Rostlinná buňka a její součásti: Osnova

Transkript

1 Rostlinná buňka a její součásti: Rostlinná buňka a její součásti: Osnova 1. cytoskelet 2. Jádro, Buněčný cyklus 3. stěna a její modifikace % vody -Hydratační obal bílkovin, -Volná voda Bílkoviny, ionty Reakce (glykolýza, redukce dusičnanů, atd.) Viskozita: sol-gel -Prostor mezi organelami, inkluzemi, ribozomy a jádrem -Viskózní až gelový charakter -Prostředí pro mnohé metabolické děje: např. glykolysa, translace, tvorba sacharosy, pentosová cesta, počátky redukce nitrátu, tvorba četných sekundárních metabolitů -kompartmentace na metabolické oddíly. Většina prostorových, fyzikálních i biochemických vlastností cytoplazmy je dána existencí cytoskeletu (viskózní charakter, rozvrstvení cytoplazmy v buňkách, pohyb organel, 1

2 Funkce -Udržuje organely na místě, Udržení tvaru buněk -Udržení vnitřní architektury buněk -Pohyb organel a dalších buněčných struktur morfogeneze buněk -Vnitrobuněčný transport - Transport vesikulů -- Pohyby bičíků a brv -- procesy jaderného a buněčného dělení -Připojení ribosomů kompartmentace proteosyntézy. -- Připojení enzymů kompartmentace metabolických procesů -- Účast v přenosu signálů 2

3 Proudění cytoplasmy Přednáška: B130P47 rostlin Zelenková S., Schwarzerová K. Přednáška: B130P34Struktura a funkce rostlinné buňky Žárský, Cvrčková: 3

4 3 složky: 1. Mikrotubuly 2. Mikrofilamenta 3. Intermediární filamenta u rostlin 2složky: 1. Mikrotubuly 2. Mikrofilamenta 4

5 u rostlin 2složky: 1. Mikrotubuly 2. Mikrofilamenta u rostlin 2složky: 1. Mikrotubuly 2. Mikrofilamenta 5

6 1. Mikrotubuly 24nm trubicovité útvary, tubuliny 13 profilament z obou heterodimerů tubulinu Obvykle labilní 10 min Nukleační místo: u pólů jádra Buchanan et al Mikrotubuly 24nm trubicovité útvary, tubuliny 13 profilament z obou heterodimerů tubulinu Obvykle labilní 10 min Nukleační místo: u pólů jádra Buchanan et al

7 1. Mikrotubuly 24nm trubicovité útvary, tubuliny 13 profilament z obou heterodimerů tubulinu Obvykle labilní 10 min Nukleační místo: u pólů jádra Buchanan et al Mikrotubuly Buchanan et al

8 1. Mikrotubuly Dynamika přestavby Buchanan et al Mikrotubuly Schwarzerová 8

9 1. Mikrotubuly Schwarzerová 1. Mikrotubuly Schwarzerová 9

10 MB130P30 Rostlinná cytologie Kutík J., Schwarzerová K., Votrubová O. MB130P30 Rostlinná cytologie Kutík J., Schwarzerová K., Votrubová O. 10

11 1. Mikrotubuly Asociace mezi kortikálními mt a buněčnou stěnou Buchanan et al Cvrčková, Žárský buněčná stěna stěna membrána - mikrotubuly Cvrčková, Žárský 11

12 buněčná stěna Cvrčková, Žárský 1. Mikrotubuly 12

13 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al

14 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Žárský, Cvrčková: 14

15 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al

16 Proudění cytoplazmy Dr. Baláž, Masarykova Univerzita v lístku vodního moru kanadského. Animace, videa: Mikrofilamenta Buchanan et al Mougeotia 16

17 2. Mikrofilamenta Buchanan et al

18 jádro Úloha cytoskeletu v buněčném cyklu jádro Jádro Nucleus, karyon -Karyoplazma chromatin -Heterochromatin: kondenzované části chromozomů -Euchromatin despiralizované ch. Buchanan et al. 18

19 jádro Jádro U některých buněk: Se jádro ztrácí během diferenciace (např. články sítkovic) Mnohojadernost: -Vícejaderné buňky coenocyty -stélky řas, např. Caulerpa, -mléčnice Buchanan et al buněčný cyklus, dělení buněk Buněčný cyklus S fáze: replikace DNA G2 - fáze, během které buňka roste a provádí poslední přípravu před mitózou. Mitoza G1 - fáze (alias postmitotické období), během níž se realizuje genetická informace buňky a syntetizují se bílkoviny a RNA. 19

20 buněčný cyklus, dělení buněk Buněčný cyklus Mitóza: Proces dělení chromozómů v tělních (somatických) buňkách. Profáze: spiralizaci vláken DNA rozpad jaderné membrány Metafáze Chromozómy v ekvatoriální rovině buňky - metafázová destička. Anafáze Chromozómy jsou v oblasti centromer napojeny na vlákna dělícího vřeténka. Telofáze: jaderná membrána buněčný cyklus, dělení buněk Buněčný cyklus Semestrální Přednáška Dr. Cvrčková Příliš velké téma MB130P02 Buněčný cyklus a buněčná morfogeneze Cvrčková F. 20

21 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk Vytváří se v telofázi mitózy (závěrečná fáze mitózy), kdy již proběhlo dělení jádra (karyokineze), a probíhá dělení buňky (cytokineze). V ekvatoriální rovině dělící se buňky vytvářejí přetrvávající mikrotubuly dělicího vřeténka fragmoplast. Podle mikrotubulů fragmoplastu migrují vesikuly (váčky) odškrcující se z diktyosomů Golgiho aparátu buňky. Vesikuly obsahují materiál k výstavbě buněčné stěny. Splýváním drobných vesikulů roste fragmoplast centrifugálním směrem, tj. od středu k obvodu buňky. Postupně se tak diferencuje tenká pektocelulózová střední lamela vytvářející tmel spojující buňky pletiva. Rozrušení střední lamely (macerace) vede k dezintegraci pletiva na samostatné buňky, např. u přezrálého ovoce, při máčení lnu, při klíčení semen. Rostlinná buňka a její součásti: stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk Vytváří se v telofázi mitózy (závěrečná fáze mitózy), kdy již proběhlo dělení jádra (karyokineze), a probíhá dělení buňky (cytokineze). V ekvatoriální rovině dělící se buňky vytvářejí přetrvávající mikrotubuly dělicího vřeténka fragmoplast. Podle mikrotubulů fragmoplastu migrují vesikuly (váčky) odškrcující se z diktyosomů Golgiho aparátu buňky. Vesikuly obsahují materiál k výstavbě buněčné stěny. Splýváním drobných vesikulů roste fragmoplast centrifugálním směrem, tj. od středu k obvodu buňky. Postupně se tak diferencuje tenká pektocelulózová střední lamela vytvářející tmel spojující buňky pletiva. Rozrušení střední lamely (macerace) vede k dezintegraci pletiva na samostatné buňky, např. u přezrálého ovoce, při máčení lnu, při klíčení semen. 21

22 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk Neprotoplazmatická součást Střední lamela Primární buněčná stěna - dostředivě Rostlinná buňka a její součásti: stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk 22

23 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Rostlinná buňka a její součásti: stěna 23

24 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Během dalšího vývoje buňky se vytváří primární buněčná stěna a u některých buněk i sekundární buněčná stěna. stěna roste: apozicí (ukládání nových složek buněčné stěny, především celulózy, na vnitřní povrch stávající stěny) nebo intususcepcí (vkládání nových stavebních složek do mikrofibrilární sítě buněčné stěny). Růst buněčné stěny vyžaduje rozvolnění její strukturální kostry - methylace pektinů inhibuje tvorbu vápníkových můstků propojujících molekuly pektinů, a tím zvyšuje plasticitu buněčné stěny. Růst buněčné stěny je také pod kontrolou fytohormonů, především auxinu (kyselina ß-indolyloctová, IAA). Auxin indukuje procesy snižující ph buněčné stěny. Acidifikace buněčné stěny pravděpodobně zvyšuje její plasticitu a stimuluje její růst. Rostlinná buňka a její součásti: stěna Primární buněčná stěna sestává ze sítě celulózových fibril propojených hemicelulózami. Celulóza je polysacharid tvořený až 14 tisíci lineárně uspořádanými glukózovými jednotkami spojenými glykosidickými vazbami. Je syntetizována tzv. terminálními rozetovými komplexy (enzym celulózasyntáza) lokalizovanými v plazmalemě (cytoplazmatická membrána). Bezprostředním prekurzorem celulózy je uridindifosfoglukóza (UDPG). Makromolekuly celulózy se spojují vodíkovými můstky do pevných svazků celulózních mikrofibril (šířka nm). Mikrofibrily vytvářejí vyšší strukturální jednotky makrofibrily. Makrofibrily mají průměr přibližně 0,5 μm, délku až 4 μm, a jsou již viditelné v optickém mikroskopu. V meristematických (= dělících se) buňkách jsou makrofibrily v primární buněčné stěně orientovány většinou náhodně. Během prodlužovacího růstu se nově syntetizované makrofibrily ukládají vzájemně paralerně, kolmo ke směru prodlužování buňky (v podélném směru nejsou makrofibrily roztažitelné). Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin 24

25 buněčná stěna stěna Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany) Glukoza spojovaná Beta-1,4 vazbou 20% v primární buněčné stěně (suchá hmotnost) 25

26 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Primární buněčná stěna sestává ze sítě celulózových fibril propojených hemicelulózami. Hemicelulózy jsou heterogenní polysacharidy, jejichž chemické složení se může u jednotlivých systematických skupin značně lišit, např. pro buněčné stěny dvouděložných rostlin jsou charakteristické xyloglukany. Hemicelulózy jsou syntetizovány v Golgiho aparátu a do rostoucí buněčné stěny jsou transportovány sekretorickými vesikuly (váčky). Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin 26

27 Box 2 How do hemicelluloses form a network with cellulose microfibrils? From the following article: Growth of the plant cell wall Daniel J. Cosgrove Nature Reviews Molecular Cell Biology 6, (November 2005) doi: /nrm1746 Necelulózní složku primární buněčné stěny tvoří pektiny a bílkoviny. Pektiny jsou heterogenní lineární polymery nejčastěji kyseliny galakturonové, vytvářející vápenato hořečnaté soli polygalakturonany, rhamnogalakturonany. Pektiny jsou syntetizovány v Golgiho aparátu a do buněčné stěny jsou transportovány sekretorickými vesikuly. 27

28 28

29 buněčná stěna stěna - matrix Primární buněčná stěna Hemicelulózy a pektiny: Kyselina galakturonová do řetězců: polygalakturonany Ještě rhamnoza Bílkoviny V ní fibrily celulózy Rostlinná buňka a její součásti: stěna stěna dále obsahuje asi 100 druhů bílkovin, z nichž většina významně ovlivňuje mechanické vlastnosti buněčné stěny např. extenzin (glykoprotein bohatý na aminokyselinu hydroxyprolin), enzymy např. enzymy katalyzující methylaci a demethylaci pektinů aj. Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin 29

30 Rostlinná buňka a její součásti: stěna Obsah jednotlivých složek buněčné stěny se mění během ontogeneze rostliny a je také rozdílný (kvalitativně i kvantitativně) u různých systematických skupin rostlin. Např. buněčné stěny trav mají nižší obsah pektinů než buněčné stěny většiny jednoděložných a dvouděložných rostlin. Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin 30

31 buněčná stěna stěna - biosyntéza Biosyntéza celulózy: Povrch buňky rozetovité útvary - celulózasyntáza 31

32 32

33 33

34 buněčná stěna stěna - plazmodezmy 50 nm, cytoplazmatické spoje, Kontinuum protoplastů symplast Desmotubulus propojený s ER 1 10 tisíc na 1 buňku! Shlukují se v primární políčka Buchanan et al by Manfred Heinlein The Plasmodesmata Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP-CNRS, UPR2357), Strasbourg, France. Plasmodesmata [30] are channels in the plant cell wall ( See Figure above: Green fluorescent punctae and the red arrowheads pointers on the TEM inset ) that in conjunction with associated phloem form an intercellular communication network that supports the cell-to-cell and long-distance trafficking of small molecules as well as of a wide spectrum of endogenous proteins and ribonucleoprotein complexes 34

35 buněčná stěna stěna - plazmodezmy Kamenné buňky u hrušky buněčná stěna stěna plazmodezmy - symplast 35

36 buněčná stěna stěna plazmodezmy - symplast Vstup asimilátů do floému: symplastický SYMPLASTICKÝ - plasmodesmy Transportovanou látkou ve floemu není jen sacharosa 36

37 buněčná stěna stěna plazmodezmy - apoplast Vstup asimilátů do floému (phloem loading): apoplastický x symplastický Mesofyl pochva parenchym průvodní b. články svazku sítkovic APOPLASTICKÝ membránovými přenašeči 37

38 buněčná stěna stěna Sekundární buněčná stěna Sklerenchym, vodivé elementy xylému 40-90% celulózy Při diferenciaci buněk (kdy již buňky nerostou) se na vnitřní stranu primární stěny přikládají lamely (destičky) Votrubová, Pazourek, 1997 buněčná stěna stěna Sekundární buněčná stěna Ukládá se buď rovnoměrně: -Ztenčeniny jednoduché -Políčka plazmodezmů Votrubová, Pazourek, 1997 Foto: David T. Webb 38

39 buněčná stěna stěna Sekundární buněčná stěna Nerovnoměrné ukládání: Vodivé elementy Votrubová, 2001 buněčná stěna stěna modifikace Lignifikace - dřevnatění Některé z fenolických látek tvořících lignin Lignin: amorfní heteropolymer 3 fenolické látky, jejich zastoupení se liší u taxonomických skupin: -Koniferylalkohol - sinapylalkohol - kumarylalkohol nahosemenné Dvouděložné Trávy Votrubová,

40 buněčná stěna stěna modifikace Lignifikace - dřevnatění Juniperus ashii Robinia pseudoacacia Ilex opaca Mauseth buněčná stěna stěna modifikace Kutinizace hydrofobní polymer V buněčné stěně a kutikule Často výrazné u stonku Podélný řez listem Ficus 40

41 buněčná stěna stěna modifikace Kutinizace hydrofobní polymer V buněčné stěně a kutikule Často výrazné u stonku Podélný řez listem Clivia buněčná stěna stěna modifikace Suberinizace hydrofobní polymer Pletivo korkové Endodermis, exodermis Carex gracilis Foto: Lena Lichtenberková 41

42 stěna modifikace Sporopolenin Odolný polymer Pylová zrna Pylové analýzy buněčná stěna Vývoj oboru: Definice anatomie rostlin, historické milníky 19. stol: Robert Brown ( ) pozoroval pylová zrna: Brownův pohyb 42

43 43