27.11.2013

Fizjologia Roślin

→ Fizjologia roślin jest nauką o funkcjonowaniu organizmów roślinnych

→ Budowa komórki roślinnej

• Ściana komórkowa

• plazmolema

• cytoplazma

• jądro komórkowe

• wakuola

• mitochondria

• chloroplasty

• peroksysomy

• retikulum endoplazmatyczne

• aparat golgiego

→ Błony komórkowe

• Błony biologiczne są strukturami rozgraniczającymi odrębne przedziały w układach biologicznych

• Komórki roślinne prócz zewnętrznej błony zawierają wiele błon wew. tzw. endomembran, ograniczających przedziały wewnątrzkomórkowe (organelle) i odpowiadające za kompartymentację komórki

• stanowią selektywne bariery pomiędzy różnymi jakościowo przestrzeniami

• chodzi tu przede wszystkim o transport; rozdzielenie środowisk Ph

• Bez względu na lokalizacje, błony są zbudowane w niemal identyczny sposób

• dwie warstwy lipidów i zanurzone w nich białka; różnią się rodzajami białek

• lipidy: dwuwarstwę lipidową budują lipidy, które w pojedynczej cząsteczce łączą dwie różne właściwości:

• 1. hydrofilową głowę

• 2. hydrofobowy ogonek (łancuch węglowodorowy)

• taki typ cząsteczek wykazujących amfipatyczne i filo i fobowe

• amfipatyczny charakter lipidów sprawia, że w środowisku wodnym tworzą one dwuwarstwę, która spontanicznie zamyka się w pęcherzyki - struktury stabilne i energetycznie korzystne

• Białka

• białka transbłonowe - transbłonowa część łąńcucha polipeptydowego zbudowany z aminokwasów o hydrofobowych łańcuchach bocznych zazwyczaj tworzy strukturę alfa helisy

• typowe białko wbudowane w błonę biologiczną zawiera przynajmniej jeden fragment hydrofobowy, służący do mocnego zakotwiczenia cząsteczki białka w dwuwarstwie lipidowej.

• W niektóych białkach transbłonowych polipeptyd penetruje błonę tylko raz (receptory sygnałów zew.) w innych kilka razy

• w tym ostatnim przypadku helisy zamykają wewnątrz hydrofilową wypełnioną przestrzeń, tzw. por

• w białkach tych helisy zawierają zarówno hydrofobowe aminokwasy z polarnymi łańcuchami bocznymi (leżą one po stronie eksponowanej do lipidów błony) jak i hydrofilne

• białka powierzchniowe (wiążą się siłami elektrostatycznymi z polarny głowami lipidów lub białek transbłonowych)

• Podstawowe funkcję białek błonowych

• białka transbłonowe dzielą się na

• transportujące

• łączące (strukturalne)

• receptorowe

• enzymatyczne (powodują katalizę reakcji)

→ Białka transportujące!!!!!!!!!!

• Transport bierny; transport aktywny

• bierny: cząsteczek odbywa się zawsze spontanicnie, zgodnie z gradientem jej stężenia. Może zachodzić na drodze dyfuzji prostej bądź ułatwionej. W tym drugim przypadku w przeniesieniu cząsteczki uczestniczą białka błonowe (kanały lub przenośniki)

• aktywny : jest to transport cząsteczki wbre gradientowi ztężenia i zawsze wymaga doprowadzenia energii

• KANAŁY

• kanały są białkami integralnie wbudowanymi w błonę, tworząc w niej małe hydrofilowe pory, przez któe substancje mogą przechodzić na drodzę dyfuzji (ruch odbywa się zgodnie ze spadkiem gradientu stężenia)

• Transport przez błony biologiczne z udziałem kanałów białkowych może być tylko bierny

• Białka kanałowe mogą prrzyjmować różne stany konformacyjne. Stan otwarty umożliwiający przepływ jonów oraz stan zamknięty

• Ze względu na rodzaj czynnika otwierającego (aktywującego) kanały jowoe dzielimy na zasadnicze grupy:

• kanały zależne od napięcia - model ślizgających się fragmentw alfa helisy w kanale napięciowo zależnym. Elementem czułym na zmiany potencjału jest fragment białka naładowany elektrycznie. Jest to czujnik napięcia. Do grupy kanałów napięciowo zależnych należą: kanały potasowe, sodowe oraz wapniowe. (czujnik jest naładowany dodatni i „ślizgając” się podąża do części błony naładowanej ujemnie

• kanały zależne od ligandu - kanały zależne od ligandu są aktywowane chemicznie. Otwierają się w wyniku przyłączenia, w specyficzne miejsce kanału, jednej lub więcej cząsteczek chemicznego, nazywanego agonistą; po pewnym czasie następuje dysocjacja agonisty i kanał zamyka się

• kanały aktywowane naprężeniem mechanicznym

• Roderick MacKinon i Peter Agre

• Tranport aktywny

• Podtrzymywanie aktywnego transportu jonów i związków organicznych przez błony biologiczne wymaga stałęgo dopływu energii metabolicznej

• energia ta jest wykorzystywana do polaryzacji elektrochemicznej błón i wytwarzania tzw. siły tranportowej

• za ten proce odpowiedzialna jest głównie zlokalizowana w błonie poma protonowa, która w sposób wktorowoy (jednokierunkowy) transportuje H+ z cytoplazmy na zew. Komórki (lub do organelli). Prowadzi to do asymetrycznego rozmiesczenia protonów po obu stronach błony i powstania gradientu potencjału chemicznego h+ (gradientów pH oraz gradientu potencjału elektryczngo)

• Rodzajetranporterów\

• pierwotne

• do przeniesieni cząsteczki przez błony wykorzystują energię świetlną bądź energie chemiczną pochodzącą z rozkładu wiązań fosforanowych

• Tranportery typu ABC

• (ang. ATP-binding cassette) to P-ATPazy (potrafią hydrolizować atp) posiadajace w swojej strukturze konserwatywne sekwencję wiążące nukleotydyNBF1 i NBF2) (; w danym białku musi być miejsce w którym może nastąpić fosforylacja i wtedy dopiero będzie możliwy transport

• Występują w tonoplaście, transpotując do wakuoli szeroką grupę tzw. wtórnych metabolitów (flawonoidy, antocyjany, produkty rozkładu chlorofilu) i ksenobiotyki (herbicydy i metale ciężkie)

• Ponieważ transportowane przez tonoplast cząsteczki ulegają wcześniej związaniu z glutationem, roślinne przenośniki ABC nazywa się pompami GS-X lub pompami wykorzystującymi koniugaty glutationu (GS=glu-cys-glu)

• przemieszczanie substratów przez błonę wakuolarną z udziałem pomp ABC jest dwuetapowe

• w pierwszym etapie, z udziałem enzymów zwanych transferazami glutationowymi zachodzi przyłączenie glutation do substrat

• dopiero tak zmodyfikowana cząsteczka trans jest w sposób aktywny

• Ca2+ ATPazy

• grupa P-ATPaz

• są wrażliwe na wanadan, tworzą ufosforylowane intermediaty i są pojedynczym łańcuchem, przecinającym błonę 6-10 razy

• Poszczególne CA-ATPazy różnią się nieco budową

• IIA (niewrażliwa na kalmodulinę; nie posiada n-końca przez co nie reaguje z tym związkiem); nie znana regulacja

• IIB (i u roślin i zwierząt); aktywowane przez kalmodulinę); regulacja poprzez domenę autoinhibitorową wiążącą kalmodulinę na N-końcu)

• Model regulacji roślinnych pomp wapniowych typu IIB na przykładzie AtACA2

• Niskie stężenie Ca2+ w sytosolu <_ 1uM

• ca-atpaza jest w stanie niskiej podstaawowej aktywności w wyniku interakcji domeny autoinhibitorowej z regionem hydrofilowym pompy

• Wzrost poziomu Ca2+

• kompleks Ca2+ - CaM wiąże się do miejsc pokrywającego się lub mieszczącego obok domeny antyinhibitorowej

• zmiana konformacji N-końca prowadzi do aktywacji pompy

• Odcięcie N-końca

• enzym jest konstytucyjnie aktywny i niewrażliwy na CaM

• Główną funkcją Ca2+ atpaz jest regulowanie poziomu wapnia w cytosolu - usuwanie nadmiaru z cytoplazmy na zew komórki, bądź do przedziałów komórkowych

• pompy protonowe

• pompy plazmolemy (H+-ATPaza - dzięki temu że generuje gradient protonu, może on być różnie wykorzystany (np. przez transportety wtórne przy transporcie - odżywianie); generując gradient powoduje, że mogą być usuwane toksyczne jony; pompa wyrzucając protony, powoduje zakwaszenie apoplastu i powoduje wyzwolenie enzymów związanych ze zwrostem co sprawia że rośnie; aby mogły funkcjonować enzymy, musi być regulowane pH - stabilizuje i utrzymuje

• transportuje protony z cytoplazmy do apoplastu (TYLKO!!)

• jest pojedynczym polipeptydem (ok. 100kDa) posiadającym 10 transmembranowych odcinków (alfa helis)

• Duża, wysoce konserwatywna pętla po stronie cytoplazmatycznej zawiera centrum wiążące ATP, a mała pętla pomiędzy 2 i 3 alfa-helisą ulega fosforylacji tworząc ufosorylowane intermediat charakterystyczne dla wszystkich P-ATPas

• hydrofilny odcinek łańcucha z wolną grupą karboskylową stanowi domenę autoregulatorową

• Enzym posiada na C-Końcu domenę autoinhibitorową.Interakcja pomiędzy domeną autoinhibitorową a domeną katalityczną powoduję, że enzym jest nieaktywny. (białko 14-3-3 przyłącza się do ufosforylowanej fosfotreolina) Interakcja pomiezy wymienionymi domenami może być modulowana przez częściową proteolizę (usuwającą C- koniec) fosforylacje ora wiązanie odpowiedniego aktywatora enzymu. W wyniku posttranslacyjnej modyfikacji H= - ATPasa plazmolemowa z puli nieaktywnej enzymu przechodzi w stan wysokiej aktywności

• Fosforylacja reszty treoniny domeny autoinhibitorowe enzymu (c-koniec) umożliwa przyłączenie białka 14-3-3 i odsłonięcie centrum katalitycznego

• ATPaza z formy niekatywnej zmienia się w aktywną

• fuikokcyna (toksyna grzybow) stabilzuje kompleks białka 14-3-3 ATPazą

• Pompy protonowe tonoplastu

• V-ATPaza (H+ z cytozolu do wakuoli (TYLKO!!))

• Tonoplastowa H+-ATPaza zaliczana jest do pomp typu V (ang. vacuole); Swą budową enzym przypomina ATPazy typu F0 F1 - występujące w mitochondriach, plastydach i komórkach bakteryjnych. V-ATPaza jest enzymem składającym się z dwóch sektorów V1 i V0. Hydrofilny sektor V1 (tzw. główka) wystający z błony po stronie cytoplazmatycznej tworzy 3 kopie polipeptydów A (funkcje katalityczna) i B (jednostka regulatorowa) oraz dodatkowo polipeptydy (C,E,G,H-strator i D, F tzw. trzonek)

• Integralny sektor V0 błonowy zbudowany z 6 kopii podjednostek tworzy kanał protonowy oraz z polipeptydu (stator) i d (trzonek)

• Pirofosfataza (transportuje protony z cytozolu do wakuoli!!!)

• w tonoplaście występuje drugi typ pompy protonowej. Jest to tzw

• transmembranowe helisy są ponumerowane od 1 do 14. Sekwencja DVGADLVGKVE (motyw domeny katalitycznej) znajdująca się po stronie cytoplazmatycznej enzymu, w segmencie CS1 uczestniczy bezpośrednio w wiązaniu pirofosforanu i jonów magnezu.

• Trzy konserwatywne segmenty oznaczono jako CS1, CS2 i CS3

• Końce łańcucha z wolną grupą aminową i karboksylową zakotwiczone są wewnątrz wakuoli.

• pompy metali ciężkich

• (HMA)

• Funkcje: - dostarczanie metali niezbędnych do syntezy metaloprotein (błony pęcherzyków goldiego

• usuwanie z cytoplazmy toksycznych metali (tonoplast i plazmolema)

→ Pompy protonowe plazmolemy i tonoplastu generują gradient elektrochemiczny błony stanowiący tzw. pierwotną siłę protomotoryczną (pmf) wykorzystywaną przez transportery wtórne do przenoszenia substancji przez błony

• Wtórne

• Współdziałanie pomp protonowych i transporterów wtórnych

• symporter i antyporter

• do przeniesienia przez błone cząsteczki wbrew gradientowi jej stężenia wykorzystują pierwotną siłe motoryczną wytworzoną przez pompy protonowe

• Ze względu na powinowactwo do substratu transportery wtórne dzieli ię na:

• transportery wysokiego powinwactwa (HATS ang.

• Transportety niskiego powinowactwa (LATS)

• mogą mieć charakter białek

• konstytucyjny (ciągła genó kodujących

• indukcyjnych (ekspresja genów kodujących indukowana substratem)