Biofizički procesi u ćeliji. Kako se odvija aktivna apsorpcija tvari u ćeliji? Mehanizmi apsorpcije tvari u biljnoj ćeliji

Svi neorganski nutrijenti se apsorbuju u obliku jona sadržanih u vodenim rastvorima. Apsorpcija jona od strane ćelije počinje njihovim ulaskom u apoplast i interakcijom sa ćelijskim zidom. Joni mogu biti djelomično lokalizirani u intermicelarnom i interfibrilarnom prostoru ćelijskog zida, djelomično vezani i fiksirani u ćelijskom zidu električnim nabojem. Joni koji ulaze u apoplast lako se ispiru. Volumen ćelije dostupan za slobodnu difuziju jona naziva se slobodni prostor. Slobodni prostor uključuje međućelijske prostore, ćelijske zidove i praznine koje se mogu pojaviti između ćelijskog zida i plazmaleme. Ponekad se naziva prividni slobodni prostor (APS). Ovaj izraz znači da njegova izračunata zapremina zavisi od objekta i prirode otopljene supstance. Dakle, za jednovalentne jone, zapremina CSP će biti veća nego za dvovalentne. Prividni slobodni prostor zauzima 5-10% zapremine u biljnim tkivima. Apsorpcija i oslobađanje supstanci u PCB-u je fizičko-hemijski pasivni proces, neovisan o temperaturi (u rasponu od +15 - +35 o C) i inhibitorima energetskog metabolizma. Ćelijski zid ima svojstva ionskog izmjenjivača, budući da se u njemu adsorbiraju ioni H+ i HCO-3 koji se u ekvivalentnim količinama razmjenjuju za jone vanjskog rastvora. Zbog dominacije negativnih fiksnih naboja u ćelijskom zidu dolazi do primarne koncentracije kationa (posebno dvovalentnih i trovalentnih). Druga faza ulaska jona je transport kroz plazmalemu. Transport jona kroz membranu može biti pasivan ili aktivan. Pasivna apsorpcija ne zahtijeva energiju i provodi se difuzijom duž gradijenta koncentracije tvari za koju je plazmalema propusna. Pasivno kretanje jona je određeno ne samo hemijskim potencijalom µ, kao što je slučaj sa difuzijom nenaelektrisanih čestica, već i električnim potencijalom ε. Oba potencijala su kombinovana u obliku elektrohemijskog potencijala µ:

µ = µ + nFε,

gdje je µ – hemijski, ε – električni, µ – elektrohemijski potencijali;

n je valencija jona; F je Faradejeva konstanta.

Svaka razlika u električnom potencijalu koja se javlja na membranama uzrokuje odgovarajuće kretanje iona.

Pasivni transport može se odvijati uz učešće nosača većom brzinom od normalne difuzije, a ovaj proces se naziva olakšana difuzija. Poznate su visoko specifične translokaze - proteinski molekuli koji nose adenil nukleotide kroz unutrašnju membranu mitohondrija: Na + / Ca2 + izmjenjivač - protein koji je dio plazma membrana mnogih ćelija; peptid niske molekularne težine bakterijskog porijekla, valinomicin, je specifičan nosač za K+ jone. Proces

Olakšana difuzija ima niz karakteristika: 1) opisuje se Michaelis-Menten jednačinom i ima određene Vmax i Km; 2) selektivni (ima specifičnost za određeni jon); 3) je potisnut specifičnim

inhibitori.

Difuzija takođe uključuje transport jona kroz selektivne jonske kanale - integralne proteinske komplekse membrana koje formiraju hidrofilne pore. Glavna komponenta pokretačke sile ovog transporta je gradijent elektrohemijskog potencijala jona. Aktivnost kanala je modulirana membranskim potencijalom, pH, koncentracijom

joni, itd. Aktivni transport supstanci se odvija protiv gradijenta koncentracije i mora biti povezan sa procesom davanja energije. Glavni izvor energije za aktivni transport je ATP. Stoga se u pravilu aktivni transport jona odvija uz pomoć transportnih ATPaza.

Spojne membrane sadrže protonske pumpe koje djeluju kao H+-ATPaze. Kao rezultat njihovog funkcionisanja, na membrani nastaje razlika u koncentraciji protona (ΔrN) i razlika u električnim potencijalima, koji zajedno čine protonski elektrohemijski potencijal, označen ΔμN+. Zbog rada H + -ATP-aze nastaje kisela sredina u nekim ćelijskim organelama (na primjer, lizozomima). U mitohondrijalnoj membrani, H+-ATPaza radi u suprotnom smjeru, koristeći

ΔμH+ stvoren u respiratornom lancu da bi formirao ATP. Konačno, sekundarni aktivni transport je široko zastupljen u ćelijama, tokom kojeg se gradijent jedne supstance koristi za transport druge. Uz pomoć sekundarnog aktivnog transporta, stanice akumuliraju šećere, aminokiseline i uklanjaju neke metaboličke produkte koristeći H+ gradijent.

Nakon prolaska kroz plazmalemu, joni ulaze u citoplazmu, gdje se uključuju u ćelijski metabolizam. Intracelularni transport jona odvija se zbog kretanja citoplazme i kroz kanale endoplazmatskog retikuluma. Joni ulaze u vakuolu ako su citoplazma i organele već zasićene njima, ili da bi popunili bazen osmotski aktivnih čestica. Da bi ušli u vakuolu, joni moraju savladati drugu barijeru - tonoplast. Transport jona kroz tonoplast se takođe vrši uz pomoć

nosioci i zahtijevaju energiju. Nosači koji se nalaze u tonoplastu imaju manji afinitet za jone i djeluju pri većim koncentracijama jona od nosača na plazma membrani. Specifična H+-ATPaza je identifikovana u tonoplastu. Ne inhibira ga dietilstilbestrol, inhibitor plazmalema H+-ATPaze.

Odnos između procesa apsorpcije tvari korijenom s drugim funkcijama biljke (disanje, fotosinteza, izmjena vode, rast, biosinteza itd.); apsorpcija jona ćelijama lista, odliv jona iz listova, preraspodela i recikliranje supstanci u biljci.

Poznati istraživači (I. Knop, Yu. Saks, D.N. Pryanishnikov i drugi) otkrili su da se potreba biljke za pojedinačnim elementima pepela mijenja u različitim fazama njenog razvoja. Veći zahtjevi su povezani s aktivnim metabolizmom, rastom i neoplazmama. Uz nedostatak mnogih mineralnih elemenata, simptomi gladovanja javljaju se prije svega na starim organima. To je zbog činjenice da regulatorni sistemi biljke mobiliziraju potrebne mineralne elemente i oni se transportuju u mlada tkiva koja aktivno rastu. Azot, fosfor, kalijum su veoma pokretni. Bor i kalcij se slabo ili uopšte ne koriste. Za normalan život biljaka mora se poštovati određeni odnos različitih jona u okolini. Čiste otopine bilo kojeg katjona su otrovne. Tako, kada se sadnice pšenice stavljaju na čiste rastvore KCL ili CaCL2, prvo se javlja oteklina na korenu, a potom i korenje odumre. Mješovite otopine ovih soli nisu imale toksično djelovanje. Efekt omekšavanja jednog kationa na djelovanje drugog naziva se ionski antagonizam. Antagonizam jona manifestira se kako između različitih jona iste valencije, na primjer, između iona natrijuma i kalija, tako i između jona različitih valencija, na primjer, iona kalija i kalcija. Jedan od razloga antagonizma jona je njihov učinak na hidrataciju citoplazmatskih proteina. Dvovalentni kationi (kalcijum, magnezijum) jače dehidriraju koloide od monovalentnih katjona (natrijum, kalijum). Sljedeći razlog za antagonizam jona je njihova konkurencija za aktivne centre enzima. Tako je aktivnost nekih respiratornih enzima inhibirana jonima natrija, ali se njihovo djelovanje uklanja dodatkom kalijevih jona. Pored toga, joni se mogu nadmetati za vezivanje sa nosačima tokom apsorpcije. Djelovanje jednog jona također može pojačati utjecaj drugog. Ovaj fenomen se naziva sinergija. Dakle, pod uticajem fosfora se povećava pozitivan efekat molibdena. Proučavanje kvantitativnih omjera potrebnih elemenata omogućilo je stvaranje uravnoteženih mješavina hranjivih tvari, otopina mineralnih soli za uzgoj biljaka. Poznate su mješavine Knopa, Pryanishnikova, Gelrigela itd.

Istraživanje naučnika iz škole D. N. Pryanishnikova pokazalo je da svaka vrsta biljke ima specifične zahtjeve za kvantitativnim kombinacijama pojedinačnih elemenata pepela. Također je utvrđeno da se potreba biljke za pojedinim elementima pepela mijenja u različitim fazama njenog razvoja. Dakle, najboljim hranljivim rastvorom za biljku treba smatrati rastvor ne stalnog, već promenljivog sastava, koji se menja u skladu sa promenljivim potrebama biljke u različitim fazama njenog razvoja. Ova odredba je od velike praktične važnosti, jer je osnova novog načina vještačkog podizanja prinosa. Rad D. A. Sabinina omogućio je da se razjasne mehanizmi ulaska vode i minerala u ćelije korijena biljaka, antagonizam i sinergija u interakciji jona.

Apsorpcija hranljive materijećelija.

Za sprovođenje svih životnih procesa voda i hranljive materije moraju da uđu u ćeliju iz spoljašnje sredine. Citoplazma i njene granične membrane - plazmalema i tonoplast - imaju svojstva selektivne permeabilnosti. Ispod selektivna propusnost razumeju sposobnost da aktivno regulišu proces ulaska supstanci: neke supstance propuštaju većom brzinom, druge sporije ili nikako.Na taj način biološki sistem može održati stabilnost - homeostazu i ne mešati se sa okolinom. .

Apsorpcija može biti pasivno i aktivan. Kretanje se naziva pasivno. supstance difuzijom duž elektrohemijskog (koncentracijskog i električnog) gradijenta.

difuzija - kretanje molekula ili iona iz područja visoke koncentracije u područje niže koncentracije. Joni se kreću kroz membrane u jednom ili drugom smjeru zahvaljujući vlastitoj kinetičkoj energiji, ne trošeći ni ATP ni druge izvore energije u ovom procesu. Neki molekuli prodiru otapanjem u membranskim lipidima ili kroz posebne hidrofilne tubule u membranama. Budući da su ioni nabijeni, brzina njihove difuzije nije određena samo propusnošću membrane i razlikama u koncentraciji jona s obje strane membrane, već i električnim potencijalom - naponom koji se javlja između unutrašnje i vanjske strane membrane. membranu. Obično biljne ćelije imaju negativan potencijal na unutrašnjoj strani svojih membrana, što dovodi do preferencijalne apsorpcije pozitivno nabijenih jona u odnosu na negativne.

aktivni transport - to je apsorpcija tvari kroz specifične zone membrane, tzv pumpe, protiv elektrohemijskog gradijenta sa utroškom respiratorne energije. Na primjer, biljna ćelija apsorbira kalijum u količinama stotinama i hiljadama puta većim nego što je dostupno u okolišu.

Voda može ući u biljne ćelije zbog bubrenja biokoloida i povećanja stepena njihove hidratacije. Ovo je tipično za suvo sjeme stavljeno u vodu. Međutim, glavni način na koji voda ulazi u žive ćelije je njena osmotska apsorpcija.

Većina vode prisutne u ćeliji nalazi se u vakuoli. Sadrži i veliki broj drugih supstanci - šećera, organskih kiselina, soli. Da bi ušla u vakuolu, voda mora proći kroz ćelijski zid, kao i kroz dvije membrane i citoplazmu koja leži između njih. Obično se ove tri strukture zajedno posmatraju kao jedna membranska barijera koja ima svojstva polupropusnosti, odnosno propusnosti samo za vodu. Prema molekularno-kinetičkoj teoriji, molekuli svih supstanci su u stanju brzog haotičnog kretanja, čija brzina ovisi o energiji tih molekula. Molekuli vode su male i kreću se kroz ćelijske membrane mnogo brže od molekula drugih supstanci. Difundiraju u svim smjerovima: u ćeliju i izvan nje, u i iz različitih ćelijskih organela. Kretanje vode vrši se duž gradijenta njene aktivnosti, koju karakteriše vodni potencijal. Molekuli otopljenih tvari sadržanih u vakuoli smanjuju aktivnost molekula vode u ćeliji. Kao rezultat toga, kinetička energija vode u vakuoli je niža od kinetičke energije relativno čistije vode izvan ćelije. Kao rezultat toga, više molekula vode ulazi u vakuolu unutar ćelije nego što je izlazi. Volumen vakuole se povećava i stvara turgor, usled čega je sadržaj ćelije pritisnut uz njen zid.

Difuzija vode kroz polupropusnu membranu naziva se osmoza. Ako su dvije otopine odvojene polupropusnom membranom, tada će voda iz otopine s nižom koncentracijom tvari (hipotonična) difundirati u otopinu s višom koncentracijom tvari (hipertonična). Difuzija će se odvijati sve dok koncentracije tvari u obje otopine ne postanu iste (izotonične).

Ako je u osmometru rastvor saharoze odvojen od čiste vode polupropusnom membranom (slika 8.2), tada će molekuli vode, usled difuzije, preći iz čiste vode u rastvor saharoze, gde je koncentracija vode niža, tj. od visokog vodnog potencijala do nižeg. To dovodi do povećanja volumena otopine saharoze i porasta tekućine u cijevi osmometra. Ovo povećava hidrostatički pritisak pod kojim se rastvor nalazi u osmometru. Na određenoj visini stupca otopine u cijevi, brzine difuzije vode će se izjednačiti i njen porast će se zaustaviti.

Najveći pritisak koji ovo rješenje može savladati, usisujući vodu kroz polupropusnu membranu, je njegov osmotski pritisak. Osmotski potencijal otopine direktno ovisi o koncentraciji otopljene tvari i jednak je po veličini potencijalu hidrostatičkog tlaka, ali suprotnog predznaka. Uvijek ima negativnu vrijednost. Vrijednost osmotskog potencijala je dvosmislena pri različite vrste biljke i u različitim dijelovima ista biljka. Za vakuolarni sok ćelija korena iznosi 12-13 at., a za ćelije nadzemnih organa 10-26 at. Ovo uzrokuje vertikalni gradijent asmotičnog potencijala i usisne sile od korijena do listova. Kod halofitnih biljaka koje rastu u slanim uslovima osmotski potencijal je veoma visok i dostiže 150 at.

Sila kojom voda ulazi u ćeliju naziva se sila usisavanja(5), identičan je vodenom potencijalu ćelije. Veličina koegzistirajuće sile određena je osmotskim pritiskom ćelijskog soka (z) i turgorskim (hidrostatskim) pritiskom u ćeliji

Rice. 8.2. Shema najjednostavnijeg osmometra:

1 - posuda sa vodom; B - posuda sa 10%

rastvor saharoze (krugovi - molekuli vode, ovali - molekuli saharoze).

(P), što je jednako protupritisku ćelijskog zida koji se javlja kada se elastično rasteže: S = k - P.

U uslovima različitog sadržaja vode, odnos između svih komponenti ove jednačine se menja. Kada je ćelija potpuno zasićena vodom (potpuno turgescentna), njena usisna sila je nula, a turgorski pritisak jednak je potencijalnom osmotskom pritisku: S= 0; P= j. Stanje potpunog turgora se opaža u ćelijama vodenih biljaka. Kopnene biljne ćelije gotovo nikada nisu potpuno zasićene vodom zbog transpiracije. Ako se dotok vode u ćeliju smanji (kada se pojača vjetar, kada postoji nedostatak vlage u tlu, itd.), tada u početku dolazi do manjka vode u ćelijskim zidovima, čiji vodni potencijal postaje manji od u vakuolama, a voda se počinje mijenjati -shchatsya u ćelijskim zidovima. Isticanje vode iz vakuole smanjuje turgorski pritisak u ćelijama i, posljedično, povećava njihovu usisnu snagu. At produženi nedostatak vlage, većina ćelija gubi turgor i biljka vene. U ovim uslovima P = 0; S = k. Dehidracija ćelije se naziva plazmoliza.

Fenomen plazmolize može se uočiti stavljanjem komada tkiva u hipertonični rastvor. Otjecanje vode iz stanica dovodi do smanjenja volumena protoplasta i njihovog odvajanja od staničnih zidova. Prostor između ćelijskog zida i kontrahovanog protoplasta ispunjen je spoljašnjim rastvorom, koji lako prolazi kroz ćelijski zid, što praktično ne ometa kretanje vode. Ćelija u ovom stanju se zove plazmolizovan. Kada se ćelija stavi u čistu vodu, može povratiti svoj turgor. Prekomjeran nedostatak dovodi do rupture protoplasta i smrti stanice.

U uvjetima nedostatka vode u mladim tkivima, nagli porast gubitka vode, na primjer, tokom suhih vjetrova, dovodi do gubitka turgora i protoplasta, koji se smanjuju u volumenu, ne odvajaju se od ćelijskih zidova, već ih povlače. Ćelije i tkiva se smanjuju. Ovaj fenomen se zove citoriza.

hloroplast biljnih stanica hlorofil flavonoid

U živoj ćeliji biljke uvijek se održava određeni omjer vode, soli i organskih tvari, koji je reguliran metabolizmom sa okolinom, bez kojeg je život nemoguć. U ćeliji su površinski slojevi protoplasta polupropusna pregrada kroz koju lako prodiru voda i tvari otopljene u njoj. Razne tvari također prodiru u ćelijski sok. Bez toga, bilo bi nemoguće da nutrijenti uđu u ćeliju izvana i premeštaju ih iz jedne ćelije u drugu, a samim tim i postojanje same biljke. Sposobnost citoplazme da propušta određene tvari kroz sebe naziva se permeabilnost citoplazme.

Snabdijevanje ćelija hranljivim materijama aktivni proces apsorpcija, koja je podložna zakonima difuzije. Ali ne može se sve objasniti difuzijom. Na procese ulaska rastvorenih supstanci, permeabilnost citoplazme utiču snabdevanje tkiva kiseonikom, temperatura, prisustvo organskih materija, sadržaj soli u ćelijama, kao i svojstva i koncentracija rastvorenih supstanci u okolnog supstrata.

Održavanje permeabilnosti citoplazme na određenom nivou povezano je sa održavanjem ravnoteže između jona sadržanih u rastvorima koji okružuju ćeliju i u samoj citoplazmi; njihov odnos određuje stepen njegove viskoznosti. Shodno tome, propusnost citoplazme zavisi od niza uslova, a to su: priroda samih supstanci koje se nalaze u ćeliji, odnos različitih mineralnih jona, temperatura i drugi spoljni uslovi.

Sve organske tvari mogu se podijeliti u dvije grupe: nepolarni, at čiji se centri električnog naboja poklapaju, i polarni,čiji se centri električnog naboja ne poklapaju. U nepolarnim jedinjenjima dominiraju grupe --CH 3, --C 2 H 5, --C 4 H 9, --C 6 H 6, dok polarna jedinjenja imaju OH, --COOH, --NH 2, - -CH --CN, --CONH 2 , --SH, --NCS, kao i grupe koje imaju dvostruke i trostruke veze. Postoje i spojevi mješovitog tipa koji su i polarni i nepolarni. Takvi spojevi se lako adsorbiraju, na primjer lijekovi. Nepolarna jedinjenja su lipidi, koji su zajedno sa drugim supstancama deo citoplazme. U polarne supstance spadaju glukoza, urea, glicerol, koji se ne otapaju u lipidima, ali lako prodiru u ćeliju. Prodor jona u ćeliju nastaje pasivnom nemetaboličkom apsorpcijom kao rezultatom difuzije duž gradijenta koncentracije, odnosno krivulje zasićenja, odnosno metaboličkom (aktivnom) apsorpcijom. Plazma membrane su dobro propusne za vodu i blago propusne za jone koji se apsorbuju protiv gradijenta koncentracije. Dakle, koncentracija K+ u vakuoli je 100 ili više puta veća nego u tlu.

Nemetabolička apsorpcija je reverzibilan proces. Dakle, kada se korijenski sistem biljke prenese iz hranljivog rastvora u vodu, moguće je otkriti neke od elemenata koji su difundirali u ćelijske zidove i međućelijske prostore.

Metabolička (aktivna) apsorpcija, za razliku od nemetaboličke, odvija se sporo, apsorbirani ioni se brzo uključuju u metabolizam i prolaze kroz transformacije:

NH 4 +, NO 3 - i SO 4 2-> aminokiseline,

PO 4 3->ATP, Ca i Mg> fitin, Fe > porfirini.

Metabolički unos je selektivan za različite jone. Osim toga, proces apsorpcije jona zahtijeva energiju i praćen je povećanjem intenziteta disanja.

Dakle, apsorpcija supstanci, nutrijenata je složen proces i odvija se uz učešće fizičko-hemijskih i metaboličkih sila. Brojne studije ukazuju da jedan mehanizam za apsorpciju supstanci, očigledno, ne postoji. Moguće je postojanje niza istovremeno funkcionišućih mehanizama apsorpcije supstanci.

Ulazak supstanci u ćeliju, u citoplazmu odvija se procesima površinske adsorpcije, difuzije, aktivnog prijenosa i pinocitoze. AT opšti pogled adsorpcija se izražava koncentracijom molekula otopljene tvari na međudjelu koji imaju površinsku aktivnost. Razlikovati fizički, ili nepolarni adsorpcija (deluju van der Waalsove sile), polar(adsorpcija elektrolita ili jona) i hemisorpcija(zbog hemijskih reakcija).

Kretanje dispergovanih supstanci iz jednog dela sistema u drugi naziva se difuzija(od lat. diffusio - distribucija, širenje). Supstance rastvorene u vodi raspršuju se među molekulima rastvarača, gube međusobne kohezivne sile i u neprekidnom su kretanju slično kretanju čestica gasa. Čestice otopljene tvari su ravnomjerno raspoređene u prostoru koji im je na raspolaganju. Što su manje čestice molekula supstance, to se brže šire u masi rastvarača; velike čestice koloidnih supstanci kreću se desetine puta sporije od kristaloidnih molekula. Otuda osnovni zakon: brzina difuzije je obrnuto proporcionalna veličini čestica.

Difuzija je moguća za gasove, tečnosti i čvrsta tela. Proteine ​​i polisaharide karakterizira smanjena sposobnost difuzije.

Aktivni prijenos molekula odvija se zahvaljujući energiji metabolizma, koja se opskrbljuje u obliku makroergijskih veza (ATP) uz sudjelovanje ATPaze, koja cijepa i oslobađa energiju.

Eksperimentalno se razvija teorija o ćelijskim nosiocima (P. Bennett-Clark, A.L. Kursanov, W. Stein i drugi). Suština ove teorije je da su ioni koji dolaze iz okoline u polupropusnu zonu citoplazme vezani posebnim supstancama - ćelijskim nosačima koji djeluju kao provodnici jona za unutrašnje slojeve protoplasta. Nosioci uključuju b-ketoglutarnu kiselinu (HOOS - COCH 2 - CH 2 - COOH) i druge keto kiseline iz Krebsovog ciklusa, fosfolipidni lecitin.

Supstanca koju “zarobi” ćelijski nosač ulazi u dublje slojeve citoplazme i tamo se zadržava supstancama koje je prihvataju.

Nosioci mogu funkcionirati i u suprotnom smjeru - da iznesu organska i anorganska jedinjenja iz ćelije, što dovodi, na primjer, do izlučivanja putem korijenskog sistema. organska jedinjenja in okruženje.

Apsorpcija supstanci iz spoljašnje sredine od strane ćelije se takođe može izvršiti (prema hipotezi G. Holtera) pinocitozom. Kao rezultat aktivnog kretanja citoplazmatske površine, stanica, takoreći, guta kapljice tekućine iz otopine. Dugo se vremena smatralo da je pinocitoza jedinstvena za životinjske ćelije. Međutim, pronađene su činjenice prodiranja makromolekularnih supstanci, posebno ribonukleaza (RNaze - molekulska težina 137683), u biljnu ćeliju. Tako je moguće prenijeti velike molekule u ćeliju bez njihovog cijepanja, pomoću pinocitotskih invaginacija na površinskim membranama biljne stanice.

Električno neutralne molekule (nukleinske kiseline, ugljikohidrati) ne uzrokuju pinocitozu. Kada im se doda induktor - polarni molekuli metalnih jona - pojavljuju se pinocitozne invaginacije. Od organskih supstanci, proteini su snažan induktor pinocitoze. Supstance adsorbirane površinskim membranama citoplazme uvlače se u unutrašnje slojeve, gdje stupaju u interakciju sa supstancom citoplazme.

Apsorpcija supstanci, njihov transport i transformacije, kretanje protoplasta povezani su s utroškom energije koja se oslobađa tijekom disanja i akumulira u tvarima bogatim makroergijskim vezama. Osim toga, kiseli joni H + , HCO 3 - koji nastaju tokom disanja kontinuirano ulaze u plazma membranu umjesto kationa i anjona, koji prelaze u dublje slojeve citoplazme. Dakle, procesi adsorpcije, desorpcije i disanja su usko povezani.

Upijanje supstanci od strane ćelija je relativno selektivno; samo određene supstance prolaze kroz desorpciju iz citoplazme i oslobađaju se iz ćelije u okolinu. Takva selektivnost je jedno od najvažnijih svojstava žive materije, koja je nastala i učvrstila se u procesu razvoja života.

Da bi ćelija mogla da koristi egzogeni supstrat, on mora proći kroz svoje granične slojeve. Ćelijski zid ne služi kao značajna barijera za male molekule i jone, ali zadržava makromolekule čija masa prelazi 600 Da. Granični sloj odgovoran za transport nutrijenata u ćeliju je plazma membrana.
Prijenos hranjivih tvari kroz plazma membranu obično je specifičan: apsorbiraju se samo one tvari za koje postoji odgovarajući transportni sistem. Uz nekoliko izuzetaka, transport ovisi o prisutnosti specifičnih permeaza ili translokaza. Riječ je o membranskim proteinima čiji sam naziv ukazuje da imaju svojstva enzima, tj. mogu biti indukovani supstratom, specifični su za supstrat i formiraju se samo pod uslovima u kojima je moguća sinteza proteina.
Što se tiče mehanizma transporta supstanci, razlikuje se niz različitih procesa, od kojih su dva sposobna da obezbede samo transport, ali ne i akumulaciju supstanci u ćeliji; mogu se suprotstaviti procesima aktivnog transporta, koji dovode do akumulacije supstanci unutar ćelije (sl. 7.18 i 7.19).
jednostavna difuzija. Nespecifično prodiranje tvari u ćeliju nastaje pasivnom difuzijom. Za difuziju je bitna veličina molekula i stepen njihove lipofilnosti. Brzina kretanja difuzijom je mala. Za šećere takvi procesi nisu pronađeni i malo su vjerovatni. Otrovi, inhibitori i druge supstance koje su strane ćeliji očigledno prodiru u ćeliju jednostavnom difuzijom.
Olakšana difuzija. Uz olakšanu difuziju, supstanca sadržana u hranljivom mediju transportuje se u ćeliju "dole" duž gradijenta koncentracije. Ovaj proces se odvija zahvaljujući permeazi specifičnoj za supstrat i ne zahtijeva utrošak metaboličke energije. Brzina transporta u širokom rasponu ovisi o koncentraciji supstrata u mediju (slika 7.19). Hranjivi sastojak se ne može akumulirati u ćeliji protiv gradijenta koncentracije.
Rice. 7.18. Šema četiri mehanizma transporta supstanci u ćeliju. Ružičasti krug je transportirani supstrat; c - permeaza (protein nosač); c sa sivim pravougaonikom - nosilac pod naponom; PEP - fosfoenolpiruvat;
GB je termostabilan protein. Objašnjenja u tekstu.
aktivni transport. Aktivni transport i grupna translokacija imaju zajedničko sa olakšanom difuzijom da se ovi procesi odvijaju uz učešće supstrat-specifičnih transportnih proteina. Međutim, za razliku od olakšane difuzije, ova vrsta transporta zahtijeva energiju. Kada se koristi metabolička energija, supstanca se može akumulirati u ćeliji protiv gradijenta koncentracije. Glavna razlika između aktivnog transporta i translokacije

Rice. 7.19. Krivulje zasićenja za apsorpciju dva supstrata od strane intaktnih bakterijskih ćelija [izgrađene prema potrošnji 02 (respiratorni intenzitet)]. Aktivno i pasivno upijanje supstrata može se razlikovati po obliku krivulje. Pošto se supstrat A apsorbuje aktivnim transportom i akumulira u ćeliji, disanje dostiže svoj maksimalni nivo čak i pri veoma niskim koncentracijama supstrata. Supstrat B se apsorbuje pasivno, a intenzitet disanja dostiže maksimum tek pri relativno visokoj koncentraciji takvog supstrata (reda 10–20 mM/l).
Rice. 7.20. Različite vrste aktivni transport, za koji kao izvor energije služi protonski potencijal Dr.
Membrana Ґ\ V U1 n+ O ҐN
V / IO SYMPORT i H+
ANTIPORT H* i Na+
SIMPORT B ​​i Na"
UNIPORT K*
vanjska strana
grupa leži u prirodi molekula koji ulazi u ćeliju.
Aktivnim transportom, isti molekul koji je apsorbiran iz hranjivog medija ulazi u citoplazmu. Kada se grupa translocira, preneseni molekul se modificira tokom transporta, na primjer, fosforilira se.
Sve teorije koje objašnjavaju aktivni transport uključuju koncept prisustva specifičnih transportnih proteina u membrani. Ovi proteini su dobili nazive koji ukazuju na njihovu funkciju: permeaze, translokaze, proteini translokatori, nosači. Transportni procesi se međusobno razlikuju uglavnom po tome šta im služi kao izvor energije - protonski potencijal Ap (slika 7.20), ATP ili fosfoenolpiruvat (slika 7.18).
Za prijenos mnogih tvari, uključujući neorganske i organske jone, kao i šećere, koristi se energija protonskog potencijala (vidi str. 243-244). Bakterijske ćelije održavaju protonski potencijal kontinuiranim pumpanjem protona i drugih jona (Na+) iz ćelije. Za to postoje specifični transportni proteini u membrani.
Svaki od ovih proteina ima vrlo specifičnu funkciju. Postoji, na primjer, protein koji katalizira istovremeni i jednosmjerni prijenos jednog protona i jedne molekule šećera (laktoze, melibioze, glukoze). U takvim slučajevima se govori o simportu dvije (ili više) supstanci. Drugi transportni proteini kataliziraju istovremeni protuprijenos dvije čestice, na primjer, jednog protona i nekog drugog jona (Na+ ili anjona organske kiseline); u ovim slučajevima se govori o antiportu. Prilikom prenošenja šećera u kombinaciji sa transportom jona, vjerovatno je da se uvijek koriste joni H+ ili Na+. Kod prokariota dominira simport sa H+ jonima, kod eukariota simport sa Na+ (slika 7.20).
Da transportni proteini opisanog tipa zaista postoje u bakterijama, potvrđeno je (a) pročišćavanjem i naknadnom inkorporacijom transportnog proteina u protoplaste ili takozvane liposome, i (b) izolacijom mutanata kojima nedostaje odgovarajući protein i njegova specifična funkcija. Što se tiče transporta pomoću energije protonskog potencijala, ovo je vjerovatno najčešći mehanizam za aktivnu apsorpciju supstrata.
Ideju o sudjelovanju specifičnih proteina nosača u transportu jona potkrepljuju podaci o djelovanju niza antibiotika i sintetičkih supstanci. Govorimo o jonoforima. To su spojevi s relativno malom molekulskom težinom (500-2000), čiji su molekuli izvana hidrofobni, a iznutra hidrofilni. Posjedujući hidrofobna svojstva, difundiraju u lipidnu membranu. Od jonofora antibiotika, valinomicin je najpoznatiji; difundira u membranu i katalizuje transport (uniport) jona K+, Cs+, Rb+ ili NH4. Stoga, prisustvo takvih kationa u suspenzijskom mediju dovodi do izjednačavanja naboja na obje strane membrane (kao kratki spoj) i time do pada protonskog potencijala. Drugi jonofori formiraju kanale kroz koje ioni mogu proći. Postoje i sintetička jedinjenja koja povećavaju protonsku provodljivost membrana; najpoznatiji nosilac protona je karbonil cijanid- i trifluorometoksifenilhidrazon. Djeluje kao "razdvojnik" - prekida konjugaciju sinteze ATP-a s transportom elektrona, prenoseći protone u ćeliju, zaobilazeći ATP sintazu. Proučavanje membranskog transporta dovelo je do važnih rezultata koji su u skladu i podržavaju hemiosmotičku teoriju konverzije energije.
Pored transportnih sistema koji koriste protonski potencijal, postoje i sistemi zavisni od ATP-a. Određenu ulogu ovde igraju periplazmatski vezivni proteini (slika 2.28). Plazma membrana životinjskih ćelija ne prenosi protone i ne stvara protonski gradijent. Membranski potencijal se vjerovatno održava samo pomoću mehanizama pumpanja zavisnih od ATP-a, kao što je natrijum-kalijumska pumpa, a natrijum potencijal, zauzvrat, obezbeđuje energiju za uvoz nutrijenata zajedno sa Na+ jonima.
Grupna translokacija. U ovoj vrsti transporta, molekul je hemijski modifikovan; na primjer, šećer se kao takav apsorbira i ulazi u ćeliju u fosforiliranom obliku. Fruktozu, glukozu, manitol i srodne supstance preuzima fosfoenolpiruvat ovisni fosfotransferazni sistem. Ovaj sistem se sastoji od nespecifičnih i specifičnih komponenti. Nespecifična komponenta je termostabilni protein, koji je, uz učešće enzima I koji se nalazi u citoplazmi, fosforiliran fosfoenolpiruvatom. Druga komponenta je inducibilni enzim I koji se nalazi u membrani, specifičan za jedan ili drugi šećer; katalizira prijenos fosfata iz termostabilnog proteina (TB) do šećera tokom transporta potonjeg kroz membranu;
enzim/
Fosfoenolpiruvat + HPg > HPg - P + piruvat
Enzim I
NRg + Šećer > Šećer-I + NRg
Enzim II vjerovatno istovremeno obavlja funkciju permeaze i fosfotransferaze (vidi sliku 7.18).
Inače, apsorpcija supstanci ćelijama je vrlo složen i još uvijek slabo shvaćen proces. Mnogi metabolički efekti inhibicije i fenomen konkurencije između istovremeno dostupnih supstrata su očigledno povezani sa karakteristikama regulatornih mehanizama koji se već manifestuju u procesima transporta supstanci.
oslobađanje supstanci iz ćelije. Znatno se manje zna o oslobađanju metabolita u okoliš nego o mehanizmima apsorpcije tvari u ćeliji. Očigledno, njihovo oslobađanje iz ćelije također se događa i uz sudjelovanje transportnih sistema i nekontroliranom difuzijom. Supstance napuštaju ćeliju kada se, kao rezultat prekomjerne proizvodnje, akumuliraju u njoj, dostižući koncentracije koje premašuju normalan nivo. Akumulacija može biti rezultat nepotpune oksidacije, disregulacije ili procesa fermentacije.
Transport željeza. Za transport ovog makroelementa, mikrobna ćelija ima poseban mehanizam. U anaerobnim uslovima gvožđe je predstavljeno dvovalentnim jonom (Fe2+), a njegova koncentracija može dostići 10"1 M/l, tako da ne ograničava rast mikroorganizama. Međutim, u aerobnim uslovima na pH 7,0 gvožđe je prisutan u obliku hidroksidnog kompleksa Fe3+, koji je gotovo nerastvorljiv; koncentracija feri jona je samo 10"18 M/l. Stoga ne čudi da mikroorganizmi luče tvari koje pretvaraju željezo u rastvorljiv oblik. Ove tvari , takozvani siderofori, vezuju Fe3+ ione u kompleks i on se u tom obliku transportuje, uglavnom niskomolekularne materije rastvorljive u vodi (molekulske mase manje od 1500) koje vezuju gvožđe koordinacionim vezama visoke specifičnosti i visoke afinitet (konstanta stabilnosti reda TO30). Po svojoj hemijskoj prirodi to mogu biti fenolati ili hidroksamati. Prvi je enterohelin, koji ima šest fenolnih hidroksilnih grupa i luče ga neke enterobakterije. smanjujući okolinu, vezuje željezo, a rezultirajući feri-enterohelin apsorbira stanica. U ćeliji se gvožđe oslobađa kao rezultat enzimske hidrolize feri-enterohelina (slika 7.21).
Mnoge gljive formiraju ferihrome za istu svrhu; oni su klasifikovani kao hidroksamat siderofori. Riječ je o cikličkim heksapeptidima koji zadržavaju feri željezo uz pomoć tri hidroksamatne grupe. Takođe se izlučuju iz ćelije u obliku jedinjenja bez gvožđa, vezuju gvožđe u hranljivom mediju i ponovo se apsorbuju u obliku ferihroma. U ćeliji se željezo reducira na Fe2+, za koji ferihromi imaju samo blagi afinitet i stoga ga oslobađaju. Sličnu funkciju imaju ferioksamini (u aktinomicetama), mikobaktini (u mikobakterijama) i egzohelini (također u mikobakterijama).

Rice. 7.21. Primjeri mehanizama prijenosa željeza u ćelije mikroorganizama uz učešće siderofora. Iznad - transportni sistem uz pomoć enterohelina, karakterističan za mnoge bakterije; na dnu je ferihromski sistem koji se nalazi u mnogim gljivama.
Mikroorganizmi obično otpuštaju siderofore u hranljivi medij samo kada gvožđe ograničava rast. Oslobađanje siderofora je posljedica derepresije njihove sinteze. U prisustvu rastvorenog, kompleksno vezanog gvožđa, siderofori se sintetišu samo u malim količinama i zadržavaju se u ćelijskom zidu. U ovim uslovima služe samo za transport gvožđa u ćeliju.
S tim u vezi, zanimljivo je da među prirodnim zaštitnim sredstvima viših organizama nalazimo „čišćenje“ unutrašnje sredine od gvožđa. Postoje posebni proteini koji tako snažno vezuju raspoloživo željezo da ono postaje nedostupno mikroorganizmima. Na primjer, u proteinima kokošje jaje sadrži konalbumin, laktotransferin u mlijeku, suznoj tekućini i pljuvački, te serotransferin u krvnom serumu. Kada se bakterije posade na pileći protein, one rastu samo ako se ioni željeza (u obliku citrata) unose istovremeno s inokulacijom. Dakle, željezo igra važnu ulogu u antagonističkom odnosu između viših organizama i bakterije. Borbu dobija partner koji proizvodi supstancu koja jače veže gvožđe.