бислоярегородкой на две камеры.

Посередине пере­городки располагается отверстие (< 0,2 мм), вкотором находится плоский двойной слой липидов (lipid bilayer). В него могут быть встрое­ны ионные каналы, чью активность изучаютприкладывая напряжение. Для анализа доста­точно одной-единственной молекулы белкаионного канала.11 рА200 мсИI»»•»>.»• MHW-g|2рА100 мсВ. Патч-кламп анализ ионного канала из клет­ки растения.Регистрация импульсов тока через калиевыйканал клеток паренхимы побега брионии{Bryonia dioica) Конфигурация типа (2) приприложенном напряжении +20 мВ.

о — каналоткрыт, по нему течет ток ионов; g — канал зак­рыт, тока не наблюдаетсяD. Активность отдельного канала в липидномбислое.График активности во времени отдельноговстроенного в плоской двойной слой липидовкальциевого канала из эндоплазматическогоретикулума клеток брионии при приложенномнапряжении +50 мВПо оригинальным материалам Б. Клюзенер, Г. Вробель и А. Винанд, с любезного раз­решения.Техника липидного бислояЛитератураАктивность отдельных ионных каналов, на­пример мембранных, которые невозможноизучать методом «patch-clamp», может быть из­мерена с помощью принципиально сходнойэлектрической схемы, при которой два элек­трода погружаются в кювету, разделенную пе-НШе В (1992) Ionic Channels of ExcitableMembranes, 2nd ed.

Sinauer Associates Inc.,Sunderland, MA, USASacmann B, Neher E, eds (1995) SingleChannel Recording, 2nd ed. Plenum Press, NewYork, USA6.2. Минеральное питание25-о220-•-15-1ю>5ПJr—W'('10,1I1 IIАН" 1 ' I0,2 0,5 10 25KCI, ммоль л 'i50Рис. 6 . 2 3 . Скорость поглощения (v) калия взависимости от концентрации KCI в среде (поЕ Epstein).Ось абсцисс разорвана в интервале между0,2 и 0,5 ммоль л - 1 KCI Сплошная линия при низ­ких концентрациях— фаза 1 поглощения (продол­жена пунктирной линией) рассчитана по уравне­нию Михаэлиса—Ментен с К т = 0,021 ммоль л - 1 ,vmax =11,9 мкмоль/г (сырого веса) в часко, повысить концентрацию КС1 до весьма вы­соких значений (1 —50 ммоль л -1 ), то вновь про­изойдет повышение скорости поглощенияФорма кривой указывает на два различныхмеханизма поглощения ионов К+.

Механизм 1работает при низких концентрациях иона(< 1 ммоль л ', которые соответствуют есте­ственным концентрациям иона в почве), спе­цифичен для К+ (и Rb+) и не зависит от приро­ды и скорости поглощения соответствующегоаниона. Такие свойства указывают на то, что заданный транспорт отвечает калий-специфичес­кий ионный канал. Механизм 2 имеет низкоесродство к субстрату и поэтому работает эф­фективно только при высоких концентрацияхиона; относительно неспецифичен (с калиемконкурируют, например, Na+ и Са2+) и под­вержен влиянию со стороны сопутствующегоиона Это свидетельствует о том, что в основепроцесса лежит другая транспортная система.Подобная двухфазная кинетика поглощениянаблюдалась и для других катионов и анионов.Так, к примеру, при богатом сульфатном пи­тании в корне имеется лишь одна, низкоаф­финная и конститутивная (т.е постоянно при­сутствующая) система поглощения.

Как толькосодержание сульфата в среде становится нижеопределенного порогового значения, индуци­руется синтез второго, высокоаффинного пе­реносчика сульфата, который эффективно ра­ботает даже при микромолярных концентраци­ях ионаПеред растением возникает здесь особаяпроблема, так как поглощенные анионы нит­69рата и сульфата восстанавливаются (см. 6 6, 6.7)и таким образом удаляются из электрохимиче­ского равновесия. Для сохранения электроней­тральности катионы, лишившиеся своего противоиона (например, К+ при поглощении K2S04или же KN0 3 ) должны быть нейтрализованыдругими анионами.