Жиры и белки как дыхательный субстрат

Запасные жиры расходуются на дыхание проростков‚ развивающихся из семян‚ богатых жирами. Использование жиров начинается с их гидролитического расщепления липазой на глицерин и жирные кислоты‚ что происходит в органоидах‚ называемых сферосомами – жировыми каплями‚ или олеосомами. благодаря фосфорилированию и последующему окислению глицерин превращается в фосфоглицериновый альдегид‚ который включается в основной путь обмена углеводов.

Жирные кислоты окисляются по механизму β-окисления‚ в результате которого от жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные ацетильные остатки в форме ацетил Ко-А. Процесс β-окисления жирных кислот протекает в глиоксисомах. Ацетил Ко-А превращается в сукцинат и в митохондриях участвует в цикле Кребса.

Запасные белки используются для дыхания в результате гидролиза до аминокислот и последующем их окислении до ацетил Ко-А или кетокислот‚ которые поступают затем в цикл Кребса.

 

 

 

Рис. 23. Промежуточные продукты дыхания

 

«Три основных вопроса составляют проблему передвижения веществ. Это прежде всего вопрос о тканях‚ по которым происходит передвижение веществ‚ вопрос о направлениях передвижения… и третий вопрос – о механизме передвижения».

Д.А. Сабинин

 

ТРАНСПОРТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПО ФЛОЭМЕ

 

Важным звеном в обмене веществ растительного организма является транспорт органических соединений, обеспечивающий перенос различных метаболитов, энергетических продуктов и фи­зиологически активных веществ как внутри клетки, так и между клетками организма, входящими в состав отдельных тканей и органов растения. Главное направление перемещения метаболи­тов в зеленом растении — это отток продуктов фотосинтеза из листьев в другие органы: стебель, корень, цветки, плоды, клубни, луковицы и другие структуры, предназначенные для запасания органических веществ. Транспортную функцию выполняют эле­менты сосудистой системы растения, называемые флоэмой. В со­став флоэмы входит несколько типов специализированных кле­ток, включающих ситовидные элементы, клетки-спутники и паренхимные клетки, волокна и склереиды. Все они выполняют разные функции, но находятся в тесном взаимодействии.

 

 

Рис.24. Схема строения ситовидной трубки с клетками-спутниками

1 – клетки-спутники; 2 – вакуоли; 3 – аппарат Гольджи; 4 – гранулярный эндоплазматический ретикулум; 5 – ядро; 6 – митохондрии; 7 – свободные рибосомы; 8 – элемент ситовидной трубки; 9 – клеточная стенка; 10 – плазмодесмы; 11 – гладкий эндоплазматический ретикулум; 12 – пластиды; 13 – флоэмный белок в ситовидных порах; 14 – ситовидная пластинка с порами

Основные элементы флоэмы, по которым осуществляется транспорт веществ, — ситовидные трубки и клетки-спутники, которые образуют единую транспортную систему. Причем каж­дый ситовидный элемент соединен с помощью плазмодесм с одной или несколькими клетками-спутниками, возникающими из одной и той же меристематической клетки, что и данный ситовидный элемент. Торцевые концы ситовидных трубок обра­зуют перегородки в виде ситовидных пластинок, имеющих поры, через которые проходят плазмодесмы, соединяющие соседние ситовидные элементы (рис. 24).

В отличие от сосудов ксилемы, представляющих мертвые структуры, ситовидные трубки являются живыми клетками, у которых, однако, цитоплазма занимает небольшой объем, обра­зуя тонкий периферический слой вдоль клеточной стенки. В цитоплазме таких клеток содержится очень много пластид, слабо развиты мембранные системы эндоплазматического ретикулума и нет ядра, которое в процессе формирования флоэмы полнос­тью отмирает.

В порах ситовидных пластинок обнаружены полисахарид каллоза и флоэмный белок (Ф-белок), имеющий фибриллярную структуру. Последний также содержится и во внутреннем про­странстве ситовидной трубки. Наиболее вероятные функции каллозы и Ф-белка — участие в транспорте и предотвращении по­терь органических веществ при повреждении ситовидных трубок, вызывая под давлением заку­порку пор ситовидных пласти­нок.

Ситовидные трубки флоэмы многочисленными плазмодесмами связаны с сопровождаю­щими их клетками-спутника­ми, которые имеют крупное ядро, довольно плотную цито­плазму с большим количест­вом митохондрий и рибосом, что свидетельствует о высокой активности проходящих в них биохимических процессов. На тес­ную связь клеток-спутников с находящимися рядом ситовидны­ми трубками указывает высокая плотность плазмодесм, которых в этих структурах во много раз больше, чем в стенках клеток любых других тканей.

Ситовидные трубки и клетки-спутники обычно окружены па-ренхимными клетками, с участием которых происходит перенос веществ к сосудам флоэмы. В составе проводящих тканей, в том числе и флоэмы, находятся также одревесневшие клетки скле­ренхимы в виде волокон или склереид, повышающих механичес­кую прочность сосудистых систем.

Флоэмные элементы стеблей растений образуют довольно сложную систему, состоящую из параллельных пучков ситовид­ных трубок, которые, по мере того как переходят в листья, содержат меньше проводящих клеток, и самые мелкие сосуды - одну ситовидную трубку с ее сопровождающими клетками. Про­водящая система листовой пластинки имеет много ветвлений, и ее общая длина в расчете на 1 см² поверхности листа может достигать 1 м, так что на каждое флоэмное окончание приходит­ся всего лишь по нескольку клеток мезофилла листа. От клеток мезофилла продукты фотосинтеза перемещаются к ближайшему малому пучку.

Очень часто между элементами флоэмы и клетками мезофил­ла находятся передаточные клетки, которые выполняют функ­цию переноса веществ к ситовидным трубкам. Клеточные стенки у них имеют многочисленные внутренние выросты, увеличиваю­щие площадь плазмалеммы. Передаточные клетки способны по­глощать фотоассимиляты из соседних клеток мезофилла и пере­давать их через хорошо развитые утолщенные плазмодесмы клет­кам флоэмы.

Органические вещества передвигаются по флоэме в раство­ренном состоянии в двух направлениях — вверх и вниз, что от­личает ее от ксилемы, по которой поток транспортируемых ве­ществ направлен только вверх. Одновременное перемещение ве­ществ по флоэме в противоположных направлениях, по-видимому, происходит по разным ситовидным трубкам.

Более 80 % растворенных во флоэмном соке веществ состав­ляет дисахарид сахароза, которая служит основной транспортной формой углеводов. Ее концентрация в жидкой фазе ситовидных трубок может достигать 1 моль/л, тогда как в клетках мезофилла листа она в 10—30 раз ниже. По флоэме могут также переносить­ся и другие олигосахариды, восстановленные формы моносаха­ридов — спирты, фосфорные эфиры моносахаридов. У злаковых, лилейных и некоторых других растений транспортной формой углеводов кроме сахарозы могут служить олигосахариды, состоя­щие из остатков фруктозы, — фруктозиды.

Азотистые вещества транспортируются в растениях преимущественно в виде аминокислот и их амидов, концентрация которых во флоэмном соке составляет 10—15 ммоль/л. В соке флоэмы обнаружены также низко молекулярные белки. Кроме того, в не­большом количестве в нем содержатся органические кислоты, витамины, фитогормоны (ауксины, гиббереллины, цитокинины), наблюдается довольно высокая концентрация АТФ — 0,4— 0,6 ммоль/л. Из неорганических веществ во флоэме очень много ионов калия (до 200 ммоль/л). Флоэмный сок имеет слабоще­лочную реакцию (рН 8,0—8,5).

Органические вещества передвигаются по флоэме с довольно высокой скоростью — 20—100 см/ч. Например, у двудольных растений через 1 см² поперечного сечения ситовидных трубок за 1 мин проходит 0,2—0,5 г сухого вещества.

Общее направление транспорта органических веществ в расте­нии определяется локализацией и интенсивностью биохимичес­ких процессов, связанных с их потреблением. Такие процессы постоянно протекают в зонах роста (корневые и стеблевые ме­ристемы, молодые листья, цветки, плоды), где происходит ново­образование клеток и клеточных структур, а также в запасающих органах и тканях (семена, клубни, луковицы, стебли, корнепло­ды и др.), в которых на определенных этапах онтогенеза иниции­руется синтез запасных веществ, связанный с активным погло­щением фотоассимилятов и превращением их в нерастворимые в воде высокомолекулярные соединения или структурные элемен­ты запасающих органов.

Клетки и ткани растений, в которых происходит интенсивное потребление органических веществ, передвигающихся по транс­портным системам растений, называют аттрагирующими или ак­цепторными зонами, а центры образования метаболитов, подле­жащих оттоку в акцепторные зоны, — соответственно донорами. Главные доноры ассимилятов в растении — фотосинтезирующие ткани, в которых осуществляется первичный синтез органичес­ких веществ. На определенных этапах онтогенеза донорами ве­ществ для транспорта к акцепторным зонам могут быть вступаю­щие в фазу старения листья, запасающие ткани и органы расте­ния.

В формировании и поддержании в активном состоянии по­стоянно существующих в растении акцепторных зон важнейшую роль играют фитогормоны и другие эндогенные регуляторы био­химических процессов, способные вызывать активацию генов, индукцию и репрессию синтеза ферментов, оказывать влияние на проницаемость клеточных мембран и функционирование сис­тем трансмембранного переноса ионов и веществ-метаболитов.

Механизмы флоэмного транспорта органических веществ в растениях до конца еще не выяснены и объясняются в виде гипотез, проходящих экспериментальную проверку. Наиболее признаны две гипотезы — массового потока растворенных ве­ществ под давлением и электроосмотическая.

Первая гипотеза была впервые сформулирована Э. Мюнхом в 1926—1930 гг. Согласно ей между фотосинтезирующими клетка­ми, где образуются органические вещества, и зонами активного потребления ассимилятов (корень, плоды, клубни и др.) создает­ся осмотический градиент, трансформирующийся в ситовидных трубках в градиент гидростатического давления, в результате чего возникает направленный поток жидкости от органа-донора к органу-акцептору. Создание повышенной концентра­ции органических веществ в ситовидных трубках, составляющих флоэмные окончания в листьях, происходит путем активного транспорта с затратой значительного количества метаболической энергии.

Поступление органических веществ в ситовидные трубки уси­ливает в них осмотическое давление и вызывает приток воды из ксилемы, вследствие чего создается зона повы­шенного гидростатического давления. В ак­цепторной зоне, наоборот, происходят погло­щение низкомолекулярных органических со­единений и использование их на синтез высокомолекулярных запасных веществ и структурных элементов, образующихся в зонах роста новых клеток. В результате снижается концентрация низкомолекулярных веществ и формируется зона пониженного осмотического и гидростатического давления в си­товидных трубках, находящихся в непосредственном контакте с акцепторными клетками.

Таким образом, в транспортной системе флоэмы формируют­ся две зоны — с повышенным и пониженным гидростатическим давлением. Между ними за счет перепада давления образуется массовый поток жидкости с растворенными в ней сахарозой и другими органическими веществами. Наличие гидростатического давления в ситовидных трубках флоэмы подтверждено экспери­ментально и не вызывает сомнения. Особенно наглядно это продемонстрировано в опытах, где для изучения движения ве­ществ в элементах флоэмы использовали хоботок тли, представ­ляющий собой специализированный колюще-сосущий ротовой аппарат, способный проникать в отдельную ситовидную трубку (тля питается сахарами, переносимыми по флоэме). После удале­ния тела тли из оставшегося в ситовидной трубке хоботка, как из микрокапилляра, вследствие имеющегося там гидростатического давления будет вытекать флоэмный сок.

Несмотря на целый ряд экспериментальных подтверждений, гипотеза Э. Мюнха объясняет не все явления, связанные с транспортом веществ. Она, например, совершенно не доказыва­ет, почему ситовидные трубки сохраняются живыми и сопровож­даются клетками-спутниками, для чего нужны ситовидные плас­тинки и флоэмный белок, сильно замедляющие движение массо­вого потока жидкости по ситовидным трубкам. В какой-то степени эти явления объясняет электроосмотическая гипотеза, современный вариант которой был сформулирован в 1979 г. Д. Спэннером.

Основная концепция этой гипотезы заключается в том, что в ситовидных трубках флоэмы, как было указано, за счет разницы гидростатического давления возникает массовый поток раство­ренных веществ от органа-донора в направлении к аттрагирующей зоне. Вследствие щелочной реакции среды (рН 8,0—8,5) поверхность внутренней мембраны боковых стенок ситовидной трубки и ситовидной пластинки за счет мембранных белков имеет отрицательный заряд. Такой же заряд образуется и на поверхности молекул флоэмного белка, находящегося, вероятно, внутри пор ситовидной пластинки.

Вместе с массовым потоком по ситовидной трубке перемеща­ются различные органические вещества и заряженные частицы-ионы, особенно много во флоэмном соке ионов калия. Ионы калия и другие катионы свободно проходят через поры ситовид­ной пластинки, имеющей на поверхности отрицательный заряд, и перемещаются в соседнюю ситовидную трубку, тогда как анио­ны вследствие электростатического отталкивания не проходят через ситовидную пластинку и накапливаются в данной ситовид­ной трубке, создавая в ней отрицательный заряд (рис. 25).

 

Рис.25. Ускорение движение ионов и метаболитов через ситовидную пластинку в соответствии с гипотезой Спэннера

 

Как только этот заряд достигнет определенной величины, за счет возникающей разности потенциалов он вызывает перенос протонов через мембрану из цитоплазмы во внутреннее про­странство ситовидной трубки, компенсируя в ней отрицательный заряд. Однако в силу того, что регуляторные механизмы, ограни­чивающие перенос протонов через мембрану, срабатывают через некоторое время, во внутреннее пространство ситовидной трубки поступает несколько больше протонов, чем требуется для ком­пенсации создавшегося отрицательного заряда, в результате чего у поверхности ситовидной трубки на какое-то время возникает положительный заряд, и тогда определенное количество К⁺ и других катионов по законам электроосмоса перемещается к от­рицательно заряженной поверхности ситовидной пластинки и далее мимо фиксированных в ее порах отрицательно заряженных молекул Ф-белка в соседнюю ситовидную трубку.

Каждый движущийся катион окружен связанными с ним мо­лекулами воды, которые двигаются вместе с заряженной части­цей, образуя массовый поток жидкости и всех растворенных в ней веществ, в том числе молекул сахарозы, не имеющих элект­рического заряда. Таким образом, в результате передвижения через ситовидные пластинки определенного количества катионов за счет электроосмотических сил происходит ускорение массово­го потока раствора, переносимого по флоэме.

Избыточный положительный заряд в ситовидной трубке, воз­никающий в результате поступления протонов и вызывающий импульс электроосмотического ускорения движения флоэмного сока, с помощью регуляторных систем быстро погашается, и в ситовидной трубке снова начинает накапливаться отрицательный заряд и все процессы могут повторяться.

Погашение положительного заряда в ситовидной трубке осу­ществляется с помощью АТФ-зависимых Н⁺-помп, выполняю­щих обратный перенос протонов из внутреннего пространства ситовидной трубки в цитоплазму. Энергия для этого процесса генерируется в форме АТФ клетками-спутниками. Главный не­достаток электроосмотической гипотезы — отсутствие прямых экспериментальных подтверждений основных ее положений. Кроме изложенных известны и другие гипотезы, представляю­щие попытки более полного объяснения механизмов флоэмного транспорта веществ, однако они пока не подкреплены экспери­ментальными результатами.

Как указывалось, концентрация сахарозы в проводящих пуч­ках листовой пластинки во много раз выше, чем в фотосинтезирующих клетках, и, следовательно, ее поступление в ситовидные трубки происходит против градиента концентрации. Поэтому перенос сахарозы и других метаболитов из ближайших клеток листовой паренхимы в ситовидные трубки осуществляется с по­мощью механизмов активного транспорта, функционирование которых сопряжено с затратой энергии, чаще всего в виде АТФ.

Наиболее хорошо изученным механизмом трансмембранного переноса метаболитов (сахарозы, аминокислот) против градиента концентрации является их транспорт в симпорте (совместно) с ионами Н⁺, которые активируют белки-переносчики, находя­щиеся в мембране. При захвате протона молекула белка-пере­носчика одновременно взаимодействует с сахарозой или другим метаболитом, при этом происходит изменение конформации белковой молекулы, вызывающее физическое перемещение свя­занной с ней молекулы метаболита через мембраны. Движущий механизм такого переноса метаболитов через мембрану— градиент концентрации ионов водорода и связанный с ним трансмем­бранный потенциал, который поддерживается с помощью АТФ-зависимых Н⁺-помп.

По-видимому, в плазмалемме клеток-спутников функциониру­ют именно такие Н⁺-помпы, осуществляющие перенос протонов в свободное межклеточное пространство (апопласт) и генерирую­щие таким образом градиент ионов Н⁺ и трансмембранный по­тенциал. Работа Н⁺-помп обеспечивается энергией за счет гидролиза АТФ, интенсивно образующейся в клетках-спутниках, которые имеют значительно больше митохондрий, чем окружаю­щие паренхимные клетки. При достижении определенной вели­чины трансмембранного потенциала протоны начинают связы­ваться с белками-переносчиками, также находящимися в плазмалемме, инициируя тем самым перенос метаболитов через мембрану из апопласта в цитоплазму клеток-спутников, откуда по плазмодесмам метаболиты переносятся в ситовидные трубки.

Повышение концентрации сахарозы и других органических веществ в ситовидных трубках проводящих пучков листовой пластинки вызывает приток в них воды из окружающих клеток и ксилемы. Это создает значительное гидростатическое давление, вызывающее движение сока по флоэме в направлении к аттрагирующим зонам, где гидростатическое давление ниже. Возможно, что трансмембранные переносчики метаболитов, активируемые соответствующими Н⁺-помпами, находятся не только в мембра­нах клеток-спутников, но и в плазмалемме передаточных клеток, а также в паренхимных клетках окончаний флоэмы.

В апопласте листовой паренхимы многих двудольных расте­ний содержится довольно много сахарозы (до 20 % синтезируе­мой в листе) и других ассимилятов, являющихся источником их поступления в сосуды флоэмы. Как установлено, фотосинтезирующие клетки очень легко выделяют сахарозу, синтезирующую­ся в их цитоплазме, в межмолекулярное пространство клеточных стенок и относительно слабо ее поглощают, поэтому по мере оттока этого дисахарида во флоэму его концентрация в апоплас­те не снижается.

У значительной группы растений проводящие пучки в листо­вой пластинке окружены клетками обкладки, стенки которых непроницаемы для воды, поэтому транспорт органических ве­ществ в зоне обкладки должен проходить через симпласт, где перенос веществ возможен благодаря движению цитоплазмы. В акцепторной зоне клетки флоэмы и флоэмных окончаний обладают повышенной способностью к выделению сахарозы и других веществ в апопласт, а в плазмалемме акцепторных клеток функционируют Н⁺-помпы и белковые переносчики метаболи­тов. В результате работы Н⁺-помп происходит перенос протонов из цитоплазмы акцепторных клеток в фазу клеточных стенок, инициируя обратный поток протонов и ионов К⁺ по электроос­мотическому градиенту, при этом в симпорте с Н⁺-ионами осу­ществляется перенос в цитоплазму клеток сахарозы и других метаболитов. Далее по симпласту поступившие ассимиляты могут переноситься в другие клетки.

В результате функционирования Н⁺-помп и постоянного свя­зывания метаболитов в ходе процессов новообразования клеток и синтеза высокомолекулярных запасных веществ создается поток направленного транспорта веществ, который может пре­кратиться только при остановке процессов роста, инициируемых фитогормонами.

Благодаря функционированию транспортных систем обеспе­чивается постоянный отток из фотосинтезирующих клеток обра­зующихся там метаболитов, что вызывает смещение в них биохи­мических процессов в направлении синтеза этих веществ. Если учитывать, что оттоку в другие органы подлежат, как правило, конечные продукты многоступенчатых и взаимосвязанных пре­вращений веществ, то в результате понижения их концентрации происходит направленный сдвиг всей последовательности биохи­мических реакций, приводящих к синтезу этих конечных метабо­литов. В свою очередь, изменение концентрации метаболитов в ходе биохимических превращений приводит в действие регуляторные системы клеток, вызывающие изменение активности ферментов.

С другой стороны, при замедлении ростовых процессов сни­жается аттрагирующая способность клеток акцепторной зоны, вследствие чего повышается концентрация органических веществ в ситовидных трубках флоэмы, вызывающая сильное гидростати­ческое давление, которое ингибирует систему трансмембранного переноса сахаров в сосуды флоэмы. По-видимому, под воздействием повышенного внутриклеточного давления плазмалемма в клетках-спутниках и клетках флоэмных окончаний листа дефор­мируется, вызывая изменение структуры белка-переносчика, что приводит к ослаблению или полному ингибированию его транс­портной функции.

Механизмы регуляции, оказывающие влияние на передви­жение органических веществ в растении, заложены также в самой транспортной системе. Например, известно, что работа Н⁺-помп, приводящих в действие механизмы трансмембранного переноса метаболитов, активируется ауксином и ингибируется абсцизовой кислотой. Ключевую роль в загрузке ситовидных трубок флоэмы транспортируемыми веществами играют клетки-спутники, в которых за счет интенсивных дыхательных реакций происходит образование АТФ, необходимой для функционирова­ния Н⁺-помп. Об интенсивных процессах дыхания, происходя­щих в этих клетках, свидетельствует наличие у них большого количества митохондрий, а также многочисленных свободных и связанных с мембранами эндоплазматического ретикулума рибо­сом. Уровень функциональной активности клеток-спутников в значительной степени зависит от действия внешних факторов - температуры, обеспеченности растений влагой и питательными элементами, концентрации диоксида углерода и кислорода.

 

«Нынче‚ сударь‚ все молодежь пошла. Химии да физики в ходу… Такое уж нонче время настало‚ что в церкву не ходят‚ а больше‚ с позволения сказать‚ в удобрения веруют».

М.Е. Салтыков-Щедрин

 

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ

 

Минеральное питание — столь же уникальное свойство растения, как и фотосинтез. Именно эти две функции лежат в основе автотрофности растительного организма, т. е. способности строить свое тело из неорганических веществ.

Более столетия назад физиологи, пытаясь вырастить растения без почвы в водных растворах солей, установили, какие химические элементы, в каких формах и в каком количестве нужны растениям для нормального развития. На основе этих исследований началось производство удобрений, без которых в настоящее время земледелие немыслимо.

Современные представления о питании растений основываются на работах многих ученых, в том числе таких крупных русских исследователей, как Д.А. Сабинин и Д.Н. Прянишников. Д.А. Сабинин создал школу физиологов минерального питания в нашей стране, внес большой вклад в изучение поглотительной деятельности корня и создание концепции круговорота веществ в растении. Большое значение минеральным удобрениям придавал Д.Н. Прянишников — основоположник агрохимии в России. Его научные труды о корневом питании растений и удобрениях положены в основу химизации сельского хозяйства.