Rostlinná buňka. Úvod. Vývoj buněk a jejich stavby

Transkript

1 Rostlinná buňka Úvod Buňka je základní jednotkou všech živých organismů a zároveň nejmenším systémem, který je sám o sobě schopen života a rozmnožování a může představovat samostatný organismus. Pak vykonává všechny funkce nezbytné pro život a rozmnožování. Může ale být, s větší či menší mírou specializace, součástí mnohobuněčného organismu. Přestože jsou buňky základními strukturními jednotkami organismů, není žádný organismus pouhou skupinou více méně nezávislých jednotek. Buňky v organismu spolu různými způsoby komunikují, vzájemně se ovlivňují, jsou různě propojené a jejich funkce a vývoj jsou vzájemně koordinovány. U mnohobuněčných organismů tedy můžeme za základní jednotku života považovat spíše organismus rozdělený do podjednotek buněk. Nové buňky mohou vznikat pouze z buněk stávajících, a to jejich dělením eventuelně splýváním. Přestože se buňky mohou významně lišit velikostí, tvarem i specializací, vyznačují se všechny určitými společnými charakteristikami, z nichž nejdůležitější jsou: 1. obsahují jednu či více molekul, které nesou informaci o jejích strukturách, funkcích a rozmnožování. U recentních organismů je touto molekulou deoxyribonukleová kyselina (DNA). 2. replikují svoji genetickou informaci, přepisují ji do molekul ribonukleové kyseliny (RNA) a jejich prostřednictvím ji překládají při syntéze proteinů 3. využívají proteiny jako katalyzátory biochemických reakcí 4. buňka má vždy na svém povrchu membránu, která tvoří hranici mezi vnitřním a vnějším prostředím a zároveň umožňuje regulovanou výměnu látek mezi těmito dvěma prostředími 5. v buňkách probíhají metabolické děje. Tvorba látek - procesy anabolické neboli asimilační spotřebovávají energii a jsou spojeny buď s procesy katabolickými (disimilačními), které energii uvolňují, nebo s absorpcí světelné energie. 6. buňky jsou drážditelné, jsou schopné přijímat signály, podněty, z prostředí a reagovat na ně 7. vlastností všech buněk je pohyb. Některé buňky se mohou pohybovat z místa na místo, ale u všech, tedy i u těch neschopných takovýchto pohybů, existují pohyby uvnitř buněk (pohyb cytoplasmy, přesuny jednotlivých složek buňky) V současné době existují dva základní typy buněk prokaryotní (z řeckého pro-, před a karyon, jádro) a eukaryotní (z řeckého eu- pravý nebo též dobře a karyon, jádro), mezi nimiž nejsou známy žádné přechodné formy. Prokaryotní typ buněk se vyskytuje u zástupců říše Bacteria, kam řadíme i fotosyntetizující prokaryotní organismy, a říše Archaea. Organismy s prokaryotními buňkami jsou fylogeneticky starší; první nálezy buněk tohoto typu známe z doby před více než 3 miliardami let. Všechny ostatní organismy řadíme mezi Eukarya, tedy organismy s eukaryotním typem buňky. Ta je fylogeneticky mladší a má složitější strukturu s dokonalejší možností regulace dějů, které uvnitř buňky probíhají. Vývoj buněk a jejich stavby Život na Zemi vznikl pravděpodobně ve vodě, v pramořích, asi zhruba před 3,6 miliardami let. Předpokládá se, že v době, kdy vznikal život, neobsahovala zemská atmosféra kyslík, zato obsahovala dusík, vodní páru, malá množství oxidu uhličitého a stopy amoniaku, sulfanu, vodíku, metanu a dalších. Z těchto anorganických sloučenin vznikaly jednoduché organické sloučeniny. Energii pro jejich vznik poskytovala sopečná činnost, elektrické výboje v atmosféře a sluneční záření s výrazným podílem UV složky, které nebylo zachycováno tehdy chybějící ozónovou vrstvou. Možnost vzniku organických sloučenin touto cestou byla prokázána Millerem a Ureym v roce 1953 v laboratorních podmínkách simulujících předpokládanou situaci na Zemi v době před vznikem živých organismů. O dlouhé cestě od jednoduchých organických sloučenin přes složitější makromolekuly až ke vzniku prvních buněk je poměrně málo známo a pro účely dalšího výkladu můžeme tuto etapu vývoje života přeskočit. Přenesme se do doby přibližně před 3,5 miliardami let, ze které jsou známy na Zemi první prokaryotní organismy. Ty byly anaerobní (kyslík v tehdejší atmosféře nebyl) a asi heterotrofní. Mohly se živit abiogenně vzniklými organickými sloučeninami, které se tak postupně vyčerpávaly. Dalším pravděpodobným krokem byl vznik fotosyntézy, díky níž se vyřešila energetická a surovinová krize. V té době však nebyl v zemské atmosféře kyslík a první fotosyntetické organismy byly také anaerobní, podobné zřejmě některým dnešním purpurovým a zeleným sirným bakteriím. Předpokládá se rovněž, že v té době byl v atmosféře vysoký obsah vodních par a prachových částic a světelné záření 1

2 Rostlinná buňka dopadající na povrch Země mělo převahu červené složky, která má z viditelného světla největší vlnovou délku, avšak nejnižší energii fotonů. Jako zdroj elektronů k redukci oxidu uhličitého nemohla být za této situace využita voda, ale sulfan, který uvolňuje elektrony snáze než voda a na tuto reakci stačí červené záření. Sulfan však nebyl příliš hojnou sloučeninou a poté, co se atmosféra začala vyjasňovat a na Zemi dopadal dostatek záření s vyšším obsahem energie, začaly vznikat organismy schopné oxygenní fotosyntézy, tedy fotosyntézy, při níž je jako zdroj elektronů využívána voda a jejímž produktem je kyslík. Byly to organismy typu dnešních sinic. Vznik oxygenní fotosyntézy se odhaduje na dobu před cca 2,5 miliardami let. Kyslík uvolňovaný při fotosyntéze byl však pro striktně anaerobní organismy jedovatý a dá se předpokládat, že toto období bylo kritické pro další vývoj života na Zemi. Překonání této krize pravděpodobně napomohlo, že se kyslík mohl vázat na sloučeniny Fe 2+, kterých byl asi v tehdejších vodách dostatek a tak obsah kyslíku stoupal jen velmi zvolna. Mezitím vznikly organismy, které byly schopny jedovatý kyslík zneškodnit rovněž vazbou na Fe 2+ v organických sloučeninách jako jsou např. dnešní cytochromy aj. Díky schopnosti cytochromů posléze redukovat kyslík za vzniku vody se rozvinul další typ metabolismu, metabolismus aerobní. Vznik organismů s aerobním typem respirace (dýcháním) se odhaduje na dobu asi před 2,2 miliardami let. Díky oxygenní fotosyntéze obsah kyslíku v atmosféře stoupal, až se ustálil na dnešní hodnotě asi 21%. Zřejmě tedy již v éře prokaryotních organismů došlo ke vzniku všech základních dnes známých forem metabolismu, anaerobního i aerobního, heterotrofního i autotrofního. Vnitřní uspořádání prokaryotních buněk je velmi jednoduché. Na jejich povrchu je cytoplasmatická membrána, která je jejich jedinou membránou. Povrchová membrána některých prokaryotních buněk je však schopna vytvářet relativně jednoduché vchlípeniny do nitra buněk, na které mohou být vázány některé buněčné funkce. Membránové vchlípeniny jsou hojné u fotosyntetisujících prokaryotních organismů, zejména pak u sinic. Může docházet i k oddělení těchto vchlípenin od cytoplasmatické membrány a uvnitř těchto buněk jsou pak ploché membránové vaky, na které jsou vázána fotosyntetická barviva a probíhají na nich primární děje fotosyntézy. Tyto membránové vaky jsou, stejně jako u chloroplastů, nazývány thylakoidy. Ve střední části buněk je uložena genetická informace ve formě molekuly DNA. U prokaryotních organismů neexistuje mitosa ani meiosa. Rozmnožují se dělením buněk. Jednoduchá stavba prokaryotních buněk neumožnila vznik složitějších typů organismů se specializovanými buňkami. Prokaryotní organismy jsou většinou jednobuněčné, nejvýše tvoří jednoduchá vlákna či kolonie. V další etapě evoluce došlo ke vzniku eukaryotních buněk a eukaryotních organismů. Eukaryotní buňky jsou tedy podstatně mladší než prokaryotní, jejich vznik spadá přibližně do období asi před 1,5 miliardou let. Pro vznik eukaryotní buňky bylo podstatné, že tyto buňky byly schopné významných invaginací, vchlípenin, povrchové membrány, a diferenciace těchto invaginujících složek. Díky tomu vznikl složitý systém vnitřních membrán dnešních eukaryotních buněk, přičemž byla membránou oddělena DNA a vzniklo jádro. Dá se předpokládat, že předchůdci dnešních Eukaryot, Obr. 2 Pohlcení prokaryotní buňky buňkou eukaryotní Vlevo pohlcená buňka je strávena Vpravo pohlcená buňka zůstává a stává se endosymbiontem 2 Obr. 1: Vznik vnitřních membrán u fotoautotrofní prokaryotní buňky A vchlipování plasmalemy, B oddělení vchlípených membrán někdy označovaní jako Urkaryota, byli anaerobními organismy s jádrem obklopeným membránou, snad i s endoplasmatickým retikulem a cytoskeletem, ale bez mitochondrií a plastidů a zřejmě i bez Golgiho aparátu a peroxisomů; Urkaryota se mohla vyvinout z příslušníků skupiny Archaea. Původní eukaryotní organismus se mohl živit jako predátor, pohlcující ostatní buňky. Podstatným krokem evoluce byla situace, kdy pohlcený organismus nebyl stráven, ale zůstal součástí eukaryotní buňky a stal se postupně její trvalou složkou, jejím endosymbiontem. V první fázi to byly zřejmě bakterie schopné aerobního metabolismu; z nich se posléze vyvinuly mitochondrie. V další fázi došlo pak k tomu, že heterotrofní, nyní již aerobní, eukaryotní buňka pohltila fotoautotrofní organismus typu dnešní sinice; z něho se posléze vyvinul chloroplast, jaký známe dnes u ruduch, zelených řas a suchozemských rostlin. Těmto plastidům říkáme někdy primární plastidy vzniklé primární endosymbiosou. Vyznačují se tím, že na svém povrchu mají, stejně jako mitochondrie, dvě membrány. Skupiny řas s primárními plastidy tak tvoří spolu se suchozemskými rostlinami jednu velkou podskupinu eukaryotních organismů. Některé další skupiny fotoautotrofních eukaryotních organismů (např. hnědé řasy) vznikly poněkud odlišným způsobem, který můžeme označit jako sekundární endosymbiosa, když jejich buňky pohltily nikoliv sinici, ale již existující eukaryotní buňku s primárním plastidem. Takovéto plastidy pak mají vyšší počet membrán na povrchu plastidu (nejčastěji čtyři) a někdy i zbytek původního jádra eukaryotní buňky (tzv. nukleomorf).

3 Podle této tzv. endosymbiotické teorie tedy eukaryotní buňka převzala metabolické výhody vzniklé v průběhu evoluce prokaryotních organismů. Hlavním přínosem eukaryotní buňky byla schopnost dokonalejšího členění vnitřního prostoru buňky membránami, včetně separace genetické informace, DNA, od cytoplasmy. Dalším důležitým krokem byl vznik mitotického a meiotického dělení jádra. To vše umožnilo lepší regulaci buněčných funkcí a lepší možnost specializace buněk. Díky tomu se eukaryotní buňka mohla stát základem vzniku mnohobuněčných organismů, ve kterých se nacházejí různé, často velmi specializované, typy buněk. I když tato představa o vývoji eukaryotní buňky je dnes preferována, existují i alternativní představy. Podle jedné z nich je i buněčné jádro endosymbiotického původu. Podle této představy mohlo dojít v evoluci k pohlcení buňky archebakterie buňkou eubakterie, přičemž byla oblast archebakterie s DNA obklopena membránou eubakterie. Později pak mohlo dojít i ke splynutí genomů obou bakterií. Krom toho je nutné si uvědomit, že teorie o vývoji buněk mohou na základě nových metod zkoumání být i nadále upravovány a nelze je přijímat dogmaticky. Obr. 3 Endosymbiotická teorie o původu mitochondrií a plastidů Nahoře vznik mitochondrií pohlcením aerobní heterotrofní bakterie Dole vznik chloroplastů pohlcením aerobní fotoautotrofní bakterie (sinice) Přehled uspořádání rostlinné buňky Rostlinná buňka je buňka eukaryotní. To znamená, že má všechny základní vlastnosti eukaryotních buněk. Kromě nich se rostlinná buňka vyznačuje některými znaky, které se u jiných typů eukaryotních buněk nevyskytují. Obvykle se uvádí, že typickými znaky rostlinné buňky je přítomnost plastidů, vakuoly a buněčné stěny. I když toto jsou nesporně důležité součásti rostlinných buněk, je přesto toto tvrzení zjednodušující. Existují i jiné buňky než rostlinné, které mají buněčnou stěnu a vakuolu (např. buňky hub), naopak zase mohou být i rostlinné buňky téměř bez vakuol (např. některé buňky dělivých pletiv) a dokonce, i když vzácně, i bez buněčné stěny (některé buňky spojené s rozmnožováním). A vezmeme-li v potaz problém s definicí rostliny, je asi pravdou, že nejen rostliny mají plastidy. Na druhou stranu zase těch znaků, které jsou typické pro rostlinné buňky je více (např. způsob dělení buněk, některé funkce cytoskeletu, mitochondrií, peroxisomů apod.). Jaká je tedy typická rostlinná buňka? Typická rostlinná buňka je něco, co ve skutečnosti neexistuje; je to náš konstrukt vytvořený na základě jakéhosi umělého zprůměrování uspořádání různých rostlinných buněk. Přesto je takový model typické rostlinné buňky užitečný, i když je vždy nutné si uvědomovat, že existují rozmanité buněčné typy, které se liší tvarem, velikostí, vnitřním uspořádáním i funkcí. Obr. 4 Typická rostlinná buňka model vytvořený podle meristematické buňky 1 buněčná stěna, 2 oblast stěny s plasmodesmy, 3 vakuola, 4 proplastid, 5 mitochondrie, 6 ER, 7 jádro buněčné s jadérkem, 8 diktyosom Typická rostlinná buňka je na svém povrchu kryta pevnou buněčnou stěnou, jejíž charakteristickou složkou je celulosa. Buněčná stěna ohraničuje protoplast, útvar tvořený jednak vlastní živou hmotou protoplasmou, a jednak útvary neprotoplasmatickými. U rostlinných buněk mohou neprotoplasmatické části tvořit, zejména díky vakuole, značnou část objemu protoplastu. Buněčná stěna rostlinných buněk není zcela celistvá; je na některých místech přerušována kanálky, jimiž procházejí cytoplasmatické spoje, které zajišťují propojení sousedních protoplastů, tzv. plasmodesmy. Povrch protoplastu tvoří membrána zvaná plasmalema či cytoplasmatická membrána. Významnou součástí protoplastu je buněčné jádro (karyon, nukleus), na povrchu ohraničené jaderným obalem neboli blánou jadernou a uvnitř obsahující většinu genetické informace buňky. Vnitřní obsah jádra je také nazýván karyoplasma či 3

4 Rostlinná buňka Obr. 5 Typická rostlinná buňka model vytvořený podle dospělé buňky 1 oblast stěny s plasmodesmy, 2 buněčná stěna, 3 mezibuněčná prostora, 4 chloroplast, 5 mitochondrie, 6 hladké ER, 7 diktyosom, 8 - buněčné jádro s jadérkem, 9 drsné ER s ribosomy, 10 vakuola nukleoplasma. Další nápadné útvary protoplastu jsou plastidy a mitochondrie, organely endosymbiotického původu, které jsou také na svém povrchu ohraničeny membránami. Jejich protoplasmatický vnitřní prostor je označován jako plastidoplasma a chondrioplasma (též mitoplasma). Jádro, plastidy a mitochondrie jsou buněčné organely. Termín organely (z latinského organellum, ústrojek) je v současné biologii buňky používán značně nejednotně pro nejrůznější součásti buňky. V tomto textu bude používán v původním významu, tj. pro ty součásti buňky, které vznikají jen ze stávajících organel stejného druhu. Jádro, plastidy a mitochondrie jsou obklopeny cytoplasmou (z řeckého plasma, útvar, stvoření a kytos, buňka). Ta je prostoupena četnými membránovými útvary jako je endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát aj. U rostlinných buněk je ještě ohraničena vůči vakuole/vakuolám membránou zvanou tonoplast. Význam termínu cytoplasma prodělal od okamžiku svého zavedení Köllikerem v roce 1862 četné změny a patří také k termínům, které nejsou používány jednotně. Jeho původní význam byl veškerá živá hmota buňky obklopující buněčné jádro. S objevem plastidů a mitochondrií se tento termín začal používat spíše pro živou hmotu buněk obklopující jádro a tyto organely (tak bude tento termín používán i v tomto textu). S objevem dalších útvarů v buňkách (endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát a další) začali někteří autoři používat tento termín pro hmotu buněk mimo všechny tyto membránové buněčné útvary. Jako synonymum pro tuto část buněk se používá i termín základní cytoplasma nebo též termín cytosol původně používaný v biochemii. Základní cytoplasma je prostoupena trojrozměrnou sítí vláknitých útvarů označovaných společným termínem cytoskelet a obsahuje ribosomy. Vedle protoplasmatických útvarů se v buňce vyskytují i mnohé neprotoplasmatické útvary. Kromě již zmíněné stěny buněčné a vnitřního obsahu vakuoly jsou to různé zásobní látky (škrob, olejové krůpěje) nebo krystaly (ponejvíce šťavelanu vápenatého) a jak uvidíme dále i vnitřní prostory uvnitř četných membránových útvarů. Buněčné membrány a kompartmentace buňky Buněčné membrány Membrány jsou nezbytnou složkou všech buněk. Bez výjimky všechny buňky mají membránu na povrchu protoplastu, tzv. plasmalemu neboli cytoplasmatickou membránu. Tato membrána tvoří hranici mezi vnitřním a vnějším prostorem protoplastu. U rostlinné buňky je lokalizována pod buněčnou stěnou a je k ní obvykle přitištěna tlakem vakuoly. U eukaryotních buněk je kromě této membrány ještě složitý systém membrán uvnitř buňky, kde tvoří obal jádra, plastidů, mitochondrií, dále systém endoplasmatického retikula, Golgiho aparátu, vakuol, peroxisomů a drobných váčků (vesikulů) různého druhu. Buněčné membrány jsou lipoproteinové komplexy, jejichž tloušťka se pohybuje mezi 6 11 nm. Jsou tedy (pokud nejsou specificky obarvené) pozorovatelné pouze v elektronovém mikroskopu, kde se při dostatečném zvětšení jeví jako trojvrstevné mezi dvěma tmavými vrstvami je vrstva světlá. Protože takovouto strukturu mají v EM všechny buněčné membrány, hovoří se o tzv. jednotkové membráně (z anglického unit membrane). To však neznamená, že všechny membrány v buňce jsou stejné; mají pouze stejný stavební princip, ale mohou se lišit v řadě svých charakteristik. Odlišná může být jejich tloušťka, poměr proteinů a lipidů, zastoupení různých lipidů a proteinů, permeabilita, neboli propustnost pro různé typy látek atd. Některé membrány jsou velmi bohaté na proteiny např. vnitřní membrána mitochondrií nebo membrány thylakoidů mohou být tvořeny proteiny až ze 70%. Naproti tomu jiné membrány jsou na proteiny velmi chudé. U rostlin to jsou např. membránové útvary uvnitř chromoplastů, kde může podíl proteinů být pouhých 19%. Stavbu membrán popisuje tzv. model tekuté mozaiky. Podle něho je základem membrány, tzv. matrix, lipidová dvojvrstva (též dvojná vrstva). Membránové lipidy, které Obr. 6 Členění rostlinné buňky A rostlinná buňka, 1,2,3 neprotoplasmatické části (buněčná stěna, obsah vakuoly a krystal) B rostlinná buňka bez neprotoplasmatických částí, 1,2,3 organely (jádro buněčné, mitochondrie, plastid) C rostlinná buňka bez organel, 1,2,3,4,5,6 složky endomembránového systému (jaderný obal, tonoplast, diktyosom, váček, hladké ER, drsné ER), na povrchu je plasmalema D základní cytoplasma buňky 4

5 ji tvoří, jsou heterogenní skupinou látek, jejichž společnou vlastností je amfifilní charakter; to znamená, že jejich molekuly mají hydrofilní a hydrofobní konec. V membráně jsou orientovány hydrofobními konci směrem ke středu membrány, kde spolu tyto hydrofobní konce sousedí. Jejich hydrofilní konce směřují na obě strany membrány, kde jsou v kontaktu s vodným prostředím. Membránové lipidy jsou nejčastěji odvozeny od glycerolu, na jehož dvě OH- skupiny jsou vázány mastné kyseliny s delšími řetězci (obvykle mezi 14 až 24 uhlíky), které představují jejich hydrofobní část. Mohou být nasycené nebo nenasycené, s jednou až Obr. 8 Hlavní typy lipidů buněčných membrán A glykolipid, 1 nasycená mastná kyselina, 2 nenasycená mastná kyselina, 3 glycerol, 4 -cukr (např. galaktosa, glukosa) B fosfolipid, 1 nasycená mastná kyselina, 2 nenasycená mastná kyselina, 3 glycerol, 4 kyselina fosforečná, 5 různé hydrofilní molekuly (cholin, etanolamin, inositol aj.) C rostlinný sterol (kamposterol), 7 OH skupina Obr. 7 Stavba membrány 1 lipidová dvojvrstva, 2 periferní protein, 3 zakotvený protein, 4 integrální protein čtyřmi dvojnými vazbami. Nejčastější kyseliny jsou palmitová (16,0), stearová (18,0), olejová (18,1), linolová (18,2), linolenová (18,3) a arachidonová (20,4) první číslo v závorce vždy uvádí počet uhlíků, druhé počet dvojných vazeb. Na třetí OH skupinu glycerolu jsou vázány hydrofilní části. U nejběžnější skupiny membránových lipidů, fosfolipidů, je to kyselina fosforečná s dalšími substituenty (cholin, etanolamin, serin, inositol). Dalším typem jsou glykolipidy, které mají hydrofilní část tvořenou cukry (často galaktosou). Významnou složkou membrán jsou i steroly. Cholesterol, který je častý u živočichů, je u rostlin málo běžný; běžné rostlinné steroly (fytosteroly) jsou např. kamposterol, sitosterol aj. Složení polovin lipidové dvojvrstvy není identické. Dvojvrstva je asymetrická díky tomu, že zastoupení lipidů je v jednotlivých polovinách dvojvrstvy odlišné, často velmi značně. Tato odlišnost stavby dvou polovin vzniká již při tvorbě membrány. Důležitou vlastností membrán je, že nemají nikdy volné kraje díky svým hydrofobním částem; tvoří vždy uzavřené struktury, i když často velmi komplikovaných tvarů (viz např. systém thylakoidů v chloroplastu). Vždy se spontánně uzavírají a mají tendenci zacelovat poškozené místo, pokud není poškození příliš rozsáhlé. Lipidy nezaujímají v membránách neměnnou polohu mohou se pohybovat laterálně v rámci jedné poloviny membrány a vyměňovat si vzájemně svá místa. Někdy se o membráně říká, že se chová jako dvojrozměrná kapalina. Difuse lipidů membránou je poměrně rychlá. Odhaduje se, že během sekundy může lipid v membráně urazit vzdálenost 2 mm, což je délka běžné bakteriální buňky. Další důležitou vlastností membrány je její flexibilita, ohebnost, která umožňuje vytváření komplikovaných membránových útvarů (mitochondriální kristy, thylakoidy aj.) a vychází s termodynamicky stabilní konformace tekuté mozaiky. Tekutost (fluidita) membrány při určité teplotě závisí na složení lipidové dvojvrstvy. Důležitým faktorem je především zastoupení mastných kyselin, a to délka jejich řetězce a poměr mezi nasycenými a nenasycenými kyselinami. Vyšší obsah nenasycených mastných kyselin zvyšuje fluiditu membrány. Dvojné vazby způsobují nerovnost řetězce mastné kyseliny a lipidy se v membráně ukládají méně pravidelně; membrána je díky tomu tekutější. Také kratší řetězce mastných kyselin zvyšují fluiditu membrány. Tekutost membrány je ovlivňována také přítomností sterolů. U rostlin, které nemají stálou tělesnou teplotu, se stavba membrán mění se změnami teploty (např. během adaptace na chlad), čímž je zachována tekutost membrány a umožněn průběh reakcí vázaných na membrány, které jsou jejich tekutostí ovlivněny. S lipidovou matrix membrány jsou mozaikovitě spojeny různé typy proteinů. Zatímco membránové lipidy plní funkci bariéry volnému pohybu většiny látek, membránové proteiny jsou zodpovědné za všechny ostatní funkce membrány. Mohou fungovat jako přenašeče látek přes membránu, jako enzymy, nebo jako receptory různých signálů (např. fytohormonů). Důležitou funkcí membránových proteinů je také spojování membrány se strukturami na jedné či druhé straně membrány (např. s cytoskeletem, buněčnou stěnou). Membránové proteiny můžeme rozdělit do tří základních skupin, na periferní proteiny, integrální proteiny a zakotvené proteiny. Integrální proteiny procházejí skrze celou lipidovou dvojvrstvu a jsou svými konci ve styku s prostředími na obou stranách membrány. Periferní proteiny jsou jen volně spojeny s jedním nebo s druhým povrchem membrány nekovalentními vazbami. Zakotvené proteiny jsou spojeny s povrchem a zároveň zakotveny mezi lipidy membrány např. mastnými kyselinami. Na membránové proteiny mohou být někdy navázány sacharidy. Proteiny se v membráně mohou také laterálně pohybovat; mnohdy je však jejich pohyblivost 5

6 Rostlinná buňka různými způsoby omezena a určité proteiny se nacházejí pouze v určitých místech membrány. Může se jednat např. o transportní proteiny při směrovaném transportu nebo o skupiny proteinů, které se účastní společně určité funkce (např. elektrontransportní řetězec a ATP syntáza ve vnitřní membráně mitochondrií nebo v thylakoidní membráně chloroplastů). Díky své lipidové matrix nejsou membrány propustné pro větší molekuly a pro ionty a tvoří hydrofobní bariéru difusi; současně však musí umožňovat a regulovat obousměrné toky látek. Volně (prostou difusí) procházejí přes membrány pouze menší nepolární molekuly (např. kyslík, dusík, oxid uhličitý) nebo hodně malé polární molekuly (voda, močovina, etanol). Ostatní molekuly a všechny ionty mohou přecházet přes membránu pouze pomocí transportérů různých typů, což jsou proteiny, obvykle procházející celou membránou. Vzhledem k tomu, že různé typy membrán obsahují různé typy transportérů, jsou membrány selektivně permeabilní a prostředí na obou stranách membrány mohou být značně odlišná. Transport přes membránu může probíhat pasivně, tj. do vyrovnání gradientu koncentračního (pro nenabité molekuly) nebo elektrochemického (pro ionty), nebo aktivně, proti tomuto gradientu. V druhém případě probíhá transport za spotřeby energie. Hlavní typy transportérů jsou: přenašeče umožňující pasivní transport se značnou mírou specificity, avšak poměrně pomalý. Při přenosu mění přenašeče svoji konformaci a přenos má charakteristiky odpovídající enzymové kinetice. kanály složité komplexy transmembránových proteinů, mezi nimiž jsou hydrofilní kanály schopné se otevírat a uzavírat podle situace. Transport kanály je pasivní a velmi rychlý. Nejčastěji se transportují ionty (např. draselné, vápenaté, chloridové a další), ale existují i specifické kanály např. pro transport vody (tzv. akvaporiny). pumpy transportují látky aktivně. Jsou to ATPázy, které získávají energii pro transport štěpením ATP. U rostlinných buněk jsou nejčastější H + ATPázy, které transportují protony. Transport protonů vytváří protonový gradient na membránách, který slouží jako hnací síla pro transport dalších látek pomocí určitých typů přenašečů (tzv. sekundární aktivní transport). Dále jsou u rostlin běžné Ca 2+ ATPázy. Transport pomocí pump je specifický, ale pomalý. membránové váčky (vesikuly) rovněž mohou přenášet látky přes membrány tak, že splynou s cílovou membránou a svůj obsah uvolní na druhou stranu membrány. 6 Kompartmentace buňky Kompartmentace je členění buňky na různé reakční prostory, kompartmenty neboli oddíly. Díky kompartmentaci mohou být od sebe odděleny různé metabolické procesy a různé metabolity. Tím je umožněno i uspořádání, nasměrování a regulace metabolických procesů. Kompartmentace umožňuje, aby v jedné buňce, v jednom okamžiku probíhalo množství reakcí, které vyžadují určité, často velmi odlišné podmínky. Čím je kompartmentace dokonalejší, tím efektivněji mohou metabolické děje probíhat a tím dokonalejší může být jejich regulace. Kompartmentace také umožňuje skladovat některé látky (třeba zásobní) v buňce odděleně od enzymů, které by je mohly rozkládat, nebo skladovat látky jedovaté (např. ve vakuole). Obr. 9 Endomembránový sytém rostlinné buňky 1 jaderný obal, 2 jaderný pór, 3 drsné ER s ribosomy, 4 hladké ER, 5 váček putující od ER k diktyosomu, 6 diktyosom, blíže ER je cis strana, 7 váček putující od diktyosomu k plasmalemě, 8 váček splývající s plasmalemou, 9 tonoplast, 10 vznikající proteinové tělísko, 11 oleosom, 12 buněčná stěna, 13 mezibuněčná prostora, 14 desmotubulus v plasmodesmu Na kompartmentaci se zásadním způsobem podílejí selektivně permeabilní membrány, které ohraničují různé části buňky s různými metabolickými funkcemi. V eukaryotní buňce existují dva systémy membrán. V prvé řadě je to vlastní systém membrán eukaryotní buňky, který je označován jako endomembránový systém (též systém vnitřních membrán). Všechny složky tohoto systému mají společný původ; vznikly v evoluci z plasmalemy postupným rozlišením jejích invaginujících složek. V recentní eukaryotní buňce k tomuto systému patří endoplasmatické retikulum (dále ER), Golgiho aparát (dále GA), různé váčky (vesikuly), které putují mezi jednotlivými složkami systému, jaderný obal a tonoplast. Vzhledem k fylogenetickému původu a vzájemným interakcím lze k tomuto systému počítat i plasmalemu, i když o ní nelze, striktně vzato, hovořit jako o endomembráně. Mezi těmito membránovými útvary existují velmi těsné vztahy. Mohou být vzájemně

7 propojeny, přeměňovat se jeden v druhý apod. Konkrétní příklady budou uvedeny dále. Od endomembránového systému se výrazně odlišují vnitřní membrány mitochondrií a plastidů, které jsou odvozeny od původních membrán endosymbionta. Nejednotné názory jsou na jejich vnější membránu. Ta by mohla též patřit k endomembránovému systému a vzniknout v evoluci z membrány eukaryotní buňky, která obalila endosymbionta; nicméně novější názory se přiklánějí spíše k tomu, že i vnější membrána je odvozena od původní membrány endosymbionta. Membrány člení buňku tak, že oddělují oblasti protoplasmatické od oblastí neprotoplasmatických. Membrána má tedy tzv. P (protoplasmatickou) stranu a E (extraprotoplasmatickou) stranu. Morfologická jednotka buňky oddělená membránou nemusí být totožná s metabolickým kompartmentem. Např. ER, ač je v buňce propojené, může mít na různých místech buňky různý charakter a vykonávat různé funkce (viz dále). Rovněž velké organely (např. mitochondrie, plastidy) obsahují více kompartmentů. I když jsou membrány pro kompartmentaci zásadní, mohou se na ní podílet i nemembránové složky buňky. Např. cytoskelet může v buňce vytvářet mikrodomény, kde se mohou vázat ribosomy nebo určité enzymy apod. Membrány v buňkách nevznikají de novo. Dceřiné buňky dědí od buňky mateřské kompletní sadu membrán. Nové membrány v buňce vznikají vždy pouze růstem a oddělováním stávajících membrán. Místa syntézy jak membránových lipidů, tak proteinů jsou na existujících membránách buňky. Kompartmentace buňky není statická; mění se v průběhu ontogenese buňky spolu s její specializací a je významně ovlivňována signály z prostředí buňky. Jednotlivé kompartmenty spolu komunikují; např. metabolity mohou být transportovány mezi kompartmenty podle potřeb buňky apod. Některé látky se ale v buňce mohou vyskytovat pouze v některých kompartmentech, a to buď proto, že jsou zde pevně vázány (např. fotosyntetická barviva v membránách chloroplastů) nebo proto, že membrána obklopující kompartment je pro danou látku nepropustná (např. anthokyany v buněčné šťávě vakuoly). Plasmalema Plasmalema (z řeckého plasma stvoření, útvar a lemma slupka) neboli cytoplasmatická membrána je povrchovou membránou buňky. Tvoří hranici protoplastu a je důležitá pro udržení odlišného vnějšího a vnitřního prostředí buňky. Řídí transport látek do protoplastu a z protoplastu. Je propojena se složkami buněčné stěny a účastní se její syntézy. Směrem do nitra buňky může být propojena např. s cytoskeletetem nebo s endoplasmatickým retikulem a tak fyzicky propojovat stěnu buněčnou a nitro buněk. Plasmalema lemuje i kanálky plasmodesmů, takže je kontinuální mezi jednotlivými buňkami. Vzhledem k tomu, že naprostá většina živých buněk rostliny je takto propojena, obklopuje plasmalema celý takovýto prostor, který označujeme jako symplast. V živočišných buňkách je situace poněkud odlišná; každá buňka má svou hranici a komunikace je možná pouze proteinovými komplexy známými jako mezerové spoje (gap junctions). Díky tomu, že rostlinná buňka je normálně turgescentní, je plasmalema obvykle těsně přitištěna ke stěně. Endoplasmatické retikulum (ER) Obr. 10 Endoplasmatické retikulum v rostlinné buňce 1 buněčná stěna, 2 plasmodesmus s desmotubulem, 3 cisterny ER, 4 tubuly ER, 5 jaderný obal, 6 jaderné póry Endoplasmatické (z řeckého endon, uvnitř a plasma stvoření, útvar) retikulum (z latinského reticulum, síť) je spojitý trojrozměrný membránový systém, který prostupuje celou buňku. Některé části ER mají tvar plochých vaků, cisteren, jiné části mají tvar trubicovitý, tubulární. Cisterny i tubuly jsou propojené v celé buňce a obklopují vnitřní neprotoplasmatickou část neboli lumen ER. Část ER je lokalizována pod plasmalemou (tzv. kortikální ER), část prostupuje celou buňkou a přechází v membrány jaderného obalu, který můžeme považovat za jednu z domén ER. Trubicovité výběžky ER rovněž procházejí skrze plasmodesmy a díky tomu je ER propojené v celém symplastu. Struktura ER je velmi proměnlivá; cisterny a tubuly se mohou neustále vzájemně přeměňovat. K větším změnám dochází zejména během buněčného cyklu a v průběhu specializace buněk k určitým funkcím; změny však probíhají i v odpověď na různé signály z vnějšího i vnitřního prostředí. Fotografie označených membrán ER v konkrétní oblasti buňky, snímané v časových intervalech ukazují, že ke změnám tvaru dochází v řádu minut. Přitom kortikální ER je méně proměnlivé; je to 7

8 Rostlinná buňka Obr. 11 Pohled shora na membrány ER Obrázky A a B kreslené podle mikrofotografií stejné oblasti ER snímané v intervalu 5 minut dáno jednak tím, že vstupuje do plasmodesmů a dále pak může být na některých místech propojené s plasmalemou. V buňkách lze rozlišit drsné ER (r-er, z anglického rough) a hladké ER (s-er, z anglického smooth). Drsné ER má na straně přivrácené k cytoplasmě připojené ribosomy, které se účastní syntézy určitých typů proteinů; je tvořeno převážně cisternami. Hladké ER je bez ribosomů a je tvořeno převážně tubuly. Stavba ER je však složitější; vzhledem k množství jeho funkcí je i mnoho různých oblastí ER, které jsou těmto funkcím přizpůsobeny. Množství membrán ER a poměr jeho jednotlivých oblastí, zejména poměr r-er a s-er, závisí na specializaci konkrétní buňky. Jaké jsou hlavní funkce ER? 1. ER je v recentní buňce místem, kde vznikají membrány endomembránového systému. Na ribosomech drsného ER jsou syntetizovány membránové proteiny, zatímco membránové lipidy se syntetizují na membránách hladkého ER. Od určitých oblastí ER jsou pak odškrcovány váčky, které dopravují syntetizované složky membrán (proteiny i lipidy) na různá místa v buňce. Transport váčků od ER je tzv. anterográdní transport (transport směrem dopředu) a směruje váčky od ER na místo určení, obvykle do Golgiho aparátu, odkud může transport pokračovat dále k plasmalemě, nebo k vakuole. Anterográdní transport je spojen s retrográdním transportem (směrem zpět); ten zajišťuje recyklaci membrán. Syntéza membránových proteinů začíná na volných cytoplasmatických ribosomech; vznikající protein je však označen určitou sekvencí aminokyselin, tzv. signální sekvencí. Ta je rozpoznána tzv. částicí rozpoznávající signál (SRP, z anglického signal recognition particle) a po navázání na tuto částici dojde k připojení k membráně ER v místě, kde se nachází receptor této částice. Vzniklý protein zůstává součástí membrány ER. V oblasti s-er jsou syntetizovány všechny typy membránových lipidů (fosfolipidy, glykolipidy, steroly), přičemž mastné kyseliny pro jejich syntézu jsou u rostlinných buněk syntetizovány v plastidech. Lipidy jsou vytvářeny pouze na vnější, protoplasmatické polovině membrány ER a ty, které jsou určeny pro vnitřní polovinu membrány se do ní překlápějí (tzv. překlápění neboli flip-flop lipidů). Toto překlápění však neprobíhá spontánně, ale je zajišťováno specifickými enzymy známými pod společným názvem flipázy. 2. Na ribosomech připojených k ER se také syntetizují proteiny směrované ven z buňky. Jsou to např. proteiny buněčné stěny nebo enzymy vylučované ven z buňky (exoenzymy) aj. Jejich syntéza opět začíná, stejně jako u membránových proteinů, na volných cytoplasmatických ribosomech a je posléze pomocí obdobného procesu jako v případě membránových proteinů směrována na povrch ER. Vznikající proteiny však nezůstávají součástí membrán, ale jsou transportovány do lumen ER. Vzniklé proteiny jsou dále přenášeny ve váčcích anterográdním transportem. 3. V ER vznikají zásobní tuky (triacylglyceroly). Tato funkce ER je nejlépe prostudována v zásobních pletivech semen a plodů. Zásobní tuky vznikají na určitých oblastech ER tak, že nově syntetizované tuky jsou ukládány mezi dvojvrstvu membrány. Od ní je pak odškrcen váček zvaný oleosom (z latinského oleum, olej) se zásobními tuky, který však není ohraničen celou membránou, ale pouze její polovinou. Oleosomy se někdy nazývají též lipidová tělíska nebo sferosomy. Místa, kde zásobní tuky vznikají, jsou označena specifickými proteiny, oleosiny; ty zřejmě udržují oleosomy jako oddělená tělíska a možná se účastní i procesů odbourávání lipidů např. při klíčení. 4. V ER vznikají zásobní proteiny. Tato funkce je nejlépe poznána u obilek kulturních rostlin nebo u semen luštěnin. Zásobní proteiny typu vodorozpustných globulinů jsou transportovány přes Golgiho aparát do vakuol. Proteiny typu prolaminů se dostávají do lumen ER, odkud jsou oddělovány drobné váčky, které se přeměňují přímo na tělíska zásobních proteinů. 5. ER se účastní tvorby lipofilních složek suberinu, kutinu a vosků, dále pak na tvorbě isoprenoidů a flavonoidů 6. Kortikální ER může kotvit cytoskeletální vlákna, díky nimž je poháněn pohyb cytoplasmy 7. ER je jednou ze zásobáren Ca 2+, který je v buňkách součástí drah přenášejících nejrůznější signály. Golgiho aparát (GA) Golgiho aparát (podle svého objevitele, italského vědce Golgiho) je soubor Golgiho tělísek - diktyosomů (z řeckého diktyon, síť a soma, tělísko) v jedné buňce. Každé Golgiho tělísko je sloupec nejčastěji 4 až 8 plochých membránových vaků cisteren. Jednotlivé cisterny spolu nejsou vzájemně propojeny; jejich membrány jsou hladké, bez připojených ribosomů. Okraje cisteren jsou často nadmuté a proděravělé; od těchto okrajů se oddělují váčky. V jedné buňce jsou obvykle desítky až stovky diktyosomů. Jejich počet, ale i vzhled se může u různých typů buněk lišit, což odráží funkční specializaci buněk. Celý komplex diktyosomu je stavěn polárně. Na jednom konci, tzv. cis straně, cisterny vznikají, a to splýváním váčků oddělovaných od ER. Druhý konec, tzv. trans strana sousedí s útvarem tvořeným propojenými tubuly, které tvoří síť (tzv. trans Golgi síť neboli TGN z anglického trans Golgi network); na konci tubulů se oddělují různé typy váčků, které jsou transportovány na místa určení v buňce. GA tak zaujímá střední pozici v anterográdním transportu; přijímá od ER jak membránové proteiny a lipidy, které jsou 8

9 transportovány coby membrána váčků, tak i proteiny transportované uvnitř váčků. Ty jsou v diktyosomu předávány mezi cisternami, od cis k trans straně, a při tom jsou různě upravovány, především glykosylovány, tj. je k nim připojována cukerná část. U rostlin je GA dále významný pro tvorbu necelulosních polysacharidů buněčné stěny (např. hemicelulos či pektinů), které jsou syntetizovány postupně při průchodu cisternami od cis k trans straně a v TGN oddělovány uvnitř váčků. Charakter jednotlivých cisteren je díky tomu různý v rámci jednoho diktyosomu obsahují např. různé enzymy. Transport mezi jednotlivými cisternami může být zajišťován rovněž váčky. Jinou uvažovanou možností je, že celé cisterny procházejí diktyosomem od cis k trans straně, přičemž je jejich obsah postupně upravován. Vzhledem k tomu, že v cisternách je obsaženo množství různých enzymů, které se podílejí na funkcích GA a že evidentně každá cisterna obsahuje jiný soubor enzymů, muselo by v případě průchodu celých cisteren diktyosomem docházet k zpětnému přenosu těchto enzymů retrográdním transportem váčků, tj. od cisteren trans strany k cisternám cis strany. Kolem jednotlivých diktyosomů je jemná vláknitá struktura, která vylučuje přítomnost např. ribosomů a asi řady dalších proteinů z těsné blízkosti diktyosomu. Celý komplex cisteren v diktyosomu je držen pohromadě vláknitými útvary mezi jednotlivými cisternami, takže je možné získat z buněk diktyosom jako celek. Na rozdíl od živočišných buněk, kde jsou diktyosomy obvykle nahloučeny v blízkosti jádra, jsou u rostlin v celé cytoplasmě, někdy tvoří drobné shluky. Diktyosomy se v buňce mohou Obr.12 Diktyosom A průřez, nahoře cis strana, dole TGN B pohled shora na TGN pohybovat; jejich pohyb je zajišťován aktinovým cytoskeletem. Počet diktyosomů se zvyšuje i jejich dělením, kdy se podélně rozdělí celý komplex diktyosomu. Nejčastěji se tak děje v dělících se v buňkách v G 2 fázi buněčného cyklu. Váčky (vesikuly) Váčky jsou drobné, membránou obalené útvary, které slouží transportu mezi jednotlivými kompartmenty endomembránového systému. Pro buňku je významný proces transportu váčků k plasmalemě a splývání s ní, tzv. exocytosa. Exocytosou jsou k povrchu buňky od TGN dopravovány proteiny a polysacharidy určené k transportu z protoplastu. Po splynutí s plasmalemou se jejich obsah uvolňuje ven. V rostoucích buňkách se membrána váčků přidává k plasmalemě a zvětšuje tak její plochu spolu s tím, jak buňka roste, zatímco vnitřní obsah váčků dodává mimo jiné část stavebního materiálu pro rostoucí buněčnou stěnu. Rovněž nově se tvořící plasmalema při dělení buňky vzniká z membrány váčků. Opačným procesem je endocytosa, proces, při kterém jsou váčky oddělovány od plasmalemy do nitra buňky. Při endocytose jsou odebírány přebytky membrán, což je důležité u nerostoucích buněk, ale i nefunkční části membrán; podílí se také na recyklaci některých membránových složek. Není dosud jasné, zda a do jaké míry se podílí na příjmu živin, jako je to běžné u živočichů. U rostlinných buněk je endocytosa energeticky náročnější než u živočichů; vzhledem k existenci turgoru musí invaginace membrány překonávat hydrostatický tlak vakuoly. Pohyb váčků po buňce je zajišťován cytoskeletem. Většina váčků oddělovaných od GA i od ER má na vnějším povrchu své membrány nějaký proteinový obal. Tyto obaly mohou mít různé funkce; mohou se podílet na tvorbě a oddělování váčků, především však slouží jako adresa navádějící váčky na určitá místa v buňce. Váčky putující od ER do GA a uvnitř GA a TGN jsou tzv. COP váčky (z anglického coat protein, tedy obalový, plášťový protein). Jiný typ jsou klatrinem obalené váčky, které se tvoří na TGN a slouží transportu enzymů do vakuol nebo transportu zásobních proteinů do vakuol. Klatrin obaluje i váčky vznikající endocytosou. Vakuola Vakuola (z latinského vacuus, prázdný) je běžnou součástí většiny dospělých buněk vyšších rostlin, u kterých může zaujímat od 30 do 90 % jejich objemu (výjimečně i více). Je to dutina uvnitř protoplastu ohraničená na svém povrchu membránou zvanou tonoplast (z řeckého tonos, napětí, tlak). Tonoplast je součástí endomembránového systému buňky a odděluje vnitřní prostor vakuoly od cytoplasmy; zároveň reguluje transport látek mezi cytoplasmou a vnitřkem vakuoly. Vnitřek vakuoly je vyplněn neprotoplasmatickou fází buněčnou šťávou. Hodnota jejího ph je většinou mírně kyselá - pohybuje se nejčastěji okolo 5,5. U některých vakuol však může být i výrazně nižší. Buněčná šťáva dodává kyselou chuť mnohým plodům např. její ph v buňkách plodů citronů (Citrus limonia) je kolem 2,5 a v plodech limetek (Citrus aurantifolia) dokonce až 1,7. Rovněž ve vakuolách listů některých rostlin může být velmi nízké ph, např. u šťavelů (rod Oxalis) se ph může pohybovat od asi 2,5 až po 1,3. Vakuolární ph může podléhat i velkým výkyvům. U rostlin s CAM typem fotosyntézy (specifickým pro mnohé sukulenty) je v ranních hodinách velmi nízké (např. 1,4 v 6,45 hod.) a výrazně se zvyšuje během dne (až na 5,5 v 16,00); obě hodnoty byly naměřeny u Opuntia phalacantha) Buněčná šťáva je vodný roztok mnoha látek. Složení buněčné šťávy je velmi rozmanité a závisí na typu buňky, taxonomické příslušnosti rostliny, na stáří buňky a na jejím aktuálním fysiologickém stavu Některé ze složek buněčné šťávy jsou přítomny běžně ve všech vakuolách, jiné se vyskytují jenom v určitých typech vakuol. Někdy se mohou ve 9

10 Rostlinná buňka Obr. 13 Různá uspořádání vakuoly a transvakuolárních provazců A buňka z trichomu na nitce prašníku u Tradescantia, B buňka z bobule pámelníku bílého (Symphoricarpos albus), C buňka ze spodní části trichomu tykve obecné (Cucurbita pepo), D buňka z malvice hlohu obecného (Crataegus oxyacantha), E,F buňky z bobule ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare), vlevo střed buňky s centrální vakuolou, vpravo okraj buňky s nástěnnou cytoplasmou 1 jádro 2 chromoplast, 3 chloroplast 10 vakuolách vyskytovat i látky v pevném stavu (např. krystaly šťavelanu vápenatého). Rozmanité složení vakuolárního obsahu odráží i rozmanitost funkcí vakuol. Celková koncentrace buněčné šťávy se pohybuje obvykle mezi 0,2 0,6 M. To odpovídá osmotickému potenciálu mezi -0,5 až - 1,5 MPa. Některé ze složek buněčné šťávy mohou být transportovány v obou směrech, a to podle aktuálních potřeb buňky. Jiné jsou transportovány pouze jednosměrně, a to pouze do vakuoly. Transport některých látek vykazuje sezónní změny např. ukládání rozpustných rezervních cukrů v zásobních orgánech (oddencích, hlízách, bulvách) na konci vegetační sezóny a jejich odběr z vakuoly při jarním rašení. Buňky apikálních meristémů, ze kterých vzniká celé rostlinné tělo, neobsahují výrazné vakuoly. Obsahují pouze drobné útvary zvané provakuoly. Dospělé buňky obsahují obvykle jednu velkou vakuolu. Ta může zaujímat střed buňky, zatímco cytoplasma tvoří tenkou vrstvu pod buněčnou stěnou. V této tzv. nástěnné cytoplasmě jsou lokalizovány všechny organely a endomembránový systém. Jindy může cytoplasma vytvářet kromě nástěnné vrstvy provazce, které protínají vakuolu (tzv. transvakuolární provazce) a propojují tak nástěnnou cytoplasmu různých oblastí buňky. V těchto provazcích se mohou vyskytovat různé součásti buňky, a to i organely včetně jádra. I v tomto případě však tvoří cytoplasma spojitý systém, stejně jako vakuola, a hranici mezi nimi tvoří tonoplast, který ohraničuje jak nástěnnou cytoplasmu, tak i provazce. Toto uspořádání je dynamické, provazce se mohou dělit, spojovat i zanikat. Některé dospělé buňky však nemusí být výrazně vakuolisovány příkladem mohou být buňky sekreční, průvodní buňky ve floému, spermatické buňky aj. Vznik vakuol není jednoznačně popsán. Předpokládá se, že na jejich vzniku a růstu se podílejí v prvé řadě váčky oddělované od hladkého ER a pravděpodobně i Golgiho aparátu, přesněji váčky oddělované od TGN. Podíl těchto dvou typů váčků zřejmě může být různý u různých buněčných typů. Na růstu vakuoly se zřejmě podílí i pohlcování částí cytoplasmy a endocytotických váčků. I když ve většině buněk je proces vzniku vakuoly jednosměrný, od provakuol k centrální vakuole, může docházet nejen k růstu, ale i k rozpadu vakuol. Např. u buněk kambia se velká vakuola aktivního kambia rozpadá před nástupem zimního období na menší vakuoly. U svěracích buněk průduchů se vakuola může rozpadat a opět spojovat při zavírání a otevírání průduchové štěrbiny. Ačkoliv jsou vakuoly uváděny jako typické součásti rostlinných buněk, jsou přítomny i u jiných organismů. Běžné jsou v buňkách hub a někdy se vakuolám podobné útvary vyskytují i v některých buňkách živočišných. Funkce vakuol vakuoly se významně podílejí na udržení homeostase cytoplasmy, tj. na regulaci hodnot důležitých fyziologických parametrů. Aby mohla cytoplasma plnit své funkce, je nezbytné, aby koncentrace metabolitů a iontů, včetně protonů, byly udržovány na relativně konstantní výši, a to i přes kolísání jejich obsahu v prostředí. Pro udržení stálého prostředí v cytoplasmě jsou důležité transportní systémy na tonoplastu. Látky jsou neustále transportovány v obou směrech; vakuola tak představuje vnitřní prostředí pro cytoplasmu, mající obdobnou roli pro rostlinné buňky jako mají tělní tekutiny pro buňky živočišné. Transportní systémy pro tyto látky jsou schopny velmi rychle měnit rychlost a často se mění i směr transportu, podle aktuálních potřeb buňky. Významným příkladem této funkce vakuol je udržování konstantního ph cytoplasmy. Pokud umístíme rostlinné buňky do roztoku pufrů o ph nižším než je cytoplasmatické, dochází k okyselení buněčné šťávy, zatímco ph cytoplasmy se nemění. vakuoly mají významnou funkci zásobní. Jsou v prvé řadě významnou zásobárnou vody. Ostatní látky rozpuštěné v buněčné šťávě pak mohou sloužit buď jako krátkodobé nebo dlouhodobé rezervy. Krátkodobé rezervy tvoří látky běžně se účastnící buněčného metabolismu; jsou z vakuoly odčerpávány nebo do ní ukládány podle potřeb buňky. Některé vakuoly slouží ukládání rezervních látek na dlouhou dobu. Jedná se především o vakuoly zásobních orgánů (dělohy, endosperm, hlízy, oddenky aj.). ve vakuolách jsou skladovány látky odpadní, případně i toxické. Vzhledem k tomu, že rostliny nemají vylučovací orgány, ani tělní tekutiny, je pro ně ukládání do vakuoly běžným způsobem oddělení těchto látek od metabolických center v protoplastu. Tyto látky mohou být produkty metabolismu buňky, mohou to ale být i

11 látky, které se do buněk dostávají z vnějšího prostředí. Může se jednat o toxické kovy (Al, Cd aj.) nebo o různé cizorodé látky (xenobiotika). Schopnost ukládat cizorodé látky do vakuol je zřejmě příčinou resistence některých rostlin vůči určitým typům herbicidů. Odpadní látky jsou ve vakuole ukládány bez možnosti zpětného transportu z vakuoly. ve vakuolách se ukládají látky důležité v interakcích mezi rostlinou a prostředím, především jinými organismy. Barevné látky ve vakuolách květů či plodů mohou sloužit jako signál pro živočichy zajišťující opylování nebo roznášení plodů. Jiné typy látek mohou chránit rostlinu před býložravci, další mohou mít antibakteriální účinky. Látky ve vakuolách také mohou pohlcovat UV záření a chránit tak před ním rostlinu. vakuoly fungují u rostlinných buněk jako lysosomální kompartmenty. Ukládají se v nich hydrolytické enzymy, které se mohou účastnit rozkladu protoplastu nebo různých složek buňky např. při tzv. programované buněčné smrti nebo během diferenciace buněk, při mobilizaci reserv aj. vakuoly mají zásadní význam pro vodní hospodářství rostliny. Aktivní akumulace osmoticky aktivních látek (iontů, sacharidů) ve vakuole vytváří hnací sílu pro příjem vody do vakuol, které jsou důležitou zásobárnou vody. vakuoly zajišťují růst rostlinných buněk. Příjem vody během růstu buňky zajišťuje její zvětšování, aniž by se výrazně měnilo množství protoplasmy. vakuoly se podílejí na mechanické pevnosti rostliny. Příjem vody do vakuoly vytváří turgorový tlak, který je důležitý pro ty části rostlinného těla, kde jsou málo vyvinutá mechanická pletiva. Vakuoly plní tuto funkci pouze, jsou-li naplněny vodou, podobně jako pneumatika plní svoji funkci jen pokud je naplněná vzduchem. vakuoly se podílejí na rychlých pohybech některých buněk. Příkladem jsou pohyby svěracích buněk při otevírání a zavírání průduchů. Ještě rychlejší jsou pohyby lístků citlivky (Mimosa) při mechanickém podráždění nebo zavírání pastí masožravé rostliny mucholapka (Dionaea). Přehled hlavních skupin látek, které se vyskytují ve vakuolách: I. anorganické ionty, především K +, Na +, Ca 2+, H +, Cl -, NO - 3-3, PO 4 Mohou být rezervou pro potřeby buněčného metabolismu nebo mohou mít funkci osmotik. Jako osmotikum funguje hlavně ionty K +. Dusičnany, které jsou využívány pro tvorbu aminokyselin, se mohou ve vakuole hromadit, pokud jsou přijaty ve větším množství, postupně jsou z vakuoly odčerpávány a zpracovávány. Hromadění dusičnanů ve vakuolách může být příčinou problémů při konzumaci některých rostlinných produktů. Důležité je dále ukládání Ca 2+, který je v buňkách součástí drah přenášejících nejrůznější signály. II. Primární metabolity, látky, které hrají podstatnou úlohu v buněčném metabolismu. Jedná se zejména o organické kyseliny (jablečnou, citrónovou, šťavelovou aj.), včetně aminokyselin, a sacharidy; tyto látky jsou využívány podle potřeb buňky a celého organismu. Příkladem může být hromadění sacharosy během dne, kdy probíhá intensivní fotosyntéza; ta je pak v noci odváděna pryč. Jiným případem je hromadění malátu (kyseliny jablečné) u zvláštního typu sukulentních rostlin, které mají otevřené průduchy v noci a v té době přijatý CO 2 zabudovávají do malátu, který ukládají do vakuol; ve dne ho pak z vakuoly odebírají a využívají k tvorbě cukrů (tzv. CAM fotosyntéza). III. Rezervní látky. Nejčastější rezervní látky ukládané ve vakuolách jsou sacharidy rozpustné ve vodě. Mohou to být monosacharidy (glukosa, fruktosa), které jsou časté především v plodech. Z oligosacharidů je běžná sacharosa, která se může vyskytovat i v takových množstvích (až 600 mm), která umožňují její průmyslové získávání např. z bulvy řepy cukrové (Beta vulgaris var. altissima nebo ze stonku třtiny cukrové (Saccharum officinarum). Z polysacharidů jsou ve vakuolách skladovány pouze ty, které jsou rozpustné ve vodě. To jsou různé druhy fruktanů; vyskytují se např. u hvězdicovitých, Asteraceae (inulin), ale i u mnohých trav (Poaceae). Ve vakuolách se dále vyskytují zásobní proteiny. Ty se do vakuol dostávají z GA anebo se přímo z ER oddělují váčky s proteiny a mění se na drobné vakuolky - bílkovinná tělíska. IV. Sekundární metabolity. Jsou to organické látky, které nemají žádnou podstatnou funkci při růstu a vývoji rostliny. Jsou velmi heterogenní skupinou látek a u rostlin jsou velmi hojné. U mnohých není známa žádná funkce, jiné se podílejí především na interakcích rostlin s prostředím. Mnohé z nich jsou cennými produkty pro farmaceutický nebo kosmetický průmysl. Některé z těchto látek jsou pro rostlinu škodlivé a musí být odděleny ve vakuole. Předpokládá se, že alespoň část těchto látek vznikla v evoluci jako produkt náhodně vzniklých mutací a v průběhu evoluce některé z nich získaly různé funkce. Patří sem v prvé řadě flavonoidy jsou obsáhlou skupinou látek odvozených od flavanu, které se ve vakuole vyskytují jako glykosidy, tedy vázané na cukernou složku. Nejznámější flavonoidy jsou anthokyany - barviva rozpustná ve vodě (hydrochromy). Způsobují zbarvení květů např. u druhů rodu růže (Rosa), pelargónie (Pelargonium), petúnie (Petunia), pivoňka (Paeonia), stračka (Delphinium), pomněnka (Myosotis) a mnoha dalších, 11

12 Rostlinná buňka nebo plodů např. ptačí zob obecný (Ligustrum vulgare), bez černý (Sambucus nigra), brusnice borůvka (Vaccinium myrtillus) a dalších. Vyskytují se i v listech různých červenolistých forem rostlin (např. buku, rod Fagus); u některých dřevin se objevují v listech na podzim před jejich opadem. Od rostlin, ve kterých se vyskytují, získaly anthokyany svá jména (např. oranžově červený pelargonidin, purpurový petunidin, růžovočervený paeonidin či namodralý delfinidin). Zbarvení buněčné šťávy se pohybuje v různých odstínech modré, fialové, růžové či červené. Výsledné zbarvení závisí na zastoupení a vzájemném poměru jednotlivých barviv, na ph buněčné šťávy a na vazbě s kovovými ionty (Fe 3+, Al 3+ ). Některé flavonoidy jsou pro lidské oko bezbarvé, ale vzhledem k tomu, že pohlcují UV záření, mohou být viděny některými druhy hmyzu schopnými toto záření vnímat. Barevné i nebarevné formy flavonoidů fungují také jako ochrana proti UV záření díky své schopnosti ho pohlcovat. V čeledi Chenopodiaceae se nevyskytují anthokyany; místo nich se u těchto rostlin vyskytují ve vakuolách barviva typu betalainů, barviv obsahujících dusík, které způsobují různé odstíny červeného a žlutého zbarvení. Dalšími důležitými sekundárními metabolity jsou alkaloidy (např. nikotin, kofein, kolchicin a mnohé další), taniny (deriváty kyseliny gallové), fenolické látky aj. V. Krystaly šťavelanu vápenatého jsou velmi běžnou součástí vakuol. Šťavelan vápenatý se vyskytuje jako monohydrát nebo dihydrát a tvoří krystaly velmi rozmanitých tvarů. Běžné jsou tvary hranolů, které mohou srůstat v drúzy, tenké jehličkovité rafidy, protáhlé styloidy nebo droboučké krystalky tvořící krystalický písek. Veškeré funkce šťavelanu vápenatého nejsou známy. Nepochybná je zřejmě funkce v ochraně proti býložravému hmyzu a funkce ve vazbě přebytečné kyseliny šťavelové. Uvažuje se i o jejich Obr. 14 Struktura anthokyanů významu v detoxifikaci těžkých kovů, které byly mnohdy nalezeny jako součást krystalů. Navíc se zdá, že alespoň v některých případech není vznik šťavelanu vápenatého koncovým stavem, ale šťavelan vápenatý se může i rozkládat. V tomto případě se uvažuje i o jeho funkci jako zásobárny vápenatých iontů. Výjimky, kde se tato látka nevyskytuje, jsou např. druhy z čeledi Cucurbitaceae a některých čeledí řádů Poales a Liliales. VI. Hydrolytické enzymy, např. proteasy, ribonukleasy, glykosidasy, tedy obdobné enzymy jako v živočišných lysosomech. Mají významnou roli především v rozkladu buněčných částí při řízeném odumírání buněk, tzv. programované buněčné smrti, ale i v mobilizaci zásobních látek v semenech a jiných zásobních orgánech. Základní cytoplasma Základní cytoplasma (z řeckého kytos, buňka a plasma stvoření, útvar) je viskózní až gelovitá hmota protoplastu mezi plasmalemou, organelami a endomembránovým systémem. Někdy se pro ni používá i označení cytosol. Její významnou součástí je trojrozměrná síť bílkovinných vláken, tzv. cytoskelet. V cytoplasmě se dále nacházejí tzv. cytoplasmatické ribosomy. Od neprotoplasmatických součástí buňky je vždy oddělena membránami. Hlavní složkou základní cytoplasmy jsou bílkoviny, které tvoří 40 až 50% její sušiny. Základní cytoplasma obsahuje dále velké množství vody, ta může tvořit až 90% čerstvé hmotnosti; velké množství vody v cytoplasmě je vázáno na povrch cytoplasmatických proteinů. Výrazně nižší je obsah vody pouze u semen, spor a jiných klidových stadií rostlin, kde může klesat až na hodnoty kolem 10%. Dalšími složkami jsou různé nízkomolekulární metabolity a ionty. Obsah iontů v cytoplasmě je značně odlišný od jejich obsahu v okolním prostředí; v cytoplasmě je vysoký obsah K + (výrazně vyšší než mimo protoplast). Naopak obsah Na + je velmi nízký (podstatně nižší než mimo protoplast). Rovněž obsah Ca 2+ je velmi nízký; jeho obsah se však často přechodně zvyšuje při přenosu mnoha signálů. ph základní cytoplasmy je vysoké, pohybuje se kolem 7,2-7,5 a je dobře regulováno. Toto ph je optimální pro aktivitu většiny cytoplasmatických enzymů, které se účastní důležitých metabolických dějů probíhajících v cytoplasmě (glykolýza, syntéza sacharosy, počáteční fáze redukce dusičnanů, pentosová cesta, syntéza některých aminokyselin atd.). Cytoplasma je velmi viskózní. Cytoplasma pod buněčnou stěnou je viskóznější než cytoplasma v hlubších částech buňky, je gelovitá a někdy je označována jako ektoplasma (též kortikální cytoplasma). Viskozita cytoplasmy se může měnit. To vše svědčí pro vnitřní strukturu cytoplasmy, kterou představuje u eukaryotních buněk trojrozměrná síť vláknitých bílkovinných útvarů, cytoskelet. Cytoskelet 12 Obr. 15 Krystaly šťavelanu vápenatého A solitérní krystal z pokožky listu vanilky (Vanilla planifolia), B krystalický písek ze stonku lilku (Solanum), C drúza ze stonku nopálu (Opuntia), D rafidy z listu netýkavky (Impatiens) Cytoskelet (v překladu buněčná kostra) tvoří vnitřní architekturu buňky. V eukaryotních buňkách existují tři

13 základní součásti cytoskeletu, mikrotubuly, aktinová filamenta neboli mikrofilamenta, a intermediární filamenta. U rostlinných buněk hrají hlavní roli první dvě skupiny. Intermediární filamenta, která jsou hojná v živočišných buňkách, zjevně nemají v rostlinných buňkách stejnou důležitost. I když geny pro některé proteiny intermediárních filament byly u rostlin identifikovány, případné úlohy této složky cytoskeletu nejsou zatím u rostlin jednoznačně doloženy. Cytoskelet je velmi dynamický, jeho složky se mohou rozpadat a znovu vytvářet, mohou se přeskupovat do nových konfigurací a svojí dynamikou reagovat na konkrétní situace v buňce. Změny v uspořádání cytoskeletu probíhají v odpověď jak na podněty vnitřní, vznikající buď v příslušné buňce nebo přenášené z jiných oblastí organismu, tak na podněty vnější, přijímané z vnějšího prostředí. Souvisejí se změnami funkcí či růstu buňky. Cytoskelet zajišťuje polohu buněčných kompartmentů a jejich přesuny do poloh odpovídajících aktuálním potřebám buněk, zajišťuje pohyby uvnitř buněk a v některých případech i buněk samotných (např. pomocí bičíků), podílí se na zpracování signálů přijímaných buňkou, může vázat ribosomy a enzymy některých metabolických drah, čímž zajišťuje určitou mikrokompartmentaci uvnitř cytoplasmy a lepší předávání metabolitů mezi enzymy metabolických drah. Důležité funkce cytoskeletu jsou spojeny s dělením, růstem a morfogenesí buněk. Tyto děje jsou obvykle spojeny s tvorbou specifických seskupení cytoskeletu jako je preprofázový prstenec, dělící (mitotické) vřeténko a fragmoplast. S výjimkou vřeténka se jedná o seskupení typická pro rostliny. Rovněž ukládání složek stěny (zejména celulosových mikrofibril) je regulováno cytoskeletem; následně je pak regulován růst a morfogenese buněk. Role cytoskeletu v dělení, růstu a morfogenesi budou pobrány podrobněji v kapitole Ontogenese rostlinné buňky. Obr. 16 Složky cytoskeletu Vlevo aktinové filamentum, vpravo mikrotubulus Mikrotubuly (MT, z řeckého mikros, malý a z lat. tubulus, trubička) jsou trubicovité útvary o vnějším průměru 25 nm, různé délky. Jejich stavebními jednotkami jsou proteiny a a b tubulin, které okamžitě poté, co jsou syntetizovány, tvoří společně dimery. Dimery tvoří vlákno, protofilamentum, které je polárně stavěno; má + a konec. K + konci vždy směřuje a tubulin. 13 protofilament pak vytváří stěnu mikrotubulu ve formě stěny dutého válce. Tubulinové dimery jsou v protofilamentu vázány nekovalentními vazbami. Stejnými vazbami jsou spojeny i dimery sousedních protofilament. Díky této vazbě jsou sousedící dimery proti sobě posunuty o 1 nm, takže tvoří ve stěně mikrotubulu šroubovici o stoupání 10 o. Vzhledem k polaritě protofilament je polárně stavěn i celý mikrotubulus. Aktinová filamenta (AF) nebo též mikrofilamenta jsou tvořena dvěma lineárními řetězci složenými z molekul bílkoviny aktinu. Tyto dva řetězce jsou společně stočeny do šroubovice. Stejně jako MT mají i mikrofilamenta + a konec. Jejich polarita vzniká díky asymetrii molekuly aktinu, která vždy směřuje jedním svým koncem k + pólu. Jak molekuly aktinu, tak dimery a a b tubulinu jsou v buňkách vždy přítomny v rovnováze s polymerovanými formami. Polymerace (přidávání monomerů) u MT i AF je rychlejší na jejich + pólech. Jejich růst ale může být poměrně rychle vystřídán zkracováním, případně úplným rozpadem. MT i AF jsou tedy dynamické struktury schopné velmi rychlé přestavby, která je nezbytná pro nutnost reagovat na konkrétní situace v buňce. MT v nedělících se buňkách vždy tvoří seskupení pod plasmalemou (tzv. kortikální MT); jiná skupina MT vychází od buněčného jádra. Kortikální MT mohou být propojeny s plasmalemou. Dochází-li k dělení jader a buněk, mizí kortikální MT a tvoří se specifická seskupení jako preprofázový prstenec, dělící vřeténko či fragmoplast, o kterých bude podrobněji pojednáno v kapitole Ontogenese rostlinné buňky. MT vznikají ze specifických oblastí buněk označovaných jako MT organizující centrum (MTOC, z anglického microtubule organising centre), kde bývá zakotven jejich minus konec. MTOC obsahuje komplex specifických bílkovin, jehož důležitou složkou je speciální typ tubulinu, tzv. g tubulin. Jako MTOC je známa především centriola, nebo basální tělísko bičíků, které je ekvivalentem centrioly. Rostlinné buňky však nemají centrioly a i buňky s bičíky jsou vzácné (bičíky se vyskytují např. u spermatozoidů cévnatých rostlin výtrusných, jinanu a cykasů). MTOC rostlinných buněk jsou např. místa při povrchu některých membrán, především jaderného obalu a plasmalemy. MT i AF mají v rostlinných buňkách velmi mnoho rozmanitých funkcí. Na některých funkcích se podílí výlučně jeden typ cytoskeletu, jindy spolupracují MT a AF. Vzhledem ke své strukturní jednoduchosti je mohou plnit díky tomu, že se v buňkách vážou s mnoha různými typy asociovaných proteinů a díky těmto spojením pak mohou plnit své četné funkce. Tyto asociované proteiny mohou vytvářet svazky jak mikrotubulů, tak aktinových filament, podílejí se na jejich větvení, mohou je stabilizovat a tak chránit před rozpadem, nebo naopak způsobovat jejich rozpad. Mohou také propojovat jednotlivé složky cytoskeletu (tedy MT a AF). Mohou spojovat cytoskelet s membránami mnohých kompartmentů buňky (např. s plasmalemou, ER, mitochondriemi a dalšími). Významnou roli hrají specifické proteiny 13

14 Rostlinná buňka označované jako motorové proteiny. Jedná se o enzymy štěpící ATP, ATPázy, které využívají energii uvolněnou štěpením ATP k realizaci nejrůznějších pohybů v buňkách. Mezi buněčné pohyby patří především přesuny organel, změny polohy a uspořádání ER a GA, transport váčků a proudění cytoplasmy. Pohyby mohou probíhat jak ve spojení s AF, tak s MT. V prvním případě jsou motorovými proteiny myosiny (z řeckého myon, sval); první typ myosinu byl isolován ze savčích svalových vláken. Komplex AF a myosin se účastní proudění cytoplasmy, dále pak přesunů chloroplastů, diktyosomů apod. Motorové proteiny fungující ve spojení s mikrotubuly jsou dyneiny (z řeckého dynamis, síla) nebo kinesiny (z řeckého kinesis, pohyb), které se podílejí na pohybu různých typů váčků. MT vázané s jedním z dyneinů se rovněž účastní stavby bičíků a jejich pohybu. Jak už bylo řečeno, intermediární filamenta a jejich funkce v rostlinách nebyly potvrzeny. Jedna ze situací, kdy se o IF uvažuje, je jejich přítomnost v jádře, kde u živočišných buněk tvoří tzv. jadernou laminu, bílkovinnou síť na vnitřním povrchu jaderného obalu, ke které jsou připojeny chromosomy v nedělícím se jádře. Přítomnost jaderné laminy u rostlin však není jednoznačně prokázána. Cytoskelet vznikl v rané evoluci eukaryotních organismů. Díky tomu jsou jeho základní stavba a mnohé funkce stejné nebo obdobné u rostlin i živočichů. Nicméně u rostlin vznikla v průběhu evoluce řada jedinečných funkcí, které u jiných typů eukaryotních organismů neznáme. U prokaryotních organismů není typický cytoskelet. Avšak u bakterií byl identifikován protein FTsZ (filamentation temperature sensitive, podle názvu mutanta se zablokovaným buněčným dělením), který je podobný tubulinu. Při dělení bakteriální buňky tvoří tento protein kontraktilní prstenec v místě dělení - dělící brázdě. Podobné proteiny se účastní dělení semiautonomních organel. Ribosomy Ribosomy jsou drobné útvary tvořené ribosomální RNA a různými druhy proteinů. Ribosomy se nacházejí kromě cytoplasmy i v mitochondriích a v plastidech. Ribosomy mitochondrií a plastidů se však od cytoplasmatických ribosomů liší (viz dále). Cytoplasmatické ribosomy jsou větší a jsou označovány jako 80S ribosomy (S znamená Svedberg, což je jednotka pro rychlost sedimentace v ultracentrifuze). Jsou místem, kde probíhá translace syntéza proteinů kódovaných jaderným genomem. Aminokyseliny pro tvorbu proteinů jsou k ribosomům přinášeny svázané s transferovou RNA. Soubor ribosomů, které se aktivně účastní tvorby některého z proteinů je propojen s vláknem příslušné mrna a nazývá se polysom nebo též polyribosom. Ribosom se skládá ze dvou nestejně velkých podjednotek, které jsou spolu spojené jen, pokud se účastní translace. Jakmile je syntéza proteinu ukončena, podjednotky se od sebe oddělují. Syntéza všech proteinů, kromě těch, které jsou tvořeny v plastidech nebo mitochondriích, začíná na tzv. volných cytoplasmatických ribosomech. Její pokračování pak může probíhat různým způsobem. Pokud je syntetizován protein, který je určený k transportu z protoplastu nebo který se má stát membránovým proteinem některého z členů endomembránového systému, je jeho syntéza záhy směrována k vnějšímu povrchu membrány ER. Směrování k ER zajišťuje signální peptid, který je vytvořen na N konci proteinu. Polysomy, které syntetizují proteiny, které buď zůstávají v cytoplasmě nebo jsou směrovány do jádra, plastidů, mitochondrií či peroxisomů se nepřipojují k membráně. Nicméně alespoň některé z nich se připojují k cytoskeletu. Proteiny, které mají být transportovány do organel jsou syntetizovány se signální sekvencí, která je do příslušné organely směruje. Semiautonomní organely (plastidy a mitochondrie) Plastidy a mitochondrie jsou buněčné organely, které podle tzv. endosymbiotické teorie vznikly v evoluci z původně samostatných prokaryotních organismů a staly se součástí eukaryotní buňky (viz též kapitola Vývoj buněk a jejich stavby). V průběhu evoluce ztratily úplnou autonomii, přesto si však v rámci buňky částečnou samostatnost zachovaly. Endosymbiotická teorie o jejich původu (přesněji o původu plastidů) byla poprvé naznačena na přelomu 19. a 20. století. Ačkoliv nebyla vždy obecně přijímána, postupně se nahromadila řada důkazů svědčících v její prospěch: 14 plastidy ani mitochondrie nevznikají nikdy v buňkách de novo, ale pouze dělením stávajících organel stejného druhu mají vlastní DNA a vlastní ribosomy. Jak DNA, tak ribosomy jsou prokaryotního typu. Ribosomy uvnitř plastidů a mitochondrií jsou menší než cytoplasmatické a jsou označovány jako 70S ribosomy. DNA organel není spojena s histony. DNA kóduje různé RNA a část proteinů těchto organel, na ribosomech probíhá translace proteinů kódovaných plastidovým či mitochondriálním genomem. Během společné evoluce však došlo k horizontálnímu přenosu části genů jak plastidových tak mitochondriálních do jádra, takže jak plastidový tak mitochondriální genom kóduje jen malou část proteinů organel.

15 proteosyntéza mitochondrií a plastidů je citlivá vůči stejným inhibitorům jako proteosyntéza bakterií (např. vůči chloramfenikolu). mají dvě membrány odlišného charakteru, přičemž vnitřní membrána, která vznikla z původní membrány endosymbionta, obsahuje některé složky, které se v ostatních membránách nevyskytují. existují i recentní endosymbiosy (viz dále) existují homologie mezi určitými skupinami proteinů (např. některých enzymů) u bakterií a chloroplastů, zatímco v cytoplasmě jsou tyto proteiny velmi odlišné existují podobné sekvence genů a podobná struktura ribosomálních RNA u chloroplastů a recentních bakterií dělení plastidů a mitochondrií probíhá obdobně jako dělení bakterií. Při dělení nejprve dojde k zaškrcení organely; na jejím rozdělení se podílí zvláštní kontraktilní protein, podobný proteinu z bakterií, který se účastní rozdělení bakteriální buňky. Příklady recentních endosymbios. I v současné době existuje celá řada symbiotických vztahů, které ukazují na možné cesty vzniku dnešních semiautonomních organel. V některých případech jsou endosymbionti ještě schopni samostatné existence a lze i určit jejich taxonomickou příslušnost, v jiných případech už samostatná existence možná není. Známým příkladem je prvok Paramecium bursaria, v jehož buňkách žijí stovky řas patřících k rodu Chlorella. Ačkoliv v přírodě žijí vždy v symbiose, lze je za vhodných kultivačních podmínek pěstovat i samostatně. Jiným známým příkladem je sladkovodní druh nezmara Hydra viridis, v jehož buňkách rovněž žijí fotosyntetizující řasy. Dalším příkladem je améba Pelomyxa palustris. Tato několik milimetrů velká mnohojaderná améba nemá mitochondrie, ale v jejích buňkách se nacházejí bakterie, které zřejmě mitochondrie nahrazují. Nejčastější jsou endosymbiosy se sinicemi, které plní roli chloroplastů. Endosymbiotické sinice se označují jako cyanelly (z řeckého kyanos, modrý) a představují jakýsi přechodný stav mezi samostatným organismem a organelou. Cyanelly nemohou žít mimo symbiosu; nemají kompletní genetickou výbavu, avšak mohou mít ještě zbytky prokaryotní stěny. Jako příklad lze uvést prvoka Cyanophora paradoxa, v jehož buňkách cyanelly žijí. Zajímavá je situace některých mořských měkkýšů, kteří se živí řasami, a jsou schopni inkorporovat řasové plastidy do svých buněk, kde tyto přežívají týdny až několik měsíců a poskytují živočichovi produkty fotosyntézy. Velmi známou je i symbiosa bakterií rodu Rhizobium, které jako tzv. hlízkové bakterie žijí v buňkách hlízek na kořenech některých rostlin (zejména z čeledi bobovité, Fabaceae), a poskytují rostlině produkty fixace vzdušného dusíku. Plastidy Plastidy (z řeckého plasis, výroba nebo plastos, částice) jsou v prvé řadě organelami fotosyntézy, díky níž jsou rostliny schopny fotoautotrofního způsobu výživy. U zelených řas, o kterých předpokládáme, že jsou předky vyšších rostlin, jsou pouze zelené plastidy chloroplasty (z řeckého chloros, zelený), které jsou organelami fotosyntézy. U cévnatých rostlin vznikly v průběhu evoluce další formy plastidů (chromoplasty, leukoplasty aj.), které se vyvinuly z původního chloroplastu; přitom ztratily schopnost fotosyntézy, ale zachovaly si, event. rozvinuly některé jiné funkce. O jejich společném původu svědčí možnosti vzájemných přeměn jednotlivých typů plastidů. Chloroplasty U zelených řas je často v buňce jen jeden jediný chloroplast, často charakteristického tvaru (např. Chlorella, Ulothrix, Spirogyra). U Embryophyt je obvyklý větší počet plastidů, které mají nejčastěji čočkovitý tvar. Jejich tloušťka je obvykle mezi 3 4 mm a průměr mezi 5 8 mm. Počty chloroplastů v buňkách mohou být velmi různé, nejčastěji se pohybují mezi 20 až 50, mohou ale dosahovat i hodnot vyšších než 100. Odhaduje se, že v průměrném listu se mohou počty chloroplastů pohybovat kolem na mm 2 listu. Přítomnost vyššího počtu drobnějších chloroplastů je výhodnější pro fotosyntézu, protože se tak zvyšuje celkový povrch, kterým může do chloroplastu vstupovat oxid uhličitý. Povrch chloroplastu je tvořen dvěma membránami, mezi nimiž je mezimembránový prostor neprotoplasmatického charakteru. Vnější membrána je dobře propustná pro volný pohyb vody, iontů a malých metabolitů (až do velikosti 10 kda) do mezimembránového prostoru, a to díky proteinům (tzv. porinům) tvořícím nespecifické póry, jimiž tento transport probíhá. Vnější membrána je hladká a nikdy není propojena s vnitřní. Nicméně existují místa, kde jsou tyto membrány v kontaktu, a to tam, kde probíhá transport proteinů syntetizovaných na Obr. 17 Chloroplasty A miskovitý chloroplast Chlorella vulgaris, B páskovitý chloroplast Ulothrix zonata, C deskovitý chloroplast Mougeotia scalaris při pohledu shora (vlevo) a ze strany (vpravo), D šroubovitě stočený páskovitý chloroplast u Spirogyra quadrata 1 jádro, 2 chloroplast, 3 pyrenoid 15

16 Rostlinná buňka Obr. 18 Stavba chloroplastu semenných rostlin Nahoře pohled do nitra chloroplastu, dole detail thylakoidu 1 obal chloroplastu ze dvou membrán, 2 část thylakoidu stromatu, 3 - granum 16 cytoplasmatických ribosomech z cytoplasmy do nitra chloroplastů. Vnitřní membrána je méně propustná a většina látek přes ni musí procházet pomocí různých transportérů. Na rozdíl od ostatních membrán buňky jsou vnitřní membrány chloroplastů chudé na fosfolipidy a bohaté na galaktolipidy. Vnitřek chloroplastu je vyplněn bílkovinovou hmotou, tzv. stromatem, které je protoplasmou plastidu (plastidoplasmou). Stroma je prostoupené dalším membránovým útvarem systémem tzv. thylakoidů (z řeckého thylakos, pytel, vak). Thylakoidy jsou ploché membránové vaky, které vznikají při vývoji chloroplastu z jeho vnitřní membrány. Ta se nejprve vchlipuje a vzniklé vchlípeniny se posléze od vnitřní membrány oddělí. Obdobným způsobem vzniká systém thylakoidů u prokaryotních sinic. Vnitřní prostor thylakoidů je opět neprotoplasmatickým prostorem. Část thylakoidů probíhá celým stromatem plastidu (tzv. thylakoidy stromatu); na některých místech těchto thylakoidů pak dochází k jejich vychlipování a k vytváření malých, více méně kruhových disků, které jsou narovnány na sobě jako sloupeček mincí. Těmto sloupcům se říká grana (jednotné číslo granum) a thylakoidy, které je tvoří, jsou granální thylakoidy. Přestože hovoříme o thylakoidech, je zřejmě systém thylakoidů v celém chloroplastu propojený a v chloroplastu je vlastně jediný thylakoid. Stejně i vnitřní prostor thylakoidů (intrathylakoidální prostor) tvoří spojitý systém. Množství thylakoidních membrán a poměr thylakoidů stromatu a granálních závisí na druhu rostliny, ale obě veličiny jsou výrazně ovlivnitelné světelnými podmínkami. Např. stinné listy téhož rostlinného druhu obsahují větší grana než listy slunné. Struktura thylakoidů je velmi dynamická; změny v ozářenosti listu mohou vyvolat změny struktury už v řádu minut. Obr. 19 Vznik chloroplastu: 1 proplastid, 2 postupné vchlipování vnitřní membrány, 3 počátek tvorby gran, 4 dospělý chloroplast Na thylakoidy jsou vázána fotosyntetická barviva (chlorofyly a, b a karotenoidy) spolu s doprovodnými proteiny, s nimiž vytvářejí tzv. fotosystémy. Ve fotosystémech je zachycováno světelné záření, jehož energii je přeměňována na energii chemických vazeb, primárně na ATP. Karotenoidy mají také funkci antioxidantů chránících fotosyntetický aparát před volnými kyslíkovými radikály, vznikajícími při vyšších ozářenostech. Součástí membrán thylakoidů je rovněž enzym ATPsyntáza, který vytváří ATP z ADP a anorganického fosfátu, k čemuž využívá gradientu protonů, které se hromadí uvnitř systému thylakoidů. Dále je na thylakoidy vázán systém rozkladu (fotolýzy) vody, při kterém vzniká kyslík a protony pro redukci oxidu uhličitého. Thylakoidní membrány jsou mnohem bohatší na proteiny než ostatní membrány buňky (s výjimkou vnitřní membrány mitochondrií). Světelná energie se v procesu fotosyntézy přenáší na elektron v chlorofylu. Tento elektron s vysokým obsahem energie prochází elektrontransportním řetězcem, který je, stejně jako fotosystémy, umístěn v membráně thylakoidu. Při průchodu řetězcem elektron ztrácí energii a současně se tato energie využívá pro transport protonů ze stromatu do lumen thylakoidů, kde se protony hromadí. Rozdíl množství protonů na obou stranách membrány thylakoidu je formou uskladněné energie, která je dále využita pro tvorbu ATP, kdy protony procházejí složitým komplexem enzymu ATPsyntázy. Průchod protonů enzymovým komplexem vyvolává jeho pohyb, který umožní tvorbu ATP. Struktura a funkce enzymu ATPsyntázy (ATPázy) je obdobná u chloroplastů i u mitochondrií, v nichž ATP vzniká rovněž na základě vytvoření rozdílu koncentrace protonů na membráně. Stejný typ enzymu se vyskytuje v membránách bakterií. Z toho můžeme usuzovat na velmi dávný původ tohoto enzymu. Elektron vstupující do elektrontransportního řetězce je do molekuly chlorofylu doplněn z vody; enzym, který dokáže štěpit vodu je rovněž v thylakoidní membráně. Vedlejším produktem fotolýzy je kyslík. Veškerý kyslík přítomný v současné atmosféře vytvořily fotoautotrofní organismy z vody díky oxygenní fotosyntéze. Výsledkem světelné fáze fotosyntézy a transportu elektronů je vedle ATP také redukovaný koenzym NADPH + H +, bez kterého by nebylo možné zredukovat v následujících reakcích oxid uhličitý. Na membránách thylakoidů a v intrathylakoidálním prostoru probíhají primární (světelné) reakce fotosyntézy. Sekundární (temnotní) reakce probíhají ve stromatu, kde je fixován oxid uhličitý enzymem Rubisco (ribulosa 1,5 bisfosfát karboxyláza/oxygenáza) a posléze redukován za pomoci ATP vzniklého v primární (světelné) fázi fotosyntézy. Ve stromatu je také uložena chloroplastová DNA a ribosomy a dochází zde k tvorbě proteinů kódovaných chloroplastovým genomem. DNA je v chloroplastu ve více kopiích, které jsou uloženy ve speciálních oblastech stromatu, tzv. nukleoidech. Chloroplasty jsou tedy polyploidní. DNA neobsahuje histonové proteiny a její kódovací kapacita je nízká. Odhaduje se, že je pouze zlomkem původního genomu; obsahuje asi párů basí. Zbytek

17 genů se během evoluce přesunul do jádra. I když existence dědičnosti vázané na plastidy byla předpokládána již na základě studia rostlin s defekty zbarvení listů, přímý důkaz její existence byl podán až v 60. letech minulého století. V dnešní době byly i některé plastidové genomy osekvenovány (např. tabák, Nicotiana tabacum nebo jatrovka porostnice, Marchantia a další). O chloroplastové DNA je známo, že kóduje např. ribosomální a transferovou RNA, ribosomální proteiny a mnohé proteiny thylakoidní membrány. Většina chloroplastových proteinů je však kódována jaderným genomem a tvořena v cytoplasmě. Zajímavé je, že kóduje část stěžejního enzymu Rubisco, a sice jeho velkou podjednotku, zatímco jeho malá podjednotka je kódována v jádře, syntetizována na cytoplasmatických ribosomech a do chloroplastů transportována. Rovněž složité proteinové komplexy thylakoidní membrány jako jsou fotosystémy I a II a enzym ATPsyntáza jsou kódovány částečně v jádře a částečně v chloroplastu. Z toho je patrn efektivní koordinace mezi jádrem a chloroplastem. Transport proteinů z cytoplasmy do chloroplastu musí být dobře regulován; proteiny jsou směrovány na různá místa v plastidu do vnější i vnitřní obalové membrány, do stromatu, do membrány thylakoidů i do lumen thylakoidů. Krom toho se mnohé proteinové podjednotky musí na správném místě setkat s podjednotkami syntetizovanými v chloroplastu. Proteiny určené k transportu z cytoplasmy do chloroplastu jsou udržovány v nesložené konfiguraci pomocí zvláštních typů proteinů, tzv. chaperonů. Dále jsou opatřeny transitním peptidem, krátkou signální sekvencí aminokyselin, která směruje jejich transport k povrchu chloroplastu. Přes membrány chloroplastu se dostávají v místech, kde jsou zvláštní bílkovinné komplexy tvořící póry pro průchod nesložených proteinů. V místě průchodu proteinu do nitra chloroplastu se k sobě přikládá vnější a vnitřní membrána. Po průchodu membránami je ve stromatu odštěpen signální peptid, protein se skládá, zaujímá konfiguraci funkčního proteinu stromatu (např. malé podjednotky Rubisco). Pokud je protein určen k transportu do membrány thylakoidu nebo do jeho lumen jsou na jeho konci další transitní peptidy. První je odštěpen po vstupu do stromatu, další po zabudování do membrány thylakoidu nebo po vstupu do lumen. Ve stromatu dochází k tvorbě tzv. asimilačního škrobu, který se ukládá v chloroplastech dočasně a je ve tmě rozkládán a transportován z chloroplastu. K dalším důležitým funkcím chloroplastů patří tvorba mastných kyselin, část zpracování anorganického dusíku na aminokyseliny a metabolismus síranů. Chloroplasty i jiné typy plastidů mohou vytvářet úzké trubicovité výběžky vyplněné stromatem, tzv. stromuly, kterými se mohou vzájemně spojovat a jimiž je zřejmě možná i výměna některých látek mezi plastidy. Chloroplasty jsou v buňkách obvykle umístěny v nástěnné cytoplasmě, těsně přitisknuté k membráně, velmi často co nejblíže mezibuněčným prostorám, které přivádějí k buňkám oxid uhličitý. Jejich poloha v buňce však není náhodná ani neměnná. Nejčastějším signálem pro změnu polohy je změna ozářenosti. Při slabé ozářenosti jsou chloroplasty uloženy hlavně podél stěn rovnoběžných s nejbližším povrchem; zvyšuje se tak možnost příjmu dostatečného množství světla. Při vysoké ozářenosti se staví ke stěnám kolmým na povrch, nastavují užší stranu a vzájemně se zastiňují; tím snižují riziko poškození vysokými ozářenostmi. Jejich přesun zajišťuje aktinový cytoskelet. I když výše popsaná stavba se vyskytuje u naprosté většiny chloroplastů, existují i odchylky. Chloroplasty zelených řas nemívají dobře vyvinutá grana. U některých rostlin s C 4 typem fotosyntézy (např. kukuřice, Zea mays) je tzv. chloroplastový dimorfismus, kdy vedle typických chloroplastů s grany se vyskytují i chloroplasty bez gran. Tyto dva typy chloroplastů se liší i funkčně. Chromoplasty Obr.20 Změny polohy chloroplastů v buňkách měříku (Mnium sp.) pod vlivem různé intensity osvětlení A pohled shora při nízké ozářenosti, B tentýž pohled při vysoké ozářenosti Chromoplasty (z řeckého chroma, barva) jsou barevné plastidy bez schopnosti fotosyntézy. Mají různé tvary a jsou zbarveny v různých odstínech žluté, oranžové a červené. Neobsahují chlorofyly a jejich zbarvení závisí na kombinaci různých typů karotenoidů. Vyskytují se nejvíce v orgánech spojených s rozmnožováním, tedy v květech či plodech. Květy zbarvené chromoplasty se vyskytují např. u blatouchu Caltha palustris, u různých druhů pryskyřníků rod Ranunculus, u zlatice Forsythia x intermedia, u lichořeřišnice větší Tropaeolum majus a u aksamitníků neboli afrikánů (Tagetes sp.). Plody zbarvené chromoplasty jsou např. bobule papriky - Capsicum annuum, rajčete - Lycopersicon esculentum, mochyně židovské třešně Physalis alkekengi, konvalinky vonné Convallaria majalis, nebo šípky růží růže šípková, Rosa canina, růže svraskalá, R. rugosa aj. V těchto případech chromoplasty vznikají zpravidla z chloroplastů. Jen zřídka se vyskytují ve vegetativních orgánech (kořen mrkve Daucus carota), kde se tvoří z bezbarvých plastidů, např. z proplastidů. 17

18 Rostlinná buňka Obr. 21 Chromoplasty v šípkách A v šípku růže šípkové (Rosa canina), B v šípku Rosa alba Při přeměně chloroplastu v chromoplast dochází ke ztrátě chlorofylů, a spolu s tím ke zvýšení obsahu karotenoidů; ty mohou být uloženy velmi různě, nikoli však v thylakoidech, které jsou při vzniku chromoplastu z chloroplastu buď zcela nebo z větší části odbourávány. Nejčastěji jsou uloženy v lipidových krůpějích, mohou však být třeba i ve formě krystalů nebo na specifických membránách. Nejznámější funkcí chromoplastů je funkce signální lákání opylovačů nebo živočichů roznášejících semena. Kromě toho jim zůstaly některé metabolické funkce, alespoň v určitém stadiu jejich vývoje, např. syntéza škrobu nebo mastných kyselin. Chromoplasty se za určitých okolností mohou přeměňovat na chloroplasty (např. v kořenu mrkve vystaveném světlu, v plodech citroníku). Přitom se snižuje obsah karotenoidů, začínají se znovu tvořit chlorofyly a vznikají thylakoidy. Chromoplasty si zachovávají obsah DNA, pravděpodobně však postupně ztrácejí ribosomy. Leukoplasty Leukoplasty (z řeckého leukos, bílý) jsou bezbarvé plastidy v nezelených částech rostlin, především v podzemních orgánech, ale i ve vnitřních pletivech stonků, někdy i listů, v epidermis prýtu, v mnohých částech generativních orgánů (květů, semen, plodů) atd. Vnitřní struktura leukoplastu je velmi jednoduchá. Systém thylakoidů není výrazně rozvinutý. Nejznámější funkce leukoplastů je zásobní. Stěžejní zásobní látkou rostlin, která se v leukoplastech ukládá, je škrob. Leukoplasty se zásobním škrobem se nazývají amyloplasty (z latinského amylum, škrob). Nacházejí se zejména v zásobních orgánech (oddenky, hlízy, semena a další). Mohou se však nacházet i v různých pletivech kořenů či stonků, především v parenchymu základních či vodivých pletiv. Škrob se ukládá postupně ve stromatu leukoplastů kolem tzv. iniciálních bodů a postupně vytváří tzv. škrobové zrno. Pokud je v plastidu jeden iniciální bod, vzniká velké jednoduché škrobové zrno (např. v hlíze lilku bramboru Solanum tuberosum, v obilkách pšenice Triticum aestivum nebo ječmene Hordeum vulgare). Pokud je iniciálních bodů více, vzniká v jednom plastidu větší počet drobných škrobových zrn, které dohromady tvoří složené škrobové zrno (např. v obilkách kukuřice Zea mays, rýže Oryza sativa, ovsa Obr. 23 Škrobová zrna A jednoduché zrno z hlízy lilku bramboru (Solanum tuberosum), B z děloh fazolu šarlatového (Phaseolus coccineus), C z mléčnice pryšce (Euphorbia splendens), D složené zrno z obilky ovsa setého (Avena sativa) Obr. 22 Leukoplasty buňka z pokožky listu Rhoeo discolor s drobnými leukoplasty kolem jádra 1 jaderný obal, 2 jadérko, 3 leukoplast, 4 jádro Avena sativa). Škrobová zrna mohou dorůstat značných velikostí a velká zrna mohou porušit integritu membrány amyloplastu. Uspořádání a tvar škrobových zrn v zásobních orgánech je často charakteristický pro určitý rostlinný druh a může být důležitý i z praktického hlediska (např. ve zbožíznalství). Hlavními zdroji pro výrobu škrobu jsou v našich podmínkách především oddenkové hlízy bramboru Solanum tuberosum nebo obilky pšenice, kukuřice a jiných obilovin. Zvláštním typem jsou amyloplasty, které mohou měnit svoji polohu v buňkách a fungují tak v percepci směru působení gravitace - statolitový škrob. Nejznámější jsou v buňkách kořenové čepičky, kde byla jejich funkce poprvé popsána českým vědcem Bohumilem Němcem v roce

19 Kromě škrobu se mohou v některých leukoplastech ukládat proteiny nebo tuky. Funkce leukoplastů bez zásobních látek jsou málo známé; zřejmě se ale podílejí na funkcích, které v zelených pletivech mají chloroplasty (např. syntéza mastných kyselin). Dále se předpokládá jejich účast na tvorbě monoterpenů, těkavých látek, jejichž deriváty jsou např. mentol nebo kafr a jiné součásti éterických olejů. Přeměna leukoplastů v jiný typ plastidu je také možná; asi nejznámějším příkladem je zelenání bramborových hlíz vystavených světlu nebo zelenání některých kořenů vystavených světlu (např. rákosu Phragmites australis nebo puškvorce Acorus calamus). Dosud popsané typy plastidů najdeme v dospělých buňkách. Všechny tyto typy plastidů jsou odvozeny od proplastidů, které představují časná vývojová stadia plastidů. Proplastidy jsou malá tělíska o průměru asi 0,2 1 mm, která mají na povrchu dvě membrány. Vnitřní membránový systém je velmi málo vyvinutý, většinou mají jen několik invaginací vnitřní membrány. Najdeme je především v zygotě, kam jsou přenášeny pohlavními buňkami, gametami. U krytosemenných rostlin je to u naprosté většiny druhů samičími gametami; díky tomu jsou vlastnosti vázané na plastidy obvykle děděny po mateřském organismu. Jen málokdy jsou proplastidy přenášeny oběma gametami. U nahosemenných rostlin je běžnější způsob přenosu samčími gametami. V dospělé rostlině se proplastidy vyskytují v dělivých pletivech, z nichž vznikají pletiva trvalá a přitom se z proplastidu vyvíjí některý typ plastidu. Proplastidy však také mohou vznikat z jiných typů plastidů. Mladá embrya některých druhů (např. hořčice bílá, Sinapis alba) obsahují chloroplasty a probíhá v nich fotosyntéza. Během zrání semen se v nich odbourává chlorofyl a thylakoidní membrány a mění se na proplastidy, aby se opět při klíčení změnily v chloroplasty. Proplastidy obsahují jednu kopii DNA a ribosomy. Pro vznik chloroplastů je u krytosemenných rostlin zapotřebí světla. Pokud není dostatek světla, nevyvíjejí se chloroplasty, ale zvláštní typy plastidů, tzv. etioplasty. Etioplasty jsou specifickou přechodnou formou při tvorbě chloroplastu, kdy vývoj chloroplastu byl změněn nedostatkem světla. Vznikají např. při podzemním klíčení semen nebo při růstu rostliny ve tmě nebo při výrazném nedostatku světla, a to v těch buňkách, ve kterých by za normálních okolností vznikl chloroplast. Etioplast je světle žlutý, neobsahuje chlorofyly, ale pouze jejich prekursory, protochlorofylidy. V etioplastu nejsou vyvinuté thylakoidy. Místo nich je uvnitř stromatu prolamelární těleso, což je většinou kulovitý útvar velmi pravidelného uspořádání, tvořený větvícími se tubuly z membránových prekursorů, odvozených z vnitřní membrány a Obr. 24 Přehled základních možností přeměn plastidů u krytosemenných rostlin skládajících se převážně z membránových lipidů lipidy tvoří až 75 % jejich obsahu. Po osvětlení se prolamelární těleso rychle přemění na thylakoidy a z etioplastu vzniká chloroplast; první změny jsou patrné již v řádu minut. Možná je i přeměna opačná, z chloroplastu může vznikat etioplast, pokud je chloroplast delší dobu vystaven tmě. Z uvedeného vyplývá, že plastidy v rostlině jsou si vývojově příbuzné a mohou se, alespoň potenciálně, přeměňovat v jiný typ. Nejběžnější možnosti přeměn ukazuje obr.24. V poslední době, s přibývajícími znalostmi o procesech stárnutí u rostlin, se ukázalo, že lze vyčlenit ještě tzv. gerontoplasty (z řeckého geron, starý) stárnoucí plastidy, které se vyskytují ve stárnoucích zelených pletivech. Mají obdobná barviva a tedy i zbarvení jako chromoplasty. Na rozdíl od nich se už však nemohou měnit na jiný typ plastidu. Důvodem je pravděpodobně i to, že vznik gerontoplastů je spojen se ztrátou DNA. Nejvýraznější jsou ve stárnoucích listech před opadem, kde přispívají k jejich charakteristickému zbarvení. Nové plastidy vznikají dělením plastidů stávajících. Intensivně se dělí proplastidy přítomné v buňkách dělivých pletiv. Jejich dělení předchází rozdělení buňky. Dělit se ale mohou i jiné typy plastidů (etioplasty, dospělé chloroplasty a pravděpodobně i ostatní). Dělení je nejlépe popsáno u chloroplastů. Při dělení nejprve dojde k jeho zaškrcení, které se prohlubuje, tvoří se uzoučká spojovací šíje, kde se posléze plastid rozdělí a jeho oddělené membrány se zacelí. Zaškrcení je způsobeno stažitelnými prstenci obsahujícími kontraktilní proteiny, které jsou podobné proteinu FTsZ z bakterií, kde je tento protein nezbytný pro rozdělení bakteriální buňky. Prstence se vytvářejí jednak na cytoplasmatické straně vnější membrány, jednak na stromatální straně vnitřní membrány. Mitochondrie (z řeckého mitos, vlákno a chondros, zrnko) jsou drobné, obvykle kulovité nebo protáhlé organely o průměru 0,5 1 mm a délce 1 4 mm. Jejich počet v buňkách závisí na metabolické aktivitě buňky a s tím související potřebou ATP. Běžně se pohybuje ve stovkách. Často se ale v rostlinných buňkách vyskytují mitochondrie poměrně velké, rozvětvené, vzniklé asi spojením menších mitochondrií. Mitochondrie, stejně jako plastidy, mají na svém povrchu dvě membrány. Vnější je, stejně jako plastidová, hladká a dobře propustná pro mnohé metabolity. Vnitřní membrána není tak dobře propustná a látky přes ni mohou přecházet pomocí různých transportérů. Tato vnitřní membrána se vchlipuje do nitra organely a vytváří žebrovité útvary mitochondriální kristy (z latinského crista, hřeben), které významně zvětšují povrch vnitřní membrány. 19

20 Rostlinná buňka Vnitřní membrána se liší od vnější i složením. Obsahuje zvláštní lipid kardiolipin, který se v jiných buněčných membránách eukaryotních buněk nevyskytuje, zato se vyskytuje v membránách bakterií. Vyznačuje se také velmi vysokým obsahem proteinů, které mohou tvořit až 70 % hmotnosti membrány. Mezi oběma membránami je mezimembránový prostor, který je neprotoplasmatickou součástí buňky. Vnitřek mitochondrií je vyplněn bílkovinnou hmotou zvanou matrix; ta představuje mitochondriální protoplasmu, chondrioplasmu. Základní funkcí mitochondrií je buněčné dýchání, rozklad energeticky bohatých organických sloučenin na oxid uhličitý a vodu za vzniku ATP. Tvorba ATP je vázána na vnitřní mitochondriální membránu, kde je lokalizován i elektrontransportní řetězec. Elektrontransportní řetězec je podobný jako v chloroplastech. I zde elektron během transportu ztrácí energii, která je využita k transportu protonů do mezimembránového prostoru, kde se hromadí. Vzniklý rozdíl množství protonů se, stejně jako v chloroplastech, využívá k syntéze ATP enzymem ATPsyntázou, který funguje podobně jako v chloroplastech. Hlavním rozdílem je, že energii elektronu nedodává světlo, jako v chloroplastech, ale oxidace organických sloučenin. V mitochondriální matrix je většina enzymů Krebsova cyklu (cyklu kyseliny citronové), v němž se z organických sloučenin uvolňuje oxid uhličitý a tvoří se redukované koenzymy. V mitochondriální matrix je dále uložena mitochondriální DNA a mitochondriální ribosomy a probíhá zde tvorba proteinů kódovaných Obr. 25 Schéma mitochondrie 1 vniřní membrána vybíhající v kristy, 2 vnější membrána, 3 mitochondriální matrix mitochondriálním genomem. Ten může kódovat ribosomální a transferové RNA a některé proteiny komplexů ATPsyntázy a elektrontransportního řetězce. Stejně jako v případě plastidů, i u mitochondrií došlo v průběhu evoluce k přesunu části genů do jádra. Větší část mitochondriálních proteinů je tvořena v cytoplasmě a do mitochondrií se dostává způsobem obdobným jako do plastidů. Zajímavé je, že genom rostlinných mitochondrií je větší než mitochondrií živočišných a je větší i než genom plastidů. Stejně jako u plastidů byl i u mitochondrií některých rostlin genom osekvenován (např. u huseníčku, Arabidopsis nebo u jatrovky porostnice, Marchantia). Kromě buněčného dýchání se mitochondrie u rostlin podílejí ve spolupráci s peroxisomy i na dalších funkcích jako je např. fotorespirace ve fotosyntetizujících buňkách nebo metabolismus zásobních tuků. Mitochondrie se v buňkách neustále pohybují. Jejich pohyb je řízen cytoskeletem. Mají tendenci tvořit shluky na místech s vyššími nároky na energii, např. poblíž plasmalemy u buněk s výrazným podílem aktivního transportu. Dělení mitochondrií probíhá obdobně jako dělení plastidů. V buňkách bylo pozorováno i spojování mitochondrií, jímž mohou vznikat protáhlé struktury. Vnitřní struktura mitochondrií, zejména počet krist, je závislá na aktivitě buňky; u metabolicky aktivních buněk jako jsou průvodní buňky ve floému nebo sekreční buňky je počet krist vždy vysoký. Peroxisomy (dříve též microbodies) Jsou to drobná kulovitá tělíska ohraničená jednoduchou membránou. Jejich velikost se nejčastěji pohybuje kolem 1 mm. V buňkách se účastní celé řady velmi různých procesů. Jejich společným znakem je schopnost vytvářet peroxid vodíku; ten je pro buňky jedovatý a musí být rozkládán. Jeho rozklad provádí enzym katalasa, jehož přítomnost je pro peroxisomy typická. Peroxisomy zřejmě také v buňkách nevznikají de novo, ale pouze dělením již existujících peroxisomů. Nemají však ani vlastní DNA, ani vlastní ribosomy, takže všechny jejich proteiny jsou vytvářeny v cytoplasmě a do peroxisomů transportovány. Důležitá populace peroxisomů je v zelených buňkách listového mesofylu, kde se podílejí na fotorespiraci, tedy procesu, který je formálně podoben respiraci tím, že vzniká oxid uhličitý a spotřebovává se kyslík. Na fotorespiraci se podílejí nejen peroxisomy, ale i mitochondrie a chloroplasty. Mezi těmito organelami je nutná přesná souhra a výměna metabolitů. Zřejmě proto jsou v buňkách často lokalizovány v těsné blízkosti. Jiný typ peroxisomů, někdy též nazývaný glyoxysomy, je v buňkách zásobních pletiv, ve kterých jsou uloženy zásobní tuky (např. endosperm, dělohy). Tyto peroxisomy se podílejí na odbourávání zásobních tuků a na jejich přeměně na sacharidy. Jednotlivé typy peroxisomů se zřejmě mohou vzájemně přeměňovat. Přinejmenším glyoxysomy děloh se zásobními tuky, které během klíčení zelenají a stávají se fotosynteticky aktivními, se přitom přeměňují na peroxisomy listového typu. Vzhledem k tomu, že peroxisomy nevznikají de novo a že v nich probíhají různé oxidativní reakce, je možné, že vznikly z primitivních organel zajišťujících dýchání, které byly později nahrazeny mitochondriemi. Nicméně v poslední době se stále častěji uvažuje o tom, že v průběhu evoluce vznikly z endoplasmatického retikula. 20

21 Buněčné jádro Jádro (nukleus, karyon) je řídícím centrem eukaryotní buňky. V jádře je uložená naprostá většina genetické informace buňky (jaderný genom), a to ve větším počtu lineárních molekul DNA, která je vázána se specifickými proteiny - histony. Přesné předávání DNA do dalších generací buněk je zajišťováno přesným dělením jádra. Po něm následuje replikace DNA, tedy zdvojení jejího obsahu, které je nezbytné před dalším dělením jádra. V jádře dále probíhá transkripce, přepis genetické informace z molekul DNA na molekuly RNA (mrna mediátorová RNA, trna transferová RNA a různé typy ribosomální RNA - rrna). Některé molekuly RNA jsou v jádře upravovány. Jedná se především o mrna, která je sestřihována do konečné podoby. Všechny RNA jsou transportovány z jádra do cytoplasmy, kde se podílejí na syntéze většiny buněčných proteinů. Jádro tak řídí aktivitu buňky tím, že v určitém okamžiku života buňky jsou tvořeny pouze určité molekuly RNA a následně určité typy proteinů. V buňkách se obvykle nachází jedno jádro, jehož velikost se nejčastěji pohybuje kolem 8 10 mm. Velikost jádra není stejná u všech buněk jednoho organismu je obvykle větší u meristematických buněk než u buněk dospělých. V průběhu ontogenese může jádro u některých specialisovaných buněk vymizet. U rostlin jsou takovými buňkami sítkové elementy, buňky, které zajišťují transport látek floémem. Občas se mohou u rostlin vyskytovat i vícejaderné buňky. Obvykle vznikají tak, že jaderná dělení nejsou následována děleními buněčnými, event. tak, že dojde k degradaci stěn a spojení buněk. U vyšších rostlin jsou typickými příklady vícejaderných buněk mnohé mléčnice nebo některé typy endospermu, alespoň v určité fázi vývoje (tzv. jaderný endosperm). Typickými vícejadernými útvary jsou také stélky některých řas (např. Caulerpa patřící mezi Chlorophyta). V buňkách apikálních meristémů, které nejsou výrazně vakuolizované, je jádro umístěno obvykle blízko středu buňky, je obvykle kulovité a zaujímá značnou část objemu buňky (až 30%, podle některých autorů i více). U dospělých, vakuolizovaných buněk bývá jádro často v nástěnné cytoplasmě, přitištěno ke stěně tlakem vakuoly; v tomto případě má obvykle čočkovitý tvar. I ve vakuolisovaných buňkách se ale může jádro nacházet mimo nástěnnou cytoplasmu; pokud jsou vytvořeny transvakuolární provazce, může se jádro nacházet v některém z nich. V dospělé rostlinné buňce je podíl objemu jádra na celkovém objemu buňky malý. Může se pohybovat i kolem 1%. Občas se v dospělých buňkách vyskytují i jádra zvláštních tvarů protáhlá, vřetenovitá, ledvinovitá, laločnatá aj. Není známo, co je příčinou vzniku těchto tvarů, ani zda mají nějakou funkci. Nová buněčná jádra vznikají dělením, které zajišťuje přesné rozdělení jaderné hmoty a tedy i dědičné informace do dceřiných jader. O dělení jádra pojednává kapitola Ontogenese rostlinné buňky. Jádro je tvořeno karyoplasmou (též nukleoplasmou), která je od cytoplasmy oddělena jaderným obalem (karyothekou neboli blánou jadernou). Nejvýznamnější složkou karyoplasmy je chromatin (z řeckého chroma, barva; název vychází z barvitelnosti chromatinu), který je tvořen rozvinutými chromosomy, jejichž identitu nelze v nedělícím se jádře postihnout. Chromatin je tvořen DNA, histonovými proteiny, a v nedělícím se jádře jsou s ním spojeny i molekuly RNA, vznikající transkripcí, a různé typy regulačních proteinů, např. transkripční faktory, které se vážou specificky na určité úseky DNA, které jsou umístěny před geny a umožňují transkripci. U eukaryotních buněk je jedna molekula DNA vždy veškerou DNA jednoho chromosomu, každý chromosom tedy obsahuje vždy jednu dvoušroubovici DNA. Natažená vlákna DNA ze všech chromosomů jednoho jádra mohou mít délku i několika metrů, přitom musí být schopna se složit tak, aby se vešla do jádra, jehož průměr se pohybuje nejčastěji kolem 10 mm. Sbalení DNA musí být tedy značné, přesto však musí být DNA přístupná všem enzymům a regulačním proteinům, které zajišťují replikaci, transkripci a opravy DNA. DNA v chromosomech může být sbalená do různého stupně. Prvním stupněm je vytvoření asi 11 nm silných vláken nukleofilament, která lze získat šetrnou isolací chromatinu z jader. Nukleofilamenta jsou tvořena nukleosomy, což jsou bílkovinné částice tvořené oktamerem ze čtyř dvojic různých basických proteinů, histonů, obtočené dvoušroubovicí DNA, která tvoří kolem oktameru necelé 2 otáčky, což představuje asi 150 párů nukleotidů. Tím se 2 nm silné vlákno DNA mění na vlákno o tloušťce 11 nm. Mezi nukleosomy jsou úseky samotné DNA. Pomocí dalšího histonu jsou jednotlivé nukleosomy spojeny. Pokud je toto spojení porušeno, vzniká útvar označovaný jako šňůra perel nebo též korálky na šňůrce. Nukleofilamenta se mohou dále různě stáčet a skládat a vytvářet různě silné struktury. Podstata těchto dalších způsobů kondensace chromatinu není dobře známa. Každopádně i v interfázovém jádře je úroveň sbalení chromatinu různá. V každém jádře lze rozlišit tzv. heterochromatin a euchromatin. V oblasti heterochromatinu zůstávají chromosomy i v nedělícím se jádře kondensované; tento chromatin není transkripčně aktivní. Euchromatin představuje tu část chromatinu, která může být transkripčně aktivní. Avšak i v euchromatinu jsou různě kondensované oblasti. Ty, které jsou nejméně kondensované, představují chromatin, který je v konkrétní buňce aktivně využíván. Ostatní části euchromatinu, které jsou více Obr. 26 Uspořádání chromatinu v jádře a nukleofilamentum složené z dvoušroubovice DNA obtáčející histonové oktamery, b a c další skládání nukleofilament v chromatinu 21

22 Rostlinná buňka kondensovány, představují tu část euchromatinu, která v konkrétní buňce není transkripčně aktivní, avšak může být aktivní v jiných buňkách, s jinou specializací nebo může být v určitých situacích aktivována. Míra kondensace chromatinu tedy ukazuje na transkripční aktivitu jádra. Maximálně kondensovanou strukturou jsou pak transportní chromosomy, které vznikají při jaderném dělení. Délka transportního chromosomu je asi x menší než délka jeho DNA v maximálně rozvinuté formě. Uvnitř jádra se nachází obvykle jedno až dvě jadérka. Jadérko se ve světelném mikroskopu jeví jako drobné, kulovité, silně světlolomné tělísko. Obsahuje úseky DNA s mnohonásobnými kopiemi genů pro vznik různých typů ribosomální RNA. Např. u pšenice je až kopií genů pro r RNA, což ukazuje na potřebu neustálého přísunu této RNA do ribosomů, jejichž životnost je velmi krátká, často jen několik hodin. Při jaderném dělení jadérko mizí a znovu se vytváří po jeho skončení, a to na zvláštních úsecích některých chromosomů, které obsahují geny pro tvorbu ribosomálních RNA. Obr. 27 Pohled shora na chromosomy v metafázi v diploidní buňce škardy sličné (Crepis pulchra) Homologní chromosomy jsou označeny stejným písmenem Obr. 28 Uspořádání chromosomů Vpravo vzhled chromosomu v metafázi, C centromera, S sekundární zaškrcení oddělující satelit Vlevo změny ve stavbě chromosomů během jaderného cyklu. 1 chromosom na počátku S fáze, na několika místech začíná replikace DNA, 2 konec S fáze a replikace DNA, 3 až 6 postupná spiralisace chromosomu od počátku profáze (3) až po metafázi (6), 7 rozdělení mateřského chromosomu na dva chromosomy dceřiné v anafázi, 8 despiralisace chromosomu v telofázi 22 Velikost jaderného genomu je velmi různá u různých organismů. Obsah DNA je vyjadřován tzv. hodnotou C, což je množství DNA na haploidní genom. Ten může být vyjadřován buď v pg (1 pg = g) DNA nebo počtem párů bází. Toto množství u různých organismů zdaleka nekoreluje se složitostí organismu. Např. genomy mnoha rostlin mají stejnou nebo i větší velikost než lidský genom. Navíc obsah DNA se může velmi lišit i mezi organismy, které nejsou evolučně příliš vzdálené. Pro ilustraci lidský genom má 3 x 10 9 párů bází, genom Arabidopsis 7 x 10 7 (patří k nejmenším rostlinným genomům), genom pšenice 1,6 x Rekordmanem mezi rostlinami je řebčík, Fritillaria assyriaca (Liliaceae) s 1 x párů bází. Vyjádříme-li hodnoty C v pikogramech na haploidní genom, jsou to hodnoty např. 1,6 pro tabák (Nicotiana tabacum), 7,5 pro kukuřici, ale třeba až více než 30 pro některé Liliaceae. Pro srovnání u prokaryotní Escherichia coli je to 0,04. Rozdíly mezi velikostí genomu jsou do značné míry ovlivněny přítomností tzv. nekódujících sekvencí DNA, kterých je v genomu eukaryotních buněk obvykle mnoho; o jejich funkci není mnoho známo. Počet chromosomů v jádře je druhově specifický a velmi různý. Diploidní počet chromosomů v jádře může být pouze 4 u pouštní jednoletky Haplopappus gracilis (nejmenší známý počet chromosomů u rostlin), 10 u Arabidopsis thaliana (dnes nejpoužívanější rostliny v molekulárně genetických studiích), 42 u pšenice Triticum aestivum, 48 u tykve Cucurbita maxima. Mimořádně vysoké počty mají některé kapradiny (např. u Ophioglossum reticulatum se uvádí 1260) Diploidní počet (dvě sady) chromosomů (2n) je typický pro zygotu vzniklou splynutím dvou pohlavních buněk (gamet) a pro buňky ze zygoty vzniklé, to jest u rostlin pro buňky sporofytu. U suchozemských rostlin (s výjimkou mechorostů) je diploidní počet ve většině buněk (podrobněji v kapitole Reprodukční orgány ). Pro gamety je typický poloviční, haploidní (z latinského haplus, jednoduchý) (n) počet, tedy jedna sada chromosomů. Zatímco u živočichů a některých řas jsou haploidní pouze gamety, u většiny rostlin je různé množství buněk vzniklých dělením gamet, které jsou také haploidní; jsou to buňky gametofytu. Jednotlivé druhy nejsou charakterizovány jenom počtem chromosomů. Jednotlivé chromosomy téhož jádra se mohou lišit velikostí, tvarem a polohou centromery, která dělí transportní chromosom na dvě, obvykle nestejně dlouhá ramena. Centromera je místo na chromosomu, které není barvitelné tak jako ostatní úseky chromosomu a proto se v obarveném chromosomu jeví jako zaškrcení (někdy se označuje také jako primární konstrikce). Centromera (z řeckého kentron, střed a meros, část) je místem, kam se připojují vlákna dělícího vřeténka při jaderném dělení. Další důležitou charakteristikou je počet a tvar tzv. SAT chromosomů. To jsou chromosomy, které obvykle blízko konce jednoho z ramen mají další nebarvitelnou oblast, která se rovněž jeví jako zaškrcení a označuje se jako sekundární konstrikce. Toto zaškrcení odděluje krátký úsek chromosomu označovaný jako satelit. Část chromosomu

23 oddělující satelit je místem, kde po skončeném dělení vzniká jadérko (proto se též nazývá organizátor jadérka). Počet, velikost a tvar chromosomů se označuje jako karyotyp. Karyotyp lze stanovit při dělení, a sice v metafázi, kdy jsou chromosomy maximálně kondensované. V haploidních jádrech jsou obvykle všechny chromosomy odlišné tvarově i velikostně; můžeme je označit např. X,Y,Z, je-li haploidní počet 3. Naproti tomu v diploidních jádrech jsou vždy dva a dva chromosomy stejného typu, např. X 1 a X 2, Y 1 a Y 2 a Z 1 a Z 2. Chromosomy stejného typu se označují homologní (též homologické) chromosomy; přitom jeden z dvojice vždy pochází ze samčí a druhý ze samičí gamety. Obr. 29 Přehled základních procesů v rostlinné buňce 1 tvorba proteinů na cytoplasmatických ribosomech a jejich transport do chloroplastu (2), peroxisomu (3), mitochondrie (4) a buněčného jádra (5). Z jádra ven probíhá transport m RNA. Uvnitř chloroplastu a mitochondrie probíhá tvorba proteinů na ribosomech těchto organel. 6 ER s připojenými ribosomy, vlevo transport váčků od ER k diktyosomu (7) a transport váčků od diktyosomu do vakuoly (8), vpravo anterográdní transport od ER, přes diktyosom (7) k plasmalemě (9), zde probíhá exocytosa (10), 11 endocytosa, transport váčků do vakuoly (8) nebo k diktyosomu (7) Na povrchu jádra je jaderný obal tvořený dvě ma membránami patř ícími k endomembránovému systému buňky. Mezi tě mito membránami je neprotoplasmatický prostor, tzv. perinukleární prostor. Vnější membrána jaderného obalu vybíhá v ER, takže perinukleární prostor je propojen s lumen ER. Na povrchu vnější membrány mohou být ribosomy, může tedy mít charakter drsné membrány. Jaderný obal je perforovaný, obsahuje tzv. jaderné póry. V oblasti jaderných pórů jsou spolu obě membrány jaderného obalu spojeny. Průměr jaderných pórů je asi 50 až 70 nm. Nejsou ale pouhými otvory, jsou komplikovanou strukturou, která umožňuje regulovaný transport velkých molekul. Uvnitř póru je složitý komplex proteinů, tzv. komplex jaderného póru, který reguluje transport pórem. Odhaduje se, že je tvořen více než stovkou proteinů - nukleoporinů. Z jádra do cytoplasmy je transportována mrna, trna a prekursory ribosomálních podjednotek, opačným směrem putují bílkoviny určené pro jádro např. histony, enzymy pro jaderné pochody RNA polymerasy, DNA polymerasy, proteiny, které se spojují s ribosomální RNA, proteiny regulující buněčný cyklus, transkripční faktory a další. Transport makromolekul je selektivní a energeticky velmi náročný. Na transportu do jádra se podílí cytoskelet, zřejmě jak mikrotubuly, tak i aktinová filamenta. Vnitřní membrána jaderného obalu je spojena s chromosomy. Uvažuje se, že připojení může zprostředkovávat, obdobně jako u živočichů, jaderná lamina, bílkovinná síť tvořená intermediárními filamenty, avšak jednoznačný důkaz chybí. Jaderný obal se rozpadá při jaderném dělení a tvoří se opět po jeho skončení. Buněčná stěna Buněčná stěna je typická součást naprosté většiny rostlinných buněk nacházející se vně plasmalemy. Pohled na význam buněčné stěny prodělal v posledních letech významné změny, od názorů, které byly vyjadřovány např. tvrzením, že buněčná stěna je neživá vyloučenina protoplastu, až k dnešní představě stěny jako sice neprotoplasmatického, přesto však důležitého kompartmentu buňky, jejíž je dynamickou součástí. Buněčná stěna je fyzicky propojena s protoplastem např. přes integrální proteiny plasmalemy s cytoskeletem nebo s ER. Toto fyzické propojení se odráží i v propojení funkčním. Stěna se účastní buněčného metabolismu, podílí se na regulaci růstu a morfogenese (z řeckého morphos, tvar a genos původ, vznik) buňky, hraje významné role v interakci rostlin s faktory prostředí a ve vzájemné komunikaci mezi buňkami. Specializace buněk je obvykle doprovázena změnami, modifikacemi stěny. 23

24 Rostlinná buňka Buněčnou stěnu mají téměř všechny rostlinné buňky. U cévnatých rostlin jsou jedinými výjimkami některé buňky spojené s rozmnožováním (např. spermatozoidy či spermatické buňky). Buněčná stěna často plní v rostlinách důležité funkce i po odumření protoplastu. Mrtvými buňkami jsou např. cévní elementy, vodivé dráhy xylému, pro které je odumření protoplastu dokonce podmínkou pro jejich funkci, dále pak buňky korku nebo mnohé buňky sklerenchymu. U dřevin tvoří stěny buněčné převážnou část hmoty těla rostliny vzhledem k vysokému podílu mrtvých buněk v xylému a v borce. Funkce stěny 1. Udržuje tvar rostlinných buněk. Po jejím šetrném odstranění protoplasty všech rostlinných buněk zaujímají kulovitý tvar. 2. Dodává buňce pevnost. Je nezbytná pro buňky s vakuolou, které často existují v hypotonickém prostředí. Je schopna odolávat vysokým hydrostatickým tlakům. (podrobněji viz kapitola Rostlinná buňka jako osmotický systém ). Protoplasty získané odstraněním stěny jsou schopné existovat jen v isotonickém roztoku, tedy v roztoku, jehož osmotická hodnota je stejná jako hodnota buněčné šťávy. 3. Chrání buňku před mechanickými vlivy, ztrátou vody, patogeny apod. 4. Spojuje buňky do pletiv. Zabraňuje klouzání buněk od sebe, což může probíhat u buněk živočišných. Toto omezení pohybu buněk ovlivňuje způsob, jak rostliny utvářejí své orgány. Dojde-li k narušení stěny, zejména střední lamely, dochází k maceraci, uvolnění buněk. K maceraci dochází v přirozených podmínkách např. při zrání dužnatých plodů. Je možné ji využít i experimentálně k získání jednotlivých buněk. 5. Stěna je významná pro transport látek. Ty mohou být transportovány buď přímo mikrokapilárními prostory mezi jednotlivými složkami buněčné stěny (tzv. apoplastem), nebo symplastem pomocí plasmodesmů, plasmatických spojů, procházejících stěnou a propojujících sousední buňky. 6. Podílí se významně na regulaci růstu a vývoje buněk, především na regulaci směru dělení a směru růstu buněk a na vzniku jejich konečného tvaru. Díky stěně je vyloučen pohyb buněk a buňky jsou od počátku svého vzniku pevně fixovány v určitém místě organismu; vývoj tvaru rostlinných orgánů tak závisí na směru tvorby přepážky při dělení a na směru růstu buněk. Podrobnosti v kapitole Ontogenese rostlinné buňky. 7. Má důležité funkce v přenosech signálů. Z polysacharidů stěny se mohou uvolňovat signální molekuly např. po ataku patogena, které spouštějí obranné reakce rostliny, stěna se podílí na vnímání tlakových změn, probíhá v ní transport signálních molekul, a to symplastem i apoplastem. 8. Může mít zásobní funkce. U některých semen se do stěny ukládají zásobní polysacharidy, např. mannany, galaktomannany, glukomannany a další, které jsou při klíčení rozkládány. Ukládání reservních polysacharidů do stěn je typické pro mnohé palmy např. datlovou palmu, Phoenix dactylifera, dále pro kávovník (Coffea arabica), sesam (Sesamum indicum), mnohé Fabaceae a další. Je také důležitou zásobárnou vápenatých iontů. Stěna buněčná vzniká již při dělení buňky. To je u rostlin přehrádečné; přepážka, která vzniká při dělení, je společná oběma dceřiným buňkám. Je to tzv. střední lamela. Na ni se ukládají ze stran obou sousedních buněk primární stěny, které jsou lokalizovány vždy mezi plasmalemou a střední lamelou. Střední lamela tak drží pohromadě primární stěny obou sousedních buněk. Je složena převážně z pektinů, které se pro tuto funkci obzvláště dobře hodí, protože mají, zejména pokud jsou vázány s ionty vápenatými, povahu gelů. Schopnosti pektinů tvořit gely se využívá např. při přípravě džemů a marmelád. Primární stěna je typickou stěnou dělících se a rostoucích buněk, ale je jedinou vrstvou stěny i u řady buněk dospělých, např. u buněk parenchymu. Je často velmi tenká, její tloušťka se nejčastěji pohybuje mezi 1 až 3mm, může však být pouze 0,1 mm. V některých případech však i primární stěna může být relativně tlustá, např. u buněk kolenchymu nebo u mnohých buněk epidermis prýtu. Po skončení růstu buňky se na ni může u některých specializovaných buněk ukládat sekundární stěna, která se ukládá rovněž dostředivě, tedy mezi primární stěnu a plasmalemu. Sekundární stěna bývá často velmi tlustá. U buněk 24 Obr. 30 Buněčná stěna A buňka s primární stěnou, B buňka se sekundární stěnou 1 lumen buňky, 2 střední lamela, 3 primární stěna, 4 sekundární stěna (tečkovaná)

25 se silnou vrstvou sekundární stěny je často obtížné rozlišit mezi střední lamelou a primární stěnou, takže se z praktických důvodů komplex střední lamely a dvou sousedních primárních stěn nazývá složená střední lamela. Buněčné stěny rostlinných buněk obsahují jako hlavní složku polysacharid celulosu. Kromě celulosy pak stěny obsahují řadu dalších polysacharidů (hemicelulosy, pektiny) a řadu strukturních proteinů, enzymů a regulačních proteinů. U specializovaných typů buněk se ve stěnách vyskytují různé typy impregnujících látek jako např. lignin, suberin, kutin, vosky, křemičitany a další. Složení buněčných stěn a uspořádání jednotlivých složek může být značně rozmanité. Rozdíly najdeme mezi primární a sekundární stěnou, dále mezi buněčnými stěnami u různých taxonomických skupin rostlin, mezi typy buněk v různých pletivech a jemné rozdíly mohou existovat i mezi oblastmi stěny jedné buňky. Krom toho složení stěny není neměnné. Může se měnit nejen v průběhu růstu a vývoje buňky, ale ke změnám může docházet i u dospělých rostlinných buněk. Nejlépe je v současné době známo složení primárních stěn buněk krytosemenných rostlin. Základní složky stěny buněčné - shrnutí celulosa 1,4 b D glukan, lineární molekula s tendencí tvořit svazky, mikrofibrily, spojené vodíkovými vazbami; dodává stěně pevnost a určuje směr růstu buňky hemicelulosy skupina polysacharidů, nejčastější jsou xyloglukany. Hlavní funkcí je propojení celulosových mikrofibril, účastní se růstu stěny pektiny skupina polysacharidů s četnými postranními řetězci. Obsahují uronové kyseliny, jejichž COOH skupiny dodávají stěně negativní náboj. Regulují velikost pórů ve stěně a ovlivňují transport iontů a polárních molekul strukturní proteiny mnohé typy s různými funkcemi. Nejznámější je extensin protein bohatý na hydroxyprolin, který zpevňuje stěnu a podílí se na ukončení růstu stěny impregnující látky - lignin, suberin, kutin, vosky, křemičitany aj. modifikují funkce stěny specialisovaných buněk. Zvyšují pevnost stěny, jsou ochranou proti patogenům, před ztrátami vody apod. Chemické složení a architektura primární stěny Stavební princip primární stěny je stejný u všech vyšších rostlin. Stěny vždy obsahují dlouhé vláknité útvary velmi pevné v tahu, které jsou uloženy v amorfní matrix. Vláknité útvary jsou u rostlin tvořené celulosou, jejíž obsah v primární stěně je nejčastěji kolem 20%. Amorfní hydratovaná matrix je tvořena polysacharidy dvou odlišných skupin, a sice hemicelulosami a pektiny, s malou příměsí strukturních bílkovin. Toto uspořádání dodává stěně jak pevnost, tak i pružnost, ohebnost. Zatímco celulosové mikrofibrily jsou v primárních stěnách všech semenných rostlin stejné, složky matrix mohou být odlišné. Krytosemenné rostliny lze rozdělit do dvou skupin právě podle složení stěnové matrix. Jednu skupinu tvoří všechny dvouděložné rostliny a zhruba polovina jednoděložných (např. Liliaceae, Iridaceae). Druhou, méně početnou, skupinu tvoří zbývající část jednoděložných rostlin (např. Poaceae, Cyperaceae, Bromeliaceae). V literatuře jsou jejich stěny označovány jako typ I a typ II. Celulosa je polysacharid, (1 4 b D- glukan) s empirickým vzorcem (C 6 H 10 O 5 ) n. Vazba b způsobuje, že každý následující glukosový zbytek je otočen oproti předcházejícímu o 180 o, takže stavební jednotkou celulosy není přesně vzato glukosa, ale disacharid celobiosa. Molekuly celulosy jsou v důsledku toho ploché, stužkovité. Nejsou větvené a nikdy se ve stěně nevyskytují samostatně, ale v dlouhých cylindrických svazcích mikrofibrilách (z řeckého mikros, malý a lat. fibrilla, vlákénko). Obr. 31 Polysacharidy buněčné stěny I nahoře schéma celulosové mikrofibrily, vlákna představují jednotlivé molekuly celulosy, 1 krystalická část 2 parakrystalická část, uprostřed detail krystalické části mikrofibrily, dole spojení dvou molekul celulosy vodíkovými vazbami V primární stěně krytosemenných rostlin je nejčastěji 36 molekul celulosy na jednu mikrofibrilu. Jaké je přesné uspořádání mikrofibril není zcela přesně známo. Podle jednoho z nejběžnějších modelů jsou celulosové makromolekuly v mikrofibrilách uloženy paralelně a jsou v některých oblastech mikrofibril spojeny vodíkovými vazbami (vodíkovými můstky). Uspořádání těchto oblastí mikrofibril je velmi pravidelné a svými vlastnostmi 25

26 Rostlinná buňka odpovídá krystalu. Krystalické domény mikrofibril jsou propojeny méně organizovanými oblastmi, tzv. parakrystalickými. Délka molekul celulosy je velmi variabilní a údaje v literatuře se dosti značně rozcházejí. Uváděny bývají stovky až více než glukosových jednotek. Přitom délka molekul celulosy a délka mikrofibril nejsou identické. Mikrofibrily jsou mnohem delší než nejdelší molekuly celulosy a uvažuje se i o možnosti, že obtáčejí celou buňku. Struktura mikrofibrily bývá někdy přirovnávána k niti vzniklé z jednotlivých vláken např. bavlny. Důležité pro vlastnosti mikrofibril je, že jednotlivé molekuly celulosy začínají a končí na různých místech mikrofibrily. To, spolu s pravidelným uspořádáním mikrofibril, způsobuje jejich značnou pevnost. Pevnost mikrofibril v tahu dosahuje 50 až 160 kg.mm -2, což jsou hodnoty odpovídající ocelovým vláknům. Síla mikrofibril je schopna odolat i značným turgorovým tlakům, které vznikají jako důsledek nerovnováh mezi osmotickou hodnotou buněčné šťávy a roztoku mimo buňku (v buněčné stěně, či ve vnějším prostředí). Celulosa je chemicky velmi stabilní, nerozpustná, a odolná vůči rozkladu. Celulosové mikrofibrily mohou být ve stěně různě uspořádány. Často jsou uložené paralelně, vytvářejí spirály o různém stoupání, nebo vytvářejí nepravidelně uspořádanou síť. Celulosa je nejhojnější organickou složkou biosféry; její roční produkce se odhaduje na 1 11 až tun. Hemicelulosy. V běžnějším typu I stěny jsou typickými hemicelulosami xyloglukany (XG). Jejich obsah ve stěně je přibližně stejný jako obsah celulosy, tj. pohybuje se kolem 20 až 25%. Jsou to polysacharidy, které mají základní řetězec podobný celulose, tvořený glukosami, na který se v určitých vzdálenostech vážou krátké postranní řetězce tvořené xylosou, případně ještě některými dalšími sacharidy (galaktosou aj.). XG se vážou svými nevětvenými částmi glukanových řetězců pevně na povrch celulosových mikrofibril vodíkovými vazbami. Molekuly XG se mohou vázat s více mikrofibrilami, i vzájemně mezi sebou. Celulosové mikrofibrily a XG tvoří ve stěně společnou síť, s poměrně velkými prostory mezi jednotlivými makromolekulami. Díky spojení s XG jsou mikrofibrily udržovány v určitém postavení ve stěně. Na druhou stranu přerušení těchto spojů umožňuje oddalování mikrofibril a růst stěny (podrobněji v kapitole Ontogenese rostlinné buňky ). Molekuly XG jsou pružné a podílejí se na elasticitě buněčných stěn. Pektiny. Další důležitou skupinou polysacharidů jsou pektiny. Jedná se o směs většinou větvených silně hydratovaných polysacharidů bohatých na galakturonovou kyselinu, spolu s dalšími cukry (především rhamnosou). Pektiny tvoří ve stěně trojrozměrnou síť, která je propletena se sítí tvořenou celulosou a XG. V primární stěně typu I se pektiny vyskytují ve velkém množství, které se pohybuje nejčastěji kolem 30 až 35 %, může však dosahovat až 50%. Pektiny částečně vyplňují prostory v síti celulosových mikrofibril a XG. Jsou tak významné pro ovlivnění velikosti pórů v buněčné stěně. Nejjednodušším zástupcem pektinů je kyselina polygalakturonová (PGA), homopolymer tvořený pouze galakturonovou kyselinou. Kromě ní se vždy vyskytuje rhamnogalakturonan, polysacharid, obsahující galakturonovou kyselinu spolu s rhamnosou, na kterou jsou vázány postranní řetězce neutrálních cukrů arabinany, galaktany, arabinogalaktany. Pektiny jsou díky kyselině galakturonové kyselé, skupiny COOH kyseliny galakturonové jsou schopné disociovat a dodávat stěně záporný náboj. Díky náboji jsou výrazně hydratované a schopné interagovat se s kationty. Pektinové řetězce tvořené PGA se mohou spojovat Ca můstky a vytvářet gely. Obr. 33 Model primární buněčné stěny 1 celulosová mikrofibrila, 2 hemicelulosa (xyloglukan), 3 řetězce pektinu polygalakturonové kyseliny spojené vápníkovými můstky, 4 pektin rhamnogalakturonan, 5 postranní řetězce pektinů 26 Obr. 32 Polysacharidy buněčné stěny II nahoře část molekuly xyloglukanu uprostřed část molekuly polygalakturonové kyseliny dole část molekuly rhamnogalakturonanu Gl glukosa, Xy xylosa, Ga galaktosa, Fu fucosa, GaU galakturonová kyselina, Rh rhamnosa Velikost pórů je ovlivněna jednak množstvím a rozložením postranních řetězců, jednak množstvím Ca můstků, které stahují části molekul k sobě. Tím, že nesou elektrický náboj ovlivňují pohyb iontů stěnou a rovněž ovlivňují ph ve stěně. COOH skupiny však mohou být metylovány, čímž se maskuje jejich kyselý charakter a tím i schopnost tvořit můstky a interagovat s kationty. Poměr metylovaných a nemetylovaných skupin tak významně ovlivňuje charakter stěny a může být regulován. Vedle zmíněného homogalakturonanu se ve stěnách ještě v malém množství vyskytuje jiný typ

27 rhamnogalakturonanu, charakteristický tvorbou borátových můstků svazujících jeho řetězce. O jeho funkci je málo známo, předpokládá se však důležitost pro mechanické vlastnosti (pevnost) stěny a v signalizaci, protože mutanty bez těchto polysacharidů vykazují abnormality růstu. Stěna typu II se liší od typu I tím, že obsahuje jen velmi málo pektinů (obvykle 2 3%) a má jiný typ hemicelulos provazujících celulosové mikrofibrily. Hlavním typem hemicelulos ve stěně těchto rostlin jsou glukuronoarabinoxylany (GAX), polysacharidy, které mají xylanovou páteř (řetězec xylos), na který jsou navázány v určitých místech buď arabinosa nebo kyselina glukuronová. Xylanové části se mohou vázat vodíkovými můstky na povrch celulosy a fungují obdobně jako XG ve stěně typu I. Glukuronová kyselina, která má karboxylové skupiny schopné disociovat, dodává GAX některé vlastnosti pektinů. Zmíněné stěnové polysacharidy patří mezi nejhojnější, zdaleka však nejsou jediné. V obou typech stěn se nachází řada dalších polysacharidů, obvykle v malých množstvích. Mohou mít obdobné funkce jako majoritní polysacharidy, ale u mnohých jejich funkce nejsou známy. Stěnové proteiny. Další důležitou složkou stěny jsou proteiny. Ve stěnách jsou proteiny dvojího typu - strukturní proteiny a dále pak enzymy a proteiny s regulačními funkcemi. Problém je, že u řady proteinů, které byly ve stěnách identifikovány víme jen velmi málo o jejich funkcích. Velmi často se jedná o glykoproteiny, tedy proteiny vázané s polysacharidy. Pro mnohé stěnové proteiny je také charakteristické, že obsahují velké množství určitých aminokyselin, např. hydroxyprolinu, prolinu, glycinu. Mezi nejlépe poznané patří extensiny, skupina proteinů bohatých na hydroxyprolin. Tyto proteiny zpevňují buněčnou stěnu. Tvoří se často jako reakce na poranění, na atak patogenů a jsou pravděpodobně složkou stěny, která může zpevnit stěnu a ukončit její růst. Zvláštním typem stěnového polysacharidu je kalosa, která se vyskytuje ve stěnách v různých funkcích. Kalosa je 1 3 b D- glukan, je tedy stejně jako celulosa složena z glukos, které jsou ale vázány jiným typem vazby. Kalosa se v prvé řadě vyskytuje při dělení buněk jako dočasná součást buněčné desky, ze které v určité fázi vývoje přehrádky mezi buňkami mizí. Kalosa se také vyskytuje ve vodivých elementech floému (sítkových elementech) v místech pórů spojujících tyto buňky mezi sebou. Nachází se také poblíž plasmodesmů, v rostoucí pylové láčce, při tvorbě pylových zrn atd. Transportní funkce stěny Apoplastický transport Buněčná stěna je přes svoji pevnost tvořena sítí makromolekul, mezi nimiž je labyrint úzkých kanálků, jejichž velikost je nejčastěji od 4 nm do necelých 7 nm. Tyto kanálky jsou vzájemně propojené nejenom v rámci buněčné stěny jedné buňky, ale i v rámci celých pletiv nebo jejich částí. Do těchto kanálků může vstupovat voda, která tvoří kolem 60% čerstvé hmotnosti primární stěny. Kromě vody mohou těmito kanálky procházet i menší molekuly (monosacharidy, oligosacharidy, aminokyseliny, fytohormony, malé peptidy aj.) a ionty. Protoplast rostlinné buňky je tedy obklopen vodným prostředím uvnitř buněčné stěny. Kontinuum takto propojených prostorů uvnitř buněčných stěn se označuje jako apoplast. Apoplastem mohou být látky transportovány jednak napříč stěnou k povrchu protoplastu, ale i v rámci celého kontinua vzájemně propojených stěn. Nepolární molekuly bez elektrického náboje se mohou stěnou pohybovat volně, pokud jsou menší než velikost pórů. Pohyb iontů je ovlivněn kromě jejich velikosti (včetně jejich hydratačního obalu) i interakcí s fixovanými elektrickými náboji stěny, které představují především disociované karboxylové skupiny pektinů, případně disociované karboxylové skupiny či aminoskupiny proteinů. Rovněž pohyb polárních molekul, jako jsou např. molekuly vody, je ovlivněn působením fixovaných elektrických nábojů; volně se apoplastem pohybují pouze mimo jejich dosah. Symplastický transport Symplastický transport je transport skrz plasmodesmy. Plasmodesmy jsou kanálky, které procházejí buněčnou stěnou a propojují protoplasty sousedních buněk. Tyto kanálky mají Obr. 34 Transport látek buněčnou stěnou 1 střední lamela, 2 primární buněčná stěna, 3 plasmalema, 4 mezibuněčná prostora, 5 plasmodesmus 27

28 Rostlinná buňka Obr. 35 Stavba plasmodesmu 1 střední lamela, 2 primární buněčná stěna, 3 plasmalema, 4 lumen ER průměr 40 až 50 nm a na 1 μm 2 stěny připadá nejčastěji 0,1 až 10 plasmodesmů. V přepočtu na plochu stěny 20 x 10 μm (což může být jedna stěna např. buňky apikálního meristému) to může být plasmodesmů, které mohou zaujímat i více než 1% plochy stěny. Kanálky plasmodesmů jsou lemovány plasmalemou, která je spojená s plasmalemou sousedních buněk. Středem plasmodesmu vyšších rostlin prochází trubicovitý útvar desmotubulus, který je propojený s ER sousedních buněk. Mezi plasmalemou a desmotubulem je oblast cytoplasmy, tzv. cytoplasmatický rukáv. Jak na povrchu desmotubulu tak na povrchu plasmalemy jsou v plasmodesmu pozorovatelné bílkovinné globulární částice, mezi nimiž jsou příčné spojky. Zřejmě se jedná o aktin a myosin, jejichž přítomnost v plasmodesmech byla prokázána. Plasmodesmy jsou dráhy umožňující přímý transport mezi buňkami. Maximální velikost molekul, která může být plasmodesmem transportována je označována jako limit propustnosti (SEL, z anglického Size Exclusion Limit). Běžně jsou skrze plasmodesmy transportovány malé molekuly jako je voda, oligosacharidy, aminokyseliny, malé signální molekuly aj. obvykle do velikosti asi Da, což odpovídá velikostem molekul do 1,5 až 2 nm. Jsou transportovány skrze otvory mezi proteinovými spojkami v cytoplasmatickém rukávu. Druhou možností, která však je stále předmětem debat, je možnost transportu vnitřním prostorem desmotubulu. Vzhledem k tomu, že membrány jsou v desmotubulu silně svinuté, považuje se tento transport za málo pravděpodobný. Transport skrze plasmodesmy však není jen pasivní a daný pouze velikostí molekuly. Rychlost transportu, ale i velikost a typ transportovaných molekul se může měnit jak v závislosti na vnitřních faktorech, tak jako odpověď na vnější podněty. Plasmodesmy jsou schopné se i uzavírat nebo naopak otevírat a měnit svoji propustnost. Dnes je prokázáno, že skrze plasmodesmy se mohou specifickými transportními mechanismy v určitých typech buněk pohybovat proteiny, RNA a mohou se tudy šířit i virové částice. Buňky propojené plasmodesmy se označují jako symplast a transport skrze plasmodesmy jako symplastický transport. Většina buněk rostlinných těl je plasmodesmy spojena. Protoplasma mnohobuněčných rostlin tak tvoří souvislý celek. Spojení se nevytváří mezi buňkami sporofytu a gametofytu a v některých případech mohou vytvořené plasmodesmy zmizet (např. mezi svěracími buňkami průduchů a jejich sousedními buňkami). Avšak i když jsou plasmodesmy zachovány, může symplast procházet během vývoje reorganizací, při níž může dojít k isolaci některých oblastí rostlinného těla nebo k omezení transportu mezi některými oblastmi, které pak obvykle vede k změně vývojového programu v této oblasti rostliny. Plasmodesmy mohou vznikat dvojím způsobem. Tzv. primární plasmodesmy vznikají při dělení buňky, kdy už vznikající přepážka není celistvá, ale zůstávají v ní četné otvory, ve kterých jsou zachyceny části ER. Tzv. sekundární plasmodesmy vznikají tak, že dojde k proděravění již vytvořené stěny. Tyto plasmodesmy mohou zvyšovat množství plasmodesmů ve stěnách sesterských buněk, ale mohou se tvořit i mezi buňkami nepříbuznými, jejichž stěny se dostaly do kontaktu při růstu buněk. Mohou se tvořit i mezi buňkami pocházejícími z různých organismů (např. mezi buňkami roubu a podnože nebo parasita a hostitele). Plasmodesmy bývají často lokalizovány ve shlucích (políčka plasmodesmů) na místech, kde je stěna obvykle tenčí (ztenčenina primární stěny). Není to však pravidlem. V evoluci vznikly plasmodesmy zřejmě v souvislosti se vznikem mnohobuněčných organismů, s nutností komunikace mezi buňkami a zároveň s nutností vytvářet specializované oblasti buněk. Jsou přítomny nejen u suchozemských rostlin, ale i u různých skupin mnohobuněčných řas a u hub. Struktury podobné plasmodesmům jsou i mezi buňkami u složitějších kolonií řas (např. váleč, Volvox). Určitá obdoba plasmodesmů existuje i u buněk živočišných, u kterých existují tzv. mezerové spoje (gap junction), kde jsou v přitištěných membránách dvou sousedních buněk kanálky umožňující transport látek přibližně stejné velikosti jako u běžných plasmodesmů (tj. do hmotnosti asi Da). V české literatuře se názvy těchto propojení mezi buňkami používají velmi nejednotně. Velmi často se používá v množném čísle termínu plasmodesmata, evidentně převzatého z anglické literatury, což by znamenalo, že v jednotném čísle bychom měli říkat to plasmodesma. Domníváme se, že tento termín je používán nesprávně. Podíváme-li se do starší české literatury, psané autory, kteří ještě měli klasické vzdělání (např. učebnice prof. Němce nebo prof. Černohorského), nacházíme v množném čísle vždy plasmodesmy a v jednotném čísle vždy mužský rod, a to obvykle tvar plasmodesmos, odvozený ze dvou řeckých slov. Tím prvním je plasma (stvoření, útvar), tím druhým je desmos (pojítko, spojení). Používáme proto zásadně mužský rod, obvykle ve versi odvozené z latiny, a to buď plasmodesmus nebo plazmodezmus. V každém případě by se přejatá podstatná jména z řečtiny či latiny, končící na us nebo os měla skloňovat podle vzoru hrad. Sekundární stěna Sekundární stěna se ukládá u některých specializovaných rostlinných buněk, a to především u mechanických pletiv (např. sklerenchym) nebo u buněk specialisovaných na transport vody (vodivé elementy xylému). Ukládá se poté, co buňka nebo její tloustnoucí část přestane růst. Ukládá se dostředivě, mezi primární stěnu a plasmalemu a zmenšuje tak, někdy velmi výrazně, vnitřní prostor (lumen) buňky. Může být velmi tlustá, často se zřetelnou 28

29 vrstevnatostí. Chemické složení sekundární stěny a uspořádání jednotlivých složek se značně liší od primární stěny. Podíl celulosy na stavbě sekundární stěny je výrazně vyšší. Pohybuje se od 40% výš a může dosahovat i přes 90 % (např. trichomy osemení bavlníku, Gossypium hirsutum). Celulosové mikrofibrily sekundární stěny jsou výrazně tlustší a delší než mikrofibrily primární stěny. V sekundární stěně jsou nejčastějšími hemicelulosami xylany (u krytosemenných rostlin) a glukomannany (u nahosemenných rostlin). I tyto hemicelulosy jsou schopny se pevně vázat na povrch celulosových mikrofibril. Obsah pektinů v sekundární stěně je minimální, rovněž proteiny se vyskytují málo a jsou odlišné od proteinů primární stěny. Prostory mezi složkami sekundární stěny jsou menší než v primární stěně, což omezuje apoplastický transport v sekundární stěně. Přes výrazné tloustnutí si sekundární stěna, pokud není dále modifikována, zachovává určitou míru pružnosti. Sekundární stěna se může ukládat více méně rovnoměrně na celý vnitřní povrch primární stěny (např. u buněk sklerenchymu) nebo pouze na určité oblasti primární stěny (vodivé elementy xylému). Pokud je sekundární stěna hodně silná, je možné v ní rozlišit tři vrstvy, označované S 1, S 2 a S 3. Odlišit tyto vrstvy je možné podle orientace celulosových mikrofibril. Ty jsou orientovány spirálovitě a stoupání spirály je v každé vrstvě jiné. Vrstvy S 1 a S 3 jsou tenké, zatímco S 2 je velmi tlustá. I v případech rovnoměrného ukládání sekundární stěny v ní však zůstávají malá neztloustlá místa, kde je vytvořena pouze primární stěna. Tato neztloustlá místa jsou v české literatuře nepřesně, avšak běžně, nazývána ztenčeniny. Ve starší literatuře se můžeme setkat i s termínem tečky, který vznikl z toho, že při pohledu z plochy se tato místa při malém zvětšení jevila jako tečky ve stěně. Ztenčeniny vznikají obvykle v místech, kde jsou v primární stěně soustředěny plasmodesmy, takže kontinuita symplastu nemusí být přerušena ukládáním sekundární stěny, pokud protoplasty sousedních buněk zůstávají živé. Ztenčeniny mohou mít různý tvar a strukturu. Obvykle se vytvářejí proti sobě ve stěnách sousedních buněk a tvoří pár. Ztenčenina tedy vytváří dutinu, která na jedné straně sousedí s primární stěnou, na druhé se otevírá do lumen buňky. Dutiny dvou protilehlých ztenčenin jsou tak odděleny přepážkou tvořenou střední lamelou a dvěma primárními stěnami sousedících buněk. Existují dva základní typy ztenčenin jednoduché a dvůrkaté. Jednoduché ztenčeniny mají přibližně stejný průměr po celé délce dutiny. Není-li sekundární stěna příliš ztloustlá, má dutina vzhled prohlubně; je-li hodně tlustá, má dutina tvar úzkého kanálku a může docházet i ke splývání sousedních kanálků. Stavba dvůrkatých ztenčenin je mnohem složitější. U dvůrkatých ztenčenin se sekundární stěna klene přes oblast primární stěny a ohraničuje tak dutinu; na vrcholu klenby tvořené sekundární stěnou zůstává otvor. Dutina mezi klenbou sekundární stěny a primární stěnou se označuje jako dvůrek. Ten na jedné straně sousedí s primární stěnou, na druhé straně se otevírá do lumen buňky otvorem v klenbě sekundární stěny. Zvláštní typ dvůrkatých ztenčenin se tvoří ve stěnách tracheid sekundárního xylému nahosemenných rostlin. U těchto ztenčenin je primární stěna v oblasti dvůrku zvláštním způsobem modifikována. Její střední část, tzv. torus, je mírně ztloustlá a velmi kompaktní. Průměr toru je větší než průměr otvoru v klenbě dvůrku. Mezikruží mezi okrajem toru a okrajem celé ztenčeniny se nazývá margo. To je tvořeno radiálně uspořádanými celulosovými mikrofibrilami s velkými prostorami mezi nimi. Jednoduché ztenčeniny jsou charakteristické např. pro sklereidy, sklerenchymatická vlákna nebo parenchymatické buňky se ztloustlou stěnou. Dvůrkaté ztenčeniny se vyskytují v cévních elementech. Impregnace buněčné stěny Obr. 36 Ztenčeniny v sekundární buněčné stěně A jednoduchá ztenčenina, B dvůrkatá ztenčenina, C dvůrkatá ztenčenina z tracheid nahosemenných rostlin. Vpravo vždy řez ztenčeninou, vlevo pohled shora 1 střední lamela, 2 primární stěna, 3 sekundární stěna Vlastnosti buněčných stěn různých specializovaných buněk mohou být pozměněny ukládáním dalších organických nebo anorganických sloučenin. Ty se mohou ukládat buď do prostorů uvnitř stěny nebo na povrch existující stěny. Česká literatura, zejména starší, někdy rozlišuje ukládání organických sloučenin jako impregnaci a ukládání anorganických sloučenin jako inkrustaci. Nejčastějšími organickými polymery, které impregnují buněčné stěny jsou lignin, suberin a kutin. Poslední dva jmenované polymery jsou vždy ještě kombinovány s vosky. Lignin, suberin a kutin jsou typické pro terestrické rostliny, kterým umožňují řadu funkcí spojených s tímto způsobem života. V prvé řadě zvyšují mechanickou pevnost rostlinného těla a omezují nekontrolovaný pohyb látek stěnou, včetně nekontrolovaného výdeje vody z rostlinného těla. Vyskytují se u všech suchozemských rostlin s výjimkou mechorostů. Jsou to heteropolymery, složené z více druhů základních monomerních jednotek. Poměr mezi těmito jednotkami, které mohou být navíc vázány různými typy vazeb, je velmi různý, což se projevuje i na vlastnostech těchto polymerů. Proto by bylo správnější mluvit o ligninech, suberinech a kutinech. Lignin (ve starší literatuře též dřevovina) je po celulose nejhojnější organická sloučenina biosféry. Je to složitý 29

30 Rostlinná buňka amorfní bezbarvý, výrazně větvený heteropolymer. Jeho základními složkami jsou tři různé alkoholy s aromatickým jádrem (tzv. skořicové alkoholy neboli monolignoly), a sice p-kumarylalkohol, koniferylalkohol a sinapylalkohol. Vzájemný poměr těchto stavebních jednotek se liší jednak mezi taxonomickými skupinami rostlin, ale i mezi různými typy pletiv téhož druhu a dokonce i mezi jednotlivými oblastmi stěny. Např. v sekundárním xylému nahosemenných rostlin převažuje koniferylalkohol, zatímco u dvouděložných se vyskytuje koniferylalkohol spolu se sinapylalkoholem. U jednoděložných rostlin byly nalezeny v přibližně stejných množstvích všechny tři alkoholy (toto srovnání ale nemusí být přesné, protože u jednoděložných rostlin neexistuje sekundární xylém a rozbory nejsou dělány z obdobného materiálu jako u předešlých dvou skupin). Monolignoly vznikají z prekursorů tvořených v tzv. šikimátové dráze, která vede k tvorbě fenolických látek, včetně aromatických aminokyselin fenylalaninu a tyrosinu, z nichž posléze, po odstranění aminoskupiny, vznikají prekursory monolignolů. Monolignoly jsou syntetizovány v cytoplasmě, odkud jsou transportovány do buněčné stěny, kde jsou enzymaticky (činností peroxidas) přeměňovány na radikály, které spolu dále reagují. Lignin se v buněčné stěně může pravděpodobně vázat se všemi typy stěnových polymerů. Ukládání ligninu do stěny se nazývá lignifikace neboli dřevnatění. Ačkoliv je lignifikace spojována obvykle se sekundární stěnou, mohou lignifikovat všechny vrstvy stěny, tedy i primární stěna a střední lamela, kde dokonce lignifikace obvykle začíná. Naopak, mohou být i sekundární stěny, které lignifikovány nejsou (např. u některých sklerenchymatických vláken). Lignin se ukládá do volných prostor mezi ostatními složkami stěny, z nichž vytlačuje vodu a částečně nebo úplně je uzavírá. Lignifikace tak ovlivňuje vlastnosti stěny a funkce lignifikovaných buněk: zvyšuje pevnost stěny, což umožnilo suchozemským rostlinám vznik větších vzpřímených forem. Zvýšení pevnosti stěny je však spojeno se snížením její pružnosti. Nejvíce ligninu je ve dřevě (sekundárním xylému), kde např. u smrku tvoří lignin až 28% celkové sušiny. Obr. 37 Lignifikace buněčné stěny A základní složky ligninu, zleva doprava p-kumarylalkohol, koniferylalkohol, sinapylalkohol, B stavba části molekuly ligninu smrku C uložení ligninu v buněčné stěně, 1 celulosová mikrofibrila, 2 lignin. Pro jednoduchost nejsou zachyceny ostatní složky stěny uzavírá částečně nebo úplně mikrokapilární prostory ve stěně a snižuje tak její propustnost. Na určitých místech tak může přispívat k omezení apoplastického transportu a ve vodivých elementech xylému omezuje únik vody z vodivých drah. lignin je značně resistentní vůči enzymatickému rozkladu a omezuje tak průnik patogenů do rostlinných těl Lignifikace může být konstitutivní, kdy je součástí normálního vývojového programu (např. lignifikace vodivých elementů xylému, mnohých typů sklerenchymu) nebo indukovaná, kdy se lignin ukládá do buněk v blízkosti poranění nebo při napadení rostliny některými patogeny. V druhém případě je lignifikace jedním z obranných mechanismů rostlin. Suberin, kutin, vosky Suberin a kutin jsou hydrofobní polymery, které si jsou chemicky částečně podobné. Jsou rovněž typické pro suchozemské rostliny. Oba jsou málo propustné pro vodu a resistentní vůči rozkladu. Základní složkou suberinu i kutinu jsou různé typy dlouhých mastných kyselin, které tvoří oblasti střídající se s oblastmi obsahujícími fenolické látky. Fenolické látky jsou méně hojné v kutinu, mnohem hojnější jsou v suberinu. Kutin se ukládá v buňkách pokožky prýtu, a to jednak na jejím povrchu, kde je v kombinaci s vosky součástí kutikuly, jednak ve vnějších vrstvách stěny. Suberin je především ukládán v buňkách korku (součásti sekundárních krycích pletiv), a to na vnitřní povrch buněčné stěny, mezi existující stěnu a plasmalemu. Ve stěnách jsou suberin i kutin vždy kombinovány s vosky a společně vytvářejí hydrofobní bariery výdeji vody. Přítomnost vosků je stěžejní pro snížení propustnosti pro vodu. Po odstranění vosků se vždy výrazně propustnost pro vodu zvýší. Suberin i kutin 30

31 slouží také jako účinné bariery průniku patogenů. Suberin může, podobně jako lignin, vznikat i indukovaně, např. v důsledku poranění, kdy suberinisují stěny buněk v okolí rány, nebo např. v místě opadu listu (listové jizvy). Suberin spolu s ligninem se podílejí i na modifikaci buněčných stěn endodermis a exodermis kořene (podrobněji viz kapitola Kořen ). Vosky jsou směsi látek. Kromě esterů vyšších mastných kyselin a vyšších alkoholů se v rostlinných voscích vyskytují alkany s dlouhým řetězcem, alkoholy, kyseliny a ketony. Krom toho, že se vyskytují v kombinaci se suberinem a kutinem, často tvoří i samostatné vrstvy na povrchu listů, stonků či plodů, tzv. epikutikulární vosky. Pokud jsou přítomny ve velkém množství, dodávají orgánům ojíněný vzhled. Epikutikulární vosky přispívají k redukci výdeje vody, k resistenci vůči patogenům a mohou i odrážet část nadměrného světelného záření. Tloušťka vrstvy vosků má souvislost s ekologií rostliny. Vysoká teplota a suchý vzduch podporují jejich tvorbu. Komerčně se získává vosk z listů voskové palmy (Copernicia cerifera), původem z Brazílie, kde může vrstva epikutikulárních vosků dosahovat až 5 mm. Tento tzv. karnaubový vosk má hojné použití díky svým výborným fyzikálním vlastnostem, např. do politur na dřevěné podlahy a nábytek, v kosmetice apod. Specifickými látkami, které jsou ukládány do buněčných stěn pylových zrn a spor cévnatých výtrusných rostlin jsou sporopoleniny. Jsou tvořené různými fenolickými látkami s příměsí látek podobných karotenoidům a jsou neobyčejně odolné vůči veškerým vnějším vlivům. Zejména v pylových zrnech vytvářejí na povrchu nápadné struktury, které jsou často druhově specifické. Trvanlivost pylových zrn s jejich charakteristickými povrchy se staly základem tzv. pylových analýz, které umožňují identifikovat druhové složení rostlinných společenstev na určitých územích a jeho změny v čase. Z anorganických látek jsou nejčastěji do buněčných stěn ukládány křemičitany, které se vyskytují především u některých skupin rostlin (např. trávy, ostřice, přesličky). V travách a ostřicích se ukládají hojně do pokožkových buněk prýtu a způsobují jejich tvrdost. Zvyšují tím mechanickou pevnost prýtu, odolnost vůči patogenním houbám a zvyšují resistenci vůči býložravému hmyzu. Zejména u trav mohou křemičité sloučeniny tvořit 5 20% hmotnosti sušiny prýtu. U trav se mohou sloučeniny křemíku ukládat i v buňkách kořene. V žahavých trichomech kopřiv je rovněž část stěny vyztužena křemičitými sloučeninami, které způsobují křehkost a snadné odlomení trichomu. Významné množství křemičitých sloučenin je v buňkách letních lodyh přesliček, které byly díky své tvrdosti dříve používány k čištění cínového nádobí. Kromě buněčných stěn se někdy křemičitanová tělíska vyskytují i uvnitř buněk. Druhou anorganickou sloučeninou ve stěnách je uhličitan vápenatý. Nejznámějšími útvary, které se v rostlinných buňkách nacházejí, jsou tzv. cystolithy (z řeckého lithos, kámen a kustis, váček). Jsou to výrůstky buněčné stěny vytvářené vně plasmalemy, tvořené celulosou, kalosou, pektiny a prostoupené uhličitanem vápenatým. O jejich funkci není nic známo. Jsou ale důležité z taxonomického hlediska, protože se vyskytují pouze u některých čeledí a mají často charakteristický tvar a distribuci. CaCO 3 se také hojně vyskytuje v buněčných stěnách u zelených řas ze skupiny Characeae. Buněčné stěny jsou významné nejen pro rostliny, ale i pro člověka. Vzhledem k tomu, že celulosa a lignin jsou dvě nejhojnější organické látky v biosféře, jsou buněčné stěny významným reservoárem uhlíku a jsou stěžejní pro koloběh uhlíku v přírodě. Krom toho jsou rostliny díky svým buněčným stěnám důležitou surovinou pro nejrůznější produkty ze dřeva, pro výrobu papíru, textilií a jsou rovněž důležitým zdrojem vlákniny v potravě. Obr. 38 Cystolit v buňce primární kůry stonku Sanchezia nobilis Rostlinná buňka jako osmotický systém Díky vakuole má rostlinná buňka specifické vlastnosti v příjmu a výdeji vody. Voda se do rostlinné buňky i z ní pohybuje pouze pasivně, difusí. Hnací silou difuse vody jsou rozdíly tzv. vodního potenciálu (Ψ). Vodní potenciál je chemický potenciál vody v systému nebo jeho části vyjadřovaný v jednotkách tlaku (obvykle v megapascalech, MPa). Přitom vodní potenciál čisté vody za atmosférického tlaku je roven 0. Vodní potenciál má dvě základní složky, tlakovou a osmotickou. Osmotická složka vodního potenciálu je dána množstvím rozpuštěných osmoticky aktivních látek (např. iontů solí, cukrů). Přítomnost rozpuštěných látek (solutů) ve vodě snižuje hodnotu vodního potenciálu. Tlaková složka naopak hodnotu vodního potenciálu zvyšuje. Je-li v jedné části systému vodní potenciál vyšší než v jiné (jedná-li se např. o dva roztoky o různé koncentraci) a jsou-li tyto dva systémy odděleny semipermeabilní membránou, která volně propouští pouze vodu, bude se voda pohybovat z první části do druhé. V tomto případě je ve hře pouze osmotická složka vodního potenciálu (tlaková složka je v obou systémech stejná) a voda bude difundovat spontánně z míst, kde je roztok méně koncentrovaný na místa, kde je koncentrovanější, a to až do vyrovnání koncentrací. Poněkud odlišně bude tento děj probíhat, použijemeli tzv. osmometr, který představují dvě nádoby, z nichž vnější obsahuje roztok o nižší koncentraci a vnitřní obsahuje roztok o vyšší koncentraci. Nádobky jsou odděleny semipermeabilní membránou a vnitřní nádobka vybíhá vzhůru 31

32 Rostlinná buňka v úzkou trubici. Voda bude volně difundovat z vnější nádoby, kde je menší koncentrace rozpuštěných látek a tudíž vyšší koncentrace vody, do nádoby vnitřní. V tomto případě však nemusí difuse vody probíhat až do vyrovnání koncentrací. Zvyšování objemu tekutiny ve vnitřní nádobce způsobí stoupání tekutiny v trubici osmometru a tím růstu tlakové složky vodního potenciálu. V okamžiku, kdy se hydrostatický tlak vody v trubici vyrovná osmotickému potenciálu roztoku, transport vody z vnější nádobky do vnitřní ustane. Rostlinnou buňku můžeme s určitou mírou zjednodušení přirovnat k osmometru. Buněčná šťáva ve vakuole je (obvykle) tím koncentrovanějším roztokem. Mimo protoplast, v buněčné stěně, je obvykle roztok méně koncentrovaný. Koncentrace buněčné šťávy se nejčastěji pohybují mezi 0,2 až 0,6 mol.l -1, což odpovídá osmotickému potenciálu -0,5 až -1,5 MPa. Membrány buňky plasmalema a tonoplast - fungují jako semipermeabilní membrány oddělující tato dvě prostředí s odlišnou koncentrací solutů. Při toku vody z vnějšího roztoku do buňky se voda dostává především do vakuoly, jejíž objem se zvětšuje; následně se zvětšuje objem celého protoplastu a na počátku, díky elasticitě buněčné stěny, i objem celé buňky. Zvětšující se protoplast vyvíjí tlak proti buněčné stěně, a vytváří tzv. turgorový tlak, turgor. Změna objemu buňky působená osmotickým tlakem závisí na vlastnostech stěny, na její míře elasticity. Ta je omezená a vzhledem k tomu vyvíjí stěna protitlak vůči rozpínání vakuoly. Tento tlak můžeme přirovnat k hydrostatickému tlaku v osmometru, je tlakovou složkou vodního potenciálu. Při vyrovnání obou tlaků, tedy tlaku stěny a hydrostatického tlaku uvnitř buňky se zastaví příjem vody do buňky, i kdyby byla ponořena do čisté vody. V tomto okamžiku říkáme, že buňka je plně turgescentní. Vzhledem k obrovské pevnosti stěny může být turgorový tlak vysoký a buňka přesto nepraskne. Buněčná stěna je tedy nezbytnou složkou buňky s vakuolou, obsahující koncentrované roztoky. Pokud bychom naopak vložili buňku do roztoku s vyšším vodním potenciálem (hypertonický roztok), dojde k obrácení toku vody, která proudí ven z vakuoly. Vzhledem k určité elasticitě stěny dochází nejprve ke zmenšování celé buňky, později pak k odtrhávání protoplastu od buněčné stěny, k tzv. plasmolýze. V okamžiku, kdy se protoplast právě začíná odtrhávat od stěny mluvíme o tzv. hraniční plasmolýze; v tomto okamžiku je turgor nulový. Plasmolýza je vratný děj. Po přenesení buňky do vody nebo méně koncentrovaného roztoku, se tok vody obrátí, voda proudí do buňky a dojde k tzv. deplasmolýze. Vodní potenciál určuje tok vody v rostlinných buňkách i celých rostlinách. Turgor je zásadní stavební prvek rostlinného těla. Je třeba si však uvědomit, že v pletivech je situace složitější než u jednotlivých buněk, protože buňky jsou navíc ovlivňovány i dalšími faktory, zejména tlakem okolních buněk v rámci pletiva. Ontogenese rostlinné buňky Obr. 39 Nahoře schéma rostlinné buňky a osmometru; dole - plasmolýza buňky 1 plně turgescentní buňka, 2 počátek plasmolýzy, zmenšení velikosti buňky, 3 hraniční plasmolýza, protoplast se začíná odtrhávat od buněčné stěny, 4 plně plasmolyzovaná buňka Důležité etapy vývoje buněk jsou jejich vznik (buněčné dělení), růst a specializace buněk, jejich stárnutí a odumírání, včetně programované buněčné smrti (PCD, z anglického Programmed Cell Death), což je řízený proces odumírání buněk vyvolaný aktivací specifických signálních drah; může být součástí normálního vývoje (cévní elementy, senescence) nebo je vyvolán vnějšími faktory (vznik aerenchymu při hypoxii, atak patogena). 32 Dělení buněk Rostlinné buňky vznikají dělením, které u rostlinných organismů probíhá při vývoji embrya a později ve specialisovaných pletivech meristémech neboli dělivých pletivech. Buňky v meristémech procházejí opakovaně dělením buněk (cytokinezí), jemuž předchází jaderné dělení (karyokineze). Buňky tedy procházejí tzv. buněčným cyklem, jehož podstatnou součástí je cyklus jaderný.

33 I když ve většině případů spolu jaderný a buněčný cyklus úzce souvisejí a navazují na sebe, jsou oba cykly na sobě do určité míry nezávislé. V některých případech nejsou jaderná dělení následována děleními buněčnými a vznikají tak mnohojaderné buňky. Příkladem je vznik některých typů mléčnic nebo některých typů endospermu. Při dělení musí dceřiné buňky získat nejenom kompletní sadu jaderného genomu, ale i všechny nezbytné komponenty buňky, které nemohou vznikat de novo jako jsou mitochondrie a plastidy. Musí také získat alespoň malou část membrán endomembránového systému, protože ani tyto membrány buňka není schopna vytvořit znova, může pouze zvětšovat velikost stávajících membrán. Buněčný cyklus je u rostlin v základních rysech shodný s cyklem u ostatních eukaryotních organismů, jedná se o značně konservovaný proces. Jaderné dělení (mitosa) neboli M fáze buněčného cyklu, jejíž součástí je obvykle i dělení buňky (nebo alespoň jeho část), je následováno interfází, obdobím, ve kterém probíhá řada důležitých změn v buňkách, které se tak připravují na další dělení. Interfáze se dále člení na fáze G 1, S, G 2 (G je zkratka anglického gap, mezera, přerušení, S znamená syntetická fáze). G 1 fáze je část interfáze navazující na dělení jádra a buňky. Po skončeném dělení jsou dceřiné buňky menší než původní buňka mateřská, mají méně plastidů, mitochondrií i součástí endomembránového systému, Jejich jádra mají sice stejný počet chromosomů jako jádro mateřské buňky, ale poloviční obsah DNA. V G 1 fázi buňka roste a dochází k dělení plastidů, mitochondrií a nárůstu složek endomembránového systému. Obr.40 Buněčný cyklus M mitosa, G1 + S + G2 interfáze, S syntetická fáze, replikace DNA S fáze je obdobím, kdy dochází k replikaci DNA, tedy ke zdvojení jejího obsahu. Přitom počet chromosomů v jádře zůstává zachován, pouze se v každém chromosomu zdvojí obsah DNA. Její obsah u diploidní buňky před S fází je 2C, zatímco po S fázi je 4C. Po skončení S fáze je každý chromosom tvořen dvěma sesterskými chromatidami. Současně s replikací DNA se v cytoplasmě syntetizují i histonové proteiny, které se transportují do jádra, kde se stávají součástí nově se tvořícího chromatinu. G 2 fáze je přípravou buňky na mitosu. I v této fázi může pokračovat zmnožování některých důležitých částí buňky. U rostlin je G 2 fáze specifická tím, že před nástupem mitosy se v buňce vytváří tzv. preprofázový prstenec. Před jeho vznikem dochází k rozpadu kortikálních mikrotubulů a preprofázový prstenec vzniká jako nová sestava mikrotubulů. Je to prstenec z několika desítek až stovek MT o celkové šířce obvykle 2 4 μm, nacházející se pod plasmalemou. Jednotlivé MT jsou zřejmě vzájemně propojeny a jsou spojeny i s plasmalemou. Prstenec vymezuje rovinu, ve které se posléze ke konci M fáze vytvoří přepážka mezi buňkami. O směru buněčného dělení se tedy rozhoduje již před tím, než buňka vstoupí do M fáze. Je-li preprofázový prstenec experimentálně odstraněn, dochází k nesprávnému ukládání nové buněčné přepážky. Obr. 41 Průběh mitosy a dělení buňky 1 profáze, na pólech vznikají pólové čepičky 2 metafáze, chromosomy v ekvatoriální rovině, je vytvořené mitotické vřeténko a ramena chromosomů jsou rozdělená 3 anafáze, rozchod dceřiných chromosomů, 4 přechod mezi anafází a telofází, mezi skupinami dceřiných chromosomů začíná vznikat fragmoplast 5 telofáze, mezi dceřinými jádry začíná vznikat přepážka preprofázový prstenec se netvoří při některých specialisovaných děleních, např. při vzniku pylových zrn nebo zárodečného vaku, kde se jedná o meiotické dělení. Při mitose se netvoří např. při vzniku jaderného endospermu nebo při dělení uvnitř pylového zrna. Průchod buňky interfází je dobře regulován, přičemž regulační mechanismy jsou v základních rysech shodné u všech eukaryotních buněk. V interfázi jsou dva kontrolní body, kde se rozhoduje, zda bude interfáze pokračovat. První kontrolní bod je v G 1 fázi. Zde je důležité, zda je buňka dostatečně veliká. U mnohobuněčných organismů je však přechod do S fáze modulován i signály od ostatních buněk, které mohou průchod buněčným cyklem urychlit nebo zpomalit, případně i zastavit. U rostlin jsou důležitými signálními molekulami fytohormony. Pokud buňka překročí tento bod, vstupuje do S fáze; tento krok je ireversibilní. Druhý kontrolní bod interfáze je v G 2 fázi. V tomto bodě je kontrolováno, zda replikace DNA proběhla správně. Po překročení tohoto bodu buňka vstupuje do M fáze. Nejdůležitější v M fázi je dělení jádra mitosa, která je charakteristická tím, že každý chromosom se rozdělí na dva 33

34 Rostlinná buňka Obr. 42 Změny v uspořádání mikrotubulů v průběhu buněčného cyklu A interfáze, kortikální mikrotubuly uspořádané v cytoplasmě pod plasmalemou B konec G2 fáze, mikrotubuly tvoří preprofázový prstenec C metafáze, mikrotubuly tvoří mitotické vřeténko D- počátek telofáze, mikrotubuly tvoří soudečkovitý fragmoplast mezi dceřinými jádry, uvnitř fragmoplastu začíná vznikat přepážka E pokročilá telofáze, mikrotubuly tvoří prstencovitý fragmoplast, mezi jádry vzniká přepážka, F dvě dceřiné buňky v interfázi s kortikálními mikrotubuly 34 dceřiné chromosomy, které přecházejí do dceřiných jader. Každé dceřiné jádro má tedy stejný počet chromosomů, jaký mělo jádro mateřské; proto se také mitosa označuje jako dělení ekvační, rovnostní). Na rozdíl od mitosy při meiotickém dělení se počet chromosomů redukuje na polovinu. O meiose bude řeč v kapitole Reprodukční orgány. Mitosa se skládá ze čtyř fází: profáze, metafáze, anafáze a telofáze. V profázi dochází v jádře k postupné spiralizaci a kondenzaci chromosomů, které se zkracují a stávají se lépe barvitelnými. Na počátku profáze mizí preprofázový prstenec a vzniká nová sestava mikrotubulů - dělící (mitotické) vřeténko. Rostlinné buňky nemají centrioly, takže místa vzniku vřeténka jsou méně jasně definována než je tomu u buněk živočišných a póly vřeténka jsou obvykle širší. Na pólech jádra se nejprve tvoří tzv. pólové (hyalinní) čepičky, útvary miskovitého tvaru, tvořené krátkými mikrotubuly, které jsou základem vřeténka. Na počátku metafáze (někdy označováno jako zvláštní úsek M fáze, prometafáze) dochází k otevření jádra, tedy k rozpadu, fragmentaci, jaderného obalu. Mikrotubuly vřeténka se prodlužují a dostávají se do oblasti původního jádra. Chromosomy dosahují maximální míry spiralizace (vznikají tzv. transportní chromosomy) a nabývají charakteristických tvarů, které jsou, spolu s počtem a velikostí specifické pro různé druhy rostlin. Chromosomy jsou tvořené ze dvou obvykle nestejně dlouhých ramen, která jsou silně barvitelná jadernými barvivy. Mezi nimi je krátký nebarvitelný úsek, tzv. centromera, která se díky tomu jeví jako zaškrcení a je někdy také označována jako primární konstrikce. Na centromeru přiléhají ze dvou protilehlých stran bílkovinné komplexy, kinetochory (z řeckého kinesis, pohyb a choros, místo). Ke každému z kinetochorů se připojují svými + konci některé z mikrotubulů vřeténka, přičemž na každý kinetochor se musí vázat MT pouze od jednoho pólu. Počet MT, které se vážou k jednomu kinetochoru se pohybuje nejčastějí v desítkách. Část MT vřeténka se nepřipojuje ke kinetochorům, ale překrývá se v oblasti tzv. rovníkové (ekvatoriální) roviny. Chromosomy se postupně přesunují do středu dělícího vřeténka, do jeho ekvatoriální roviny. Na přechodu mezi metafází a anafází je poslední z kontrolních bodů buněčného cyklu, ve kterém je kontrolováno správné připojení chromosomů k mikrotubulům vřeténka. Pokud jsou chromosomy malé, jsou umístěné v ekvatoriální rovině celé, pokud jsou dlouhé, jsou v ekvatoriální rovině jejich centromery a ramena z této roviny vyčnívají. Na chromosomech je už patrné rozdělení na dvě sesterské chromatidy; nerozdělená zůstává pouze centromera. V anafázi se dokončí dělení chromosomů i v oblasti centromery a poloviny chromosomů (teď už označované jako dceřiné chromosomy) se činností mikrotubulů vřeténka přesouvají k pólům vřeténka, zřejmě s pomocí motorových proteinů. Rychlost pohybu chromosomů v anafázi je obvykle kolem 1 μm za minutu, takže na rozchod chromosomů v buňce s průměrně velkým vřeténkem je zapotřebí asi 4 5 minut. V telofázi se chromosomy shromážděné na pólech vřeténka začínají despiralizovat a postupně přestávají být identifikovatelné. Současně se začíná tvořit nový jaderný obal a jadérka. Nově vzniklá jádra mají stejný počet chromosomů jako původní mateřské jádro, ale poloviční obsah DNA. Obvykle na přechodu anafáze a telofáze se začíná dělit buňka. Nejprve se vytváří tzv. fragmoplast, což je další útvar tvořený cytoskeletem (především mikrotubuly), který je charakteristický pro rostlinné buňky. Fragmoplast se začíná tvořit jako soudečkovitý útvar tvořený dvěma skupinami mikrotubulů, z nichž každá vychází od povrchu nově vznikajících jader a ve středu se částečně překrývají. Střed fragmoplastu je v místě, kde se původně nacházel preprofázový prstenec. Poblíž fragmoplastu se nacházejí četné diktyosomy, které oddělují váčky. Ty putují, zřejmě pomocí mikrotubulů fragmoplastu, do jeho středu, kde začínají splývat. Splýváním váčků vzniká ve středu fragmoplastu tzv. buněčná deska, která postupně roste odstředivě, směrem k buněčné stěně původní mateřské buňky. Mezi vlákny fragmoplastu se nacházejí i tubuly ER. Někteří autoři označují jako fragmoplast pouze útvar tvořený cytoskeletem, jiní za fragmoplast označují celou oblast, zahrnující kromě cytoskeletu i váčky a ER. Vesikuly shromažďující se ve středu fragmoplastu spolu splývají a vytvářejí postupně nejprve tubulární a pozdějí síťovité struktury s poměrně velkými oky. Ta se postupně uzavírají, avšak na některých místech zůstávají zachycené části ER a vznikají primární plasmodesmy. Spolu s tím jak se vytváří buněčná deska, mikrotubuly ve středu fragmoplastu mizí a nové se tvoří stále dále od středu. Fragmoplast nabývá tvaru prstencovitého. Buněčná deska

35 Obr. 43 Možné způsoby vzniku buněčné stěny při dělení buňky A periklinální, nová stěna je rovnoběžná s povrchem orgánu B antiklinální, nová stěna je kolmá na povrch orgánu C příčná neboli transversální dorůstá postupně k okrajům buňky, kde se membrána lemující desku (vzniklá z membrán váčků) spojuje s plasmalemou mateřské buňky. Buněčná deska se pak přeměňuje na střední lamelu. Jak přesně tato přeměna probíhá není zcela jasné, je však zřejmé, že původní názor, že buněčná deska je přímo střední lamelou asi bude nutné přehodnotit. V prvé fázi se v rostoucí buněčné desce vyskytuje polysacharid kalosa, který je však pouze dočasnou složkou, posléze mizí a deska se mění, tentokrát dostředivě, na střední lamelu s vysokým obsahem pektinů. V další fázi se pak na vzniklou střední lamelu ukládá primární stěna. Ta se ukládá nejen na nově vzniklou střední lamelu, ale i na povrch již existujících stěn dceřiných buněk. Dělení buňky může končit současně s dělením jádra, často však přesahuje až do G 1 fáze. Nově vzniklá buněčná stěna může být různě orientována vůči povrchu orgánu. Vzhledem k tomu, že rostlinné buňky jsou díky stěně od počátku svého vzniku pevně fixovány na místě, je směr buněčných dělení velmi důležitý pro vznik konečného tvaru orgánu. Postavení přepážky může být antiklinální, to je kolmé na povrch orgánu. U orgánů osových (kořen, stonek) může být také označováno jako radiální. Jinou možností je dělení periklinální (rovnoběžné s povrchem orgánu), u orgánů osových též označované jako tangenciální. Posledním typem jsou dělení příčná (transverzální). Antiklinální dělení přispívají ke zvětšování povrchu orgánu, periklinální zvětšují objem a příčná délku. Důležité je také, zda je dělení ekvální, tj., zda vznikají dvě stejně velké dceřiné buňky nebo zda je inekvální a dceřiné buňky jsou nestejně velké. V druhém případě musí mitose předcházet přesun jádra do posice, ve které se bude dělit. Dělící se buňky jsou často jen málo vakuolizované, nicméně dělit se mohou i buňky s velkými vakuolami. Příkladem dělení vakuolizovaných buněk může být kambium, jehož buňky jsou silně vakuolizované nebo buňky dospělé, které se začnou dělit v reakci např. na poranění v jejich okolí. I takovémuto dělení musí předcházet přesun jádra do místa dělení. Vzhledem k tomu, že na místě dělení je v tomto případě obvykle vakuola, musí se nejprve vytvořit cytoplasmatický provazec, který vrůstá do oblasti vakuoly a do kterého se jádro přesune. Po skončení M fáze může buňka vstoupit do nového buněčného cyklu nebo z něho může vystoupit a začít se přeměňovat na dospělou buňku. Buňky, které se přestaly dělit, obvykle vystoupí z cyklu v G 1 fázi, tedy před replikací DNA; mají tedy obsah DNA 2C. U rostlin však existuje i možnost (i když není tak častá), která není známa např. u živočichů, a sice vystoupit z cyklu v G 2 fázi; takové buňky pak mají obsah DNA 4C. Růst buněk Růst buněk je ireverzibilní zvětšování jejich objemu. Rostlinná buňka roste především díky zvětšování vakuoly. Tento způsob růstu, specifický pro rostliny, umožňuje buňkám výrazné zvětšení objemu s minimální tvorbou nových protoplasmatických součástí a tudíž s minimální potřebou nových proteinů. Tento způsob růstu bývá spojován s limitací anorganických dusíkatých sloučenin v prostředí v průběhu evoluce rostlin; představuje levný způsob růstu, pro který rostliny potřebují pouze vodu, kterou přijímají na základě fyzikálních principů, tedy bez vynaložení vlastní energie. Zvýšení objemu rostlinných buněk poté, co se přestanou dělit, může být značné. Běžně se buňky zvětšují na desetinásobky, ale někdy až na více než stonásobky původního objemu. Objemový růst buňky je spojen s výrazným zvětšováním buněčné stěny. Ta je velmi pevná, což umožňuje buňkám existovat v hypotonickém prostředí, avšak v období růstu je plastická, to znamená schopná ireverzibilního roztažení, které však musí být přesně regulováno, aby nedošlo k roztržení stěny. Nejčastěji buňky rostou difusně, to znamená, že se buď zvětšuje plocha všech stran buněk nebo se alespoň buňka zvětšuje rovnoměrně v určitém směru, obvykle se prodlužuje, takže rostou stěny rovnoběžné s podélnou osou orgánu. Tento typ růstu, prodlužovací, je častý v protáhlých orgánech (stonky, kořeny, dlouhé listy apod.). Jak probíhá difusní růst, při kterém se od sebe musí oddálit složky stěny, především celulosové mikrofibrily, a přitom musí být zajištěno, aby buňka nepraskla? Během růstu se nemění osmotická složka vodního potenciálu buňky; jak přibývá ve vakuole vody, přibývá i osmoticky aktivních látek. Pro růst je klíčové uvolnění vazeb mezi složkami 35

36 Rostlinná buňka Obr. 44 Růst rostlinné buňky postupným zvětšováním vakuoly stěny tak, aby se tlakem protoplastu mohly od sebe oddalovat a zvětšovat povrch buňky. Přesná podstata těchto změn není zcela jednoznačně objasněna. Nejpravděpodobněji dochází ke krátkodobému uvolnění vazeb (vodíkových můstků) mezi celulosovými mikrofibrilami a hemicelulosami. Jednotlivé složky stěny se pak opět musí spojit v nových pozicích, aby zůstala zachovaná pevnost stěny. Celý děj se může opakovat a stěna postupně zvětšuje svoji plochu. V této fázi vývoje buňky je stěna plastická, to znamená schopná ireverzibilních změn velikosti. Zvětšování plochy stěny by mohlo vést k jejímu ztenčování, pokud by se během růstu netvořily nové makromolekuly stěny. Jejich tvorba během růstu je koordinována se zvětšováním buňky. Kde a jak se nové složky tvoří? Celulosa je syntetizována enzymovými komplexy, které jsou součástí plasmalemy. Celulosa syntázové komplexy se skládají ze šesti částí, které jsou pozorovatelné v elektronovém mikroskopu jako tzv. rosety. Zdrojem glukosy pro tvorbu celulosy je sacharosa, která je dodávána z cytoplasmy a celulosové makromolekuly se ukládají rovnou do prostoru stěny. Každá rozeta je schopna tvořit více celulosových makromolekul (v primární stěně nejčastěji 36), které se v průběhu syntézy spojují a vytvářejí mikrofibrilu. V buněčné stěně tedy nikdy nenacházíme samotné celulosové makromolekuly. Necelulosní polysacharidy stěny (hemicelulosy, pektiny) jsou syntetizovány v Golgiho aparátu, transportovány ve váčcích a do prostoru stěny se dostávají exocytosou. Tvorba a transport těchto polysacharidů je koordinován s tvorbou celulosy, se kterou se v průběhu růstu stěny ihned spojují. Stěnové proteiny jsou syntetizovány na ribosomech drsného ER a transportovány do jeho lumen. Odtud se ve váčcích transportují do Golgiho aparátu, kde jsou posttranslačně upravovány (především glykosylovány, spojovány s cukry) a exocytosou se dostávají do prostoru stěny. Celulosa se během růstu buňky ukládá především na vnitřní povrch stěny, kde vytváří nové vrstvy. Ty však musí být propojeny se staršími částmi stěny; to zajišťují především necelulosní polysacharidy. Obr. 46Tvorba necelulosních polysacharidů a proteinů buněčné stěny 1 ER s ribosomy, 2 váčky, 3 diktyosom, 4 buněčná stěna 36 Obr. 45 Tvorba celulosy 1 cytoplasmatická membrána, 2 enzymové komplexy pro syntézu celulosy, 3 celulosová mikrofibrila Charakter růstu buňky je, vedle orientace nově vznikající přepážky, dalším významným faktorem, který určuje morfogenesi, utváření, rostlinných orgánů. Přestože totiž turgor působí ve všech směrech, buňky obvykle nerostou stejně ve všech směrech, nýbrž mají určitý přednostní směr růstu, např. prodlužování ve směru podélné osy orgánu (kořene, stonku). Čím je směr růstu buňky určen? Zvětšování stěny v určitém směru je dáno tím, že stěna těchto buněk je ve vztahu ke svým mechanickým vlastnostem anizotropní, tj. nereaguje na zatížení rovnoměrně. To závisí především na uspořádání celulosových mikrofibril ve stěně. Mikrofibrily jsou velmi pevné v tahu, a proto růst probíhá přednostně tak, aby docházelo k oddalování celulosových mikrofibril, tedy ve směru kolmém na směr jejich uložení. Směr ukládání mikrofibril je s největší pravděpodobností určován uložením kortikálních mikrotubulů. Podle této představy mikrotubuly, spojené s integrálními proteiny membrány, vymezují dráhy pohybu enzymových komplexů v membráně a tím uložení mikrofibril. Poté, co buňka přestane růst, dochází ve stěně ke změnám, které fixují složky buněčné stěny v určité poloze. Od tohoto okamžiku přestává být stěna plastická. Zůstává však elastická, tj. schopná drobných reverzibilních změn ve