6.3.7. Хлор

Хлор относили сначала к полезным элементам, но в настоящее время его относят к микроэлементам. Из поглощаемых минеральных анионов только Сl не ассимилируется и остается в клетках и тканях в ионной форме. В цитозоле концентрация Сl (~3 —10 мМ) превышает концентрацию нитрата (~1 — 5 мМ) и органического аниона — малата (~1 — 5 мМ). В вакуоли, наоборот, концент­рация NO (10 — 80 мМ) и малата (5 —100 мМ) значительно выше, чем Сl (7 — 40 мМ). В клетках при регуляции тур гора концентрация хлора в вакуоли может достигать 50—150 мМ.

На плазмалемме и тонопласте имеются входные и выходные Сl -каналы, и этот анион очень подвижен (см. рис. 6.15). Транспорт анионов через плазмалемму вносит существенный вклад в реализацию нескольких важных функций: 1) электрической и Са²⁺-сигнализации; 2) контроль мембранного потенциала и градиента рН; 3) осморегуляция. Хлор не просто участвует в выполнении этих функций наряду с другими анионами, а играет ведущую роль. Есть дан­ные, что Сl специфически активирует вакуолярную Н⁺-АТФазу. Хлор вместе с калием включен в механизм устьичных движений и, если может быть заменен малатом (см. рис. 6.59), то лишь частично и не у всех видов растений. При открывании устьиц у растений, у которых малат не участвует в устьичных дви­жениях (лук — Allium сера, кокосовая пальма — Cocos nucifera L.), перемеща­ются значительные количества хлора, и между потоками К⁺ и Сl существует строгая связь. Поэтому у Сl -дефицитных растений этих видов полное откры­вание устьица растягивается на несколько часов. Для выполнения осморегуляторной функции в замыкающих клетках и для поддержания ψ 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 NO , 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). Хлор присутствует в кислородвыделяющем комп­лексе ФС II, где наряду с Мn²⁺ он необходим в процессе фотолиза Н₂О. Хлор может действовать либо как лиганд-мостик, стабилизирущий окисленное со­стояние Мn²⁺, либо как структурный компонент других „белков ФС II.

Таким образом, хлор, как и калий, участвует в общефизиологических про­цессах поддержания гомеостаза, где он скорее необходим, а не полезен. Как необходимый (уже без оговорок) микроэлемент, хлор требуется для реакции фотолиза Н₂О в ФС II.

6.3.8. Магний

Содержание магния при оптимальном росте обычно находится в пределах 0,15 —0,35% от сухой массы растений. Ионная концентрация Mg²⁺ в растительных тканях достаточно высокая, и ~ 70 % от общего содержания (~80 мМ на г сухо­го вещества) свободно диффундирует в растении. По подвижности этот двухвалентный катион сравним с К⁺. От других биологически важных катионов Mg²⁺ отличается своими уникальными характеристиками. Он имеет наимень­ший ионный радиус, большую плотность заряда, самый большой гидритный радиус (по сравнению с К⁺, Са²⁺ и Na⁺) и особый характер взаимодействия с водой и другими лигандами. Он образует 6 координационных связей, в основ­ном с кислородом анионных групп белков, нуклеиновых кислот и фосфоли-пидов (т. е. с О -лигандами, где О является «трудным» слабополяризованным основанием). Реже лигандом для связывания служит N, с которым наряду с координационными Mg²⁺ может образовать ковалентную связь, как, напри­мер, в порфириновом кольце хлорофилла (см. рис. гл. 3).

Эти свойства магния предполагают специфику систем переноса и функций этого двухвалентного катиона. Исходя из величин обычного мембранного по­тенциала плазмалеммы и среднестатической концентрации магния в цитозоле (3—4 мМ), его транспорт происходит пассивно (см. табл. 6.1). Но до самого послед­него времени не было известно, какие транспортные системы ответственны за поступление и перемещение магния у растений (так же как и у животных). Счи­талось, что неспецифичные Са²⁺-каналы (см. рис. 6.54) участвуют в переносе через плазмалемму не только кальция, но и магния. Наконец, в 2001 г. (Zi et al.) у арабидопсиса было идентифицировано 10 членов генного семейства, коди­рующих Mg²⁺-транспортные белки (AtMGT). Показано, что AtMGTl локали­зован в плазмалемме и, видимо, участвует в поступлении Mg²⁺ из среды. AtMGT5 и AtMGT6 экспрессируются главным образом в митохондриях. Очевидно, раз­личные белки AtMGT семейства имеют разные транспортные характеристики и выполняют разные функции. Ранее в тонопласте клеток арабидопсиса был обнаружен транспортер AtMHX, функционирующий как электрогенный обменник (Mg²⁺/H exchanger) протонов Mg²⁺ и Zn²⁺. AtMHX присутствует в ос­новном в центральном цилиндре стебля, и большая часть AtMHX мРНК лока­лизована в клетках паренхимы, окружающей ксилему. Это предполагает учас­тие AtMHX в распределении Mg²⁺ и Zn²⁺ между органами. Радиальный транс­порт Mg²⁺ в корне так же, как кальция, происходит в основном по апопласту.

Диффундирующий в цитозоле Mg²⁺ образует лабильные связи, нейтрализуя наряду с калием определенные органические соединения (группы Сахаров, нуклеотидов, органические и аминокислоты). В клеточной стенке находится ~2,5 % от общего содержания магния. Здесь Mg²⁺ координационно связан с карбоксильными группами пектиновых веществ по типу Са²⁺ и участвует в создании внутренней физиологической среды растения.

Самое известное магнийсодержащее соединение в растении — хлорофилл. В его молекуле Mg²⁺ находится в составе порфиринового ядра, соединенный двумя координационными и двумя ковалентными связями с азотом пиррольных колец (см. гл. 3). В хлоропласте сосредоточено 15 % Mg²⁺ листа, до 6 % Mg²⁺ может находиться в составе хлорофилла. При дефиците магния (голодании) доля Mg ⁺ в пигменте может достигать даже 50 % от общего содержания в листе. Участие Mg²⁺ в процессах, идущих в хлоропласте, связано не только с функци­ями в составе хлорофилла. При освещении Mg²⁺ транспортируется из тилакоидов в строму, компенсируя Н⁺, закачиваемый в тилакоид, и обеспечивая под­держание (наряду с К⁺) катионно-анионного баланса в этом компартменте хло­ропласта. За счет разнонаправленного перемещения Н⁺ и Mg²⁺ в строме созда­ются благоприятные условия для фиксации СО₂: рН 8,0 и высокая концентрация Mg²⁺. Ионы Mg²⁺ являются аллостерическим регулятором активности Рубиско (см. гл. 3), неактивной в темноте. Щелочные значения рН (8,0) и высо­кая концентрация магния — оптимальные условия для глутаминсинтетазы (ГС) — фермента, локализованного в строме хлоропласта и катализирующего ассимиляцию NH (см. рис. 6.45, 6.46).

Значительная часть АТФ (до 90 %) находится в клетках растений и живот­ных в виде комплекса с Mg²⁺:

Этот магний связан координационными связями с кислородом фосфатной группы и азотом аденина. В комплексе с магнием как АТФ, так и фосфоинозитол (фитин) запасаются в семенах (см. подразд. 6.3.1.2).

Магний активирует практически все киназные реакции, в которых требует­ся АТФ и происходит фосфорилирование субстрата. В реакциях переноса фос­фата (фосфатазы, киназы, АТФсинтазы) или карбоксильных групп (карбоксилазы) Mg²⁺ образует координационные связи между кислородом фосфат­ных групп и лигандами фермента. Эти стабильные комплексы имеют 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 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 (образо­вание 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 магний 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 Mg ⁺ с фосфорсодержащими соединениями (АТФ, фитиновая кислота и др.) переводит их в форму, удоб­ную для запасания. Перераспределение магния между компартментами (цитозоль — вакуоль или строма—тилакоид), а также его участие в нейтрализации органических анионов, вносят большой вклад в регуляцию рН и поддержание катионно-анионного баланса.