Механизм поступления ионов

Поступление ионов в растение происходит в несколько этапов. Ионы могут аккумулироваться в оболочке клетки, цитоплазме и вакуоли. Наиболее важным в этой цепи является поступление ионов в цитоплазму. В зависимости от природы ионов может изменяться вязкость жидкости цитоплазмы. Например, кальций повышает вязкость цитоплазмы, калий - понижает вязкость цитоплазмы.

Особое внимание уделяется биоэлектрохимическим явлениям, протекающим на поверхности клеточных мембран [68]. Моделью такой мембраны могут служить бимолекулярные слои липидов. Мембранные структуры клеток могут рассматриваться как жидкокристаллические структуры. Ниже приводится перечень таких структур [68]: лецитин, сфингомиелин, кефалин, фосфоролипиды-моноглицериды, производные глютаминовой кислоты, гемоглобин, трипсин, вирус табачной мозаики, компоненты атеросклеротических бляшек, структуры миелиновых оболочек нервов, сократительные белки мышц и др.

Перенос ионов и электронов через мембрану определяется переносом заряда через границу раздела фаз и диффузией через слой мембраны. На межфазной границе могут протекать электрохимические процессы, что может отразиться на селективности переноса через мембрану.

Важную роль в поступлении ионов в растение играет электрический потенциал мембраны. Здесь особое внимание необ-ходимо обратить на донановское равновесие.

Катионы могут связываться только с отрицательно заряженными участками мембраны. Это обстоятельсто влияет на прочность связи. Прочность связи катиона с отрицательно заряженой поверхностью изменяется в ряду Са2+ > Mg2+ » Na > К [69].

Электрохимические процессы, протекающие на межфазных границах, моделирующих биологические мембраны, связаны с изучением механизма ферментативных реакций, поведением хлорофилла и других порфиринов, переносом электронов порфиринами, фотопереносом протонов порфиринами, фотоокислением воды в присутствии хлорофилла [68].

Липиды, из которых состоит мембрана, принимают участие в химических процессах. В природных процессах действуют антиоксиданты, в роли которых могут выступать и липиды.

Электрохимическое превращение определяется не только природой биополимера, но и конформациями молекул. Образование зарядов при освещении поверхности липидно-белкового комплекса, содержащей хлорофилл, требует дальнейшего экспериментального и теоретического изучения.

Необходимо отметить, что концентрация катионов в клетке не соответствует концентрации катионов в плазме [69], В табл. 35 представлено распределение основных катионов, взаимодействующих с мембранами, которые содержатся в живых организмах.

Необходимо отметить способность белков, содержащих анионные и дипольные центры, связываться с катионами. Так катионы Са2+ обеспечивают мостиковые связи между молекулами белков, с чем связывается проявление активности белков в биологических системах. Следует отметить и другие связывающие центры пептидов: >С=0, -ОН. Эти центры могу прочно связывать указанные выше катионы.

Распределение основных катионов в морской воде и живых организмах [69]

Таблица 35

Катион

Морская

вода

Плазма

омара

Плазма

лягушки

Плазма

человека

Внутриклеточный

раствор

Na+

465

465

108

143

16

Mg2+

53

4

1

1

20

К+

10

9

5

5

152

Са2+

10

10

3

3

<10^

Подчеркнем, что приведенные в табл. 35 четыре катиона (Na+, К+, Mg2+, Са2+) присутствуют во всех биологических системах.

Модификация мембраны различными агентами может существенным образом отразиться на изменениях в клеточном метаболизме. Возможное изменение мембранной проницаемости может повлиять на удерживающую способность таких веществ как глюкоза и аминокислоты. Это приведет к заметному изменению клеточного метаболизма и возникновению нового стационарного состояния.

Важной с точки зрения механизма поступления ионов в растение является проблема селективности транспорта ионов через мембрану [69]. Отрицательно заряженные центры мембраны, обладающие высокой связывающей способностью, представляют собой группу слабых кислот. Такие центры связываются с катионами малого радиуса. Центры с низкой связывающей способностью (группа сильных кислот) связываются с катионами значительного радиуса.

Энергия связывания катиона заряженными центрами мембраны может быть рассчитана по формуле [69]:

где п - число лигандов, с которым связывается катион (координационное число); В - константа, зависящая от заряда лиганда; г+- радиус катиона, г~ - радиус лиганда.

Особый интерес вызывает селективность связывания катионов краун-соединениями (соединениями-коронами). В этих случаях селективность процесса должна учитывать роль стерического фактора.

Таким образом, селективность ионного транспорта зависит от энергии связывания катиона активным центром мембраны и энергии сольватации катиона.

В связи с проблемой переноса принято различать пассивный и активный транспорт ионов.

Пассивный транспорт протекает без затрат энергии. Передвижение ионов происходит благодаря градиенту концентрации и потенциала. Следовательно, движущей силой пассивного транспорта ионов является электрохимический потенциал.

Активный транспорт ионов протекает против градиента электрохимического потенциала, селективен и требует затрат энергии. Необходимая энергия продуцируется в процессе метаболизма. Этот транспорт ионов обеспечивает избирательное накопление ионов в цитоплазме.

Важные результаты были получены по установлению корреляции между содержанием тяжелых металлов в почве и дикорастущих растениях [70]. Степень накопления в фитомассе дикорастущих растений убывает в ряду: Fe > Си > Cr > Zn > Со > Мп. Выявлены наиболее активные накопители тяжелых металлов (клевер луговой, полынь горькая и ежа сборная).

Из почвы в растение металлы поступают, адсорбируясь корнями растения. Возможно также поступление металлов из воздушных потоков.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >