Zagadnienia na kolokwium z fizjologii roślin

• Struktura i skład błon komórkowych

Błony biologiczne są strukturami, których zadaniem jest: rozgraniczanie odrębnych przedziałów w komórce, moderowanie transportu pomiędzy utworzonymi przedziałami (utrzymywanie selektywnej przepuszczalności), utrzymywanie granicy faz i w ten sposób przekazywanie sygnałów chemicznych i energii z jednego układu do drugiego, wytworzenie odpowiedniego środowiska do pracy organelli, kanałów jonowych, receptorów i enzymów.

W warunkach naturalnych wszystkie błony w komórce (zarówno błony organelli jak i komórkowa) mają podobną budowę: składają się one głównie z frakcji lipidowej oraz białkowej. Do frakcji lipidowej błony możemy zaliczyć takie związki jak fosfolipidy (w warstwie zewnętrznej - blaszce E - dominują fosfolipidy cholinowe - fosfotydylocholina, sfingomyelina, fosfotydyloinozytol; w blaszce P - warstwie wewnętrznej - dominują natomiast fosfolipidy aminowe - fosfotydyloetanoloamina i fospotydyloseryna), sfingoglikolipidy (występujące w warstwie zewnętrznej, pełniące funkcje receptorowe) oraz cholesterol (związek należący do grupy steroli, występujący głównie w warstwie zewnętrznej, odpowiedzialny za płynność lub brak płynności błony); do frakcji białkowej zaliczamy natomiast różnego rodzaju białka błonowe (z których wymienić warto proteoglikany wchodzące w skład glikokaliksu w komórkach zwierzęcych; a także białka transbłonowe, białka związane z powierzchnią błony, białka integralne).

Fosfolipidy, które są głównym składnikiem błon komórkowych zbudowane są w następujący sposób: Część niepolarna składa się z dwóch łańcuchów kwasów tłuszczowych. Zawierają one od 16 do 20 atomów węgla i mogą mieć jedno lub dwa wiązania podwójne. Obecność w cząsteczce nienasyconego wiązania powoduje odgięcie łańcucha węglowego o około 30 stopni. Występowanie podwójnych wiązań zapobiega ścisłemu upakowaniu fosfolipidów. Cześć polarna natomiast składa się głównie z ujemnie naładowanej grupy fosforanowej, do której przyłączona jest dodatnio naładowana cząsteczka zasady aminowej lub cholinowej.

W warunkach naturalnych fosfolipidy tworzące błonę komórkową, w środowisku wodnym, tworzą automatycznie dwuwarstwę lipidową. Dwuwarstwa ta zbudowana jest w ten sposób, że główki polarne glikolipidów skierowane są na zewnętrzną stronę błony, natomiast niepolarne łańcuchy tłuszczowe ulokowane są w części wewnętrznej. W takiej też formie występują one głównie w przyrodzie - najważniejsze organelle takie jak jądro, mitochondria, chloroplasty, a także sama błona komórkowa są dwuwarstwowe. Niektóre błony, w komórce, nie występują jednak w dwuwarstwie, a w warstwie pojedynczej - takimi błonami otoczony jest aparat Golgiego, relikula, wakuola, lizosomy i inne mikrociałka. Również pęcherzyki tworzone przez warstwę lipidową mogą przybierać dwie formy - pęcherzyka jednowarstwowego (miceli) lub pęcherzyka dwuwarstwowego (liposomu).

Błona komórkowa jest struktura mobilna i w jej obrębie mogą występować pewne ruchy:

• ruchy rotacyjne - są to ruchy fosfolipidów wokół własnej osi,

• ruchy fleksyjne - ruchy wahadłowe łańcuchów tłuszczowych wchodzących w skład lipidów,

• ruchy dyfuzyjne - przemieszczanie się fosfolipidów w jednej płaszczyźnie,

• ruchy flip-flop - ruchy polegające na przeskakiwaniu fosfolipidów z jednej warstwy do drugiej.

• Rodzaje i charakterystyka błon w komórce ???

Prawie całkowicie charakterystyka błon została omówiona w powyższych akapitach.

• Rodzaje transportu przez błonę komórkową

Transport przez błonę komórkową dzielimy na transport bierny - jest to transport, który nie wymaga do zaistnienia nakładu energii (zachodzi samorzutnie), a substancje są transportowane ze strony o wyższym stężeniu przenoszonej substancji na stronę o niższym stężeniu przenoszonej substancji (zgodnie z gradientem stężeń). Najprostszym przykładem transportu biernego jest dyfuzja prosta opisana równaniem Ficka, z którego wynika, że strumień dyfuzji danej substancji jest proporcjonalny do różnicy stężeń tej substancji w poprzek błony. Kolejnym rodzajem transportu biernego jest dyfuzja wspomagana (ten już nie może zachodzić w dowolnym miejscu błony w przeciwieństwie do dyfuzji prostej), która z kolei może się odbywać przez kanały błonowe lub przez przenośniki. W tym przypadku transportowana cząsteczka nie może przejść przez błonę, jeśli nie utworzy kompleksu z nośnikiem, który jej to umożliwia. Tu przykładem może być walinomycyna, która tworzy hydrofobową otoczkę wokół jonów potasu i w ten sposób umożliwia ich migrację przez błonę. Innym przykładem może być tworzenie kompleksów cząsteczka-nośnik po jednej stronie błony, następnie zachodzi zmiana konformacji nośnika i uwolnienie cząsteczki po drugiej stronie błony. W tym rodzaju transportu jego szybkość zależy od ilości cząsteczek nośników, a nie od stężeń przenoszonych cząsteczek po obu stronach błony.

Transportem aktywnym nazywamy transport substancji wymagający nakładu energii. Zachodzi on zawsze z udziałem wyspecjalizowanych struktur błonowych (białek integralnych) sprzęgających transport z procesem uwalniania energii. Źródłem energii bardzo często jest hydroliza ATP i dlatego białka biorące udział w tym procesie traktowane są jako enzymy posiadające własności ATPazy. W większości przypadków transport aktywny odbywa się wbrew różnicy stężeń danej substancji (w stronę większego stężenia) i w związku z tym mechanizmy tego transportu często nazywane są "pompami". Dobrze poznanym przykładem takiego mechanizmu jest pompa sodowo-potasowa. Jest ona jednocześnie przykładem transportu wymiennego (antyportu). Transportuje ona bowiem jony sodu z wnętrza komórki na zewnątrz, jednocześnie przenosząc jony potasu w kierunku odwrotnym. Na jedna rozłożoną przez te pompę cząsteczkę ATP przypada transport trzech jonów sodu i dwóch jonów potasu. Działanie pompy sodowo-potasowej ma olbrzymie znaczenie dla utrzymania stałej różnicy stężeń tych jonów, zwłaszcza w komórkach pobudliwych. Jak wiadomo bowiem bierny transport jonów zachodzący zarówno podczas spoczynku komórki jak i w czasie trwania potencjału czynnościowego po pewnym czasie prowadziłby do wyrównania stężeń jonów sodu i potasu wewnątrz i na zewnątrz komórki.

• Mechanizm plazmolizy

Plazmoliza jest zjawiskiem zachodzącym jedynie w żywych komórkach. Polega ona na tym, że pod wpływem roztworu hipertonicznego (o wyższym stężeniu) otaczającego komórkę, komórka oddaje do otoczenia wodę ze swojego wnętrza na drodze transportu biernego (osmoza - transport wody przez błonę), w celu wyrównania stężeń roztworów po obu stronach błony. Oddawanie wody powoduje natomiast zmniejszanie objętości protoplastu (żywej części komórki) i jej odstawanie od ściany komórkowej, która jest strukturą sztywną i nie może ulec odkształceniu. Dalsze oddawanie wody przez komórkę powoduje całkowite oderwanie protoplastu od ściany komórkowej.

• Ciśnienie osmotyczne

Rozpuszczalniki, głównie woda wędrują od roztworu o mniejszym stężeniu rozpuszczonych w niej składników (z otoczenia) do roztworu o większym stężeniu rozpuszczonych w niej substancji (do wewnątrz komórki). Woda wpływa do komórki przez kanały białkowe w błonie, kanały te są zbudowane z tzw. akwaporyn. Dzięki obecności stężonych roztworów powstaje w komórce tzw. ciśnienie osmotyczne, od którego zależy siła ssąca komórki. Komórki zawierające silnie stężone roztwory odznaczają się zatem dużym ciśnieniem osmotycznym, znaczy dużą zdolnością ssącą.

• Potencjał osmotyczny i potencjał turgorowy - definicja i rola biologiczna.

Potencjał osmotyczny jest to siła z jaką woda oddziałuje na ścianę komórkową od wewnątrz. Oddziaływanie to napręża ścianę komórkową zapewniając komórce jędrność, czyli turgor. Turgor odgrywa ważną role w życiu roślin, nadaje bowiem komórkom sztywność, a roślinom wytrzymałość mechaniczną na działanie różnych czynników, np. wiatrów. Rośliny pozbawione turgoru są wiotkie, łatwo ulegają uszkodzeniom i tracą zdolność wzrostu. Potencjał turgorowy jest to zatem siła z jaką ściany komórkowe reagują na posiadany przez komórkę potencjał osmotyczny (siła z jaką przeciwstawiają się własnemu wewnętrznemu ciśnieniu).

Potencjał osmotyczny można wyznaczyć ze wzoru opisanego przez J. H. vann`t Hoff`a:

,

gdzie C to stężenie molalne [mol/kg rozp.], i to współczynnik aktywności, R jest to stała gazowa (0,00831
) i T to temperatura wyrażona w kalwinach.

• Potencjał wody w komórce roślinnej - równanie Ψ = P - Π

Potencjał wody w komórce roślinnej jest to suma wszystkich sił wywieranych w komórce przez procesy wywołane ruchem wody. Potencjał wody w komórce można wyznaczyć ze wzoru:

,

gdzie
to potencjał osmotyczny,
to potencjał turgorowy a
to potencjał matrycowy.

---