Procese biofizice în celulă. Cum este absorbția activă a substanțelor de către celulă? Mecanisme de absorbție a substanțelor de către o celulă vegetală

Toți nutrienții anorganici sunt absorbiți sub formă de ioni conținuti în soluții apoase. Absorbția ionilor de către celulă începe cu intrarea lor în apoplast și interacțiunea cu peretele celular. Ionii pot fi parțial localizați în spațiile intermicelare și interfibrilare ale peretelui celular, parțial legați și fixați în peretele celular prin sarcini electrice. Ionii care intră în apoplast sunt ușor de spălat. Volumul celulei disponibil pentru difuzia liberă a ionilor se numește spațiu liber. Spațiul liber include spații intercelulare, pereții celulari și goluri care pot apărea între peretele celular și plasmalemă. Este uneori denumit spațiu liber aparent (APS). Acest termen înseamnă că volumul său calculat depinde de obiectul și natura substanței dizolvate. Astfel, pentru ionii monovalenți, volumul CSP va fi mai mare decât pentru cei divalenți. Spațiul liber aparent ocupă 5-10% din volumul țesuturilor vegetale. Absorbția și eliberarea de substanțe în PCB este un proces pasiv fizico-chimic, independent de temperatură (în intervalul +15 - +35 o C) și inhibitori ai metabolismului energetic. Peretele celular are proprietățile unui schimbător de ioni, deoarece ionii H + și HCO -3 sunt adsorbiți în el, schimbându-se în cantități echivalente cu ionii unei soluții externe. Datorită predominării sarcinilor fixe negative în peretele celular, are loc concentrația primară de cationi (în special cei divalenți și trivalenți). A doua etapă de intrare a ionilor este transportul prin plasmalemă. Transportul ionilor prin membrană poate fi pasiv sau activ. Absorbția pasivă nu necesită energie și se realizează prin difuzie de-a lungul gradientului de concentrație al unei substanțe pentru care plasmalema este permeabilă. Mișcarea pasivă a ionilor este determinată nu numai de potențialul chimic µ, cum este cazul difuziei particulelor neîncărcate, ci și de potențialul electric ε. Ambele potențiale sunt combinate sub forma unui potențial electrochimic µ:

µ = µ + nFε,

unde µ – chimic, ε – electric, µ – potențiale electrochimice;

n este valența ionului; F este constanta de Faraday.

Orice diferență de potențial electric care apare de-a lungul membranelor provoacă o mișcare corespunzătoare a ionilor.

Transportul pasiv poate continua cu participarea purtătorilor la o rată mai mare decât difuzia normală, iar acest proces se numește difuzie facilitată. Sunt cunoscute translocaze foarte specifice - molecule proteice care transportă adenil nucleotide prin membrana internă a mitocondriilor: schimbător Na + / Ca2 + - o proteină care face parte din membranele plasmatice ale multor celule; o peptidă cu greutate moleculară mică de origine bacteriană, valinomicina, este un purtător specific pentru ionii K+. Proces

Difuzia facilitată are o serie de caracteristici: 1) este descrisă de ecuația Michaelis-Menten și are anumite Vmax și Km; 2) selectiv (are specificitate pentru un anumit ion); 3) este suprimată prin specific

inhibitori.

Difuzia implică și transportul ionilor prin canale ionice selective - complexe proteice integrale ale membranelor care formează un por hidrofil. Componenta principală a forței motrice a acestui transport este gradientul potențialului electrochimic al ionului. Activitatea canalului este modulată de potențialul membranei, pH-ul, concentrația

ioni etc. Transportul activ al substantelor se realizeaza in raport cu gradientul de concentratie si trebuie asociat cu un proces de dare de energie. Principala sursă de energie pentru transportul activ este ATP. Prin urmare, de regulă, transportul activ al ionilor se realizează cu ajutorul ATPazelor de transport.

Membranele de cuplare conțin pompe de protoni care acționează ca H+-ATPaze. Ca urmare a funcționării lor, pe membrană apar o diferență în concentrațiile de protoni (ΔрН) și o diferență de potențiale electrice, care împreună formează un potențial electrochimic de protoni, notat ΔμН+. Datorită muncii H + -ATPazei, mediu acidîn unele organite celulare (de exemplu, lizozomi). În membrana mitocondrială, H+-ATPaza lucrează în direcția opusă, folosind

ΔμH+ creat în lanțul respirator pentru a forma ATP. În cele din urmă, transportul activ secundar este larg reprezentat în celule, timp în care gradientul unei substanțe este folosit pentru a transporta alta. Cu ajutorul transportului activ secundar, celulele acumulează zaharuri, aminoacizi și elimină unele produse metabolice folosind gradientul H +.

După trecerea prin plasmalemă, ionii intră în citoplasmă, unde sunt incluși în metabolismul celular. Transportul intracelular al ionilor se realizează datorită mișcării citoplasmei și prin canalele reticulului endoplasmatic. Ionii intră în vacuolă dacă citoplasma și organelele sunt deja saturate cu ele sau pentru a umple rezervorul de particule active osmotic. Pentru a intra în vacuolă, ionii trebuie să depășească o altă barieră - tonoplastul. Transportul ionilor prin tonoplast se realizează tot cu ajutorul

purtători și necesită energie. Purtătorii localizați în tonoplast au o afinitate mai mică pentru ioni și operează la concentrații mai mari de ioni decât purtătorii membranei plasmatice. O specifică H+-ATPază a fost identificată în tonoplast. Nu este inhibat de dietilstilbestrol, un inhibitor al plasmalemei H+-ATPazei.

Relația dintre procesele de absorbție a substanțelor de către rădăcină cu alte funcții ale plantei (respirație, fotosinteză, schimb de apă, creștere, biosinteză etc.); absorbția ionilor de către celulele frunzelor, scurgerea ionilor din frunze, redistribuirea și reciclarea substanțelor din plantă.

Cercetători cunoscuți (I. Knop, Yu. Saks, D.N. Pryanishnikov și alții) au descoperit că nevoia plantei de elemente individuale de cenușă se modifică în diferite faze ale dezvoltării sale. Cerințele mai mari sunt asociate cu metabolismul activ, creșterea și neoplasmele. Cu o deficiență a multor elemente minerale, simptomele foametei apar, în primul rând, pe organele vechi. Acest lucru se datorează faptului că sistemele de reglare ale plantei mobilizează elementele minerale necesare și sunt transportate către țesuturile tinere, în creștere activă. Azotul, fosforul, potasiul sunt foarte mobile. Borul și calciul sunt prost sau deloc reutilizate. Pentru viața normală a plantelor, trebuie respectat un anumit raport al diferiților ioni din mediu. Soluțiile pure ale oricărui cation sunt otrăvitoare. Astfel, atunci când răsadurile de grâu au fost plasate pe soluții pure de KCL sau CaCL2, umflarea a apărut mai întâi pe rădăcini, iar apoi rădăcinile au murit. Soluțiile mixte ale acestor săruri nu au avut efect toxic. Efectul de înmuiere al unui cation asupra acțiunii altuia se numește antagonism ionic. Antagonismul ionilor se manifestă atât între ioni diferiți de aceeași valență, de exemplu, între ionii de sodiu și potasiu, cât și între ioni de valențe diferite, de exemplu, ionii de potasiu și calciu. Unul dintre motivele antagonismului ionilor este efectul acestora asupra hidratării proteinelor citoplasmatice. Cationii divalenți (calciu, magneziu) deshidratează coloizii mai puternic decât cationii monovalenți (sodiu, potasiu). Următorul motiv pentru antagonismul ionilor este competiția lor pentru centrii activi ai enzimelor. Astfel, activitatea unor enzime respiratorii este inhibată de ionii de sodiu, dar acțiunea lor este înlăturată prin adăugarea ionilor de potasiu. În plus, ionii pot concura pentru legarea cu purtătorii în timpul absorbției. Acțiunea unui ion poate spori și influența altuia. Acest fenomen se numește sinergie. Deci, sub influența fosforului, efectul pozitiv al molibdenului crește. Studiul raporturilor cantitative ale elementelor necesare a făcut posibilă crearea de amestecuri nutritive echilibrate, soluții de săruri minerale pentru plantele în creștere. Sunt bine cunoscute amestecuri de Knop, Pryanishnikov, Gelrigel etc.

Cercetările oamenilor de știință de la școala D. N. Pryanishnikov au arătat că fiecare tip de plantă are cerințe specifice pentru combinații cantitative ale elementelor individuale de cenușă. Sa constatat, de asemenea, că nevoia plantei de elemente individuale de cenușă se modifică la diferite faze ale dezvoltării sale. Astfel, cea mai bună soluție nutritivă pentru o plantă trebuie considerată o soluție de compoziție nu constantă, ci variabilă, care se modifică în funcție de nevoile în schimbare ale plantei la diferitele stadii de dezvoltare a acesteia. Această prevedere are o mare importanță practică, constituind baza unei noi metode de creștere artificială a randamentului. Lucrarea lui D. A. Sabinin a făcut posibilă elucidarea mecanismelor de intrare a apei și a mineralelor în celulele rădăcinilor plantelor, antagonismul și sinergia în interacțiunea ionilor.

Absorbţie nutrienți celulă.

Pentru implementarea tuturor proceselor de viață, apa și nutrienții trebuie să intre în celulă din mediul extern. Citoplasma și membranele sale limită - plasmalema și tonoplastul - au proprietăți de permeabilitate selectivă. Sub permeabilitate selectivă ei înțeleg capacitatea de a regla activ procesul de intrare a substanțelor: lăsați unele substanțe să treacă într-un ritm mai mare, altele mai lent sau deloc.În acest fel, un sistem biologic poate menține stabilitatea - homeostazia și nu se amestecă cu mediul. .

Absorbția poate fi pasivși activ. Mișcarea se numește pasivă. substante prin difuzie de-a lungul gradientului electrochimic (concentrație și electric).

Difuzie - mișcarea moleculelor sau ionilor dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație mai mică. Ionii se deplasează prin membrane într-o direcție sau alta datorită energiei cinetice proprii, fără a consuma nici ATP, nici alte surse de energie în acest proces. Unele molecule pătrund prin dizolvarea în lipidele membranare sau prin tubuli hidrofili speciali din membrane. Deoarece ionii sunt încărcați, viteza lor de difuzie este determinată nu numai de permeabilitatea membranei și de diferențele de concentrație a ionilor de pe ambele părți ale acesteia, ci și de potențialul electric - tensiunea care apare între părțile interioare și exterioare ale membrana. De obicei, celulele vegetale au un potențial negativ în interiorul membranelor lor, ceea ce duce la absorbția preferențială a ionilor încărcați pozitiv față de cei negativi.

Transport activ - aceasta este absorbția substanțelor prin zone specifice ale membranei, numite pompe,împotriva gradientului electrochimic cu cheltuirea energiei respiratorii. De exemplu, o celulă vegetală absoarbe potasiul în cantități de sute și mii de ori mai mari decât este disponibil în mediu.

Apa poate pătrunde în celulele plantelor datorită umflării biocoloizilor și creșterii gradului de hidratare a acestora. Acest lucru este tipic pentru semințele uscate introduse în apă. Cu toate acestea, principala cale prin care apa pătrunde în celulele vii este absorbția sa osmotică.

Cea mai mare parte a apei prezente în celulă se află în vacuolă. De asemenea, conține un număr mare de alte substanțe - zaharuri, acizi organici, săruri. Pentru a pătrunde în vacuolă, apa trebuie să treacă prin peretele celular, precum și prin două membrane și citoplasma aflată între ele. De obicei, aceste trei structuri sunt considerate împreună ca o singură barieră de membrană care are proprietăți de semi-permeabilitate, adică permeabilitate numai pentru apă. Conform teoriei cinetice moleculare, moleculele tuturor substanțelor se află într-o stare de mișcare haotică rapidă, a cărei viteză depinde de energia acestor molecule. Moleculele de apă sunt mici și se deplasează prin membranele celulare mult mai repede decât moleculele altor substanțe. Ele difuzează în toate direcțiile: în și în afara celulei, în și în afara diferitelor organite celulare. Mișcarea apei se realizează de-a lungul gradientului activității sale, care se caracterizează prin potenţial de apă. Moleculele de substanțe dizolvate conținute în vacuole reduc activitatea moleculelor de apă din celulă. Ca rezultat, energia cinetică a apei din vacuole este mai mică decât energia cinetică a apei relativ mai pure din afara celulei. Ca rezultat, mai multe molecule de apă intră în vacuola din interiorul celulei decât o părăsesc. Volumul vacuolei crește și se creează turgență,în urma căreia conţinutul celulei este presat pe peretele acesteia.

Difuzia apei printr-o membrană semi-permeabilă se numește osmoză. Dacă două soluții sunt separate printr-o membrană semipermeabilă, atunci apa dintr-o soluție cu o concentrație mai mică de substanțe (hipotonică) se va difuza într-o soluție cu o concentrație mai mare de substanțe (hipertonică). Difuzia va avea loc până când concentrațiile de substanțe din ambele soluții devin aceleași (izotonice).

Dacă în osmometru soluția de zaharoză este separată de apa pură printr-o membrană semipermeabilă (Fig. 8.2), atunci moleculele de apă, datorită difuziei, se vor deplasa din apă pură în soluția de zaharoză, unde concentrația de apă este mai mică, adică. de la potenţial mare de apă la mai scăzut. Aceasta duce la o creștere a volumului soluției de zaharoză și la creșterea lichidului în tubul osmometrului. Aceasta crește presiunea hidrostatică sub care se află soluția în osmometru. La o anumită înălțime a coloanei de soluție din tub, ratele de difuzie ale apei se vor egaliza și creșterea acesteia se va opri.

Cea mai mare presiune pe care o anumită soluție o poate depăși prin aspirarea apei printr-o membrană semipermeabilă este aceasta presiune osmotica. Potențialul osmotic al unei soluții depinde direct de concentrația solutului și este egal ca mărime cu potențialul de presiune hidrostatică, dar semn opus. Are întotdeauna o valoare negativă. Valoarea potențialului osmotic este ambiguă la tipuri diferite plante si in părți diferite aceeași plantă. Pentru sucul vacuolar al celulelor radiculare, este de 12-13 at., Iar pentru celulele organelor supraterane, 10-26 at. Acest lucru determină un gradient vertical de potențial asmotic și forță de aspirare de la rădăcini la frunze. La plantele halofite care cresc în condiţii saline, potenţialul osmotic este foarte mare, ajungând la 150 at.

Forța cu care apa pătrunde într-o celulă se numește forta de aspirare(5), este identic cu potențialul de apă al celulei. Mărimea forței coexistente este determinată de presiunea osmotică a sevei celulei (z) și de presiunea de turgență (hidrostatică) din celulă.

Orez. 8.2. Schema celui mai simplu osmometru:

1 - un vas cu apă; B - vas cu 10%

soluție de zaharoză (cercuri - molecule de apă, ovale - molecule de zaharoză).

(P), care este egală cu contrapresiunea peretelui celular care apare atunci când este întins elastic: S \u003d k - P.

În condiții de conținut de apă diferit, raportul dintre toate componentele acestei ecuații se modifică. Când o celulă este complet saturată cu apă (complet turgescentă), forța sa de aspirare este zero, iar presiunea turgescentă este egală cu presiunea osmotică potențială: S= 0; P= j. Starea de turgescență completă se observă în celulele plantelor acvatice. Celulele plantelor terestre nu sunt aproape niciodată complet saturate cu apă din cauza transpirației. Dacă alimentarea cu apă a celulei scade (când crește vântul, când există o lipsă de umiditate în sol etc.), atunci la început există un deficit de apă în pereții celulei, al cărui potențial de apă devine mai mic decât în vacuole, iar apa începe să se schimbe -shchatsya în pereții celulelor. Ieșirea apei din vacuolă reduce presiunea turgenței în celule și, în consecință, crește puterea de aspirație a acestora. La lipsa prelungita umiditatea, majoritatea celulelor își pierd turgul și planta se ofilește. In aceste conditii P = 0; S = k. Deshidratarea celulară se numește plasmoliza.

Fenomenul de plasmoliză poate fi observat prin plasarea bucăților de țesut într-o soluție hipertonică. Ieșirea apei din celule duce la scăderea volumului protoplastelor și separarea acestora de pereții celulari. Spațiul dintre peretele celular și protoplastul contractat este umplut cu o soluție externă, care trece ușor prin peretele celular, ceea ce practic nu împiedică mișcarea apei. O celulă în această stare este numită plasmolizat. Când o celulă este plasată în apă curată, își poate restabili turgența. Deficiența excesivă duce la ruperea protoplastului și moartea celulelor.

În condițiile deficienței de apă în țesuturile tinere, o creștere bruscă a pierderii de apă, de exemplu, în timpul vântului uscat, duce la pierderea turgenței și a protoplastelor, micșorându-se în volum, nu se separă de pereții celulelor, ci le trag de-a lungul. Celulele și țesuturile se micșorează. Acest fenomen se numește citoriza.

celula vegetală cloroplast clorofilă flavonoid

Într-o celulă vie a unei plante, se menține întotdeauna un anumit raport de apă, săruri și substanțe organice, care este reglat de metabolismul cu mediul, fără de care viața este imposibilă. În celulă, straturile de suprafață ale protoplastei sunt o partiție semi-permeabilă, prin care apa și substanțele dizolvate în ea pătrund ușor. În seva celulară pătrund și diverse substanțe. Fără aceasta, ar fi imposibil ca nutrienții să pătrundă în celulă din exterior și să le mute de la o celulă la alta și, în consecință, existența plantei în sine. Se numește capacitatea citoplasmei de a trece anumite substanțe prin ea însăși permeabilitatea citoplasmei.

Furnizarea de nutrienți a celulelor proces activ absorbția, care este supusă legilor difuziei. Dar nu totul poate fi explicat prin difuzie. Procesele de intrare a substanțelor dizolvate, permeabilitatea citoplasmei sunt afectate de alimentarea țesuturilor cu oxigen, temperatură, prezența substanțelor organice, conținutul de săruri în celule, precum și proprietățile și concentrația substanțelor dizolvate în substratul înconjurător.

Menținerea permeabilității citoplasmei la un anumit nivel este asociată cu menținerea unui echilibru între ionii conținuti în soluțiile din jurul celulei și în citoplasma însăși; raportul lor determină gradul de vâscozitate. În consecință, permeabilitatea citoplasmei depinde de o serie de condiții, și anume: natura substanțelor în sine care sunt conținute în celulă, raportul dintre diverși ioni minerali, temperatura și alte condiții externe.

Toate substanțele organice pot fi împărțite în două grupe: nepolar, la ale căror centre de sarcină electrică coincid și polar, ale căror centri de sarcină electrică nu coincid. Compușii nepolari sunt dominați de grupări --CH3, --C2H5, --C4H9, --C6H6, în timp ce compușii polari au OH, --COOH, --NH2, - -CH --CN, --CONH 2 , --SH, --NCS, precum și grupuri care au legături duble și triple. Există, de asemenea, compuși de tip mixt care sunt atât polari, cât și nepolari. Astfel de compuși sunt ușor adsorbiți, de exemplu medicamente. Compușii nepolari sunt lipide, care, împreună cu alte substanțe, fac parte din citoplasmă. Substanțele polare includ glucoza, ureea, glicerolul, care nu se dizolvă în lipide, dar pătrund ușor în celulă. Pătrunderea ionilor în celulă are loc prin absorbție pasivă nemetabolică ca urmare a difuziei de-a lungul gradientului de concentrație, respectiv, a curbei de saturație și, respectiv, prin absorbție metabolică (activă). Membranele plasmatice sunt bine permeabile la apă și ușor permeabile la ionii care sunt absorbiți împotriva gradientului de concentrație. Astfel, concentrația de K + în vacuolă este de 100 de ori sau mai mare decât în ​​sol.

Absorbția nemetabolică este un proces reversibil. Astfel, atunci când sistemul radicular al unei plante este transferat dintr-o soluție nutritivă în apă, este posibil să se detecteze unele dintre elementele care s-au difuzat în pereții celulari și în spațiile intercelulare.

Absorbția metabolică (activă), spre deosebire de cea nemetabolică, are loc lent, ionii absorbiți sunt implicați rapid în metabolism și suferă transformări:

NH4+, NO3- și SO42-> aminoacizi,

PO43->ATP, Ca şi Mg> fitină, Fe > porfirine.

Absorbția metabolică este selectivă pentru diverși ioni. În plus, procesul de absorbție a ionilor necesită energie și este însoțit de o creștere a intensității respirației.

Astfel, absorbția substanțelor, nutrienților este un proces complex și se realizează cu participarea forțelor fizico-chimice și metabolice. Numeroase studii indică faptul că un singur mecanism de absorbție a substanțelor, evident, nu există. Este posibilă existența unui număr de mecanisme de absorbție a substanțelor care funcționează simultan.

Intrarea substantelor in celula, in citoplasma are loc prin procese de adsorbtie la suprafata, difuzie, transfer activ si pinocitoza. LA vedere generala adsorbția este exprimată prin concentrația de molecule de dizolvat la interfață care au activitate de suprafață. Distinge fizic, sau nepolar adsorbție (acțiunea forțelor van der Waals), polar(adsorbția electroliților sau ionilor) și chimisorbtie(din cauza reacțiilor chimice).

Se numește mișcarea substanțelor dispersate dintr-o parte a sistemului în alta difuziune(din lat. diffusio - distribuire, răspândire). Substanțele dizolvate în apă sunt dispersate printre moleculele de solvent, își pierd forțele de coeziune între ele și se află în mișcare continuă, similară mișcării particulelor de gaz. Particulele de solut sunt distribuite uniform în spațiul disponibil. Cu cât particulele unei molecule a unei substanțe sunt mai mici, cu atât se răspândesc mai repede în masa solventului; particulele mari de substanțe coloidale se mișcă de zeci de ori mai încet decât moleculele cristaloide. De aici legea de bază: viteza de difuzie este invers proporțională cu dimensiunea particulei.

Difuzia este posibilă pentru gaze, lichide și corpuri solide. Proteinele și polizaharidele se caracterizează printr-o capacitate redusă de difuzare.

Transferul activ al moleculelor se realizează datorită energiei metabolismului, care este furnizată sub formă de legături macroergice (ATP) cu participarea ATPazei, care desparte și eliberează energie.

Teoria purtătorilor celulari este în curs de dezvoltare experimental (P. Bennett-Clark, A.L. Kursanov, W. Stein și alții). Esența acestei teorii constă în faptul că ionii care vin din mediul înconjurător în zona semipermeabilă a citoplasmei sunt legați de substanțe speciale - purtători de celule care acționează ca conductori de ioni la straturile interioare ale protoplastei. Substanțele purtătoare includ acidul b-cetoglutaric (HOOS - COCH 2 - CH 2 - COOH) și alți cetoacizi din ciclul Krebs, lecitina fosfolipidă.

Substanța „capturată” de purtătorul celular pătrunde în straturile mai profunde ale citoplasmei și este reținută acolo de substanțele care o acceptă.

Substanțele purtătoare pot funcționa și în direcția opusă - pentru a transporta compuși organici și anorganici din celulă, ceea ce duce, de exemplu, la excreția de către sistemul radicular. compusi organiciîn mediu inconjurator.

Absorbția de către celulă a substanțelor din mediul extern poate fi realizată (după ipoteza lui G. Holter) și prin pinocitoză. Ca rezultat al mișcării active a suprafeței citoplasmatice, celula, așa cum ar fi, înghite picături de lichid din soluție. Pentru o lungă perioadă de timp, pinocitoza a fost considerată a fi unică pentru celulele animale. Cu toate acestea, s-au descoperit faptele pătrunderii substanțelor macromoleculare, în special ribonucleazelor (RNazele - greutate moleculară 137683), în celula vegetală. Astfel, este posibil să se transfere molecule mari în celulă fără scindarea acestora, prin intermediul invaginărilor pinocitotice pe membranele de suprafață ale celulei vegetale.

Moleculele neutre din punct de vedere electric (acizi nucleici, carbohidrați) nu provoacă pinocitoză. Când li se adaugă un inductor - molecule polare de ioni metalici - apar invaginări pinocitotice. Dintre substanțele organice, proteinele sunt un inductor puternic al pinocitozei. Substanțele adsorbite de membranele de suprafață ale citoplasmei sunt atrase în straturile interioare, unde interacționează cu substanța citoplasmei.

Absorbția substanțelor, transportul și transformările acestora, mișcarea protoplastei sunt asociate cu consumul de energie, care este eliberată în timpul respirației și se acumulează în substanțe bogate în legături macroergice. În plus, ionii acizi H + , HCO 3 - formați în timpul respirației intră continuu în membrana plasmatică în loc de cationi și anioni, care trec în straturile mai profunde ale citoplasmei. Astfel, procesele de adsorbție, desorbție și respirație sunt strâns legate.

Absorbția de substanțe de către celule este relativ selectivă; doar anumite substanțe suferă desorbție din citoplasmă și sunt eliberate din celulă în mediu. O astfel de selectivitate este una dintre cele mai importante proprietăți ale materiei vii, care a apărut și s-a fixat în procesul de dezvoltare a vieții.

Pentru ca un substrat exogen să poată fi utilizat de o celulă, acesta trebuie să treacă prin straturile sale limită. Peretele celular nu servește ca o barieră semnificativă pentru moleculele și ionii mici, dar reține macromolecule a căror masă depășește 600 Da. Stratul limită responsabil pentru transportul nutrienților în celulă este membrana plasmatică.
Transferul de nutrienți prin membrana plasmatică este de obicei specific: pot fi absorbite doar acele substanțe pentru care există un sistem de transport adecvat. Cu puține excepții, transportul depinde de prezența unor permeaze sau translocaze specifice. Vorbim despre proteine ​​de membrană, chiar numele cărora indică faptul că au proprietățile enzimelor, adică. pot fi induse de substrat, sunt specifice substratului și se formează numai în condițiile în care sinteza proteinelor este posibilă.
În ceea ce privește mecanismul de transport al substanțelor, se disting o serie de procese diferite, dintre care două sunt capabile să asigure doar transportul, dar nu și acumularea de substanțe în celulă; pot fi opuse proceselor de transport activ, ducând la acumularea de substanţe în interiorul celulei (Fig. 7.18 şi 7.19).
difuzie simplă. Pătrunderea nespecifică a substanțelor în celulă are loc prin difuzie pasivă. Pentru difuzie, dimensiunea moleculelor și gradul de lipofilitate a acestora sunt esențiale. Viteza de mișcare prin difuzie este mică. Pentru zaharuri, astfel de procese nu au fost găsite și sunt puțin probabile. Otrăvurile, inhibitorii și alte substanțe străine celulei pătrund aparent în celulă prin simplă difuzie.
Difuzare facilitată. Cu difuzie facilitată, substanța conținută în mediul nutritiv este transportată în celulă „în jos” de-a lungul gradientului său de concentrație. Acest proces se realizează datorită permeazei specifice substratului și nu necesită cheltuirea energiei metabolice. Viteza de transport într-un interval larg depinde de concentrația substratului în mediu (Fig. 7.19). Un nutrient nu se poate acumula într-o celulă împotriva unui gradient de concentrație.
Orez. 7.18. Schema celor patru mecanisme de transport al substanțelor în celulă. Cercul roz este substratul transportat; c - permeaza (proteina purtătoare); c cu un dreptunghi gri - purtător energizat; PEP - fosfoenolpiruvat;
GB este o proteină termostabilă. Explicații în text.
transport activ. Transportul activ și translocarea grupului au în comun cu difuzia facilitată faptul că aceste procese au loc cu participarea proteinelor de transport specifice substratului. Cu toate acestea, spre deosebire de difuzia facilitată, acest tip de transport necesită energie. Când se folosește energia metabolică, o substanță se poate acumula într-o celulă împotriva unui gradient de concentrație. Principala diferență între transportul activ și translocare

Orez. 7.19. Curbe de saturație pentru absorbția a două substraturi de către celulele bacteriene intacte [construite în funcție de consumul de 02 (intensitate respiratorie)]. Absorbția activă și pasivă a substratului poate fi distinsă prin forma curbei. Deoarece substratul A este absorbit prin transport activ și se acumulează în celulă, respirația atinge nivelul maxim chiar și la concentrații foarte scăzute de substrat. Substratul B este absorbit pasiv, iar intensitatea respirației atinge un maxim doar la o concentrație relativ mare a unui astfel de substrat (de ordinul a 10–20 mM/l).
Orez. 7.20. Tipuri diferite transport activ, pentru care potenţialul de protoni Dr. serveşte ca sursă de energie.
Membrana Ґ\ V U1 n+ O ҐN
V / IO SYMPORT și H+
ANTIPORT H* și Na+
SIMPORT B ​​​​și Na"
UNIPORT K*
Partea exterioară
grupul se află în natura moleculei care intră în celulă.
Cu transportul activ, aceeași moleculă care a fost absorbită din mediul nutritiv intră în citoplasmă. Când o grupă este translocată, molecula transferată este modificată în timpul transportului, de exemplu, este fosforilată.
Toate teoriile care explică transportul activ includ conceptul de prezență a proteinelor de transport specifice în membrană. Aceste proteine ​​au primit denumiri care indică funcția lor: permeaze, translocaze, proteine ​​translocatoare, purtători. Procesele de transport diferă unele de altele în principal prin ceea ce servește ca sursă de energie pentru ele - potențialul de protoni Ap (Fig. 7.20), ATP sau fosfoenolpiruvat (Fig. 7.18).
Pentru transferul multor substanțe, inclusiv ionii anorganici și organici, precum și zaharurile, se folosește energia potențialului de protoni (vezi pp. 243-244). Celulele bacteriene mențin un potențial de protoni prin pomparea continuă a protonii și a altor ioni (Na+) din celulă. Pentru aceasta, membrana conține proteine ​​de transport specifice.
Fiecare dintre aceste proteine ​​are o funcție foarte specifică. Există, de exemplu, o proteină care catalizează transferul simultan și unidirecțional al unui proton și al unei molecule de zahăr (lactoză, melibioză, glucoză). În astfel de cazuri, se vorbește despre simportul a două (sau mai multe) substanțe. Alte proteine ​​de transport catalizează contratransferul simultan a două particule, de exemplu, un proton și un alt ion (Na + sau un anion al unui acid organic); in aceste cazuri se vorbeste de un antiport. La transferul zaharurilor cuplat cu transportul ionilor, este probabil ca ionii H+ sau Na + să fie întotdeauna utilizați. La procariote predomină simportul cu ioni H +, la eucariote simportul cu Na + (Fig. 7.20).
Că proteinele de transport de tipul descris există într-adevăr în bacterii a fost confirmat (a) prin purificarea și încorporarea ulterioară a proteinei purtătoare în protoplaste sau așa-numiții lipozomi și (b) prin izolarea mutanților cărora le lipsește proteina corespunzătoare și funcția sa specifică. În ceea ce privește transportul folosind energia potențialului de protoni, acesta este probabil cel mai comun mecanism de absorbție activă a substraturilor.
Ideea participării proteinelor purtătoare specifice în transportul ionic este susținută de date privind acțiunea unui număr de antibiotice și substanțe sintetice. Vorbim despre ionofori. Este vorba despre compuși cu o greutate moleculară relativ mică (500-2000), ale căror molecule sunt hidrofobe la exterior și hidrofile la interior. Avand proprietati hidrofobe, ele difuzeaza in membrana lipidica. Dintre ionoforii antibiotici, valinomicina este cea mai cunoscută; difuzează în membrană și catalizează transportul (uniportul) ionilor K+, Cs+, Rb+ sau NH4. Prin urmare, prezența unor astfel de cationi în mediul de suspensie duce la egalizarea sarcinii pe ambele părți ale membranei (ca un scurtcircuit) și astfel la o scădere a potențialului de protoni. Alți ionofori formează canale prin care ionii pot trece. Există și compuși sintetici care cresc conductivitatea protonilor a membranelor; cel mai cunoscut purtător de protoni este cianura de carbonil și trifluorometoxifenilhidrazona. Acționează ca un „decuplator” - rupe conjugarea sintezei ATP cu transportul de electroni, transferând protoni în celulă, ocolind ATP sintetaza. Studiul transportului membranar a condus la rezultate importante care sunt în concordanță cu și susțin teoria chimiosmotică a conversiei energiei.
Alături de sistemele de transport care utilizează potențialul de protoni, există și sisteme dependente de ATP. Un anumit rol îl joacă aici proteinele de legare periplasmatică (Fig. 2.28). Membrana plasmatică a celulelor animale nu transportă protoni și nu creează un gradient de protoni. Potențialul de membrană este probabil menținut doar prin mecanisme de pompare dependente de ATP, precum pompa de sodiu-potasiu, iar potențialul de sodiu, la rândul său, furnizează energie pentru importul de nutrienți împreună cu ionii Na +.
Translocarea grupului. În acest tip de transport, molecula este modificată chimic; de exemplu, zahărul ca atare este absorbit și intră în celulă sub formă fosforilată. Fructoza, glucoza, manitolul și substanțele înrudite sunt absorbite de sistemul fosfotransferazei dependent de fosfoenolpiruvat. Acest sistem este format din componente nespecifice și specifice. Componenta nespecifică este o proteină termostabilă, care, cu participarea enzimei I situată în citoplasmă, este fosforilată de fosfoenolpiruvat. A doua componentă este o enzimă I inductibilă situată în membrană, specifică unuia sau altuia zahăr; catalizează transferul de fosfat de la o proteină termostabilă (TB) la zahăr în timpul transportului acestuia din urmă prin membrană;
Enzimă/
Fosfoenolpiruvat + HPg > HPg - P + Piruvat
Enzima I
NRg + Zahăr > Zahăr-I + NRg
Enzima II îndeplinește probabil funcția de permează și fosfotransferază simultan (vezi Fig. 7.18).
În rest, absorbția substanțelor de către celule este un proces foarte complex și încă puțin înțeles. Multe efecte metabolice ale inhibiției și fenomenul de competiție între substraturi disponibile simultan sunt aparent asociate cu caracteristicile mecanismelor de reglare care se manifestă deja în procesele de transport de substanțe.
eliberarea de substanțe din celulă. Se cunosc mult mai puține despre eliberarea metaboliților în mediu decât despre mecanismele de absorbție a substanțelor de către celulă. Aparent, eliberarea lor din celulă are loc, de asemenea, atât cu participarea sistemelor de transport, cât și prin difuzie necontrolată. Substanțele părăsesc celula atunci când, ca urmare a supraproducției, se acumulează în ea, atingând concentrații care depășesc nivel normal. Acumularea poate rezulta din oxidare incompletă, dereglare sau procese de fermentație.
Transport de fier. Pentru transportul acestui macroelement, celula microbiană are un mecanism special. În condiții anaerobe, fierul este reprezentat de un ion divalent (Fe2 +), iar concentrația acestuia poate ajunge la 10 "1 M/l, astfel încât să nu limiteze creșterea microorganismelor. Totuși, în condiții aerobe la pH 7,0, fierul este prezent sub formă de complex de hidroxid Fe3 +, care este aproape insolubil;concentrația ionilor ferici este de numai 10 "18 M/l. Nu este deci surprinzător că microorganismele secretă substanțe care transformă fierul într-o formă solubilă. Aceste substanțe , așa-numiții siderofori, leagă ionii Fe3 + într-un complex și este transportat sub această formă, în principal substanțe solubile în apă cu un nivel molecular scăzut (cu o greutate moleculară mai mică de 1500) care leagă fierul prin legături de coordonare cu specificitate ridicată și mare. afinitate (constante de stabilitate de ordinul TO30).După natura lor chimică, aceștia pot fi fenolați sau hidroxamați. Primul este enterochelina, care are șase grupări hidroxil fenolice și este secretată de unele enterobacterii. reducând mediul înconjurător, leagă fierul, iar feri-enterochelina rezultată este absorbită de celulă. În celulă, fierul este eliberat ca rezultat al hidrolizei enzimatice a feri-enterochelinei (Fig. 7.21).
Multe ciuperci formează fericromi în același scop; sunt clasificați ca siderofori hidroxamat. Acestea sunt hexapeptide ciclice care rețin fierul feric cu ajutorul a trei grupe de hidroxamat. De asemenea, acestea sunt eliberate din celulă sub formă de compuși fără fier, leagă fierul în mediul nutritiv și sunt reabsorbite ca fericromi. În celulă, fierul este redus la Fe2 +, pentru care fericromii au doar o mică afinitate și, prin urmare, îl eliberează. O funcție similară o îndeplinesc ferrioxaminele (în actinomicete), micobactinele (în micobacterii) și exochelinele (și în micobacterii).

Orez. 7.21. Exemple de mecanisme de transfer de fier în celulele microorganismelor cu participarea sideroforilor. Deasupra - sistemul de transport cu ajutorul enterochelinei, caracteristic multor bacterii; în partea de jos se află sistemul fericromic întâlnit la multe ciuperci.
Microorganismele eliberează de obicei siderofori în mediul nutritiv numai atunci când fierul limitează creșterea. Eliberarea sideroforilor este o consecință a dereprimarii sintezei lor. În prezența fierului dizolvat, legat de complex, sideroforii sunt sintetizați numai în cantități mici și sunt reținuți în peretele celular. În aceste condiții, ele servesc doar la transportul fierului în celulă.
În acest sens, este interesant faptul că printre dispozitivele naturale de protecție ale organismelor superioare, regăsim „curățarea” mediului intern de fier. Există proteine ​​speciale care leagă fierul disponibil atât de puternic încât devine inaccesibil microorganismelor. Deci, de exemplu, în proteine ou de gaina conține conalbumină, lactotransferină în lapte, lichid lacrimal și salivă și serotransferină în serul sanguin. Când bacteriile sunt însămânțate pe proteine ​​de pui, ele cresc numai dacă ioni de fier (sub formă de citrat) sunt introduși simultan cu inoculare. Astfel, fierul joacă un rol important în relația antagonistă dintre organisme superioareși bacterii. Lupta este câștigată de partenerul care produce o substanță care leagă mai puternic fierul.