Morfologia fun-2

MORFOLOGIA FUNKCJONALNA ROŚLIN Wykład 2 - materiały zapasowe - ściana komórkowa

prof. dr hab. Czesław Hołdyński

MATERIAŁY ZAPASOWE

Materiały zapasowe – termin Wydzieliny – śluzy, olejki, kutyna, woski itp. Wydaliny – końcowe produkty przemian metabolicznych W/w nie mogą być bezpośrednio wprowadzane w cykl przemian metabolicznych !!! Materiały zapasowe produkowane są CELOWO „na potem” przechowywanie zapasów dla własnego organizmu na krótki, długi okres czasu, dla następnego pokolenia – nasiona!!)

1. Gdzie są syntetyzowane, gromadzone? 2. Kategorie chemiczne • polisacharydy - skrobia - polisacharydy glonów to: skrobia, paramylon, chryzolaminaryna, skrobia krasnorostów - glikogen GRZYBY, ŚLUZOWCE, SINICE - inulina (32 – 34 fruktozy r. koloidalny w wakuoli) rodz.: ZŁOŻONE, TRAWY, DZWONKOWATE

- hemiceluloza (mannoza, galaktoza + glukoza ) (30 – 80 jednostek) nie zawierają kw. uronowego i to odróżnia je od hemiceluloz strukturalnych MOTYLKOWATE •disacharydy - w wakuoli - sacharoza (α α D – glukoza + β D – fruktoza) c. trzcinowy 13 – 16% c. buraczany 16 – 22% -maltoza (dwie cz. glukozy) produkt hydrolizy skrobi

•monosachrydy - w wakuoli - glukoza > cukier gronowy - fruktoza > cukier owocowy - galaktoza > bluszcz

BUDOWA SKROBI frakcje SKROBI (C6H10O5)n

AMYLOZA (10 – 30%) AMYLOPEKTYNA (70 – 90%)

AMYLOZA •liniowy łańcuch •Wiązania tylko α – glikozydowe (1 – 4) •300 – 1000 reszt glukozowych AMYLOPEKTYNA •łańcuch rozgałęziony •wiązania α – glikozydowe (1 – 4) i β – glikozydowe (1 – 6) •słaba rozpuszczalność

ZIARNA SKROBI – ontogeneza LEUKOPLAST AMYLOPLAST ZIARNO SKROBI

różne typy (cecha gatunkowa)

Uwarstwienie ziaren skrobi

hilum – ośrodek skrobiotwórczy

UKŁAD WARSTW koncentryczny

ekscentryczny

Typy ziaren skrobi pojedyncze

ekscentryczne

koncentryczne

złożone

Pojedyncze koncentryczne ziarna skrobi z bielma ziarniaka kukurydzy (Zea mays) hilum

Pojedyncze ekscentryczne ziarna skrobi z bulwy ziemniaka (Solanum tuberosum)

pojedyncze rozsypane ziarna

50 µm

Złożone ziarna skrobi w bielmie ziarniaka owsa zwyczajnego (Avena sativa)

ZIARNA SKROBI Miłka (Eragrostis sp.)

Fasola zwykła (Phaseolus vulgaris)

Pszenica (Triticum sp.)

Kostrzewa (Festuca sp.)

INULINA sferokryształy inuliny wytrącone etanolem z roztworu koloidalnego w wakuoli miękisz zapasowy w bulwach słonecznika bulwiastego (Helianthus tuberosus)

HEMICELULOZY ZAPASOWE • niejednorodne polimery różnych cukrów prostych (np. glukoza, galaktoza, ksyloza, arabinoza) • odkładane w ścianie komórkowej w postaci złogów wokół przestworów międzykomórkowych • łatwo hydrolizowane, szybko włączone do metabolizmu, zwłaszcza podczas kiełkowania nasion

Występowanie: • nasiona motylkowatych (Fabaceae) • nasiona kawy (Coffea), daktylowca (Phoenix dactylifera) • łuski pączkowe jesionu (Fraxinus) • miękisz rdzenia w pniach niektórych drzew np. wiązu (Ulmus)

HEMICELULOZA ZAPASOWA przestwory międzykomórkowe

Hemiceluloza zapasowa w ścianie komórek liścieni łubinu (Lupinus hirsutus) – stadia rozpuszczania pod wpływem enzymu cytazy

HEMICELULOZA ZAPASOWA w ścianie komórkowej

komórki liścieni zarodka w nasieniu grochu

W zależności od dominującego cukru prostego hemicelulozom nadaje się określone nazwy np.: •z dominacją heksoz O – O – O – O – O – O - C6
galaktany
galaktomannany
arabinogalaktany

galaktoza + „x”


mannany
glukany
kaloza

glukoza + „x” glukoza β 1,3 i β 1,4 glukoza β 1,3 i β 1,6

•z dominacją pentoz
ksylany
arabinoksylany
arabany

O – O – O – O – C5

ksyloza arabinoza + „x” arabinoza

Różne typy hemiceluloz to cecha: 1. różnych grup (gatunków) roślin 2. etapów rozwoju ontogenetycznego rośliny (komórki)

BIAŁKA ZAPASOWE Należą do białek prostych z grup: •albuminy – rozpuszczalne w wodzie (zarodek pszenicy) •globuliny – rozpuszczalne w 10% NaCl (groch, fasola, soja) •prolaminy – rozpuszczalne w 60 – 80% etanolu
gliadyna - żyto, pszenica
hordeina - jęczmień (Hordeum)
zeina - kukurydza (Zea) •gluteiny – rozpuszczalne w 0,2% roztworach alkalicznych
gluteina - pszenica
oryzeina - ryż (Oryza)

Postacie: 1. Ziarna białkowe w cytoplazmie •

ziarna aleuronowe powstałe przez odwodnienie i fragmentację wakuoli

•

ziarna powstałe przez wydzielanie obszarów membraną (ER, Aparat Golgiego)

2. Krystaloidy białkowe •

krystaloidy białkowe w cytoplazmie

•

krystaloidy białkowe w jądrach

3. Proteinoplasty powstałe z leukoplastów, chloroplastów lub chromoplastów jaskrowate, storczykowate, szorstkolistne w formie bezpostaciowej lub kryształy pasożyty bezzieleniowe

POWSTANIE ZIAREN ALEURONOWYCH

ODWODNIENIE DROBNYCH WAKUOL BIAŁKOWYCH

ZIARNA ALEURONOWE

Typy ziaren aleuronowych TRAWY

bezpostaciowa substancja białkowa MOTYLKOWATE

PROSTE ZŁOŻONE

globoid

krystaloid

DYNIA RĄCZNIK

kryształy szczawianu wapnia globoid BALDASZKOWATE

BUDOWA ZIAREN ALEURONOWYCH

Budowa ziaren aleuronowych rącznika: • Bezpostaciowa białkowa masa podstawowa – albuminy • Krystaloidy białkowe o strukturze sieciowej, posiadające zdolność do pęcznienia – globuliny • Globoidy – bezpostaciowa fityna (sól wapniowo–magnezowa kwasu inozyto–sześciofosforowego)

LIPIDY ZAPASOWE należą do lipidów obojętnych powstają w różnych fazach ONTOGENEZY - produkowane w gładkim ER; - za lipidy zapasowe można uznać również te, które powstają z rozpadu dwuwarstwy membran. np. degeneracja tkanek spichrzowych w tapetum

Kwasy tłuszczowe nienasycone - oleinowy - linolowy - linolenowy - arachidowy ciała stałe - laurynowy - kakaowy - kokosowy

TŁUSZCZE ZAPASOWE

powstawanie, miejsce gromadzenia

- powstają w retikulum endoplazmatycznym:

sferosomy = oleosomy = ciała tłuszczowe inkluzje lipidowe w cytoplazmie (krople) GLONY, GRZYBY, ROŚLINY WYŻSZE

- powstają wewnątrz wyspecjalizowanego plastydu

lipidoplasty = oleoplasty = elajoplasty amarylis, kosaciec, kliwia, kawa

MIEJSCA ROZPADU MATERIAŁÓW ZAPASOWYCH W KOMÓRCE - WAKUOLE W FUNKCJI LIZOSOMU - GLIOKSYSOMY

lipidoplasty w cebulach śniedka baldaszkowatego

MATERIAŁY ZAPASOWE ziarniaka pszenicy (fluorescencja) okrywa owocowo – nasienna warstwa aleuronowa bielma

bielmo z ziarnami skrobi

Komórki bielma ziarniaka pszenicy (SEM)

ziarno skrobi ziarna aleuronowe

Różnice w budowie bielma (endospermu)ziarniaków pszenicy (SEM)

Triticum aestivum

Triticum durum

Mikrostruktura liścienia grochu (LM, SEM)

ŚCIANA KOMÓRKOWA

pektyna

celuloza

A

Ściana komórkowa

B

A - Przekrój poprzeczny przez łodygę Arabidopsis sp. po wybarwieniu fluorochromami różnicującymi dwa składniki ściany komórkowej: niebieska - celuloza, zielona - pektyna. B – komórki korzenia Arabidopsis sp. widoczna ściana komórkowa.

BUDOWA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ 1 – 3; warstwy wtórnej ściany komórkowej 4 – światło komórki 5 – ściana pierwotna 6 – blaszka środkowa

ŚWIATŁO KOMÓRKI – przestrzeń wewnątrz ściany - w żywych komórkach zajęte przez protoplast - w martwych komórkach „puste” np. - w rurach naczyń - wypełnione wodą (ciągi mikrokapilar przewodzące wodę) - w korku - wypełnione powietrzem (termoizolacja!)

Budowa ściany komórkowej (obraz mikroskopowy)

blaszka środkowa

przestwór międzykomórkowy

POWSTAWANIE ŚCIANY KOMÓRKOWEJ podczas podziału komórkowego - po zakończeniu podziału jądra (kariokinezy), w trakcie podziału cytoplazmy (cytokinezy) Pomiędzy komórkami potomnymi powstaje: - przegroda pierwotna z protopektyn - blaszka środkowa z substancji pektynowych Protoplasty komórek potomnych DO SWOJEGO WNĘTRZA budują: - podczas wzrostu POKŁAD ŚCIANY PIERWOTNEJ - po zakończeniu wzrostu MOGĄ dobudować POKŁAD ŚCIANY WTÓRNEJ Większość substancji do budowy ściany stanowią POLISACHARYDY produkowane przez APARAT GOLGIEGO Wzrost ściany - przez apozycję dokładanie nowych elementów w postaci warstw - przez intususcepcję - wbudowywanie pomiędzy elementy już istniejące

ściana wtórna

JAMKI

ściana pierwotna blaszka środkowa

jamki proste

jamki lejkowate

torus - „zatyczka” margo - „brzeżek”

FUNKCJE ŚCIANY KOMÓRKOWEJ • chroni protoplast przed wpływami zewnętrznymi, zwłaszcza: - parowaniem wody - patogenami • stanowi „szkielet” komórki, warunkujący jej: - wzrost - ostateczny kształt - wzmocnienie - zabezpieczenie przed ciśnieniem turgorowym • może gromadzić substancje zapasowe (hemicelulozy zapasowe) • stanowi w roślinie drogi transportu międzykomórkowego (tzw. transport apoplastyczny, np. wody) • zapewnia kontakt protoplastów u roślin wielokomórkowych, dzięki obecności jamek, przez które przechodzą plasmodesmy

STRUKTURA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ (niezmodyfikowanej !!!) Związki organiczne 1. SUBSTANCJA SZKIELETOWA: polisacharyd CELULOZA, w postaci uporządkowanych mikrofibrylli 2. SUBSTANCJE PODŁOŻA: polisacharydy – HEMICELULOZY i PEKTYNY białka - strukturalne (uczestniczące w tworzeniu struktury ściany) - enzymatyczne (modyfikujące właściwości ścian) Związki mineralne WODA

SKŁAD PIERWOTNEJ ŚCIANY KOMÓRKOWEJ w komórkach rosnących

Składnik ściany

(%) świeżej masy !!!

Polisacharydy pektyny

ok. 15

hemicelulozy

ok. 20

celuloza

5-10

Białka

1

WODA

60 !!!

SKŁAD PIERWOTNEJ I WTÓRNEJ ŚCIANY KOMÓRKOWEJ (%) suchej masy

Składnik ściany

Ściana pierwotna

Ściana wtórna

Polisacharydy

40

65-85

pektyny

15

-

hemicelulozy

15

5-30

celuloza

10

50-80

Białka

1

do 10

[Lignina]

-

[15-35]

CELULOZA Polisacharyd rozpuszczalny w kwasie fosforowym i stężonym kwasie siarkowym •Glukoza połączona (linearnie) wiązaniem β (1 – 4) o długości 0,5 µm – 7 µm Stopień polimeryzacji około 1000 reszt glukozydowych w ścianie pierwotnej do 14000 reszt glukozydowych w ścianie wtórnej cz. celulozy -o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-

x około 40 cz. Celulozy = MIKROFIBRYLA

200 - 400 MIKROFIBRYLI

FIBRYLA

Krystaliczny układ celulozy w obrębie MIKROFIBRYLI nazywa się MICELLĄ połączenie między cząsteczkami celulozy możliwe są dzięki wiązaniom wodorowym przy C – 2,3,6 W obrębie mikrofibryli wyróżnia się:  micelle (krystality celulozowe)  celulozę amorfną = amorficzną (nie krystaliczną)  przestrzenie międzymicelarne

Schemat budowy POJEDYNCZEJ mikrofibryli celulozowej: a - micelle - krystality celulozowe b - celuloza „bezkształtna” – amorfna c - przestrzenie międzymicellarne

c b

a

SCHEMAT BUDOWY ŚCIANY KOMÓRKOWEJ

STRUKTURA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ MIEJSCE DLA WODY W ŚCIANIE !!! mostki wapniowe pomiędzy łańcuchami pektynowymi

glikoproteidy fibryla celulozowa złożona z mikrofibryli wiązka łańcuchów hemicelulozy

wiązka łańcuchów pektyny

Układ fibryli celulozowych w ścianie pierwotnej korzenia cebuli

Fibryle celulozowe – powiększenie 30000 x

FIBRYLE CELULOZOWE W ŚCIANIE PIERWOTNEJ I WTÓRNEJ

W ŚCIANIE PIERWOTNEJ

W ŚCIANIE WTÓRNEJ

•

stanowią 20 – 35 % suchej masy

• stanowią 60 – 90 % suchej masy

•

nieuporządkowany układ

• uporządkowany układ

•

krótsze łańcuchy celulozy (do 6 tys. cząsteczek glukozy)

• dłuższe łańcuchy celulozy (do 14 tys. cząsteczek glukozy)

•

cieńsze

• grubsze

•

mniej krystalicznych micelli

• więcej krystalicznych micelli

Układ fibryli w pierwotnej ścianie komórkowej

blaszka środkowa pektyna ściana pierwotna

błona komórkowa fibryla celulozowa hemiceluloza

SCHEMAT WIELOSIATKOWEGO UKŁADU FIBRYLI W ROSNĄCEJ ŚCIANIE PIERWOTNEJ

Co decyduje o przebiegu (układzie) włókien celulozowych w ścianie? Mikrotubule korowe (wbudowane w zewnętrzną membranę cytoplazmatyczną) kompleksy enzymatyczne syntetyzujące celulozę (występują w błonie komórkowej na granicy ze ścianą) synteza cząsteczek celulozy łączenie cz. celulozy w mikrofibryle wbudowywanie w ścianę komórkową

Jakie są tego konsekwencje?

zewnętrzne końce mikrofibryli celulozowych, które zostały zintegrowane z istniejącą wcześniej ścianą

przestrzeń zewnątrz komórkowa

Membrana cyt.

kompleks syntezy celulozy

cytozol

pojedyncze łańcuchy celulozy łączą się w postać mikrofibryl

mikrotubula połączona z błoną komórkową

Model ilustrujący w jaki sposób uporządkowany układ mikrotubuli może warunkować podobne uporządkowanie mikrofibryli celulozowych nowo odłożonych na WEWNĘTRZNEJ powierzchni komórki

Jak orientacja fibryl celulozowych w ścianie komórkowej wpływa na kierunek wydłużania się komórek ciśnienie turgorowe

SUBSTANCJE PEKTYNOWE tworzą blaszkę środkową i są składnikami podłoża (matrix) ściany Są to polisacharydy występujace jako: kwasy pektynowe pektyny protopektyny O2 galaktoza (6C) kwas galakturonowy x „n” kwas pektynowy H – C – OH

H –C – OH

CH2OH

COOH grupa karboksylowa

Ca++

kwas pektynowy

Mg++

Jej obecność powoduje wybitną hydrofilność kwasów pektynowych i ich pochodnych (w stanie silnego uwodnienia występuje w ścianach) pektynian wapnia lub magnezu

PEKTYNY - są to ESTRY METYLOWE kwasów pektynowych są rozpuszczalne w gorącej wodzie (rozklejanie komórek w czasie gotowania) uelastyczniają matrix ściany (tylko część grup karboksylowych ulega estryfikacji)

PROTOPEKTYNY – nie do końca poznana natura chemiczna

HEMICELULOZY Strukturalne

Zapasowe (bez kwasu glukuronowego tj. glukoza + O2)

najbardziej niejednorodna grupa polisacharydów

długie liniowe polimery (150 – 200 jednostek) różnych cukrów prostych połączonych wiązaniami β 1- 4 do których mogą być dołączone krótkie łańcuchy boczne (β β 1-6)

BIAŁKA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ 5 – 10% MASY ŚCIANY Z reguły są to białka z przyłączonymi resztami cukrowymi (galaktoza, arabinoza) tworząc kompleksy glikoproteinowe BIAŁKA ENZYMATYCZNE polimerazy prowadzące do syntezy ligniny, kutyny, suberyny hydrolazy prowadzące do rozluźniania ścian, np. wycofywanie cukrów ze ścian w związku z naturalnym obumieraniem tkanek lub rozpuszczaniem blaszki środkowej oksydoreduktazy o charakterze obronnym przed patogenami chitynazy transportujące EKSTENSYNY - białka strukturalne i modyfikujące ścianę komórkową (0,05 – 2,7% s. m. pierwotnej ściany) EKSPANSYNY - białka ułatwiające rozpad wiązań wodorowych między fibrylami celulozowymi efekt – uplastycznienie ściany

Ściana komórkowa – skład podstawowy i substancje modyfikujące Substancje szkieletowe celuloza Subst. podłoża (matrix) subst. pektynowe hemicelulozy białka Subst. inkrustujące (wysycające) lignina (drzewnik) sole mineralne zw. organiczne (garbniki, żywice, olejki eteryczne – rzadko)

Subst. adkrustujące (powlekające) kutyna i suberyna woski śluzy, gumy

MECHANIZMY MODYFIKACJI

INKRUSTACJA = wnikanie mikrofibryla celulozowa

ŚCIANY KOMÓRKOWEJ substancja inkrustująca

ADKRUSTACJA = powlekanie

warstwa substancji modyfikującej

pektyny

ściana komórkowa (pierwotna)

fibryla celulozowa

plazmalemma

ZWIĄZKI FENOLOWE Zróżnicowane strukturalnie, często „nieprzewidywalne”, („przypadkowe) polimery (około 100 jednostek) kwasów i alkoholi fenolowych, głównie: p – kumarylowego koniferylowego synapilowego

LIGNINA (Drzewnik) amorficzne matrix wtórnych ścian usztywniająca ściany Ponadto mogą być: •kwasy fenolowe związane z polisacharydami •wolne kwasy fenolowe •pochodne kwasu cynamonowego lub benzoesowego w sporopoleninie (ściany egzyny)

Modyfikacja – lignifikacja (drewnienie)

Funkcje ligniny • nadaje ścianie sztywności • zmniejsza zdolność wiązania wody (pęcznienia ścian) • zmniejsza szybkość dyfuzji wody w ścianie, ale zapewnia niską adhezję wody • zwiększa odporność na działanie mikroorganizmów Proces drewnienia ścian w tkankach martwych przeciwdziała ich zgniataniu przez tkanki żywe, które są w stanie pełnego turgoru

W ewolucji świata roślin lignina umożliwiła wyjście roślin na ląd szybki transport wody zwiększanie rozmiarów roślin i wydajności procesu fotosyntezy

SOLE MINERALNE węglan wapnia szczawian wapnia krzemionka (SiO2) Znaczenie mineralizacji dla OSOBNIKA - usztywnienie (np. węglan w plechach krasnorostów, ramienic) - ochrona przed roślinożercami (np. krzemionka w epidermie pędów traw, turzyc)

ramienica z rodzaju Nitella trawa - wydmuchrzyca piaskowa

KUTYNA, SUBERYNA Polimery kwasów tłuszczowych o różnym składzie i proporcjach ilościowych hydroksykwasy tłuszczowe C16 lub C18 KUTYNA hydroksykwasy tłuszczowe C16 C24 + nasycone kwasy tłuszczowe C20 C30 + ich estry SUBERYNA Modyfikacja kutynizacja

efekt KUTIKULA (epiderma pędu) suberynizacja (korkowacenie) korek drzew, endoderma, łupina nasienna, owocnia

SPOROPOLENINA Dot.: wyłącznie ścian ziaren pyłku ścian zarodników (paprotniki, mszaki, glony, grzyby)

Jest to złożona substancja chemiczna, mieszanina - utlenionych polimerów karotenoidów i ich estrów - polisacharydów - białek - śladowo ligniny Właściwości: szczególnie odporna na wszelkie czynniki zewnętrzne

WOSKI mieszaniny: kwasów tłuszczowych C16 lub C18 wielocząsteczkowych węglowodanów I i II – rzędowych alkoholi, aldehydów, terpenów i steroli. modyfikacja

WOSKOWACENIE (pędy kserofitów, sukulentów, miękiszowe owoce)

pokryte woskiem pędy wilczomlecza (Euphorbia ingens)

liście mącznicy lekarskiej (Arctosyaphylos uva-ursi)

ŚLUZY I GUMY heksozy, pentozy kwas galakturonowy

polisacharydy

zewnętrzny składnik ścian kom. okryw nasiennych lub niektórych owocni (głównie roślin wodnych) także np. nasion lnu

heksozy, pentozy kwas galakturonowy

stany patologiczne uszkodzenia mechaniczne (np. drzewa owocowe)

Dziękuję za uwagę