А2. Кто из ученых открыл клетку? 1) А.Левенгук 2) Т.Шванн 3) Р.Гук 4) Р.Вирхов
А3. Содержание какого химического элемента преобладает в сухом веществе клетки? 1) азота 2) углерода 3) водорода 4) кислорода
А4. Какая фаза мейоза изображена на рисунке? 1) Анафаза I 2) Метафаза I 3) Метафаза II 4) Анафаза II
А5. Какие организмы относятся к хемотрофам? 1) животные 2) растения 3) нитрифицирующие бактерии 4) грибы А6. Образование двухслойного зародыша происходит в период 1) дробления 2) гаструляции 3) органогенеза 4) постэмбриональный период
А7. Совокупность всех генов организма называется 1) генетика 2) генофонд 3) геноцид 4) генотип А8. Во втором поколении при моногибридном скрещивании и при полном доминировании наблюдается расщепление признаков в соотношении 1) 3:1 2) 1:2:1 3) 9:3:3:1 4) 1:1
А9. К физическим мутагенным факторам относится 1) ультрафиолетовое излучение 2) азотистая кислота 3) вирусы 4) бензпирен
А10. В каком участке эукариотической клетки синтезируются рибосомные РНК? 1) рибосома 2) шероховатая ЭПС 3) ядрышко ядра 4) аппарат Гольджи
А11. Каким термином называется участок ДНК, кодирующий один белок? 1) кодон 2) антикодон 3) триплет 4) ген
А12. Назовите автотрофный организм 1) гриб-подберезовик 2) амеба 3) туберкулезная палочка 4) сосна
А13. Чем представлен хроматин ядра? 1) кариоплазма 2) нити РНК 3) волокнистые белки 4) ДНК и белки
А14. В какой стадии мейоза происходит кроссинговер? 1) профаза I 2) интерфаза 3) профаза II 4) анафаза I
А15. Что образуется в ходе органогенеза из эктодермы? 1) хорда 2) нервная трубка 3) мезодерма 4) энтодерма
А16. Неклеточная форма жизни – это 1) эвглена 2) бактериофаг 3) стрептококк 4) инфузория
А17. Синтез белка на и-РНК называется 1) трансляция 2) транскрипция 3) редупликация 4) диссимиляция
А18. В световой фазе фотосинтеза происходит 1) синтез углеводов 2) синтез хлорофилла 3) поглощение углекислого газа 4) фотолиз воды
А19. Деление клетки с сохранением хромосомного набора называется 1) амитоз 2) мейоз 3) гаметогенез 4) митоз
А20. К пластическому обмену веществ можно отнести 1) гликолиз 2) аэробное дыхание 3) сборка цепи и-РНК на ДНК 4) расщепление крахмала до глюкозы
А21. Выберите неверное утверждение У прокариот молекула ДНК 1) замкнута в кольцо 2) не связана с белками 3) вместо тимина содержит урацил 4) имеется в единственном числе
А22. Где протекает третий этап катаболизма – полное окисление или дыхание? 1) в желудке 2) в митохондриях 3) в лизосомах 4) в цитолазме
А23. К бесполому размножению относится 1) партенокарпическое образование плодов у огурца 2) партеногенез у пчел 3) размножение тюльпана луковицами 4) самоопыление у цветковых растений
А24. Какой организм в постэмбриональном периоде развивается без метаморфоза? 1) ящерица 2) лягушка 3) колорадский жук 4) муха
А25. Вирус иммунодефицита человека поражает 1) половые железы 2) Т-лимфоциты 3) эритроциты 4) кожные покровы и легкие
А26. Дифференцировка клеток начинается на стадии 1) бластулы 2) нейрулы 3) зиготы 4) гаструлы
А27. Что является мономерами белков? 1) моносахариды 2) нуклеотиды 3) аминокислоты 4) ферменты
А28. В каком органоиде происходит накопление веществ и образование секреторных пузырьков? 1) аппарат Гольджи 2) шероховатая ЭПС 3) пластида 4) лизосома
А29. Какая болезнь наследуется сцепленно с полом? 1) глухота 2) сахарный диабет 3) гемофилия 4) гипертония
А30. Укажите неверное утверждение Биологическое значение мейоза состоит в следующем: 1) увеличивается генетическое разнообразие организмов 2) повышается устойчивость вида при изменении условий среды 3) появляется возможность перекомбинации признаков в результате кроссинговера 4) понижается вероятность комбинативной изменчивости организмов.
Наиболее крупная систематическая единица А) Царство Б) Отдел В) Класс Г) Семейство 3. К эукариотным относят клетку А) Грибов Б) Бактерий В) Цианобактерий Г) Вирусов 4. Азотистое основание аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты входят в состав А) ДНК Б) РНК В) АТФ Г) белка 5. Рибосомы представляют собой А) Комплекс микротрубочек Б) Комплекс двух округлых мембранных телец В) Два мембранных цилиндра Г) Две немембранные субъединицы грибовидной формы 6. Клетка бактерии, как и растительная клетка, имеет А) Ядро Б) Комплекс Гольджи В) Эндоплазматическую сеть Г) Цитоплазму 7. Органоид, в котором происходит окисление органических веществ до углекислого газа и воды А) Митохондрия Б) Хлоропласт В) Рибосома Г) Комплекс Гольджи. 8. Хлоропласты в клетке не выполняют функцию А) Синтеза углеводов Б) Синтеза АТФ В) Поглощения солнечной энергии Г) Гликолиза 9. Водородные связи между СО и NH-группами в молекуле белка придают ей форму спирали, что характерно для структуры А) Первичной Б) Вторичной В) Третичной Г) Четвертичной 10. В отличие от тРНК молекулы иРНК А) Доставляют аминокислоты к месту синтеза белка Б) Служат матрицей для синтеза тРНК В) Доставляют наследственную информацию о первичной структуре белка из ядра к рибосоме Г) переносят ферменты к месту сборки молекул белка. 11. Основной источник энергии в клетке А) Витамины Б) Ферменты В) Жиры Г) Углеводы 12. Процесс первичного синтеза глюкозы протекает А) В ядре Б) В хлоропластах В) Рибосомах Г) Лизосомах 13. Источником кислорода, выделяемого клетками в процессе фотосинтеза, является А) Вода Б) Глюкоза В) Рибоза Г) Крахмал 14. Сколько клеток и с каким набором хромосом образуется после мейоза? 15. Расхождение хроматид к полюсам клетки происходит в А) Анафазе Б) Телофазе В) Профазе Г) Метафазе 16. Биологический смысл митоза. 17. Преимущества бесполого размножения.
8. Какой уровень организации живой природы представляет собой совокупность всех экосистем земного шара в их взаимосвязи9. Какие из перечисленных органов являются гомологичными
10. Появление, какого признака у человека относят к атавизмам
11. Какая пара водных позвоночных животных подтверждает возможность эволюции на основе конвергентного сходства
12. Сходство функций хлоропластов и митохондрий состоит в том, что в них происходит
13. Назовите форму естественного отбора, благодаря которой число глаз и количество пальцев на конечностях позвоночных животных остается в течение длительного времени постоянным
14. Творческий характер естественного отбора в эволюции проявляется в
15. Назовите форму естественного отбора, результатом которой является утрата крыльев у части птиц и насекомых
16. В состав, каких молекул входит фосфор, необходимый всем живым организмам
17 К палеонтологическим доказательствам эволюции относят
18. Наибольшая концентрация живого вещества наблюдается
19. Какие структуры отсутствуют в клетках кожицы чешуи лука
20. Основатель научной систематики (классификации)
21. В молекуле ДНК количество нуклеотидов с тимином составляет …% от общего числа. Какой процент нуклеотидов с цитозином в этой молекуле
22. В процессе фотосинтеза растения
23. Остаток третьего века в углу глаза человека – пример
24. В каких органоидах клетки сосредоточено большое разнообразие ферментов, участвующих в расщеплении биополимеров до мономеров
25. Область распространения северного оленя в зоне тундры - это критерий
26. Моллюск малый прудовик является промежуточным хозяином
27. Наибольшую концентрацию ядовитых веществ в экологически загрязненной наземно-воздушной среде можно обнаружить у
28. Какой органоид обеспечивает транспорт веществ в клетке
29. К неклеточным формам жизни относятся
30. Промежуточный характер наследования признака проявляется при
31 Парниковый эффект на Земле является следствием повышения в атмосфере концентрации
32. Наиболее острая форма борьбы за существование
33. Генетическую неоднородность особей в популяции усиливает
34.Развитие многоклеточных организмов из зиготы служит доказательством
35. К атавизмам человека относят появление
36. Определите организмы, вступающие в конкурентные взаимоотношения
37.Что происходит при фотосинтезе
38. Сходство строения и жизнедеятельности клеток организмов разных царств живой природы – одно из положений
39. Строение и функции плазматической мембраны обусловлены входящими в её состав молекулами
40. Установите соответствие между формой естественного отбора и ее особенностями
1)02иН2О 3)С02иН20
2) С02 и Н2 4) С02 и Н2С03
2. Потребителем углекислого газа в биосфере является:
1) дуб 3) дождевой червь
2) орел 4) почвенная бактерия
3. В каком случае правильно написана формула глюкозы:
1) СН10 О5 3) СН12 Об
2) C5H220 4) С3Н603
4. Источником энергии для синтеза АТФ в хлоропластах является:
1) углекислый газ и вода 3) НАДФ Н2
2) аминокислоты 4) глюкоза
5. В процессе фотосинтеза у растений углекислый газ восстанавливается до:
1)гликогена 3) лактозы
2) целлюлозы 4) глюкозы
6. Органические вещества из неорганических могут создавать:
1) кишечная палочка 3) бледная поганка
2) курица 4) василёк
7. В световой стадии фотосинтеза квантами света возбуждаются молекулы:
1)хлорофилла 3) АТФ
2)глюкозы 4) воды
8. К автотрофам не относятся:
1)хлорелла и спирогира
2)береза и сосна
3)шампиньон и бледная поганка 4)синезеленые водоросли
9.. Основным поставщиком кислорода в атмосферу Земли являются:
1) растения 2)бактерии
3)животные 4)люди
10. Способностью к фотосинтезу обладают:
1)простейшие 2)вирусы
3)растения 4)грибы
11. К хемосинтетикам относятся:
1)железобактерии 2)вирусы гриппа и кори
3)холерные вибрионы 4)бурые водоросли
12. Растение при дыхании поглощает:
1)углекислый газ и выделяет кислород
2)кислород и выделяет углекислый газ
3)энергию света и выделяет углекислый газ
4)энергию света и выделяет кислород
13. Фотолиз воды происходит при фотосинтезе:
1)в течение всего процесса фотосинтеза
2)в темновой фазе
3)в световой фазе
4)при этом не происходит синтез углеводов
14. Световая фаза фотосинтеза происходит:
1)на внутренней мембране хлоропластов
2)на внешней мембране хлоропластов
3)в строме хлоропластов
4)в матриксе митохондрий
15. В темновую фазу фотосинтеза происходит:
1)выделение кислорода
2)синтез АТФ
3)синтез углеводов из углекислого газа и воды
4)возбуждение хлорофилла фотоном света
16. По типу питания большинство растений относится к:
17. В клетках растений, в отличие от клеток человека, животных, грибов, происходит
1)обмен веществ 2)аэробное дыхание
3)синтез глюкозы 4)синтез белков
18. Источником водорода для восстановления углекислого газа в процессе фотосинтеза служит
1)вода 2)глюкоза
3)крахмал 4)минеральные соли
19. В хлоропластах происходит:
1)транскрипция иРНК 2)образование рибосом
3)образование лизосом 4)фотосинтез
20. Синтез АТФ в клетке происходит в процессе:
1)гликолиза; 2)фотосинтеза;
3)клеточного дыхания; 4)всех перечисленны
Министерство сельского хозяйства РФ
ФГБОУ ВПО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»
Кафедра экологии
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «Физиология растений»
Выполнила:
студентка 4 курса
технологического факультета
Степанова А. Ю.
Проверил:
преподаватель Таран Т. В.
Ярославль 2014
1. Поглощение веществ растительной клеткой. Пассивный и активный транспорты……………………………………………………………………
2. Транскрипция и ее биологическое значение, виды. Факторы, определяющие величину транскрипции……………………………………
3. Дегидрогеназы, их химическая природа и характер действия………………
4. Физиология покоя и прорастания семян. Влияние внутренних и внешних условий на процесс прорастания семян……………………………………..
1. Поглощение веществ растительной клеткой. Пассивный и активный транспорты
Поступление веществ в клеточную стенку (1-й этап).
Поглощение веществ клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной оболочкой. Еще работами Д. А. Сабинина и И. И. Колосова было показано, что клеточная оболочка способна к быстрой адсорбции ионов. Причем эта адсорбция в ряде случаев носит обменный характер. В дальнейшем в опытах с выделенными клеточными оболочками было показано, что их можно рассматривать как ионообменник. На поверхности клеточной оболочки оказываются адсорбированными ионы Н + и НС0 3 - , которые в эквивалентных количествах меняются на ионы, находящиеся во внешней среде. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и межмолекулярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами.
Первый этап поступления характеризуется большой скоростью и обратимостью. Поступившие ионы легко вымываются. Это пассивный диффузионный процесс, идущий по градиенту электрохимического потенциала. Объем клетки, доступный для свободной диффузии ионов, включает клеточные стенки и межклеточные промежутки, т. е. апопласт или свободное пространство. По расчетам свободное пространство (СП) может занимать в растительных тканях 5-10% объема. Поскольку в клеточную оболочку входят амфотерные соединения (белки), заряд которых меняется при разных значениях рН, то в зависимости от значения рН скорость адсорбции катионов и анионов также может меняться. Поступление веществ через мембрану (2-й этап). Для того чтобы проникнуть в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, вещества должны пройти через мембрану - плазмалемму. Перенос веществ через мембрану может идти пассивным и активным путем. При пассивном поступлении веществ через мембрану основой переноса и в этом случае является диффузия. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и от растворимости вещества в липидной фазе мембраны. Поэтому неполярные вещества, которые растворяются в липидах (органические и жирные кислоты, эфиры), легче проходят через мембрану. Однако большинство веществ, которые важны для питания клетки и ее метаболизма не могут диффундировать через липидный слой и транспортируются с помощью белков, которые облегчают проникновение воды, ионов, Сахаров, аминокислот и других полярных молекул в клетку. В настоящее время показано существование трех типов таких транспортных белков: каналы, переносчики, помпы.
Три класса транспортных белков:
1 - белковый канал;
2 - переносчик;
3 - помпа.
Каналы - это трансмембранные белки, которые действуют как поры. Иногда их называют селективными фильтрами. Транспорт через каналы, как правило, пассивный. Специфичность транспортируемого вещества определяется свойствами поверхности поры. Как правило, через каналы передвигаются ионы. Скорость транспорта зависит от их величины и заряда. Если пора открыта, то вещества проходят быстро. Однако каналы открыты не всегда. Имеется механизм «ворот», который под влиянием внешнего сигнала открывает или закрывает канал. Долгое время представлялась труднообъяснимой высокая проницаемость мембраны (10 мкм/с) для воды - вещества полярного и нерастворимого в липидах. В настоящее время открыты интегральные мембранные белки, представляющие канал через мембрану для проникновения воды - аквапорины. Способность аквапоринов к транспорту воды регулируется процессом фосфорилирования. Было показано, что присоединение и отдача фосфатных групп к определенным аминокислотам аквапоринов ускоряет или тормозит проникновение воды, но не влияет на направление транспорта.
Переносчики - это специфические белки, способные связываться с переносимым веществом. В структуре этих белков имеются группировки, определенным образом ориентированные на наружную или внутреннюю поверхность. В результате изменения конформации белков вещество передается наружу или внутрь. Поскольку для транспорта каждой отдельной молекулы или иона переносчик должен изменить конфигурацию, скорость транспорта вещества в несколько раз меньше, чем происходит перенос через каналы. Показано наличие транспортных белков не только в плазмалемме, но и в тонопласте. Транспорт с помощью переносчиков может быть активным и пассивным. В последнем случае такой транспорт идет по направлению электрохимического потенциала и не требует затрат энергии. Этот тип переноса называется облегченной диффузией. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия.
Согласно представлениям о работе переносчиков, ион (М) реагирует со своим переносчиком (X) на поверхности мембраны или вблизи нее. Эта первая реакция может включать или обменную адсорбцию, или какое-то химическое взаимодействие. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не могут перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ионом (MX) подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду с образованием предшественника переносчика (X 1). Этот предшественник переносчика снова передвигается к внешней стороне мембраны, где вновь превращается из предшественника в переносчик, который на поверхности мембраны может соединиться с другим ионом. При введении в среду вещества, способного образовать прочный комплекс с переносчиком, перенос вещества блокируется. Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показали, что перенос ионов может проходить под влиянием некоторых антибиотиков, вырабатываемых бактериями и грибами,- ионофоров. Транспорт с участием переносчиков обладает свойством насыщения, т. е. при увеличении концентрации веществ в окружающем растворе скорость поступлении сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это объясняется ограниченным количеством переносчиков.
Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе только определенных веществ и, тем самым, обеспечивают избирательность поступления.
Комплекс ионофор К +
Это не исключает того, что один и тот же переносчик может обеспечивать перенос нескольких ионов. Например, переносчик К + , обладающий специфичностью для этого иона, также переносит Rb + и Na + , но не транспортирует Сl - или незаряженные молекулы сахарозы. Транспортный белок, специфичный для нейтральных кислот, хорошо переносит аминокислоты глицин, валин, но не аспарагин или лизин. Благодаря разнообразию и специфичности белков осуществляется избирательная их реакция с веществами, находящимися в среде, и, как следствие, их избирательный перенос.
Насосы (помпы) - интегральные транспортные белки, осуществляющие активное поступление ионов. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии и против электрохимического градиента. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессами дыхания и фотосинтеза и в основном аккумулирована в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ, это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН -> АДФ + Ф н. Ферменты, осуществляющие гидролиз АТФ, называются аденозинтрифосфатазы (АТФазы). В мембранах клеток обнаружены различные АТФазы: К + - Na + - АТФаза; Са 2+ - АТФаза; Н + - АТФаза. Н+- АТФаза (Н + -насос или водородная помпа) является основным механизмом активного транспорта в клетках растений, грибов и бактерий. Н + - АТФаза функционирует в плазмалемме и обеспечивает выброс протонов из клетки, что приводит к образованию электрохимической разности потенциалов на мембране. Н + - АТФаза переносит протоны в полость вакуоли и в цистерны аппарата Гольджи.
Расчет показывает, что для того, чтобы 1 моль соли диффундировал против градиента концентрации, необходимо затратить около 4600 Дж. Вместе с тем при гидролизе АТФ выделяется 30660 Дж/моль. Следовательно, этой энергии АТФ должно хватить для транспорта нескольких моль соли. Имеются данные, показывающие прямо пропорциональную зависимость, существующую между активностью АТФазы и поступлением ионов. Необходимость молекул АТФ для осуществления переноса подтверждается еще и тем, что ингибиторы, нарушающие аккумуляцию энергии дыхания в АТФ (нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования), в частности динитрофенол, тормозят поступление ионов.
Насосы делят на две группы:
1. Электрогенные, которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны.
2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.
Механизм действия транспортной АТФазы (P - неорганический фосфат).
Таким образом, перенос ионов через мембрану может осуществляться активным и пассивным путем. В обеспечении транспортной функции мембран и избирательности поглощения большую роль играют транспортные белки: каналы, переносчики и помпы. В настоящее время для многих транспортных белков гены клонированы. Идентифицированы гены, кодирующие калиевые каналы. На арабидопсисе получены мутации генов, которые влияют на транспорт и восстановление нитратов. Показано, что в геноме растений за транспорт веществ через мембраны отвечает не один ген, а несколько. Такая множественность обеспечивает выполнение функции в различных частях растений, что позволяет транспортировать вещества из одной ткани в другую.
Наконец, клетка может «заглатывать» питательные вещества вместе с водой (пиноцитоз). Пиноцитоз - это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с растворенными веществами. Явление пиноцитоза известно для клеток животных. Сейчас доказано, что оно характерно и для клеток растений. Процесс этот можно подразделить на несколько фаз: 1) адсорбция ионов на определенном участке плазмалеммы; 2) впячивание, которое происходит под влиянием заряженных ионов; 3) образование пузырьков с жидкостью, которые могут мигрировать по цитоплазме; 4) слияние мембраны, окружающей пиноцитозный пузырек, с мембранами лизосом, эндоплазматической сети или вакуоли и включение веществ в метаболизм. С помощью пиноцитоза в клетки могут попадать не только ионы, но и различные растворимые органические вещества.
Действие АТФ-азного насоса цитоплазматической мембраны.
Транспорт веществ в цитоплазме (3-й этап) и поступление в вакуоль (4-й этап). Пройдя через мембрану, ионы поступают в цитоплазму, где включаются в метаболизм клетки. Существенная роль в процессе связывания ионов цитоплазмой принадлежит клеточным органеллам. Митохондрии, хлоропласта, по-видимому, конкурируют между собой, поглощая катионы и анионы, поступившие через плазмалемму в цитоплазму. В процессе аккумуляции ионов в разных органеллах цитоплазмы и включения в метаболизм большое значение имеет их внутриклеточный транспорт. Этот процесс осуществляется, по-видимому, по каналам ЭПР.
В вакуоль попадают ионы в случае, если цитоплазма уже насыщена ими. Это как бы излишки питательных веществ, не включенные в реакции метаболизма. Для того, чтобы попасть в вакуоль, ионы должны преодолеть еще один барьер - тонопласт. Если в плазмалемме механизм переноса ионов действует в пределах относительно низких концентраций, то в тонопласте - при более высоких концентрациях, когда цитоплазма уже насыщена данным ионом. В мембранах вакуоли были обнаружены вакуолярные каналы, которые отличаются по времени открывания (быстрые и медленные). Перенос ионов через тонопласт совершается также с помощью переносчиков и требует затраты энергии, что обеспечивается работой Н+ - АТФазы тонопласта. Потенциал вакуоли по сравнению с цитоплазмой положителен, поэтому анионы поступают по градиенту электрического потенциала, а катионы и сахара - в антипорте с протонами. Низкая проницаемость тонопласта для протонов позволяет снизить затраты энергии для поступления веществ. Вакуолярная мембрана имеет и вторую протонную помпу, связанную с Н + -пирофосфатазой. Этот фермент состоит из единственной полипептидной цепи. Источником энергии для потока протонов является гидролиз неорганического пирофосфата. В тонопласте обнаружены транспортные белки, которые позволяют проникать в вакуоль большим органическим молекулам непосредственно за счет энергии гидролиза АТФ. Это играет роль в аккумуляции пигментов в вакуоли, в образовании антимикробных веществ, а также при обезвреживании гербицидов. Поступившие в вакуоль вещества обеспечивают осмотические свойства клетки. Таким образом, проникающие через плазмалемму ионы накапливаются и связываются цитоплазмой, и только их избыток десорбируется в вакуоль. Именно поэтому между содержанием ионов во внешнем растворе и клеточном соке нет и не может быть равновесия. Необходимо еще раз подчеркнуть, что большое значение для жизнедеятельности клетки имеет активное поступление. Именно оно ответственно за избирательное накопление ионов в цитоплазме. Поглощение питательных веществ клеткой тесно связано с обменом веществ. Эти связи многосторонни. Для активного переноса необходимы синтез белков - переносчиков, энергия, поставляемая в процессе дыхания, эффективная работа транспортных АТФаз. Надо учитывать также, что, чем быстрее поступающие ионы включаются в метаболизм, тем интенсивнее идет их поглощение. Для многоклеточного высшего растения не меньшее значение имеет и передвижение питательных веществ из клетки в клетку. Чем быстрее проходит этот процесс, тем быстрее соли будут при прочих равных условиях поступать в клетку.
ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ ПОСТУПЛЕНИЯ
Поглощение питательных веществ клеткой может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение - это поглощение, не требующее затраты энергии. Оно связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного вещества. С термодинамической точки зрения направление диффузии определяется химическим потенциалом вещества. Чем выше концентрация вещества, тем выше его химический потенциал. Передвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Необходимо отметить, что направление движения ионов определяется не только химическим, но также электрическим потенциалом. Следовательно, пассивное передвижение ионов может идти по градиенту химического и электрического потенциала. Таким образом, движущей силой пассивного транспорта ионов через мембраны является электрохимический потенциал.
Электрический потенциал на мембране - трансмембранный потенциал может возникать в силу разных причин:
1.Если поступление ионов идет по градиенту концентрации (градиенту-химического потенциала), однако благодаря разной проницаемости мембраны с большей скоростью поступает либо катион, либо анион. В силу этого на мембране возникает разность электрических потенциалов, что, в свою очередь, приводит к диффузии противоположно заряженного иона.
2. При наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих определенные ионы, т. е. иммобилизирующих их. За счет фиксированных зарядов создается дополнительная возможность поступления ионов противоположного заряда (доннановское равновесие) .
3. В результате активного (связанного с затратой энергии) транспорта либо катиона, либо аниона. В этом случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по градиенту электрического потенциала. Явление, когда потенциал генерируется активным поступлением через мембрану ионов одного заряда, носит название электрогенного насоса. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии.
Активный транспорт - это транспорт, идущий против электрохимического потенциала с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма.
Пассивный и активный транспорт
Имеется ряд доказательств существования активного транспорта ионов. В частности, это опыты по влиянию внешних условий. Так, оказалось, что поступление ионов зависит от температуры. В определенных пределах с повышением температуры скорость поглощения веществ клеткой возрастает. В отсутствие кислорода, в атмосфере азота, поступление ионов резко тормозится и может даже наблюдаться выход солей из клеток корня наружу. Под влиянием дыхательных ядов, таких, как KCN, СО, поступление ионов также затормаживается. С другой стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения. Все это указывает на то, что между поглощением солей и дыханием существует тесная связь.
Многие исследователи приходят к выводу о тесной взаимосвязи между поглощением солей и синтезом белка. Так, хлорамфеникол - специфический ингибитор синтеза белка - подавляет и поглощение солей. Активное поступление ионов осуществляется с помощью особых транспортных механизмов - насосов. Насосы подразделяются на две группы:
1.Электрогенные (упомянутые ранее), которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны.
2. Электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинаковыми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.
Способность клетки к избирательному накоплению питательных солей, зависимость поступления от интенсивности обмена служат доказательством того, что наряду с пассивным имеет место и активное поступление ионов. Оба процесса часто идут одновременно и бывают настолько тесно связаны, что разграничить их трудно.
Поглощение питательных веществ клеткой может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение - это поглощение, не требующее затраты энергии. Оно связано с процессом диффузии и идет по градиенту концентрации данного вещества. Как уже рассматривалось выше(см. с. 46), с термодинамической точки зрения направление диффузии определяется химическим потенциалом вещества. Чем выше концентрация вещества, тем выше его химический потенциал. Передвижение идет в сторону меньшего химического потенциала. Необходимо отметить, что направление движения ионов определяется не только химическим, но также электрическим потенциалом. Ионы, обладающие разноименным зарядом, могут диффундировать через мембрану с разной скоростью. Благодаря этому создается разность потенциалов, которая, в свою очередь, может служить движущей "силой поступления противоположно заряженного иона. Электрический потенциал может также возникать в результате неравномерного распределения зарядов в самой мембране. Таким образом, пассивное передвижение ионов может идти по градиенту химического и электрического потенциала.
Наряду с пассивным имеет место активный транспорт ионов в клетку, т. е. с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма. Имеется ряд доказательств существования активного транспорта ионов. В частности, это опыты по влиянию внешних условий. Так, оказалось, что поступление ионов зависит от температуры. В определенных пределах с повышением температуры скорость поглощения веществ клеткой возрастает. В отсутствии кислорода, в атмосфере азота, поступление ионов резко тормозится и может даже наблюдаться выход солей из клеток корня наружу. Под влиянием дыхательных ядов, таких, как КСN, СО, поступление ионов также затормаживается. С другой стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения. Все это указывает на то, что между поглощением солей и дыханием существует тесная связь.
Первичная клеточная оболочка - сложная структура. Пектиновые вещества, целлюлоза, гемицеллюлоза и другие соединения, входящие в состав клеточных оболочек, содержат карбоксильные группы, которые при диссоциации заряжают ее отрицательно. В составе оболочки имеются также белки, которые могут в зависимости от рН сообщать поверхности клеток отрицательный или положительный заряд. В результате этого клеточная оболочка может выступать как ионообменник, обратимо связывая катионы и анионы. На поверхности клеточной оболочки оказываются адсорбированными ионы Н + и НС0 3 - , которые в эквивалентных количествах меняются на ионы, находящиеся в свободном пространстве. Благодаря тому, что оболочка имеет значительное количество (межфибриллярных) промежутков, не занятых матриксом, у нее имеется большая внутренняя поверхность, которая и участвует в адсорбции ионов из свободного пространства. Ионы могут, таким образом, накапливаться в клеточной оболочке, и она служит как бы их резервуаром.
Для того чтобы поступить в цитоплазму и включиться в метаболизм клетки, ионы должны пройти через мембрану - плазмалемму. Существует несколько гипотез, объясняющих проникновение ионов через мембрану. Наиболее распространенное мнение, что ионы проникают через мембрану с помощью переносчиков.
Транспорт с участием переносчиков может идти по направлению химического или электрического градиента. В этом случае поступление ионов не требует затрат энергии - это пассивный процесс. Однако он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия (облегченная диффузия). Процесс избирательного концентрирования ионов в клетке, идущий против электрохимического градиента, требует затраты энергии. Именно этот активный перенос имеет решающее значение для жизнедеятельности клетки. Энергия, используемая для активного поступления ионов, поставляется процессом дыхания и в основном аккумулирована в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ, это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН → АДФ + Ф н. Процесс этот катализируется ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-аза). АТФ-аза обнаружена в мембранах различных клеток. Для животных клеток показано, что в мембранах локализована транспортная АТФ-аза. Этот фермент активируется в присутствии одновалентных катионов калия и натрия (К + , N + , АТФ-аза) и ингибируется гликозидом уабаином. С наличием транспортной АТФ-азы связывают активный перенос ионов через мембраны. АТФ-азная активность обнаружена и в растительных мембранах. Освобождаемая при распаде АТФ энергия используется для изменения конфигурации самой АТФ-азы, благодаря чему участок фермента, связывающий определенный ион, поворачивается и оказывается по другую сторону мембраны. Таким путем может осуществляться активный перенос иопов (с использованием энергии) против градиента концентрации. Расчет показывает, что для того, чтобы 1 моль соли диффундировал против градиента концентрации, необходимо затратить около 4600 Дж. Вместе с тем при гидролизе АТФ выделяется 30 660 Дж/моль. Следовательно, этой энергии АТФ должно хватить для транспорта нескольких молей соли. Имеются данные, показывающие прямо пропорциональную зависимость, существующую между активностью фермента АТФ-азы и поступлением ионов.
Необходимость молекул АТФ для осуществления переноса подтверждается еще и тем, что ингибиторы, нарушающие аккумуляцию энергии дыхания в АТФ (нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования), в частности динитрофенол, тормозят поступление ионов. Вместе с тем энергия дыхания может и непосредственно без предварительного накопления в АТФ использоваться на перенос ионов против градиента концентрации. Механизм этого явления заключается в том, что в результате процесса дыхания на одной стороне мембраны (наружной) накапливаются ионы водорода, при этом внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно. Катионы поступают внутрь, притягиваясь к отрицательно заряженной внутренней стороне мембраны.
Пиноцитоз - это впячивание поверхностной мембраны, благодаря которому происходит заглатывание капелек жидкости с растворенными веществами. Явление пиноцитоза известно для клеток животных организмов. Сейчас доказано, что оно характерно и для клеток растений. Процесс этот можно подразделить па несколько фаз:
1) адсорбция ионов на определенном участке плазмалеммы;
2) впячивание, которое происходит под влиянием заряженных ионов;
3) образование пузырьков с жидкостью, которые могут мигрировать по цитоплазме;
4) ферментативное разрушение мембраны, окружающей пиноцитозный пузырек, и включение веществ в метаболизм. С помощью пиноцитоза в клетки могут попадать не только ионы, но и различные растворимые органические вещества.
За счет сосущей силы, возникающей при испытании влаги через устьица листьев, и нагнетающего действия корней находящиеся в почвенном растворе ионы минеральных солей вместе с током воды могут поступать сначала в полые межклеточники и поры клеточных оболочек молодых корешков, а затем транспортироваться в надземную часть растений по ксилеме – восходящей части сосудисто-проводящей системы, состоящей из омертвевших клеток без перегородок, лишенных живого содержимого.
Однако, внутрь живых клеток корня (как и надземных органов), имеющих наружную полупроницаемую цитоплазматическую мембрану, поглощенные и транспортируемые с водой ионы могут проникать несколько иначе.
«Пассивное» поглощение – т.е. без дополнительной затраты энергии – только по градиенту концентрации – от большей к меньшей за счет процесса диффузии, либо при наличии соответствующего электрического потенциала (для катионов – отрицательного, а анионов – положительного) на внутренней поверхности мембраны по отношению к наружному раствору.
Диффузия – передвижение молекул газов, жидкостей или растворенного вещества по градиенту концентрации – зависит от градиента концентрации поглощенных веществ и площади, через которую проходят вещества или ионы. Постоянное прохождение ионов через плазмалемму влечет непрерывный подток к ней новых ионов для выравнивания концентрации.
Часть общего объема тканей корневой системы, в которую ионы поступают и из которой выделяются вследствие диффузии, называют свободным пространством. Оно составляет около 4 – 6 % общего объема корня и локализовано в рыхлой первичной оболочке клеточных стенок вне протопласта снаружи от плазмалеммы.
Однако в растительных организмах питательные элементы, как правило, находятся в значительно более высоких концентрациях, чем в окружающем их питательном растворе. Более того, поступление отдельных элементов и их концентрирование осуществляется различно и не соответствует соотношению концентраций элементов в питательном растворе. Это происходит благодаря плазмолемме, которая предотвращает потерю веществ, накопленных клеткой путем диффузии, одновременно обеспечивая проникновение воды и элементов минерального питания.
В этом случае поглощение питательных веществ растениями должно происходить против градиента концентрации и невозможно за счет диффузии.
Растения одновременно поглощают как катионы, так и анионы. При этом отдельные ионы поступают в растение в совсем другом соотношении, чем они содержатся в почвенном растворе. Одни ионы поглощаются корнями в большем, другие – в меньшем количестве и с разной скоростью даже при одинаковой их концентрации в окружающем растворе. Совершенно очевидно, что пассивное поглощение, основанное на явлениях диффузии и осмоса, не может иметь существенного значения в питании растений, носящем ярко выраженный избирательный характер.
Исследования с применением меченых атомов показали также, что поглощение питательных веществ и дальнейшее их передвижение в растении происходит со скоростью, которая в сотни раз превышает возможную за счет диффузии и пассивного транспорта по сосудисто – проводящей системе с током воды.
Кроме того, не существует прямой зависимости поглощения питательных веществ корнями растений от интенсивности транспирации, от количества поглощенной и испарившейся влаги.
Все это подтверждает положение, что поглощение питательных веществ растениями осуществляется не просто путем пассивного всасывания корнями почвенного раствора вместе с содержащимися в нем солями, а является активным физиологическим процессом, который неразрывно связан с жизнедеятельностью корней и надземных органов растений, с процессами фотосинтеза, дыхания и обмена веществ и обязательно требует затраты энергии.
Схематически процесс поступления элементов питания в корневую систему растений выглядит следующим образом.
К внешней поверхности цитоплазматической мембраны корневых волосков и наружных клеток молодых корешков ионы минеральных солей передвигаются из почвенного раствора с током воды и за счет диффузии.
Первым этапом поступления ионов внутрь клетки является поглощение (адсорбция) ионов на наружной поверхности цитоплазматической мембраны. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, между которыми встроены молекулы белков. Благодаря мозаичной структуре отдельные участки цитоплазматической мембраны имеют отрицательные и положительные заряды, за счет которых может происходить одновременно адсорбция необходимых растению катионов и анионов из наружной среды в обмен на другие ионы.
Обменным фондом катионов и анионов у растений могут являться ионы Н + и ОН - , а также Н + и НСО 3 - , образующиеся при диссоциации угольной кислоты, выделяемой при дыхании.
Адсорбция ионов на поверхности цитоплазматической мембраны носит обменный характер и не требует затраты энергии. В обмене принимают участие не только ионы почвенного раствора, но и ионы, поглощенные почвенными коллоидами. Вследствие активного поглощения растениями ионов, содержащих необходимые элементы питания, их концентрация в зоне непосредственного контакта с корневыми волосками снижается. Это облегчает вытеснение аналогичных ионов из поглощенного почвой состояния в почвенный раствор (в обмен на другие ионы).
Транспорт адсорбированных ионов с наружной стороны цитоплазматической мембраны на внутреннюю против градиента концентрации и против электрического потенциала требует обязательной затраты энергии. Механизм такой «активной» перекачки весьма сложен. Она осуществляется с участием специальных «переносчиков» и так называемых ионных насосов, в функционировании которых важная роль принадлежит белкам, обладающим АТФ – азной активностью. Активный транспорт внутрь клетки через мембрану одних ионов, содержащих необходимые растениям элементы питания, сопряжен с встречным транспортом наружу других ионов, находящихся в клетке в функционально избыточном количестве.
Первоначальный этап поглощения питательных веществ растениями из почвенного раствора – адсорбция ионов на поглощающей поверхности корня – постоянно возобновляется, поскольку адсорбированные ионы непрерывно перемещаются внутрь клеток корня.
Избирательность поглощения ионов, повышение их концентрации внутри клеток, конкуренцию при поглощении клетками корня между химически близкими ионами объясняет теория переносчиков. Согласно этой теории ион преодолевает мембрану не в свободном виде, а в виде комплекса с молекулой переносчика. На внутренней стороне мембраны комплекс диссоциирует, освобождая ион внутри клетки. Перенос ионов внутрь клеток может осуществляться с помощью переносчиков различного типа.
Транспорт веществ внутрь клеток корня стимулируется тем, что в цитоплазме многие ионы вовлекаются быстро в биосинтетические процессы и вследствие образования органических веществ концентрация ионов внутри клеток падает.
Активный транспорт питательных веществ из клетки в клетку осуществляется по плазмодесмам, соединяющим цитоплазму клеток растений в единую систему – так называемый симпласт. При передвижении по симпласту часть ионов и метаболитов может выделяться в межклеточное пространство, и передвигаются к местам усвоения пассивно с восходящим током воды по ксилеме. Обычная скорость передвижения ионов, аминокислот, сахаров 2 – 4 см в час.
Существует тесная связь между интенсивностью поглощения растениями элементов питания и интенсивностью дыхания корней, поскольку процесс дыхания является источником энергии, необходимой для активного поглощения элементов минерального питания. Так, при ухудшении роста корней и торможении дыхания (при недостатке кислорода в условиях плохой аэрации или избыточном увлажнении почвы) поглощение питательных веществ резко ограничивается.
Для нормального роста и дыхания корней необходим постоянный приток к ним энергетического материала – продуктов фотосинтеза (углеводов и других органических соединений) из надземных органов. При ослаблении фотосинтеза уменьшается образование и передвижение ассимилянтов в корни, вследствие чего ухудшается жизнедеятельность и снижается поглощение питательных веществ из почвы.
Растения усваивают ионы не только из почвенного раствора, но и ионы, поглощенные коллоидами. Более того, растения активно (благодаря растворяющей способности корневых выделений, включающих угольную кислоту, органические кислоты и аминокислоты) воздействуют на твердую фазу почвы, переводя необходимые питательные вещества в доступную форму.
Для того чтобы экзогенный субстрат мог быть использован клеткой, он должен пройти через ее пограничные слои. Клеточная стенка не служит существенной преградой для небольших молекул и ионов, но она задерживает макромолекулы, масса которых превышает 600 Да. Пограничным слоем, ответственным за транспорт питательных веществ внутрь клетки, является плазматическая мембрана.
Перенос питательных веществ через плазматическую мембрану, как правило, специфичен: поглощаться могут только те вещества, для которых имеется соответствующая транспортная система. За небольшими исключениями, транспорт зависит от наличия специфических пермеаз или транслоказ. Речь идет о мембранных белках, само название которых указывает на то, что они обладают свойствами ферментов, т.е. могут индуцироваться субстратом, специфичны в отношении субстрата и образуются только в таких условиях, в которых возможен синтез белков.
Что касается механизма транспорта веществ, то различают ряд различных процессов, два из которых способны обеспечивать только транспорт, но не накопление веществ в клетке; им можно противопоставить процессы активного транспорта, приводящие к аккумуляции веществ внутри клетки (рис. 7.18 и 7.19).
Простая диффузия. Неспецифическое проникновение веществ в клетку происходит путем пассивной диффузии. Для диффузии существенны величина молекул и степень их липофильности. Скорость перемещения путем диффузии невелика. Для сахаров такие процессы не были обнару-жены, и они мало вероятны. Путем простой диффузии в клетку прони-кают, видимо, яды, ингибиторы и другие чуждые клетке вещества.
Облегченная диффузия. При облегченной диффузии вещество, содер-жащееся в питательной среде, транспортируется в клетку «вниз» по своему градиенту концентрации. Этот процесс осуществляется благода-ря субстрат-специфической пермеазе и не требует затраты метаболиче-ской энергии. Скорость транспорта в широком диапазоне зависит от концентрации субстрата в среде (рис. 7.19). Питательное вещество не может накапливаться в клетке против градиента концентрации.
Рис. 7.18. Схема четырех механизмов транспорта веществ в клетку. Розовый кружок-транспортируемый субстрат; с - пермеаза (белок-переносчик); с с серым прямоугольником - энергизованный переносчик; ФЕП - фосфоенолпируват;
ГБ-термостабильный белок. Пояснения в тексте.
Активный транспорт. Активный транспорт и транслокация группы имеют с облегченной диффузией то общее, что эти процессы происходят с участием субстрат-специфических транспортных белков. Однако в отличие от облегченной диффузии такого рода транспорт требует затраты энергии. При использовании метаболической энергии вещество может накапливаться в клетке против концентрационного градиента. Основное различие между активным транспортом и транслокацией
Рис. 7.19. Кривые насыщения при поглощении двух субстратов интактными клетками бактерий [построены по данным о потреблении 02 (интенсивности дыхания)]. Активное и пассивное поглощение субстрата можно различить по форме кривой. Так как субстрат А поглощается путем активного транспорта и накапливается в клетке, дыхание даже при очень малых концентрациях субстрата достигает максимального уровня. Субстрат Б поглощается пассивно, и интенсивность дыхания достигает максимума лишь при относительно высокой концентрации такого субстрата (порядка 10-20 мМ/л).
Рис. 7.20. Различные виды активного транспорта, для ко-торых источником энергии служит протонный потенциал Др.
Мембрана Ґ\ V У1 н+ О ҐN
V / ІО СИМПОРТА и Н+
АНТИПОРТ Н* и Na+
СИМПОРТ В и Na"
УНИПОРТ К*
Наружная сторона
группы заключается в природе молекулы, поступающей внутрь клетки.
При активном транспорте в цитоплазму поступает та же молекула, которая была поглощена из питательной среды. При транслокации группы переносимая молекула в процессе транспорта видоизменяется, например фосфорилируется.
Все теории, объясняющие активный транспорт, включают представление о наличии в мембране специфических транспортных белков. Эти белки получили названия, указывающие на их функцию: пермеазы, транслоказы, белки-транслокаторы, переносчики. Транспортные процессы отличаются друг от друга главным образом тем, что служит для них источником энергии - протонный потенциал Ар (рис. 7.20), АТР или фосфоенолпируват (рис. 7.18).
Для переноса многих веществ, в том числе неорганических и органических ионов, а также сахаров, используется энергия протонного потенциала (см. стр. 243-244). Бактериальные клетки поддерживают про-тонный потенциал, непрерывно откачивая из клетки протоны и другие ионы (Na+). Для этого в мембране имеются специфические транспортные белки.
Каждый из этих белков имеет совершенно определенную функцию. Есть, например, белок, катализирующий одновременный и однонаправленный перенос одного протона и одной молекулы сахара (лактозы, мелибиозы, глюкозы). В таких случаях говорят о симпорте двух (или нескольких) веществ. Другие транспортные белки катализируют одновременный встречный перенос двух частиц, например одного протона и какого-то другого иона (Na+или аниона органической кислоты); в этих случаях говорят об антипорте. При переносе сахаров, сопряженном с транспортом ионов, вероятно, всегда используются ионы Н+ или Na + . У прокариот преобладает симпорт с ионами Н + , у эукариот - симпорт с Na+(рис. 7.20).
То, что у бактерий действительно существуют транспортные белки описанного типа, было подтверждено (а) путем очистки и последующего встраивания белка-переносчика в протопласты или в так называемые липосомы и (б) путем выделения мутантов, лишенных соответствующего белка и его специфической функции. Что касается транспорта с использованием энергии протонного потенциала, то это, вероятно, наиболее распространенный механизм активного поглощения субстратов.
Представление об участии специфических белков-переносчиков в транспорте ионов подтверждают данные о действии ряда антибиотиков и синтетических веществ. Речь идет о ионофорах. Это соединения с относительно небольшой моле-кулярной массой (500-2000), молекулы которых снаружи гидрофобны, а внутри гидрофильны. Обладая гидрофобными свойствами, они диффундируют в липидную мембрану. Из аитибиотиков-ионофоров наиболее известен валиномицин; он диффундирует внутрь мембраны и катализирует транспорт (унипорт) ионов К +, Cs + , Rb+или NH4. Поэтому присутствие таких катионов в суспензионной среде приводит к выравниванию заряда по обе стороны мембраны (как бы короткому замыканию) и тем самым к падению протонного потенциала. Другие ио- нофоры образуют каналы, по которым могут проходить ионы. Существуют также синтетические соединения, повышающие протонную проводимость мембран; наиболее известный переносчик протонов -карбонилцианид-и-трифторме- токсифенилгидразон. Он действует как «разобщитель»-нарушает сопряжение синтеза АТР с транспортом электронов, перенося в клетку протоны в обход АТР-синтазы. Изучение мембранного транспорта привело к важным результатам, которые согласуются с хемиосмотической теорией преобразования энергии и подкрепляют ее.
Наряду с транспортными системами, использующими протонный потенциал, существуют также системы, зависимые от АТР. Определенную роль здесь играют периплазматические связующие белки (рис. 2.28). Плазматическая мембрана животных клеток не транспортирует протоны и не создает протонного градиента. Мембранный потенциал, вероятно, поддерживается только ATP-зависимыми насосными механизмами, например натрий-калиевым насосом, а натриевый потенциал в свою очередь доставляет энергию для симпорта питательных веществ вместе с ионами Na + .
Транслокация группы. При транспорте этого типа молекула химически модифицируется; поглощается, например, сахар как таковой, а внутрь клетки он поступает в фосфорилированной форме. Фруктоза, глюкоза, маннитол и родственные вещества поглощаются с помощью фосфотрансферазной системы, зависимой от фосфоенолпирувата. Эта система состоит из неспецифического и специфического компонентов. Неспецифический компонент-это термостабильный белок, который при участии фермента I, находящегося в цитоплазме, фосфорилируется фос- фоенолпируватом. Второй компонент-находящийся в мембране инду- цибельный фермент И, специфичный для того или иного сахара; он катализирует перенос фосфата с термостабильного белка (ТБ) на сахар во время транспорта последнего через мембрану;
Фермент/
Фосфоенолпируват + НРг > НРг - Р + Пируват
Фермент И
НРг + Сахар > Сахар-Я+НРг
Фермент II, вероятно, выполняет функцию пермеазы и фосфотрансфе- разы одновременно (см. рис. 7.18).
В остальном поглощение веществ клетками - процесс очень сложный и пока еще плохо изученный. Многие метаболические эффекты торможения и явления конкуренции между одновременно доступными субстратами связаны, по-видимому, с особенностями регуляторных меха-низмов, которые проявляются уже в процессах транспорта веществ.
Выход веществ из клетки. О выходе метаболитов в окружающую среду известно существенно меньше, чем о механизмах поглощения веществ клеткой. По-видимому, и выделение их из клетки тоже происходит как при участии транспортных систем, так и путем неконтролируемой диффузии. Вещества выходят из клетки тогда, когда в результате перепроизводства они накапливаются в ней, достигая концентраций, превышающих нормальный уровень. Накопление может быть следствием неполного окисления, нарушения регуляции или процессов брожения.
Транспорт железа. Для транспорта этого макроэлемента микробная клетка обладает специальным механизмом. В анаэробных условиях же-лезо представлено двухвалентным ионом (Fe2 +), и его концентрация может достигать 10" 1 М/л, так что она не лимитирует рост микроорга-низмов. Однако в аэробных условиях при pH 7,0 железо представлено в виде гидроксидного комплекса Fe3 +, который почти нерастворим; концентрация ионов трехвалентного железа составляет всего лишь 10“ 18 М/л. Неудивительно поэтому, что микроорганизмы выделяют вещества, переводящие железо в растворимую форму. Эти вещества-так называемые сидерофоры-связывают ионы Fe3 + в комплекс и в таком виде транспортируют его; речь идет в основном о низкомолекулярных водорастворимых веществах (с мол. массой меньше 1500), связывающих железо координационными связями с высокой специфичностью и высоким сродством (константа устойчивости порядка ТО30). По своей химической природе это могут быть феноляты или гидроксаматы. К первым относится энтерохелин; он обладает шестью фенольными гидрокси- группами, и его выделяют некоторые энтеробактерии. Выйдя в окру-жающую среду, он связывает железо, и образовавшийся ферри-энтеро- хелин поглощается клеткой. В клетке железо освобождается в результате ферментативного гидролиза ферри-энтерохелина (рис. 7.21).
Многие грибы для той же цели образуют феррихромы; их относят к гидроксаматным сидерофорам. Это циклические гексапептиды, удер-живающие трехвалентное железо с помощью трех гидроксаматных групп. Они тоже выделяются из клетки в виде не содержащих железо соединений, связывают в питательной среде железо и в виде феррихро- мов снова поглощаются. В клетке железо восстанавливается до Fe2 +, к которому феррихромы имеют лишь незначительное сродство и поэтому освобождают его. Сходную функцию выполняют ферриоксамины (у актиномицетов), микобактины (у микобактерий) и экзохелины (тоже у микобактерий).
Рис. 7.21. Примеры механизмов переноса железа в клетки микроорганизмов с участием сидерофоров. Вверху-система транспорта с помощью энтерохелина, свойственная многим бактериям; внизу - феррихромная система, имеющаяся у многих грибов.
Микроорганизмы обычно выделяют сидерофоры в питательную среду только тогда, когда железо лимитирует рост. Выделение сидерофоров - следствие дерепрессии их синтеза. В присутствии растворенного, комплексно связанного железа сидерофоры синтезируются лишь в малых количествах и удерживаются в клеточной стенке. В этих условиях они служат только для транспорта железа в клетку.
В связи с этим интересно то, что среди естественных защитных приспособлений высших организмов мы находим «очистку» внутренней среды от железа. Существуют специальные белки, которые так прочно связывают имеющееся железо, что оно становится недоступным для микроорганизмов. Так, например, в белке куриного яйца содержится ко- нальбумин, в молоке, слезной жидкости и слюне - лактотрансферрин, а в сыворотке крови - серотрансферрин. При посеве бактерий на куриный белок они растут только в том случае, если одновременно с инокуляцией вводят ионы железа (в виде цитрата). Таким образом, железо играет важную роль в антагонистических отношениях между высшими организмами и бактериями. Борьбу выигрывает тот партнер, который вырабатывает вещество, прочнее связывающее железо.