Механізми транспорту макромолекул і частинок через мембрани рослинних клітин

Перенесення макромолекул і великих частинок здійснюється за допомогою транспорту в "мембранній упаковці", тобто за рахунок утворення оточених мембраною пухирців. Транспорт у мембранній упаковці, залежно від того, в якому напрямку переносяться речовини (у клітину або з неї), поділяється на ендоцитоз та екзоцитоз.

Ендоцитозом (грец. всередині та вмістилище, клітина) називається процес поглинання макромолекул і більших частинок (вірусів, бактерій, фрагментів клітин) клітиною. Ендоцитоз здійснюється шляхом фагоцитозу та піноцитозу.

Фагоцитоз (грец. пожирач) – процес активного захоплення та поглинання клітиною мікроскопічних живих об'єктів (мікробів, фрагментів клітин) та інших твердих мікрочастинок. У ході фагоцитозу клітина за допомогою рецепторів розпізнає специфічні молекулярні угруповання фагоцитованої частинки. Потім у місці дотику частинки до мембрани клітини утворюються вирости плазмалеми – псевдоподії, які обволікають мікрочастинку з усіх боків. У результаті злиття псевдоподій така частинка опиняється замкненою всередині пухирця, оточеного мембраною, який називається фагосомою. Фагосома, занурюючись у цитоплазму, може зливатися з первинною лізосомою, внаслідок чого поглинена клітиною органічна мікрочастинка під впливом гідролітичних ферментів руйнується до амінокислот, цукрів, нуклеотидів і використовується клітиною.

Піноцитоз (грец. пити) – захоплення клітинною поверхнею та поглинання клітиною рідини (у вигляді істинних і колоїдних розчинів) (рис. 46; Ягодін Б.А., 1980). Цей процес ділять на 4 етапи: 1) адсорбція на мембрані молекул або іонів поглинаної речовини; 2) вп'ячування мембрани всередину та утворення піноцитарного пухирця, відрив його від мембрани, для чого необхідна енергія АТФ; 3) міграція піноцитарного пухирця всередину протопласта або органели; 4) розчинення мембрани пухирця за допомогою ферментів (піноцитарний пухирець зливається з лізосомою) або просто її розрив. Отже, піноцитоз – це вп'ячування мембрани та її подальше відокремлення, завдяки якому відбувається поглинання речовин разом із крапельками рідини. При піноцитозі речовини не перетинають мембрану.

Рис. 46. Механізми піноцитозу: А – мембрана втягується всередину клітини, утворюючи вузький канал. Від кінця каналу відшнуровуються пухирці із захопленою речовиною. Б-Ж – ділянка мембрани, на якій адсорбувалися макромолекули (В), вп'ячується всередину (Г). У місці вп'ячування мембрани змикаються (Д) і піноцитарний пухирець, що утворився, відривається від клітинної мембрани (Е). У глибині клітини мембрани пухирця руйнуються ферментами (Ж)

Оскільки різні білки піноцитуються лише у певних ділянках плазмалеми, можна припустити, що мембрана містить якісь рецептори, на які адсорбуються речовини, що поглинаються. Отже, специфічність піноцитозу визначається на першому етапі: речовини, для яких немає відповідних рецепторів, не піноцитуються.

Піноцитоз – основний спосіб транспорту в клітину макромолекул – білків, ліпідів і глікопротеїнів. Можливе за допомогою піноцитозу надходження в клітину іонів хлору. Вони проникають у піноцитарних пухирцях крізь плазмалему. Потім ці пухирці можуть або прямо прямувати до тонопласта і відкриватися у вакуоль, або можуть потрапляти в ендоплазматичну сітку. Отже, іони хлору можуть потрапляти у вакуоль, по суті, так і не побувавши в мезоплазмі, тобто пройшовши крізь неї в піноцитарних пухирцях. Якщо мезоплазма вже насичена іонами, то вони надходять у вакуоль. Перенесення іонів у вакуоль пов'язане з подоланням ще одного бар'єру – тонопласта. Тонопласт і плазмалема мають різну проникність. Зокрема, дані щодо електричного опору обох мембран показують, що електропровідність у тонопласта може бути в 10 разів вищою. На відміну від плазмалеми, тонопласт заряджений позитивно, його потенціал +26 мВ. Перенесення іонів крізь тонопласт відбувається за допомогою насосів і переносників і в більшості випадків потребує витрат енергії.

Фагоцитоз і піноцитоз можуть відбуватися і у зворотному напрямку. Зворотний ендоцитоз називають екзоцитозом. Екзоцитоз (грец. ехо — поза, ззовні) — процес виведення речовин із клітини. В еукаріотичних клітинах постійно секретуються різні типи молекул за допомогою процесу екзоцитозу. Деякі з них можуть залишатися на мембрані клітини і ставати її частиною, інші – виходять у позаклітинний простір. Так, секреторні білки упаковуються в транспортні пухирці в апараті Гольджі й потім переносяться безпосередньо до мембрани. Утворення екзоцитозних пухирців може відбуватися ритмічно, з постійною швидкістю, поглинаючи позаклітинну рідину та компоненти, що містяться в ній. У низці випадків ініціюючим фактором утворення везикули є контакт із певною речовиною або це стає можливим завдяки наявності в мембрані специфічних рецепторів, що вловлюють комплементарні до них ліганди. У вп'ячуванні мембрани та формуванні пухирців важлива роль належить низці скоротливих білків.

Шляхом ендоцитозу може відбуватися надходження макромолекулярних білків, які не можуть проникати в клітину за рахунок переносників, крізь плазмалему. Оскільки функціонування скоротливих білків потребує енергії АТФ, процес екзоцитозу можна віднести до механізму активного трансмембранного перенесення речовин.

Таким чином, при розгляді існуючого різноманіття теорій живлення рослин необхідно розрізняти три форми проходження елементів живлення крізь плазмалему: 1) пасивна дифузія; 2) полегшена дифузія, що забезпечується селективними молекулярними переносниками; 3) активний транспорт речовин. При пасивній дифузії поживні речовини проходять крізь мембрану в результаті випадкового молекулярного руху, і величина потоку лінійно залежить від концентрації та коефіцієнта проникності мембрани для даної речовини. Дифузія крізь мембрану може здійснюватися крізь гідрофобні ділянки для неполярних сполук та крізь гідрофільні пори для полярних сполук. Полегшена дифузія передбачає наявність специфічних переносників, що зв'язуються з речовинами, які транспортуються, і таким чином "полегшують" їх проходження крізь плазмалему. Така "полегшена" дифузія відбувається за градієнтом концентрації без витрати енергії і не супроводжується акумуляцією речовин у клітині. В основі механізму полегшеної дифузії лежить оборотне з'єднання речовини, що транспортується, зі специфічним переносником, і комплекс "речовина-переносник", що утворюється, дифундує в товщі мембрани від зовнішньої поверхні до внутрішньої, де комплекс дисоціює з вивільненням речовини всередину клітини. Вільний же переносник дифундує назад до зовнішньої поверхні мембрани, де з'єднується з новою речовиною, і цикл повторюється. Перенесення іонів проти електрохімічного градієнта, тобто активний транспорт, здійснюється транспортними АТФ-азами з використанням АТФ. Свою назву АТФ-ази отримали у зв'язку з притаманною їм здатністю розщеплювати АТФ. Енергія, що вивільняється, використовується для транспорту речовини, а транспортна АТФ-аза назад фосфорилюється. Відомі К-АТФ-аза, Н+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза, аніонна АТФ-аза. Активний транспорт іонів Н+ може підтримуватися і за рахунок енергії НАДФН. Перенесення іонів Н+ крізь плазмалему з використанням АТФ або НАДФН отримало назву протонної помпи (Н+-помпи, Н+-насоса).

Активне поглинання іонів крізь плазмалему можливе і за рахунок векторного метаболізму. Останнє поняття характеризує перетворення речовин, що здійснюється ферментними ансамблями, в яких різні ферменти орієнтовані в просторі один відносно одного цілком певним чином. Послідовні перетворення речовин викликають його передачу від одного ферменту до іншого, тобто одночасно з перетворенням речовини відбувається її спрямоване пересування в просторі.

Необхідно зазначити, що поживні речовини, які надійшли в клітину з ґрунтового розчину, незалежно від способу перенесення їх крізь клітинну мембрану, практично не включаються в метаболізм на рівні плазмалеми, і після надходження у внутрішній простір клітини можуть мати такий шлях: пройшовши цикл послідовних перетворень, включатися в клітинні структури; концентруватися у вакуолях або транспортуватися судинами ксилеми в надземну частину рослини, а також можуть виділятися назад.