Biljne ćelije su tipične eukariotske ćelije. Razlikuju se, na citološkom nivouorganizacije, od animalnih po prisustvu:

celuloznog ćelijskog zidahloroplastavakuola u svim zrelim, diferenciranim ćelijamaplazmodezmi, struktura koje povezuju biljne ćelijeformiranju fragmoplasta posle mitoze

Biljke su primarni producenti.Biljke su primarni producenti.BiljkeBiljke susu autotrofniautotrofni organiorganizzmimi(kolektori svetlosti).(kolektori svetlosti).ViVišše biljke su sesilni organizmi.e biljke su sesilni organizmi.Biljke imaju neograniBiljke imaju neograniččeno eno rastenje.rastenje.Transpiracijom konstantno gube Transpiracijom konstantno gube vodu i zbog toga su razvile vodu i zbog toga su razvile mehanizme za izbegavanje mehanizme za izbegavanje isuisuššivanja.ivanja.Biljke poseduju provodna tkiva i Biljke poseduju provodna tkiva i mehanizme za kretanje vode i mehanizme za kretanje vode i mineralnih materija.mineralnih materija.

ĆĆELIJSKIELIJSKI ZIDZID

ĆELIJSKI ZID

KarakteristikaKarakteristika biljnebiljne ććelijeelijeDDajajee jojjoj oblikoblik, , ččvrstinuvrstinu, , zazašštitutituSveukupnost ćelijskih zidova u biljnom organizmu naziva se APOPLASTAPOPLAST..

Predstavlja potporu pojedinačnim ćelijama i celoj biljci.

Kao poseban kompartmentćelije, ćelijski zid je sedište važnih fizioloških procesa, posebno onih vezanih za transport.

Kako je pre svih drugih delova izložen raznim spoljašnjim uticajima, ćelijski zid štiti biljku od klimatskih, hemijskih i patogenih faktora sredine.

FunkcijeFunkcije::

1. 1. mehanimehaniččkaka2. 2. zazašštitnatitna (zaštita od mehaničkih povreda, gubitka vode, hemijskih,

fizičkih i klimatskih faktora sredine i patogena)3. 3. transportnatransportna

Struktura:

srednja lamela,srednja lamela,primarni zid,primarni zid,sekundarni zidsekundarni zid

SREDNJA LAMELA:

Srednja lamela je prva pregrada koja se pojavljuje između dve nove ćelije nakon deobe jedra.

Amorfne je građe, sastoji se najvećim delom od pektina i ne sadrži celulozne fibrile.

PRIMARNI ĆELIJSKI ZID

Primarni ćel. zid čini sloj koji ćelija izlučuje u prostor između plazmaleme i srednje lamele.

Primarni ćel. zid je rastegljiv i sposoban da raste.

Nalazi se kod mladih ćelija koje još nisu završile rastenje.

SEKUNDARNI ĆELIJSKI ZID

TreTrećći sloj zida koji se javlja kod i sloj zida koji se javlja kod ććelija koje su zavrelija koje su završšile rastenje ile rastenje --kod diferencikod diferencirranih anih ććelija.elija.

Sekundarni zidovi razliSekundarni zidovi različčitih biljaka ili razliitih biljaka ili različčitih tipova itih tipova ććelija elija pokazuju veliku raznovrsnost.pokazuju veliku raznovrsnost.

Može biti ravnomerno (sklerenhimska vlakna) i neravnomerno (kolenhim)

HEMIJSKI SASTAV HEMIJSKI SASTAV ĆĆELIJSKOG ELIJSKOG ZIDAZIDA

POLISAHARIDIPOLISAHARIDIPROTEINIPROTEINILIGNIN, SUBERIN, KUTINLIGNIN, SUBERIN, KUTINNEORGANSKA JEDINJENJANEORGANSKA JEDINJENJA

Primarni ćelijski zid je sličnog sastava kod skoro svih biljnih ćelija,dok sastav sekundarnog ćelijskog zida veoma varira od ćelije do ćelije.

U sastav sekundarnog U sastav sekundarnog ććelijskog zida elijskog zida mogu jomogu jošš uućći:i:

fenolna jedinjenjafenolna jedinjenjalipidilipidi

POLISAHARIDI

Podela na osnovu rastvorljivosti:

celuloza (nerastvorna), hemiceluloza (ekstrahuje se razblaženim bazama), pektini (ekstrahuju se ključalom vodom);

POLISAHARIDI

Podela na osnovu gradivnih jedinica (šećera):

Homopolimeri – sastoje se samo od jednog tipa šećera (glukani, ksilani, arabinani itd.). Tu spada celuloza.

Heteropolimeri – sastoje se od dva ili više tipova šećera (ksiloglukani, arabinogalaktani itd.). To su pektini.

POLISAHARIDI PRIMARNOG ĆELIJSKOG ZIDA SASTOJE SE IZ:

C

C O

C

CC

C

HH

OHOH

H

H

OH

OH

H

H

OHH

GLUKOZA

C

C O

C

CC

C

HOH

HOH

H

H

OH

OH

H

HOHH

GALAKTOZA

C

C O

C

CC

C

HH

OHOH

H

OH

H

OH

H

HOHH

MANOZA

C

C O

C

CC

C

HH

OHH

OH

OH

H

OH

H

H

HH

FUKOZA

C

C O

C

CC

C

HOH

HH

OH

H

OH

OH

H

H

HH

RAMNOZA

C

C O

C

CC

C

HOH

HOH

H

H

OH

OH

H

OHO

GALAKTURONSKA KISELINA

C

C O

C

CC

HH

OHOH

H

H

OH

OH

H

H

KSILOZA

C

O

C

CC

H

OH

H

H

OH

OH

HCOHHH

ARABINOZA

- Heksoze: β-D-glukoza, β-D-galaktoza, β-D-manoza, ά-L-fukoza i ά-L-ramnoza.

- Pentoze:β-D-ksiloza i ά-L-arabinoza

- Dve kiseline izvedene od šećera:ά-D-glukuronska i ά-D-galakturonska

CELULOZACELULOZA

Celuloza je β-1,4-glukan tj. polimer β-D-glukopiranoze.

Molekul nerazgranat isadrži 8000 do 15000glukoznih ostataka.

Osnovnu strukturnu jedinicu molekula celulozečini disaharid-celobiozacelobioza,koji je ponavljen 4000 ili više puta.

Dva susedna ostatka glukopiranoze su pod uglom od 1800 što omogućava obrazovanje vodoničnih veza.

Celulozni molekuli leže paralelno i povezani su vodoničnim vezama gradeći strukture koje se zovu mikrofibrile.

Mikrofibrile ovalnog oblika,prečnika 4.5-8.5 nm.

Oko 50 molekula celuloze čini centralno jezgro mikrofibrilai tako gradi pravilnu trodimenzionalnu strukturu sa optičkim osobinama kristala.

Na periferiji mikrofibrila nalazi se parakristalna struktura, koju čine molekuli celuloze manje pravilno raspoređeni zbog molekula hemiceluloze koji se umeću između njih.

POLOŽAJ MIKROFIBRILA U ĆELIJSKOM ZIDU

U primarnom ćelijskom zidu orijentisane su u svim pravcima.

U sekundarnom su paralelne i prostiru se ili duž duže osovine ćelije (longitudinalno) ili poprečno na nju (transverzalno).

Orijentacija mikrofibrila može se menjati u primarnom ćelijskom zidu (pod uticajem biljnih hormona napr.) i zavisi od orijentacije kortikalnih mikrotubula u ććeliji.eliji.

Celuloza je jedini polisaharid koji kod viših biljaka gradi fibrile.

HEMICELULOZEHEMICELULOZE

Obuhvataju više različitih polisaharida sa, za razliku od celuloze, razgranatimrazgranatim molekulima.

Ovi polisaharidi se grupišu prema šećeru koji je najobilniji u njima na: ksilanksilanee, mananemanane i galaktanegalaktane.

KSILANIKSILANI

KarakteriKarakteriššu se prisustvom u se prisustvom ββ--DD--ksilopiranoze koja gradi ili glavni ili koja gradi ili glavni ili boboččne ne lance.lance.

Najzastupljeniji je ksiloglukan, zatim arabinoglukan, arabinoksilan, glukomanan, galaktomanan.

Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu

Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil

Fuk

Gal Gal

Fuk

KsiloglukanKsiloglukan rasprostranjen u primarnom zidu dikotila sastoji se od rasprostranjen u primarnom zidu dikotila sastoji se od ββ-- 11→→44--DD--glukoglukopiranozepiranoze, , ččiji mnogi molekuli nose ostatke ksiloze sa iji mnogi molekuli nose ostatke ksiloze sa vezom vezom ββ --11→→6, ili trisaharide od ksiloze, fukoze i galaktoze6, ili trisaharide od ksiloze, fukoze i galaktoze..

U primarnom zidu monokotila javljaju se ksilani koji se sastoje od lanaca β-1,4-ksilopiranoze na čijim C atomima 2 i 3 su bočno vezani ostaci arabinoze, galaktoze ili njihovih trisaharida.

Kod četinara ovaj lanac je acetilovan a pored toga, nosi i ostatke metilje acetilovan a pored toga, nosi i ostatke metil--glukuronskeglukuronske kiseline.kiseline.

MANANIMANANI

Lance manana sačinjavaju β-D-manopiranoza i β-D-glukopiranoza u odnosu 3:1 a za njih je vezana β-D-galaktoza β -1,6 vezom; neke od hidroksilnih grupa mogu biti acetilovane.

Manani su rasprostranjeni kod četinara i nekih paprati.

GALAKTANIGALAKTANI

Sastavljeni su od β-D-galaktopiranoze vezane β -1→3 vezom i bočnim lancima galaktoze i arabinoze.

Rasprostranjeni su kod četinara i nekih algi.

Molekuli hemiceluloze ne grade vrpce slične celuloznim zbog prisustva bočnih lanaca različite dužine, mada među pojedinim molekulima postoje mnogobrojne vodonične veze.

PEKTINIPEKTINI

NajobilnijiNajobilniji sastojak ovih sastojak ovih polisaharidapolisaharidaččine ine poliuronskepoliuronske kiseline najkiseline najččeeššćće na e na bazi bazi άά--DD--galakturonskegalakturonske kiselinekiseline..

Pektini mogu da budu Pektini mogu da budu kiselikiseli i i neutralnineutralni. .

Kod kiselih, karboksilne grupe Kod kiselih, karboksilne grupe galakturonske kiseline su slobodne ili galakturonske kiseline su slobodne ili grade estre sa metanolom, odnosno soli grade estre sa metanolom, odnosno soli sa kalcijumom (kalcijumsa kalcijumom (kalcijum--pektati)pektati)..

Neutralni su Neutralni su arabinogalaktaniarabinogalaktani i sastoje i sastoje se od lanaca arabinana (se od lanaca arabinana (αα--11→→5 vezana 5 vezana LL--arabinoza) i lanaca galaktana (arabinoza) i lanaca galaktana (ββ--11→→4 4 vezana Dvezana D--galaktoza) galaktoza)

U primarnom U primarnom ććel. zidu el. zidu rrasprostranjen asprostranjen jeje ramnogalakturonanramnogalakturonan..

N-acetil-D-glukozamin

hitinGljive

D-manozamananAcetabularia

D-galaktozaAgar-agarCrvene alge

Gradivna jedinicaGradivna jedinicaNazivPrisustvo kod

POLISAHARIDI KOD DRUGIH ORGANIZAMA

PROTEINIPROTEINI

ProteiniProteini –– strukturnistrukturni i i funkcionalnifunkcionalni (enzimi) (enzimi)

enzimi: u ćelijskom zidu nema enzima sa sintetičkom funkcijom; razne hidrolaze koje učestvuju u razlaganju veza u ćelijskom zidu i peroksidaze koje imaju oksidativnu funkciju.

Strukturni proteini se grupišu u pet klasa prema dominantnoj aminokiselini:

eekstenzinikstenzini -- velikavelika familija baznih familija baznih glukoproteinaglukoproteina u u ččijem sastavu uijem sastavu uččestvuje estvuje oko 30% oko 30% hidroksiprolina;hidroksiprolina; jednajedna vrsta ovih proteina se akumulira u vrsta ovih proteina se akumulira u ććelijama elijama koje rastu i pri kraju tog procesa ogranikoje rastu i pri kraju tog procesa ograniččava dalje rastenje; do toga dolazi ava dalje rastenje; do toga dolazi usled stvaranja usled stvaranja tirozinskihtirozinskih veza veza izmeđuizmeđu dva molekula dva molekula ekstenzinaekstenzina ššto to ograniograniččava dalje rastezanje ava dalje rastezanje ććelijskog elijskog zida.zida.

klasa bogata glicinom sadrklasa bogata glicinom sadržži do 70% ove aminokiseline, ali su i do 70% ove aminokiseline, ali su ččesti alanin i esti alanin i serin;serin;

klasa bogata prolinom osim prolinklasa bogata prolinom osim prolin--prolin jedinice sadrprolin jedinice sadržži i hidroksiprolin;i i hidroksiprolin;

lektinilektini -- klasa glukoproteina bogata klasa glukoproteina bogata hhidroksiprolinom i arabinozom; idroksiprolinom i arabinozom; osnovna funkcija lektina jeosnovna funkcija lektina jeprepoznavanje prepoznavanje ććelija pri kontaktu; to elija pri kontaktu; to naronaroččito dolaziito dolazi do izrado izražžaja u aja u pojavama inkompatibiliteta polena ipojavama inkompatibiliteta polena istigme i prepoznavanju patogenih stigme i prepoznavanju patogenih organizama.organizama.

klasa proteina sa arabinogalaktanom; klasa proteina sa arabinogalaktanom; sadrsadržži do 90% polisaharida, lanaca i do 90% polisaharida, lanaca arabinoze i galaktoze;arabinoze i galaktoze; imaju vaimaju važžne ne funkcije u morfogenezifunkcije u morfogenezi..

Prema zastupljenosti konstiPrema zastupljenosti konstittuenata, primarni uenata, primarni ććelijski zidovi se dele elijski zidovi se dele na 2 tipa:na 2 tipa:

Tip 1 (kod golosemenja(kod golosemenjačča, dikotila i vea, dikotila i veććine monokotila) ine monokotila) –– sadrsadržži 80i 80--90 % polisaharida, 1090 % polisaharida, 10-- 20 % proteina i malo 20 % proteina i malo ili nimalo fenolnih jedinjenja. Celuloza i hemiceluloze se ili nimalo fenolnih jedinjenja. Celuloza i hemiceluloze se nalaze u jednakim kolinalaze u jednakim količčinama (25%), a pektini ima 30%. inama (25%), a pektini ima 30%. Hemiceluloze se retko nalaze u obliku ksilana.Hemiceluloze se retko nalaze u obliku ksilana.

Tip 2 (kod monokotila iz porodice trava (kod monokotila iz porodice trava -- Poaceae) Poaceae) --sadrsadržži oko 20% fenolnih supstanci (razlii oko 20% fenolnih supstanci (različčitih od itih od lignina), vilignina), višše ksilana i mnogo manje pektina.e ksilana i mnogo manje pektina.

SEKUNDARNI SEKUNDARNI ĆĆELIJSKI ZIDELIJSKI ZID

Sekundarni ćelijski zid razlikuje se od primarnog po sastavu i strukturi – sadrži više celuloze, celulozne mikrofibrile su orijentisane ili longitudinalno ili transverzalno, sadrži lignin, suberin ili kutin, može se sastojati od više slojeva i zadebljavati ka unutrašnjosti ćelije tako da na kraju sadržaj ćelije odumire itd.

Struktura i sastav sekundarnog ćelijskog zida variraju od vrste do vrste biljaka i od tipa ćelije do tipa ćelije.

LIGNINLIGNINLigninLignin je je polimerpolimer aromatiaromatiččnih alkohola nih alkohola koniferilakoniferila, , pp--kumarilakumarila i i sinapilasinapila; ; prisutan u sekundarnom prisutan u sekundarnom ććelijskom elijskom zidziduu i odlai odlažže se u njegove pore istiskujue se u njegove pore istiskujućći i vodu vodu inkrustacijominkrustacijom..

Lignin se ugrađuje u zidove specijalizovanih ćelija: očvršćavanje – mehanička uloga, nepropustljivost za vodu (hidrofoban) – uloga u transportu vode, otpornost na enzimatsku hidrolizu – rezistentnost na štetočine.

LIGNIFIKACIJA

SUBERINSUBERIN I KUTINI KUTIN

Suberin i kutin su polimeri masnih i hidroksimasnih kiselina koji uzajamno grade estre i često su prožeti slojevima voska gradeći kutikulu (u sekundarnom ćel. zidu pokrovnih ćelija); izlučuju se na spoljašnjem ćelijskom zidu adkrustacijom.

Lignin, suberin i kutin su hidrofobne supstance, te ograničavaju ili sasvim sprečavaju kretanje vode kroz zidove koji ih sadrže.

VODAVODA

Ispunjava sve prostore između krupnih makromolekula izuzev kristalnih regiona mikrofibrila.

Količina vode varira, a od nje zavisi čvrstina pektinskog gela i povezanost među polisaharidima.

To je sredina u kojoj se odvijaju enzimske reakcije u ćelijskom zidu i u kojoj je jedino moguć transport čestica.

MOLEKULSKA GRAĐA PRIMARNOG ĆELIJSKOG ZIDA

Krupni molekuli polisaharida i proteina su međusobno povezani i grade veoma složenu strukturu.

Srednja lamela je amorfne građe, sastoji se najvećim delom od pektinai ne sadrži celulozne fibrile.

U primarnom zidu su mikrofibrileceluloze utopljene u amorfni matriks, koji čine ostali polisaharidi i proteini.

Albersheim i saradnici (kultura ćelija javora).

Degradacija zida jednom endopoligalakturonazom iz gljiva daje nekoliko osnovnih frakcija.

ALBERSHEIM-ov MODEL ĆELIJSKOG ZIDA

Molekuli ksiloglukana oblažu i povezuju celulozne fibrile, za koje su vezani vodoničnim vezama. Ramnogalakturonan jekovalentno vezan za ksiloglukane preko arabinogalaktana. Proteini (ekstenzin) su kovalentno vezani za polisaharide matriksa.

PROPUSTLJIVOST ĆELIJSKOG ZIDA

Smatra se da između fibrila celuloze postoje pore koje mogu imati prečnikdo 10 nm, ali nije poznato kolike su pore i kanali u amorfnom matriksu.

Prečnik mnogih molekula i jona koji prolaze kroz ćelijske zidove manji je od 1 nm (voda 0,39 nm).

Smatra se da je primarni ćelijski zid potpuno propustljiv (holopermeabilan)za vodu i rastvorene supstance.

Molekuli pektina i proteina zida često mogu da budu jonizovani (slobodne karboksilne i amino grupe).

Ćelijski zidovi deluju kao jonski izmenjivači i ublažuju nagle promene u jonskom sastavu spoljašnjeg rastvora.

TRANSPORTNA FUNKCIJA ĆELIJSKOG ZIDA

Izvesne modifikacije ćelijskog zida imaju značaja za ubrzavanje iliograničenje transporta.Zadebljali i lignifikovani zidovi mnogih ćelija i ćelijskih elemenata mehaničkih i sprovodnih tkiva otežavaju transport.To je rešeno prisustvom pora i jamica sa karakterističnim izgledom;Transferne ćelije ubrzavaju transport povećanjem površine.Posebno ograničavanje transporta prisustvom radijalno i tangencijalno lignifikovanih zidova ćelija endoderma korena (Kasparijeve trake).

ZAŠTITNA FUNKCIJA ĆELIJSKOG ZIDA

Neki efekti oligosaharina:stimulacija sinteze fitoaleksinaoksidativni prasak (“oxidative burst”)sinteza proteina vezanih za odbranu od patogena (hitinaza i glukanaza)

Degradacijom ćelijskog zida nastaju oligosaharini male molekulske mase koji imaju važnu funkciju u odbrani biljaka od patogena (predstavljaju signalne molekule, tj. “elicitore”)

SINTEZA SINTEZA ĆĆELIJSKOG ZIDAELIJSKOG ZIDA

Celulozni lanci se sintetišu na membrani i odlažu na unutrašnju stanu ćel. zida.

The mechanism of CMF synthesis

CMF synthases channel UDP glucose from inside the cell, and “spin” the CMF.

Brown et al. (1997)Arioli et al. (1999)

The CMF synthases are propelled forward by the polymerization force and move in the plasma membrane.

Hemiceluloza i pektini sintetišu se u Goldžijevom aparatu, a egzocitozom isporučuju ćelijskom zidu.

Brojnost vezikula se povećava u ćelji koja raste. IAA izaziva povećanje broja diktiozoma već posle 15 min. u epidermu graška.

STRUKTURA I PROPUSTLJIVOST STRUKTURA I PROPUSTLJIVOST ĆĆELIJSKIH MEMBRANAELIJSKIH MEMBRANA

ĆĆELIJSKE MEMBRANEELIJSKE MEMBRANE

PlazmalemaPlazmalema –– odvaja biljne odvaja biljne ććelije od spoljaelije od spoljaššnje sredine; regulinje sredine; regulišše e razmenu materija između razmenu materija između ććelije i njene okoline (elije i njene okoline (permeabilitetpermeabilitet, , selektivna selektivna propustljivost)propustljivost)

TonoplastTonoplast –– odvaja odvaja vakuoluvakuolu od od citoplazmecitoplazme

Membrane Membrane organelaorganela –– odvajaju odvajaju organeleorganele od od citoplazmecitoplazme (jedro, (jedro, plastidiplastidi i i mitohondrijemitohondrije imaju dvojne membrane, imaju dvojne membrane, peroksizomiperoksizomi, , glioksizomiglioksizomi, , sferozomisferozomi, , diktiozomidiktiozomi i i endoplazmatiendoplazmatiččnini retikulumretikulumimaju imaju jednoslojnejednoslojne membrane)membrane)

Membranski sistemi dele unutrašnjost ćelije na veliki broj odeljaka, kompartmentakompartmenta.

Pretpostavlja se da većina membrana ima zajedničko poreklo.

Od spoljašnje membrane jedra nastaje endoplazmatičniretikulum, a od njega lizozomi, diktiozomi, tonoplast, plazmalema kao i spoljašnje membrane plastida i mitohondrija.

Prema tome, sve su sličnog hemijskog sastava..

Izuzetak su unutršnje membrane mitohondrija i plastida koje se razlikuju od ostalih membrana i po poreklu i po građi (sličnije po sastavu bakterijskim membranama).

HEMIJSKI SASTAV HEMIJSKI SASTAV ĆĆELIJSKIH MEMBRANAELIJSKIH MEMBRANA

LIPIDI (30-70 %)PROTEINI ( do 75% suve mase)VODA (do 30 %)

Membrane mogu sadržati manje količine mono- di- i polisaharida.

LIPIDI

GLIKOLIPIDIo-glikozidi glicerola

ili sfinganina

FOSFOLIPIDIDiestri ortofosforne kiseline

STEROLIDerivati tetracikličnih

triterpena

GlicerofosfolipidiJedna fosfatna grupa

esterifikovana glicerolom

SfingofosfolipidiJedna fosfatna grupa

sa derivatom sfingozina,druga nosi oligosaharid

FosfatidilholinDruga fosfatna grupa

nosi holin

FosfatidiletanolaminDruga fosfatna grupa

nosi etanolamin

FosfatidilinozitolDruga fosfatna grupa

nosi myo-inozitol

Steroli biljnih membrana

MolekuliMolekuli lipidalipida susu amfipatiamfipatiččnini

Izrazito polaran karakter:

Jedan kraj molekula nosi hidrofilne grupe (“glava”molekula), a drugi hidrofobne

“glave” čine “koru” na površini lipidnog dvosloja

ShematskiShematski prikaprikaz građe lipozomaz građe lipozoma

Hidrofobne supstance su nerastvorljive u vodi.

Amfipatični lipidi u vodi spontano obrazuju dvoslojnu strukturu u kojoj su svi molekuli svojim hidrofilnim krajem okrenuti vodi a hidrofobni delovi su u sredini i čine zonu iz koje je voda isključena.

Na sliNa sliččan naan naččin se organizuju i in se organizuju i lipidi u lipidi u ććeliji u kojoj su u eliji u kojoj su u vodenom okruvodenom okružženju.enju.

PROTEINIPROTEINI

Određuju specifične funkcije membrana.

Kao i lipidi imaju polarne hidrofilne i nepolarne hidrofobne grupe.

Hidrofilni domeni izloženi vodenom omotaču na spoljašnjoj ili unutrašnjoj strani membrane.

Njihove amfipatične osobine su važne za položaj i orijentaciju u membrani tj. za obavljanje membranskih funkcija.

Položaj proteina u membrani je dugo godina bio predmet kontroverznih stavova.

Ranije se smatralo da proteini grade ravnomerni sloj koji se pruža preko hidrofilnih površina lipidnog sloja. Po Robertsonu (1954) ovakva lipoproteinska struktura predstavlja membransku jedinicu.

Savremena metodama pokazano je da su svi membranski proteini po obliku globularni i manje ili više utopljeni u lipidni matriks.

Singer i Nicholson (1972) su predložili tečni mozaični model ćelijske membrane koji je danas generalno prihvaćen. U U okviruokviru ovogovogmodelamodela rarazlikuju se dve grupe proteina po nazlikuju se dve grupe proteina po naččinu na koji su vezani inu na koji su vezani za lipidni matriks:za lipidni matriks:

UnutraUnutraššnji ili integrisani proteininji ili integrisani proteiniSpoljaSpoljaššnji, periferni ili asocirani proteininji, periferni ili asocirani proteini

tečno - membrana nije čvrsta struktura; omogućeno je kretanje molekula

mozaični - izgrađuju je više vrsta molekula

UnutraUnutraššnjinji ili integrisaniintegrisani proteini nalaze se među molekulima lipida i vide se kao globule na površini membrane. Krupniji molekuli, sa dva polarna kraja, protežu se kroz ceo lipidni sloj i vide se na obe strane membrane kao ispupčenja.

Krupni transmembranski proteini imaju više hidrofobnih regiona i prolaze po nekoliko puta kroz membranu. Njihovi hidrofilni domeni su često, na spoljašnjoj strani, glukozilovani i nose lance oligosaharida.

Izoluju se iz membrane samo pomoću deterdženata ili organskih rastvarača i tom prilikom se često denaturišu.

SpoljaSpoljaššnjinji ili asociraniasocirani proteini se nalaze, ustvari, van membrane i karakterišu se aminokiselinama sa hidrofilnim grupama.

Globularni su i drže se za integrisane membranske proteine i lipide vodoničnim, elektrostatičkim ili jonskim vezama.

Lako se odvajaju od membrane i to rastvorima odgovarajuće jonske jačine.

Više proteina, čija je ukupna hidrofilna površina mala, često se svojim hidrofobnim delovima spajaju i grade kompleksekomplekse.

Kompleksi se vide kao vrlo krupne globule.

Subjedinice ovih kompleksa su funkcionalno povezane, odnosno obavljaju složene funkcije po strogo utvrđenom redosledu.

Proteinski kompleks je obično sastavljen i od unutrašnjih i od spoljašnjih proteina.

Ovi kompleksi često sadrže i druge različite komponente u vezi sa svojim specifičnim funkcijama (pigmenti, prenosioci elektrona itd.).

VODAVODA

Voda nije samo medijum u kome su membrane suspendovane, nego bitni sastavni deo tih membrana.

Vezuje se za naelektrisane grupe Vezuje se za naelektrisane grupe polarnog dela lipida i proteina na polarnog dela lipida i proteina na spoljaspoljaššnjoj i unutranjoj i unutraššnjoj strani njoj strani membrana i formira sloj uz membrana i formira sloj uz membranu, koji stabilizuje membranu, koji stabilizuje strukturu membrane.strukturu membrane.

Količina vode u membrani dostiže i 30%%..

Voda je Voda je dipoldipol, pa njeni molekuli , pa njeni molekuli grade sloj oko drugih grade sloj oko drugih naelektrisanih, polarnih naelektrisanih, polarnih ččestica.estica.

Fluidnost membraneFluidnost membrane

Membrane su u osnovi teteččnene ipredstavljaju manje više viskozansloj na površini ćelije.

Fluidnost zavisi od količine vode,temperature i stepena nezasićenostimasnih kiselina u molekulima lipida.

Na fiziološkim temperaturama membranski lipidi u vodenoj sredini imaju strukturu koja se označava kao teteččni ni kristalkristal.

U takvom stanju lipidi mogu da rotiraju oko svoje osovine, ili su lateralno pokretljivi u nivou sloja u kome leže.

Kretanje poprečno kroz membranu veoma sporo.

I proteini mogu da se kreću lateralno, ali sporije od lipida. Brzina kretanja lipida je oko 2μm u sekundi, a proteina nekoliko μm u minutu.

Fluidnost membrane je nužna za normalno funkcionisanje membrane; ako je prečvrsta, menja se njena propustljivost i neki enzimatski proteini postaju neaktivni.

Prilikom snižavanja temperature membrane prelaze u gelgel stanje. Ova promena, termalni faznitermalni fazni prelazprelaz, dešava se naglo u uskom temperaturnom intervalu.

U ovom stanju membrana gubi skoro sve aktivnosti i njena propustljivost se radikalno smanjuje.

U U listovimalistovima biljakabiljaka ooššteteććenihenih delovanjemdelovanjem niskihniskih temperaturatemperatura::

inhibicijeinhibicije fotosintezefotosinteze,,sporijesporije translokacijetranslokacije ugljenihugljenih hidratahidrata,,smanjenjasmanjenja respiracijerespiracije,,inhibicijeinhibicije proteinskeproteinske sintezesinteze,,povepoveććaneane degradacijedegradacije postojepostojeććihih proteinaproteina

TaTaččkaka faznogfaznog prelazaprelaza zavisizavisi odod vrstevrste lipidnihlipidnih molekulamolekula u u membranimembrani ((utolikoutoliko jeje ninižžaa ukolikoukoliko jeje viviššee nezasinezasiććenihenih masnihmasnihkiselinakiselina, u , u odnosuodnosu nana zasizasiććeneene))..

Smatra se da lipidi čine osnovni inertni matriks membrane, a da proteini određuju njene specifične funkcije.

Ipak, fine razlike u strukturi lipida znatno utiču na regulaciju funkcija membrane (kao što jonski sastav i pH modifikuju enzimsku aktivnost).

NajvaNajvažžnija funkcija membrana je razdvajanje reakcionih prostora u nija funkcija membrana je razdvajanje reakcionih prostora u ććeliji i regulisanjeeliji i regulisanje transporta među njimatransporta među njima..

Membrane pojedinih organela i ćelijskih odeljaka omogućuju da se različiti metabolički procesi obavljaju istovremeno, na malomprostoru, u istoj ćeliji.

Istovremena izolacija i komunikacija su mogućeusled selektivne propustljivosti membrana za

različite supstance i prisustvu različitih prenosilaca u njima.

Raznovrsne funkcije membrana

Membrane imaju i druge važne funkcije:

Većina integrisanih ili asociranih proteina su enzimi ili sastavni delovi enzimskih kompleksa; njihov raspored u strukturi membrane određujeredosled mnogih biohemijskih reakcija.

U unutrašnjim membranama hloroplasta i mitohondrija su smešteni redoks sistemi koji transportom elektrona generišu jedinjenja sa visokom energijom.

U membranama se nalaze mnogi receptorni proteini za prijem različitih signala (informacija) iz spoljašnje sredine.

Plazmalema poseduje hemoreceptorne proteine za koje se vezuju hormoni, ili koji prepoznaju viruse, bakterije i druge ćelije.

Pasivna propustljivost ćelijskih membrana

Sposobnost membrane da pasivno propušta određene supstance zove se permeabilitet.

Meri se brzinom ulaženja supstancija u ćeliju.

Koeficijent permeabiliteta je broj molekula koji prođu kroz jedinicu površine membrane u jedinici vremena.

Propustljivost je svojstvo membrane, a opseg propustljivosti nije jednak za sve rastvorene čestice i za rastvarače.

semipermeabilne (polupropustljive) membrane diferencijalno propustljiveselektivno propustljive membraneselektivno propustljive membrane

PermeabilitetPermeabilitet zaza male i male i lipofilnelipofilne molekulemolekuleOverton (1899) – na brzinu prolaženja kroz membranu utiču veličina molekula i njegova lipofilnost kaonaelektrisanje molekula.

Brzo ulaze molekuli mase manjeod 45 Da; npr.: NH3 (17), H2O (18), HCN (27), CO (28), O2(32), H2O2 (34), H2S (34), CO2(44).

Zaključeno da membrana moraimati pore koje odgovarajuveličini ovih molekula, tako daona deluje kao vrlo fini filtar.

Lipofilne supstance lakše prolaze kroz pore između lipidnih molekula, negohidrofilne. Metanol prolazi relativno brzo, glicerol sa tri hidroksilne grupe ulazi vrlo sporo.

Permeabilitet za vodu

Izuzetak od prethodnihpravila čini voda.

Voda jeste mali molekul, aline bi mogla da prodje krozhidrofobni lipidni sloj.

Membrane ćelija sadrže srodne integrisane proteinekoji učestvuju u transportuvode.

Neki od njih predstavljajukanale kroz koje prolazi voda– akvaporini.

Prostorni model četiri subjedinice akvaporina(označene sa četiri različite boje) "upakovane" u ćelijskoj membrani.

Transportni mehanizmi na membranama

Spontani ili pasivan transport

Aktivan transport

Endocitoza ili transport pomoću membranskih vezikula

Transport putem razmene preko translokatora

Transport jona povezan sa aktivnošću redoks sistema

OpOpšštiti pojmovipojmovi o o pasivnompasivnom i i aktivnomaktivnom transportutransportu

Kretanje materija izazvano razlikama u koncentraciji na dvemastranama membrane, bez ulaganja energije se označava kaopasivan transport.

Uzrok ovakvom spontanom kretnju je nejednakost u nekom svojstvu sistema, tj. postojanju gradijenta.

Elektroliti i mnoga organska jedinjenja ulaze u ćeliju nezavisnood razlika u koncentraciji, nasuprot gradijentu koncentracije.

Za to je potrebna energija

Energija potiče od metaboličkih procesa u ćeliji, a takavtransport se zove aktivan transport.

EndocitozaEndocitoza i egzocitozai egzocitoza

Ovu su posebani vidovitransporta supstanci krozmembranu koji ne moge da se svrstaju u prethodne dvekategorije.

Endocitoza je nezavisna od koncentracije, ali je za njeno obavljanje potrebna aktivnost ćelje.

Kada se radi očvrstim supstancama onda govorimo o fagocitozi, a kad je u pitanju tečnost o pinocitozi.

Verovatno i virusi ulaze u ćeliju na ovaj način.

ENDOCITOZA

EGZOCITOZA

ClathrinClathrin--Mediated Mediated EndocytosisEndocytosis

Figure 3.13

ŠŠta određuje smerta određuje smer, brzinu, , brzinu, vreme i mehanizam prolaska vreme i mehanizam prolaska kroz membranu?kroz membranu?

DIFUZIJA

Usled kinetičke energije molekuli gasa ili tečnosti se nalaze u neprekidnom kretanju –Braunovo kretanje.Rezultat kretanja je DIFUZIJA Difuzija je spontan proces.

A B C

DifuzijaDifuzija je neto kretanje čestica iz mesta sa visokom koncentracijom ka mestu sa niskom koncentracijom.

U ravnotežnom stanju koncentracija čestica (gustina) u određenom prostoru je izjednačena.

Da bi došlo do difuzije mora da postoji gradijentkoncentracije.

Obuhvata dva posebna oblika pasivnog transporta osmozu i imbibiciju.

FICK-OVI ZAKONI

I Fick-ov zakon:Količina supstance koja pri konstantnoj temperaturi i pritisku difunduje u jedinici vremena kroz jedinicu površine, zavisi od razlike u koncentraciji (hemijskog potencijala) i od vrste supstance.

II Fick-ov zakon:Put koji pređe supstanca pri difuziji srazmeran je kvadratnom korenu iz vremena difuzije.

Kretanje je rad, pri kome se troši energija.

Slobodna energija kojom raspolaže 1 mol neke supstance zove se hemijski potencijal te supstance.

To je mera za energiju koju supstanca može da iskoristi za neki rad, kretanje ili hemijsku rekaciju.

Hemijski potencijal vode naziva se vodni potencijal.Meri se i izražava u megapaskalima, barima ili atmosferama.

Hemijski potencijal čiste vode, po konvenciji, jednak je 0.

Rastvaranje supstance u vodi smanjuje potencijal vode.

Vodni potencijal u određenoj zapremini rastvora je uvek manji od potencijala čiste vode.

Između rastvora i vode uspostavlja se razlika u vodnom potencijalu (ΔΨ), pa voda difunduje u prostor u kome se nalazi rastvor.

Ovo važi samo na istom atmosferskom pritisku i temperaturi.

Osmoza

Kada postoji razlika u vodnom potencijalu na dvema Kada postoji razlika u vodnom potencijalu na dvema stranama membrane, voda stranama membrane, voda difundujedifunduje kroz membranu i ta kroz membranu i ta pojava se naziva pojava se naziva osmozaosmoza..

Pasivan transport vode kroz selektivno propustljivu membranu.

količine, koncentracije supstance koja je na raspolaganjubrzine kinetičkog kretanjabroja otvora na membraniveličini otvora

PfefferovPfefferov osmometarosmometarRastvorena supstanca ima izvestan hemijski potencijal -osmotski potencijal (Ψπ), usled koga dolazi do osmoze.

Osmotski potencijal ima negativan predznak i zavisi od koncentracije rastvorene supstance.

Pritisak živinog stuba (osmotski pritisak) se definiše kao hidrostatički pritisak koji se mora primeniti da bi se sprečila osmoza. U U ććeliji je to pritisakeliji je to pritisak ććelijskogelijskog zida zida (koji je jednak turgorovom pritisku, a suprotnog (koji je jednak turgorovom pritisku, a suprotnog znaka).znaka).

Otpor zida koji sprečava neograničeno ulaženje vode, naziva se zidni pritisak (ZP).

Pritisak živinog stuba i zidni pritisak, ustvari istiskuju višak vode napolje i pošto je taj pritisak veći od atmosferskog on povećava vodni potencijal rastvora i voda difunduje niz gradijent napolje.

Rastvor stiRastvor stičče e potencijal pritiskapotencijal pritiska ((ΨΨpp))

U osmotskom sistemuU osmotskom sistemu NIKAD NIKAD se ne izjednase ne izjednaččavaju avaju koncentracije sa strana membrane, vekoncentracije sa strana membrane, većć se uspostavlja se uspostavlja dinamidinamiččka ravnoteka ravnotežža.a.

] elijski zid

Plazmalema

Vakuola sa }elijskim sokom

Rastvor {e}era

Tonoplast

Glineni sud sa membranom od bakar heksacijanoferata

Voda

Visina Hg stuba - mera zaosmotski pritisak

A

B

VodniVodni potencijalpotencijal ććelijeelije

JednaJednaččina vodnog potencijala za osmotski sistem: ina vodnog potencijala za osmotski sistem:

ΨΨvv = = ΨΨππ + + ΨΨpp

Vodni potencijal ćelijskog soka označava količinu vode koju ćelija može da primi.

Kad je vodni potencijal Kad je vodni potencijal ććelijskog soka nielijskog soka nižži od vodnog potencijala okolnog i od vodnog potencijala okolnog rastvora, voda osmozom ulazi u rastvora, voda osmozom ulazi u ććeliju. Poveeliju. Poveććava se zapremina ava se zapremina ććelije, elije, pritisak protoplasta na pritisak protoplasta na ććelijski zid (turgor) i potencijal pritiska. elijski zid (turgor) i potencijal pritiska.

ImbibicijaU nekin fazama razvića ćelije sadrže malu količinu vode, nemaju vakuolu, kao na primer ćelije semena.

Vodu primaju putem imbibicije.

Imbibicija se zasniva na sposobnosti koloida da na svojoj površini adsorbuju veće količine neke tečnosti prema kojoj imaju afinitet.

Hidrofilni koloidi apsorbuju vodu, hidrofobni druge tečnosti.

Imbibicija je poseban slučaj difuzije gde se pravac kretanja vode podudara sa padom gradijenta vodnog potencijala.

Vodni potencijal suvih koloida vrlo nizak, naziva se potencijal matriksa(ΨM) a sila kojom su molekuli vode privučeni se naziva imbibicionipritisak (IP).

Meristemske ćelije nemaju veliku centralnu vakuolu i kod njih u odnosu na vakuole citoplazma ima veću zapreminu.

Prema tome, prethodna jednačina (1.1) se može proširiti pa se vodni potencijal ćelije opisuje kao:

Ψv = Ψπ + Ψp + ΨM

ĆĆELIJA KAO OSMOTSKI ELIJA KAO OSMOTSKI SISTEMSISTEM

Šta određuje koliko će vode neka ćelija da primi?

Vodni potencijal ćelijeNaime, među ćelijama mogu da postoje male razlike u osmotskom potencijalu, ali kada je ćelija zasićena vodom onda je njen Ψπ ravan Ψp pa je na osnovu jednačine 1.1 jasno da je Ψv = 0 tj. da ćelija ne prima vodu.

SpoljaSpoljaššnja sredina u kojoj se nja sredina u kojoj se ććelija nalazi moelija nalazi možže biti u odnosu na e biti u odnosu na ććel. sok: el. sok:

izotoniizotoniččanaanahipotonihipotoniččanaanahipertonihipertoniččanaana

PlazmolizaPlazmoliza

Oblik koji plazmolozirani protoplast zauzima u toku plazmolize zavisi od vrste ćelije i vrste plazmolitikuma.

Konveksna plazmoliza (a)Konkavna plazmoliza (b)Ugaona plazmoliza

Sposobnost biljnih ćelija da plazmoliziraju jeste test vijabilnosti, jer mrtve ćelije, čak i kad izgledaju živo, ne plazmoliziraju u hipertoničnom rastvoru.

Brzina deplazmolize je mera za propustljivost ćelijske membrane za različite supstance.

Plazmoliza se u prirodnim uslovima retko dešava (napr. kod biljaka koje žive na obalama mora) jer biljke imaju sposobnost osmoregulacije.