BIOLOGIJA RASTLINSKE CELICE Teze predavanj. Marina DERMASTIA

Transcript

1 BIOLOGIJA RASTLINSKE CELICE Teze predavanj Marina DERMASTIA

2 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 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

4 4 Biologija celice (rastlinska celica) 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

5 5 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

6 6 Biologija celice (rastlinska celica) 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, CO 2, 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).

7 7 Biologija celice (rastlinska celica) 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 C 6 H 12 O 6. 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 (C 5 H 10 O 5 ), deoksiriboza (C 5 H 10 O 4 ), glukoronska kislina in galakturonska kislina (C 6 H 10 O 7 ) in ramnoza (C 6 H 12 O 5 ). 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).

8 8 Biologija celice (rastlinska celica) 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 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/mm 2. 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.

9 9 Biologija celice (rastlinska celica) 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 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.

10 10 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

11 11 Biologija celice (rastlinska celica) 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

12 12 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

13 13 Biologija celice (rastlinska celica) 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

14 14 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

15 15 Biologija celice (rastlinska celica) 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

16 16 Biologija celice (rastlinska celica) 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

17 17 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

18 18 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

19 19 Biologija celice (rastlinska celica) 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 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.

20 20 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

21 21 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

22 22 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

23 23 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

24 24 Biologija celice (rastlinska celica) 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

25 25 Biologija celice (rastlinska celica) 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,

26 26 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

27 27 Biologija celice (rastlinska celica) 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

28 28 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

29 29 Biologija celice (rastlinska celica) Ko začne enkrat jedro podvojevati svojo DNA in postane poliploidno, se proces lahko nadaljuje do 8192 kopij DNA pri fižolu ali celo do 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.

30 30 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

31 31 Biologija celice (rastlinska celica) 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.

32 32 Biologija celice (rastlinska celica) 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

33 33 Biologija celice (rastlinska celica) 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.