1) Architektura buňky

1
MBR
2015
1) Architektura buňky
e) Plastidy
f) Mitochondrie a peroxizómy
g) Cytoskelet
2
e) Plastidy
Vyskytují se v autotrofních eukaryotech. U rostlin se vyskytují téměř
ve všech buňkách.
Plastidy produkují:
- cukr během fotosyntézy
- chlorofyl
- karotenoidy
- puriny
- pyrimidiny
- aminokyseliny
- mastné kyseliny
- hormony: GAs, ABA
Plastidy uchovávají karbohydráty
ve formě škrobu; redukují dusitany
a sírany
3
Plastidy - dvojitá membrána:
Vnější membrána – nespecifické proteinové póry – transport iontů a molekul
do 10 kDa.
Vnitřní membrána – ohraničuje stroma; méně permeabilní – specifické transportéry;
vychlipuje a tvoří thylakoidní systém membránový systém
Stroma – syntéza mastných kyselin
Vlastní DNA a ribozómy; vývojově pocházejí z prokaryotických endosymbiontů
příbuzných ke kyanobakteriím
Importují 75% svých proteinů kódovaných v jádře.
4
Diferenciace, de-diferenciace a re-diferenciace plastidů
Proplastidy
V meristematických buňkách;
0,2 – 1 µm; několik ribozómů
Proplastid
Mitochondrie
Zploštělá lamela interní membrány
5
Chloroplasty
Místem fotosyntézy; délka 3 – 10 µm, tloušťka 0,5 – 1 µm
(GT)
(ST)
Thylakoidy; až 40 v jednom granu podle světelných podmínek; vyskytují se zde fotosyntetické
pigmenty
Rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa) – chloroplastový enzym; největší podjednotka - kódovaná chloroplastovou DNA
a syntetizovaná na chloroplastových ribozomech; malá podjednotka – kódovaná jadernou DNA a syntetizovaná na cytoplazmatických
ribozomech
6
Etioplasty
Jejich vývoj z proplastidů se zastavil absencí světla; délka 2 – 3 µm
Nemají chlorofyl, produkují protochlorofylid – prekurzor chlorofylu
Prolamelární tělísko (prolamellar body) – obsahuje membránové lipidy,
protochlorofylid a protochlorofylid oxidoreduktázu – enzym vyžadující světlo
Protochlorofylid
oxidoreduktáza
Protochlorofylid => chlorofyl => komplex chlorofyl + protein;
lipidy z PB jsou inkorporovány do thylakoidních membrán
7
Amyloplasty
Bezpigmentové plastidy, syntetizují a shromažďují škrob; velké jako chloroplasty
Zásobní pletiva kořenů, stonků a endosperm obilovin
Škrobová zrna (kořenová špička sóji)
U hlízy brambor amyloplasty vystavené světlu re-diferencují na chloroplasty
Amyloplasty obilovin nere-diferencují protože obilná endosperm obsahuje mrtvé buňky
Leukoplasty
Bezbarvé plastidy, syntetizují a shromažďují monoterpeny – těkavé látky obsahující esenciální
oleje; obsahují interní membrány, ribozómy a olejové kapičky
Lipidové kapičky
Vyskytují se v sekrečních žlázách v trichomech, v nektaru květů, v sekrečních žlázách citrusů
8
Chromoplasty
Žluté, oranžové, červené barvy v závislosti na množství akumulovaných karotenoidů a xantofylů;
nepravidelný tvar – kulaté, měňavkovité, podlouhlé
Vyvíjí se z proplastidů, nebo de-diferenciací chloroplastů (zrání rajčat)
Gerontoplasty – chromoplasty ve stárnoucích listech
Chromoplasty re-diferencují na chloroplasty (zelenání citrusových plodů za nevhodných
podmínek; zelenání mrkve na světle)
9
10
Rozmnožování plastidů
Dělením existujících plastidů – proplastidů, etioplastů, mladých chloroplastů, ale i zralých
chloroplastů
V meristémech probíhá dělení stejným tempem jako dělení buněk. Se zvětšováním buněk se
zvyšuje počet plastidů.
Cytoplazmatické organely – přenášeny na další generaci vajíčkem (mateřská dědičnost),
spermatickou buňkou (otcovská dědičnost), nebo objema buňkami (biparentální dědičnost)
Krytosemenné – plastidy a mitochondrie se dědí po mateřské linii (ve spermatických buňkách
jsou degradovány nebo vypuzeny)
Nahosemenné – plastidy jsou přenášeny spermatickými buňkami
11
f) Mitochondrie a peroxizómy
Mitochondrie
Elektrárna buňky – aerobní dýchání, účastní se glukogeneze a fotorespirace;
stovky – tisíce v jedné buňce v závislosti na typu buňky a stádium vývoje; mladé buňky méně
Elektronový transport v mitochondriích – zdroj ATP; metabolické dráhy dodávají org. kyseliny,
aminokyseliny použivané k biosyntéze kdekoliv v buňce
Vlastní DNA; pochází z endosymbiontů příbuzných α-proteobakteriím
1 µm
1- 3 µm
Mitochondrie mění svůj tvar: kulatý – oválný – činkovitý a zpět
Mitochondrie - dvojitá membrána
12
Vnější membrána – obsahuje enzymy; vysoce permeabilní; poriny – proteinové komplexy
vytvářející vodní kanály – transport iontů a malých molekul
Vnitřní membrána – obklopuje mitochondriální matrix; vysoce zvrásněná, vytváří tubulární kristy;
obsahuje ATP syntázu a je místem elekronového transportního řetězce; velmi nízká permeabilita,
specifické transportéry
Matrix – obsahuje rozpustné enzymy, mitochondriální DNA a ribozomy
13
Peroxizómy
Sférické organely o průměru 0,2 – 2 µm; periodicky se dělí; neobsahují DNA ani ribozómy
=> všechny proteiny jsou kódovány nukleárními geny
Funkcí se liší v závislosti na pletivu a orgánu.
Jsou místem β-oxidace; syntéza kys. jasmonové
Obsahují oxidázy – generují H2O2 a katalázy, které
rozkládají H2O2 na kyslík a vodu.
Účastní se fotorespirace
Přeměna fixovaného dusíku na org. látky bohaté na dusík
Ukládají tuky a oleje (glyoxyzómy)
14
g) Cytoskelet
Funkce cytoskeletu:
1) Ukotvení organel a strukturní stabilitu cytoplazmy a zakotvených proteinů
2) Pohyb buněčných kompartmentů
3) Ukládání buněčné stěny a orientaci nově vytvořené
buněčné stěny během buněčného dělení
4) Určuje polaritu buňky, např. směr pohybu organel
15
Struktura cytoskeletu – síť bílkovinných vláken prostupující cytozolem
3 typy cytoskeletárních filament:
- Střední (intermediální) filamenta
- Aktinová filamenta (mikrofilamenta)
- Mikrotubuly (tubulin)
Každý typ filament je složen z asymetrických proteinových podjednotek, které jsou spojeny
nekovalentními vazbami
Střední (intermediální) filamenta
Proteinová vlákna – průměr 10 – 15 nm
Rostliny postrádají řadu typů středních filament
konzervovaných u jiných eukaryontů (laminy, keratiny,
vimentiny, neurofilamenta)
Filament-like proteiny (FLPs) – coiled-coil interakce
Coiled-coil proteiny identifikované u rostlin mají
omezenou sekvenční homologii s ostatními proteiny
u eukaryontů.
16
Aktinová filamenta (mikrofilamenta)
Vytvořena z proteinu aktinu; rozpustný globulární protein (G-aktin), 375 aminokyselin;
podjednotky polymerizují do spirálovitých filament o průměru 8 nm - vzniká filamentární
forma aktinu = F-aktin
17
Mikrotubuly (tubulin)
Vytvořeny heterodimerickými podjednotkami globulárních proteinů α- a β-tubulinu.
Dimery se spojují v dutou strukturu o průřezu 25 nm. Dimery
se váží svými konci a vytváří sloupce – protofilamenta.
Mikrotubul má většinou 13 protofilament (rozmezí 11 – 16)
Aktin a tubulin – vysoce konzervované proteiny
Geny pro α- a β-tubulin jsou u rostlin přítomny v 4 – 9 kopiích; počet
aktinových genů se liší u různých druhů rostlin
18
Mikrotubuly a aktinová filamenta mají vnitřní polaritu
Proteinové jednotky jsou asymetrické. V polymerním uspořádání jsou jednotky seřazeny
ve stejné orientaci.
Polarita polymeru – každý konec má různé biochemické vlastnosti => každý konec má jinou
rychlostní konstantu
„+“ konec = dynamičtější ; „-“ konec = méně aktivní
Aktinové filamenty a mikrotubuly se vytváří ve třech krocích
Vytvoření
templátu
Prodlužování
templátu
Udržování délky
templátu
Rychlost elongace je dána
rozdílem mezi rychlostí přidávání
podjednotek a rychlostí ztráty
podjednotek.
19
Vytváření aktinových filament a mikrotubul vyžaduje vazbu a hydrolýzu NTP (nukleosid
trifosfátu) příslušnými proteinovými podjednotkami.
G-aktin váže ATP, α- a β-tubulin váže GTP.
Fosfát navázaný na NTP je hydrolyzován, po té, co se
podjednotka naváže na rostoucí templát.
+ konec:
Treadmilling (frézování) – koncentrace volných
subjednotek podporuje růst na „+“ konci a je
balancován zmenšováním na „-“ konci.
Rychlost změny délky bude nulová, ale podjednotky
inkorporované na „+“ konec budou frézovány skrz
polymer a uvolněny z „-“ konce.
Navázaný ATP
- konec:
Navázaný ADP
Hydrolýza nukleotidů v mikrotubulech může vést k chování nazývanému dynamická
nestabilita.
Energie uvolněná hydrolýzou GTP zvyšuje rychlost depolymerizace.
Mikrotubuly rostou přidáváním podjednotek s navázaným GTP. Hydrolýza GTP je zpožděná
za sestavováním => vzniká čepička z podjednotek s navázaným GTP. Čepička stabilizuje
strukturu a podporuje růst.
Snížení dodávky tubulinových dimerů nebo zvýšení hydrolýzy GTP => konec mikrotubulu
obsahuje většinu podjednotek z GDP. Při odstranění čepičky dochází k rychlému rozpadu
struktury.
20
21
Přídatné proteiny – interagují s aktinem a tubulinem kontrolují jejich funkci
Motorické proteiny:
- myosiny
- dyneinsiny
Konvertují chemickou energii (ATP) na pohyb
- kinesiny
Hlavička – globulární doména proteinu – váže se k cytoskeletárnímu polymeru; zdrojem
energie je ATP; ocásek proteinu nese případný „náklad“
22
Myosin – aktivuje mnoho typů buněčné pohyblivosti, včetně aktinových filament
Svaly
Myosin II s dlouhými ocásky tvoří bipolární
filamenta; pohybuje aktinovými filamenty
s opačnou polaritou vzájemně proti sobě
(kontrakce ve svalech).
Rostliny
Myosiny VIII a XI tvoří dvouhlavičkové
(dimerické) motory.
Přenos signálu myosinem vede:
1) k pohybu jednoho aktinového filamentu vůči
druhému
2) k pohybu vezikul podél aktinového filamentu
3) k pohybu aktinového filamentu podél
plazmatické membrány
23
Dynein a kinesin – interagují s mikrotubuly
Kinesin transportuje náklad k „+“ konci
mikrotubulu; kinesin transportuje vezikuly
a je zapojen v tvorbě mitotických vřetének
Dynein transportuje náklad k „-“ konci
mikrotubulu
Všechny tři skupiny motorických proteinů byly objeveny u rostlin.
Rostliny mají více druhů kinesinů než živočichové
24
Další typy přídatných proteinů – ovlivňují vytváření cytoskeletu
- spojují polymery k sobě
- stabilizují polymery
- zesilují či zeslabují polymery
- váží se specificky ke konci polymeru
- spojují cytoskelet k dalším komponentám
buňky (membrány, biosyntetické enzymy,
komponenty přenosu signálu)
25
Mitochondrie a plastidy proudí cytoplazmou pomocí cytoplazmatické proudění
Cytoplazmatické proudění – interakce mezi myosinem, navázaným na povrch organel,
a aktinovými filamenty v cytoplazmě
Dochází také k pohybu organel na specifická místa – pohyb chloroplastů jako reakce
na intenzitu světla; podobně pohyb jádra
List Arabidopsis
26
Aktinová filamenta – úloha v exocytóze (pylové láčky, kořenové vlásky)
Exocytóza lokalizovaná na rostoucím apikálním konci
Polarizovaná aktinová vlákna dodávají sekreční
vezikuly do špičky.
V pylové láčce vezikuly (obsahující Ca2+, prekurzory
buněčné stěny) mají připojený myosin, který je spojen
s aktinovými filamenty.
Vysoká rychlost expanze (růstu pylové láčky) vyžaduje
dodávku velkého počtu prekurzorů buněčné stěny.
27
Mikrotubuly – pomoc při orientaci expanze buňky
Kořeny, stonky – směr maximální expanze je paralelní s dlouhou osou orgánu
Kortikální mikrotubuly jsou orientované kolmo k ose prodlužování => ovlivňování směru
ukládání celulózových mikrofibril, které specifikují směr maximální expanze buněk.
PM
CW
Exprese tubulin
Exprese celulóza syntázy