Механизм поглощения минеральных веществ корневой системой

Корневая система растений из почвы поглощает как воду так и минеральные вещества. Оба эти процессы взаимосвязаны, но осуществляются на основе разных механизмов. Вода поступает в клетки растений, как нам уже известно, осмотически и за счет набухания (гидратация).

В основе поглощения клетками растений минеральных элементов лежит мембранный электрохимический потенциал. Возникает вопрос: как же образуется этот потенциал, влияющий на поступление минеральных элементов в клетки растений? вы уже знаете, что минеральные соли, растворяясь в воде, диссоциируют на катионы (+) и анионы (-). Поэтому ион это одновременно и заряд (+) (-) и частица К, Са, S и т.д. На него, т.е. ион действует электрический градиент (т.е. разность электропотенциалов) и химический градиент (разность концентраций).

Градиенты (электрический, химический) создают мембраны растительной клетки. Между клеткой и средой всегда поддерживается разность электрических потенциалов величиной от 50 до 200 (милливольт) мВ. Электрический потенциал создают мембранные ферменты, называемые ионными насосами. В распоряжении растительной клетки имеется два ионных насоса: Na⁺-К⁺-АТФаза и Н⁺-АТФаза. Почему же именно двум насосам: натриевому и водородному природа отдала предпочтение? Ответ: потому, что именно эти два иона Na⁺ и Н⁺ - всегда находятся в распоряжении растительной клетки. Натрий – потому, что он всегда содержится в избытке в окружающей среде. Натрий по химическому градиенту всегда стремится войти клетку. И она естественно вынуждена постоянно откачивать избыток ненужного её натрия обратно в среду.

Фермент (белковая молекула), приобретая энергию АТФ, претерпевает конформационное преобразование и поворачивается в мембране так, что её натрий связующая группа оказывается снаружи.

Выкачивая из клетки балластный натрий, мембранная АТФаза одновременно накачивает в неё из среды нужный ей калий. Что касается ионов водорода, то их клеточный ресурс тоже неисчерпаем. Он непрерывно образуется в самой клетке при дыхании. Накопление Н⁺ ионов в цитоплазме опасно, оно приводит к смещению её рН в кислую сторону. Один из способов избавиться от них – их активное выкачивание наружу. Перенос ионов водорода (Н⁺) через биологические мембраны с использованием АТФ получил название протонной помпы или Н⁺ насосы.

При активации Н⁺-помпы мембранный электрохимический потенциал ионов Н⁺ (Мн⁺) возрастает и это возрастание включает в себя увеличение его электрического (Х) и химического (рн) компонентов: Мн⁺=Х + рн

Оба компонента могут быть использованы на перемещение веществ. Возникнув * трансмембранный потенциал в свою очередь может влиять на последующее движение ионов.

Отрицательный потенциал вызывает диффузию в клетке положительно заряженных ионов. Выделяют следующие виды диффузии: простая диффузия через липидную фазу, если вещества растворимы в липидах; облегченная диффузия гидрофильных веществ; диффузия через ионные каналы. В тоже время будет "подавлено" поступление отрицательно заряженных ионов NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, Cl^-, т.е. анионы встречают сопротивление электрических сил. Для переноса анионов через мембрану энергетической основой служат химический потенциал, т.е. рн. Каким образом? Ионы Н⁺ стремятся восстановить концентрационный градиент и возвращаются в цитоплазму, захватывая с собой анионы, т.е. анионы поступают в *с ионами Н⁺.

Таким образом, из всего анализа следует, что электрический потенциал служит энергетической основой для поглощения катионов K⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, а протонный (химический) – для поступления в клетки анионов в * с ионами Н⁺. на основе сочетания пассивного (диффузионного) и активного переноса ионов можно объяснить следующие характерные особенности поглощения минеральных элементов:

1. аккумулирующая способность растительной клетки может поглощать ионы против градиента концентрации и очень эффективно накапливать их внутри клетки, особенно в вакуолях (например калий);

2. избирательность – растительная клетка может более активно поглощать определенные ионы, в которых она больше нуждается – например, растительная клетка отдает предпочтение катионам, по сравнению с анионами;

3. неспособность полностью исключить ненужные ионы, которые содержатся в окружающей среде. При большой разности концентраций по обе стороны биомембраны ионы проникают в клетки. Например, на засоленных почвах – клетки переполняются ионами Na+ и Сl-, которые не нужны в таком количестве. Пример с кораблем и его насосом.

Тема: Экология минерального питания растений

1. Почва как источник питательных элементов для растений

2. Влияние внешних факторов на поглотительную активность корней (кислотность почвы, температура, влажность почвы, аэрация, корневые выделения)

3. Физиологические основы применения удобрений

4. Выращивание растений без почвы (гидропоника, аэропоника)