Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функциональная взаимосвязь катион-транспортных систем плазматической мембраны растительной клетки

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Функциональная взаимосвязь катион-транспортных систем плазматической мембраны растительной клетки"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БОТАНИКИ им. В Ф КУПРЕВИЧА НАН БЕЛАРУСИ»

УДК 577.4 581 17 632 954

ВЫСОЦКАЯ Жанна Валерьевна

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ КАТИОН-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03 0012 - физиология и биохимия растений

Минск, 2007

003065603

Работа выполнена на кафедре физиологии и биохимии растений и в НИЛ физиологии растительной клетки биологического факультета Белорусского государственного университета

Научные руководители Юрин Владимир Михайлович,

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой физиологии и биохимии растений Белорусского государственного университета Соколик Анатолий Иосифович, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией физиологии растительной клетки Белорусского государственного университета

Официальные оппоненты Реуцкий Владимир Григорьевич,

доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией водного обмена растений ГНУ «Институт экспериментальной ботаники им В Ф Купревича НАН Беларуси»

Кабашникова Людмила Федоровна,

кандидат биологических наук, доцент, заведующая лабораторией прикладной биофизики и биохимии ГНУ «Институт биофизики и клеточной инженерии HAH Беларуси»

Оппонирующая организация ГНУ «Центральный ботанический сад

НАН Беларуси»

у/^

Защита состоится «02» октября 2007 г. в /У на заседании Совета по защите диссертаций Д 01 38 01 при ГНУ «Институт экспериментальной ботаники им В Ф. Купревича НАН Беларуси» по адресу 220072, г Минск, ул Академическая, 27

Тел (+375 17) 284 1851, E-mail exp-bot@biobel bas-net by

С диссертацией можно ознакомиться в Совете при Институте экспериментальной ботаники им В Ф Купревича НАН Беларуси и в Центральной научной библиотеке им Я Коласа НАН Беларуси

Автореферат разослан « 2007 г

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций кандидат биологических наук Т.Ф Сосновская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами (проектами), темами

Работа выполнялась в рамках следующих научно-исследовательских тем

- «Латеральная сегрегация ион-транспортных механизмов на плазмалемме растительной клетки и ее роль в регуляции поглощения основных элементов минерального питания», (Договор N2 Б95-212 БРФФИ), № гос регистрации 19962099,1996-1998 гг,

- «Изучение характеристик селективности и блокирования ионных каналов плаз-мапеммы растительных клеток при изменении факторов среды» (ГПФИ «Биопро-дукгивностьрастений»), № гос регистрации 19992812,1999 - 2001 гг,

- «Механизмы транспорта ионов кальция в корневую систему растений» (Договор № БООМ-Ю5 БРФФИ), № гос регистрации 20012881, 2001 - 2003 гг ,

- «Изучить механизмы калийного питания растений при изменении основных факторов среды» (ГПОФИ «Биопродуктивность»), № гос регистрации 20023659, 2001 - 2005 гг

Цель и задачи исследования

Цель работы - установить основные закономерности регуляции поступления и накопления минеральных элементов при совместном функционировании компонент системы транспорта катионов на нативной плазматической мембране растительных клеток

Для осуществления поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

- выяснить модифицирующее действие изменений катионного состава среды как на систему транспорта катионов, так и на составляющие ее компоненты,

- изучить характер взаимодействия калиевых каналов разных типов и электрогенной Н+-помпы на плазматической мембране,

- исследовать характеристики накопления катионов в растительных клетках и их регуляцию за счет особенностей функционирования и взаимодействия компонент системы транспорта катионов

Объект исследований - выращенные в лабораторных условиях клетки пресноводной харовой водоросли Nitella flexilis L Agardz, являющиеся классическим модельным объектом при изучении ионного транспорта в растениях В качестве представителя высших растений использованы корни трех- пятидневных проростков ячменя

Предмет исследования - регуляция поступления и накопления катионов в растительных клетках катион-транспортной системой, функционирующей на плазматической мембране

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- как быстрая, так и адаптивная реакция системы транспорта катионов плазматической мембраны растительной клетки на рост уровня калия в среде направлены на предотвращение чрезмерного повышения его цитоплазматиче-ского уровня

- при снижении содержания калия в среде взаимодействие калиевых каналов и электрогенной Н+-помпы приводит к ускорению его суммарного входа в клетку Система транспорта катионов благодаря свойствам составляющих ее компонент и их взаимодействию на мембране способна противодействовать изменениям уровня цитоплазматического калия при его колебаниях в среде

- значительные вариации накопления различных катионов в клетке объясняются особенностями функционирования компонент системы ионного транспорта на мембране и их взаимодействием Знание относительной проницаемости компонент системы ионного транспорта к конкретным катионам дает возможность прогнозировать их накопление

Личный вклад соискателя

Представленный в данной работе экспериментальный материал получен непосредственно автором Обработка результатов экспериментов, их анализ, интерпретация также выполнены автором работы при консультативной помощи научных руководителей

Апробация результатов диссертации

Результаты диссертационной работы были представлены на Международной научной конференции «Итоги и перспективы гидроэкологических исследований» Минск 1999 г, 1-й, 2-й и 4-й Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» Минск, 1999, 2001 и 2005 гг, 1-й и 2-й Международной научной конференции «Озерные экосистемы биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» Нарочь, 1999 и 2003 гг, 4-м, 6-м и 7-м съездах Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярно- клеточные основы функционирования биосистем» Минск, 2000, 2004 и 2006 гг, XIV International Plant Nutrition Colloquium, Hannover, 2001 г, 2-ой Международной научно-практической конференции «Достижения современной биологии и биологическое образование» Минск, 2002 г

Опубликованность результатов диссертации

По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей (из них 3 в реферируемых журналах и 1 - в зарубежном, общий объем 1,5 а л ) и 7 тезисов докладов

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего

219 библиографических наименований и 17 наименований работ соискателя, 1 акта о внедрении результатов исследований Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 28 рисунков ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Объект и методы исследования

Объект исследования - клетки харовой водоросли Nitella flexilis, широко используемые для изучения транспорта ионов в растениях, и корни трех- пятидневных проростков ячменя Клетки Nitella выращивали в лабораторных условиях в стандартной среде [Юрин В и др , 1977], проростки - в водной культуре рулонным методом с использованием среды Кнопа [Журбицкий 3 ,1968]

Компоненты катион-транспортных систем плазматической мембраны и их взаимодействие изучали in vivo с помощью электрофизиологических подходов, используя микроэлектродную технику и методику фиксации напряжения [Кос-тюк П Г, 1960, Hille В , 1992] Измеряли разность потенциалов (РП) на мембране и ее проводимость, также регистрировали мгновенные и стационарные вольтамперные характеристики мембраны (МВАХ и СВАХ) На основе последних вычисляли проводимость мембраны в зависимости от напряжения

Накопление катионов в клетках Nitella и в корнях проростков изучали с помощью радиоактивных изотопов одновалентного 137Cs и двухвалентного 90Sr Получали временные кривые накопления и вымывания изотопной метки клетки (корни проростков) погружали в раствор, содержащий метку, затем извлекали, подсчитывали накопленную активность и помещали назад в меченый раствор Процедуру повторяли многократно Вымывание проводили аналогично, только предварительно «загруженные» меткой клетки (корни) помещали в раствор без изотопа и измеряли оставшуюся активность Измерения активности 137Cs и 90Sr проводили с помощью у- и ß-счетчиков Для выделения активности ^Sr на фоне излучения продукта его распада трехвалентного 90Y применяли специальную процедуру [Максимов М Т и др , 1989]

В опытах варьировали степень активации ион-транспортных систем -электрогенной Н+-помпы, избирательных к (С и Са2+ ионных каналов, неселективных катионных каналов Для этого использовали переход темнота - свет и обратно, фузикокцин, блокаторы каналов - ионы тетраэтиламмония (ТЭА), Cs+, Саг+, а также верапамил и нифедипин [Blatt М 1988, Demidchik V 2002]

В опытах с клетками Nitella базовым раствором служила искусственная прудовая вода (ИПВ) [Юрин В М , 1977], с корнями проростков - среда Кнопа [Журбицкий 3, 1968] pH фиксировали системой трис-HCI, температуру поддерживали 20±2°С Обработку результатов проводили методами вариационной статистики [Рокицкий П Ф , 1973] с помощью программы Microsoft Excel

з

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние ионного состава среды на транспорт катионов через плазматическую мембрану растительной клетки

Обмен ионами между растительной клеткой и средой осуществляется в первую очередь посредством согласованной работы ион-транспортных систем плазматической мембраны, значительную часть которых составляют потенциал-зависимые катионные каналы Основными компонентами катион-транспортной системы являются Н+-помпа и в основном калиевые и неселективные каналы Эти молекулярные комплексы структурно не связаны между собой, но в силу своих свойств и взаимного расположения на мембране могут взаимодействовать друг с другом и согласованно отвечать на изменения внешней среды, в первую очередь на изменения ее ионного и концентрационного состава Можно ожидать, что их совместная реакция направлена против воздействия меняющегося фактора и на сохранение условий, обеспечивающих жизнеспособность растительного организма

1С является одним из основных катионов, необходимых для нормального функционирования растения, поэтому регуляция его поступления в клетку очень важна Содержание 1С в почвенных растворах варьирует в широких пределах от микромолей (бедные песчаные почвы) до милимолей (хорошо удобренные пахотные земли) [Misra А , 1999, Smethurt Р , 2000] Поэтому была изучена реакция системы в целом и ее отдельных составляющих на изменение содержания в среде иона 1С в диапазоне концентраций от 5x10"6 до 5x10"3 моль/л в кратковременных (до 60 мин) и длительных (до 5 суток) опытах

Результаты электрофизиологических экспериментов представлены на рисунке 1 А и Б Общий ход всех зависимостей одинаков небольшой наклон в области низких концентраций показывает невысокую избирательность к 1С при гиперполяризации мембраны, обусловленную преобладанием проводимости неселективных катионных каналов (НКК) По мере роста концентрации 1С крутизна возрастает (область деполяризации, высокая избирательность к 1С, обусловленная активацией наружу выпрямляющих 1С-каналов, (НВКК) Виден участок с максимумом (рисунок 1 Б, 2 и 3) в диапазоне от 10"4 до 10"3 моль/л 1С, который исчезает после инкубации клеток в растворе с ионами Си2+ (рисунок 1 Б, 1) Возможно, эта часть кривой отражает потенциалзависимость электрогенной помпы, которая активна после темновой адаптации, поскольку, как известно, ионы меди ингибируют протонные помпы [Demidchik at all, 2001]

Перенос катионов осуществляется в основном через (С-каналы, НКК и Н+-помпу, которые представляются как источники электродвижущей силы (ЭДС) каждый со своим внутренним сопротивлением, действующие на мембране параллельно Анализ экспериментальных данных и выявление реакции каждой

из компонент катион-транспортной системы проводились на основе предложенной нами количественной модели [Соколик А И и др , 1999], которая основывается на диффузионной теории Гольдмана, с учетом локальной неоднородности разности потенциалов Рассчитаны основные характеристики каналов, с учетом наличия отрицательных поверхностных фиксированных зарядов (ОПФЗ) вблизи входных участков НВКК

А Б

А концентрационная зависимость РПП плазматической мембраны после 5 суток инкубации клеток в следующих средах (моль/л) 1 -ИПВ + Зх107СиЗО4, 2-5x10 е КС1, 3-5х103 КС1 Б аналогичные зависимости проводимости мембраны, измеренные в покое Каждая точка -усреднение данных тридцати опытов, стандартные отклонения не превышают 5 % минимального значения каждой величины (меньше символа точки на графике) Рисунок 1 - Электрофизиологические характеристики плазматической мембраны клеток с различной предобработкой при варьировании концентрации 1С в среде

В работе получено уравнение для величины разности потенциалов покоя (РПП) на мембране через ЭДС и проводимости компонент системы, а также выражение для проводимости мембраны

Для определения параметров отдельных компонент катион-транспортной системы, которые не могут быть измерены, экспериментальные зависимости аппроксимировали расчетными (плавные кривые на рисунке 1), добиваясь наилучшего совпадения за счет подбора величин неизвестных параметров, значения которых таким образом и определяли

Полученные результаты, их анализ с помощью предлагаемой нами модели позволяют заключить, что в области низкой концентрации 1С плазматическая мембрана утрачивает катион-анионную избирательность, т е ее проводимость в этих условиях определяется НКК Длительное (до пяти суток) выдерживание клеток при повышенной до 5x10"3 моль/л концентрации К4" вдвое снижает проводимость (С-каналов и заметно (на 10 - 20 мВ) уменьшает величину РПП за счет возрастания доли проводимости НКК, ЭДС которых ниже, чем К+-

каналов и помпы Очевидно, что плазматическая мембрана генерирует ответную реакцию - клетка защищается от поступления избыточного количества 1С, снижая скорость его входа Однако регуляторные возможности системы транспорта ионов не исчерпываются этим Дальше будет показано, каким образом клетка за счет взаимодействия компонент системы и их свойств, осуществляет быструю защиту от резкого повышения уровня 1С в среде

С этой целью при варьировании уровня 1С получали МВАХ мембраны, характеризующие быстрые (БНВКК) и медленные (МНВКК) наружу выпрямляющие 1С-каналы [Юрин В М и др , 1991] На рисунке 2, А и Б показаны концентрационные зависимости входящего и выходящего токов для каналов

А В

А и Б - концентрационные зависимости соответственно входящего и выходящего токов, полученные для быстрых (1) и медленных НВКК (2) Различия статистически достоверны между входящими токами БНВКК и МНВКК, а также выходящими токами этих же каналов при уровнях значимости Р < 0,1 (*), Р < 0,02 (***)Р < 0,01 (****) Рисунок 2 - Действие ионов 1С на наружу выпрямляющие К+-каналы

обоих видов В случае МНВКК (рисунок 2 А, 2), входящий (и выходящий) токи по мере увеличения концентрации 1С возрастают нелинейно, с возрастающей крутизной очевидно, что начиная с 10~3 моль/л 1С к концентрационному росту тока добавляется проводимость, обусловленная активацией каналов, индуцированной 1С [Юрин В М и др , 1991]

Выявленная активация 1С-каналов защищает клетку, т к активируются те каналы, по которым ионы 1С выходят из цитоплазмы, и тем самым предотвращается нежелательное возрастание его внутриклеточной концентрации при увеличении наружной Эффект развивается быстро, в течение минут, его защитное действие кратковременно из-за инактивации, следующей после потен-циал-стимулированной активации этих каналов [Юрин В М и др , 1991]

Потенциалзависимость каналов (зависимость их числа в открытом состоянии - активированных, от величины РП на мембране) весьма значима для регуляции ионных потоков В этой связи были изучены особенности влияния

6

некоторых катионов на потенциалзависимость активации НВКК Были выбраны катионы, по- разному взаимодействующие с каналами проникающий катион -1С, катионы- блокаторы - ТЭА+, которые практически не проникают в канал, но связываются с его входным участком, и ионы Cs+, которые входят в «устье» канала, но задерживаются перед селективным фильтром [Hille 6 ,1992, Sokolik АI, Yunn V М , 1986] Получали СВАХ и МВАХ плазматической мембраны По СВАХ вычисляли проводимость, которая, как функция напряжения, отражает активацию каналов [Юрин В М и др , 1991] Положение активационной кривой характеризуется величиной напряжения V1/2, при котором активирована половина каналов (Таблица 1)

Таблица 1 - Значения, характеризующие положение активационных кривых наружу выпрямляющих калиевых каналов на оси напряжений

Составы среды, моль/л 10"*[К]+ + 10_4[Са]2+ 5x10 4 [К]+ + 10"4 [Са]2+

Vi/2, мВ AVmB Vl/2 мВ AV мВ

Контроль -112,0±11,6 36±7,9 -125,7±16,6 52,2±11,3

Контроль + 3x10 3 ТЭА+ -76,1 ±13,8 ** -72,8±8,7

Контроль -92,4±6,9 26,8±6,6 -116,3±11,4 39,3±6,6

Контроль+103Сз+ ** -65,2±8,1 ** -77,4±10,4

Контроль -90,5±4,2 6,7±3,2 -113,8±8,4 23,8±3,7

Контроль+10"3 Са2+ -83,3±9,8 -90,1 ±19,9

Примечание AV - сдвиг активационной кривой, измеренный как изменение V1/2 Различия между средними арифметическими относительно контроля статистически достоверны при уровне значимости Р < 0,1 (*) и Р < 0,05 (**)

Добавление в раствор ионов ТЭА+ в концентрации 3x10 3 моль/л вызывает Сдвиг кривых в направлении деполяризации и снижение проводимости Эксперименты с ионами Cs+ показали подобную картину Проникающий катион 1С при увеличении концентрации сдвигает активационную кривую, но в направлении гиперполяризации

Очевидно, что в сдвиге активационной кривой, индуцированном возрастанием уровня 1С в среде, вклад изменения поверхностного потенциала [Юрин В М и др , 1991, Kiss Т , Osipenko О N , 1994] не является решающим, так как сдвиг происходит в противоположном направлении (в сторону гиперполяризации) Для вариантов с ионами ТЭА+ и Cs+, когда направления эффектов совпадают, величина изменения поверхностного потенциала пренебрежимо мала

Некоторыми авторами отмечалось [Geiger D , 2002, Vergani Р at all, 1997, Jahansson I at all, 2006, Diaflofl E at all, 2004], что отдельные типы BBKK и НВКК проявляют калий- и катион- чувствительность, выражающуюся в сдвиге

7

активационных кривых в направлении деполяризации при повышении концентрации 1С до величин 10"2 моль/л Однако в этих работах не учитывается и не обсуждается возможный вклад изменений поверхностного потенциала в этот эффект, которые при использованных вариациях концентрации 1С (и других катионов) - до 10"2 моль/л - имеют значительную величину [Соколик А И , 1986, Ктга1с1е Т В 1994] В этих работах предполагается, что модификация воротного механизма вызывается связыванием катионов с участком молекулы канала Если в случае К+-активации медленных каналов, описанной выше (раздел 1 2), схожей с подобным эффектом для 1С-каналов клеток эпидермиса корня АгаЫборэ^ [01аНоЛ Е а! аП, 2004], такая интерпретация подтверждается полученными данными, то в случае сдвигов активационных кривых возможно более простое объяснение, не противоречащее экспериментам Потенциал-чувствительность воротного механизма канала, управляющая его активацией, может модифицироваться либо за счет присоединения лиганда (катиона 1С или других), либо путем изменения электрического поля в месте расположения чувствительного к нему сенсора Второй вариант представляется более вероятным, поскольку катионы обладают собственным электрическим полем, которое, при нахождении иона в канале, может складываться с внутримембранным и изменять его величину в месте расположения сенсора Блокаторы, которые в канал проникают, но не проходят насквозь, вызывают локальные изменения поля противоположные тем, которые индуцируют равномерно распределенные по длине канала ионы 1С

Обнаруженный эффект имеет характер защиты от повышения концентрации калия, так как 1С-индуцированный сдвиг активационных кривых приводит к увеличению количества в открытом состоянии тех каналов, по которым 1С выходит из клетки

Особенности взаимодействия Н+-АТФазной помпы и калиевых каналов на плазматической мембране

Выше показано, что в результате взаимодействия компонент пассивного мембранного транспорта катионов их интегральная реакция в ответ на изменение концентрации 1С в среде направлена на сохранение оптимальных ионных соотношений цитоплазмы, на регуляцию уровня накопления катионов Дальше в работе рассматривается взаимодействие 1С-каналов разных типов с Н+-АТФазой

Н+-АТФаза плазматической мембраны клеток ШеНа Аех/Ьв удобна для изучения, т к ее активность легко модулируется светом Активность Н+-помп и ионных каналов зависит от мембранного потенциала, в силу свойства потен-циалзависимости этих структур [Юрин ВМ и др, 1991] Таким образом, их взаимодействие и взаиморегуляция обусловлены электрическим полем в мем-

бране, в создании которого они сами участвуют, и их потенциалзависимостью Так как электрическое поле неоднородно по поверхности мембраны, то существенное значение имеет взаимная локализация этих молекулярных комплексов Степень взаимодействия компонент системы транспорта катионов определяется соотношением их удаленности друг от друга и расстоянием, на которое электрическое поле в растворе распространяется Выявление этих особенностей составляло задачу последующей части работы

Действие электрогенной протонной помпы на наружу выпрямляющие калиевые каналы

Установлено, что потенциал-зависимая активация Н+-помпы в условиях освещения в ответ на гиперполяризацию мембраны происходит за время порядка пяти минут, что сопоставимо с аналогичными параметрами активации К+-каналов Это означает, что их взаимодействие может быть достаточно эффективным при регуляции транспорта ионов в клетку

Активационные кривые плазматической мембраны в условиях активации светом и темновой деактивации Н+-помпы при варьировании ионного и концентрационного состава среды (рисунок 3) показали рост проводимости в области гиперполяризации мембраны, обусловленный световой активацией помпы Взаимодействие Н+-АТФазы и БНВКК проявляется в том, что проводимость каналов снижается при активации помпы (рисунок 3 А, 3), а сама активационная кривая каналов смещается в направлении деполяризации мембраны Этот эффект подобен действию ионов Са2+ на НВКК, в основе которого лежит взаимодействие с ОПФЗ и вызванное этим снижение локального поверхностного потенциала [Соколик А И , 1999] В итоге проводимость каналов уменьшается, а активационная кривая сдвигается в направлении положительных значений напряжения - как раз все те эффекты, которые регистрируются при световой активации Н+-помпы

Типичные зависимости проводимости мембраны

от напряжения 1 и 2 - в условиях отсутствия освещения, 1 - на нормальном (раствор ИПВ) и 2 - на повышенном до 1,1x1с"3 моль/л уровне Са2+, 3 и 4 - при освещении клетки и максимальной активации помпы, 3 - в растворе ИПВ и 4 - при повышенном до 1,1x10-3 моль/л) уровне Саг+ Рисунок з - Световая зависимость активационных кривых проводимости

плазматической мембраны клеток ШеИа АехМз при действие ионов Са2+

в, кОм1 см2 х 100

Очевидно, что при активации Н+-помпы ОПФЗ нейтрализуются выбрасываемыми протонами Это подтверждается тем, что на фоне активированной Н+-помпы эффект ионов Са2+ как на величину проводимости, так и на положение активационной кривой каналов отсутствует (рисунок 3 А, 3, 4) В то же время активация Н+-помпы светом и повышение уровня Са2+ в среде вызывают сходное снижение проводимости каналов

Вызванный помпой сдвиг активационной кривой К+-каналов существенно превышает изменение поверхностного потенциала, соответствующее зарегистрированному снижению проводимости каналов [Юрин ВМ и др, 1991] Это означает, что помимо модификации поверхностного заряда выходящими из цитоплазмы протонами, активация Н+-помпы приводит к тому, что создаваемая ею локальная РП частично суммируется с РП открытых К+-каналов В итоге локальная РП каналов изменяется и происходит дополнительный сдвиг акгива-ционных кривых по оси напряжения в направлении положительных значений Таким образом, полученные результаты свидетельствуют в пользу локального подкисления наружного раствора вблизи ОПФЗ, вызванного активацией Н+-помпы, но большая величина смещения активационных кривых НВКК предполагает и прямое сложение локальных полей помпы и каналов

Подобные результаты были получены при активировании помпы не только светом, но и фузикокцином [Marre J , 1993], что означает, что в наших экспериментах зарегистрировано именно действие Н+-помпы на каналы, а не эффекты, связанные с действием на клетку освещения

Анализ МВАХ МНВКК в условиях активации-деактивации Н+-помпы показал, что эти каналы также чувствительны к ее состоянию Так, индуцированная Н+-АТФазой активация МНВКК возрастала, когда сами каналы дополнительно активировались повышением концентрации 1С в среде Вместе с тем ингиби-рование помпы добавлением в раствор ИПВ 5x10"5 моль/л ДЦКД при освещении клетки полностью устраняло активацию этих каналов Показано, что возрастание проводимости МНВКК во времени происходит синхронно с активацией Н+-помпы, что подтверждает прямую связь этих процессов

Отмеченная связь может быть опосредована рядом эффектов Известно, что двухвалентные катионы Ва2+ и Са2+ эффективно блокируют МНВКК с константой связывания (2 - 5)х10"4 моль/л [Юрин В М и др , 1991] В растворе ИПВ при концентрации ионов Са2+, равной 10"4 моль/л, эти каналы частично блокированы Локальное подкисление примембранного раствора в месте расположения этих каналов при активации Н+-помпы деблокирует каналы за счет вытеснения ионов Са2+ протонами с мест связывания в канале Одновременно вследствие локального подкисления раствора происходит нейтрализация ОПФЗ, в результате проводимость каналов должна была бы снижаться Кроме этого, возможно прямое взаимодействие помпы с каналами за счет сложения

их локальных электрических полей в этом случае активация помпы, сопровождаемая гиперполяризацией соответствующих участков мембраны, способствует закрыванию каналов

Таким образом, активация Н+-помпы вызывает противоположные эффекты для проводимости МНВКК, причем преобладание того или другого зависит от уровня Са2+ в растворе Очевидно, что в нашем случае превалирует эффект деблокирования каналов, который становится еще более выраженным в случае активации их калием

Действие Н*-помпы на внутрь выпрямляющие калиевые каналы

МВАХ плазматической мембраны были получены при фиксации напряжения -180 мВ, когда НВВК обоих типов закрыты, а проводимость мембраны в основном определяется внутрь выпрямляющими К+-каналами (ВВКК) [Sokolik А1,1999] при повышенной концентрации К+ в среде (рисунок 4)

Типичные МВАХ, полученные при фиксации РП на уровне -180 мВ, на фоне 1С 5x104 моль/л 1 - в темноте, 2 - при освещения, 3 - при добавлении 3x10"3 моль/л ТЭА* на свету, 4 - при добавлении 3x10 3 моль/л ТЭА+ в темноте Рисунок 4 - Действие ТЭА* на МВАХ плазматической мембраны клеток при гиперполяризации в условиях варьирования активации Н*-помпы

Кривые показывают, что освещение клетки увеличивает проводимость мембраны и сдвигает потенциал нулевого тока в направлении гиперполяризации мембраны ближе к значению ЭДС Н+-помпы Видно также, что часть этой проводимости блокируется ионами ТЭА+ Это свидетельствует о том, что часть индуцированной светом проводимости определяется (Г-каналами

В нашем случае в отсутствии освещения проводимость мембраны состоит из суммы проводимостей катионных и неселективных каналов, при освещении добавляется проводимость Н+-помпы и дополнительно активированных каналов В присутствии блокатора помпа может дополнительно активироваться за счет снижения шунтирующего эффекта каналов В такой ситуации выделить изменения проводимости отдельных компонент экспериментально невозможно и не имеет смысла, так как интерес представляет именно та ситуация, когда они функционируют на мембране одновременно и взаимодействуют друг с другом Была составлена система уравнений, решение которой позволило найти проводимости каналов и помпы по отдельности при их совместном функционировании в разных экспериментальных условиях

С этой целью были получены СВАХ плазматической мембраны в присутствии блокаторов каналов ТЭА+, Cs+ и также Са2+, по которым определяли проводимость мембраны при напряжении -200 мВ, когда Н+-АТФаза, включая ее потенциалзависимую часть, полностью активирована При добавлении блокаторов проводимость мембраны меняется по-разному возрастает для случая Cs+, но убывает для ТЭА+ Качественно это понятно, так как добавление блокаторов в среду может вызвать два противоположных эффекта Первый - это блок 1С каналов, открытых как в темноте, так и дополнительно активированных при функционировании помпы, и второй - дополнительная стимуляция помпы при блокировании каналов В зависимости от конкретных условий суммарная проводимость может как возрастать, так и убывать

Решение системы уравнений [Высоцкая Ж В и др , 2005] показало, что во всех случаях активация помпы индуцировала возрастание проводимости ВВКК, а блок каналов дополнительно активирует Н+-помпу, причем для более эффективного блокатора 1С-каналов - Cs+ - эффект больше по сравнению с ТЭА+ С другой стороны, возрастание проводимости каналов с ростом уровня 1С инги-бирует помпу во всех случаях

Таким образом, Н+-помпа и ВВКК взаимодействуют напрямую путем сложения своих локальных электрических полей, и наблюдаемые эффекты обусловлены характером потенциалзависимости помпы и каналов, которые совместно активируются при гиперполяризации мембраны Такое взаимодействие может лежать в основе ответа клетки на понижение уровня калия в среде

Мембранная регуляция поступления и накопления катионов в растительной клетке

В предыдущих разделах показано, что система транспорта ионов на плазматической мембране растительной клетки способна защищать растительный организм от кратковременных неблагоприятных ионных воздействий, например, значительного повышения либо понижения уровня 1С в среде Естественна постановка вопроса - может ли система осуществлять регуляцию накопления как 1С, так и других минеральных элементов в клетке, обеспечивая ионный гомеостаз необходимых, и минимальный уровень нежелательных или токсичных элементов

Известно, что коэффициент накопления 1С (Кн - отношение внутриклеточной концентрации и концентрации в окружающей среде) больше, чем Na+ При этом, будучи одновалентными катионами, как 1С, так и Na+ должны распределятся между клеткой и средой в соответствии с электрохимическими потенциалами, и при данной величине РПП на мембране должны иметь одинаковые Кн В противном случае, когда, например, внутриклеточное содержание иона ниже равновесного, предполагается метаболически обусловленное выкачива-

ние его из клетки и, таким образом, поддержание пониженного по сравнению с термодинамическим внутриклеточного уровня

В этой связи мы предположили, что регуляция накопления минеральных элементов происходит за счет особенностей функционирования и взаимодействия компонент системы транспорта ионов - избирательных к К* и неселективных катионных каналов

Молекулярные комплексы системы транспорта катионов, могут быть отделены друг от друга достаточно большим (сравнимым с диаметром молекулы) расстоянием Каждый из них обладает проводимостью и создает свою локальную РП, максимально возможное (термодинамическое) значение которой вычисляется по уравнению Нернста Например, для К* -каналов РП близко к величине потенциала Нернста для реального распределения ионов К+ и в нормальных условиях составляет величину порядка -150 мВ, в тех же условиях для неселекгивных каналов РП порядка -40 мВ [Sokolik А I, Vysotskaya Z, 2001] В случае идеальной избирательности 1С - каналов, т е когда Na+через них не проходит, его распределение между клеткой и средой будет определяться локальной РП неселекгивных каналов, и, следовательно, Кн для Na+ будет значительно ниже, чем для 1С

Распределение 1С определяется более высокой РП 1С -каналов, учитывая, что их проводимость для 1С выше, чем НКК Взаимодействие Н+-помпы и 1С -каналов, как показано выше, проявляется в частичном сложении их локальных РП Учитывая, что величина ЭДС Н+-помпы составляет -220 - -240 мВ (раздел 1), понятно, что в результате такого сложении РП lC-каналов превышает по величине калий-равновесный потенциал, и в результате создается и поддерживается неравновесное распределение 1С между клеткой и средой

На основе предложенной нами модели (разд 1) получено выражение для Кн катионов, учитывающее разные значения локальных РП для калиевых и неселекгивных каналов, когда проницаемость какого-либо ион- транспортного механизма преобладает, катион распределяется согласно его локальной РП Для проверки изложенных представлений были проведены эксперименты на клетках Nitella и корнях проростков ячменя с использованием радиоактивных меток одно- и двухвалентных катионов - 137Cs и 90Sr [Юрин В М, Высоцкая Ж В , 2006] Зависимости Кн катионов (за вычетом накопления в апопласте) от РПП (рисунок 5) показывают, что клетка накапливает больше двухвалентного Sr2^ чем одновалентного Cs+, а Кн Cs+ ниже, чем Na+ (величина Кн для Na+ порядка 20) Согласно уравнению Нернста, при РП на мембране -100 - -150 мВ, Кн одновалентных Cs+, Na+и двухвалентного Sr24 должен составлять 100 - 500 и 6x103 - 2x105 соответственно Результаты показывают значительно меньшее значение для Cs+ и Sr2*, а литературные данные - для Na+ [Sokolik A at all, 1996, Юрин В М , 1977] Расчеты для катионов Cs+ и Бг^на основе предложен-

ной модели представлены плавными кривыми на рисунке 5 Видно хорошее совпадение расчетных зависимостей и экспериментальных точек

Дальнейшая проверка адекватности модели проводилась при варьировании относительной доли разных компонент системы ионного транспорта, в частности, селективных и неселективных ионных каналов, в интегральной транс-портно- барьерной функции мембраны для двухвалентных катионов С этой целью применяли известные блокаторы кальциевых (верапамил) и неселективных катионных каналов (нифедипин) [Demidchik V, 2002, White Р J 2003], т к двухвалентные катионы транспортируются в клетку в основном через эти каналы Когда верапамил блокирует Са2+-каналы на мембране клеток Nitella, ионы Sr2+ распределяются между клеткой и средой согласно более

А Б

А величина коэффициента накопления одновалентного цезия Б аналогичная зависимость для двухвалентного стронция Штриховой прямой показана рассчитанная по уравнению Нернста зависимость Кн для одновалентных катионов от РПП Каждая точка представляет среднее для 7-9 клеток Рисунок 5 - Зависимость значений коэффициентов накопления катионов в клетках ЫПеИа ИехШэ от величины РПП на плазматической мембране

низкому значению локальной РП для НКК, что снижает уровень накопления катиона В случае блока НКК нифедипином уровень и скорость накопления выше значений в контроле, так как в этом случае открыты преимущественно Са2+-каналы и равновесие устанавливается в соответствии с локальной РП для них, которая выше, чем для НКК, так как в ее создании участвует и К* Отметим, что величина РПП в контроле имеет промежуточное значение между низким локальным РП неселективных и высоким - селективных каналов

Сходные закономерности обнаружены в экспериментах с корнями проростков ячменя (таблица 2) В контроле, когда в накоплении стронция участвуют как Са2+-каналы, так и НКК, рост калиевого РП при переходе от среды Кноп к Кноп-К повышает накопление, так же как и рост РП для двухвалентных катионов при переходе Кноп - Кноп- Са, Мд При снижении концентрации всех ка-

тионов в среде (вариант Кноп - К, Са, Мд,) накопление Эг2* возрастает еще больше, эффекты суммируются

Снижение уровня накопления Бг2* наблюдается при блоке Са2+-каналов верапамилом, когда накопление определяется НКК Эффект уменьшается при возрастания РП для К\ Са2+ и Мд2+ Блокирование НКК нифедипином либо не влияет, либо действует во втором и последнем вариантах, когда повышается доля гиперполяризационно-активируемых НКК при гиперполяризации мембраны за счет снижения К4, а именно эти каналы блокирует нифедипин

Таблица 2 Коэффициенты накопления Эг^ в корнях проростков ячменя после 5 часов выдерживания в меченом растворе Варианты Кноп-К, Са, Мд - с пониженным до 10"4 моль/л содержанием иона

Составы растворов Кноп Кноп - К Кноп - Са, Мд Кноп - К, Са, Мд

Контроль 4,9+0,35 6,7±0,50 6,8+0,79 10,4±0,71

Контроль+5х10"5 моль/л верапамила 1,8±0,34 ** 4,9±0,41 3,7±0,37 3,2±0,68

Контроль+5х10~5 моль/л нифедипина 4,7±0,43 5,3+0,64 6,2±0,55 5,4±0,75**

Различия между средними арифметическими относительно контроля статистически достоверны при уровне значимости Р < 0,05 (**), Р < 0,02 (***) и Р < 0,01 (****)

Полученные результаты показывают сходство ситуации для обоих использованных объектов - клеток Ше11а и корней проростков ячменя В обоих случаях блок Са2+-каналов и, соответственно, переход проницаемости к НКК, вызывает снижение уровня накопления Эг2* При переходе проницаемости к Са2+-каналам (блок НКК нифедипином) накопление либо не снижается (первые три варианта для проростков), либо даже возрастает (для клеток Ше11а) Качественная идентичность параметров накопления катионов клетками Ше11а и клетками корня проростков ячменя позволяет переносить развитые для плазматической мембраны одиночной клетки харовых водорослей представления на клетки высших растений

Таким образом, зная относительные проницаемости избирательных и неизбирательных путей для какого-либо катиона, можно предсказать коэффициент его накопления Особо следует подчеркнуть, что, целенаправленно варьируя соотношениями этих путей, можно изменять способность растения накапливать те или иные минеральные элементы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты диссертации

В результате проведенных исследований, установлено, что система транспорта минеральных элементов на плазматической мембране растительных клеток в силу взаимодействия и особенностей расположения на мембране составляющих ее компонент (избирательных к калию каналов разных типов и неселективных катионных каналов, а также электрогенной протонной помпы) способна эффективно регулировать поступление и накопление в растениях как калия так и других катионов, о чем свидетельствуют следующие результаты

1 Показано, что поддержание физиологических концентраций калия в клетке при низком содержании его в среде осуществляется за счет снижения избирательности плазматической мембраны и переключения функционирования транспортной системы с режима селективных катионных каналов в режим неселективной ионной проводимости, а также снижения проводимости НВКК [5, 11,12]

2 Продемонстрировано, что поддержание цитоплазматического гомеоста-за калия при повышенном его содержании в среде обеспечивается снижением проводимости калиевых каналов и изменением величины РЭП [3, 7,13,14, 16, 17]

3 Выявлено, что разные катионы оказывают различное действие на калиевые каналы в зависимости от характера их взаимодействия со структурами канала Плохо проникающие катионы, являющиеся блокаторами каналов (ТЭА+, Сз+), связываются со входными участками НВКК и вызывают сдвиг порога активации в направлении деполяризации Проникающий катион калия при возрастании его концентрации в среде сдвигает порог активации в противоположном направлении и индуцирует существенное возрастание проводимости НВКК, что также направлено против возрастания уровня калия в клетке Увеличению выхода калия из клетки в условиях быстрого возрастания его уровня в среде способствует калий-индуцированный рост проводимости кратковременно активирующихся МНВКК [2, 9]

4 Установлено, что регуляция поступления и накопления калия в цитоплазме в условиях его варьирования в среде связана с модуляцией проводимости БНВКК за счет нейтрализации поверхностных отрицательных зарядов, расположенных вблизи входных участков каналов Эта нейтрализация вызывается протонами, выходящими из клетки при работе Н+-помпы Сложение локальных электрических полей помпы и ВВКК обусловливает активацию этих каналов и ускорение входа калия в клетку при снижении его уровня в среде [1, 3, 6, 7, 8, 13,14,15, 16,17]

5 Предложена количественная модель, учитывающая взаимное расположение и взаимодействие основных механизмов ионного транспорта на плазматической мембране - катионных, неселекгивных каналов и элекгрогенной протонной помпы Модель адекватно описывает электрофизиологические характеристики мембраны, позволяет расчетным путем определять параметры, характеризующие поступление минеральных веществ Модель описывает различия в накоплении отдельных катионов клеткой исходя из относительной проницаемости к ним различных каналов [1, 4, 5,10,11]

6 Показано, что развитые в работе представления о регуляции поступления и накопления катионов клетками харовых водорослей применимы к клеткам корневой системы высших растений (на примере проростков ячменя) [4, 10]

Рекомендации по практическому использованию результатов

Результаты работы могут быть использованы для разработок в области оптимизации минерального питания растений, создания предпосылок для целенаправленной селекции

Представляется возможным прогнозировать накопление токсичных для растений и человека катионов при варьировании их содержания в среде Апробированные методические схемы позволяют отбирать виды и сорта растений как с высоким, так и с низким накоплением тех или иных элементов, включая радионуклиды

Полученные результаты могут быть использованы при чтении курсов «Минеральное питание», «Ксенобиология» Выполненная в ходе работы над диссертацией разработка «Методика изучения ион-транспортных механизмов ци-топлазматической мембраны растительной клетки с помощью микроэлектродной техники на основе получения стационарных зависимостей тока от разности потенциалов» внедрена в учебный процесс на биологическом факультете Бел-госуниверситета (Акт от 4 мая 2006 года)

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах

1 Sokolik A I Interaction of ion-transport mechanisms at the plasmalemma of plant cells / A I Sokolik Zh. Visotskaya, E Krytynskaya, V Yurin // Developments in Plant and Soil Sciences Plant Nutrition Food security and sustainability of agro-ecosystems through basic and applied research - 2001 - V 92 - P 200-201

2 Высоцкая Ж.В Влияние катионного состава среды на интегральные характеристики калиевых каналов плазматических мембран растительных клеток / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Вестник Белорус гос ун-та Сер 2, Химия Биология География - 2005 - № 2 - С 45-50

3 Высоцкая Ж.В Взаимодействие механизмов ионного транспорта на плазматической мембране растительных клеток калиевые каналы и элекгро-генная водородная помпа / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Вестник Белорус гос ун-та Сер 2, Химия Биология География - 2005 - № 2 -С 50-54

4 Рецепция экзогенных физико-химических стимулов транспортными системами плазматической мембраны растительной клетки / В M Юрин, Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, А П Кудряшов, С H Найдун, Т И Дитченко, О Г Яко-вец, E H Крытынская // Вестник Белорус гос ун-та Сер 2, Химия Биология География - 2006 - № 3 - С 30-34

Материалы конференций

5 Ион-транспортная система плазмалеммы харовых водорослей электрогенная протонная помпа / А И Соколик, Ж.В. Высоцкая, С H Епимашко, В M Юрин // Итоги и перспективы гидроэкологических исследований материалы международ науч конф , Минск, 25-26 ноября 1999 г / Белорус гос ун-т, ред докг биол наук А Ю Каратаев - Минск, 1999 - С 237 - 246

6 Взаимодействие систем активного и пассивного транспорта ионов на плазмалемме харовых водорослей / А И Соколик, Ж.В. Высоцкая, E H Крытынская, В M Юрин // Озерные экосистемы биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды материалы международ науч конф, Минск-Нарочь, 20-25 сентября 1999 г / Белорус гос ун-т, ред докт биол наук Т M Михеева - Минск, 2000 - С 429-435

7 Особенности взаимодействия электрогенной протонной помпы с калиевыми каналами разных типов на плазмалемме растительных клеток / Ж.В. Высоцкая, Л Л Верещак, А И Соколик, В M Юрин // Достижения современной биологии и биологическое образование Труды 2-й международ науч -пракг конф, Минск, 29-30 ноября 2002 г / Белорус гос ун-т, редкол проф В M Юрин [и др 3 - Минск, 2002 - С 205-211

8 Высоцкая Ж.В. Влияние освещения на транспорт катионов через плазматическую мембрану клеток харовых водорослей / Ж В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Озерные экосистемы биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды материалы II международ науч конф , Минск-Нарочь, 22-26 сентября 2003 г / Белорус гос ун-т, ред докг биол наук Т M Михеева - Минск, 2003 - С 109-111

9 Высоцкая Ж.В Взаимодействие некоторых катионов с калиевыми каналами плазмалеммы растительных клеток / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем материалы международ науч конф, Минск, 6-8 окг 2004 г / Белорус гос ун-т, Ин-т биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ред-кол акад ИД Волотовский [и др ]-Минск, 2004 - Ч 1 -С 144-146

10 Высоцкая Ж. В. Мембранная регуляция накопления катионов в растительной клетке / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем материалы международ науч конф , Минск, 21-23 июня 2006 г / Ин-т биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, Белорус гос ун-т, редкол акад И Д Волотовский [и др ] - Минск, 2006 - Т 1 - С 202-204

Тезисы докладов

11 Компоненты ион-транспортной системы плазмалеммы растительных клеток электрогенная ионная помпа / А И Соколик, С H Епимашко, Ж.В. Высоцкая, В M Юрин // Регуляция роста, развития и продуктивности растений материалы международ науч конф , Минск, 9-11 ноября 1999 г / Ин-т экспериментальной ботаники НАН Беларуси, редкол акад H А Ламан [и др ] -Минск, 1999 - С 101-102

12 Епимашко С H Адаптивная реакция плазмалеммы пресноводных водорослей Nitella в ответ на изменение катионного состава среды / С H Епимашко, Ж.В Высоцкая, В В Демидчик, А И Соколик, В M Юрин // Озерные экосистемы биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды тез докп международ науч конф, Минск-Нарочь, 20-25 сентября 1999 г / Белорус гос ун-т, ред докт биол наук Т M Михеева - Минск, 1999 -С 106-107

13 Взаимодействие ион-транспортных механизмов на плазмалемме растительных клеток калиевые каналы и протонная помпа / А И Соколик, Ж.В Высоцкая, Е H Крытынская, В M Юрин // Молекулярно-клеточные основы функционирования биосистем тез докп IV съезда Белорус общ объединения фотобиологов и биофизиков, Минск, 28-30 июня 2000 г / Белорус общ объединение фотобиологов и биофизиков, Белорус гос ун-т, редкол акад И Д Волотовский [и др ] - БГУ, - 2000 - С 195

14 Высоцкая Ж.В. Влияние калиевой проводимости на состояние Н+-помпы плазмалеммы растительных клеток / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Регуляция роста, развития и продуктивности растений материалы II международ науч конф , Минск, 5-8 декабря 2001 г / Ин-т экспериментальной ботаники HAH Беларуси, редкол акад H А Ламан [и др ] - Минск, 2001 -С 44-45

15 Характеристики время- и потенциал зависимости электрогенной протонной помпы плазмалеммы растительных клеток / Ж.В. Высоцкая, Л Л Ве-рещак, А И Соколик, В M Юрин // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем материалы международ науч конф, Минск, 22-24 октября 2002 г / Ин-т фотобиологии HAH Беларуси, Белорус гос ун-т, редкол акад И Д Волотовский [и др ] - Минск, 2002 - С Т63

16 Высоцкая Ж. В. Регуляция калийного питания путем взаимодействия калиевых каналов и электрогенной протонной помпы на плазматической мембране растительной клетки / Ж.В. Высоцкая, А И Соколик, В M Юрин // Регуляция роста, развития и продуктивности растений материалы IV международ науч конф, Минск, 26-88 октября 2005 г / Ин-т экспериментальной ботаники HAH Беларуси, редкол акад H А Ламан [и др ] - Минск, 2005 - С 54

17 СоколикА И Структурные основы взаиморегуляции механизмов ионного транспорта на плазматической мембране растительной клетки / А И Соколик, Ж.В. Высоцкая, В M Юрин И Регуляция роста, развития и продуктивности растений материалы IV международ науч конф , Минск, 26-88 октября 2005 г / Ин-т экспериментальной ботаники HAH Беларуси, редкол акад H А Ламан [и др ] - Минск, 2005 - С 215

РЭЗЮМЭ Высоцкая Жана Валер'еуна

Функцыянальная узаемасувязь катыен-транспартных сютэм плазматычнай мембраны раслшнай клетю

Ключавыя словы раслтная клетка, плазматычная мембрана, юнны транспарт, паступленне I накапленне катыенау, рэгуляванне

Мэта работы - вызначыць асноуныя заканамернасц! рэгулявання паступ-лення 1 накаплення М1неральных элементау пры сумесным функцыянаванн! кампанент сютэмы транспорту катыенау на натыунай плазматычнай мембране расл1нных клетак

Аб'екгы даследавання клетга прэснаводнай харавай водарасц! Ше11а ПехШэ 1_ Адагбг I коран! трох-пяцщзенных праросткау ячменю

Метады даследавання м1краэлектродная тэхнжа, методыка ф|ксацн на-пружання, радыеоатопны метад з выкарыстаннем 1затопау 137Сз 1903г

Атрыманыя вын1К1 I IX нав!зна Выказана, што падтрыманне ф131ялапчных канцентрацый кал1я у клетцы пры змяненж яго утрымання у асяроддз! здзяйс-няецца за кошт мадуляцьн праводнасц! калтвых каналау ды вел1чын1 мем-браннай рознасц! патенцыялау Рэгуляванне паступлення I накаплення кал1я у цытоплазме, звязанае з змяненнем праводнасц! калшвых каналау, абумоулена мадыф|каваннем паверхневых адмоуных зарадау, размешчаных паблоу уваходу у канал, пратонам!, выходзячым! з клетк! пры актывацьм Н+-помпы, I таксама складаннем лакальных электрычных палеу помпы I каналау Павел1чэнню выхаду калт з клетк| у умовах быстрага узрастання яго узроуня у асяроддзе спрыяюць зрух парогу актывацьм у напрамку пперпалярызацьм I таксама кал1й-1ндуцыраванае узрастанне праводнасц) кароткачасова актыв1руючыхся знадворак выпрамляючых каловых каналау

Прапанавана колькасная мадэль, улмваючая узаемнае распалажэнне I узаемадзеянне катыенных, неселектыуных каналау I электрагеннай пратоннай помпы, адэкватна прадказваючая рознщу накаплення асобных капенау у клетцы Выказана, што развпыя уяуленн! аб рэгуляванн! паступлення I накаплення катыенау клеткам! харавых водарасцей прымян1мы да клетак кораневай сютэмы вышэйшых расл!Н (на прыкладзе праросткау ячменю)

Рэкамендацьи па выкарыстанню Вын1К1 могуць быць выкарыстаны у гал1не аптым1зацьп мшеральнанга жыулення, дзеля мэтан1К1раванай селекцьм Магчы-ма прагназаваць назапашванне небяспечных дзеля расл1н I чалавека катыенау Апрабаваныя метадычныя схемы дазваляюць адб|раць вщы I сарта расл!н як з высока, так I з Н13К1М накапленнем тых альбо 1ншых элементау, уключая радыенуклщы Вынж1 могуць быць выкарастаны пры выкладанн! курсау «Мшеральнае жыуленне», «Ксенабтлопя»

Гал1на выкарыстання ф!31ялопя раслж, сельская гаспадарка, навучальны працэс

РЕЗЮМЕ Высоцкая Жанна Валерьевна

Функциональная взаимосвязь катион-транспортных систем плазматической мембраны растительной клетки

Ключевые слова растительная клетка, плазматическая мембрана, ионный транспорт, поступление и накопление катионов, регуляция

Цель работы установить основные закономерности регуляции поступления и накопления минеральных элементов при совместном функционировании компонент системы транспорта катионов на нативной плазматической мембране растительных клеток

Объекты исследования клетки пресноводной харовой водоросли Ше11а АехМв 1_ Адагс)2 и корни трех-пятидневных проростков ячменя

Методы исследования микроэлектродная техника, методика фиксации напряжения, радиоизотопный метод с использованием изотопов 137Сэ и 90Эг

Полученные результаты и их новизна Показано, что поддержание физиологических концентраций калия в клетке при изменении его уровня в среде осуществляется за счет модуляции проводимости калиевых каналов и величины мембранной разности потенциалов Регуляция поступления и накопления калия в цитоплазме, связанная с изменением проводимости калиевых каналов, обусловлена модификацией поверхностных отрицательных зарядов, расположенных вблизи входа в канал, протонами, выходящими из клетки при активации Н+-помпы, а также сложением локальных электрических полей помпы и каналов Увеличению выхода калия из клетки в условиях быстрого возрастания его уровня в среде способствуют сдвиг порога активации в направлении гиперполяризации и калий-индуцированный рост проводимости кратковременно активирующихся наружу выпрямляющих калиевых каналов

Предложена количественная модель, учитывающая взаимное расположение и взаимодействие катионных, неселективных каналов и электрогенной протонной помпы, адекватно предсказывающая различия накопления катионов в клетке Показано, что развитые представления о регуляции поступления и накопления катионов клетками харовых водорослей применимы к клеткам корневой системы высших растений (на примере проростков ячменя)

Рекомендации по использованию Результаты могут быть использованы для разработок в области оптимизации минерального питания растений, создания предпосылок для целенаправленной селекции Возможно прогнозировать накопление токсичных для растений и человека катионов Апробированные методические схемы позволяют отбирать виды и сорта растений как с высоким, так и с низким накоплением тех или иных элементов, включая радионуклиды Результаты могут быть использованы при чтении курсов «Минеральное питание», «Ксенобиология»

Область применения физиология растений, сельское хозяйство, учебный процесс

SUMMARY Vysotskaya Zhanna Valerievna

Functional relationship of cation transport systems of the plasma membrane

of plant cell

Key words plant cell, plasma membrane, ion transport, entrance and accumulation of cations, regulation

Aim of the study establishing the main features of regulation of the entrance and accumulation of mineral elements at the combined function of the cation transport system components at the native plasma membrane of plant cell

Obiects of the study Characeae alga cells of Nitella flexilis L Agardz and roots of 3-5 day seedlings of barley

Methods of the study microelectrode and voltage clamp techniques, trace methods using 137Cs and 90Cr isotopes

The received results and their novelty It has been shown that maintenance of intracellular potassium physiological concentrations is realised due to modulation of potassium channel conductance as well as by the change of the potential difference across the plasma membrane

The regulation of the entrance and accumulation of potassium ions in cytoplasm, which associated with the modulation of potassium channel conductance, is determined by the modification of negative surface charge, that is close to the entry of channels, by H+, which going out of the cell at the activation of proton pump and by summation of the local electric field of the pump and channels

At the condition of the growing potassium concentration in medium the shift of the activation threshold in direction of the membrane hyperpolarization and potassium induced growth of the conductance of slowly activated outward rectifying potassium channels facilitate potassium withdrawal from the cell

It has been offer the quantitative model that consider positional relationship and interaction cation channels, non selective cation channels and proton pump at the plasma membrane The model predicts the accumulation differences of individual cations in the cell It has been shown that developed views about the regulation of entrance and accumulation of cations by Characeae cells can be applied to the root cells of higher plants (by the example of barley seedlings)

Recommendation on application The results can be used in the field of plant mineral nutrition optimisation, for making prerequisite of purposeful plant breeding It could be possible to make a forecast of accumulation in plants of toxic or dangerous cations for plants and a man The approved methodical schemes let us to select the species and varieties of plants, possessed both high, and low ability to accumulate different mineral elements including radionuclides The results can be used for teaching the courses "Plant Mineral Nutrition", "Xenobiology" Field of application plant physiology, agriculture, education

Подписано в печать 22 08 2007 Формат 60x84 шбБумага офсетная Гарнитура Roman Печать цифровая Уел пен л 1,3 Учиздл 1,4 Тираж 60 экз Заказ №424 ИООО «Право и экономика» Лицензия № 02330/0056831 от 01 04 2004 220072 Минск Сурганова 1, корп 2 Тел 284 18 66, 8 029 684 18 66 Отпечатано на настольно-издательской системе XEROX в ИООО «Право и экономика»