Rostlinná cytologie. Přednášející: RNDr. Jindřiška Fišerová, Ph.D. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Rostlinná cytologie MB130P30

Přednášející: RNDr. Kateřina Schwarzerová,PhD. RNDr. Jindřiška Fišerová, Ph.D.

Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Přijďte na katedru experimentální biologie rostlin vypracovat svou bakalářskou nebo diplomovou práci! Laboratoř b ř buněčné b ěč é bi biologie l i a biotechnologie bi h l i rostlin li Mechanismy utišování genové exprese, cytoskelet rostlinné buňky Laboratoř L b t ř buněčné b ěč é morfogeneze f Multiproteinový komplex Exocyt, cytoskeletální organizátory z rodiny forminů, signální dráhy zprostředkující koordinaci jednotlivých procesů, které určují buněčnou polaritu. Laboratoř biologie pylu Studium regulačních mechanismů uplatňujících se při kontrole genové exprese v pylu Laboratoř hormonálních regulací u rostlin Mechanismy regulace hladin rostlinných hormonů, zejména auxinů a cytokininů, a jejich úlohou v růstu a vývoji rostlin Laboratoř fyziologické anatomie Apikální meristémy a regulace jejich funkce, apoplastické bariéry a regulace příjmu živin Laboratoř ekofyziologické anatomie Vliv faktorů (zvýšená koncentrace CO2, těžké kovy) na stavbu listu, ekofyziologie mykorhizních symbióz a asociací Laboratoř studia regulačních faktorů morfogeneze rostlin Výzkum cukerného metabolismu rostlin v souvislosti s vývojovými změnami a působícím stresem

Struktura přednášek: 1 Ú 1. Úvod dd do eukaryotické k i ké b buňky ňk (kompartmentace, (k membrány, bá transport přes membrány) 2. Endomembránovýý systém y rostlinné buňky: y (ER, ( , GA,, vakuoly) 3. Jádro 4. Plastidy 5. Mitochondrie 6. Cytoplasma a cytoskelet 7. Buněčná stěna 8 Komunikace 8. K ik b buněk ěk 9. Morfogeneze rostlinné buňky, programovaná buněčná smrt.


Literatura: O. Votrubová - Anatomie rostlin (skripta) Alberts a kol. – Základy buněčné biologie Buchanan a kol. - Biochemistry and molecular biology of plants Taiz a Zeiger – Plant Physiology Materiály k přednáškám: htt //kf http://kfrserver.natur.cuni.cz/lide/schwarze/cytologie/cytol.htm t i /lid / h / t l i / t l ht Další odkazy: kfrserver.natur.cuni.cz: odkaz Slovník rostlinné anatomie: historie anatomie rostlin; anatomický atlas; základy mikroskopování atd.


Cíl přednášky:

1. Definovat termín eukaryotická buňka 2. Pochopit význam biomembrán pro eukaryotickou buňku 3. Identifikovat nejdůležitější procesy probíhající na membránách


Vývoj života na Zemi -3,5 3 5 miliard let: Vznik života. života (První organismy byly zřejmě prokaryotní, anareobní a heterotrofní ) heterotrofní.) - cca 3,2 milliard let: Vznik fotosyntézy (velmi brzy v evoluci) -2,5 miliard let: vznik oxygenní fotosyntézy. -2,2 miliardy let: vznik aerobního dýchání. ý kolem -2 miliard let: vznik eukarotických buněk. -1,5 miliard let: vznik mitochondrií > -1 miliarda let: vznik plastidu Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Prokaryotická x eukaryotická buňka

Kompartmentace – základní vlastnost eukaryotické buňky (Eukaryota – česky „Jaderní Jaderní“))

Umožnila: -rozdělení prostoru buňky membránou na kompartmenty -endosymbiózu y


Prokaryotická fotosyntetizující membrána

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Synechococcus_TEM.jpg


Magnetozóm

Komeili lab, http://www.komeililab.org/

Endosymbióza: Vznik mitochondrií (pohlcením bakterie); vznik plastidů (pohlcením fotosyntetizující y j sinice). )

Důkazy, y, svědčící p pro endosymbiotickou y teorii: -Plastidy a mitochondrie mají vlastní DNA, jejíž organizace je podobná prokaryotům -Obaleny dvěma nebo více membránami odlišného složení; vnitřní membrána podobná prokaryotům -Nevznikají Nevznikají de novo novo, ale vždy dělením -Dělení je podobné dělení prokaryotické buňky -Mají Mají vlastní proteosyntetický aparát prokaryotického typu -rRNA a enzymy mitochondrií a plastidů jsou prokaryotického typu y y (lišejníky, ( j y, Paramecium bursaria)) -Recentní symbiózy


Primární x sekundární endosymbióza

Primární endosymbióza plastidů: pohlcení fotosyntetizující bakterie eukaryotní buňkou. Sekundární endosymbióza: pohlcení fotosyntetizující řasy heterotrofní eukaryotní buňkou. Důkazy sekundární endosymbiózy: -tři až čtyři membrány plastidů mnoha řas -Identifikace Id tifik rezidua id jád jádra endosymbionta d bi t (nukleomorf) ( kl f)


Nucleomorph

http://tolweb.org/Chlorarachniophytes


Kompartmentace -Základem jsou biomembrány

Hlavní kompartmenty v eukaryotické rostlinné buňce: Cytoplasmatická membrána (plasmalema) Cytoplasma Jádro Endoplazmatické retikulum Golgiho aparát Vesikuly Lytický kompartment Peroxisomy Mitochondrie a jejich kompartmenty Plastidy a jejich kompartmenty Stěna Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Kompartmentační pravidla (Schnepf 1965): Biologické membrány oddělují protoplazmatické a neprotoplazmatické fáze v buňce; membrány mají cytosolickou (protoplazmatickou) a extracelulární (neprotoplazmatickou) stranu; membrány jsou strukturně i funkčně asymetrické. Neprotoplazmatické fáze: Extracelulární prostor, cisterny ER a GA, vakuoly, perinukleární prostor, mezimembránový prostor plastidů a mitochondrií, vnitřek thylakoidů. Protoplazmatické fáze: Cytoplazma, karyoplazma, chondrioplazma (mitoplazma/matrix) uvnitř mitochondrií, u rostlin navíc plastidoplazma (stroma). Nukleové kyseliny se vyskytují vždy jen v protoplazmatických fázích. Mezi p protoplazmatickými p ý a neprotoplazmatickými p p ý kompartmenty p yp probíhá transport přes membránu. p y neprotoplazmatickými p p ý p probíhá transport p pomocí p váčků. Mezi kompartmenty



Membrány y 5-10 nm tlustá lipidová dvojvrstva N Nevznikají ik jí de d novo, ale l dědí se Semipermeabilita Pl ti it Plasticita


Membrány y - hlavní funkce

- tvoří hranice mezi důležitými oblastmi buňky - regulují transport (semipermeabilita – transport solutů; různé transportní systémy; možnosti přenosu váčků) - fungují v přenosech signálů (receptory, změny membránového potenciálu aj.) - účastní se komunikace mezi buňkami (např. (např plasmodesmy a kontinuita plazmatické membrány a ER) - mají další specifické funkce díky enzymům apod., které se v nich nacházejí – např. vnitřní membrány organel obsahující elektrontransportní řetězce, syntéza ATP


Membrány y - typy membránových lipidů Hydrofilní y část: nejčastěji j j odvozena od g glycerolu. y Hydrofóbní část: nejčastěji mastná kyselina o 14-24 uhlících.


Membrány y - typy membránových lipidů Fosfolipidy – deriváty kyseliny fosfatidové (fosfatidyletanolamin, y , fosfatidylserin, y , fosfatidylinositol). y ) fosfatidylcholin,

Glykolipidy – u rostlin téměř výhradně odvozeny od glycerolu, cukrem je nejčastěji galaktóza. Glykolipidy jsou majoritní složkou plastidových membrán.

Sfingolipidy – obsahují sfingosin, s mastnou kyselinou vázán nejčastěji amidovou vazbou. Substituent sfingosinu např.: fosfocholin (sfingomyelin; u rostlin chybí); cukr (glykosfingolipidy).


Membrány y - další složky Steroly – cholesterol; fytosteroly (kamposterol, sitosterol, stigmasterol). Glykosylované steroly j jsou unikátní ikát í pro rostlinné tli é membrány. bá

Kardiolipin - bifosfatidylglycerol (vnitřní membrána mitochondrií)

S lfolipid glykosylglyceridy Sulfolipidy, gl kos lgl cerid – komponenty k t thylakoidních th l k id í h membrán bá Specializované membrány – chlorofyly, karotenoidy, plastochinon, ubichinon atp. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Membrány y - Koncept tekuté mozaiky lipidů a proteinů Model tekuté mozaiky (navrhli Singer a Nicholson, 70. léta minulého století ): Membrána umožňuje laterální pohyb lipidových molekul i proteinů.


Membrány y - Tekutost a tuhost Optimální viskozita membrány je důležitá pro fúze membrán, membrán laterální difúzi a rovnoměrnou distribuci molekul, správnou separaci membrán během dělení, optimální aktivitu enzymů, optimální semipermeabilitu. Tekutost a tuhost membrány je regulována: - Délkou řetězců mastných kyselin (čím delší, tím vyšší teplota tání) - Nasyceností řetězců mastných kyselin (dvojné vazby = nižší teplota tání; rostlinné oleje) - Obsahem sterolů (působí různě dle teploty)

© Stanislav Stanisla Vosolsobě

Kapalná fáze

Uspořádaná gelová fáze Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Human Reproduction Vol.20, No.12 pp. 3385–3389, 2005 Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Olivový olej: Saturated fats

Palmitic acid: 7.5–20.0% Stearic acid: 0.5–5.0% Arachidic acid: <0.8% Behenic acid: <0.3% Myristic acid: <0.1% Lignoceric acid: <1.0%

Monounsaturated fats

Oleic acid: 55.0–83.0% Palmitoleic acid: 0.3–3.5%

Polyunsaturated fats

Linoleic acid: 3.5–21.0 % Linolenic acid: <1.5%

Teplota tání: -6°C


Membrány y - Koncept membránových mikrodomén Hypotéza vyslovena koncem 80. let 20. století Předpokládá existenci mikrodomén v membráně, vyznačující se nižší tekutostí a specifickým složením (lipidy s nasycenými mastnými kyselinami, sfingolipidy s cukernými složkami, steroly, GPI-kotvené proteiny) = membránové mikrodomény. Předpokládaná funkce: přechodné sdružování proteinů nutných pro podobnou funkci do domén (signalizace, endocytóza). Mikrodoména GPI proteiny Fluidní fáze

© Stanislav Vosolsobě

myristylované proteiny

palmitoylované proteiny Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Membrány y - Koncept membránových mikrodomén Pokrokyy v chápání p membránových ý mikrodomén: Vizualizace membránových mikrodomén v živé buňce stále komplikovaná (vysoce rozlišující mikroskopie) Mobilita membránových proteinů ovlivněna interakcí s cytosolickými (cytoskelet) i extracelulárními (ECM, buněčná stěna) strukturami V Vysoké ké zastoupení t í proteinů t i ů v membráně bá ě Membránové mikrodomény rostlin a kvasinek jsou pravděpodobně velké desítky nanometrů a jsou poměrně stabilní (x raft)

Annu. Rev. Plant Biol. 2013. 64:501– 29

Membrány y - Membránové proteiny

P if í membránové Periferní bá é proteiny t i – bez hydrofóbních interakcí, často vazby k polárním částem lipidů (např. H-můstky, elektrostatické síly), nebo vazba k integrálním membránovým proteinům.

Integrální membránové proteiny – procházejí částí molekuly membránou – transmembránová d é doména, ttvořena ř hydrofóbními h d fób í i AK

Proteiny kotvené v lipidové dvojvrstvě

http://tonga.usip.edu/gmoyna/biochem341/lecture30.html


Membrány y - Membránové proteiny Proteiny kotvené v lipidové dvojvrstvě: -Kotvení díky mastné kyselině - např. myristová, palmitová -Kotvení díky prenylové kotvě – farnesyl, geranylgeranyl. -Kotvení díky GPI kotvě (GPI = glycosylfosfatidylinositolová kotva; pouze kotvení v extracelulární nebo lumenální straně membrány. Lipidové rafty.


Membránový ý transport p

Volnou difúzí prochází membránou:

Transportní systémy se využívají pro:

-malé malé nepolární molekuly (O2, CO2, benzen)

ostatní látky

-velmi malé polární molekuly (voda, močovina)

Pasivní transport:

Aktivní transport

-ve směru g gradientu elektrochemického potenciálu

-proti směru gradientu elektrochemického potenciálu

-nespotřebovává energii

-spotřebovává energii (ATP)


Membránový ý transport p -transportní systémy


Membránový ý transport p -role -

Tvorba energie (vznik ATP v mitochondriích a chloroplastech)

-

Přenos signálů (zvýšení koncentrace Ca2+ a opětovné ustavení gradientu).

-

U t Ustavení í tturgoru (akumulace ( k l solí lí v cytosolu t l – především ř d ší K+). )

-

Akumulace minerálů pro biosyntézu organických molekul (NH4+, NO3-, H2PO4-, SO422-, bor, bor zinek zinek, měď měď, železo atp atp.))

-

Vylučování odpadních produktů

-

Distribuce metabolitů (organické látky jsou transportovány z asimilujících pletiv do celé rostliny).

-

Kompartmentace (umožňuje probíhání několika metabolických dějů v jedné buňce najednou)


Membránový ý transport p -typy transportérů

1. PUMPY – rychlý transport; primární aktivní transport. 2. KANÁLY - velmi rychlý transport; pasivní transport. 3. PŘENAŠEČE - p poměrně p pomalý ý transport; p p přenos má charakteristiky odpovídající enzymové kinetice; pasivní; specifické. 4. PŘENAŠEČE spojené s transportem protonů - sekundární aktivní transport; symport nebo antiport. 5. Aquaporiny


Membránový ý transport p PUMPY - Generování transmembránového potenciálu (primární aktivní transport) - Syntéza ATP - Transport látek s využitím energie štěpením ATP

1. ATPázy P-typu (H+-ATPázy na plazmatické membráně; Ca2+ ATPázy ) 2. ATPázy V-typu (přenos H+ do vakuol) 3. ATPázy F-typu (syntéza ATP v mitochondriích a chloroplastech) 4. H+-PPázy (přenos H+ do vakuol; hydrolýza anorganického pyrofosfátu) 5. ABC pumpy (ATP-binding casette transporters; přenos látek za hydrolýzy ATP)


ATPázy y P-typu yp -Během transportu dochází k fosforylaci katalytické podjednotky. -Na+/K+ pumpa živočišných buněk; některé Ca2+-pumpy; rostlinné H+-ATPázy

Rostlinné H+-ATPázy: -Primární aktivní transportní systém rostlinné buňky: generuje membránový bá ý potenciál t iál -Kontrola pH cytoplazmy -Okyseluje prostor buněčné stěny


Ca2+ ATPázy y

ATPázy P-typu P typu Nacházejí se v plazmatické membráně, endomembránách, membránách chloroplastů a ve vakuolární membráně. Aktivní (hydrolýza ATP) přenos Ca2+ iontů z cytoplazmy – význam pro přenos signálů


ATPázy y V- a F-typu yp -Strukturní podobnost V- a F-typu ATPáz -Transport T H+ -Během transportu nedochází k fosforylaci pumpy -Komplex K l pumpy ttvořen ř alespoň l ň3d druhy h membránových bá ý ha5d druhy h cytosolických proteinů

V-typ: Lokalizován ve vakuolární membráně; transport p H+ do vakuoly y za hydrolýzy y ý y ATP;; udržuje nízké pH vakuoly. Acidifikace organel F-typ: Lokalizace v bakteriálních membránách, v mitochondriích a chloroplastech. Syntéza ATP během transportu H+ po koncentračním spádu. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

H+-PPázy y - py pyrofosfatázy y

Vakuolární transportér protonů unikátní pro rostliny rostliny. Štěpením anorganického pyrofosfátu katalyzuje přenos H+do vakuoly. Odlišné regulace (např. inhibice Ca ionty).


Membránový potenciál: Rozdíl elektrických potenciálů mezi dvěma vodními prostředími oddělenými membránou.

symporter antiporter p kanál

pumpy

-20 mV

Plant Cell 1999;11;677-689

ABC transportéry p y ABC=ATP-Binding Cassette transporters

Velká rodina proteinů, strukturní podobnost Aktivní transport různých organických látek za štěpení ATP V rostlinách lokalizace často v tonoplastu, transportují např. -Sekundární metabolity -Xenobiotika -Fytochelatiny


Membránový ý transport p KANÁLY Transmembránové p proteiny y vytvářející y j p póry y v membráně Selektivní Výhradně pasivní transport Regulace otevření/uzavření pomocí napětí, vazby ligandu nebo mechanicky Kanály významné pro rostlinné buňky: Kationtové (K+, Ca2+); aniontové (Cl-; NO3-); kanály pro organické k kyseliny li (malátový ( lát ý kanál k ál na vakuolární k lá í membráně; b á ě kanály k ál na plazmatické l ti ké membráně); aquaporiny (voda).


K+ kanály Kanály transportující dovnitř nebo ven Velké genové rodiny Ven transportující K K+ kanály: -otevření při depolarizaci membrány = vyrovnávání Vm. Funkce např. při zavírání průduchů, udržování membránového potenciálu.

Dovnitř transportující K+ kanály: -příjem K+ z apoplastu -aktivují se při negativním potenciálu hyperpolarizací Funkce např. při otevírání průduchů, generují g j turgor g


Ca2+ kanály

Přenos signálu (dočasné zvýšení koncentrace Ca2+ v cytosolu) Řízeny napěťově, napěťově vazbou ligandu nebo mechanicky. mechanicky

Ca2+ kanály v rostlinné buňce: mechanosenzitivní kanály ligandem otevírané kanály (cADP-ribózou, (cADP ribózou, glutamátem) napěťově otevírané kanály (hyperpolarizací a depolarizací)


Aniontové kanály

Chloridové kanály: -Kontrola transmembránového potenciálu -Vyrovnávání náboje při transportu solí Kanály pro organické kyseliny: -Malátový kanál ve vakuolární membráně -Aniontové kanály pro organické kyseliny v plazmatické membráně


Membránový ý transport p PŘENAŠEČE PŘENAŠEČE: -Pasivní transport -Pomalý Pomalý transport (102 až 103 molekul/s) -Při přenosu mění konformaci

PŘENAŠEČE SPOJENÉ S TRANSPORTEM PROTONŮ: -Přenos spojen s transportem H+ (využití protonového gradientu) -Sekundární aktivní transport -Symport S t nebo b antiport ti t



Membránový ý transport p AQUAPORINY

Malé integrální membránové proteiny (25-30kDa), tvořící póry Usnadňují transport vody přes membránu Rostliny kódují mnoho izoforem; exprese je pletivově-specifická

http://www.als.lbl.gov/als/science/sci_archive/54aquaporin.html


Rostlinná cytologie. Přednášející: RNDr. Jindřiška Fišerová, Ph.D. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Recommend Documents