СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Спецкурс « Структура и функции растительной клетки»
Программа спецкурса
Введение.
Растительная клетка как структурно-функциональная единица растительного организма.
Основные типы растительных клеток и тканей. Особенности клеточной архитектуры и клеточной
химии у растений. Внутриклеточная организация клетки как отражение типа ее специализации.
Тотипотентность растительной клетки.
Ядро.
Строение ядра. Ядерная оболочка. Ядерные поры. Кариокинез. Триединый геном растительной
клетки. Взаимодействие ядерного, митохондриального и хлоропластного геномов. Контроль за
развитием онтогенетических программ клетки.
Клеточная стенка.
Химический состав и архитектура первичной КС.
Структурные полисахариды: целлюлоза, гликаны, пектины. Связи между полисахаридами КС.
Различия между однодольным и двудольными по составу гемицеллюлоз. Клеточные стенки I и II
типов.
Белки КС. Гликопротеины, обогащенные гидроксипролином. Семейство экспансинов. Белки,
обогащенные пролином: участие в регуляции прорастания, формирования сосудов ксилемы и
образования клубеньков. Арабиногалактановые белки: их свойства и функции.
Арабиногалактановые белки как молекулярные маркеры эмбриогенеза. Белки, обогащенные
глицином. Ферменты КС. Инкрустирующие и адкрустирующие вещества, минеральные вещества,
вода.
Биосинтез КС. Первичная и вторичная КС. Биосинтез микрофибрилл целлюлозы и их самосборка.
Роль аппарата Гольджи в биосинтезе элементов матрикса. КС и рост растяжением. Молекулярные
механизмы растяжения КС. Экспансины и кислый рост.
Клеточная стенка как фаза для внеклеточного движения молекул воды, ионов, органических
молекул.
Участие олигосахаридов КС в регуляции роста и развития растения, защите его от болезней.
Мембранные системы растительной клетки.
Общий принцип строения биомембран. Плазмалемма и ее функции: структурная, транспортная,
осморегуляторная, трансформация энергии, рецепторно-регуляторная, синтетическая.
Эндомембранные структуры: ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат
Гольджи, вакуолярная система, лизосомы, пероксисомы, глиоксисомы. Идея онтогенетической
непрерывности эндоплазматической сети.
Разнообразие растительных вакуолей: морфологические, биохимические и физиологические
показатели. Белок запасающие и гидролитические вакуоли, мембранные белки маркеры вакуолей
разных типов (-, -, и -TIP). Биогенез растительных вакуолей: биосинтез (ранний секреторный
путь, поздний секреторный путь), аутофагия, эндоцитоз.
Молекулярно-биологические подходы для изучения функционирования вакуолярной системы.
Механизмы направленного транспорта белков в вакуоли путем везикулярного транспорта.
Сортирующие рецепторы вакуолей. Интегральный мембранный белок BP-80. Функции
центральной вакуоли в зрелых клетках вегетативных тканей.
Эдоплазматический ретикулум и Аппарат Гольджи. Роль ЭПР и аппарата Гольджи в биосинтезе
белка. Топография биосинтеза белка. Сортировка синтезированных белков для целевой доставки
к органеллам и роль везикулярного транспорта в этом процессе. Характеристика везикулярного
транспорта. Клеточные структуры, участвующие в везикулярном транспорте: ЭПР, комплекс
Гольджи, превакуолярный компартмент, вакуоль, эндосома, плазмалемма. Поверхностные белки
(coat proteins) транспортных везикул, их тип в зависимости от органеллы-донора и направления
перемещения. От ЭПР к цис-Гольджи: 5 белков COP II; от цис-Гольджи к ЭПР: 6 белков COP I.
Клатриновые везикулы. Белки SNARE: v-SNARE и t-SNARE. Реконструкция везикулярного
транспорта в бесклеточной системе in vitro. Цитозольные белки необходимые для везикулярного
транспорта: G-белки (Rab-GTPase),
SNAREs-белки «ловушки», NSF (N-ethylmaleimide-sensitive factor), α-SNAP (soluble NSF attachment
factor).
Плазмодесмы (Пд).
Тонкая структура Пд. Транспорт веществ по плазмодесмам.
Определение пропускной
способности Пд (SEL). Транспортные пути по симпласту: цитоплазматический и люменальный.
Транспорт крупных белковых молекул (например, факторов транскрипции) и вирусов (на примере
вируса табачной мозаики) по Пд. Механизм транспорта. Движущие белки (MP – moving protein).
Изменение проницаемости плазмодесм как способ регуляции транспорта по симпласту.
Цитоскелет и его функции.
Элементы структуры цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты.
Микротрубочки: состав, полимеризация и деполимеризация как основа динамики
микротрубочек. Динеины и кинезины, внутриклеточная подвижность, связанная с их активностью.
Микроскопия Аллена.
Актиновый цитоскелет. Состав и динамика микрофиламентов. Белки ассоциированные с
микрофиламентами: Аrp – белки, белок ARPC5 и Arp2/3-комплекс и др. Роль G-белков в
организации актиновой сети. Взаимодействие МАПК реакций и актинового цитоскелета:
фосфорилирования актин-связывающих белков.
Функции цитоскелета в процессах митоза. Функции цитоскелета в цитокинезе растительной
клетки. Ориентация плоскости деления растительной клетки (препрофазное кольцо).
Реорганизация актинового цитоскелета в кончике растущего корневого волоска и растущей
пыльцевой трубки. Роль цитоскелета в рецепции и передаче внеклеточных сигналов
Конфокальная лазерно-сканирующая флуоресцентная микроскопия в изучении цитоскелета.
Использование зеленого флуоресцентного белка для визуализации цитоскелета.
Пластидная система.
Общая характеристика пластидной системы растений. Симбиотическая теория происхождения
пластид. Основные типы пластид: пропластиды, хромопласты, лейкопласты, этиопласты,
хлоропласты. Особенности строения и функционирования разных типов пластид.
Взаимопревращения разных типов пластид и роль эндогенных и экзогенных факторов в этом
процессе. Функции пластид.
Хлоропласты. Структура и функции хлоропластов. Два пути развития хлоропласта из пропластиды,
роль света в этом процессе. Хлоропласт как элемент морфофизиологической характеристики
фотосинтетического аппарата листа. Внешняя и внутренняя мембраны хлоропласта: физикохимические и структурные различия.
Биохимическая характеристика стромы. Экспорт фотоассимилятов из хлоропласта (фосфатные
транслокаторы)
Принципы взаимодействия ядерного и хлоропластного геномов. Два типа РНК-полимераз:
ядерного и пластидного кодирования. Геном хлоропласта. Три группы хлоропластных генов,
различающиеся по промоторам. Особенности реализации генетической информации в
хлоропласте на уровне транскрипции, созревания пластидной РНК, трансляции. Регуляторная роль
света на стадии трансляции. Белки хлоропластного и ядерного кодирования. Транспорт белков в
хлоропласт: транслоказы, ферменты процессинга, шапероны и шаперонины. Биосинтез РБФК.
Деление хлоропластов. Наследование пластид. Роль амилопластов в развитии гравитропической
реакции корня.
Митохондрии.
Структура и функции митохондрий. Особенности митохондриального генома растений.
Характеристика внешней и внутренней мембран. Особенности фосфолипидного состава мембран
растительных Мх. Биохимическая характеристика матрикса. Роль растительных Мх в
анаболических процессах: НАДФ-изоцитратдегидрогеназа, НАД/НАДФ малик энзим, биосинтез
фолиевой к-ты, фотодыхание (глициндекарбоксилаза – главный белок в Мх листьев), ферменты
биосинтеза жирных к-т. Важные отличия
растительных митохондрий от животных.
Цианидрезистентное дыхание. Термогенез у растений. Митохондрии и программируемая
клеточная гибель.
Транспорт белков в Мх. Система белкового импорта: транслоказы внешней (TOM) и внутренней
мембран (TIM); ферменты процессинга; белки-шапероны, локализованые в цитозоле и белкишапероны и шаперонины в матриксе митохондрий, которые подключаются к транспорту белка
через мб и к последующей сборке импортируемых белков.
Зависимость структуры и количества митохондрий в клетке от ее функционального состояния.
Деление и рост растительной клетки.
Особенности деления растительной клетки (кариокинез и цитокинез). Регуляция клеточного
цикла. Детерминация положения плоскости деления. Формирование препрофазного кольца и
фрагмопласта при цитокинезе. Белки, регулирующие рост фрагмопласта. Неравное деление
растительной клетки определяет новые пути развития дочерних клеток.
Особенности роста растительной клетки: рост клетки растяжением; локальный тип роста и его
регуляция.
Частная физиология растительной клетки: замыкающие клетки устьиц и корневой волосок.
Замыкающие клетки устьиц. Строение замыкающих клеток, характерное для двудольных и
однодольных растений. Регуляция устьичных движений. Особенности фотосинтетических реакций
в устьичных клетках. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга
и основных механизмов клеточной регуляции.
Корневой волосок. Функции корневого волоска. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне
корневого апекса на примере арабидопсис. Распределение плазмодесм по поверхности
трихобласта и атрихобласта. Стадии формирования волоска в зоне поглощения. Роль
позиционной информации при формировании волоска. Роль корневого волоска при
формировании симбиоза с бактериями рода Rhizobium. Химическое узнавание ризобиями
корневого волоска своего растительного хозяина. Формирование инфекционной нити.
Метаболическая и пространственно-временная компартментация как способ регуляции
жизнедеятельности растительной клетки.
Развитие представлений о компартментации клеточных процессов. Компартментация ионов в
клетках корня на примере калия, нитрата, хлорида. Компартментация ионов кальция и ее роль в
клеточном сигналинге. Биохимическая компартментация фосфата.
Модели компартментации клеточных процессов: усвоения нитрата; фотодыхания;
гомеостатирования цитозоля.
Регуляторные системы растительной клетки
Роль генетического аппарата в интеграции метаболизма клетки. Ядерно-цитоплазматические
отношения. Системы внутриклеточных сигналов в системе мембрана-цитоплазма-ядро. Основные
типы сигнальных систем в растительной клетке.
Функциональные взаимодействия различных органоидов клетки, их изменения в клеточном
цикле и при ее дифференциации. Функциональная взаимосвязь органелл
на примере
фотодыхания.
Роль мембран в восприятии внешних сигналов клеткой и регуляция метаболизма клетки.
Раздражимость. Системы узнавания. Рецепторы. Лектины.
Аннотации лекций по спецкурсу «Структура и функции растительной клетки»
Лекция 1. Растительная клетка как структурно-функциональная единица растительного организма.
Различия между растительной и животной клетками. Основные типы растительных клеток и
тканей. Особенности клеточной архитектуры и клеточной химии у растений.
Внутриклеточная организация клетки как отражение типа ее специализации.
Тотипотентность растительной клетки.
Лекция 2. Клеточная стенка (КС). Химический состав и архитектура первичной КС. Структурные
полисахариды: целлюлоза, гликаны, пектины. Различия между однодольным и
двудольными по составу гемицеллюлоз. Клеточные стенки I и II типов. Белки КС.
Гликопротеины, обогащенные гидроксипролином. Семейство экспансинов. Белки,
обогащенные пролином: участие в регуляции прорастания, формирования сосудов ксилемы
и образования клубеньков. Арабиногалактановые белки: их свойства и функции. Белки,
обогащенные глицином. Ферменты КС. Инкрустирующие и адкрустирующие вещества,
минеральные вещества, вода. Биосинтез КС. Первичная и вторичная КС. Биосинтез
микрофибрилл целлюлозы и их самосборка. Клеточная стенка как фаза для внеклеточного
движения молекул воды, ионов, органических молекул.
Лекция 3. Мембранные системы растительной клетки. Общий принцип строения биомембран:
жидкомозаичная модель. Плазмалемма и ее функции: структурная, транспортная,
осморегуляторная, трансформация энергии, рецепторно-регуляторная, синтетическая.
Эндомембранные структуры: ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум (ЭР),
аппарат Гольджи, вакуолярная система, лизосомы, пероксисомы, глиоксисомы. Идея
онтогенетической непрерывности эндоплазматической сети. Понятия: симпласт, эндопласт,
апопласт.
Лекция 4. Эндоплазматический ретикулум (ЭПР). Три области ЭПР: выстилающая плазмелемму
изнутри; расположенная в области цитоплазмы и область, образующую ядерную оболочку.
Гладкий и шероховатый ЭПР, их функции. Биосинтез белка на шероховатом ЭПР. Функции
ЭПР в процессинге белков. Ферментные, окислительные и транспортные системы ЭПР.
Лекция 5. Плазмодесмы (Пд). Тонкая структура Пд. Транспорт веществ по Пд. Определение
пропускной способности Пд (SEL). Транспорт крупных белковых молекул (например,
факторов транскрипции) и вирусов (на примере вируса табачной мозаики) по Пд. Механизм
транспорта. Движущие белки (MP – moving protein). Изменение проницаемости плазмодесм
как способ регуляции транспорта по симпласту.
Лекция 6. Аппарат Гольджи (АпГ). Строение АпГ: диктиосомы, везикулы, межцистернальные
образования, область Гольджи транс-Гольджи сеть. Функции АпГ: биохимическая
модификация белка; «дозревание» белков, предназначенных для секреторного пути;
биосинтез полисахаридов матрикса клеточной стенки; секреторный путь транспорта.
Структурные и биохимические особенности АпГ в растительной клетке. Биохимическая
компартментация в АпГ. Актиномиозиновая система клетки обеспечивает движение стопок
Гольджи в клетке по принципу «остановились – пошли».
Лекция 7. Вакуолярная система. Функции вакуоли: поддержание тургора, гомеостатирование
цитоплазмы, запасание продуктов метаболизма, изолирование ксенобиотиков, разложение
компонентов цитоплазмы, защита от патогенов и травоядных, пигментация. Семь основных
путей формирования вакуолей. Белокзапасающиеи литические вакуоли. Белки – маркеры
вакуолярных мембран.
Лекция 8. Везикулярный транспорт. Рециклирование клеточных мембран. Характеристика
везикулярного транспорта. Клеточные структуры, участвующие в везикулярном транспорте:
ЭПР, комплекс Гольджи, превакуолярный компартмент, вакуоль, эндосома, плазмалемма.
Поверхностные белки (coat proteins) транспортных везикул, их тип в зависимости от
органеллы-донора и направления перемещения. От ЭПР к цис-Гольджи: 5 белков COP II; от
цис-Гольджи к ЭПР: 6 белков COP I. Клатриновые везикулы. Белки SNARE: v-SNARE и tSNARE. Реконструкция везикулярного транспорта в бесклеточной системе in vitro.
Цитозольные белки необходимые для везикулярного транспорта: G-белки (Rab-GTPase),
SNAREs-белки «ловушки», NSF (N-ethylmaleimide-sensitive factor), α-SNAP (soluble NSF
attachment factor).
Лекция 8. Цитоскелет и его функции. Элементы структуры цитоскелета: микротрубочки,
микрофиламенты, промежуточные филаменты. Микротрубочки: состав, полимеризация и
деполимеризация как основа динамики микротрубочек. Динеины и кинезины,
внутриклеточная подвижность, связанная с их активностью. Микроскопия Аллена.
Актиновый цитоскелет. Состав и динамика микрофиламентов. Белки ассоциированные с
микрофиламентами: Аrp – белки, белок ARPC5 и Arp2/3-комплекс и др. Роль G-белков в
организации актиновой сети. Взаимодействие МАПК реакций и актинового цитоскелета:
фосфорилирования актин-связывающих белков.
Лекция 9. Пластидная система. Общая характеристика пластидной системы растений.
Симбиотическая теория происхождения пластид. Основные типы пластид: пропластиды,
хромопласты, лейкопласты, этиопласты, хлоропласты. Особенности строения и
функционирования разных типов пластид. Взаимопревращения разных типов пластид и
роль эндогенных и экзогенных факторов в этом процессе. Функции пластид.
Деление хлоропластов. Наследование пластид. Роль амилопластов в развитии гравитропической
реакции корня. Принципы взаимодействия ядерного и хлоропластного геномов. Два типа
РНК-полимераз: ядерного и пластидного кодирования. Геном хлоропласта. Три группы
хлоропластных генов, различающиеся по промоторам. Особенности реализации
генетической информации в хлоропласте на уровне транскрипции, созревания пластидной
РНК, трансляции.
Лекция 10. Митохондрии. Структура и функции митохондрий. Характеристика внешней и
внутренней мембран. Особенности фосфолипидного состава мембран растительных Мх.
Биохимическая характеристика матрикса. Роль растительных Мх в анаболических
процессах: НАДФ-изоцитратдегидрогеназа, НАД/НАДФ малик энзим, биосинтез фолиевой кты, фотодыхание (глициндекарбоксилаза – главный белок в Мх листьев), ферменты
биосинтеза жирных к-т. Особенности митохондриальный генома растений.
Транспорт белков в Мх. Система белкового импорта: транслоказы внешней (TOM) и
внутренней мембран (TIM); ферменты процессинга; белки-шапероны, локализованые в
цитозоле и белки-шапероны и шаперонины в матриксе митохондрий, которые
подключаются к транспорту белка через мб и к последующей сборке импортируемых
белков. Важные отличия растительных митохондрий от животных. Цианидрезистентное
дыхание. Термогенез у растений. Митохондрии и программируемая клеточная гибель.
Лекция 11. Онтогенез растительной клетки. Клеточный цикл.Особенности роста растительной
клетки.Рост растяжением. Роль клеточной стенки в регуляции роста растяжением.
Молекулярные механизмы растяжения КС. Экспансины и кислый рост. Значение
везикулярного транспорта для роста растяжением. Локальный тип роста растительной
клетки. Примеры локального типа роста: клетки мостовой эпидермиса листа, пыльцевая
трубка, корневой волосок.
Лекция 12. Частная физиология растительной клетки. Замыкающие клетки устьиц. Строение
замыкающих клеток, характерное для двудольных и однодольных растений. Регуляция
устьичных движений. Особенности фотосинтетических реакций в устьичных клетках.
Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга и основных
механизмов клеточной регуляции.
Лекция 13. Частная физиология растительной клетки. Корневой волосок. Функции корневого
волоска. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере
арабидопсис. Распределение плазмодесм по поверхности трихобласта и атрихобласта.
Стадии формирования волоска в зоне поглощения. Роль позиционной информации при
формировании волоска. Роль корневого волоска при формировании симбиоза с бактериями
рода Rhizobium. Химическое узнавание ризобиями корневого волоска своего растительного
хозяина. Формирование инфекционной нити
Лекция 14. Регуляторные системы растительной клетки.
Метаболическая и пространственно-временная компартментация как способ регуляции
жизнедеятельности растительной клетки.
Вопросы промежуточного коллоквиума
1. Основные структурно-функциональные отличия растительной клетки от животной.
2. Архитектура и биохимический состав клеточной стенки. Функции клеточной стенки в
биологии растительной клетки.
3. Механизмы и масштабы везикулярного транспорта в растительной клетке.
4. Плазмодесмы и транспорт по симпласту. Механизм транспорта крупных белков через
плазмодесмы. Движущие белки (MP – moving protein).
5. Пластидная система растительной клетки. Структурно-функциональная и молекулярнобиологическая характеристика хлоропласта.
6. Триединый геном растительной клетки. Взаимодействие ядерного, хлоропластного и
митохондриального геномов.
7. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга.
8. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере арабидопсис.
Роль позиционной информации при формировании волоска.
Экзаменационные вопросы
1. Растительная клетка как структурно-функциональная единица растительного организма.
2. Тотипотентность растительной клетки.
3. Триединый геном растительной клетки. Взаимодействие ядерного, митохондриального и
хлоропластного
4. Химический состав и архитектура первичной КС.
5. Структурные полисахариды: целлюлоза, гликаны, пектины. Связи между полисахаридами
КС. Различия между однодольным и двудольными по составу гемицеллюлоз. Клеточные
стенки I и II типов.
6. Участие олигосахаридов КС в регуляции роста и развития растения, защите его от
болезней.
7. Разнообразие
растительных
вакуолей:
морфологические,
биохимические
и
физиологические показатели.
8. Роль ЭПР и аппарата Гольджи в биосинтезе белка.
9. Характеристика везикулярного транспорта. Клеточные структуры, участвующие в
везикулярном транспорте: ЭПР, комплекс Гольджи, превакуолярный компартмент,
вакуоль, эндосома, плазмалемма.
10. Транспорт веществ по плазмодесмам. Определение пропускной способности Пд (SEL).
Транспортные пути по симпласту: цитоплазматический и люменальный.
11. Элементы структуры цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные
филаменты.
12. Актиновый цитоскелет. Белки ассоциированные с микрофиламентами: Аrp – белки, белок
ARPC5 и Arp2/3-комплекс и др. Роль G-белков в организации актиновой сети.
13. Реорганизация
актинового цитоскелета в кончике растущего корневого волоска и
растущей пыльцевой трубки
14. Особенности строения и функционирования разных типов пластид. Взаимопревращения
разных типов пластид и роль эндогенных и экзогенных факторов в этом процессе.
15. Геном хлоропласта. Два типа РНК-полимераз в хлоропласте: ядерного и пластидного
кодирования.
16. Транспорт белков в хлоропласт: транслоказы, ферменты процессинга, шапероны и
шаперонины.
17. Важные отличия растительных митохондрий от животных. Цианидрезистентное дыхание.
18. Особенности деления растительной клетки. Детерминация положения плоскости деления.
Формирование препрофазного кольца и фрагмопласта при цитокинезе.
19. Особые растительные клетки: замыкающие клетки устьиц и корневой волосок.
20. Сравнительная характеристика разных типов роста растительной клетки: рост растяжением
и локальный тип роста.
21. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга и основных
механизмов клеточной регуляции.
22. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере арабидопсис.
23. Метаболическая и пространственно-временная компартментация как способ регуляции
жизнедеятельности растительной клетки
24. Функциональные взаимодействия различных органоидов клетки, их изменения в
клеточном цикле и при ее дифференциации.
ЛИТЕРАТУРА
«Физиология растений», под редакцией проф. И.П.Ермакова.
«Академия», 2005, с. 11-85 (Гл. 1 «Растительная клетка»).
М.:Издательский
центр
Медведев С.С. «Физиология растений». Изд-во С.-Пб Университета, 2004, с. 9-28 (Гл.1
«Особенности строения растительной клетки».)
Саламатова Т.С. Физиология растительной клетки. Л., Изд-во Ленинградского ун-та. 1983. с. 231
Албертс Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. Т. 3, М.: Мир, 1994, с.
382-440 (Гл. 20 «Особенности растительных клеток»).
Biochemistry & Molecular Biology of Plants, B.Buchanan, W.Gruissem, R.Jones, Eds. 2000, American
Society of Plant Physiologists
Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф. «Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические
аспекты». М.: Изд-во МГУ, 1992, с. 24-40 (Гл. 2 «Структурная и биохимическая
организация аппарата фотосинтеза»)
Соствитель: доцент Харитонашвили Е.В.