Компартменты растительной клетки

Клеточная стенка(апопласт)

Наружнаямембрана

(плазмалема)

Плазмодесмы

Компартменты растительной клетки

Цитозоль(симпласт)

Вакуоль

Мембрана вакуоли(тонопласт)

Пластида

Пероксисома

Ядро

Митохондрия

ЭПР

Полисахариды клеточной стенки построены всего из 11 сахаров

Строение микрофибрилл целлюлозы

Строение целлюлозосинтазы

Электронные фотографии КС с целлюлозосинтазой

Сшивочные гликаны (cross-linking glycans)

Ксилоглюканы (XyGs)

Гликаны со смешанной

связью(злаки)

Глюкуроно-арабиноксиланы

(GAXs)

Фуко-XyGs XXXG:XXFG

(двудольные, некоммелиноидн.)

Арабино-XyGs AXGG, XAGG, AAGG

Пасленовые, мята

Нерегулярные XyGs (коммелиноидные)

КоммелиноидныеAra: O-3, GlcA: O-2

Некоммелин.Ara, GlcA: O-2

Обозначения: G: GlX: Gl-XylL: Gl-Xyl-GalF: Gl-Xyl-Gal-FucA: Gl-Xyl-Ara

Гемицеллюлозы: ксилоглюкан двудольных (фуко-галакто-XyGs)

Гемицеллюлозы: ксилоглюкан двудольных (арабино-XyGs пасленовых и мяты)

Гемицеллюлозы: глюкуроно-арабиноксиланы двудольных и коммелиноидов

Гемицеллюлозы: глюкан злаковых

Пектины

Галактуронаны Рамногалактуронаны

Гомогалактуронаны Ксилогалактуронаны

Рамногалактуронаны II

Рамногалактуронаны I

Пектины: галактоктуронаны (гомо- и ксило-галактуронаны)

Петкины: рамногалактуронаны II (к цепи гомогалактуронана присоединены различные боковые цепочки по разным гидроксилам )

Пектины: рамногалактуронаны I гетерополимер: линейная цепь из чередующихся остатков GalA и Rha

с различными боковыми фрагментами

Пектины: димер рамногалактуронана II (мономеры RGII 4200kDa связаны диэфирными связями остатками апиозы через

бор)

Кальций: «Замковые зоны» пектиновой сети

Пектины: зоны «Ca2+-застежек» и количество нейтральных боковых цепочек RGI регулируют размер пор клеточной стенки

Структурные белки клеточной стенки: HGRPs, PRPs, GRPs (гидроксипролин-, пролин- и глицин- обогащенные)

Структурные белки клеточной стенки: AGPs (арабино-галактановые белки - протеогликаны).

Структурные белки клеточной стенки: AGPs (арабино-галактановые белки - протеогликаны).

Трехмерная модель двух типов клеточной стенки: тип I (двудольные) и тип II (коммелиноиды)

Возможное участие ХЕТ (ксилоглюкан-эндотрансгликозилазы) и экспансина в росте клеток растяжением

Заряд на мембранах

Вакуоль

Плазмалема:-120 –

-160 mV

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+

H+

Тонопласт: + 30 mV

-200 mV

H+ H+ H+ H+

H+ H+

H+ H+ H+ H+ H+

ΔpH=3

H+ H+

H+ H+

H+

Низкая «цена» ATP:1. Апопласт (клеточная стенка

и межклетники)2. Вакуоль3. Межмембранное

пространство митохондрий4. Внутритилакоидный люмен5. Некоторые участки ЭПР

H+

H+ Активное использование АТР:1. Цитозоль2. Нуклеоплазма3. Матрикс митохондрий4. Строма пластид5. Некоторые участки ЭПР

––

– –

––

–––––––––

–

– ––

––

–

–

––

–

–

–– –––––––

–––

– – –

– – –– – – – – –

––

––––

–

––

–

–

––

–

– – – – – – –

Три типа H+-АТФаз растительной клетки

Н+- АТФаза плазматической

мембраны

(p-тип)

Н+- АТФаза вакуолярная

(V-тип)

АТФ-синтазы митохондрий

ихлоропластов

(F-тип)

Заряд на мембранах

Вакуоль

Плазмалема: -120 – -160 mVH+-АТФаза (р-тип)

Са2+-АТФазы

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+ H+

H+

Тонопласт: + 30 mV

Н+-Пирофосфатаза (р-тип)Са2+-АТФазы

H+-АТФаза (V-тип)АВС-транспортёры

-200 mVАТФ-синтаза(F-тип)

H+ H+ H+ H+

H+ H+

H+ H+ H+ H+ H+

ΔpH=3АТФ-синтаза(СF-тип)

H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+

Са2+-АТФазы

•Один большой полипептид 100 - 106 кДа

•Регулируется по принципу «фосфорилирование/дефосфорилирование» по серину протенкиназами

•Образует промежуточный фосфорилированный интермедиат (по аспартиловому концу фермента)

•Ингибируется ванадатом (блокирует фосфорилирование по аспартиловому концу фермента)

•Ингибируется сульфгидрильными реагентами

•Сходна с АТФазами животных клеток: Na,K-АТФаза; H,K-АТФаза; Ca-АТФаза)

•Зависит от градиента Н+

•К+-зависимая

Домен связывания Mg-АТФ

Е1 связывает Н (in)

Е2 освобождает Н (out)

Стехиометрия переноса:1 АТФ : 1 Н+

Симптомы поражения грибом

Fusicoccum amygdaliна персике

Метаболит гриба – фузикокцин –

необратимо активирует АТФазу плазмалеммы

• 64 – 67 кДа

• катионзависимая (стимулируется К+, ингибируется Na+, Са2+)

• высокоспецифична к пирофосфату

• зависит от концентрации магния

• зависит от градиента Н+

• ингибируется сульфгидрильными реагентами

Входит в состав тонопласта. Стехиометрия переноса:

1 пирофосфат : 1 Н+

Уменьшает концентрацию пирофосфата в цитозоле (?)

Са2+АТФазы принадлежат к большому семейству АТФаз р-типа

Са2+АТФазы ПМ

Са2+АТФазы ЭР

У растений в отличие от животных Са2+-АТФазы ПМ-типа

локализованы не только на плазмалемме, но и на

эндомембранах

Домен связывания Mg-АТФ


Компартментация Са2+ в растительной клетке


Вакуоль

Са2+: 1000 – 10000 мкМ

Пластида



ЭПР Са2+: 1000– 10000 мкМ

Са2+: 0,01–0,05

мкМ

Са2+: 0,1–0,2 мкМ

Са2+:1000 мкМ

Са2+:1000 мкМ

Са2+:1000–10000 мкМ

Транспорт кальция в растительной клетке

Транспортные белки, которые используют энергию гидролиза АТФ для транспорта через мембраны самых разных химических агентов. Содержат ATP-Binding Casette (ABC).

Представлены у всех организмов

Очень многочисленное семейство

Арабидопсис : 131 различных белков

3 основных мультисемейства:

pleiotropic drug resistance (PDR),

multidrug resistance (MDR),

multidrug resistance-associated protein (MRP)

АВС-транспортёры

АТР

АDР+P

АТР АDР+PGS-herbicide

Примеры:активный транспорт

в вакуоль конъюгатовгербицидов или кадмия

с глутатионом

Цитозоль

Мембрана (тонопласт)

Вакуоль

АТФ-связывающий домен

Н+ Н+-АТФаза плазмалеммы (P-типа)

Н+-АТФаза тонопласта (V-типа)

Пирофосфатаза тонопласта

Ca2+ Са2+-АТФаза ПМ (P-типа)

Са2+-АТФаза ЭР (P-типа)

Na+ Nа+-АТФаза плазмалеммы

Ионы тяжелых

металлов

Аминокислоты

Органические кислоты

Пептиды

Липиды

Ксенобиотики

АВС-транспортёры

Расход энергоносителей (АТФ, ФФ)на создание градиента на мембранах

АТФ-синтаза: «вальсирующий» комплекс

Структура:Две субъединицы: F0 и F1

F1: α3β3γδεα - 59, β - 56, γ - 36δ - 17.5, ε - 13,5kDa

F0: а (I), 15kDa, b (II), 12.5kDa c (III), 8kDa

а:b:с – 1:2:(6-15)

АТФаза вакуолярная (V-тип)

3 каталитических центра связывания АТФ6-9 субъединиц, связывающих протон

• Многомерная структура 70 кДа, 60 кДа, 16 кДа (7-10 субъединиц)

• Анионзависимая (нитрат ингибирует, хлорид стимулирует)

• Нечувствительна к ванадату, азиду, олигомицину

• Зависит от градиента Н+

Н-АТФаза тонопласта (V – типа)

По градиентуэлектрохимического потенциала, без затраты энергии

Против градиента электрохимического потенциала, с затратой энергии

Без специальных структур на мембране

Специальные белковые на мембранекомплексы, обладающие разной специфичностью к переносимому веществу

Переносится одно вещество, используются макроэргические связи АТФ, пирофосфат и др.

Два вещества переносятся в одном направлении, используется электрохимический потенциал одного из веществ

Два вещества переносятся в разных направлениях, используется электрохимический потенциал одного из веществ

Первичноактивный

Вторичноактивный

Вторичноактивный

Изменение конформации

Изменение конформации«

Пи

нг-

по

нг»

-мех

ан

изм

Од

но

вр

ем

ен

ны

йп

ере

но

с д

ву

хв

ещ

еств

6 АЛЬФА-СПИРАЛЬНЫХ ДОМЕНОВ, СОБРАНЫ В ДИМЕР

или:12 АЛЬФА-СПИРАЛЬНЫХ ДОМЕНОВ, ДВУПОРОВЫЕ

Транспорт веществ через мембрану митохондрии

Транспорт интермедиатов через хлоропластную мембрану

Транспорт интермедиатов через хлоропластную мембрану

Транспортеры есть и на плазмалемме

H+

H+ H+

H+ К+

H+

H+ H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+ Сахароза 2H+ NO3- 3H+ SO4

2- H+

Na+

– – – – – – – – – – – – – – – – – –

Структура аквапоринов

NPA-бокс: Asp-Pro-Ala

Регуляция активности аквапоринов

много воды в клетке

мало воды в клетке

аквапорины открыты, движение воды по градиенту водного потенциала

Аквапорины облегчают

диффузию многих небольших

незаряженных молекул:

Вода

Углекислый газ

Этанол

Глицерин и др.

1. Катионные и анионные

2. “Входящие” (in) и “выходящие” (out)

3. Селективность: специфические и неспецифические

4. Потенциал-зависимые и рецептор-управляемые

5. Быстрые и медленные

Метод Patch-Clump

Калиевые каналы Shaker-типа работают в виде тетрамеров: схема, вид сбоку и сверху

R

O

I

Модель «Мяч на привязи»

Неспецифические переносчики относительно крупных молекул

Бета-слойс чередующимися гидрофильными и гидрофобными аминокислотами (через одну)


Вакуоль Ядро

ЭПР

Порины

Порины

Порины

Порины

Два пути сортировки белков: цитоплазматический и секреторный

Секреторный путь транспорта белков: гликозилирование в ЭР

Транспорт ядерно-кодируемых белков в хлоропласт

Translocase of Outer Chloroplast membrane (TOC)

Translocase of Inner Chloroplast membrane (TIC)

Структура ядерных пор

Ядерные поры – пропускные фильтры.

Сигнальные последовательности транспорта белков в растительной клетке

Целевая органелла Сигнальная последовательность Характеристика

Хлоропласты: строма N-концевой лидерный пептид («стромальный»)

Последовательность из 40-50 аминокислот

Хлоропласты: люмен и мембраны тилакоидов

Два последовательных N-концевых лидерных пептида

Первый пептид - «стромальный», второй – «люменальный»

Митохондрии: матрикс N-концевой пресиквенс формирует положительно заряженную амфипатическую α-спираль.

Митохондрии: внутренняя мембрана, межмембранное пространство

Два последовательных N-концевых пресиквенса

Первый пресиквенс - как для белков матрикса, второй состоит из остатков гидрофобных аминокислот

Пероксисомы:ТРАНСПОРТ БЕЗ ШАПЕРОНОВ!

Сигналы пероксисомальной локализации PTS1 и PTS2

PTS1 – С-концевой трипептид – Ser-Lys-Leu PTS2 локализован на N-конце.

Ядро Сигналы ядерной локализации NLS. Не отщепляются после переноса белка в ядро

NLS типа 1: Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys.NLS типа 2: две последовательности, разделенные спейсеромNLS типа 3: Lys-Ile-Pro-Ile-Lys

Сигнальный пептид секреторного пути

N-концевой лидерный пептид 10-15 остатков гидрофобных аминокислот, формирующих α-спираль.

ЭР Сигнал локализации в ЭР С-концевой тетрапептид KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu)

Вакуоль. Сигналы локализации в вакуолях: NTPP, CTPP, внутрибелковый сигнал.

NTPP - N-концевой сигнал: Asn-Pro-lle-Arg CTPP – С-концевой сигнал.


Наружнаямембрана

(плазмалема)

Плазмодесмы



Вакуоль

Мембрана вакуоли(тонопласт)

Пластида


Ядро


ЭПР

Структура и работа плазмодесм

•Белок FT (Flowering Locus T) – синтезируется в клетках листа и по флоэме направляется в меристему побега

•Высокомолекулярные сигналы для образования клубней: синтез в листе и транспорт по флоэме в подземные побеги

•Белок KN1 (knotted 1) обнаруживается в эпидермальных клетках, а синтез соответствующей РНК KN1 – в нижележащих слоях

•Малые интерферирующие РНК (siRNA), участвующие в сайленсинге

•Возможна компенсация мутантного фенотипа при экспрессии нормального аллеля не во всём растении, а только в определенных группах клеток

•Перемещение вирусов и вироидов

Из: Rinne, van der Schoot, 1998

Функциональные симпластические домены

Короткий день (формирование катафиллов)

Каллозные «пробки»

•Транспорт минеральных веществ

•Транспорт низкомолекулярных органических соединений по системе ЭПР-вакуоли (сахара, аминокислоты и др.)

•Концентрирование веществ за счет разветвления плазмодесм и активного везикулярного транспорта

•Обеспечение механических контактов с клеточной стенкой. Симпластический рост органов (без разрывов)

•Объединение клеток в единую электрическую среду. Согласованное изменение потенциала соседних клеток

•Транспорт сигнальных веществ (гормонов)

•Обмен макромолекулами

Челночные механизмы выноса из хлоропластов НАДФН и АТФ.

Челночные механизмы транспорта для обмена восстановленными эквивалентами

NADHNADPH

(в пластидах также Fd)

Преобразование энергии

Протонный градиент

на мембране

Макроэргические связи

Окислительно-восстановительные

реакции (redox)

Свет

Другие ковалентные

связи

Градиенты других веществ

Н2О

ē

О2

ē

CoA; SAM (S~C)

ATP; NTP; PPi

(P~P)

Кофермент А - универсальный переносчик и “активатор” ацильных (кислотных) групп

O ||

СоА-SH + CH3СOOH ↔ CoA-S~C-CH3 + Н2О. H H O H H O H CH3 H | | || | | || | | |

H3C~ S-C-C-N-C-C-C-N-C-C– C – C — АДФ –3’Ф || | | | | | | | | | O H H H H H H OH CH3 H

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

пантетеин: пантоевая к-та + β-аланин + цистеамин

Макроэргическая связь сера~углерод

S~C можно:1. Разменять на АТФ (энергетическая функция)2. Потратить на удлинение углеродного скелета

(биосинтетическая функция – важнее!)

АТФ (ATP) – основная «энергетическая валюта» клетки

ΔGo’ = 29,4 кДж/ моль или 7. 0 ккал/ моль

Энергия гидролиза АТФ зависит от концентрации и рН

АТФ/АДФ ΔG (ккал/моль) ΔG (кДж/моль)

рН=0 1/1 - 5,6 - 23,5 ΔG0

рН=7 1/1 - 7,0 - 29,4 ΔG0′

рН=7 10/1 - 9,0 - 37,8

рН=7 100/1 - 14,0 - 58,8

1 ккал = 4.2 кДж.

][

]][[ln0

АТФ

ФАДФRTGG Н

Вывод: в случае высокой концентрации Н+ «цена» АТФ снижается

Documents

Компартменты растительной клетки