Клітка зеленої рослини. Мембрани

Ви перебуваєте: Клітка зеленої рослини

Протопласт зовні й зсередини обмежений мембранами - плазмалеммой і тонопластом; плазмалемма відокремлює його від клітинної стінки, а тонопласт - від вакуолі. В електронному мікроскопі ( при збільшенні в мільйон раз і більш) ці мембрани, відповідним чином пофарбовані, виглядають як дві темні смуги, розташовані на відстані 6-10 нм друг від друга. В протопласті є також різні тільця, так звані органеллы. Серед них насамперед впадають в око одне велике ядро й численні більш дрібні мітохондрії й хлоропласти. У кожної з органелл є свої функції. Ці функції здійснюються в унікальнім внутрішньому середовищі, створюваною виборчою проникністю й іншими специфічними властивостями мембран, що оточують органеллу й віддільних її від усього іншого протопласта. Виборча проникність означає, що різні речовини проникають крізь дану мембрану з різними швидкостями, в основному через різну їхню розчинність в окремих компонентах мембрани.

Є також своєрідні 'насоси', тобто системи, що активно перекачують через мембрану ті або інші речовини з використанням для цієї мети енергії. Результатом такої діяльності виявляється нерівномірний розподіл деяких речовин або елементів: калій, наприклад, є присутнім звичайно в протопласті в значно більш високій концентрації, ніж у зовнішньому середовищі, тоді як родинний йому елемент натрій у більшості рослин практично 'виштовхується' із протопласта.

Методом диференціального центрифугирования мембрани виділяють із кліток ( при цьому в осаді виявляється суміш різних мембран) і піддають хімічному аналізу. У процесі виділення мембрани звичайно рвуться, оскільки це структури тонкі й тендітні, з досить великою площею поверхні; однак потім кінці їх фрагментів часто зливаються, і тоді виникають сферичні пухирці. Аналіз таких пухирців, отриманих з великої кількості різних мембран, виявив у них присутність двох головних компонентів: білка й фосфоліпіду. Ліпіди з різних мембран у достатній мері подібні, що ж стосується білків, те кожному типу мембран свойствен свій тип білка, що відповідає тем фізіологічним функціям, які дана мембрана виконує вклетке.

Відомо, наприклад, що активні білки (ферменти), що регулюють транспорт мінеральних речовин - вступ їх у клітку й вихід із клітки, - локалізуються в плазмалемме й тонопласте; ферменти, що участвующие у фотосинтезі, зосереджені в мембранних системах зелених хлоропластів; і нарешті, ферменти, катализирующие окисні реакції процесу подиху, перебувають у митохондриальных мембранах.

Якщо змішати відповідні фосфоліпіди й білки й нанести цю суміш на поверхню води, те спонтанно утворюються мембраноподобные структури, подібні по товщині з біологічними мембранами. Дослідження таких штучних мембран, приготовлених з білків і ліпідів природних мембран, дає нам можливість краще зрозуміти структуру й функцію біологічних мембран. Штучні мембрани виявляють різну проникність для різних іонів залежно від природи білків і ліпідів, що входять до їхнього складу. Надзвичайно цікаві ефекти можна спостерігати при додаванні до штучних мембран деяких антибіотиків. Валиномицин, наприклад, завдяки своїй структурі ( тобто певним розмірам і заряду молекули) виявляється здатним притягати й утримувати іони калію, але не притягає іонів натрію. Якщо додати валиномицин до штучної мембрани, що відокремлює розчини з іонами ДО+ і Na+ від чистої води, то швидкість переміщення іонів ДО+ через мембрану зросте в кілька раз, тоді як швидкість переносу іонів Na+ залишиться практично незмінної. Інакше діє грамицидин, молекула якого має інші розміри й іншу структуру: при додаванні до мембрани грамицидина збільшується швидкість переносу обох іонів - не тільки ДО+, але й Na+. Штучні мембрани використовуються також для вивчення механізмів, за допомогою яких світло й гормони регулюють ріст рослин ( про це ми будемо говорити в гл. 11).

Плазмалемма звернено однієї своєю стороною до клітинної стінки, а іншої - до цитоплазми; обидві ці оводненные структури контактують, як прийнято вважати, з гідрофільними, зарядженими ділянками мембран. Оскільки білки містять більше заряджених груп, чому ліпіди, у перших моделях мембран передбачалося, що плазмалемма складається із двох зовнішніх білкових шарів (дві темні лінії на мал. 2.3) і одного ліпідного шару між ними. Така модель мембранної структури залишалася загальновизнаної до початку 19709х рр., коли були отримані деякі нові дані й стало ясно, що модель потребує перегляду. Несумісними із цією моделлю 'сэндвича' виявилися, наприклад, дані електронної мікроскопії, отримані методом заморожування - травлення. Досліджувану тканину спочатку заморожують у рідкому азоті, а потім розколюють тупим мікротомним ножем, так що відкол проходить у площині, паралельній поверхні мембрани (мал. 2.6). Після цього зразок витримують під вакуумом для сублімації льоду (сублімації). Ця процедура й називається травленням. Потім зразок напыляют вугіллям або металом, щоб виявити деталі будови поверхні, що оголився

Отримана в такий спосіб репліка (копія) поверхні препарату і є об'єктом електронно-мікроскопічного дослідження. На таких репліках видні вкраплені в гладку поверхню мембрани великі частки - глобулярні білки. Наявність особливого 'малюнка' поверхні мембрани вдалося підтвердити й іншим методом, а саме за допомогою пектинів- особливих білків ( їх виділяють із насінь), які прикріплюються до дискретних і специфічних білкових рецепторів на мембранній поверхні й дозволяють виявити ці рецептори

Результати, отримані цими й деякими іншими методами, дали можливість припустити, що мембрани мають мозаїчну будову й складаються з ліпідного матрикса, у який у різних місцях вкраплені білки (мал. 2.8). Така модель ураховує, що не всі ділянки білкової молекули гидрофильны, а ліпіди не повністю гидрофобны. Згідно із цією моделлю, заряджені (полярні) групи білкових і ліпідних молекул перебувають на зовнішній поверхні мембрани, у контакті із клітинною водою, а незаряджені (неполярні) групи утворюють внутрішню гідрофобну частину мембрани. Передбачається також, що одні білки неміцно прикріплені до зовнішньої поверхні мембрани, тоді як інші ( так звані інтегральні білки) пронизують усю товщу мембрани. До такого висновку приводять біохімічні експерименти: вони показують, що частина білків легко відділяється від мембран, а відділення інших виявляється можливим лише після повного розпаду мембранної структури

На підставі перших досліджень структура мембран представлялася нам стабільної й твердої, однак останнім часом швидко накопичуються дані, що свідчать про те, що принаймні ліпідний компонент мембран має рідинну природу й, отже, мобільний. Крім того, досвіди з радіоактивно міченими попередниками окремих мембранних компонентів показали, що швидкість метаболического відновлення деяких ділянок мембрани дуже висока,

тобто що ці ділянки безупинно руйнуються й ресинтезируются. Уводячи мічені попередники в зрілу тканину, ми можемо спостерігати, як вони включаються в мембрани, залишаються в них протягом декількох годин, а потім зникають із мембран і виявляються в яких-небудь інших частинах клітки