Механизмы транспорта макромолекул и частиц через мембраны растительных клеток

Перенос макромолекул и крупных частиц осуществляется посредством транспорта в "мембранной упаковке", т. е. за счет образования окруженных мембраной пузырьков. Транспорт в мембранной упаковке, в зависимости от того, в каком направлении переносятся вещества (в клетку или из нее), подразделяется на эндоцитоз и экзоцитоз.

Эндоцитозом (греч внутри и вместилище, клетка) называется процесс поглощения макромолекул и более крупных частиц (вирусов, бактерий, фрагментов клеток) клеткой. Эндоцитоз осуществляется путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Фагоцитоз (греч пожиратель) – процесс активного захвата и поглощения клеткой микроскопических живых объектов (микробов, фрагментов клеток) и других твердых микрочастиц. В ходе фагоцитоза клетка с помощью рецепторов распознает специфические молекулярные группировки фагоцитируемой частицы. Затем в месте прикосновения частицы к мембране клетки образуются выросты плазмалеммы – псевдоподии, которые обволакивают микрочастицу со всех сторон. В результате слияния псевдоподий такая частица оказывается заключенной внутри пузырька, окруженного мембраной, который называется фагосомой. Фагосома, погружаясь в цитоплазму, может сливаться с первичной лизосомой, вследствие чего поглощенная клеткой органическая микрочастица, под воздействием гидролитических ферментов разрушается до аминокислот, сахаров, нуклеотидов и используется клеткой.

Пиноцитоз (греч пить) – захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости (в виде истинных и коллоидных растворов) (рис. 46; Ягодин Б.А., 1980). Этот процесс делят на 4 этапа: 1) адсорбция на мембране молекул или ионов поглощаемого вещества; 2) впячивание мембраны внутрь и образование пиноцитарного пузырька, отрыв его от мембраны, для чего необходима энергия АТФ; 3) миграция пиноцитарного пузырька внутрь протопласта, или органеллы; 4) растворение мембраны пузырька с помощью ферментов (пиноцитарный пузырек сливается с лизосомой) или просто ее разрыв. Итак, пиноцитоз – это впячивание мембраны и ее последующее отделение, благодаря которому происходит поглощение веществ вместе с капельками жидкости. При пиноцитозе вещества не пересекают мембрану.

Рис. 46. Механизмы пиноцитоза: А – мембрана втягивается внутрь клетки, образуя узкий канал. От конца канала отшнуровываются пузырьки с захваченным веществом. Б-Ж – участок мембраны, на котором адсорбировались макромолекулы (В), впячивается внутрь (Г). В месте впячивания мембраны смыкаются (Д) и образовавшийся пиноцитарный пузырек отрывается от клеточной мембраны (Е). В глубине клетки мембраны пузырька разрушаются ферментами (Ж)

Поскольку разные белки пиноцитируются лишь в определенных участках плазмалеммы, можно предположить, что мембрана содержит какие-то рецепторы, на которые адсорбируются поглощаемые вещества. Следовательно, специфичность пиноцитоза определяется на первом этапе: вещества, для которых нет подходящих рецепторов, не пиноцитируются.

Пиноцитоз – основной способ транспорта в клетку макромолекул – белков, липидов и гликопротеинов. Возможно с помощью пиноцитоза поступление в клетку ионов хлора. Они проникают в пиноцитарных пузырьках через плазмалемму. Затем эти пузырьки могут или прямо направляться к тонопласту и открываться в вакуоль, или могут попадать в эндоплазматическую сеть. Следовательно, ионы хлора могут попадать в вакуоль, в сущности, так и не побывав в мезоплазме, т. е. пройдя через нее в пиноцитарных пузырьках. Если мезоплазма уже насыщена ионами, то они поступают в вакуоль. Перенос ионов в вакуоль связан с преодолением еще одного барьера – тонопласта. Тонопласт и плазмалемма обладают разной проницаемостью. В частности, данные по электрическому сопротивлению обеих мембран показывают, что электропроводность у тонопласта может быть в 10 раз выше. В отличие от плазмалеммы, тонопласт заряжен положительно, его потенциал +26 мВ. Перенос ионов через тонопласт происходит с помощью насосов и переносчиков и в большинстве случаев требует затрат энергии.

Фагоцитоз и пиноцитоз могут происходить и в обратном направлении. Обратный эндоцитоз называют экзоцитозом. Экзоцитоз (греч. ехо — вне, снаружи) — процесс выведения веществ из клетки. В эукариотических клетках постоянно секретируются различные типы молекул с помощью процесса экзоцитоза. Некоторые из них могут оставаться на мембране клетки и становиться ее частью, другие – выходят во внеклеточное пространство. Так, секреторные белки упаковываются в транспортные пузырьки в аппарате Гольджи и затем переносятся непосредственно к мембране. Образование экзоцитозных пузырьков может происходить ритмично, с постоянной скоростью, поглощая внеклеточную жидкость и содержащиеся в ней компоненты. В ряде случаев инициирующим фактором образования визикулы является контакт с определенным веществом или это становится возможным благодаря наличию в мембране специфических рецепторов, улавливающих комплементарные к ним лиганды. Во вспячивании мембраны и формировании пузырьков важная роль принадлежит ряду сократительных белков.

Путем эндоцитоза может происходить поступление макромолекулярных белков, которые не могут проникать в клетку за счет переносчиков, через плазмалемму. Поскольку функционирование сократительных белков нуждается в энергии АТФ, процесс экзоцитоза можно отнести к механизму активного трансмембранного переноса веществ.

Таким образом, при рассматривании существующего многообразия теорий питания растений необходимо различать три формы прохождения элементов питания через плазмалемму: 1) пассивная диффузия; 2) облегченная диффузия, обеспечиваемая селективными молекулярными переносчиками; 3) активный транспорт веществ. При пассивной диффузии питательные вещества проходят через мембрану в результате случайного молекулярного движения и величина потока линейно зависит от концентрации и коэффициента проницаемости мембраны для данного вещества. Диффузия через мембрану может осуществляться через гидрофобные участки для неполярных соединений и через гидрофильные поры для полярных соединений. Облегченная диффузия предусматривает наличие специфических переносчиков, связывающихся с транспортируемыми веществами и таким образом "облегчающих" их прохождение через плазмалемму. Такая "облегченная" диффузия происходит по градиенту концентрации без затраты энергии и не сопровождается аккумуляцией веществ в клетке. В основе механизма облегченной диффузии лежит обратимое соединение транспортируемого вещества со специфическим переносчиком, и образующийся комплекс "вещество-переносчик" диффундирует в толще мембраны от наружной поверхности к внутренней, где комплекс диссоциирует с высвобождением вещества внутрь клетки. Свободный же переносчик диффундирует назад к наружной поверхности мембраны, где соединяется с новым веществом, и цикл повторяется. Перенос ионов против электрохимического градиента, т. е. активный транспорт, осуществляется транспортными АТФ-азами с использованием АТФ. Свое название АТФ-азы получили в связи с присущей им способностью расщеплять АТФ. Освобождаемая энергия используется для транспорта вещества, а транспортная АТФ-аза обратно фосфорилируется. Известны К АТФ-аза, Н+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза, анионная АТФ-аза. Активный транспорт ионов Н+ может поддерживаться и за счет энергии НАДФН. Перенос ионов Н+ через плазмалемму с использованием АТФ или НАДФН получил название протонной помпы (Н+–помпы, Н+–насоса).

Активное поглощение ионов через плазмалемму возможно и за счет векторного метаболизма. Последнее понятие характеризует превращение веществ, осуществляемое ферментными ансамблями, в которых различные ферменты ориентированы в пространстве друг относительно друга вполне определенным образом. Последовательные превращения веществ вызывают его передачу от одного фермента к другому, т. е. одновременно с превращением вещества происходит его направленное передвижение в пространстве.

Необходимо отметить, что питательные вещества, поступившие в клетку из почвенного раствора независимо от способа переноса их через клеточную мембрану, практически не включаются в метаболизм на уровне плазмалеммы, и после поступления во внутреннее пространство клетки могут иметь следующий путь: пройдя цикл последовательных превращений, включаться в клеточные структуры; концентрироваться в вакуолях или транспортироваться по сосудам ксилемы в надземную часть растения, а также могут выделяться обратно.