6.3.7. Хлор.

Хлор относили сначала к полезным элементам, сейчас к микроэлементам. Из поглощаемых минеральных анионов Сl^- единственный не ассимилируется и остается в клетках и тканях в ионной форме. В цитозоле концентрация Cl^- (~3-10 мМ) превышает концентрацию нитрата (~1-5 мМ) и малата (~1-5 мМ). В вакуоли, наоборот, концентрация NO₃^- (10-80 мМ) и малата (5-100 мМ) значительно выше, чем Cl^- (7-40 мМ). Но в клетках при регуляции тургора концентрация хлора в вакуоли может достигать 50-150 мМ.

На плазмалемме и тонопласте имеются входные и выходные Сl^--каналы, и этот анион очень подвижен (рис. 6.15). Транспорт анионов через плазмалемму вносит существенный вклад в реализацию нескольких важных функций: 1- электрической и Са²⁺ сигнализации; 2 – контроля мембранного потенциала и градиента рН и 3 – осморегуляции. Хлор участвует в выполнение этих функций, не просто наряду с другими анионами, а играет ведущую роль. Есть данные, что Сl^- специфически активирует вакуолярную Н⁺-АТФазу. Сl^- вместе с К⁺ включен в механизм устьичных движений и, если может быть заменен малатом (рис. 6.59), то только частично и не у всех видов растений. При открывании устьиц у растений, у которых малат не участвует в устьичных движениях (Allium cepa, Cocus nucifera L.), перемещаются значительные количества хлора и между потоками К⁺ и Cl^- существует строгая связь. Поэтому у Cl^--дефицитных растений этих видов открывание устьица до полного размера щели растягивается на несколько часов. Для выполнения осморегуляторной функции в замыкающих клетках и для поддержания _Н2О в клетках корней Сl^- должен накапливаться в вакуолях в больших количествах и не может быть отнесен в группу микроэлементов.

Накапливаясь в вакуолях зрелых клеток корней и надземных частей, Сl^- как осмотически активный ион может заменить NO₃^-, активируя его выход в цитозоль и ассимиляцию в клетке.

Концентрация Сl^- в хлоропласте значительна - 80-90 мМ, но для реакции фотолиза Н₂О он требуется в микроколичествах (на этом основании его относят к микроэлементам). Сl^- присутствует в кислород-выделяющем комплексе ФС II, где он наряду с Mn²⁺, участвует в процессе фотолиза Н₂О. Хлор может действовать либо как лиганд-мостик, стабилизирущий окисленное состояние Mn²⁺, либо как структурный компонент других белков ФС II.

Таким образом, Сl^-, как и К⁺, участвует в общефизиологических процессах поддержания гомеостаза, где он скорее необходим, а не полезен, и как необходимый, уже без оговорок, микроэлемент требуется для реакции фотолиза Н₂О в ФС II.

6.3.8. Магний.

Концентрация иона Mg²⁺ в растительных тканях достаточно высокая, так как ~70% от общего содержания магния свободно диффундирует в растении. По подвижности этот двухвалентный катион сравним с К⁺. В клеточной стенке находится ~2,5% от общего содержания магния. Здесь Mg²⁺ координационно связан с карбоксильными группами пектиновых веществ по типу Ca²⁺. Самое известное магний-содержащее соединение в растении хлорофилл. В этой молекуле Mg²⁺ находится в составе порфиринового ядра, соединенный координационными связями с азотом пиррольных колец (см. главу 3). В хлоропласте сосредоточено 15% Mg²⁺ листа и до 6% Mg²⁺ может находиться в составе хлорофилла. Но при Mg²⁺-голодании его доля в пигменте может достигать даже 50% от общего содержания в листе. Участие Mg²⁺ в процессах, идущих в хлоропласте, связано не только с синтезом хлорофилла. При освещении Mg²⁺ трансопртируется из тилакоидов в строму, компенсируя Н⁺, закачиваемый в тилакоид, и, обеспечивая поддержание катионно-анионного баланса в этом компартменте хлоропласта. За счет перемещения Н⁺ и Mg²⁺ в строме создаются благоприятные условия для фиксации СО₂ (рН 8,0 и высокая концентрация Mg²⁺). Mg²⁺ является аллостерическим регулятором активности РУБИСКО (см. главу 3), неактивной в темноте. Щелочной рН (8,0) и высокая концентрация магния – оптимальные условия для глутаминсинтетазы (ГС) – фермента, локализованного в строме хлоропласта и катализирующего ассимиляцию NH₄⁺.

Д о 70% Mg²⁺ свободно диффундирует в цитозоле, образуя лабильные связи и нейтрализуя, наряду с калием, определенные органические соединения (группы сахаров, нуклеотидов, органические и аминокислоты). Значительная часть АТФ (до 90%) находится в клетках растений и животных в виде комплекса с Mg²⁺, который связан координационными связями с фосфатом и азотом аденина:

Mg²⁺ активирует практически все киназные реакции, в которых требуется АТФ и происходит фосфорилирование субстрата. В реакциях переноса фосфата (фосфатазы, АТФсинтазы) или карбоксильных групп (карбоксилазы) Mg²⁺ образует связи между фосфатными группами АТФ и лигандами фермента.

АТФ и фосфоинозитол запасаются в семенах в комплексе с Mg²⁺. Вероятна связь Mg²⁺ (в зависимости от пространственных ограничений) с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и фосфолипидов (то есть с О^- лигандами, где О является «трудным» слабо поляризованным основанием). Mg²⁺ имеет небольшой ионный радиус, высокую энергию гидратации и низкую скорость замещения воды при координационном связывании. Эти свойства обеспечивают образование с лигандами макромолекул (O или N) стабильных комплексов, имеющих в сайте связывания Mg²⁺ регулярную структуру. Поэтому Mg²⁺ является незаменимым кофактором ферментных реакций, когда требуется сформировать в реакционном центре тройной комплекс между субстратом и определенными лигандами без искажения конформации. Помимо активации большого числа ферментов, включенных в реакции переноса фосфата (фосфатазы, киназы, АТФсинтазы, АТФазы) и карбоксильных групп, магний активирует некоторые дегидрогеназы, мутазы и лиазы (ГС обсуждалась выше). Для функционирования некоторых ферментов (глутатионсинтаза) его необходимость абсолютна, в других случаях Mg²⁺ значительно увеличивает активность ферментов (ФЕП-карбоксилаза). В терминальной реакции гликолиза - образования пирувата из ФЕП Mg²⁺ активирует пируваткиназу дополнительно к калию. Mg²⁺ необходим для сохранения целостности рибосом и поддержания их структуры при синтезе белка. Кроме того, на стадии связывания аминокислоты с тРНК, Mg²⁺ активирует аминоацил-тРНК синтетазу.

Таким образом, у растений Mg²⁺ включен в активацию генеральных процессов ассимиляции СО₂ и азота. Не менее важна его роль в реакциях синтеза и использования АТФ. Координационная связь Mg²⁺ с фосфорсодержащими соединениями (АТФ, фитиновая кислота и др.) переводит их в форму удобную для запасания. Магний нейтрализует органические анионы и тем самым вносит вклад в поддержание рН и катионно-анионный баланс.