Компартменты растительной клетки

Клеточная стенка (апопласт) ЭПР Пластида Вакуоль Ядро Цитозоль (симпласт) Мембрана вакуоли (тонопласт) Пероксисома Наружная мембрана (плазмалема) Митохондрия Плазмодесмы

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)

Коммелиноидные

Ara: O-3, GlcA: O-2

Некоммелин.

Ara, GlcA: O-2

Обозначения: G: Gl X: Gl-Xyl L: Gl-Xyl-Gal F: Gl-Xyl-Gal-Fuc A: 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 «Ca 2+ -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

Низкая «цена» ATP: 1.

Апопласт (клеточная стенка и межклетники)

H H H + + – + – H + H + – – – H + – H + H – – H +

Вакуоль

+ H +

Плазмалема:

H + H H +

-120

– – – – – – + H –

-160 mV

+ – – –

–

H H + + H + H + H – +

2.

Вакуоль 3.

H

4.

5.

+ H + H +

Межмембранное

H + H + H +

Некоторые участки ЭПР

– H + H + H + H + –

ΔpH=3

– – – H + H + H H + + – – – H + H + H + H + H + H + – – – H + H – H + H H – + + – H H + – + – H H + + – H + H – + H + H H +

-200 mV

– + – – – – H + – – H + H + – – H + – – H + H H H H + + H + + H + +

5.

Некоторые участки ЭПР

Три типа H + АТФаз растительной клетки Н + АТФаза плазматической мембраны (

p тип

) АТФ-синтазы митохондрий и хлоропластов (

F тип

) Н + АТФаза вакуолярная (

V тип

)

Заряд на мембранах

Плазмалема: -120 – -160 mV H+ АТФаза (р-тип) Са 2+ АТФазы

H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +

Вакуоль

H + H + H + H + H + H H + H + + H +

Тонопласт: + 30 mV

H +

Н + Пирофосфатаза (р-тип) Са 2+ АТФазы

H +

H + АТФаза (V-тип) АВС-транспортёры

H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +

Са 2+ АТФазы

H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +

ΔpH=3 АТФ-синтаза (СF-тип)

H H + + H + H + H + H + H + H + H + H H + + H + H H + H + + H H

-200 mV (F-

H + + + H H H + H + +

тип)

+ H + H H H + + + H H + +

•

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

+

Метаболит гриба – фузикокцин – необратимо активирует АТФазу плазмалеммы Симптомы поражения грибом

Fusicoccum amygdali

на персике

• • • • •

64 – 67 кДа

•

катионзависимая (стимулируется К + , ингибируется Na + , Са 2+ ) 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 (?)

Са

2+

АТФазы принадлежат к большому семейству АТФаз р-типа Са

2+

АТФазы ПМ Са

2+

АТФазы ЭР

У растений в отличие от животных Са 2+ АТФазы ПМ-типа локализованы не только на плазмалемме, но и на эндомембранах

Домен связывания Mg АТФ

Компартментация Са

2+

в растительной клетке

Клеточная стенка (апопласт) ЭПР Са 2+ :1000–10000 мкМ Пластида Са 2+ : 1000– 10000 мкМ Вакуоль Са 2+ : 1000 – 10000 мкМ Са 2+ 0,01–0,05 мкМ : Пероксисома Са 2+ :1000 мкМ Цитозоль (симпласт) Са 2+ : 0,1–0,2 мкМ Са 2+ :1000 мкМ Митохондрия

Транспорт кальция в растительной клетке

Транспортные белки, которые используют энергию гидролиза АТФ для транспорта через мембраны самых разных химических агентов. Содержат

A

TP-

B

inding

C

asette (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 GS-herbicide АТР АDР+P АТР АDР+P

Примеры: активный транспорт в вакуоль конъюгатов гербицидов или кадмия с глутатионом

Вакуоль Мембрана (тонопласт) АТФ-связывающий домен Цитозоль

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

Н + Ca 2+ Н + -АТФаза плазмалеммы (P-типа) Н + -АТФаза тонопласта (V-типа) Пирофосфатаза тонопласта Са 2+ -АТФаза ПМ (P-типа) Са 2+ -АТФаза ЭР (P-типа) Nа + -АТФаза плазмалеммы Na + Ионы тяжелых металлов Аминокислоты Органические кислоты Пептиды Липиды Ксенобиотики АВС-транспортёры

АТФ-синтаза: «вальсирующий» комплекс Структура: Две субъединицы: F 0 F 1

: α 3 β 3 γδε

α δ -

- 59

, β

17.5, - 56

ε , γ -

36 13,5kDa

и F 1 F 0 :

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 АТФ 6-9 субъединиц, связывающих протон

Н-АТФаза тонопласта (V – типа)

•

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

•

Анионзависимая (нитрат ингибирует, хлорид стимулирует)

•

Нечувствительна к ванадату, азиду, олигомицину

• 

Н + Зависит от градиента

По градиенту электрохимического потенциала, без затраты энергии Без специальных структур на мембране Специальные белковые на мембране комплексы, обладающие разной специфичностью к переносимому веществу Против градиента электрохимического потенциала, с затратой энергии Два вещества переносятся в разных потенциал одного из веществ Первично активный Переносится одно вещество, используются макроэргические связи АТФ, пирофосфат и др.

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

Изменение конформации Изменение конформации

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 + H +

H +

H + H +

К +

H +

H +

H + H + H + H +

Сахароза 2H +

H + H + H + H + H +

NO 3 -

H + H + H +

3H +

H + H + H +

SO 4 2-

H + H H + H + + – – – – – – – – – – – – – – – – – –

Na +

Структура аквапоринов

NPA-бокс: Asp-Pro-Ala

Регуляция активности аквапоринов

много воды в клетке мало воды в клетке

Аквапорины облегчают диффузию многих небольших незаряженных молекул: Вода Углекислый газ Этанол Глицерин и др.

аквапорины открыты, движение воды по градиенту водного потенциала

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

Модель «Мяч на привязи» R O I

Неспецифические переносчики относительно крупных молекул Бета-слой с чередующимися гидрофильными и гидрофобными аминокислотами (через одну)

Компартменты растительной клетки

Вакуоль ЭПР Ядро Порины Порины Порины Порины

Два пути сортировки белков: цитоплазматический и секреторный

Секреторный путь транспорта белков: гликозилирование в ЭР

Транспорт ядерно-кодируемых белков в хлоропласт T

ranslocase of

O

uter

C

hloroplast membrane (

TOC

)

T

ranslocase of

I

nner

C

hloroplast membrane (

TIC

)

Структура ядерных пор

Ядерные поры – пропускные фильтры.

Сигнальные последовательности транспорта белков в растительной клетке

Целевая органелла Сигнальная последовательность Характеристика Хлоропласты: строма Хлоропласты: люмен и мембраны тилакоидов Митохондрии: матрикс Митохондрии: внутренняя мембрана, межмембранное пространство Пероксисомы: ТРАНСПОРТ БЕЗ ШАПЕРОНОВ!

Ядро Два последовательных N-концевых пресиквенса Сигналы пероксисомальной локализации PTS1 и PTS2 Сигналы ядерной локализации NLS. Не отщепляются после переноса белка в ядро Сигнальный пептид секреторного пути ЭР N-концевой лидерный пептид («стромальный») Два последовательных N-концевых лидерных пептида N-концевой пресиквенс N-концевой лидерный пептид Сигнал локализации в ЭР Последовательность из 40-50 аминокислот Первый пептид - «стромальный», второй – «люменальный» формирует положительно амфипатическую α-спираль.

заряженную Первый пресиквенс - как для белков матрикса, второй состоит из остатков гидрофобных аминокислот PTS1 – С-концевой трипептид – Ser-Lys-Leu PTS2 локализован на N-конце.

NLS типа 1: Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys.

NLS типа 2: две последовательности, разделенные спейсером NLS типа 3: Lys-Ile-Pro-Ile-Lys 10-15 остатков гидрофобных формирующих α-спираль.

аминокислот, 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.

Компартменты растительной клетки

Клеточная стенка (апопласт) ЭПР Пластида Вакуоль Ядро Цитозоль (симпласт) Мембрана вакуоли (тонопласт) Пероксисома Наружная мембрана (плазмалема) Митохондрия Плазмодесмы

Структура и работа плазмодесм

•

Белок FT ( F lowering 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 ( kn otted 1) в нижележащих слоях обнаруживается в эпидермальных клетках, а синтез соответствующей РНК KN1 –

•

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

Функциональные симпластические домены

Короткий день (формирование катафиллов)

Из: Rinne, van der Schoot, 1998

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

Преобразование энергии

Свет Н 2 О ē Окислительно восстановительные реакции (redox) NADH NADPH ( в пластидах также Fd) ē О 2 Другие ковалентные связи CoA; SAM (S~C) ATP; NTP; PP i (P~P) Макроэргические связи Протонный градиент на мембране Градиенты других веществ

Макроэргическая связь сера~углерод

Кофермент А групп

-

универсальный переносчик и “активатор” ацильных (кислотных) СоА-SH + CH 3 СO OH O

||

↔ CoA-S~ C-CH 3 + Н 2 О

.

H H O H H O H CH 3 | | || | | || | | | H H 3 C | | | | | | | | | | | O ~ S-C-C N -C-C-C N -C-C– C – C — H H H H H H OH CH 3 H ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

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

АДФ –3 ’ Ф S~C можно: 1.

Разменять на АТФ (энергетическая функция) 2.

Потратить на удлинение углеродного скелета (биосинтетическая функция – важнее!)

АТФ (ATP) – основная «энергетическая валюта» клетки

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

Энергия гидролиза АТФ зависит от концентрации и рН



G

 

G

0 

RT

ln [

АДФ

][

Ф Н

[

АТФ

] ]

АТФ/АДФ ΔG (ккал/моль) ΔG (кДж/моль) рН=0 рН=7 1/1 - 5,6 1/1 - 23,5 ΔG 0 - 7,0 - 29,4 рН=7 10/1 - 9,0 - 37,8 рН=7 100/1 - 14,0 - 58,8 ΔG 0 ′

1 ккал = 4.2 кДж.

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