H +

Компартменты растительной клетки
Наружная
мембрана
(плазмалема)
Клеточная
стенка
(апопласт)
ЭПР
Пластида
Ядро
Вакуоль
Цитозоль
(симпласт)
Пероксисома
Мембрана вакуоли
(тонопласт)
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)
Фуко-XyGs
XXXG:XXFG
(двудольные,
некоммелиноидн.)
Гликаны со
смешанной
связью
(злаки)
Арабино-XyGs
AXGG, XAGG, AAGG
Пасленовые, мята
Нерегулярные XyGs
(коммелиноидные)
Глюкуроноарабиноксиланы
(GAXs)
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
Гомогалактуронаны
Ксилогалактуронаны
Рамногалактуронаны II
Рамногалактуронаны
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
Низкая «цена» ATP:
Заряд на мембранах
1. Апопласт (клеточная стенка
и межклетники)
2. Вакуоль
Плазмалема:
-120 –
H+ 3.
+
+ Межмембранное
+
H
H
+
+
+
H H H -160 mV
H
пространство
митохондрий
H+ +
–
–
–
H+ H+
–
–
–
–
–
–
H
– –– –
4. Внутритилакоидный
люмен
H+
H+
H+
H+
–
–
–
H+ –
H+
5. Некоторые +участки ЭПР
H+
–
–
– H
+
H
– H+
–
H+ – H+
H+ +
–
–
H
–
+
H H+
H+–
Вакуоль
H+
H+
H+ ΔpH=3 –
–
H+– H+
+
–
H
–
– H+
+
H –
–
–
+
H+ –H+ H+ +
–
H
+
+
– H
H–
H+ – H+
– – –H
–
–
H+ –
+
H H+ – – –
Тонопласт: + 30 mV
+–
–
–
–
H
H+
+
–
+
H
+
+
+
H –
H
– H H H+ – H+
+
H
–
-200 mV –
H+
Активное
использование
АТР:
H+
+
–
+
+
H
H
H
H+
1. Цитозоль
H+
– H+
H+
H+
H+ +
– H+
– – – –
2. Нуклеоплазма
H H+
– – – – – H+
H+
H+ H+
H+
3. Матрикс митохондрий
+
H
H+
H+ H+
4. Строма пластид
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)
Са2+-АТФазы
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
Вакуоль
H+
H+
H+ ΔpH=3
H+ H+
АТФ-синтаза
H+
(СF-тип)
H+
H+
Тонопласт: + 30 mV
H+ H+ H+ +
+
+
H
H
H H+
H+
H+
+
+
+
H H+
H
Н -Пирофосфатаза (р-тип)
H+ H+
+ +
2+
+
H
Са
-АТФазы
+
+
H
H H H+
H
H+-АТФаза (V-тип)
H+
H+
-200
mV
H+
АВС-транспортёры
АТФ-синтаза
H+
+
+
+
H
(F-тип)
H
H
H+
+
+
H+
H
H
H+
H+ +
H+
H H+
H+
H+ H+
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+
Симптомы
поражения грибом
Fusicoccum amygdali
на 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
Клеточная
стенка
(апопласт)
Са2+:
1000– 10000 мкМ
ЭПР
Са2+:1000–10000 мкМ
Пластида
Са2+:
0,01–0,05
мкМ
Вакуоль
Са2+:1000 мкМ
Пероксисома
Са2+:
1000 – 10000 мкМ
Цитозоль
(симпласт)
Са2+: 0,1–0,2 мкМ
Са2+:1000 мкМ
Митохондрия
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)
Примеры:
активный транспорт
в вакуоль конъюгатов
гербицидов или кадмия
с глутатионом
АВС-транспортёры
GS-herbicide
АТР
АDР+P
АТР
АDР+P
Вакуоль
Мембрана (тонопласт)
АТФ-связывающий домен
Цитозоль
Расход энергоносителей (АТФ, ФФ)
на создание градиента на мембранах
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+
Ионы тяжелых
металлов
Аминокислоты
Органические
кислоты
Пептиды
Липиды
Ксенобиотики
Nа+-АТФаза плазмалеммы
АВС-транспортёры
АТФ-синтаза: «вальсирующий» комплекс
Структура:
Две субъединицы: F0 и F1
F1: α3β3γδε
α - 59, β - 56, γ - 36
δ - 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 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
•
Зависит от градиента
Н+
По градиенту
электрохимического
потенциала, без затраты
энергии
Без специальных структур
на мембране
Против градиента электрохимического
потенциала, с затратой энергии
Первично
активный
Переносится одно вещество, используются
макроэргические связи АТФ, пирофосфат и др.
Вторично
активный
Два вещества переносятся в одном направлении,
используется электрохимический потенциал
одного из веществ
Вторично
Специальные белковые
на мембране
активный
комплексы, обладающие Два вещества переносятся в разных
разной специфичностью направлениях, используется электрохимический
к переносимому веществу потенциал одного из веществ
«Пинг-понг»-механизм
Изменение
конформации
Одновременный
перенос двух
веществ
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+
–
К+
H+
H+
–
Na+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
–
– –
–
Сахароза
H+ H+
2H+
– –
–
–
H+
H+
H+
3H+
H+
SO42H+
H+
NO3
-
H+
–
–
H+
–
H+
–
–
–
H+
H+
–
–
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
ЭПР
Порины
Порины
Вакуоль
Ядро
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
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
спейсером
NLS типа 3: Lys-Ile-Pro-Ile-Lys
Сигнальный пептид
секреторного пути
N-концевой лидерный пептид
10-15
остатков
гидрофобных
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.
заряженную
аминокислот,
Компартменты растительной клетки
Наружная
мембрана
(плазмалема)
Клеточная
стенка
(апопласт)
ЭПР
Пластида
Ядро
Вакуоль
Цитозоль
(симпласт)
Пероксисома
Мембрана вакуоли
(тонопласт)
Митохондрия
Плазмодесмы
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
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
CoA; SAM
(S~C)
ATP; NTP; PPi
(P~P)
Макроэргические связи
Свет
Н2О
ē
Окислительновосстановительные
реакции (redox)
NADH
NADPH
(в пластидах также Fd)
ē
О2
Другие
ковалентные
связи
Протонный
градиент
на мембране
Градиенты
других веществ
Макроэргическая связь
сера~углерод
Кофермент А - универсальный переносчик
и “активатор” ацильных (кислотных)
групп
O
||
СоА-SH + CH3СOOH ↔ CoA-S~C-CH3 + Н2О.
H3C~
||
O
H H O H H O H CH3 H
| |
|| | |
|| | |
|
S-C-C-N-C-C-C-N-C-C– C – C — АДФ –3’Ф
| | |
| | |
| | |
H H H H H H OH CH3 H
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
пантетеин: пантоевая к-та +
β-аланин + цистеамин
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
[ АДФ][ФН ]
G  G  RT ln
[ АТФ]
0
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.
Вывод: в случае высокой концентрации Н+ «цена» АТФ снижается