Спецкурс « 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 (α-, δ-, и γ-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), б-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: физико-химические 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 белки-шапероны 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 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), б-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 к-ты, 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

Основные структурно-функциональные отличия растительной клетки от животной. Архитектура и биохимический состав клеточной стенки. Функции клеточной стенки в биологии растительной клетки. Механизмы и масштабы везикулярного транспорта в растительной клетке. Плазмодесмы  и транспорт по симпласту. Механизм транспорта крупных белков через плазмодесмы. Движущие белки (MP – moving protein). Пластидная система растительной клетки. Структурно-функциональная и молекулярно-биологическая характеристика хлоропласта. Триединый геном растительной клетки. Взаимодействие ядерного, хлоропластного и митохондриального геномов. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере арабидопсис. Роль позиционной информации при формировании волоска.

Экзаменационные вопросы

Растительная клетка как структурно-функциональная единица растительного организма. Тотипотентность растительной клетки. Триединый геном растительной клетки. Взаимодействие ядерного, митохондриального и хлоропластного 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. Участие олигосахаридов КС в регуляции роста и развития растения, защите его от болезней. Разнообразие растительных вакуолей: морфологические, биохимические и физиологические показатели. Роль ЭПР и аппарата Гольджи в биосинтезе белка. Характеристика везикулярного транспорта. Клеточные структуры, участвующие в везикулярном транспорте: ЭПР, комплекс Гольджи, превакуолярный компартмент, вакуоль, эндосома, плазмалемма. Транспорт веществ по плазмодесмам.  Определение пропускной способности Пд (SEL). Транспортные пути по симпласту: цитоплазматический и люменальный. Элементы структуры цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты. Актиновый цитоскелет. Белки ассоциированные с микрофиламентами:  Аrp – белки, белок ARPC5 и Arp2/3-комплекс и др. Роль G-белков в организации актиновой сети. Реорганизация  актинового цитоскелета в кончике растущего корневого волоска и растущей пыльцевой трубки Особенности строения и функционирования разных типов пластид. Взаимопревращения разных типов пластид и роль эндогенных и экзогенных факторов в этом процессе. Геном хлоропласта. Два типа РНК-полимераз в хлоропласте: ядерного и пластидного кодирования. Транспорт белков в хлоропласт: транслоказы, ферменты процессинга, шапероны и шаперонины. Важные отличия  растительных митохондрий от животных. Цианидрезистентное дыхание. Особенности деления растительной клетки. Детерминация положения плоскости деления. Формирование препрофазного кольца и  фрагмопласта при цитокинезе. Особые растительные клетки: замыкающие клетки устьиц и корневой волосок.  Сравнительная характеристика разных типов роста растительной клетки: рост растяжением и  локальный тип роста. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга и основных механизмов клеточной регуляции. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере арабидопсис. Метаболическая и пространственно-временная компартментация как способ регуляции жизнедеятельности растительной клетки Функциональные взаимодействия различных органоидов клетки, их изменения в клеточном цикле и при ее дифференциации.

ЛИТЕРАТУРА

«Физиология растений», под редакцией проф. . М.:Издательский центр «Академия», 2005, с. 11-85 (Гл. 1 «Растительная клетка»).

«Физиология растений». Изд-во С.-Пб Университета, 2004, с. 9-28 (Гл.1 «Особенности строения растительной клетки».)

Физиология  растительной  клетки. Л., Изд-во Ленинградского ун-та. 1983. с. 231

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

, «Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты». М.: Изд-во МГУ, 1992, с. 24-40 (Гл. 2 «Структурная и биохимическая организация аппарата фотосинтеза»)

Соствитель: доцент