И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Значение Р~ определяют при наложении на мембрану градиента водного потенциала (градиента осмотического или гидростатического давления). Рл характеризует проницаемость мембраны, связанную только с диффузией, т.е. с движением молекул воды, которое происходит даже в отсутствие градиента водного потенциала. Соответственно, его определяют в условиях, когда Ь'Р на мембране равен нулю. Значения Р, и Рл приблизительно равны, если транспорт воды осу- 2В8 ществляется только через липидный бислой, что, в частности„наблюдается на искусственных липидных бислоях, а также на биологических мембранах, в которых водные каналы отсутствуют или инактивированы. Показано, что для ПМ клеток многих растений Р, намного превосходит Ре.
Это свидетельствует об участии водных каналов в транспорте воды через эту мембрану. В отличие от диффузионной водопроницаемости осмотическая водопроницаемость оказалась чувствительной к соединениям ртути. Последняя ковалентно связывает сульфгидрильные группы.
Ингибирование транспорта воды соединениями ртути в условиях наложенного на мембрану а'Р позволило предположить, что водные каналы образованы белками, содержащими остатки цистеина. Чувствительность транспорта воды к ртутьсодержащим соединениям используется в качестве другого критерия участия в нем водных каналов.
Еще одним критерием вовлечения водных каналов в транспорт воды является его низкая энергия активации (Е, < 21 кДж/моль). В отличие от движения воды через каналы диффузия воды через липидный бислой характеризуется намного более высокими значениями энергии активации (Е, = 58 — 70 кДж/моль). На основании вышеприведенных критериев исследователи пришли к выводу, что водные каналы отвечают за основной поток воды через мембраны.
Использование молекулярно-биологических подходов в исследованиях позволило идентифицировать белки водных каналов — аквапорины. Первым идентифицированным белком с выраженной водно-транспортной активностью был белок мембраны эритроцитов СН!Р28 (сйаппе1-Гопп!п8 !и!е8га! ргоге1п), переименованный затем в А(РР1. На основании гомологии с А! !Р! позже были идентифицированы аквапорины у представителей различных систематических групп, в частности у бактерий, грибов, растений и животных. В растительных клетках аквапорины обнаружены в плазматической мембране и тонопласте.
Аквапорины ПМ входят в семейство интегральных белков Р1Р (р1аяпа шешЬгапе 1пгппз)с ргоге)п), аквапорины тонопласта — в семейство интегральных белков Т! Р (!опор!ач! !пгппа)с рго!еш). Для многих идентифицированных на основании гомологии с А! !Р! растительных белков была продемонстрирована водно-транспортная активность. С этой целью кДНК идентифицированных белков (предполагаемых аквапоринов) были транскрибированы !а огдго. Полученная РНК была введена в ооциты африканской травяной лягушки Хеаориз !аеоц. Через некоторое время, необходимое для синтеза белка и встраивания его в плазмагическую мембрану, ооциты переносили на гипотонический раствор и регистрировали скорость их набухания (скорость входа воды).
Набухание происходило значительно быстрее у ооцитов, ПМ которых содержала продукт внедренной РНК, свидетельствуя, что исследуемый белок является аквапорином. Такого рода доказательство наличия водно-транспортной активности было получено для гомологов А(~Р1 ПМ и тонопласта из арабидопсиса (АгаЬа!орзсг гЬайааа), растений табака (Хког/ада гаЬасит), хрустальной травки (ЫегетЬгуапгЬетит аузгайаит), бобов (Ис!а/аЬа), подсолнечника (Нейаагйиз аппаг), шпината (5р(ааааа о!егасеа) и кукурузы (7еа тауз). Молекулярная масса аквапоринов варьирует от 23 до 31 кДа. На рис. 5.5 представлена гипотетическая структура аквапорина, образующего канал в мембране. Полипептидная цепь аквапорина 6 раз пересекает липидный бислой. Домены, погруженные в липидный бислой, гидрофобны и образуют п-сдирали.
С- и 1Ч-концы аквапоринов ПМ и тонопласта расположены с цитоплазмати- ти Фианоаотн» Растений 289 Нз)Ч н, ноос Рис. 5.5. Структура аквапоринов и схема, иллюстрирующая транспорт воды через вод- ные каналы и липидный бислой мембраны (по 5. 1).Т>еппап е! а1., 1999): А — вторичняя структура мономеря яквапорина АЯР!. Цилиндры, обозначенные цифрами 1 — б, отражают а-спиряли, пересекающие липидпый бислой мембраны. !Ч, Р, А — зминокислотные остатки аспарягиновой кислоты, пролиня и зланина; Б — предполагаемый способ, посредспюм которого двя Х, Р, А-мотивя формируют в мембране водный канал 1покязян стрелками); В— четыре полипептила формируют в мембране тегрямерную структуру.
Ток воды осуществляется через каждый из четырех мономеров ческой стороны мембраны. Гндрофильные домены полипептидной цепи соединяют а-спирали. Между 2-й и З-й, а также между 5-й и 6-й а-спиралями гидрофильные домены включают небольшие гидрофобные петли. Последние, как и а-спирали, погружены в липидный бислой. Каждая из этих двух петель содержит высококонсервативный мотив Аяр-Рго-А1а, так называемый ХРА- бокс. Две петли, содержащие этот мотив, совмещаются в центре липидного бислоя и формируют две полусферические поры, которые вместе создают узкий водный канал. Полагают, что такого рода двухосевая симметрия обеспечивает ток воды через мембрану в обоих направлениях, в зависимости от направления градиента водного потенциала, а также отвечает за селективность водного канала по отношению к молекулам воды. Содержание белков Р1Р- и Т1Р-семейств в мембранах растительных клеток сильно варьирует.
Оно зависит от вида растения, ткани, условий водного ре- 290 жима и в некоторых случаях может достигать очень высоких значений. Было показано, например, что в плазматической мембране листьев шпината на долю белков Р1Р-семейства приходится до 20 % от общего содержания белков в этой мембране.
Аквапорины не только отвечают за быстрый транспорт воды через мембраны, но также дают организму возможность регулировать водные потоки как между клетками„так и внутри клеток. Эта регуляция осуществляется как путем изменения числа водных каналов в мембране, так и путем изменения их активности. Содержание водных каналов в мембране зависит от биосинтеза аквапоринов, который находится под контролем транскрипционных факторов. Регуляция активности уже сформированных водных каналов осуществляется путем фосфорилирования.
Водная проводимость мембран меняется в онтогенезе, изменяя потоки воды в соответствии с запросами роста и развития растения. Установлено, что при росте, когда происходит растяжение клеток, активность генов Т1Р-семейства возрастает. Экспрессия генов тонопластных аквапоринов и повышение транспортной активности последних в условиях роста растяжением необходимы для обеспечения усиленного притока воды в вакуоли и поддержания тургора в клетках. Контролирование водных потоков в расгении имеет большое значение и в условиях водного дефицита. Регуляция водно-транспортной активности ПМ путем фосфорилирования — дефосфорилирования аквапоринов и общие принципы регуляции экспрессии генов при водном дефиците рассмотрены в гл.
8 (см. подразд. 82). 5.7. поток воды в клетку Когда водный потенциал клетки отличается от водного потенциала среды, вода не находится в состоянии равновесия и движется в направлении от большего потенциала к меньшему. При этом объемный поток воды г„, т.е. объем воды, протекающий через единицу площади мембраны в единицу времени, пропорционален разности водных потенциалов по обе стороны мембраны: .(„= ~ Д Р = .(,(Ч~" — Ч~~), (5.12) где г„— объемный поток воды [смз см 2 с '1 или (см.
с ']; Մ— коэффициент гидравлической проводимости 1см . с '. МПа '1; !гЧ' — градиент водного потенциала; Ч'" — водный потенциал наружного раствора; Ч' — водный потенциал клетки. Если величина гидравлической проводимости известна, то, используя приведенное уравнение, можно рассчитать разность водных потенциалов, необходимую для обеспечения того или иного потока воды. Так, например, показано, что коэффициент водной проводимости у клеток междоузлий харовых водорослей ЛЪе!!а и Салага равен 10 ~ см с ' МПа '.
Можно принять, что зти гигантские клетки имеют форму цилиндра длиной 10 см и диаметром 1 мм. Площадь поверхности, через которую проходит вода, равна 2ьг 1, где г,— ралиус клетки; ! — ее длина; лг~,! — обьем клетки. Подставляя значения г „и ! в эти выражения, получим численные значения площади поверхности— 2л 0,05 1О = к ем~ и объема — л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
