Влияние ксенобиотиков на физико-химические свойства

Цитоплазмы, транспортные функции биологической

Мембраны и обмен веществ

Обмен веществ в клетке может осуществляться только при определенной структурной организации. В то же время сама структура динамична, она создается и поддерживается в процессе обмена веществ. Наибольшее внимание привлекают физико-химические показатели, которые характеризуют структурные и электрические свойства живой клетки: вязкость, движение цитоплазмы, концентрацию водородных ионов и величину изоэлектрической точки.

Цитоплазма – главное содержимое любой живой клетки – основа клеточной организации. Физико-химические изменения в цитоплазме являются ведущими в процессах жизнедеятельности клетки.

Цитоплазма, основу которой составляют глобулярные белки, способна к обратимым глобулярно-фибриллярным изменениям.

«Основное вещество» цитоплазмы – цитозоль, заполняющее пространство между клеточными органеллами. Цитозоль содержит систему микрофиламентов. Крупные молекулы – белки и в меньшей мере РНК – образуют коллоидные растворы. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) или гелем (вязким). Внешние слои цитоплазмы по своей конституции ближе к гелям, например эктоплазма амебы.

Взаимодействие гидратированных ионов ксенобиотиков с заряженными белковыми молекулами цитоплазмы может вызывать переходы золь – гель и обратно. Катионы, имеющие поливалентный заряд, притягиваются сильнее к заряженной коллоидной частице по сравнению с одновалентными. Поэтому в первом случае молекула коллоидной частицы теряет часть гидратной воды, и цитоплазма превращается в вязкую гелеобразную массу. Во втором случае из-за слабого притяжения гидратные оболочки белка и иона сливаются и цитоплазма оводняется, превращается в жидкий раствор – золь (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схематическое изображение действия гидратированного катиона (+) на гидратацию коллоидной молекулы белка (-): а– гидратирующее действие (золь); б– дегидратирующее действие (гель)

Вязкость. В цитоплазме обнаружена структурная вязкость – свойство, присущее жидкостям, обладающим внутренней структурой. Вопрос об агрегатном состоянии цитоплазмы привлекал внимание исследователей с момента ее открытия. Фрей-Висслинг (1950 г.) указывал на то, что цитоплазма одновременно обладает признаками жидкости (текучесть) и твердого тела (эластичность). Если рассматривать протоплазму как жидкость, то показателем консистенции жидкости служит ее вязкость. В физике вязкость жидкости определяют как сопротивление передвижению одного ее слоя относительно другого. Поэтому вязкость часто называют внутренним трением. Количественно вязкость выражают силой (на ед. поверхности двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Вязкость воды при 25 ºС равна 8,9·10^–4Па·с. Наиболее простой способ определения вязкости жидкости – по скорости движения через нее тел сферической формы с известной плотностью и размером. Использование закона Стокса позволяет рассчитать абсолютную вязкость:

2g (D – d) r²

V = ¾¾¾¾¾¾¾,

9h

где r – радиус падающего тела; D – плотность падающего тела; h – вязкость; d – плотность жидкости; V – скорость падения; g – ускорение силы тяжести.

Поскольку свободное падение гранул в клетке наблюдается только при низкой вязкости цитоплазмы, то заменим g центробежной силой (центрифугирование):

2r² (D – d) · m · g

V = ¾¾¾¾¾¾¾,

9h

где m – величина ускорения, сообщаемая центрифугой.

Величина этого ускорения зависит от числа оборотов центрифуги и расстояния от оси вращения и определяется выражением:

(2np)² r

m = ¾¾¾¾,

g

где n – число оборотов центрифуги в секундах; r – расстояние от центрифугируемого объекта до оси центрифуги.

Существуют другие методы определения вязкости протоплазмы, например по регистрации пути частицы при броуновском молекулярном движении, плазмолитический метод определения вязкости и т. д.

Экспериментальные данные свидетельствуют о широком диапазоне величин структурной вязкости. Она служит хорошим показателем физиологического состояния клеток, уровня их жизнедеятельности. В структурной вязкости находит отражение реакция живых организмов на изменение внешних условий (температуры, освещения и др.) и, конечно, на химические агенты.

Движение цитоплазмы. Движение цитоплазмы в животных и растительных клетках довольно распространенное явление, которое играет важную роль в осуществлении обмена и распределении веществ внутри клетки, а также характеризует уровень жизнедеятельности клетки.

Движение цитоплазмы (циклоз) наиболее отчетливо выражено в амебоидных и растительных клетках, но его можно наблюдать и у простейших, в плазмодии миксомицетов, в некоторых клетках высших животных, особенно в тканевых культурах. Впервые циклоз в клетках растений был описан 200 лет назад исследователем Корти, с тех пор накопился большой экспериментальный материал об этом интересном явлении.

О движении цитоплазмы судят по движению многочисленных гранул, включенных в протоплазму и пассивно увлекаемых ею. Характер движения цитоплазмы разнообразен. В одних клетках оно неустойчивое по скорости и случайное по направлению; в других – упорядоченное и постоянное. Часто можно наблюдать в одной и той же клетке обратимый переход одного типа движения в другой. В некоторых растительных клетках (нителла, спирогира, эвглена) при определенных условиях движение цитоплазмы приобретает ритмический характер. Ритмичным является и движение цитоплазмы в плазмодии миксомицета слизевика, представляющего собой комок голой протоплазмы со множеством ядер, не отделенных друг от друга клеточными перегородками; движение то ускоряется, то замедляется, причем направление его изменяется на противоположное при постоянных внешних условиях.

Скорости движения цитоплазмы у разных объектов различаются в широких пределах, от едва обнаруживаемой до значительной (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Название таблицы

Объект	Скорость, мкм/с	Температура, °C
Плазмодий миксомицета
Гифы ризопуса
Междоузлие хары
Лист элодеи канадской
Эпидермис лука репчатого
Корневой волосок овса посевного	5,4
Пыльцевая трубка бобов конских	2,9
Ризоид нителлы
Междоузлие нителлы

Скорость движения цитоплазмы (СДЦ) сильно варьирует от нескольких мкм/с до десятков мкм/с и зависит от условий окружающей среды (света, температуры, рН) и, конечно, от присутствия ксенобиотиков.

Самая высокая скорость движения наблюдалась в плазмодии миксомицета – 1350 мкм/с. Скорость движения может меняться в зависимости от температуры и от сезона года. Так, на колеоптилях овса в ноябре она была равна 12,4 мкм/с, а в августе – 17,6 мкм/с.

Движение цитоплазмы зависит от процессов дыхания и гликолиза; при движении протоплазмы, так же как и при мышечном сокращении, расходуется энергия. Чувствительность к недостатку кислорода у разных типов клеток различна. Разнообразные внешние воздействия – нагрев, повышенное гидростатическое давление, механические воздействия, электрический ток – влияют на движение цитоплазмы. При действии эфира, хлороформа, хинина, гербицидов и гетероауксина (индолил-3-уксусная кислота) наблюдались двухфазные изменения - вначале движение ускорялось, а затем замедлялось и останавливалось.

Во многих растительных клетках, например в клетках элодеи и валиснерии, движение цитоплазмы может начаться под влиянием внешних воздействий (α-аминокислота, гетероауксин, соли металлов, серная кислота, сапонин, гистидин, видимый свет). Такое индуцированное движение обычно называют хемодинезом.

Вопрос о механизме движения цитоплазмы решен пока только в самом общем виде.

Большинство исследователей полагают, что в основе этого явления - лежит функционирование сократительных белков, молекулярную основу которой образуют белки актин и миозин. Сократимость этих фибриллярных белковых молекул составляет физическую основу движения цитоплазмы.

Некоторые авторы полагают, что течение цитоплазмы в какой-то мере может быть обусловлено сокращением микротрубочек – широко распространенных цитоплазматических структур. В состав микротрубочек входит белок тубулин, обладающий АТФ-азной активностью. Такие микротрубочки обнаружены и в растительных клетках там, где наблюдается интенсивное движение цитоплазмы, около сократительных вакуолей инфузорий и рядом с цитоплазматическими пульсирующими тельцами. Много микротрубочек имеется и в клетках гладких мышц.

Заметное влияние на СДЦ оказывают ксенобиотики, подавляющие обмен веществ у живых организмов (табл. 4.2).

Таблица 4.2