Метаболические фонды биологических элементов (часть 5)
Пространственную организацию фонда можно изучать, определяя скорости изменения удельной активности отдельных веществ в цитоплазменных структурах. Таким путем можно проверить предположение о том, что фонд организован по «органелльному» принципу. При выделении хлоропластов и митохондрий из растительной клетки из них могут вымываться многие водорастворимые метаболиты. Поэтому выделение органелл клетки необходимо проводить в неводной среде (Linskens, Tracey, 1963). При изучении фосфорных соединений, в частности ортофосфата, можно использовать метод, разработанный Тандлером (Tandler, 1960). Он заключается в том, что перед разрушением клетки ортофосфат фиксируют путем обработки клеток основным уксуснокислым свинцом. При этом образуется нерастворимый в воде осадок, который после выделения цитоплазменных фракций может быть растворен в перхлоратной кислоте. В опытах была применена указанная методика в сочетании с выделением фракций гомогенатов из листьев и отделением минерального фосфата после растворения его осадка с помощью экстракции изобутиловым спиртом.
Приводим данные одного из опытов с листьями шпината. Ортофосфат поступал через корни в листья в течение 2 час. После этого листья обрабатывали по методу Тандлера и определяли удельную активность ортофосфата. Последняя оказалась несколько большей во фракции гомогената листьев, выделенной при 1000 g, чем во фракции, полученной при 5000 g. Например, в I опыте удельная активность составляла соответственно 29,7 и 21,4 имп/мин*мкг фосфора; во II опыте — 48,1 и 34,3 (рис. 84). Анализируя полученные данные, следует обратить внимание на то, что экспозиция, на протяжении которой меченый ортофосфат поступал в растение, была весьма значительной. Однако несмотря на это, даже между гомогенатами весьма близкими по своим свойствам не успела выравняться удельная активность ортофосфата. Этот факт свидетельствует о том, что различия между отдельными подфондами ортофосфата в клетках шпината весьма значительны.
Оценивая явление гетерогенности фонда с точки зрения эволюции, нельзя не признать, что гетерогенность многих метаболитов, как и питательных веществ, поступающих в клетку, является важной приспособительной функцией клетки, позволяющей избегать конкурентных отношений между отдельными реакциями за общий субстрат. В последнее время в литературе все чаще начали появляться указания на то, что фонды очень многих веществ растительной клетки являются гетерогенными. Наиболее подробно это явление было исследовано Лаворелем и А.А. Шлыком (1966) по отношению к хлорофиллу. Как было выяснено, в растительной клетке хлорофилл находится не в одном, а, по-видимому, в двух фондах, различающихся между собой метаболической активностью. Один из фондов характеризуется очень большой скоростью обновления, в то время как другой, наоборот, весьма инертен в отношении биосинтеза и обновления.
Значение гетерогенности метаболических фондов в регуляции обмена веществ в растительной клетке заключается в том, что изменение размеров одного из подфондов может не оказывать влияния на скорости реакций, связанных с другими подфондами данного метаболита. В этом также коренится одно из преимуществ гетерогенной организации метаболических фондов по сравнению с гомогенной.
Приведенные факты и рассуждения свидетельствуют о том, что знание только лишь концентраций того или иного метаболита в растительной ткани еще не может дать основания судить о характере его биологического использования. Полная информация должна включать кинетическое описание превращений метаболита в структуру фонда.
Мы ранее останавливались главным образом на органелльной организации метаболического фонда. В то же время возможны и иные пути, с помощью которых частично фонд метаболитов будет специализироваться применительно к отдельным функциям клетки. В работах В.С. Кулаева было показано, например, что в клетке ортофосфат находится в различных состояниях, отличающихся растворимостью в разных растворителях. Следовательно, можно получать данные о типе гетерогенной организации фонда, основываясь на растворимости метаболитов.
Как видим, вопрос о внутриклеточной организации метаболизма растений имеет очень много аспектов. Один из них заключается в том, что метаболизм рассматривается как процесс, протекающий во вполне определенном микропространстве клетки. Основной ячейкой обмена веществ является подфонд метаболита. В области исследования внутриклеточной организации метаболизма еще очень много неизведанного, спорного и гипотетичного. Однако нет сомнения в том, что здесь мы встречаемся с очень важной имеющей общебиологическое значение проблемой, от решения которой зависит наше более глубокое понимание процессов питания клетки, поступления в нее биологических веществ, состояния промежуточных и конечных метаболитов.
Исходя из всего изложенного, можно сделать такие выводы:
1. Метаболиты растительной клетки представлены в виде фондов, характеризующихся пространственным распределением в клетке, органе и целом организме, и определенным объектом.
2. Фонды бывают гетерогенными и гомогенными. Показано, что фонд ортофосфата, АТФ и некоторых других фосфорных соединений является гетерогенным.
3. При изучении регуляции метаболизма в растительной клетке необходимо учитывать гетерогенность метаболических фондов и связанные с ней особенности кинетики и сопряжения отдельных биохимических циклов.
4. Многие явления питания растений могут быть объяснены на основе представлений о гетерогенности метаболических фондов: поступление ионов в растительную клетку, повторное использование элементов растением, регуляция скоростей обменных реакций и устойчивость растений к неблагоприятным условиям внешней среды.
