biologija rastlinske celice -...

BIOLOGIJA RASTLINSKE CELICE Teze predavanj

Marina DERMASTIA

UVOD __________________________________________________________ 5

KEMIČNA SESTAVA RASTLINSKE CELICE __________________________________ 6

ATOMI IN MOLEKULE __________________________________________________________________ 6 VELIKE MOLEKULE: POLIMERI IN NJIHOVI MONOMERI ________________________________________ 6

OGLJIKOVI HIDRATI ________________________________________________________________ 7 STRUKTURNI POLISAHARIDI ________________________________________________________ 7 ZALOŽNI POLISHARIDI ____________________________________________________________ 9

PROTEINI _______________________________________________________________________ 10 ZGRADBA PROTEINOV ___________________________________________________________ 10 ZALOŽNI PROTEINI ______________________________________________________________ 12 ENCIMI _______________________________________________________________________ 12

LIPIDI __________________________________________________________________________ 13 OLJA_________________________________________________________________________ 13 VOSKI IN VOSKOM PODOBNE SPOJINE ________________________________________________ 14

SEKUNDARNI METABOLITI __________________________________________________________ 15 ALKALOIDI____________________________________________________________________ 16 TERPENI ______________________________________________________________________ 16 FENOLI _______________________________________________________________________ 17 MANJŠI RAZREDI SEKUNDARNIH METABOLITOV________________________________________ 18

ZGRADBA RASTLINSKE CELICE __________________________________ 19

OBLIKA IN VELIKOST _________________________________________________________________ 19

SESTAVNI DELI ______________________________________________________________________ 20

STAROST ___________________________________________________________________________ 21

MEMBRANE ___________________________________________________ 22

STRUKTURA MEMBRAN________________________________________________________________ 23

NALOGE MEMBRAN___________________________________________________________________ 23

MEMBRANSKI ORGANELI________________________________________ 24

CELIČNA MEMBRANA ALI PLAZMALEMA __________________________________________ 24

JEDRO ____________________________________________________________________________ 24 VOLUMEN_______________________________________________________________________ 25 OBLIKA _________________________________________________________________________ 26 JEDRCE ALI NUKLEOLUS __________________________________________________________ 26 POLIPLOIDIJA ______________________________________________________________________ 27

ENDOPLAZEMSKI RETIKEL________________________________________________________ 29

GOLGIJEVO TELESCE _________________________________________________________________ 31 DELOVANJE _______________________________________________________________________ 32

3 Biologija celice (rastlinska celica)

VAKUOLA_________________________________________________________________________ 34

PLASTIDI _________________________________________________________________________ 36 PROPLASTIDI ______________________________________________________________________ 37 AMILOPLASTI ______________________________________________________________________ 37 OLEOPLASTI _______________________________________________________________________ 38 KROMOPLASTI _____________________________________________________________________ 38 ETIOLPLASTI ______________________________________________________________________ 39 KLOROPLASTI ___________________________________________________________________ 39

FOTOSINTEZA _________________________________________________________________ 41 NARAVA SVETLOBE__________________________________________________________ 42

ULTARVIJOLIČNO SEVANJE______________________________________________________ 43 INFRARDEČE SEVANJE _________________________________________________________ 43 VIDNA SVETLOBA_____________________________________________________________ 43

PIGMENTI ___________________________________________________________________ 43 KLOROFIL___________________________________________________________________ 43 AKCESORNI PIGMENTI _________________________________________________________ 44 KAROTENOIDI _______________________________________________________________ 45 IZDELAVA IN UNIČENJE PIGMENTOV _______________________________________________ 46 KOMPLEKS PIGMENTOV V KLOROPLASTIH __________________________________________ 46

FOTOFOSFORILACIJA: KEMIOSMOZA V KLOROPLASTIH _________________________ 48 FOTOKEMIČNE IN BIOKEMIČNE REAKCIJE FOTOSINTEZE __________________________________ 49

FOTOKEMIČNE REAKCIJE FOTOSINTEZE ____________________________________________ 49 KROŽNI TOK ELEKTRONOV ____________________________________________________ 49 NEKROŽNI TOK ELEKTRONOV__________________________________________________ 50 POVZETEK FOROKEMIČNIH REAKCIJ _____________________________________________ 50

BIOKEMIČNE REAKCIJE FOTOSINTEZE______________________________________________ 52 POVZETEK BIOKEMIČNIH REAKCIJ ______________________________________________ 53

UČINKOVITOST FOTOSINTEZE____________________________________________________ 53 FOTORESPIRACIJA ____________________________________________________________ 54 C4 FOTOSINTEZA _____________________________________________________________ 55

MITOHONDRIJI ______________________________________________________________________ 58

PEROKSISOMI _______________________________________________________________________ 60 GLIOKSISOMI ______________________________________________________________________ 61

NEMEMBRANSKI ORGANELI _____________________________________ 62

CITOSKELETNI ELEMENTI _____________________________________________________________ 62 MIKROTUBULI _____________________________________________________________________ 62

NALOGA MIKROTUBULOV __________________________________________________________ 62 AKTINSKI FILAMENTI ________________________________________________________________ 63

NALOGA AKTINSKIH FILAMENTOV ____________________________________________________ 63 INTERMEDIATNI FILAMENTI ___________________________________________________________ 64 NOTRANJA CELIČNA GIBANJA__________________________________________________________ 64

FLAGELE ALI BIČKI _______________________________________________________________ 65

CELIČNA STENA __________________________________________________________________ 66 RAZVOJ STENE OB DELITVI CELICE ______________________________________________________ 69 PLAZMODEZME ____________________________________________________________________ 69

ZGRADBA PLAZMODEZME __________________________________________________________ 70 SEKUNDARNE PLAZMODEZME _______________________________________________________ 71


PROTEINSKA SINTEZA __________________________________________ 72

TRANSKRIPCIJA _____________________________________________________________________ 73 INICIACIJA ________________________________________________________________________ 73 ELONGACIJA_______________________________________________________________________ 73 TERMINACIJA ______________________________________________________________________ 74 HITROST TRANSKRIPCIJE _____________________________________________________________ 74 VRSTE RNA _______________________________________________________________________ 74

RIBOCIMI _______________________________________________________________________ 74 JEDRNE RNA ____________________________________________________________________ 75 MESSENGER RNA (MRNA) _________________________________________________________ 75 TRANSFER ALI PRENOSNA RNA (TRNA) _______________________________________________ 76

POLIPEPTIDNA SINTEZA. TRANSLACIJA ___________________________________________________ 77 INICIACIJA ________________________________________________________________________ 78 ELONGACIJA_______________________________________________________________________ 78 TERMINACIJA ______________________________________________________________________ 79 HITROST TRANSLACIJE _______________________________________________________________ 79

STRUKTURA EVKARIONTSKIH GENOV ____________________________________________________ 80 HIPOTEZA EKSONSKEGA PREMEŠČANJA __________________________________________________ 81


UVOD

Rastline imajo tako kot vsi organizmi več skupnih lastnosti:

Rastline so sestavljene iz organiziranih delov.

Rastline izmenjujejo z okoljem energijo.

Rastline na okolje odgovarjajo in se mu prilagajajo.

Rastline se razmnožujejo.

Rastline imajo lastnosti, ki kažejo na skupen izvor.

Zgradba rastlin iz organiziranih delov vključuje več ravni organizacije od atomov in

molekul, do tkiv, organov in cele rastline.


KEMIČNA SESTAVA RASTLINSKE CELICE

ATOMI IN MOLEKULE

Le okrog 16 od 92 naravnih elementov je nujnih za življenje večine rastlin. Štirje od teh

elementov - vodik, ogljik in dušik - sestavljajo do 99% mase večine rastlinskih tkiv.

Večina molekul z ogljikom sestavlja organske snovi. Skoraj vse organske spojine

vsebujejo tudi vodik in večina tudi kisik. Čiste spojine ogljika - grafit, diamant in

ogljikove spojine brez vodika - karbonati, CO2, Co, cianidne soli - imenujemo

anorganske snovi. Biokemične snovi so organske ali anorganske molekule v živih

organizmih.

Večina elementov se v celicah pojavlja v tisoč različnih kombinacijah, vsaka kombinacija

predstavlja drugo molekulo. Poleg vode rastlino in seveda tudi druge organizme

sestavljajo štiri vrste molekul - ogljikovi hidrati, proteini, nukleinske kisline in lipidi.

Rastlino pa v manjši meri izgrajujejo tudi druge spojine - npr. fenoli, alkaloidi, terpeni,

steroli in flavonoidi.

VELIKE MOLEKULE: POLIMERI IN NJIHOVI MONOMERI

Veliko biomolekul je v obliki posameznih majhnih molekul - monomerov. Večino

rastlinskih tkiv pa sestavljajo polimeri - spojine sestavljene iz enakih ali podobnih

monomerov povezanih v velike molekule. Primeri takih polimerov so celuloza, škrob,

encimi, DNA, voski, lignin, tanini.

Poleg glavnih razredov velikih molekul skupnih vsem organizmom, imajo rastline še

posebne polimere (lignin, čreslovine, politerpeni in poliacetileni).


OGLJIKOVI HIDRATI

Ogljikovi hidrati so glukoza in drugi sladkorji skupaj z odgovarjajočimi polimeri.

Ogljikovi hidrati imajo na vsak ogljik en kisik in dva vodika. Npr. glukoza in fruktoza sta

sestavljeni iz 6 ogljikov, 12 vodikov in 6 kisikov in imata formulo C6H12O6. Galaktoza,

manoza in drugi monomeri imajo isto formulo, razlikujejo se le po ureditvi elementov.

Pravimo, da so izomere, to je različne spojine z isto formulo. Strukturne razlike med

izomerami lahko značilno spremenijo kemijske lastnosti molekule.

Pogosti monomeri ogljikovih hidratov z različno formulo so riboza, ksiloza in arabinoza

(C5H10O5), deoksiriboza (C5H10O4), glukoronska kislina in galakturonska kislina

(C6H10O7) in ramnoza (C6H12O5).

Monomeri ogljikovih hidratov so redko v obliki prostih sladkorjev. Navadno so vezani na

druge molekule ali povezani skupaj v velike ogljikove hidrate.

Za razlikovanje med različno velikimi ogljikovimi hidrati, monomere imenujemo

monosaharidi, dimere (molekule dvema monomeroma) pa disaharidi. Polimeri so

polisaharidi.

Najbolj pogost disaharid v rastlinah je saharoza, sestavljena iz glukoze in fruktoze

povezanih v dimer. Saharoza je glavna transportna oblika ogljikovih hidratov v rastlinah.

STRUKTURNI POLISAHARIDI

Celuloza je količinsko najbolj zastopan strukturni polisaharid v rastlinah in količinsko

najbolj zaastopan polimer na zemlji. Celuloza sestavlja od 20 - 60% celične stene.

Celulozo najdemo v čisti obliki v nekaterih rastlinah, npr. v trihomih, ki obdajajo semena

bombaža (Gossypium hirsutum).


Jakost celuloze izhaja iz njene organiziranosti . Glukozne enote so povezane s kisikom

med ogljikom 1 (C1) na eni glukozi in C4 na sledeči. Celulozna β−1,4 povezava se

ponavlja v linerano molekulo sestavljeno iz 100 do 15 000 glukoznih monomerov. Višja

raven organiziranosti je v celulozi s tisoč in več polimeri zvitimi v mikrofibrilo. Sila, ki

jo mikrofibrila prenese preden se pretrga je več kot 110 kg/mm2.

Več mikrofibril se zvije v celulozno fibrilo. Plasti v fibrili so zlepljene skupaj z drugimi

strukturnimi polisaharidi - pektini in hemicelulozami v močno trdimenzionalno mrežo.

Pektini celične stene so večinoma polimeri galakturonske kisline povezani z α−1,4

vezmi.

Hemiceluloze sestavljajo različni monomeri povezani z različnimi in zapletenimi vezmi.

Hemiceluloze trav sestavlja v glavnem ksiloza z manjšimi količinami arabinoze,

galaktoze in uronske kisline. Hemiceluloze v stročnicah pa imajo veliko uronske kisline,

galaktoze in arabinoze, a malo ksiloze.

Nestrukturne hemiceluloze so v izcedkih stebla, korenin, listov ali plodov v obliki

lepljive meašnice - gumij. Gumij je zapleten razvejan polisaharid iz mnogih različnih

monomerov. Gumij arabikum iz Accacia senegal je sestavljen iz arabinoze, galaktoze,

glukoze in ramnoze.

Tržno pomemben polisharid iz alg je agar. To je sluzasta snov, ki obdaja celulozne stene

nekaterih rdečih alg. Sestavlja ga meašnica galaktoznih sulfatov povezanih z 1,4 in 1,6

vezmi. Agar se uporablja za izdelavo kapsul za zdravila, v kozmetični industriji, za

pripravo želatinskih desertov. V laboratoriju ga uporabljamo kot gojišča za mikrobe ali

tkivne kulture.


ZALOŽNI POLISHARIDI

Dva najobičajnejša založna polisaharida v rastlinah - amilaza in amilopektin, sestavljata

škrob. Amiloza je manjši in enostavnejši polimer. Sestavlja jo veriga 100 do več 1000

monomerov povezanih z α-1,4 -vezmi. Amilopektin je močno razvejan polimer iz do 50

1000 monomerov. Polimer je sestavljen iz kratkih verig z 1,4-vezmi, ki so prečno

povezane z drugimi verigami. Večno škrobnih zrn sestavlja 20% amiloze in 80%

amilopektina. Razmerje zavisi od vrste rastline. Škrobi nekaterih sort koruze (Zea mays)

in riža (Oryza sativa) so skoraj izključno iz amilopektina. Na drugi strani imajo varietete

nagubanega graha (Pisum sativum var. Steadfast) škrob, ki ga sestavlja 80% amiloze.

Škrobna zrna so različnih oblik in imajo različno zgradbo. Oblika ni odvisna le od vezi

med amilozo in amilopektinom, temveč tudi od tega, kako so te molekule zlo ene v

sekundarno zgradbo. V glavnem se amiloza zvija v spiralo, skupine teh spiral pa obdajajo

večje amilopektinske molekule.

Veliko rastlin izdeluje namesto škroba inulin. Inulin je polimer fruktuze in ima β-2,1

vezi. Najdemo ga v rastlinah kot dalija, cikorija, regrat. Zalo ni organi teh rastlin imajo

sladek okus, ker se iz inulina sprošča fruktoza.


PROTEINI

Poleg celuloze, proteini predstavljajo skoraj vso ostalo biomaso žive rastlinske celice.

Obstoji tisoče različnih vrst proteinov. Protein je sestavljen iz enega ali več polipeptidov,

vsebuje lahko tudi sladkorje ali druge majhne molekule.

Polipeptid je veriga aminokislin povezanih skupaj z ogljik-dušik vezmi. Take vezi

imenujemo peptidne vezi. Najmanjši polipeptidi imajo manj kot100 aminokislin, največji

pa več tisoč.

Tako kot polisaharidi, so tudi proteini pomembni tako pri zgradbi celice, kot tudi kot

zaloga. Mnogi proteini so tudi encimi - katalizatorji biokemičnih reakcij. Za razliko od

polisaharidov, se ne pojavljajo v verigah monomerov z različnimi vezmi. Namesto tega je

vsak protein sestavljen iz različnih aminokislin povezanih z enako polipeptidno vezjo.

Različni proteini so rezultat različnih zaporedij aminokislin. Vsaka od 20 aminokislin v

rastlinah ima dva glavna dela. Prvi del skupen vsem aminokislinam je sestavljen iz

ogljika in karboksilne skupine in amino skupine, ki je nanjo pritrjena. Drugi del, vezan na

isti ogljik kot amino ali karboksilna skupina je stranska veriga. Stranska veriga je različna

za vsako amino kislino. Lahko le vodikov atom (npr. v glicinu) ali zapletena ciklična

struktura kot je to pri triptofanu.

ZGRADBA PROTEINOV

Zaporedje aminokislin v proteinu je proteinska primarna zgradba. Seveda pa proteini niso

le enostavne dolge molekule, ki se naključno pojavljajo v celici. V resnici so proteini

zviti v tridimenzionalno obliko. Oblika proteina je določena z vezmi in drugimi

elektrostatskimi interakcijami med aminokislinami na različnih mestih v primarni

zgradbi. Vodikove vezi nastajajo v pravilnih zaporedjih in držijo specifične dele

polipeptida skupaj v sekundarno zgradbo. Sekundarna zgradba proteina je lahko v obliki

vijačnice ali "zloženke" - zgradba nagubane ravnine.


Disulfidne vezi - kovalentne vezi med dvema atomoma žvepla v dveh cisteinih,

vzdržujejo terciarno zgradbo proteina. Tercirano zgradbo vzdržujejo tudi šibke vezi med

ionizirano karboksilno in aminoskupino ter med sosednimi nepolarnimi skupinami, ki se

združijo tako, da izločijo vodo iz okolice. Rezultat vseh teh interakcij je protein s

posebno tridimenzionalno zgradbo.

Mnogi proteini so sestavljeni iz dveh ali več polipeptidnih verig - podenot. Npr. rastlinski

encim ribuloze- 1,5-bifosfat karboksilaza/oksigenza (Rubisco) ima 16 podenot. V tem

encimu, en polipeptid tvori 8 velikih podenot, drugi pa 8 malih podenot. Kvartarna

zgradba tega proteina razloži način kako so te podenote med sabo povezane. Kvartarno

zgradbo imajo le proteini z večkot eno podenoto.

V raztopini je tridimenzionalna zgradba proteina do neke mere gibljiva. Proteine lahko

tudi denaturiramo v laboratoriju, tako da dodamo ureo ali kake druge kemikalije. Urea

inhibira vodikove vezi, ki prispevajo k sekundarni zgradbi in tako povzroči, da protein

izgubi svojo obliko in funkcijo. Denaturacija je lahko tudi reverzibilna, saj protein

pogosto zavzame originalno obliko, ko ureo odstranimo iz raztopine. Proteini se lahko

tudi ireverzibilno, nepovratno denaturira z visoko temperaturo ali močnimi kemikalijami.

Proteine je težko razvrstiti zaradi njihove raznolikosti. Najpogosteje jih razdelimo glede

na topnost v vodi in detergentskih raztopinah ali po funkciji. Zaradi poenostavitve jih

bomo mi obravnavali glede na glavne funkcije: strukturni, založni proteini in encimi.

Strukturni proteini v ceLIČni steni in v membranah

Poleg ogljikovih hidratov stena vsebuje še 2% do 10% proteinov. Nekateri od teh

proteinov so encimi, ki pomagajo pri izgradnji stene, večina pa je strukturnih. Najbolj

raziskana je družina stenskih strukturnih proteinov - ekstenzinov. Ekstenzini imajo veliko

hidroksiprolina, serina, treonina in asparaginske kisline. Sestavlja jih tudi do 30%

ogljikovih hidratov. Zaradi njih so ekstenzini glikoproteini. Med ogljikovimi hidrati sta

najbolj zastopana arabinoza in galaktoza. Natančna zgradba ekstenzin-polisahridnega


kompleksa še ni popolnoma jasna, izgleda pa, da sta arabinoza in galaktoza ekstenzina

pritrjeni na enega ali več celičnih polisaharidov.

ZALOŽNI PROTEINI

Založni proteini se kopičijo predvsem v semenih in se porabljajo kot vir hraniv za zgodnji

razvoj sejanca. Sestava semenskih proteinov je vrstno specifična. V koruzi je založni

protein zein, sestavljen iz 30 polipeptidov v dveh velikih in eni manjši podenoti. Pšenica

pa ima založni protein gliadin iz štirih velikih podenot in vsaj 46 polipeptidov. Najbolj

zapleten založni protein je gluten v pšenici, sestavljen iz 15 različnih proteinov.

Semenski založni proteini v soji in zrnih žit (oves, riž, pšenica, koruza, ječmen) so še

posebej pomembni kot vir hranil tako za ljudi kot živino. Koruza in ječmen imata malo

aminokislin lizina, treonina in triptofana. Semena soje in drugih stročnic imajo malo

aminokislin, ki vsebujejo ž veplo - cisteina in metionina, imajo pa dovolj lizina.

Semena nekaterihh rastlin imajo neželjene učinke na živali, ki se z njimi hranijo. Do 10%

proteinov v mnogih žitaricah inhibira določene prebavne encime živali. Ti proteini so

proteinazni inhibitorji, ker inhibirajo proteinaze, encime za razgradnjo proteinov.

Semenski proteini nekaterih rastlin so toksični - glikoproteini kot je ricin D iz Ricinus

communis in abrin iz Abrus precatorius.

ENCIMI

Večina proteinov v živih celicah so encimi - katalizatorji biokemičnih reakcij. Encimi

imajo navadno fleksibilno kroglasto obliko. Posebo mesto na encimu - aktivni center

veže enega ali več substratov - reaktantov. Imena encimov imajo končnico -aza in

vključujejo ime reaktanta ali produkta reakcije, ki jo katalizirajo. Primer je α-amilaza,

encim, ki razgrajuje amilozo. Encimi katalizirajo tudi reakcije za razgradnjo celičnih sten,

membran, založnih polimerov, DNA, RNA, sten peloda, semenske lupine, klorofila,

aminokislin in drugih rastlinskih metabolitov.


Encimi pogosto ostanejo aktivni celo kadar jih odstranimo iz celice. α-amilaza razgradi

amilozo tudi v epruveti ob ustrezni temperaturi, pH in kofaktorji. Encimi, ki zadržijo

aktivnost so tržno pomembni. Taki encimi sta npr. proteazi papain in himopapain iz

papaje (Carica papaya). Papain razgradi mišično tkivo živali in je zato vključen kot

glavna sestavina mehčalcev mesa. Himopapain se uporablja za zdravljenje zdrsa

vretenčnih ploščic v hrbtenici.

LIPIDI

Za razliko od drugih bioloških polimerov, lipidi niso definirani s specifičnimi

ponavljajočimi monomernimi podenotami. Določeni so bolj s svojimi vodo-odbojnimi

lastnostmi. Edina skupna strukturna shema vseh lipidov je velik delež nepolarnih skupin

ogljikovodikov (-CH3, -CH2, -CH). Te skupine ogljikovodikov so navadno sestavljene iz

polimerov iz dveh 2C spojin imenovanih acetat. Glavni rastlinski lipidi z dvema

ogljikovodičnima verigama izhajajočima iz acetata so olja, voski in fosfolipidi.

OLJA

Olja so maščobe, ki so tekoče pri sobni temperaturi. Maščoba je kombinacija molekul

glicerola s tremi dolgoveri nimi organskimi kislinami - maščobnimi kislinami. Vez med

maščobno kislino in glicerolom je acilgliceridna vez. Tako so maščobe triacilgliceridi.

Maščobne kisline triacilgliceridov so lahko različno dolge, razlikujejo se po številu in

namestitvi dvojnih vezi v verigi. Maščobna kislina, ki nima dvojnih vezi med dvema

ogljikoma je nasičena. Olja so tekoča, ker so njihove maščobne kisline nenasičene. To

pomeni, da imajo dvojne vezi med enim ali večimi pari ogljikovih atomov. Dvojna vez

daje molekuli togost pod koti, kar jim onemogoča, da bi se trdno vklopila v trdno snov.

Četudi se triacilgliceridi pojavljajo v vseh delih rastline, so najpogostejši v semenih. Tako

kot ogljikovi hidrati, so tudi semenska olja oblika kemične energije, ki se porablja med


kalitvijo semen. Nekatera semena vsebujejo toliko olja, da so tudi tržno pomembna.

Najbolj znana tržna olja so sončnično, olivno, kokosovo, arašidovo, koruzno, sojino,

oljnorepično, bombažno...

Maščobne kisline v rastlinskih oljih so ali mononenasičene ali polinenasičene z dvema ali

več dvojnim vezmi. Najobičajnejše maščobne kisline so oleinska kislina (ena dvojna

vez), linoleska (dve dvojni vezi) in linolenska kislina (3 dvojne vezi).

Semenska olja iz palm in drugih tropskih rastlin vsebujejo večinoma palmitinski kislino,

ki je nasičena. Pri večini ljudi, nasičene maščobne kisline zvišujejo raven holesterola v

krvi bolj kot mononenasičene ali polinenasičene maščobe. Dejansko raven holesterola v

krvi bolj zvišujejo nasičene maščobe, kot pa sam holesterol v hrani. Visoka raven

krvenega holesterola je povezana s povečano nevarnostjo srčnih bolezni. Zaradi tega je

zelo pomembno, da zmanjšamo nasičene maščobne kisline v naši prehrani. Tropska olja

so najbolj običajne skrit vir nasičenih maščob. Dolgo so se in se še uporabljajo v mnogih

postopkih za pridelavo hrano - za krekerje, piškote, smetanove kavne nadomestke, pečene

izdelke. Olje iz zrn oljne palme in kokosovo olje sta tudi v kakao mešanicah, dietnih

slaščicah, instantnih juhah in čokoladi.

VOSKI IN VOSKOM PODOBNE SPOJINE

Voski so zapletene mešanice maščobnih kislin vezanih na dolgoverižne alkohole. Taka

mešanica vsebuje proste maščobne kisline, maščobne kisline s hidroksilnimi skupinami

in dolgoverižne ogljikovodike. Voski, ki sestavljajo zunanjo plast (kutikulo) listov,

plodov, zelnatih stebel so epikutikularni voski. Voski vključeni v kutikulo so kutikularni

voski. Struktura različnih voskov je odvisna od rastline, ki jih izdeluje.

Voski so navadno trdnejši in bolj vododbojni kot druge maščobe. Rastlinski voski kot je

karnauba iz palme karnauba (Copernicia cerifera) so še posebej trdni. Drugi komercilani

voski izhajajo iz rastline Myrica pensylvanica (uporabljajo se za izdelavo sveč), iz

mlečka Euphorbia antisyphilitica je kandelila vosek.


Čeprav je večina voskov trdnih, je poznana tudi izjema. To je vosek iz jojobinih semen

(Simmondsia chinensis), ki predstavlja polovico jojobinega semena. Včasih ga imenujejo

tudi olje, ker je pri sobni temperaturi tekoč, v resnici pa je to kemično zamaskiran vosek.

Jojobino "olje" se uporablja v kozmetični industriji, ker lahko prodira skozi zunanjo plast

človeške kože. Uporablja se tudi kot mazivo.

Kutikularni vosek je povezan tudi s kutinom. To je vsoskasta snov, ki sestavlja kutikulo.

Kutin je ssesatavljen iz različnih povezanih hidroksiliranih mašèobnih kislin. Podobna

spojina - suberin, se pojavlja v plutnih celicah v lubju. Kutin in suberin se razlikujeta po

vrsti maščobnih kislin, obe spojini pa predstavljata prepreko pred izgubljanjem vode.

Fosfolipidi

Mebrane vsebujejo fosfolipide, v katerih je ena od maščobnih kislin zamenjana s fosfatno

skupino.

SEKUNDARNI METABOLITI

Višje rastline vsebujejo veliko različnih kemičnih spojin, ki se povsem razlikujejo od

znanih vmesnih produktov reakcij ali končnih produktov primarnega metabolizma. Te

spojine se zelo razlikujejo tako med družinami kot tudi med vrstami znotraj družin. Taka

omejena razširjenost omogoča, da sekundarne produkte lahko uporabljamo kot

taksonomske markerje. Sekundarni metaboliti so glavne spojine, ki rastlinam dajejo vonj,

okus in barvo. Izraz sekundarni metabolit na nek način ni najboljši, saj brez razlikovanja

pokriva zelo veliko nesorodnih spojin in jim dodeljuje sekundarno, manj pomembno

vlogo. Med sekundarne produkte uvrščamo spojine kot so morfin, kafein, nikotin, mentol,

kavčuk.

Sekundarni metaboliti se pogosto pojavljajo v rastlinah v kombinacijah z enim ali več

sladkorji. Take sestavljene molekule so glikozidi. Najpogostejši sladkorji v glikozidnih

sekundarnih produktih so glukoza, galaktoza in ramnoza. Pojavljajo se tudi drugi, a


redkeje. Digitoksoza je poznana le v vrsti Digitalis purpurea, apioza je značilna le za

peteršilj (Petroselinum) in sorodnike.

Najpogosteje sekundarne produkte povezujejo z ekološko vlogo, ki vodi interakcije med

rastlinami in drugimi organizmi. Mnogi sekundarni produkti so živo obarvani pigmenti za

privabljanje žuželk in drugih živali, ki oprašujejo rastline ali raznašajo semena ter

plodove. Nikotin in druge toksične spojine ščitiji rastlino pred napadi lačnih žuželk ali

vdorom patogenih mikrobov. Poznanih je mnogo ekoloških povezav med sekundarnimi

metaboliti in žuželkami.

Večino sekundarnih produktov lahko razdelimo v razrede glede na strukturne podobnosti,

biosintetske poti ali na vrste rastlin, ki jih izdelujejo. Največji razredi so alkaloidi, terpeni

in fenoli.

ALKALOIDI

Alkaloidi vsebujejo alkalinske spojine z dušikom, kot delom obročaste strukture.

Poznanih je več kot 6500 alkaloidov. Pojavljajo se v različnih rastlinskih družinah, še

posebej veliko jih je med metuljnicami, košarnicami, makovkami, citrusi in

razhudnikovkami. Alkaloidi niso znani pri mahovih, praprotih, iglavcih.

Alkaloidi so zelo raznolika skupina, od enostavnih spojin kot je koniin do zapletenih kot

sta strihnin in tomatin. Njihovi učinki so pogosto fiziološki tako za ljudi, kot živali.

Koniin, strihnin, tubokurarin so strupi; morfin, kodein, atropin in vinkristin so pomembne

terapevtske droge. Alkaloidi so pogosto grenki.

TERPENI

Terpeni so dimeri in polimeri pet ogljičnih izhodnih molekul izoprena. Najmanjši terpeni

so monoterpeni z dvema izoprenskima enotama. Monoterpeni, kot sta geraniol in mentol

iz listov evkalipta in mete, so hlapni in imajo običajno močan vonj. Bori in druge


smolnate rastline sintetizirajo terpenoide iz štirih izoprenskih enot (diterpeni) ali iz šestih

izoprenov (triterpeni).

Eden od triterpenskih razredov so steroli, kemično sorodni steroidnim hormonom pri

živalih. Steroli se lahko povezujejo z dušikom v alkaloide (tomatin) ali s sladkorjem v

steroidne glikozide (digitalin).

Terpeni, ki imajo osem izoprenskih enot sestavljajo razred rumenih do rdečih pigmentov

-karotenoidov.

Največji terpeni z več kot 6000 izoprenskimi enotami v molekuli je kavčuk. Kavčuk

izdeluje okrog 2000 rastlinskih vrst, večinoma pa je količina premajhna za tržno izrabo.

Čeprav terpene navadno obravnavamo kot sekundarne metabolite, jih ima nekaj znane

vloge v rastlini. Taki so rastlinski hormoni abscizinska kislina iz treh izoprenov,

giberelini so diterpeni, β-karoten jeuniverzalni akcesorni pigment v fotosintezi.

FENOLI

Fenoli so spojine s popolnoma nenasičenimi, 6C-atomskimi obroči vezanimi na kisik.

Enostavni fenoli kot je salicilna kislina imajo en obroč z enostavno stransko verigo.

Sestavljeni fenoli s stransko verigo iz 3 C atomov so fenilpropanoidi (fenil se nanaša na

obroč, prop na 3C stransko verigo) in izhajajo iz tirozina in fenilalanina. Primer je

miristicin, glavna dišavna komponenta muškatnega oreška.

Fenilpropanoidi so navadno del bolj sestavljenih molekul. Celoten podrazred sekundarnih

metabolitov - flavonoidov, vsebuje fenilpropanoide kondenzirane v sestavljene tri

obročaste strukture. Določeni flavonoidui - antociani, so rdeči in modri pigmenti v

mnogih cvetovih. Mnogi so brezbarvni razen v UV svetlobi. Flavonoide prodajajo kot

dodatek prehrani skupaj z vitaminom C. Najlaže pridobivajo flavonoid rutin iz listov

evkalipta ali ajde.


Tako kot terpeni, tudi fenoli sestavljajo polimere. Flavonoidni polimeri so čreslovine -

tanini. Uporabljajo se pri strojenju usnja in imajo zelo trpek okus, ki daje suhost ali

trpkost vinu.

Najpomembnejši fenolni polimer je lignin, glavna strukturna komponenta lesa. Lignin je

sestavljen iz polimernih fenilpropanoidov, katerih popolnas struktura ni znana.

MANJŠI RAZREDI SEKUNDARNIH METABOLITOV

Poleg alkaloidov, terpenoidov in fenolov izdelujejo rastline še več manjših razredov

sekundarnih spojin.

Glikozidi gorčičnih olj so spojine, ki vsebujejo dušik in žveplo. Najdemo jih v zelju,

brokolih, redkvici, vodni kreši in drugih rastlinah iz družine križnic. Te spojine dajejo

glavni vonj in okus rastlinam iz družine.

Nekateri predstavniki družine metuljnic izdelujejo amino kisline, ki niso vdelane v

proteine. Odkrili so že okrog 400 neproteinskih amino kislin.

Druge manjše skupine sekundarnih produktov vključujejo spojine kot so poliacetileni in

cianogeni glikozidi v mnogih družinah. Poliacetileni so dolgoverižni derivati maščobnih

kislin, ki vsebujejo C ≡ C trojno vez. Najbolj znani poliacetileni so iz družine košarnic.

Cianogeni glikozidi so spojine s sladkorji, iz katerih se ob hidrolizi sprosti cianid.

Najdemo jih predvsem v družini metuljnic in rožnic.

Med drugimi manj zastopanimi sekundarnimi metaboliti so še tisti, ki dajejo poseben

vonj in okus užitnim rastlinam ali barvo cvetju.


ZGRADBA RASTLINSKE CELICE

OBLIKA IN VELIKOST

Če celično steno encimsko razgradimo se izloči protoplast, ki zavzame sferično obliko

zaradi površinskega pritiska plazmaleme. V tkivih so rastlinske celice poliedri.

Geometrijsko lahko notranje celice označimo s ploskvami, robovi in vrhnjo točko. Dve

celici se stikata po ploskvi. Tri celice (z redkimi izjemami) so v stiku po robovih. Štiri

celice (z redkimi izjemami) se stikajo v eni točki. Če celice fizično ločimo, po robovih

ostane intercelularni prostor, celice niso več poliedri, ker se predeli kjer je stena v stiku z

zrakom ukrivi. Celice v tkivih, če so enake velikosti, oblike in orientacije težijo k 14

ploskvam. Ker pa v praksi to niso, je teoretično število 14 le približno.

Premer celice je omejen, ker se pritisk na steno veča proporcionalno s premerom. Dolžina

cilindričnih celic ni tako omejena. V homogenih tkivih se premer celic spreminja le v

zelo ozkem območju.

Meristemske celice so navadno najmanjše. Pogosto so izodiometrične s strnicami

velikimi okrog 10 µm. Zelo dolge celice (do 11000 µm) najdemo v lesu borov in drugih

iglavcev in določenih celicah, ki proizvajajo lateks. Te lahko postanejo pravi giganti, ki

se raztezajo od korenin v poganjke (Euphorbia supina). Celice takih velikosti imajo

volumen do milijon kubičnih mikrometrov, so večjedrne koenocite.


SESTAVNI DELI

Rastlinske celice imajo skoraj brez izjeme celično steno. Brez stene so le nekatere

razmnoževalne celice so brez nje. Citoplazma ene celice je protoplast, ki je vedno obdan

s celično membrano, plazmalemo. Protoplast tipično vsebuje eno jedro (nukleus) z

genetsko snovjo DNA. Določene dozorele celice v floemu imajo protoplaste brez jedra;

druge, posebno v določenih delih cvetov jih imajo več (bi, tri ,multinuklerane). Protoplast

ima vedno eno ali več vakul, mitohondrije in plastide. Plastidi so ekstremno različni,

večnamenski tipi organelov: v zelenih tkivih so razviti v kloroplaste; v založnih tkivih se

lahko razvijejo v amiloplaste (za shranjevanje škroba) ali oleoplaste (shranjevanje olj). V

mnogih venčnih listih in plodovih plastidi akumulirajo pigmente in postanejo

kromoplasti. V protoplastu so endoplazemski retikel (sistem cevi vključenih v

intracelularni transport), ribosomi (delci, ki vodijo proteinsko sintezo), mikrotubuli in

mikrofilamenti(skeletni) in diktiosomi (vključene v pakiranje snovi za izvoz iz celice).

Rastlinske celice so prave sintetične tovarne. Mnoge med njimi proizvajajo znatne

količine kemičnih spojin ergastičnih struktur, ki se shranijo v kapljicah, kristalih ali

delcih.

Vsaka celica v rastlini je s sosednjo povezana z drobnimi trakovi citoplazme, ki teče

skozi drobne luknjice v steni. Citoplazma in luknjice skupaj so plazmodezme. Tako je v

resnici protoplazma vsake rastline povezana v simplast.

Ker večina celic ni tesno v stiku s sosedami, posebno v kotih, se pojavlja medcelični

prostor. V mnogih tkivih je ta majhen in izoliran, a v listih lahko predstavlja preko

polovice tkivnega volumna. Pomemben ja pri kroženju ogljikovega dioksida in kisika v

listu. Medcelični prostor skupaj s prostorom, ki ga zavzema stena imenujemo apoplast.

Tako simplast in apoplast predstavljata celotno rastlino.


STAROST

Celice imajo tako kot cele rastline svoje življenske cikle. V meristemskih in rastočih

delih celice aktivno rastejo in se delijo. V drugih delih celice rastejo in se diferencirajo ali

zrastejo do polne velikosti in odrastejo. V zadnjih primerih kot so listi, les ali lubje se

odrasle celice ne delijo. Ohranijo se žive ali mrtve stoletja ali celo tisočletja. Žive

parenhimatske celice vrste Kingia so lahko stare 400 let, mrtve, a še funkcionalne celice

lesa pri vrsti Pinus longaeva, pa so lahko tudi več tisoč let stare.


MEMBRANE

Celice rastlin in živali so dobesedno napolnjene z membranami. Na ali v membranah

potekajo mnoge presnovne funkcije. Plazmalema, ki obkroža celoten protoplast ne

zadostuje za opravljanje vseh teh nalog glede na velikost celice. To nezadostnost pa

kopenzirajo dodatne membrane, ki so na plazmalemo ali pripete ali vključene v organele.

Te dodatne membrane oblikujejo tudi oddelke, ki vzdržujejo različna okolja v celici.

Membrane celici ne dajejo zaščite in oblike.

Vse membrane v celici delujejo kot povezan membranski sistem, ki vključuje tako

plazmalemo kot različne membranske organele.

Na ali v membranah potekajo mnogi biokemični procesi. Npr. encimi vključeni v

fotosintezo in v ATP sintezo so vključeni v membrane, Membrane so tudi okvir za

izdelavo še več membran.

Vse membrane imajo podobno zgradbo. Sestavljene so iz dvojnega sloja fosfolipidov, ki

so impregnirani s proteini. Seveda pa nimajo vse membrane natančno enake strukture in

funkcije. Vsaka membrana nadzoruje koliko in katere snovi bodo šle skoznjo. To pomeni,

da ima vsaka membrana drugačno membransko selektivnost, ki je odvisna od strukture

membrane. Sestava in fizikalne lastnosti membran se tekom celičnega razvoja lahko

spreminjajo.

Notranje mebrane povečajo razmerje membranske površine do celičnega volumna in

celico delijo v ločene oddelke - organele, ki so obdani z lastnimi različno propustnimi

membranami. Tako je celica razdeljena v garnituro posameznih reakcijskih posod, od

katerih ima vsaka svojo specialno funkcijo, ki jo opravlja specifična garnitura encimov

vezanih v ali na membrano.


STRUKTURA MEMBRAN

Po membranskem modelu tekočega mozaika so proteini mozaično vdani v tekoči

fosfolipidni dvosloj. Fosfolipidi so orientirani s polarnim - hidrofilnim delom proti

površinama membrane, z nepolarnim -hidrofobnim repom pa v notranjost skrito pred

okolno vodo. Taka struktura, osnovana na hidrofobno/hidrofilnih interakcijah, naj bi bila

zelo stabilna in elastična. Membranski proteini so tudi delno hidrofobni in delno

hidrofilni. V lipidno strukturo so zasidrani s hidrofobnimi amino kislinami. Hidrofilne

aminokisline so znotraj proteinov in na mestih, kjer protein sega iz membrane v vodno

okolje. Nekateri proteini so tako veliki, da se ne prilegajo v lipidni dvosloj, tako da en ali

oba konca štrlita v tekočino celice (integralni proteini), drugi so le na eni strni membrane

(periferni proteini). Nekateri proteini lahko privlačijo druge s pozitivnim ali negativnim

nabojem na njihovi lateralni površini, tako da dobimo skupke ali velike delce.

Ime tekoči mozaik pove, da membrane vsebujejo tekočino. V resnici je lipidni dvosloj

oljnat. Fluidnost membran je posledica rahlo spakiranih repov maščobnih kislin v

fosfolipidih. Tako mozaik proteinov dejansko plava skozi lipide. Gibljivost proteinov je

značilna lastnost modela tekočega mozaika in razloži, kako lahko proteini pridejo v stik,

kadar morajo skupaj opravljati neko nalogo.

Mebrana je asimetrična. To pomeni, da se ena stran membrane razlikuje od druge. Ta

razlika izhaja predvsem iz ogljikovih hidratov, ki so pripeti na proteina na zunanji

površini membrane (glikoproteini).

Membrana je izredno tanka le okoli 10 nm in ni vidna pod svetlobnim mikroskopom.

NALOGE MEMBRAN

Membrane nadzorujejo ali preprečujejo prehod nekaterih molekul, zato so membrane

izbirno ali selektivno prepustne. Ta propustnost se razlikuje od membrane do membrane.

Večino funkcij membran nadzorujejo proteini. V plazmalemi je več kot 50 različnih

proteinov in prav toliko v membranah organelov. Ta različnost proteinov se odraža v

ogromnem številu dejavnosti povezanih z membranami.


MEMBRANSKI ORGANELI

CELIČNA MEMBRANA ALI PLAZMALEMA

Plazmalema je zelo spremenljiva, večnamenska membrana. Deluje, kot semipermeabilna

ali polprepustna prepreka za snovi, ki vstopajo ali izstopajo iz celice. Nekatere snovi jo

lahko prečijo, druge pa ne.

Delno zaradi položaja v zunanjosti, plazmalema sprejema in prenaša kemične signale in

signale okolja iz zunanjosti celice. Signali, ki jih prenaša plazmalema spreminjajo celični

metabolizem. Plazmalema tudi sprejema pakete neobdelane snovi od drugih membran v

celici in vodi združevanje teh snovi v celični steni.

JEDRO

Jedro vsebuje večino celičnih genskih informacij in deluje kot center za regulatorno

delovanje. V jedru se DNA pojavlja v proteinskih – histonskih kompleksih, ki sestavljajo

kromosome. Histoni vzdržujejo stabilno in funkcionalno strukturo DNA. Tekoča faza, ki

DNA v jedru obliva je nukleoplazma ali kariolimfa ali jedrni sok.

Različne vrste celic imajo svoje posebne strukture in metabolizem, ker vsaka celica

nadzoruje kateri geni se v nekem času izrazijo in kateri ne. Deli DNA, ki vsebujejo

mirujoče gene, se pravi gene, ki ne vstopajo neposredno v sintezo RNA, se imenujejo

heterokromatin. Deli DNA z aktivnimi geni predstavljajo evkromatin. Heterokromatin

in evkromatin lahko diferencialno pobarvamo z različnimi histološkimi barvili za

opazovanje pod svetlobnim mikroskopom.

Jedro obdaja jedrna ovojnica iz dveh membran. Zunanja membrana je nadaljevanje

membrane endoplazemskega retikla. ER je podobna po funkcionalnih ribosomih na

citoplazemski strani. Notranja in zunanja membrana sta ločeni s perinuklernim


prostorom, ki se prek ozkih povezav nadaljuje v lumen ER. Ta prostor je običajno ozek,

širok okrog 20 nm. Pri nekaterih vrstah (Isoetes, Ochromonas) se lahko v tem prostoru

nalaga in skladišči material, s čimer ta postane precej velik. Prostor lahko tudi nabrekne

med nasdtajanjem spermskih celic in med jedrnim zlivanjem pri spolnem razmnoževanju.

Pod notranjo membrano jedrne ovojnice je jedrna lamina.

Ker jedrni geni nadzorujejo sintezo prenašalne, messenger RNA potrebne za proteinsko

sintezo v citoplazmi, je edino naravno pričakovati, da ima jedrna ovojnica poti, ki

olajšujejo transport mRNA iz citoplazme. To so jedrne pore, s premerom 70 nm, ki

prekrivajo jedrno površino v gostoti med 6 do 25 por na kvadratni mikrometer, odvisno

od tipa celice. Gostota teh por je v korelaciji z jedrno aktivnostjo.

Vsako poro sestavlja izdelan makromolekularni kompleks, ki je podoben v vseh

eukariontskih organizmih. Kompleks je globok 120 nm, s premerom pore 50 nm.

Celokupna masa kompleksa je 124 MDa in vsebuje okrog 120 različnih proteinov –

nmukleoporinov. Porni kompleks vsebuje 8 perifernih vodnih kanalčkov za prosto

difuzijo majhnih molekul. Osrednji kanal pa aktivno transportira proteine in RNA

molekule. Proteini iz citoplazme lahko vstopijo v jedro le če vsebujejo posebno

aminokislinsko zaporedje – signal za jedrno lokacijo. Ko jedrna pora prepozna ta signal,

se odpre osrednji kanal. Za transport proteinov med jedrom in citoplazmo je potrebna

energija v obliki ATP.

Pore so lahko razporejene slučajno, a imajo pogosto posebne vzorce razporeditve. V

sporah Equisetuma tvorijo pore ogrlico okrog jedra. V drugih primerih se pojavljajo v

vrstah, spiralah ali skupkih.

VOLUMEN Jedra imajo različen volumen, ki ni le vrstno specifičen, temveč se spreminja tudi v času

replikacije DNA, sinteze novih histonov med celičnim ciklom ali ko postanejo jedra

poliploidna. Ekstremno aktivna jedra, kot so v apikalnih meristemih ali določenih žlezah,


so mnogo večja od manj aktivnih jeder v odraslih tkivih v isti rastlini. Verjetno je razlog

v tem, da vsebujejo več RNA in sintetskih encimov. V meristematskih celicah so jedra

dominanten organel, ki predstavlja več kot 36% volumna protoplasta pri Echinocereus

engelmannii, a ko celice odraastejo, jedro ne raste več v ekvivalentni količini, tako da

predstavlja le še manjšo celično frakcijo (0.23% celotnega volumna).

OBLIKA Spremenljiva je tudi jedrna oblika, mnoga jedra so kroglasta, a prav tako pogosta so

krpasta jedra. Krpasta jedra imajo večje razmerje površina/volumen, kar jim omogoča

hitrejši prenos mRNA. V odraslih celicah je jedro pogosto sploščeno proti strani

protoplasta, stisnjeno proti steni. Mnoge vlaknaste celice in druge podaljšane celice imajo

tako ozek premer, da je okroglo jedro nemogoče; mora biti namesto okroglega, vretenasto

zoženo, da se prilega v celico.

Čeprav jedra najdemo v vseh delih celice, je bolj varno, da rečemo, da je pozicija jedra

redko, če sploh naključna.

JEDRCE ALI NUKLEOLUS V jedru je eno ali več malih telesc nukleolov. To so področja bogata s prekurzorji

ribosomalnih RNA, strukturnih RNA, ki so del ribosomov. Čeprav ni obdani z

membrano, je jedrce zelo jasen organel, ki nastaja kot visoko specializirano območje

znotraj jedra. Jedrce je produkt ribosomalnih genov. Ko je popolnoma formiran vsebuje

več kot 1000 različnih proteinov in nukleinskih kislin. Odgovorno je za prepisovanje

ribosomalne DNA, procesiranje transkriptov ribosomlanih RNA, združevanje

ribosomalnih RNA in vnos ribosomalnih proteinov v ribonukleoproteinske podenote za

transport v citoplazmo. Ob zrelosti se ribosomske podenote eksportirajo iz jedra prek

osrednjega kanala pore. Pri tem uporabljajo za izvoz signal na enem od ribosomalnih

proteinov.


POLIPLOIDIJA

Poliploidija je najbolj razširjen celični proces v rastlinski evoluciji. Poliploidni so

organizmi, ki imajo več kot dve garnituri kromosomov. (pol = veliko, ploid = garnitura).

Do poliploidije pride zaradi nepravilne ločitve kromosomov med celično delitvijo.

Pri kritosemenkah je poliploidija ocenjena na 30 - 80%.

Najpogostejši poliploidi so tetraploidi s štirimi garniturami kromosomov. Različne vrste

v istem rodu imajo lahko različno število kromosomskih garnitur. Npr. različne vrste

pšenice so diploidne, tetraploidne in heksaploidne.

Poliploidi, ki se spolno razmnožujejo imajo sodo garnituro kromosomov. Ta jim

omogoča uspešno ločevanje in porazdelitev med mejozo. Sledeče generacije na ta način

ostajajo fertilne in vzdržujejo konstantno kromosomsko število.

Triploidi in pentaploidi so navadno sterilni zaradi neuspešne mejotske delitve. Take

rastline so evolucijsko le redko uspešne, lahko pa jih umetno ustvarimo za določene

potrebe.

Poliploidija z mnogimi kopijami iste kromosomske garniture je avtopoliploidija. Take

rastline navadno nastajajo v okviru ene vrste s podvojitvijo kromosomov. Če pride do do

poškodb vlaken v delitvenem vretenu, se celica ne bo pravilno delila. Nastala celica ima

tako dvojno izvorno število kromosomov. Tako nedelitev kromosomov lahko induciramo

kemično s kolhicinom, drogi izolirani iz jesenskega podleska - Colchicum autumnale.

Kolhicin razbije formiranje mikrotubulov delitvenega vretena in s tem onemogoči

kromosomsko ločevanje.

Avtopoliploidija se pojavlja v naravi v več rodovih. Pri nekaterih kulturnih rastlinah so

avtopoliploidijo inducirali, da so dobili željene lastnosti rastlin. Poliploidi imajo namreč

navadno večje celice, debelejše liste, bolje zadržujejo vodo, počasneje rastejo, kasneje


cvetijo in cvetijo dalj časa. Poveča se odpornost proti mrazu in število poliploidnih vrst

narašča z geografsko širino. Iz teh razlogov so naravni avtopoliploidi bolj pogosti v

ostrejših razmerah okolja, kjer je tudi večji selekcijski pritisk. Povečana toleranca na

ostre dejavnike okolja navadno predstavlja tisti tekmovalni rob, ki neki vrsti dovoljuje

formiranje stalne populacije.

Poliploidi z dvema ali več različnih kromosomskih garnitur so alopoliploidi. Do

alopoliploidije pride s podvojitvijo in nerazdelitvijo ene ali več kromosomskih garnitur v

križancih - se pravi predstavnikih različnih vrst. Rastlinski križanci so pogosto sterilni,

ker med mejozo ne pride do parjenja homolognih kromosomov (vzdolž sinaptonemalnega

kompleksa). Ker dve haploidni garnituri kromosomov izhajata iz različnih strašev,

homogi nimajo homologov, ne more priti do njihovega parjenja in nastanka viabilnih

gamet. Mnogi sterilni križanci pa so apomiktični, pomeni, da se lahko razmnožujejo

vegetativno, se pravi nespolno. Alopoliploidija lahko ponovno vzpostavi spolno

viabilnost v drugače sterilnih križancih (križanci, ki nimajo homolgov ne morejo

zaključiti mejoze). Diploidni hibrid med jegličema Primula verticillata in Primula

floribunda je sterilen, toda tetraploidni hibrid - Primula kewensis je fertilen in je bil

narejen umetno. Večina rastlinskih križancev je alopoliploidnih. Med njimi so kulturni

križanci, ki so bili umetno vzgojeni zaradi velikih celic, visoke vsebnosti vode in

odpornosti proti suši.

Poliploidija je mehanizem za nastajanje novih vrst v geografskem območju, kjer je tudi

starševska oblika – simpatrična speciacija. Do poliploidije pride tako hitro, da je povsem

verjetno, da imamo starše, ki pripadajo eni vrsti in potomce, ki pripadajo drugi vrsti.

Pšenica Triticum aestivum je alopoliploidna vrsta s 42 kromosomi. Verjetno se je razvila

pred 8000 leti s križanjem med vrstami pšenice z 28 kromosomi in travo s 14 kromosomi.

Sterilni križanec je imel 21 kromosomov, podvojitev kromosomov po križanju pa je

sledil fertilni alopoliploid. Brassica napus - podzemna koleraba z 2n=38, n=19 izhaja iz

alopolipoidnega križanca med zeljem 18 kromosomov, n=9 in repe 20 kromosomov,

n=10.


Ko začne enkrat jedro podvojevati svojo DNA in postane poliploidno, se proces lahko

nadaljuje do 8192 kopij DNA pri fižolu ali celo do 24576 kopij pri vrsti pegasti kačnik -

Arum maculatum.

Na drug način se DNA podvojuje tako, da se deli jedro, ne pa tudi celica. Tako obe

hčerinski jedri ostaneta v eni celici, zopet z rezultatom, da so štiri kopije vsakega gena

sedaj prisotne. Take dvojedrne celice niso zelo neobičajne, a proces, ki bi omogočil

nastanek štirijedrne ali večjedrne celice je precej redek. Poznan je predvsem v nekaterih

sekretornih celicah, nekaterih ksilemskih celicah in nekaterih tipih endosperma.

Nasproten primer, izguba jedra iz žive celice je poznan le v prevodnih elementih floema.

V tem primeru protoplast v zdravem stanju nadzoruje z metabolnim nadzorom jedro

sosednje celice.

ENDOPLAZEMSKI RETIKEL

ER je najbolj obširen, spremenljiv in prilagodljiv organel eukariontske celice. Sestavlja

ga trodimenzionalna mreža povezanih cevi in sploščenih veziklov, ki leži pod

plazmalemo, poteka skozi citoplazmo in se povezuje na jedrno ovojnico. Pri tem pa

ostaja ločen od plazmaleme.

V rastlinah glavna naloga ER vključuje:

sintezo,

predelavo in sortiranje proteinov določenih za namestitev v membranah, vakuoli ali v

sekretorni poti.

Prav tako se v ER na te proteine dodajajo na dušik vezane sladkorne komponente

in sintetizirajo različne lipidne molekule.

ER tudi zagotavlja zasidranje svežnjev aktinskih filamentov vključenih v citoplazemski

tok.

ER tudi regulira citosolno koncentracijo kalcija, ki je povezana z mnogimi celičnimi

aktivnostmi.


Klasična literatura razdeli membrane ER na tri območja: grobi ER, gladki ER in jedrno

ovojnico. Zaradi različnosti nalog posameznih delov ER pa rastlinski ER razdelimo v 12

območij, ki se ločijo tako po funkciji kot morfologiji.

Kljub funkcionalni različnosti pa so membrane ER fizično povezane in obdajajo enoten

lumen, ki preko plazmodezem celo sega prek meja posamezne celice in se širi v drugo.

Strukturna raznoličnost ER je odraz njegove funkcionalne različnosti. Njegova primarna

vloga je v sintezi, preoblikovanju in razmeščanju proteinov, glikoproteinov in lipidnih

molekul ter v regulaciji citosolnega kalcija.. Številni ribosomi so med proteinsko sintezo

pritrjeni na ER, kar mu daje grobi izgled in tudi ime grobi ER ali granularni ER. Proteini

sintetizirani na ta način lahko potujejo skozi membrano grobega ER in se kopičijo v

lumnu. Mreža ER lahko nato protein usmeri na specifična mesta celice. ER pa lahko

oblikuje tudi mehurčaste vezikle, ki migrirajo skozi celico in s sabo nosijo protein.

Nekatera območja ER niso v povezavi z ribosomi - gladki ER. Od grobega ER se ta

območja značilno razlikujejo. Vključeni so v sintezo lipidov in maščob. Ker je ER

vključen v proteinsko in lipidno sintezo, je idealen pri združevanju membran in ima

osrednjo vlogo pri membranskem toku. Če se vezikli ER zlijejo z membrano drugega

organela, postane membrana vezikla del membrane organela. Ker je ER učinkovit

usmerjevalni mehanizem, se njegovi vezikli ne smejo kar nediskriminatorno zlivati z

vsemi organeli. ER je na nek način sposoben oblikovati vezikle različnih razredov,

vsakega z določenim tipom vsebine in membran.


GOLGIJEVO TELESCE

Izraz Golgijev aparat se nanaša na sistem Golgijevih cistern in z njimi povezano trans-

Golgijevo mrežo, v posamezni celici. Golgi ima v celici osrednje mesto v sekretorni poti.

Od ER prevzema na novo sintetizirane proteine in lipide ter jih usmerja na celično

površino ali v vakuolo.

Pri rastlinah je Golgi vključen tudi v:

združevanje kompleksnih polisaharidov celične stene

sintetizira ali predeluje oligosaharidne stranske verige membran, celične stene ali

vakuolne glikoproteine.

Izdeluje tudi glikolipide za plazmalemo in membrano vakuole. Encimi za te reakcije so

integralni proteini z aktivnimi mesti obrnjenimi proti notranjemu prostoru Golgijevih

cisteren. Posebni membranski transportni proteini prinašajo sladkorne ostanke iz citosola

do teh encimov, ki nato sintetizirajo različne produkte ogljikovih hidratov.

Funkcionalna enota rastlinskega Golgijevega aparata je Golgijevo telesce s pripadajočo

trans-Golgijevo mrežo in Golgijev matriks, ki obdaja obe strukturi.

Vsako Golgijevo telesce je je majhna skladovnica sploščenih veziklov, katerih robovi

niso gladki, temveč tvorijo nekakšne čipke med seboj povezanih cevi. GT je polarna

struktura z oblikujočo ali cis stranjo ter izdelano ali trans stranjo; med njima je osrednji

del. cis-stran je obrnjena proti ER, trans pa proti plazmalemi ali drugim mestom v celici.

Trans-Golgijeva mreža je bolj cevasto-vezikularna struktura in je vedno povezana s

trans-stranjo GT.

Golgijev matriks je drobna, nitasta, kletki podobna struktura, ki izključuje ribosome in

citosolne proteine iz neposredne bližine GA. Naloga matriksa naj bi bila preprečitev

izgubljanja veziklov iz GT.


Za razliko od živalskega GA, ki je navadno na sredini celice, je rastlinski GA vedno

razpršen po citoplazmi, kot posamezne enote ali v majhnih skupkih. Taka razpršena

organizacija zagotavlja, da tudi v velikih in vakuoliziranih rastlinskih celicah, sekretorni

produkti dosežejo svoje cilje.

Golgijeva telesca v rastlinski celici ostanejo strukturno nespremenjena in funkcionalno

aktivna med mitozo, s čimer zagotavljajo membrane in setavine za celično steno med

formiranjem hčerinskih celic.

DELOVANJE cis-del GT deluje kot sprejemna postaja za produkte, ki se transportirajo v veziklih iz ER.

To je tudi mesto za recikliranje proteinov, ki so ušli iz ER.

Po začetnem preoblikovanju produktov, se produkti ER in na novo izdelani Golgijevi

produkti prestavijo v osrednje in trans-cisterne in končno vstopijo v trans-Golgijevo

mrežo. Na ta način vsi produkti skozi GT potujejo v smeri cis-trans.

Večina veziklov, ki se odcepi od Golgijeih cisteren in trans-Golgijeve mreže se združuje

s pomočjo proteinskih prevlek. Te prevleke imajo različne naloge:

od regulacije pakiranja različnih molekul v različne vezikle,

nadzora združevanja veziklov

določanja tarčne membrane, s katero se bo vezikel združil.

Vezikli, ki so vključeni v transport od ER do trans-Golgijeve mreže nastajajo z brstenjem

na robovih cisteren in se imenujejo prehodni vezikli. Mehanizem transporta vključuje

prevleke iz prevlečnih proteinov. Na koncu procesa se ti proteini izločijo iz vezikla in se

reciklirajo. Ti proteini se razlikujejo od bolj znanih klatrinskih prevlek – prevlečenih

klatrinskih veziklov, ki nastajajo na veziklih trans-Golgijve mreže in sodelujejo pri

sortiranju encimov in založnih proteinov s končnim ciljem v vakuoli.

Vezikli, ki se premikajo stran proti plazmalemi so sekretorni vezikli Zlijejo se s

plazmalemo in izločijo vsebino v zunanjost celice v procesu eksocitoze. V specializiranih


celicah se z GA izloča še npr. nektar, ki ga izločajo cvetovi kot nagardo za opraševalce,

ter olja in smolnate spojine izločene iz žlez na listih in steblih.

Pri živalih je transport vedno večstopenjski. Interakcije med ER in Golgijem pri živalih

temeljijo na transportu veziklov, ki je vezan na citoskeletne elemente mikrotubule ali na

skupkih citoskeletnih elementov in veziklov. Potujejo lahko prek vmesnih

kompartmentov ali s pomočjo encimov kinezina in dineina.

Pri rastlinah je možen tudi neposreden stik tako, da se Golgijeve skladovnice premikajo

ob ER s pomočjo aktinskih citoskeletnih elementov, ne da bi se od ER sploh oddaljile.


VAKUOLA

Vakuola je skoraj vedno najbolj voluminozen organel odrasle celice. Običajno vsebuje

več kot 90% volumna celotnega protoplasta. Ostanek protoplazme ostaja kot tanka plast

stisnjena proti steni.

Zgradba vakuole je preprosta: vakuolarna membrana ali tonoplast in tekočina, ki jo

tonoplast obliva - vakuolarni sok. V meristematskih celicah in drugih majhnih celicah so

večkrat namesto ene velike vakuole številne majhne. V tem primeru uporabljamo izraz

vakuoma, s katerim opišemo vse vakuole ene celice. Z rastjo celice, se številne male

vakuole zlivajo v enotno veliko vakuolo značilno za odrasle celice. Le nekaj velikih celic

ima namesto enotne velike vakuole vakuomo iz malih vakuol. Celice tapetuma v

prašnicah so edine do sedaj znane rastlinske celice, ki nimajo vakuol.

Izvor vakuole

Vakuola nastaja iz posebnega dela ER in se ga navadno tudi drži.

Vakuole so včasih smatrali za bolj enostavne, statične strukture z relativno malo

metabolnih procesov ali funkcij. Ta ideja pa se danes zelo hitro spreminja. Izgleda, da

izvorno, vsaj pri določenih celičnih tipih, nastajata celo dve različni populaciji vakuol

znotraj ene in iste celice – ena, ki naj bi imela litične naloge in druga kot založni organel.

V odraslih celicah se take ločene vakuole lahko tudi zlijejo v enotno osrednjo vakuolo.

Naloge vakuole

Turgorski tlak vakuole primarna opora živih organov.

Voda dokaj prosto preči fosfolipidni dvosloj membran. Kljub temu, pa je ta transport

vode omejen. Kjerkoli se pokaže potreba po povečanem vodnem transportu, so v

membrani dodatni membranski kanalčki za vodni transport – akvaporini - vrsta

integralnih membranskih proteinov. Takih akavporinov je veliko v tonoplastu vakuole.


Vakuole so kritično pomembne pri celični rasti. Protoplasti prek protonskih črpalk

izločajo protone (H+), ki slabijo steno. Simultano lahko vakuola hitro vsrkava vodo,

nabreka in tako potiska tonoplast in citoplazmo proti steni z zadostnim pritiskom na

steno, da jo raztegne do večje velikosti. S takim mehanizmom dosežejo rastline "poceni"

in hitro rast. Ta vključuje le malo več kot absorbcijo vode.

V rastlinah imamo številna hitra gibanja: zapiranje in odpiranje listnih rež, gibanje listov

pri nekaterih občutljivih rastlinah (Mimosa pudica in Dionea), odpiranje cvetov. Vsa ta

gibanja temeljijo na sposobnosti tonoplastov, da zelo hitro sprejemajo ali oddajajo vodo.

Vakuole delujejo tudi kot založni organeli.

Vakuola lahko tako kot ER deluje kot aktivno, začasno, nadzorovano skladišče kalcija.

Tega absorbira v določenem času, da vzdržuje njegovo nizko citoplazemsko raven in ga v

drugem času izloči. S tem se kalcijeva citoplazemska koncentracija poveča in aktivira

določene encime, ki so na kalcij občutljivi.

Vakuola vsebuje tudi sladkorje, druge organske in anorganske ione, rastne substance,

encime in alkaloide. Često se v njej shranjujejo vodotopni pigmenti - antocianini. Ti

dajejo modro ali rdečo barvo številnim venčnim listom, plodovom, zelenjavam, vključno

z listi rdečega zelja, čebulnimi luskolisti, grozdnimi jagodami in jabolki. Prisotni so tudi

v nerazvitih listih lesnatih rastlin, ki izgledajo rdeči predno se v kloroplastih tvori

klorofil. Barva je pH odvisna. Vakuola ima pH 5 ali manj zaradi prisotnosti organskih

kislin.

V razvijajočih se semenih so posebne specializirane oblike vakuole – proteinske vakuole,

ki so se verjetno razvile kot take. Lahko se zgodi, da se taka proteinska vakuola zlije z

drugo v večjo vakuolo, z izrazito vsebnosjo hidrolitičnih encimov in na tak način postane

litična vakuola. Sposobna je razkrojiti in reciklirati komponente stare, neuporabne

organele. Male vakuole se zlijejo s starim organelom in ga z litičnimi encimi razgradijo.


PLASTIDI

Plastidi so izredno dinamični organeli, sposobni delitve, rasti in diferenciacije v različne

oblike, od katerih ima vsaka specializirani metabolizem in zgradbo.

Plastidi (kot to razumemo danes) so se evolucijsko razvili iz visoko prilagojenih

endosimbiontov. Verjetno izhajajo iz fotosintetskih prokaritov, domnevno podobnih

nekaterim današnjim cianobakterijam, ki naj bi poniknile v primitivno evkariontsko

celico. V celici naj ne bi prišlo tudi njenega razkroja. Odnos med tema dvema celicama je

bil verjetno vzajemno koristen in skozi milijone let evolucije je postala simbioza popolna.

Za to teorijo obstaja danes veliko dokazov: plastidi vsebujejo svoje lastne ctDNA, ki je

tako kot pri prokariotskih celicah obročasta, ni kompleksirana s histoni in je dolga okrog

45 µm, kar zadošča za kodiranje okoli 150 povprečno velikih proteinov. Plastidi

vsebujejo svoje ribosome, ki so podobni prokariotskim po velikosti, zgradbi in

občutljivostio na antibiotike. Za zares uspešno simbiozo mora biti metabolizem dveh

organizmov visoko integriran in koordiniran, tako da endosimbionta (plastid) nadzorujejo

jedrni geni "gostitelja", se pravi rastlinske celice. Tako mnoge proteine v plastidih danes

kodirajo jedrni geni in ne geni plastida, mnogi proteini tudi nastajajo na citoplazemskih

ribosomih.

Določeni tipi plastidov (kloroplasti, amiloplasti, kromoplasti) so zlahka vidni celo s

primitivnim svetlobnim mikroskopom, medtem ko ostali tipi (proplastidi, etioplasti -

plastidi razviti v temi, brez klorofila) tako majhni in enostavni, da jih težko razločimo.

Dejstvo, da imajo plastidi svoje lastne DNA pomeni, da lahko nastajajo le iz že

obstoječih plastidov. Nastajajo z binarno cepitvijo obstoječih plastidov, ki je neodvisna

od celične delitve. Proplastidi, etioplasti in mladi kloroplasti se pogosto delijo, a tudi zreli

kloroplasti so še sposobni delitve.


V meristemskih, rastnih območjih rastline delitev proplastidov poteka sočasno s celično

delitvijo, tako da ima hčerinska celica približno enako število proplastidov kot

materinska. Na tej stopnji je v celici okrog 20 proplastidov. S sledečo rastjo celice se

število plastidov povečuje, ker se te kontinuirano delijo. Cepitev je najprej opazna kot

zožitev v centru plastida. Ta se nato poglablja in ojača.

Citoplazemski organeli prehajajo iz ene generacije v drugo prek jajčne celice (dedovanje

po materi), spermijske celice (dedovanje po očetu) ali po obeh straših. Pri večini

kritosemenk se plastidi in mitohondriji dedujejo po materi. Ti organeli so bodisi

izključeni iz spermijske celice ali pa se razgradijo med razvojem moškega gametofita in

dvojno oploditvijo. Plastidi se dedujejo v proplastidni fazi razvoja. Dvostarševsko

dedovanje so opazili pri nekaj rodovih kot so Pelargonium, Plumbago in Oenothera. Pri

golosemenkah se plastidi dedujejo po očetovski liniji.

PROPLASTIDI

Proplastidi so izhodne strukture in so zaradi tega majhne, njihov premer je od 1 do 2 µm.

So kroglaste ali včasih valjaste oblike. Imajo svojo lastno ctDNA, ribosome in dvojni

membranski sistem. Zunanja membrana je gladka, tudi notranja je enostavna, z le

občasnimi štrlinami v notranjo tekočino ali stromo. Proplastidi se delijo na način, ki je

podoben bakterijski binarni cepitvi, a dejansko je o samem procesu le malo znanega.

AMILOPLASTI

Amiloplasti so plastidi specializirani za skladiščenje škroba v daljšem časovnem obdobju.

Medtem, ko je asimilacijski škrob začasno shranjen v kloroplastih produkt fotosinteze, je

založni škrob v amiloplastih rezultat transporta v te organele. Vsak amiloplast vsebuje

eno ali več škrobnih zrn, od katerih je vsako sestavljeno iz slojevito naloženega škroba

okoli centra imenovanega hilum. Nalaganje škroba okoli hiluma je velikokrat

asimetrično. Dve zrni lahko tudi rasteta skupaj, tako da tvorita sestavljeno zrno. Škrobna

zrna imajo zelo specifične oblike in velikosti in lahko služijo kot izredno pomemben znak


pri določanju rastlin. Pri nekaterih skupinah rastlin so škrobna zrna dovolj kompleksna,

da jih uporabljamo pri študiju evolucijski odnosov med različnimi vrstami.

Vrsta amiloplastov so statoliti. To so veliki, zbiti amiloplasti v koreninski čepici in

nodijih mnogih poganjkov. Vedno jih najdemo na najnižjem delu celice. Verjetno so

vključeni v zaznavanje gravitacije, ali z interakcijami s plazmalemo na nižjem delu

celice, ali da povzročijo izločitev ostalih organelov iz tega predela in njihovo

koncentracijo na zgornji strani celice.

OLEOPLASTI

Oleoplasti so plastidi v katerih se shranjujejo večje količine olj. Izraz moramo uporabljati

zelo previdno, ker mnogi plastidi, še posebej kloroplasti in kromoplasti vedno vsebujejo

vsaj manjšo količino oljnate snovi. Olja se lahko shranjujeo tudi na druge načine, na

primer v sferosomih, ki predvsem pod mikroskopom izgledajio kot oleoplasti.

KROMOPLASTI

Kromoplasti kopičijo živo rumene, oranžne in rdeče pigmente. Imajo svojo ctDNA,

ribosome in dvojni membranski sistem. Notranja membrana se lahko guba v stromo tako

da nastanejo velike valovite pole, ki pa nimajo povezave z granami kloroplastov.

Pigmenti so različni po svoji sestavi, zaradi tega različni tudi po barvi in načinu

nalaganja. Karotenoidi se pogosto pojavljajo v obliki kapljic (Ranunculus, Tulipa). Pri

korenju in paradižniku so karotenoidi prisotni v velikih kristalih, katerih iniciacija je v

posebnih tilakoidah. Pri raztezanju deformirajo okolno membrano. Pigmenti so lahko

povezani z vlakni pri Capsicum annuum in s svežnji ozkih cevk pri Cucumis sativus.

Čeprav so načeloma vsi tipi plastidov interkonvertibilni, so to še posebej kloroplasti in

kromoplasti. Kloroplasti se rutinsko spreminjajo v kromoplaste tekom zorenja plodov.


ETIOLPLASTI

Če deli rastlin, ki se tipično pojavljajo v svetlobnih pogojih (steblo, listi) rastejo v temi,

postanejo deformirani, pravimo, da so etiolirani. Taki deli namesto kloroplastov

vsebujejo etioplaste. Svetloba je neobhodna za pretvorbo izhodnega protoklorofila, ki je

brezbarven, v klorofil in za pravilno oblikovanje in zlaganje tilakoidnih membran. V

etioliranih razmerah etioplasti razvijejo prolamelarna telesca, parakrista-linske asociacije

veziklov, ki izhajajo iz notranje membrane. Kadar etiolirano rastlino prestavimo na

svetlobo, prolamelarno telesce poči in izdela tilakoidni sistem normalnega kloroplasta.

KLOROPLASTI

Kloroplasti so plastidi z mnogo bolj zapleteno strkturo kot jo imajo proplastidi. Večina

študij plastidov je bila opravljena predvsem na kloroplastih, zaradi njihove velike

metabolne pomembnosti in razpoložljivosti v velikih količinah. Ne glede na to, pa zelo

verjetno veliko tega kar vemo o kloroplastih, lahko do neke mere apliciramo tudi na

druge plastide.

Imajo svojo ctDNA, ribosome in dva membranska sistema. Za razliko od membran

eukariontskih celic, je v kloroplastnih membranah MALO FOSFOLIPIDOV in veliko

galkatolipidov. To naj bi odražalo evolucijski razvoj rastlin v morskem okolju, kjer je

fosfor omejujoči dejavnik.

Zunanji membranski sistem ali plastidna ovojnica je sestavljen iz dveh membran.

Zunanja membrana ovojnice vsebuje nespecifične porne proteine, ki prosto prepuščajo

vodo, različne ione in metabolite do velikosti okrog 10 kDa. Ti prehajajo v

intermembranski prostor, vodno fazo med membranama. Čeprav se membrani nikjer ne

zlivata, na določenih mestih proteini membrani povezujejo, tako da je omogočen prehod

kloroplastnih proteinov, ki so kodirani v jedru v kloroplastno stromo.


Notranja membrana ovojnice sledi obliki zunanje. Je prosto prehodna za majhne nenabite

molekule, kot so kisik, NH3 in nizkomolarne monokarboksilne kisline. Ostali metaboliti

membrano prečijo s pomočjo specifičnih transportnih proteinov. V notranji membrani so

tudi encimi nujni za združevanje lipidov notranjega membranskega sistema.

Kloroplastna ovojnica obkroža glavni lumen kloroplasta ali stromo. Notranji membranski

sistem se izteza v stromo kot razširjen notranje povezan sistem ploščatih, širokih

veziklov, ki sestavljajo tilakoidne membrane. Na tilakoidah je klorofil, karotenoidi,

proteini nujni za ujetje svetlobe in njeno shranitev v kemične vezi NADPH in ATP.

Znotraj kloroplasta tilakoide oblikujejo povezano mrežo, ki obkroža enoten tilakidni

lumen. Tilakoidna mreža vsebuje dve ločeni membranski območji, ki sta spiralno urejeni

in medsebojno povezani. Tilakoide so na tak spiralni način zložene, tako da oblikujejo

skladovnice ali grane in stroma tilakoide, ki te skladovnice povezujejo. med seboj.

Membrane gran in stroma tilakid se razlikujejo po delih fotosintetskega aparata, ki jih

vsebujejo. Na stroma tilakoidah je fotosistem I in ATP sintazni kompleksi. Na granah pa

je fotosistem II. Taka ureditev je, kot izgleda, univerzalna pri kopenskih rastlinah. Izjema

so le določene celice pri C4 rastlinah, kjer so grana redkejša in manjša, tako, da se jih

včasih lahko spregleda. Zaradi tega pri nekaterih rastlinah dobimo poročila o agranalnih

kloroplastih. (C4-rastline: vmesni produkt v Calvinovem ciklu je spojina s 3 C-atomi).

Anatomija kloroplasta je dejanska osnova delovanja fotosinteze in z njo preskrbe rastoče

rastline z ogljikovimi hidrati.

Stopnja kloroplastne fotosinteze običajno presega stopnjo transporta ogljikovih hidratov

ven iz kloroplasta. Tako je večina na novo sintetiziranega materiala začasno shranjena v

stromi v obliki asimilacijskega škroba. Ponoči se ta material depolimerizira in

transportira ven. Nekateri pigmenti, ki so vključeni v elektronski transport, posebno

plastokinoni in tokoforilkinon, se lahko akumulirajo kot kapljice imenovane

plastoglobuli.


Velikost in število kloroplastov, je zelo variabilno. Težijo k ovalni ali lečasti obliki. Dolgi

so od 5 do 10 m. Na celico jih je od 5 do 500.

Med kloroplasti se cevasti podaljški - stromule, ki omogočajo izmenjavo genskega

materiala. Stromule pa omogočajo tudi avtonomno gibanje kloroplastov. Stromule naj bi

bile izvorno povezane z bakterijskimi pili.

FOTOSINTEZA

Celice so odprti sistemi, ki lahko sprejemajo, a ne morejo ustvarjati energije. Pred

razvojem fotosinteze, so praktično vsi organizmi kot vir energije uporabljajli organske

spojine iz zemljine "prajuhe". Bili so heterotrofi - to so organizmi, ki izdelujejo organske

spojine iz drugih energetsko bogatih organskih spojin, ki jih sprejemajo. Ko so taki

organizmi oksidirali ogljikove spojine iz te prajuhe, so sproščali v okolje ogljikov

dioksid. Tak način življenja je bil ustrezen nekaj časa, vendar je imel dolgoročno veliko

pomanjkljivosti. Ker se prajuha se ni obnavljala, je kmalu prišlo do tekmovanje za

omejene zaloge organskih spojin. Ker prvi zemeljski organizmi niso znali vezati

ogljikovega dioksida, so bili obsojeni na izumrtje takoj, ko bi zmanjkalo organskih

spojin.

Z razvojem fotosinteze pred kakimi 3 milijardami let, pa so mnogi organizmi dobili nov

vir energije. Fotosintetski organizmi so začeli izrabljati kot vir energije sončno svetlobo,

namesto že zmanjšanih zalog v prajuhi. Ti organizmi so bili prvi zemeljski fotosintetski

avtotrofi - oragnizmi, ki izrabljajo sončno energijo za izdelavo organskih spojin iz

anorganskih - npr. vode in CO2. Od njihove sposobnosti pakiranja sončne energije v

kemično so kmalu postale odvisne vse oblike življenja na zemlji. Avtotrofni organizmi so

povsem spremenili planet in preostale organizme z zmanjšanjem atmosferske

koncentracije CO2 , s čimer se je zmanjšal učinek tople grede. Ozračje se je začelo polniti

z drugim odpadnim produktom - kisikom, ki so ga ostali organizmi uporabili kot novo

neobhodno obliko za življenje. Ves zračni kisik, ki ga dihamo, je nastal v procesu

fotosinteze. Ta kisik je omogočil evolucijo aerobnega dihanja in višjih oblik življenja.


Danes je le okrog 500 000 od 3 -5 milijonov zemeljskih vrst fotosintetskih. Vsako leto v

procesu fotosinteze nastane okrog 1.4 x 1014 kg ogljikovih hidratov.

NARAVA SVETLOBE

Sonce je velikanski termonuklearni reaktor. Vsako minuto se v sevalno energijo pretvori

več kot 120 milijonov ton sončne materije. Večina te energije se sprosti kot sevanje, ki se

giblje v ritmičnem valovanju. V osmih minutah okoli 5 x 1024 kcal te energije prepotuje

160 milijonov kilometrov in pride do zemljine atmosfere. 1/3 te energije se odbije nazaj v

vesolje in le 1% svetlobe se porabi za fotosintezo. Če želimo razumeti fotosintezo

moramo vedeti nekaj o svetlobi.

Svetloba je del elektromagnetnega spektra z valovnimi dolžinami, ki jih zazna človeško

oko ( od 390 - 760 nm). Bela svetloba je v resnici spekter barv od vijoličaste do rdeče.

Vendar je ta bela svetloba le majhen del veliko večjega spektra sevanja.

Svetloba je sestavljena iz paketov energije, fotonov. Intenziteta svetlobe je odvisna od

števila fotonov (to je količine energije) absorbirane v enoti časa. Vsak foton nosi

določeno količino energije, ki je z valovanjem fotona. Počasnejše je valovanje, manj

energije nosi foton. Razdalja, ki jo opravi foton med valovanjem je valovna dolžina.

Valovne dolžine vidne svetlobe merimo v nanometrih (10-9 m). RazliČne valovne dolžine

svetlobe zaznavamo kot različne barve. Vijoličasta svetloba ima valovno dolžino 400 nm.

Energija fotona je kvant in je obratno sorazmerna valovni dolžini svetlobe. Večja je

valovna dolžina (t.j. večja je razdalja med valovanjem) manj energije ima foton.

Sončno svetlobo sestavlja okrog 4% UV sevanja, 52% infrardečega sevanja in 44% vidne

svetlobe. Vsaka od teh svetlob ima drugačno energijo in ima drugačen vpliv na

organizme.


Ultarvijolično sevanje

UV sevanje ima preveč enrgije za večino bioloških sistemov. Ker visoko energetski

fotoni izrivajo elektrone iz molekul, UV sevanje imenujemo tudi ionizirajoče sevanje.

UV cepi šibke kemijske vezi in povzroča sonène opekline. Absorbirata ga tako

molekularni kisik, kot tudi ozon in steklo.

Infrardeče sevanje

IR ne vsebuje dovolj energije/foton, da bi bilo uporabno za žive sisteme. Celice

absorbirajo IR sevanje, a ta energija ni dovolj velika za vzburjenje elektronov. Zaradi

tega se vežina IR energije takoj pretvori v toploto. IR absorbirata voda in CO2, a gre

lahko skozi steklo.

Vidna svetloba

Vsebuje ravno pravo količino energije za biološke reakcije, kot je fotosinteza. Da pride

do učinka, se mora svetloba na nek način absorbirati. Svetlobo absorbirajo pigmenti.

PIGMENTI

Ko svetloba pride do nekega objekta, se od njega lahko odbije, prenese ali absorbira. Le

absorbirana svetloba je učinkovita. Svetlobo absorbirajo molekule, pigmenti. Pigmenti so

obarvani, ker prenašajo določeno barvo svetlobe. Črni pigmenti absorbirajo vse valovne

dolžine svetlobe, beli pigmenti pa nobene.

Klorofil

V evoluciji se določeni izumi ponavljajo. V različnih procesih se izboljšujejo obstoječi

mehanizmi, tako da služijo novim in drugačnim namenom. Mnogi pigmenti so si

podobni, a opravljajo različne naloge. Npr. različni pigmenti izhajajo iz tetrapirolov,

spojin, ki jih najdemo v vseh organizmih. Tetrapiroli so so veliki obroči iz štirih majhnih


obroèev. Vsak majhen obroč je pirolov obroč iz 4 ogljikov in enega dušika. Štirje pirolovi

obroči so v tetrapirolu povezani z eno ogljičnimi mostički, ki vežejo kovinski atom. Če je

ta atom železo, je pigment hem, tako kot v hemoglobinu ali citokromu. Če je kovinski

atom baker, je pigment turacin, pigment v mnogih peresih ptičev. Če je atom magnezij, je

pigment klorfil (ali bolj reducirani bakterioklorofil pri bakterijah) - primarni pigment v

fotosintezi.

Klorofil je topen v maščobah. Najdemo ga v rastlinah, algah in v vseh, razen v eni

skupini fotosintetskih bakterij. Pri hemoglobinu barva ne igra vloge pri delovanju kot

prenašalec kisika. Za razliko pa je barva klorofila zelo pomembna. Klorofil maksimalno

absorbira med 400 - 500 nm (vijoličasto-modra svetloba) in 600-700 nm(oranžno-rdeča

svetloba). Sintezo klorofila in drugih pigmentov v rastlinah stimulira svetloba. To razloži

zakaj rastline, ki rastejo v temi (etiolirane rastline) ne vsebujejo klorofila.

Pozanmo več tipov klorofilov. Najpomebnejši je klorofil a, ki je primarni fotosintetski

poigment. Klorofil a je travnato zelene barve. V njegovi strukturi je atom magnezija.

Najdemo ga v vseh fotosintetskih organizmih razen bakterijah. Maksimalno absorbira pri

430 in 662 nm.

Absorbcijski spekter klorofila a kaže, da ta najbolj absorbira vso vidno svetlobo razen

zelene. Zeleno svetlobo odbija in prenaša, zato je zelene barve. Spekter delovanja

fotosinteze zelo lepo sledi absorbcijskemu spektru klorofila a, a oba spektra se ne

prekrivata popolnoma. Iz tega lahko zaključimo, da morajo biti v fotosintezo vkljuèeni

tudi drugi pigmenti. Te pigmente imenujemo akcesorni pigmenti.

Akcesorni pigmenti

Rastline vsebujejo pravo mavrico drugih pigmentov. Z njimi rastlina lahko za fotosintezo

izrablja svetlobo, ki jo ni absorbiral klorofil a. Ti pigmenti energijo iz absorbiranih

fotonov prenašajo do klorofila a. Najpogostejši akcesorni pigmenti v rastlinah so klorofil

b in karotenoidi.


Klorofil b je modrozeleni pigment, ki maksimalno absorbira pri 453 in 642 nm. Najdemo

ga v vseh rastlinah, zelenih algah in nekaterih prokariotih. V rastlinah sta klorofila a in b

v razmerju 2:1.

Karotenoidi

To so akcesorni pigmenti vseh fotosintetskih organizmov. Vsebujejo 40 ogljikov, so

topni v maščobah in so pogosto brez kisika. Karotenoidi najbolj absorbirajo pri valovnih

dolžinah 460 in 550 nm, kar pomeni da so rdeči, oranžni in rumeni. Karotenoidi kemično

niso sorodni klorofilom. Ogljikovi obroči so povezani z dolgimi verigami

ogljikovodikov, kjer se izmenjujejo enojne in dvojne vezi.

Tako kot drugi akcesorni pigmenti tudi karotenoidi širijo območje fotosinteze s tem, da

absorbirajo svetlobo, ki jo ni absorbiral klorofil a. Karotenoidi tudi ščitijo rastline pred

fotooksidacijo. Do nje pride, kadar vzburjen klorofil pretvori kisik v visokoenergetske

radikale. Ti radikali izvabljajo vodik iz bližnjih molekul, s tem uničijo molekule in

ubijejo celice.

Najpogostejši karotenoid je β−karoten. To je rdečkastorumen pigment sestavljen iz dveh

obročev iz 6 ogljikov povezanih s 18-ogljično verigo. Β−karoten najbolj absorbira pri

400 in 500 nm. Če se razdeli na pol, nastaneta dve molekuli vitamina A.

Z oksidacijo karotenov nastanejo ksantofili - rdeči pigmenti paradižnika, korenja, alg in

fotoavtotrofnih bakterij. Ksantofili med fotosintezo slabše prenašajo energijo kot β -

karoten.

Drugi fotosintetski pigmenti so še klorofil c in d, fikoeritrin - rdeč pigment in modri

fikocianin. Različne oblike fikoeritrina in fikocianina najdemo v rdečih algah in

cianobakterijah.


Izdelava in uničenje pigmentov

Večina rastlin redno uničuje in ponovno sintetizira svoje klorofile. Na zemlji se vsako

leto povprečno 3x pretvori 300 milijonov ton klorofila. Kadar je stopnja klorofilne

sinteze manjša od razpadanja, v listih prihaja do fotokemičnega uničenja. Zmanjšane

količine klorofila ne maskirajo več ostalih pigmentov in rezultat so jesenske barve listja.

Kompleks pigmentov v kloroplastih

Rastline imajo dva sistema za zbiranje svetlobe. Razen pri bakterijah se svetloba ujame v

mrežo kloroplastnih pigmentov, ki so združeni na tilakoidah. Ti skupki se imenujejo

antenski kompleksi. Antenski kompleksi so zasidrani v proteinski matriks. Sestavljeni so

iz proteinov, 300 molekul klorofila a, 50 molekul karotenoidov in drugih akcesornih

pigmentov, ki zbirajo svetlobo. Energija, ki jo absorbira antenski kompleks teče navzdol

do posebega para molekul za zbiranje energije, reakcijskega centra, ki ga sestavljata

klorofil a in z njim povezan protein. Čeprav reakcijski center predstavlja manj kot 1%

klorofila v rastlini, klorofil a v reakcijskem centru sprejme elektron, ki neposredno

sodeluje v fotosintezi. Vsi ostali fotosintetski pigmenti delujejo le kot antene.

V reakcijskih centrih sta dve vrsti klorofilov, vsaka s svojimi zbiralci svetlobe v antenah.

Prvi absorbira pri 700 nm in po njem se reakcijski center imenuje P700. Celoten

kompleks, ki vsebuje P700 je fotosistem I. Sestavlja ga 11 polipeptidov, 6 je kodiranih v

jedru, 5 pa v kloroplastu. V fotosistemu I je okrog 40 molekul klorofila a, več molekul

beta karotena, lipidi, 4 atomi mangana, en železa, več kalcijev, več klorov, dve molekuli

plastokinona in dve molekuli feofitina- brezbarvne oblike klorofila a.

V fotosistemu II je na antenske proteine kodirane v jedru vezanih 100 molekul klorofilov

a in b v razmerju 4:1. Trije periferni polipeptidi vežejo kalcij in klor. Molekula klorofila a

v fotosistemu II je identična tisti v fotosistemu I, a je povezana z drugimi proteini. V

fotosistemu I je reakcijski center vezan na velik protein z molsko maso 110 000 kDa, v

fotosistemu II pa na manjši protein M= 47 000 kDa. Protein v fotosistemu II premakne

maksimalno absorbcijo na 680 nm. Posledično se reakcijski center imenuje P680. P680


dobi energijo od 250 molekul klorofilov a in b (1:1). Sistem vsebuje še več ksantofilov, a

ne beta karotena, ter integralne proteine kodirane v jedru in sintetizirane v citoplazmi.

Kaj se zgodi, ko pigmenti absorbirajo svetlobo?

Pigmenti morajo svetlobo najprej absorbirati, da lahko ta nato učinkuje. Ko je svetloba

absorbirana, energijo njenih fotonov ujamejo pigmenti in jo uporabijo za vzburjenje

energije elektronov. To pomeni, da spremenijo konfiguracijo elektronov tako, da jih

potisnejo v visoko energetske orbitale. Taki vzburjeni elektroni imajo lahko različne

usode:

- Energija se lahko sprosti kot toplota (t.j. molekulsko gibanje).

- Energija se lahko sprosti kot sij svetlobe v procesu fluorescence. Svetloba sproščena

med fluorescenco ima daljše valovne dolžine in zato manj energije, kot svetloba, ki

vzburi pigmente. Klorofil fluorescira temno rdeče. Izoliran klorofil fluorescira, ker v

bližini ni molekul, ki bi sprejele vzburjene elektrone.

- Energija se lahko prenese do bližnje molekule. Klorofil v tilakoidah je obdan z drugimi

molekulami, ki ujamejo energijo vzburjenih elektronov.

V reakcijah fotosinteze, ki jih usmerja svetloba, se energija fotonov prenese na druge

molekule. Te reakcije potekajo na fotosintetskih membranah. V rastlinah in algah so take

fotosintetske membrane v kloroplastih. Pri fotosintetskih prokariotih pa nimamo

kloroplastov temveč le membrane sorodne tilakoidam.


FOTOFOSFORILACIJA: KEMIOSMOZA V KLOROPLASTIH

Fotoni, ki jih absorbirajo pigmenti vzburijo elektrone. Rastline prenesejo to energijo prek

serije molekul elektronske transportne verige. V tem prenosu elektronov pride do redoks

reakcij. Pri tem se elektronski donor oksidira, elektronski akceptor pa reducira. Za

elektrone, ki potujejo vzdolž verige, mora vsak sprejemnik močneje privlačiti elektrone

kot oddajnik.

Potencialna energija elektronov pada na vsaki stopnji elektronske transportne verige.

Rastline združujejo ta tok elektronov z reakcijo, v kateri nastaja ATP. Nastajanje ATP iz

elektronskega transporta, ki ga vodi svetloba je fotofosforilacija. Fotofosforilacija je

odvisna od protonskega gradienta. Fotoni, ki jih ujamejo pigmenti vzburijo elektrone. Ti

se prenesejo vzdolž prenašalcev v tilakoidni membrani. Ko ti elektroni dosežejo

transmembranske protonske črpalke, inducirajo transport H+ prek membrane. S tem se

ustvari protonski gradient, ki je potreben za sintezo ATP.

Fotofosforilacija v kloroplastih ali kemiosmoza je podobna kemiosmozi ali oksidativni

fosforilaciji v mitohondrijih. V obeh primerih se :

protoni prečrpavajo v seriji prenašalcev, ki so vedno bolj elektronegativni

prosta energija, ki se sprošča z elektronskim transportom ustvarja in vzdržuje protonski

gradient prek membrane.

V kloroplastih elektronski prenašalci v tilakoidah črpajo protone iz strome v tilakoidni

prostor.Ta tilakoidni prostor je protonski rezervoar. Črpanje protonov v tilakoidni prostor

pod vplivom svetlobe znižuje pH na okoli 5. Sočasno pH v stromi naraste na 8, kar

pomeni 1000x razliko v koncentraciji protonov. Za ustvarjanje tega protonskega

gradienta je potrebna svetloba. Razlika v pH na obeh straneh tilakoidne membrane izgine

v temi zelo hitro. Med sintezo ATP se pH gradient razelektri. Protoni tečejo v stromo

prek kanalčkov. Ti imajo katalitične glave, ki kot vozli segajo v stromo. V teh kanalčkih

so proteini – sklopitveni dejavniki. Med njimi je ATP sintaza. Nastali ATP se sprosti v

stromo, kjer se porabi za sintezo ogljikovih hidratov.


FOTOKEMIČNE IN BIOKEMIČNE REAKCIJE FOTOSINTEZE

Fotosinteza je dvostopenjski proces. Prve reakcije so odvisne od svetlobe in jih zato

imenujemo fotokemične/svetlobne reakcije fotosinteze. Te reakcije so neobčutljive na

spremembe temperature. Temperaturno odvisne reakcije pa so biokemične/temotne

reakcije fotosinteze. Te so neodvisne od svetlobe. Seveda pa te encimske reakcije

potekajo le na svetlobi - tema v tej zvezi pomeni le, da v reakcijo svetloba ni neposredno

vključena. V fotokemičnih reakcijah pride do oksidacije vode, sproščanja kisika in

nastanka ATP ter redukcije NADP+. Slednja se porabita v biokemičnih reakcijah, ki

reducirajo CO2 v ogljikove hidrate.

Fotokemične reakcije fotosinteze

Krožni tok elektronov

Fotosintetski prokarioti uporabljajo le ciklično fotofosforilacijo, proces, v katerem nastaja

le enrgija in ne biosinteza. Ciklična fotofosforilacija je dokaj enostavna. Vanjo je

vključen le fotosistem I. Elektroni, ki jih je vzburila svetloba krožijo po elektronski

transportni verigi in se vrnejo v isti reakcijski center, iz katerega izvirajo. Elektronski

prenašalci premikajo elektrone skupaj z vodikovimi ioni. Ti se transportirajo prek

membrane, ko se elektroni premaknejo do naslednjega člena v verigi. V tem procesu je

tok elektronov, v katerem se sprošča energija, sklopljen z nastajanjem ATP iz ADP in

organskega fosfata. Za nastajanje ATP je potrebna energija. Na vsaki stopnji elektronske

transportne verige elektroni izgubljajo potencialno energijo. Končno se vrnejo v osnovno

energetsko stanje v P700. Z absorbiranjem nove svetlobe se reakcijski center ponovno

vzburi in cikel se ponovi. Elektroni, ki se vrnejo v P700 imajo le polovico energije, ki so

jo imeli v času, ko so P700 zapustili. Ostanek enrgije je fotosintetski davek.

V ciklični fotofosforilaciji ne nastajata kisik in reducirani NADP+.


Nekrožni tok elektronov

Ciklična fotofosforilacija poteka že več kot milijardo let pri prokariotih, ki kot izvor

elektronov uporabljajo molekule kot H2S. Rastline pa jemljejo elektrone iz vode. Ta

proces je zahteval velikanske spremembe v biokemiji, ker reakcijski center P700

vzburjen s svetlobo, nima dovolj energije za iztrganje elektronov iz vode in za njihovo

predajo CO2. Rastline so to težavo rešile tako, da so bakterijskemu sistemu dodale še en,

veliko močnejši fotosistem, ki omogoča nekrožni tok elektronov. Obe črpalki sta

povezani v serijah. Druga črpalka je fotosistem II. Ureditev pigmentov v fotosistemu II

omogoča zbiranje krajših valovnih dolžin svetlobe. Ta nov fotosistem deluje v

nekrožnem toku elektronov (in energije) med fotokemičnimi reakcijami fotosinteze.

Neciklična fotofosforilacija poteka v zelenih rastlinah, algah in fotosintetskih bakterijah.

Vključuje dva fotosistema, kiizdelata ATP v elektronski transportni verigi s povezanima

fotosistemoma I in II ter reducirata NADP+.

Povzetek forokemičnih reakcij

Fotokemične reakcije fotosinteze se začno s P680 in končajo z NADP+. Te reakcije so

bolj linearne kot krožne, v njih nastajata ATP in NADPH.

• foton zadene konec reakcijskega centra najbližje notranji površini membrane in

vzburi elektron. Ta elektron prenese energijo na drug konec reakcijskega centra (konec

najbliže zunanji površini membrane).

• Trije dodatni fotoni povzročijo, da drugi elektroni naredijo enako. Tako 4 fotoni

zadenejo P680 fotosistema II. Čeprav reakcijski center ujame 98 - 99% absorbiranih

fotonov, se shrani le polovica energije.

• Tako kot vse energetsko bogate snovi, so tudi vzburjeni elektroni zelo nestabilni

in sprostijo večino svoje energije v obliki toplote. Elektroni, ki izhajajo iz P680 zapustijo

mesta, ki jih zapolnjujejo elektroni iz proteina Z. To je protein, ki vsebuje mangan in dobi

svoje elektrone iz vode. Tako v resnici fotosistem II odstranjuje elektrone iz vode,

sprošča kisik in uporabi te elektrone za nadomestitev tistih, ki so se odstranili s fotoni


absorbiranimi v reakcijskem centru. Vse to se dogaja zelo hitro, v manj kot milijardinki

(10-9) sekunde.

• Pri cepitvi dveh molekul vode se sprosti naenkrat ena molekula kisika in 4

elektroni. Vendar pa P680 lahko sprejme le en elektron naenkrat. Zaradi stabilne

oksidativne stopnje (+2 do +7) deluje atom mangana kot akumulator za elektrone

iztrgane iz vode. Pri nasičeni svetlobni intenziteti se ena molekula kisika sprosti na okoli

2500 molekul klorofila.

• V biljoninkah sekunde elektroni iz P680 fotosistema II reducirajo feofiton

pigment, ki sprejme elektrone iz klorofila. Elektroni se premikajo po tilakoidni membrani

in sprejme jih plastokinon (pq), ki je vložen na zunanji stromalni strani membrane.

• Elektroni se spuščajo po elektronski transportni verigi molekul v tilakoidah

(citohromi) do fotosistema II. Pri premikanju elektronov navzdol po verigi, se ustvarja

protonski gradient in nasataja ATP

• Zadnji elktronski akceptor v elektronski transportni verigi je P700, reakcijski

center v fotosistemu I. V P700 se absorbirajo z antenskim kompleksom še dodatni štirje

fotoni. Njihova energija se prenese v reakcijski center, kjer se uporabi za vzburjenje

elektronov. Ti elektroni prečijo membrano in reducirajo feredoksin, majhen protein, ki

vsebuje železo. To je elektronski akceptor fotosistema I. Feredoksin nato reducira

NADP+ v NADPH.

• Ker je feredoksin na zunanji stromalni strani membrane, NADP+ nastaja v stromi.

Uporabi se za biokemične reakcije, za redukcijo ogljika v ogljikove hidrate - osnovno

hranilo življenja.

• 8 fotonov uporabljenih v fotokemičnih reakcijah izdela 3 molekule ATP in

reducira 2 molekule NADP+.

• ATP in NADPH se uporabita za redukcijo CO2 v biokemičnih reakcijah

fotosinteze.

Razvoj fotosistema II je za zmeraj spremenil življenje na zemlji. Z njim so fotosintetski

organizmi postali neodvisni od H2S, ki je pred tem predstavljal vir elektronov. Z njim je

prišlo tudi do sproščanja kisika v ozračje in s tem so bili postavljeni temelji razvoja

aerobnega dihanja.


Biokemične reakcije fotosinteze

V biokemičnih reakcijah fotosinteze se CO2 reducira v ogljikove hidrate - založno obliko

kemične energije.

CO2 difundira v stromo, kjer se veže v organsko spojino.

Vezava ali fiksacija CO2 nastane s kovalentno vezavo CO2 na RuBP - ribuloze-1,5-

bifosfat, sladkor s petimi C-atomi. Encim, ki katalizira to reakcijo je rubisko ali ribuloze-

1,5-bifosfat-karboksilaza/oksigenaza. To je velik encim z molsko maso 490 000,

sestavljen iz 8 velikih podenot in 8 malih podenot. Velike podenote so kodirane v

kloroplastih. mRNA za te podenote je del kloroplastne RNA in nastaja na kloroplastnih

ribosomih. 8 malih podenot je kodiranih v jedru. Njihove mRNA so povezane s

citoplazemkimi ribosomi. Vključujejo vodilni polipeptid, ki vodi mRNA v kloroplast.

Združitev velike in male podenote nadzoruje svetloba.

Rubisko je v vseh avtotrofih, razen nekaterih bakterijah. Je najpomembnejši in količinsko

najbolj zastopan protein na zemlji. Predstavlja do 25% topnih proteinov v listih.

V reakciji CO2 z ribuloze-1,5-bifosfatom nasatane nestabilna spojina s 6 C-atomi. Ta

takoj razpade v dve molekuli 3-fosfoglicerinske kisline (3-PGA). Ta 3 C-atomska

molekula je prvi stabilni produkt fotosinteze. Zaradi tega to serijo reakcij imenujemo tudi

C3 - cikel ali Calvinov cikel. Rastline, ki uporabljajo za fiksacijo CO2 le Calvinov cikel

se imenujejo C3-rastline. Okrog 85% rastlinskih vrst je C3 rastlin. Med njimi so žitarice,

arašidi, sladkorna pesa, špinača, soja.

Iz vsake molekule 3-PGA se odcepi fosfatna skupina. ATP in elektroni iz NADPH (vse

nastalo v fotokemičnih reakcijah) se nato uporabijo za redukcijo difosfoglicerata v

gliceralaldehih-3-fosfat. Ta je sladkor s 3 C-atomi. Ta sladkor, in ne glukoza, je ogljikov

hidrat, ki nastane v Calvinovem ciklu. Gliceralaldehid-3-fosfat je začetna točka za mnoge

druge metabolne poti v rastlini.


Nekaj gliceralaldehid-3-fosfata se porabi za ponovno oblikovanje ribuloze-1,5-bifosfata.

Do tega lahko prihaja v temi. Reakcija potrebuje ATP nastal v fotokemičnih reakcijah.

Ostanek gliceralaldehid-3-fosfata vstopi v serijo kemičnih reakcij za izdelavo fruktoze

difosfata. To je izhodna spojina za izdelavo glukoze, sharoze, škroba in drugih spojin, ki

jih potrebujejo rastline.

Povzetek biokemičnih reakcij

Prva stopnja v Calvinovem ciklu je izdelava izhodnih molekul za glukozo in druge

ogljikove hidrate. V zadnjih stopnjah cikla pride do regeneracije ribuloze-1,5-bifosfata.

Ker Calvinov cikel porabi le en ogljik (iz CO2) na enkrat, se mora cikel 6x ponoviti, da

dobimo 6 ogljikov (t. j. dve molekuli glicerlaldehid-3-fosfata, molekule s 3 C-atomi). Teh

6 obratov cikla zahteva 18 ATP (3/C) in 12 NADPH (2/C). Vsi izvirajo iz fotokemičnih

reakcij fotosinteze:

6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ +

6 H2O + 6 O2

Učinkovitost fotosinteze

Za redukcijo dveh molekul NADP+ morata fotosistem I in II vsak absorbirati 4 fotone -

to je skupaj 8 fotonov. Ker ima 1 mol fotona z valovno dolžino 600 nm 47.6 kcal

energije, ima 8 molov 381 kcal. Za redukcijo 1 mol CO2 v heksozo je potrebnih 114 kcal.

Iz tega sledi, da je teoretični izkoristek fotosinteze 114/381 = 30%. V resnici je ta številka

še veliko nižja. V oblačnih dneh je ta učinkovitost fotosinteze - 0.1%. Pri gojenih

rastlinah je v poprečju okrog 3%. Le v laboratorijskih pogojih so dosegli 25% izkoriske.

Fotosintetska superzvezda v naravi je Oenothera claviformis, ki raste v Death Valley,

ZDA in ima 8% izkoristek. Zelo blizu tej številki je sladkorni trs s 7%.


Fotorespiracija

Fotosinteza se je razvijala zelo dolgo, a ima še vedno nekaj pomanjkljivosti.

Neizkoriščene ostaja veliko svetlobe in navdadno je vezava ogljika zelo slaba. Povečana

količina kisika inhibira fotosintezo pri C3 rastlinah.

Med fotosintezo rastline vežejo CO2 iz ozračja. Čeprav je koncentracija CO2 v zraku le

okrog 0.034%, predstavlja ta količina skoraj neskončni vir CO2 za fotosintezo. V resnici

je v ozračju okrog 7 x 1011 ton ogljika v obliki CO2 za primerjavo s okoli 4.5 x 1011

ogljika v vegetaciji v obliki ogljikovih hidratov. Razpoložljivi CO2 je na voljo rastlinam

le, ko imajo listne reže odprte. Ko CO2 pronica v list za fotosintezo, voda pronica ven

skozi reže. Dokler ima rastlina dovolj vode ni nobenih težav. V vročih suhih dneh pa

rastline zapro reže, da se zaščitijo pred izgubljanjem vode. Pri tem se ob neprekinjeni

vezavi CO2 v Calvinovem ciklu zmanjšuje koncentracija CO2 v listu, kar zelo poveča

relativno količino kisika. To pa ima velikanske učinke na rastlino. Ko koncentracija CO2

znotraj lista pade na okoli 50 ppm, rubisko preneha vezati CO2 in začne vezati kisik.

Produkt te oksigenazne reakcije (encim je ribuloze-1,5-bifosfat karboksilaza/oksigenaza)

je fosfoglikolna kislina z dvema C-atomoma in fosfoglicerinska kislina s 3 C-atomi

Fosfoglicerinska kislina ostane v Calvinovem ciklu, fosfoglikolna pa zapusti cikel. V

zapleteni seriji reaskcij, ki potekajo v mitohondrijih in peroksisomih se fosfoglikolna

kislina hidrolizira v glicin, amino kislino z dvema C-atomoma. Dve molekuli glicina se

nato povežeta tako, da tvorita CO2 in serin, amino kislino s 3 C-atomi. Serin se pretvori v

3-fosfoglicerinsko kislino, ki lahko vstopi v Calvinov cikel. CO2 pa se pogosto izgubi iz

rastline.

Reakcija, ki se začne z rubiskovo vezavo kisika namesto CO2 je fotorespiracija. Ime

izhaja iz dejstva, da poteka le na svetlobi, porablja kisik in sprošča CO2. Za razliko od

dihanja pri fotorespiraciji ne nastaja ATP. Rubisko deluje le s 25% maksimalne hitrosti.

Čeprav se nekaj CO2, ki se sprosti med fotorespiracijo reciklira v Calvinovem ciklu, se


več kot polovica ogljika, ki se veže med fotosintezo pri C3 rastlinah reoksidira in izgubi v

obliki CO2. Tako fotorespiracija izničuje fotosintezo.

Zakaj so rastline sploh razvile tak odpaden proces kot je fotorespiracija? Nekateri

znanstveniki menijo, da je oksigenazna reakcija rubiska neizogibna zaradi njegove

strukture. Aktivno mesto rubiska ne more razlikovati med CO2 in O2. Drugi mislijo, da je

fotorespiracija le metabolni relikt iz časov, ko v ozračju še ni bilo kisika in tekmovanje za

CO2 ni imelo pomena.

Fotorespiracija je največja v vročih suhih pogojih, še posebej pri temperaturah nad 280C,

ko začno rastline zapirati reže. Ko se to zgodi, fotorespiracija povzroči, da začno rastline

izgubljati ogljik. Veliko selekcijsko prednost imajo rastline, ki se fotorespiraciji lahko

izognejo - C4 rastline.

C4 fotosinteza

C4 rastline imajo posebno listno anatomijo. Žile so obdane z debelostenimi

fotosintetskimi ovojnimi celicami, ki so obdane tankostenimi mezofilnimi celicami. Taka

anatomija je značilna za tropske trave, kot je npr. sladkorni trs. Imenuje se Kranz

anatomija.

Pri takih rastlinah CO2 pronica v list skozi reže in se veže v mezofilnih celicah. V teh

celicah ni rubiska (med zelenenjem svetloba blokira transkripcijo mRNA za izdelavo

velike podenote rubiska).

CO2 se v mezofilnih celicah kombinira s spojino s 3 C-atomi, fosfoenolpiruvično kislino,

ki je vmesni produkt dihanja. To reakcijo katalizira karboksilaza fosfoenolpiruvične

kisline. Nastane oksalocetna kislina s 4 C-atomi in je intermediat v Krebsovem ciklu.


Kislina s 4 C-atomi se hitro pretvori v malat ali aspartat, ki se nato premakne skozi

plazmodezme do sosednje celice ovoja. Tam se kisline razcepijo v CO2 in spojino s 3 C-

atomi. Tako malat in aspartat delujeta kot kratkotrajni rezervoar CO2.

Črpanje CO2 v celice ovoja pri C4 rastlinah, vzdržuje 20 do 120 x višjo notranjo

koncentracijo CO2 v celicah ovoja, kot je normalna. Visoka koncentracija CO2 omogoča,

da rubisco veže CO2 z maksimalno, kar preprečuje fotorespiracijo in omogoča, da C4

rastline vežejo CO2 veliko učinkoviteje kot C3.

CO2, ki se sprosti v celice ovoja se veže v Calvinovem ciklu. Medtem se 3 C-atomska

spojina prenese nazaj v mezofilne celice. Tam se pretvori v fosfoenolpiruvično kislino, ki

je začetni CO2 akceptor pri C4 fotosintezi.

Rastline, kot je sladkorni trs, se imenujejo C4 rastline, ker je prvi stabilni produkt

fotosinteze spojina s 4 C-atomi. Čeprav nobena od reakcij pri C4 fotosinttezi ni posebna,

je ta fotosinteza zelo spremenila rast rastlin. Prednost dodanih reakcij je ta, da

karboksilaza fosfoenolpiruvične kisline ne reagira s kisikom. To, skupaj s črpanjem CO2

iz okolnih mezofilnih celic v celice ovoja, omogoča, da C4 rastline vežejo CO2 z

rubiscom v celicah ovoja, ki je izoliran od visokih koncentracij kisika. Zaradi tega pri C4

rastlinah ni fotorespiracije. Te rastline lahko vežejo CO2 dokler notranja koncentracija ne

doseže ničle. Tako lahko vežejo CO2 celo v vročih suhih dneh, ko reže ostajajo zaprte.

Kot rezultat potrebujejo za fotosintezo tudi pol manj vode kot C3 rastline.

C4 fotosinteza se je razvila v vročih razmerah tropov. Prvi selekcijski mehanizem za C4

fotosintezo je bilo verjetno zmanjšanje koncentracije CO2 v zadnjih 50 do 60 milijonih

let.

Današnje C4 rastline so kritosemenke, pogoste v vročih odprtih ekosistemih. Pojavljajo

se v vsaj 17 družinah, ki pa niso izključno C4. Ker so te družine raznolike, nesorodne in

nimajo skupnih C4 prednikov, sklepamo, da se je C4 fotosinteza razvila neodvisno

večkrat v evoluciji. Čeprav je večina C4 rastlin enokaličnic (predvsem trav), je med njimi


tudi veliko dvokaličnic. C4 rastline so koruza, sirek, sladkorni trs, proso. C4 fotosinteza

ni poznana med golosemenkami, mahovi in algami.


MITOHONDRIJI

Mitohondrij je ključni organel eukariontskega dihanja. Kot tak je univerzalno prisoten

tudi v vsaki rastlinski celici. Rastlinski mitohondrij je kroglaste ali paličaste oblike, s

premerom od 0.5 do 1 µm in dolžine od 1 do 3 µm. število mitohondrijev na celico se

spreminja in je odvisno predvsem od metabolne aktivnosti posameznega tkiva. Ne glede

na to pa ostaja koncentracija mitohondrijev podobna tekom diferenciacije istega tipa

celic. Npr. majhne celice v koreninski čepici kalice imajo okrog 200 mitohondrijev, zrele

celice čepice pa okrog 2000. V izjemno metabolno aktivnih celicah lahko mitohondriji

obsegajo tudi 20% prostornine celice. Na splošno, z redkimi izjemami imajo rastlinske

celice manj mitohondrijev kot živalske. Na drugi strani pa je stopnja respiracije v

izoliranih rastlinskih mitohondrijih večja kot v živalskih.

Vsi mitohondriji imajo dve garnituri membran, ki razdelita organel na štiri oddelke:

zunanjo membrano

intermembranski prostor med dvema membranama

močno nagubano notranjo membrano v kriste

vodno fazo znotraj notranje membrane ali matriks

Zunanja membrana je propustna za toplence do molske mase pod 10 kDa. Propustnost je

povezana s prisotnostjo proteinov porinov, ki v membrani oblikujejo pore.

Za razliko od zunanje je notranja membrana izjemno nepropustna. Zaradi tega je v njej

veliko proteinskih prenašalcev, ki olajšujejo prehod metabolitov med citosolom in

matriksom. V notranji membarni je do 95% vseh mitohondrijskih membranskih proteinov

in več kot 90% vseh lipidov. Na kristah so multiproteinski kompleksi dihalne elektronske

transportne verige in ATP-sintaza.

V matriksu so topne encimi, mitohondrijska DNA (mtDNA) in ribosomi.


Tako kot plastidni tudi mitohondrijski izvor povezujemo z invazijo prokariontov v

zgodnje eukariontske celice. Tako kot plastidi imajo tudi mitohondriji sposobnost

izdelave nekaterih svojih proteinov. Podobno kot pri palstidih pa je bil v začetku popolen

genski sistem izvornega endosimbionta prenešen v jedro. Geni so bili najprej prenešeni iz

mitohondrija v jedro, tako da so nekaj časa obstajali skupaj v obeh organelih, kasneje pa

so se postopno iz mitohondrija izgubili. Kot rezultat te genski izgube, mitohondriji danes

potrebujejo produkte jedrnih genov za delovanje in podvojevanje.

Tako kot prokariontska, je tudi mitohondrijska DNA v obliki enega ali ceč membransko

vezanih nukleoidov. Mitohondrijski ribosomi so podobni prokariontskim po velikosti,

obliki in občutljivosti na antibiotike. Prav tako se razmnožujejo s cepitvijo. Za razliko od

živalskih mitohondrijskih genomov, je rastlinski mnogo večji. Npr. živalska mtDNA je

dolga od 15,000 do 18,000 nukleotidov, pri rastlinah pa od 200,000 pa tudi do 2,600,000

nukleotidov.

Posebnost mitohondrijskega genoma je tudi v tem, da ne vsebuje vseh tRNA genov.

Manjkajoče tRNA so kodirane v jedru in se morajo v mitohondrij šele pretransportirati.

Še ena posebnost mitohondrijskega genoma je prisotnost nekaterih plastidnih DNA

zaporedij. Ta zaporedja predstavljajo prenos iz palstidne DNA in vključitev v

mitohondrijsko DNA v teku evolucije. Večina teh zaporedij v mitohondrijih sploh ni

funkcionalnih.

Rastlinski mitohondrij vsebuje več 100 proteinov, a le kakih 15-20 je kodiranih in

sintetiziranih v mitohondriju. Večinoma so to deli elektronske transportne verige in

ATPaznega kompleksa. Vsi drugi proteini se morajo v mitohondrij pretransportirati iz

citosola.


PEROKSISOMI

Peroksisomi so strukturno enostavni, a funkcionalno zelo različni organeli. Najdemo jih

praktično v vsaki eukariontski celici.

Sestvaljeni so iz membrane, ki obdaja finozrnati matriks. V rastlinah je njihova vloga

odvisna od organa ali tkiva, v katerem se pojavljajo. V kalečih semenih, ki shranjujejo

maščobe, peroksisomi sodelujejo v mobilizaciji lipidov. V listih imajo pomembnbo

vlogo pri fotorespiraciji – procesu povezanim s fotosintezo. V mnogih celicah, predvsem

v koreninah, najdemo tudi nespecializirane peroksisome, ki vsebujejo encime katalazo,

glikolatno oksidazo, uratno oksidazo, encime beta-oksidacije.

Peroksisomi so grobo kroglaste oblike s premerom od 0.2 do 1.7 µm. Glede na rastlinsko

vrsto ali tip celic so v matriksu kristalinski ali vlaknati vključki ali gosti amorfni vključki.

V njih ni notranjih membran. Vsi peroksisomski proteini so kodirani v jedru.

Peroksisomi listov rastlin zmernih klimatov običajno vsebujejo zelo lepe kristale

katalaze. Poznanih je okrog 50 encimov, ki ji najdemo v različnih peroksisomih. Med

njimi je katalaza vedno prisotna in je markerski encim za ta organel.

V peroksisomih je encim oksidaza, ki izdeluje H2O2 s prenosom elektronov od substrata

(R) do kisika.

Ker je v peroksisomu vedno tudi katalaza, ta takoj razgradi strupeni peroksid. Peroksid

tako nikoli ne pride iz organela v citoplazmo.

Glavna naloga peroksisomov je razkroj maščobnih kislin v procesu β-oksidacije. Nastali

CoA se nato iz peroksisoma prenese v citosol za ponovno uporabo v biosintetskih

reakcijah. V sesalčjih celicah b-oksidacija poteka tako v mitohondrijih, kot v

peroksisomih, pri rastlinah pa le v peroksisomih.

Novi peroksisomi nastajajo z delitvijo obstoječih. Rastejo z uvozom lipidov,

membranskih proteinov in proteinov matriksa iz citosola. Specializirani peroksisomi

rastejo zelo hitro. To zahteva velikanski transport metabolitov prek peroksisomske


membrane. V ta namen vsebujejo različne proteine, ki oblikujejo pore, kiomogočajo

prehod molekul do velikosti 800Da.

Peroksisomi ne vsebujejo DNA in ribosomov, tako da vse proteine kodirajo jedrni geni.

Ti proteini se prevedejo na prostih citosolnih ribosomih in prenesejo v peroksisom.

GLIOKSISOMI Celice oljnih semen vsebujejo specializirane peroksisome – glioksisome. V oljnih

semenih se založne maščobe med kalitvijo pretvorijo do maščobnih kislin in glicerola. V

glioksisomih pride do nadaljne pretvorbe maščobnih kislin z beta-oksidacijo in nato

pretvorbe do sukcinata. Serija reakcij sestavlja glioksilatni cikel. Končna stopnja se

zgodi v citoslu, kjer se sukcinat pretvori v ogljikove hidrate. Ti se nato prenesejo in

uporabijo v rastočih delih rastline. Med β-oksidacijo nastaja peroksid, ki ga takoj razgradi

katalaza.

Glioksisomi so značilni rastlinski peroksisomi. S tem je povezano dejstvo, da rastline

lahko pretvarjajo lipide v ogljikove hidrate, živali pa v glavnem ne.


NEMEMBRANSKI ORGANELI

CITOSKELETNI ELEMENTI

Citoskeletni elementi predstavljajo mrežo filamentov, ki predstavlja mehanski oporni

sistem celice. Ti filamenti pomagajo vzdrževati organele na določenem mestu, vodijo

širjenje celic in nadzorujejo gibanje kromosomov med jedrno delitvijo. Skupine

filamentov oblikujejo tudi kanale za transport velikih molekul v celici. Citoskelet celic

predstavljajo tri glavne vrste filamentov: največji so mikrotubuli, vmesni so intermediatni

filamenti in najmanjši aktinski filamenti Pri sluzavkah (skupina enoceličnih organizmov,

ki jih včasih obravnavajo kot glive, a imajo značilnosti tako rastlin - razmnoževanje s

sporami; kot živali - ameboidno premikanje in prehraan s prebavljanjem hrane) in

kvasovkah so odkrili še miozinske filamente, v sluzavkah pa še supertanke filamente.

MIKROTUBULI

Mikrotubuli so ozke proteinske cevke s premerom od 18-25 nm, pod mejo ločljivosti

svetlobnega mikroskopa.

Sestavljeni so iz dveh vrst globularnih proteinov - alfa in beta - tubulina. Proteina sta

povezana v dimere, ki nato polimerizirajo v spiralno strukturo mikrotubula. Mikrotubuli

so dinamični polimeri, so pa tudi polarni - to pomeni, da ima vsak konec drugačne

biokemijske lastnosti. Mikrotubuli se žarkasto širijo iz centra za organizacijo

mikrotubulov, ki je navadno blizu Golgijevega telesca.

NALOGA MIKROTUBULOV

Mikrotubuli postavijo obliko celici in tako delujejo kot nekakšni stabilizatorji končne

oblike, ki jo bo vzdrževala stena. Pri nekaterih spolnih celicah, ki so brez stene, tudi

vzdržujejo dejansko obliko celice.


Mikrotubuli premikajo organele in jih namestijo v celici - npr. plastide. Mikrotubuli naj

bi v rastlinski celici premikanje organelov le usmerjali, gonilna sila pa naj bi bila v

drugem sistemu, npr. v mikrofilamentih.

Mikrotubuli vodijo orientacijo celuloznih mikrofibril pri nalaganju v steno.

Med kariokinezo (jedrno delitvijo) mikrotubuli formirajo delitveno vreteno, ki orientira

in premika kromosome. Podobno kot pri organelih, naj bi mikrotubuli le nadzorovali

smer premika kromosomov. V živalskih celicah med celično delitvijo mikrotubuli

žarkasto širijo iz centrosoma. To je ozko območje, blizu strukture, ki ji rečemo centriol in

je na vsakem polu celice. Centriol predstavlja osnovo za nastanek bičkov in migetalk.

Ker večina semenk nima bičkov in migetalk, tudi nima centriolov (najdemo jih pri

nekaterih algah, glivah, mahovih in praprotih, ki imajo gibljivo spermijske celice). Ni še

jasno, kaj nadomešča centrosom pri rastlinah. Izgleda pa, da je material, ki sestavlja

centrosom v rastlinski celici difuzno razpršen in so poli v metafaznem vretenu le zelo

široki.

Med celično delitvijo – citokinezo mikrotubuli oblikujejo fragmoplast, ki nadzoruje

nalaganje, namestitev in orientacijo nove celične stene.

AKTINSKI FILAMENTI

Aktinski filamenti so ekstremno vitke proteinske strukture s premerom 5 do 7 nm.

Sestavljeni so iz dveh medsebojno prepletenih verig globularnega proteina - aktina.

Osnova je globularni monomer G-aktin, polipeptidna veriga iz 374-375 AK.

NALOGA AKTINSKIH FILAMENTOV

Snopi aktinskih filamentov so vključeni v gibanja znotraj celice.


INTERMEDIATNI FILAMENTI

Po velikosti so med mikrotubuli in aktinskimi filamenti. Sestavlja jih zvit vlaknast

protein. V živalski celici je poznanih veliko intermediatnih filamentov, a je o njih zelo

malo znanega pri rastlinah.

NOTRANJA CELIČNA GIBANJA

Rastlinska citoplazma je izjemno dinamična. Njeni tokovi hitro tečejo v gibanju znanem

kot cikloza ali citoplazmatski tok, pri čemer s seboj nosijo organele. Posamezen organel

se lahko neodvisno premika: kloroplasti se gibljejo do mesta optimalne svetlobe v celici,

vezikli diktiosomov lahko potujejo do predelov rasti ali sekrecije, prav tako pa se lahko

premikajo tudi mitohondriji in jedra. V tem gibanju mikrotubuli nadzorujejo smer

gibanja, aktinski filamenti, pa so gonilna sila.

Kloroplasti in mitohondriji se gibljejo vzdolž določenih poti, ki so povezane z aktinskimi

filamenti in mikrotubuli citoskeleta. Zunanji del citoplazme je bolj trden in precej

negibljiv, medtem ko je notranji del bolj tekoč. Pasovi aktinskih filamentov se pojavljajo

med temi dvemi območji in inducirajo tok. Cikloza povečuje izmenjavo materiala med

organeli, med membrano in organeli in celo med celicami.


FLAGELE ALI BIČKI

Celice, ki aktivno plavajo imajo posebne laskom podobne lokomotorne organele, ki

segajo v okoljni medij - flagele ali bičke. V rastlinskih celicah so ti laski dolgi do 150 (m.

Edine plavajoče rastlinske celice so spermijske celice. Te imajo lahko dva bička- npr. pri

mahovih ali več tisoč - npr. pri sagovcih. Flagelatne spermijske celice imajo še

praprotnice in ginko – golosmenka ter določene enocelične alge z lastnostmi tako živali

kot evglenoidi, dinoflagelati, kriptomonade.

Vse flagele imajo enako notranjo zgradbo in enak mehanizem delovanja. Vsaka flagela je

sestavljena iz membrane, ki obdaja par mikrotubulov. En par mikrotubulov je na sredini,

devet parov pa v krogu okoli osrednjega para. Vsak zunanji par mikrotubulov je povezan

s sosednjim s stranskimi ročicami. Podobni izrastki povezujejo zunanje mikrotubule z

notranjimi. Vse te strukture so sestavljene iz proteina - dineina. Dineinske ročice

porabljajo ATP kot vir energije za gibanje, ki omogoča drsenje med pari mikrotubulov.

Ta vzorec dineinskega gibanja pomeni, da ročice enega para mikrotubulov drsijo, pri

čemer ročice sosednjega para ostanejo negibne. Prvi par se skrajša, kar povzroči da se

flagela skrči v delu skrajšanega para mikrotubulov. Tak mehanizem flagelatnega gibanja

je koordiniran med devetimi pari mikrotubulov in omogoča bičasto premikanje.

Vsaka flagela je vsidrana v citoplazmo z bazalnim telescem, ki ima drugačno

mikrotubularno ureditev. Bazalna telesca so citoplazmatske strukture z značilno

cilindrično obliko, ki predstavlja bazo flagele.


CELIČNA STENA

Celična stena je posebnost rastlinske celice.

Stena obdaja protoplast. Stene med seboj povezujejo celice v tkiva. Definiranje nove

stene je neobhodni korak v rastlinski morfogenezi. Podaljševanje celic je glavni

mehanizem rasti rastlinske celice. Koordinirano širjenje in diferenciacijo celic omogoča

kemično in strukturno spreminjanje razvijajoče se stene. V steni so površinski markerji,

ki usmerjajo razvoj rastline. Prek struktur v steni rastline komunicirajo z okoljem in z

drugimi celicami, prek simplastičnih povezav s plazmodezmami. Stene živih celic

predstavljajo bariero za mnoge patogene na različne načine. Ob napadu žuželk se v steni

inducirajo določene snovi, ki sprožijo sintezo obrambnih molekul. Nekateri proteini v

steni lahko specifično inhibirajo encime, za razgradnjo stene, ki jih izločajo mikrobi.

Sintetizirajo pa se lahko tudi proteini, ki lahko razgradijo mikrobne stene. Interakcije

spojin povezanih s steno so vključene tudi v medcelično prepoznavanje med

opraševanjem in oploditvijo. Stensko vezani encimi lahko delujejo kot primarne

receptorske molekule za zaznavanje zunanjih kemičnih signalov.

Glede na mnoge funkcije stene imajo stene različno sestavo in zgradbo.

Stena je dinamičen del rastlinske celice, v kateri potekajo številni kemični in fizikalni

procesi. Danes steno obravnavamo kot celični organel in sestavni del celičnega

metabolizma. Modifikacije in specializacije protoplastov so skoraj vedno povezane s

spremembami v steni. Sestava stene je različna v različnih celičnih tipih in pri različnih

vrstah.

Stena je dvodelni sistem sestavljen iz primarne stene prisotne v vseh celicah in

sekundarne stene, ki jo najdemo le v določenih. Večina modifikacij poteka na sekundarni

steni.

Primarno steno imajo mlade celice in celice v aktivno rastočih delih, npr. deleče se celice

v koreninskem in stebelnem vršičku. Primarna stena je precej tanka in gibka. V njej je

navadno manj kot 25% celuloze, ostanek pa predstavljajo hemiceluloze, pektini in


glikoproteini. Mnoge celice, ki imajo le primarno steno lahko spreminjajo obliko, se

delijo ali diferencirajo v druge oblike celic.

Določene celice se ob zrelosti prenehajo deliti. Ko se to zgodi, se znotraj primarne stene

razvije sekundarna stena. Ta je bolj toga od primarne in tako deluje kot oporna struktura.

Njena glavna sestavina je celuloza. Pri lesnih celicah pa vsebuje še do 25% lignina, ki

povečuje trdnost in odpornost proti razkrajanju. Nekatere stene, npr. pri plutnih celicah

vsebujejo tudu suberin. Suberizirano tkivo prperečuje izgubljanje vode skozi lubje.

Sekundarne stene so toge in ne vsebujejo glikoproteinov. Večina celičnih tipov s

sekundarnimi stenami ob zrelosti odmre.

Povezane celice držijo skupaj pektini. Pektinski sloj med celicami je osrednja lamela. Če

se pektin raztopi postanejo celice manj trdno povezane med seboj. To se zgodi ob zorenju

plodov. Kalcijev pektat se delno pretvori v bolj topno obliko, celice se razrahljajo in sadje

postane mehkejše. Številne glive in bakterije, ki povzročajo gnitje tkiv višjih rastlin,

naredijo prav to z encimskim raztapljanjem pektina.

Kako nastaja celična stena?

Vse snovi za izdelavo sten prihajajo iz notranjosti celice. V tem procesu igrajo

pomembno vlogo diktiosomi, ki transportirajo pektine, hemiceluloze in glikoproteine do

plazmaleme. Te spojine prečkajo membrano v predelu, kjer se stena sintetizira in kjer se

na notranji strani obstoječe stene združujejo med seboj. Na ta način se stena debeli.

Osnova nastajanja stene je v načinu sinteze celuloze. Celuloza se sintetizira v proteinskih

kompleksih - terminalnih kompleksih, ki so vključeni v plazmalemo. Pri večini rastlin,

tako kritosemenkah kot golosememnkah, terminalni kompleks sestavljata globularna in

rozetna komponenta. Globularna komponenta je v zunanjem sloju fosfolipidov

plazmaleme, medtem ko so rozete vstavljene v notranji sloj plazmaleme.

Kompleksi encimov s šestimi podenotami za sintezo celuloze so vloženi v plazmalemo v

obliki rozet. Encimi dobijo aktivirano glukozo iz citoplazemske strani in jo dodajo rastoči


celulozni molekuli. Ta raste ven na drugi strani plazmaleme, strani, ki gleda proti steni.

Ker je celulozna sintaza agregirana v rozeti, se rastoče molekule avtomatično poravnajo

in takoj kristalizirajo. V takem sistemu rastoče mikrofibrile reagirajo z že obstoječim

materialom stene in se vanj trdno vsidrajo.

Ko se rast molekul celuloze nadaljuje, se morajo sintazne rozete premikati po

plazmalemi, kar glede na tekoči mozaični model membranske strukture ni težko. Ker ne

obstaja mehanizem za orientacijo gibanja rozet, se mikrofibrile v primarni steni nalagajo

povsem naključno.

Rozete, ki so skupki, agregati celulozno sintaznih encimov, se lahko povezujejo tudi v

zelo velike razporeditve s 16 vrstami rozet. Celotna ureditev se kot enota pomika po

membrani, pri čemer se nalagajo vzporedne vrste celuloznih kristalov. Področje se

premika tako, da so vrste rozet poravnane in se lahko mikrofibrile ene rozete povezujejo

z mikrofibrilami druge rozete v isti vrsti. Tako nastaja mnogo večja struktura imenovana

fibrila. Večje je število rozet v vrsti, večje je število mikrofibril v fibrili in večji je

premer. Take fibrile so bolj značilne za sekundarne stene, ki se nalaga na notranji strani

primarne stene, ko celica neha rasti.

S takim načinom nalaganja se nove mikrofibrile ali fibrile nalagajo na notranji strani že

obstoječih celičnih elementov, kar je osnova za slojevitost stene. Proces nalaganja nove

snovi na notranjo stran stene se imenuje apozicija.

Mehanizem odgovoren za orientacijo celuloznih mikrofibril in fibril.

V orientacijo mikrofibril so vključeni mikrotubuli. Ti naredijo na plazmalemi nekakšno

matrico za mikrofibrile. Mikrotubuli so urejeni v isti smeri kot mikrofibrile in se

pojavljajo tik pod plazmalemo. Rozete, ki popolnoma segajo preko membrane reagirajo z

mikrotubuli, ki naj bi jih tudi vodili. Oblika rastlinske celice je torej odvisna od smeri

celične rasti, ki jo regulirajo lastnosti celične stene in še posebej orientacija mikrofibril v


steni. Mikrotubuli z nadzorom orientacije celuloznih mikrofibril nadzorujejo smer rasti

celice.

RAZVOJ STENE OB DELITVI CELICE

Delitev celice poteka pri višjih rastlinah drugače kot pri živalih ali nekaterih algah. Pri

živalih pride ob citokinezi do tipičnega preščipnjenja plazmaleme. Pri mnogih algah se

citokineza začne z vraščanjem nove stene in membrane. Pri višjih rastlinah pa se

citokineza začne v sredini celice in nadaljuje proti periferiji z zlivanjem membranskih

veziklov v celično ploščo.

Ko celica zaključi kariokinezo, delitev jedra in začne citokinezo, delitev celice, se med

hčerinskimi jedri oblikuje kompleks mikrotubulov in ER, fragmoplast. Mikrotubuli

ujamejo vezikle diktiosomov, ki se nato zlijejo v eno samo veliko ploščato cisterno.

Ogljikovi hidrati, ki jih vezikli vsebujejo se sintetizirajo v dve novi primarni steni in

osrednjo lamelo, ki ju povezuje. Vezikli vsebujejo le pektinske substance potrebne za

osrednjo lamelo, medtem ko njihove membrane nosijo celulozno-sintezne rozete. Ko se

znotraj cisterne formira nova stena, se membrana preoblikuje v plazmalemo. Nova

struktura - osrednja lamela, dve primarni steni in plazmalema je celična plošča. Celična

plošča na svojih robovih raste skupaj s širjenjem fragmoplasta navzven, ki pri tem ujame

še več veziklov, ki se zlivajo s celično ploščo. Fragmoplast se začne razdruževati, ko se

približa robovom celice in se plazmalema celične plošče zlije z obstoječo plazmalemo

materinske celice. Dve primarni steni in nova osrednja lamela se tako srečajo z obstoječo

steno. Stena je na tej stopnji zelo tanka.

PLAZMODEZME

Nastajanje nove stene v fragmoplastu je prekinjeno na določenih mestih, kjer se še

pojavlja ER in mikrotubuli delitvenega vretena. Na teh mestih ima celična plošča luknjo.

Ko se stena začne debeliti ostajajo te luknje kot povezave enega protoplasta z drugim.


Povezane so z novo plazmalemo, ki nastaja iz diktiosomskih veziklov. Celotna struktura

je plazmodezma.

Nekatere plazmodezme naključno nastajajo, večina pa se pojavlja v skupkih z gostoto več

kot 60 plazmodezem na µm2 površine stene.

ZGRADBA PLAZMODEZME

Primarna plazmodezma

Primarno plazmodezmo označuje diskreten intercelularen citoplazemski pas povezan s

plazmalemo, ki nastane med procesom celične delitve. S tem je omogočena dobro

organizirana povezava med citoplazmama na obeh straneh deleče se celične stene, v

kateri je plazmodezma nameščena. Iz tega je očitna vloga teh citoplazemskih mostičkov v

metabolnih koordinacijah med delečimi se celicami.

Osrednji del plazmodezme predstavlja ER, ki je stisnjen v nekak cilinder. ER je povezava

med sosednjima celicama. Prostor med plazmalemo in stisnjenim ER je citoplazemski

anulus ali rokav. Plazmodezma, ER in jedrna ovojnica sestavljajo nepretrgani

membranski sistem.

Med citokinezo se del ER postavi pravokotno na mesto, kjer bo nastala nova celična

plošča. Z nadaljnim razvojem celične plošče se ER med novima celičnima membranama

spremeni v stisnjeno cilindrično obliko, kar vodi v nastanek primarne plazmodezme. Na

notranjem in zunanjem delu membrane ER so vstavljeni globularni proteini (premer 3

nm). Globularni proteini podobne velikosti so vključeni tudi v notranji listič plazmaleme.

Plazmodezme so neposredno vključene v transport snovi iz ene celice v drugo.

Plazmodezme višjih rastlin so supramolekularni kompleksi, ki so vključeni v regulacijo

enostavne difuzije, kot tudi kompleksnega prometa makromolekul kot so proteini in

nukleinske kisline.


Premikanje majhnih molekul med celicami poteka preko mikrokanalov, ki nastajajo med

globularnimi proteini ER-proteinskega kompleksa in plazmalemo. Kanalčki so okrog 2.5

nm široki in niso samostojni, temveč se povezujejo v matriks.

Snov se iz celice v celico lahko premika tudi preko plazmaleme ali ER-proteinskega

kompleksa. Preko ER se premikajo lipidne molekule.

SEKUNDARNE PLAZMODEZME

Sekundarne plazmodezme nastajajo za razliko od primarnih preko nedeleče se celične

stene. Njihov nastanek je tako popolnoma postcitokinetski dogodek.

Sekundarne plazmodezme so multicitoplazemtski pasovi povezani v predelu osrednje

lamele celične stene. Sekundarne plazmodezme nastajajo med normalnim rastlinskim

razvojem, kot tudi v specializiranih sistemih (povezavah cepiča z osnovo, zlivanju

protoplastov, interakcijah parazitov in gostiteljev).

Pri normalnem razvoju rastline, je osnovni mehanizem nastanka sekundarne

plazmodezme modifikacija primarne.

H-plazmodezme nastanejo s stranskim zlivanjem sosednjih primarnih plazmodezem.

Temu lahko sledi dodajanje novih citoplazemskih mostičkov, tako da dobimo zelo

razvejano strukturo sekundarne plazmodezme. Primer takih asimetričnih plazmodezem

najdemo na meji med sitastimi elementi in celicami spremljevalkami.


PROTEINSKA SINTEZA

Proteini nastajajo v citoplazmi in ne v jedru, kjer je DNA. Proteinska sinteza je povezana

z ribosomi, ki so izven jedra in proteini nastajajo na ribosomih. Proteinska sineza je

večstopenjski proces, ki se začne, ko DNA izdela RNA. RNA se transportira iz jedra v

citoplazmo. Messenger RNA (mRNA) je dejansko sporočilo za protein. Transfer RNA

(tRNA) veže amino kisline, tako, da te lahko pridejo v stik med samo sintezo proteina.

“Osnovna dogma molekularne biologije” pravi, da en gen kodira en protein. Genska

ekspresija ima sledeče faze:

DNA→ mRNA → protein

Prva faza DNA v mRNA je transkripcija (prepis), ker se kod nukleinske kisline (DNA)

prepiše v drug kod nukleinske kisline (mRNA). Druga faza, mRNA v protein, je

translacija (prevod), ker se nukleinski kod (mRNA) prevede v aminokislinski kod

(protein).

Takojšnji produkt translacije se mora navadno preoblikovati preden postane funkcionalni

protein. Tako se mRNA iz posameznih genov ne translira neposredno v zrel protein,

temveč se prevede najprej v polipeptid, ki nato postane del zrelega proteina.

DNA → mRNA→ polipeptid → protein

RNA sinteza: transkripcija

Med transkripcijo služi DNA kot matrica za izdelavo svoje komplementarne kopije RNA.

Celoten gen se prepiše v molekule RNA, ki so podobne dolžine kot DNA matrica. RNA

se razlikuje od gena v dveh stvareh. Prvi je ta, da je RNA komplement DNA koda in ne

njegov duplikat. Za razliko od DNA je RNA molekula enoverižna. Namesto deoksiriboze

vsebuje ribozo in namesto timina uracil. Glavne značilnosti RNA sinteze so podobne


podvojevanju DNA, le da je sinteza RNA do 20x hitrejša kot sinteza DNA. Prav tako kot

pri DNA replikaciji, se RNA sinteza začne na 5' koncu in poteka proti 3' koncu molekule.

Komplementarna RNA veriga nastaja tako antiparalelno z matrično DNA verigo.

Najstrejši (najprej izdelan) del RNA je 5' konec.

TRANSKRIPCIJA

INICIACIJA

Transkripcija poteka v treh glavnih stopnjah. Prva stopnja transkripcije se začne s

posebnim encimom, RNA polimerazo, ki se pripne na zaporedje DNA. RNA polimeraza

se pripne na DNA na promoter. To je posebno zaporedje DNA, ki predstavlja začetni

signal za transkripcijo. Le ena veriga DNA je kodna veriga za vsak gen- kar pomeni, da

le ena veriga vsebuje kodna zaporedja za polipeptid. Druga veriga je nekodna in se ne

prepisuje.

Ključ za prepoznavanje kodne verige je promotersko mesto. Različni promoterji imajo

različna zaporedja, a skoraj vsi vsebujejo dve specifični zaporedji 6 nukleotidov,

TATAAT in TTGACA, na katere se veže RNA polimeraza. Nasprotna veriga vsebuje

komplementarne baze (ATATTA in AACTGT), ki jih encim RNA polimeraza ne

prepozna. Kodna veriga nekaterih genov je nekodna za druge gene, kar pomeni da se geni

nahajajo na obeh verigah po celotnem kromosomu.

ELONGACIJA

V drugi fazi transkripcije, se polimeraza premika vzdolž verige DNA in dodaja

nukleotide rastoči verigi RNA. V prepisanem delu je lahko tudi vodilno zaporedje

različnih dolžin. Vodilno zaporedje je nekodnao zaporedje med promoterjem in začetkom

gena. Ko se prepiše kakih 30 baz, se na 5' konec RNA kemično pritrdi kapica. Ta kapica

je nukleotid trifosfat, ki je analogen ATP. Imenuje se 7-metigvanozin trifosfat (GTP).

GTP kapica preprečuje degradacijo RNA molekule in kasneje služi kot začetni signal za

translacijo.


TERMINACIJA

Med terminacijo se transkripcija ustavi. Nova RNA molekula se odcepi od DNA matrice.

Ko polimeraza pride do konca gena, se transkripcija nadaljuje do cepitvenega signala.

Dodatna RNA po koncu gena je sledno zaporedje. Tako kot vodilno zaporedje, tudi

sledno ne deluje kot kodni del. Je le signal za drug encim, da cepi RNA molekulo in jo

sprosti iz DNA matrice. TAkoj po cepitvi, se doda 100-200 molekul adenina na 3' konec

RNA. Z dodatkom tega poli-A-repa se celotni produkt transkripcije imenuje primarni

RNA transkript.

HITROST TRANSKRIPCIJE

Za celični metabolizem je ključnega pomena, da so določeni polipeptidi v pravem času na

pravem mestu. Da je ta zahteva izpolnjena, mora en sam gen prepisovati več RNA

polimeraz istočasno. Stopnja RNA sinteze je do 30 nukleotidov/sekundo za vsako RNA

polimerazo. To pomeni da se povprečno velik gen z okoli 8000 nukleotidi prepiše zelo

hitro. Pri primarni transkript je zaključen v kakih petih minutah. Okrog 100 primarnih

transkriptov je izdelanih v manj kot 10 minutah, če je vsaj 100 RNA polimeraz pripetih

na gen. Ta ocena velja le za transkripcijo. sledi še veliko stopenj preden imamo

popolnoma sintetiziran polipeptid. Ena glavnih stopenj po transkripciji je modifikacija

primarnega transkripta v mRNA.

VRSTE RNA

RIBOCIMI

Vse RNA nastanejo s transkripcijo DNA. RNA pa se pojavlja v različnih oblikah.

Nekatere ostanejo v jedru, nekatere pa se premaknejo v citoplazmo. Nekatere RNA

molekule - ribocimi lahko delujejo tudi kot encimi. Delujejo kot nukleaze, encimi, ki

cepijo nukleinske kisline, zakrijejo delovanje polimeraz s povezovanjem nukleotidov v

kratke verige in povezovanjem kratkih zaporedij RNA v daljše.


JEDRNE RNA

V začetku je vsaka molekula RNA približno enako velika kot zaporedje DNA, ki služi

kot matrica. Npr. gen iz 8000 nukleotidov se prepiše v RNA molekulo iz 8000

nukleotidov, vsebuje pa še vodilno in sledno zaporedje. Veliki primarni RNA transkripti

iz različnih genov so različno veliki, od nekaj tisoč do več kot 20 000 nukleotidov.

Zaloga velikih RNA transkriptov v jedru so heterogene jedrne RNA (hnRNA), zaradi

heterogenosti velikosti RNA molekul. Veliki transkripti se oblikujejo z razvijanjem ali

spajanjem RNA. Do tega pride preden RNA zapustijo jedro. V proces razvijanja RNA so

vključene majhne RNA molekule, ki ostanejo v jedru (snRNA). Te vsebujejo od 100-200

nukleotidov. Te majhne RNA se povežejo s proteini v majhne jedrne ribonukleoproteine

(snRNP). Kompleks večih snRNP- spajalno telesce se veže na velik primarni RNA

transkript, iz njega izreže nekatere dele in poveže ostanek RNA nazaj v nepretrgano

verigo. Deli primarnega transkripta, ki se izrežejo so introni, deli, ki se povežejo so

eksoni. Na RNA transkript se sočasno lahko pritrdi več spajalnih telesc. Spajalna telesca

začno razvijati RNA takoj po transkripciji, celo kadar se določeni deli RNA molekule še

prepisujejo. Po razvijanju je končna oblika RNA molekule pogosto za več tisoč

nukleotidov krajša od primarnega transkripta.

Večina nukleotidov v primarnem RNA transkriptu ne sodeluje pri proteinski sintezi, saj

so izrezani še predenRNA zapusti jedro. Tako so primarni transkript in geni, ki ga

kodirajo, prekinjeni z nekodnimi zaporedji.

MESSENGER RNA (MRNA)

mRNA se imenuje tako zato, ker vsebuje "message" ali "sporočilo" , to je kodno

zaporedje za polipeptid. mRNA ima štiri glavne dele: GTP kapico, vodilno zaporedje,

kodno zaporedje in sledno zaporedje s poli-A repom.

Največji del predstavlja kodno zaporedje, ki ima med nekaj 100 do okrog 2000

nukleotidov.


Vsak polipeptid v celici kodirajo druge mRNA. To pomeni, da imamo tisoče različnih

vrst mRNA. Celice imajo vsaj 5-10 kopij večine mRNa. Nekatere vrste mRNa pa se

pojavljajo tudi v 10 000 ali več kopijah naenkrat. Število mRNA kopij je odvisno od

metabolnih potreb po raz ličnih polipeptidih. V celici pa je kljub temu le 3% do 5%

totalne mRNA v obliki mRNA.

TRANSFER ALI PRENOSNA RNA (TRNA)

Prenos v tRNA se nanaša na vlogo te molekule. Med translacijo tRNA prinaša skupaj

amino kisline. Medtem ko imamo tisoče različnih molekul mRNA v vsaki celici, imamo

le okrog 40 različnih vrst tRNA. Čeprav je povprečna velikost molekule tRNA le okrog

80 nukleotidov, predstavljajo tRNA do 15% totalne celične RNA.

Značilna oblika tRNA molekule je zvita in zložena po vsej svoji dolžini tako, da

nastanejo štirje predeli z dvojno vijačnico in tri zanke.

Vsaka tRNA molekula prepozna določeno zaporedje nukleotidov na mRNA molekuli in

se najo pritrdi. Prepoznavno mesto na mRNA molekuli se imenuje kodon. Pritrditveno

mesto na tRNA molekuli pa je antikodon. Zaporedje antikodona, ki je na eni od zank

tRNA molekule je komplementarno zaporedju kodona. Vsaka tRNA molekula vsebuje

tudi specifično zaporedje na 3' koncu - sprejemno mesto za amino kislino. To mesto

prepozna in se veže na eno od 20 amino kislin, ki sestavljajo proteine.

Ribosomalna RNA (rRNA)

Ribosomi so mesta proteinske sinteze. Vsak ribosom je sestavljen iz kompleksa

ribosomalnih RNA in proteinov. Kompleksi so organizirani v veliko podenoto in malo

podenoto. V poprečne evkariotskem ribosomu velika podenota vsebuje okrog 50

proteinov in dve vrsti enoverižne RNA: eno sestavlja okrog 4700 nukleotidov, drugo pa

okrog 120 nukleotidov. Manjša podenota vsebuje 30 proteinov in eno vrsto enoverižne

RNA iz 1900 nukleotidov. Več kot polovico mase ribosoma je RNA.


Transkripcija rRNA molekul je podobna transkripciji drugih RNA. Razlika je le v tem, da

rRNA transkripte izdelajo druge RNA polimeraze. Geni za rRNA so v nizih tandemskih

ponovitev. Število teh ponavljajočih se enot je vrstno različno, razlikuje se lahko celo pri

isti vrsti.

Nekatere rRNA se prepišejo iz tandema iz treh genov v območju kromosoma v

nukleolusu. Druge rRNA se prepisujejo iz genov izven nukleolusa. To pomeni, da je

izdelava ribosomov zapletena, saj se morata povezati produkta dveh ločenih genskih

skupkov. Proces se še upočasni, ker so prepisani deli dolgi, primarni transkripti so

sestavljeni iz večih podenot, izdelana rRNA pa se mora še povezati z mnogimi proteini v

citoplazmi. Izdelava ribosoma tako lahko traja do eno uro. Ne glede na to, pa med vsakim

celičnim ciklom nastane več milijonov ribosomov. Tako velikansko število ribosomov pa

lahko nastane le zato, ker celice vsebujejo mnogo kopij genov ribosomalnih RNA in ker

se vsak gen sočasno prepisuje z mnogo molekulami RNA polimeraze. Vsaj 80% totalne

celične RNA so rRNA.

POLIPEPTIDNA SINTEZA. TRANSLACIJA

Translacija je podobna transkripciji v tem, da uporablja encime za izdelavo polimerov.

Oba procesa imata stopnje iniciacije, elongacije in terminacije. Oba procesa potrebujeta

GTP. Razlika je v tem, da pri translaciji nastajajo amino kislinske verige in ne verige

nukleotidov.

Preden se translacija začne, mora molekula tRNA vezati ustrezno amino kislino. Encim

aminoacil-tRNA- sintaza zagotovi, da se vsaka molekula tRNA kovalentno veže na

specifično amino kislino. Za vsako od 20 amino kislin uporabljenih v translaciji obstoji

posebna sintaza. Vsaka aminoacil-tRNA nastane v procesu, ki potrebuje ATP in

vključuje vmesni produkt sestavljen iz amino kisline ter adenozin monofosfata (AMP).

Na tak način, se npr. metionin pritrdi na molekulo tRNAmet, valin pa le na molekulo

tRNAval.


Vsaka aminoacil-tRNA molekula ima dve glavni nalogi. Ena je dekodiranje

nukleotidnega zaporedja. Dekodiranje izhaja iz dvojnosti kod: antikodon prebere kodon,

sprejemno mesto za amino kislino pa prebere amino kislino. Druga naloga je aktivacija

karboksilne skupine amino kisline tako, da ta reagira z amino skupino druge amino

kisline. Na ta način nastane peptidna vez.

INICIACIJA Translacija se začne ko se mRNA in začetna ali inicialna tRNA vežeta na malo

ribosomalno podenoto. Pri vezavi pomagajo encimi v ribosomalni podenoti, ki

prepozanjo GTP kapico na 5' koncu mRNA. Inicialna tRNA je molekula, ki nosi prvo

amino kislino za polipeptid. Običajno je to metionin. Antikodon inicialne tRNA je UAC.

Ta je komplementaren startnemu kodonu (AUG) na mRNA. Ko so inicialna tRNA,

mRNA in mala podenota na pravem mestu, se večja ribosomalna podenota veže na malo

podenoto. V tej fazi translacije se zaključi nastajanje funkcionalnega ribosoma.

ELONGACIJA Elongacija - podaljševanje se nadaljuje, ko se druga tRNA molekula veže za inicialno

tRNA na veliki ribosomalni podenoti. Drugo tRNA določa drug kodon na mRNA. Npr.

kodon GUC se bo vezal le na komplementaren antikodon, CAG. tRNA z antikodonom

CAG nosi amino kislino valin, ki bo tako druga amino kislina v rastočem polipeptidu.

Dve amino kislini se kovalentno povežeta, ko encim peptidiltransferaza premakne

metionin iz iniciacijske tRNA do valina na naslednji tRNA. Ko je metionin povezan z

valinom, se tRNAmet sprosti iz ribosoma. Ribosom se nato premakne za en kodon vzdolž

mRNA molekule. Pri premiku ribosoma se tRNAval premakne na izpraznjem prostor

tRNAmet. Tretja tRNA se nato veže na mRNA tik za tRNAval in s tem prinese naslednjo

amino kislino. Proces vezav posamičnih amino kislin se nadaljuje dokler polipeptidna

veriga ni dokončana.


TERMINACIJA

Translacija se zaključi, ko ribosom doseže stop kodon na mRNA molekuli. Stop kodon se

ne pripne na tRNA. Namesto tega se veže na posebne citoplazemske proteine -

sprostitvene faktorje. Sprostitveni faktorji prekinejo translacijo in hidrolizirajo vez med

končno amino kislino v novem polipeptidu in njegovo tRNA.

HITROST TRANSLACIJE

Količina polipeptidne sinteze je rezultat dveh ravni aktivnosti. Prva je transkripcija gena,

pri kateri nastane veliko mRNA molekul. Sledi ponavljajoča translacija vsake mRNA

molekule. Da se mRNA prevede v polipeptid iz 400 amino kislin traja manj kot minuto.

Sočasna translacija z več ribosmi ali poliribosomi omogoča, da vsaka mRNA molekula

izdela do 10 polipeptidov na minuto. S sočasno uporabo več tisoč mRNA molekul , lahko

celica prevede 10 000 polipeptidov na minuto. Na ta način lahko med enim celičnim

ciklom nastane milijone polipeptidov.

Izdelava končnega produkta: iz polipeptida protein

Preden polipeptid postane funkcionmalni protein, se mora pogosto še preoblikovati. Npr.

polipeptid se lahko poveže z enim ali več polipeptidi v protein z več podenotami. Do

drugih sprememb pride v polipeptidih, ki vsebujejo amino kislino cistein. V takih

polipeptidih dve cisteinski molekuli tvorita disulfidno vez med odgovarjajočima

atomoma žvepla. Membranski polipeptidi se kovalentno vežejo na sladkorje ali lipide in

tako te polipeptide spremene v glikoproteine ali lipoproteine. Na ta način se v

diktiosomih spreminjajo polipeptidi, ki so vključeni v celično steno ali v plazmalemo.

Spet drugi polipeptidi se morajo vezati na kovinske ione prede postanejo funkcionalni.

Taki so npr. metaloencimi - npr. citokrom oksidaze z železom ali bakkrom DNA

polimeraze s cinkom in NADH-dehidrogenaze.


STRUKTURA EVKARIONTSKIH GENOV

Najpreprostejši so tisti geni, ki jih sestavljajo le kodoni. Taki so npr. geni za histonske

proteine. Primarnega RNA transkripta takih genov ni potrebno razviti, saj ne vsebuje

intronov. Na drug istrani pa imamo mnoge evkariotske gene, ki vsebujejo eksone ločene

z introni.

Število intronov je različno med različnimi geni. Njihovo število pa je navadno

konstantno v genu enega organizma. Isti gen v različnih organizmih ima lahko različno

število intronov. Npr. enega od encimov za glikolizo - trioza fosfat izomerazo kodira gen,

ki ima pri koruzi 8 intronov,, 6 kodonov pri piščancu in 5 kodonov pri glivi Aspergillus.

Isti gen nima intronov v pekovskem kvasu ali pri bakteriji Eserichia coli.

Genomi z največjim deležem prekinjenih genov so v jedrih razvitih evkariotov - to je pri

višjih rastlinah in živalih. Nekaj prekinjenih genov je v genomu kloroplastov in

mitohondrijev, ter v jedrih primitivnih evkariontov kot so kvasovke. Intronov ni pri

večini prokariotov.

Čeprav je vloga intronov še nejasna, imajo dve hipotetični nalogi. Ena je pri regulaciji

razvoja. V tem primeru dolgi ali pogosti introni upočasnijo gensko ekspresijo, ker traja

dalj časa, da se razvijejo. Tako se različni geni izrazijo z različno stopnjo glede na

velikost in število intronov. Idejo o regulacijski vlogi intronov podpirajo številni dokazi:

Introni se pojavljajo predvsem v zapletenih večceličnih organizmih (rastlinah, živalih),

pri katerih je razvoj skrbno reguliran. Za razliko enocelični organizmi rastejo čim hitreje

je možno brez zapletenega razvojnega nadzora. Taki organizmi imajo malo intronov ali

pa jih sploh ni. V tej skupini so npr. bakterije. Introni so redki pri kvasovkah, ki so

enocelične glive, pogosti pa pri Aspregillusu, ki jhe večcelična gliva.

Introni lahko tudi povečajo gensko rekombinacijo med crossing-overjem v mejozi. Glede

na to hipotezo, kadar pride do neenakega crossing-overja v genu, ne bo vpliva na kodno

zaporedje gena, če pride do preloma homologov in ponovne povezave v intronu. Če do

preloma in izmenjave genetske snovi pride v eksonu, se bo verjetno podrla kodna


zaporedje in porušila polipeptid, katerega kodira. To pomeni, da imajo geni z dolgimi ali

pogostimi introni več možnosti za uspešno gensko izmenjavo kot geni s kratkimi ali

redkimi introni.

HIPOTEZA EKSONSKEGA PREMEŠČANJA

Hipoteza o vlogi intronov v genski rekombinaciji predpostavlja, da je vsak ekson v genu

bolj ali manj neodvisen, ker se lahko premakne do sosednjega gena in ostane

funkcionalen. To pomeni, da strukturne in funkcionalne dele polipeptida - območja ali

domene ločeno kodirajo posebni eksoni. Dokazi za to hipotezo prihajajo iz primerjave

proteinske strukture s strukturo gena. Npr. domene trioza fosfat izomeraze navadno

odgovarjajo specifični eksonom.

Potencialna mobilnost eksonov je pripeljala do hipoteze eksonskega premeščanja, ki

razloži izvor zapletenih novih genov s povezovanjem neodvisnih eksonov v nove

kombinacije. Z eksonskim premeščanjem lahko tako nastajajo novi proteini iz že

obstoječih eksonov. Dokazi za hipotezo izhajajo iz podobnosti eksonov v različnih genih.

Npr. ekson 4 v kloroplastnem genu psbA in ekson 17 v mišjem 3 proteinskem genu

kodirata isto aminokislinski sekvenco. Čeprav je ta zaporedje v različnih proteinih deluje

kot območje, domena za prehod membrane. Izgleda, da ti eksoni izhajajo iz istega

predhodnjega eksona, ki je bil premeščen v različne gene pred evolucijskim razhodom v

rastline in živali.

Ideja o predniškem eksonu in njegovi rekombinaciji v nove proteine nakazuje, da so

obstoječi geni sestavljeni iz manjšega števila večkrat uporabljenih eksonov. S primerjavo

aminokislinskih zaporedij vseh znanih eksonov ugotavljajo, kateri eksoni najverjetneje

izhajajo iz istega prednika. S takimi primerjavami so ocenili, da je bilo le 1000 do 7000

eksonov potrebnih za izdelavo 100-tisočev današnjih proteinov.

biologija rastlinske celice -...

Documents