Učební text k přednášce Bi4060 na přírodovědecké fakultě MU v Brně.
Určeno pouze ke studijním účelům. Autor textu Jan Gloser.
1. ČÁST - TRANSPORTNÍ PROCESY
Předkové dnešních rostlin žijící v pravěkých mořích postupně získali velmi dobrou
funkční výbavu k fotoautotrofnímu způsobu života, ovšem k pobytu mimo vodní prostředí to
zdaleka nepostačovalo. Jejich další vývoj, vrcholící úspěšnou kolonizací všech kontinentů,
byl záležitostí neobyčejně složitou a dlouhodobou. V prvé řadě bylo potřeba získat
dostatečnou schopnost vzdorovat stále hrozícímu nedostatku vody: buď tolerovat její velkou
ztrátu v buňkách a obnovovat veškeré funkce i po téměř úplném vyschnutí, nebo umět lépe
s nedostatkovou vodou hospodařit. To znamenalo především osvojit si způsob jejího
získávání v hlubších vrstvách půdy specializovanými orgány, rychle ji přivádět do
nadzemních částí, a účinně omezit její ztráty. Nemenší problémy měly první terestrické
rostliny i se získáváním minerálních živin. Difuse jakožto převažující transportní
mechanismus u vodních rostlin nebyl zdaleka schopen zabezpečit potřeby nových obyvatel
souše. Postupné strukturní změny umožňující dálkový transport vody a rozpuštěných látek
cévními svazky, syntéza nových materiálů zvyšujících mechanickou pevnost a odolnost
rozměrnějších těl (lignin a některé další sekundární metabolity), či dokonalá regulace výměny
plynů pomocí kutikuly a průduchů na povrchu listů - to všechno mělo obrovský dopad na
zrychlení a dlouhodobou aktivitu fotosyntetických procesů a s nimi spojenou rychlost růstu.
Transportní procesy u cévnatých rostlin jsou překvapivě komplikovanější než u živočichů.
Množství transportovaných látek (zejména vody a CO2) je u rostlin neobyčejně velké, a
jejich výměny s okolím jsou uskutečňovány současně ve dvou zcela odlišných typech
prostředí (půda – atmosféra). U rostlin je na rychlém vnitřním transportu roztoků závislé
i šíření regulačních signálů, neboť ty jsou převážně chemické, nikoli elektrické povahy.
Přitom rostliny nemají k dispozici žádnou mechanickou „pumpu“, která by uváděla
transportované látky do pohybu. To vše je dobrým důvodem k tomu, abychom se seznámili
alespoň se základními principy, na kterých je založena jednak výměna látek mezi rostlinou a
jejím okolím, a také mezibuněčné a meziorgánové přesuny životně důležitých sloučenin.
TRANSPORTNÍ PROCESY 1
Příjem a transport vody
Voda je základní složkou všech živých rostlin, nutnou pro udržení jejich struktury
i funkcí. Naprostá většina transportních procesů v rostlinách se odehrává ve vodných
roztocích, stejně tak všechny biochemické reakce. Voda v těle rostlin není dlouhodobě
zadržována, ale neustále odchází ve formě vodní páry do atmosféry. Za průměrného letního
dne dosahuje množství přijaté a opět vydané vody několikanásobku celkového obsahu vody
ve všech orgánech. Suchozemské rostliny jsou totiž obvykle vystaveny silně "výparným"
podmínkám, tedy vzduchu se značným deficitem vodní páry. Přitom nemohou mít povrch
svých orgánů neprodyšně uzavřený, neboť potřebují přijímat ze vzduchu životně důležitý
oxid uhličitý. Schopnost tolerovat větší ztráty vody má jen poměrně malá skupina
poikilohydrických rostlin (např. lišejníky a některé mechy). Naprostá většina ostatních (které
se označují jako homoiohydrické) musí stále udržovat obsah vody v pletivech na vysokých
hodnotách. Již při ztrátě asi poloviny z celkového obsahu vody (při plném nasycení) jsou tyto
rostliny nevratně poškozeny a hynou. Proto také zabezpečení rychlého příjmu a transportu
vody i regulace jejího výdeje patří mezi prioritní fyziologické funkce rostlin.
Chemický potenciál vody - základní vztahy
Správné pochopení podstaty a průběhu transportních procesů v rostlinách je možné pouze
tehdy, máme-li alespoň základní znalosti o energetice fyzikálně-chemických soustav a o
obecných vlastnostech roztoků. Tato problematika je podrobně popsána v celé řadě běžně
dostupných učebnic fyzikální chemie, kde v případě hlubšího zájmu lze najít příslušné
informace. Připomeňme si jen několik těch skutečně nejdůležitějších pojmů a vztahů.
Tok vody mezi dvěma místy v rostlině může nastat pouze tehdy, jestliže voda na těchto
místech má rozdílný chemický potenciál. Voda vždy proudí z místa na kterém má vyšší
chemický potenciál do místa s potenciálem nižším (pochopitelně za předpokladu, že mezi
těmito místy existuje spojení umožňující průtok). Toto základní pravidlo by nám však v praxi
příliš nepomohlo, pokud bychom nebyli schopni posoudit, jaké okolnosti mohou měnit
hodnotu chemického potenciálu vody v jednotlivých částech rostliny.
Voda v rostlinách se obvykle nevyskytuje v čistém stavu, ale jako součást roztoků.
Hodnota chemického potenciálu vody v roztoku závisí především na množství látek v ní
rozpuštěných a dále na tlaku, kterému je v buňkách vystavena.
TRANSPORTNÍ PROCESY 2
Čím vyšší je vnitrobuněčný, hydrostatický tlak v buňkách (označovaný též jako turgorový
tlak či turgor), tím vyšší hodnotu má i chemický potenciál vnitrobuněčné vody. S koncentrací
rozpuštěných látek (solutu) naopak chemický potenciál vody klesá, neboť aktivita molekul
vody je omezována interakcemi s molekulami solutu.
Snížení chemického potenciálu vody vlivem rozpuštěných látek lze nejsnadněji odvodit
ze snížení tlaku vodních par nad roztokem. Pokud se mezi vodou v kapalné a v plynné fázi
ustaví rovnováha, pak i chemické potenciály obou fází musí být shodné. Pokles chemického
potenciálu je snáze měřitelný u vody v plynné fázi, a sice ze snížení tlaku vodních par v
nasyceném stavu (či z dalších charakteristik, které jsou na tomto tlaku přímo závislé, jako je
např. hustota vodních par nebo relativní vlhkost vzduchu).
Kromě přímého měření můžeme snížení tlaku vodních par také vypočítat z koncentrace
roztoku vyjádřené molárním zlomkem vody. Podle Raoultova zákona musí být tlak
nasycených vodních par nad roztokem (pv
r
) roven součinu tlaku nasycených vodních par nad
čistou vodou (pv
o
) a molárního zlomku vody (Xv):
pv
r
= pv
o
. Xv
Hodnotu chemického potenciálu vody v roztoku (µv
r
, za všech ostatních podmínek ve
standardním stavu) pak můžeme vypočítat ze vztahu:
µv
r
= µv
o
+ RT ln Xv
µv
o
= chemický potenciál čisté vody (J mol-1
),
R = plynová konstanta (8,314 J mol-1
K-1
),
T = absolutní teplota (K).
Chemický potenciál vody je hodnotou relativní (což ostatně platí o potenciálech obecně),
udává tedy vždy jen rozdíl mezi energetickým stavem vody za aktuálních podmínek a za
podmínek standardních. Hodnota µv
o
a příslušné standardní podmínky za kterých platí jsou
věcí dohody.
Snížení chemického potenciálu vody vlivem rozpuštěných látek lze odvodit také jiným
způsobem, a sice z měření (či výpočtu) osmotického tlaku.
TRANSPORTNÍ PROCESY 3
TRANSPORTNÍ PROCESY 4
Osmotický tlak je definován jako tlak, kterým musíme působit na roztok, abychom
zabránili samovolnému pronikání molekul rozpouštědla, které je v čistém stavu odděleno od
roztoku polopropustnou membránou. U roztoků, které nemáme uzavřené v takovéto měrné
soustavě, vyjadřují hodnoty osmotického tlaku pouze jejich potenciální schopnost tento tlak
za vhodných podmínek způsobit. Proto se také někdy používá termín osmotický potenciál.
Závislost osmotického tlaku (či osmotického potenciálu) na koncentraci roztoku, který je v
kontaktu s čistou vodou, popsal na základě přímých měření van't Hoff:
π = RT C i
π = osmotický tlak (Pa)
C = koncentrace vyjádřená molalitou roztoku (počet molů rozpuštěné látky na 1 kg vody),
i = parametr zohledňující disociaci (ionizaci) molekul rozpuštěné látky a jiné odchylky od
ideálního roztoku.
Vodní potenciál a jeho dvě hlavní složky
Chemický potenciál vyjadřujeme obvykle v jednotkách energie na jednotku množství
látky, zatímco v biologických systémech jsou z řady důvodů praktičtější jednotky tlaku.
Nejde jen o zmíněný a snadno měřitelný osmotický tlak. Aktivitu vody v rostlinách velice
ovlivňuje i hydrostatický tlak a adhezní síly, také lépe měřitelné v tlakových jednotkách.
Proto se v biologii častěji používají jako měřítko volné energie vody transformované
hodnoty chemického potenciálu, označované jako vodní potenciál (Ψ): Vodní potenciál je
chemický potenciál vody v systému vyjádřený v jednotkách tlaku a srovnávaný s chemickým
potenciálem čisté vody za atmosférického tlaku a téže teploty.
µv
r
- µv
o
Ψ =
Vv
Ψ = vodní potenciál (Pa)
µv
r
= chemický potenciál vody v roztoku (obecně v systému),
µv
o
= chemický potenciál čisté vody,
Vv = molární objem vody (18.016 cm3
mol-1
).
Převedení na jednotky tlaku je umožněno vztažením rozdílu chemických potenciálů na
objemovou jednotku (Vv). Mezi vodním potenciálem a chemickým potenciálem vody existuje
prakticky lineární závislost, neboť molární objem vody je veličinou téměř konstantní. Je
proto samozřejmě možné popisovat stejné děje v rostlinách jak hodnotami vodního
potenciálu, tak i původního chemického potenciálu.
Referenční hodnota chemického potenciálu čisté vody (µv
o
), je pro výpočet vodního
potenciálu konvenčně brána jako nulová za atmosférického tlaku a téže teploty, jako má voda
v systému, což zjednodušuje výpočty. Současně to znamená, že hodnoty vodního potenciálu
roztoků v rostlinách jsou téměř vždy záporné (= nižší než chemický potenciál čisté vody).
Pro vodní potenciál v rostlinách platí totéž, co již bylo řečeno na začátku této kapitoly ve
spojitosti s chemickým potenciálem vody: je zvyšován působením hydrostatického tlaku
(obvykle jde o turgorový tlak v buňkách), a naopak snižován vzrůstající koncentrací
rozpuštěných látek. Vliv koncentrace lze na společné tlakové jednotky převést nejsnadněji
pomocí osmotického tlaku (π), jak již bylo vysvětleno. Potom platí (zjednodušeně):
Ψ = p - π
Je důležité si uvědomit, že hydrostatický tlak (p) v tomto vztahu považujeme za nulový,
pokud má stejnou hodnotu jako tlak vzduchu v okolní atmosféře (i když v absolutním měřítku
nemá tlak vzduchu v atmosféře nulovou hodnotu, ale přibližně +0,1 MPa!). Pokud tedy tlak v
buňkách poklesne na hodnotu tlaku vzduchu v okolí rostliny (např. při ztrátě turgoru za
nedostatku vody, který se projeví vadnutím rostliny), pak vodní potenciál buněk bude číselně
roven osmotickému tlaku jejich vnitřních roztoků (ovšem se záporným znaménkem).
Pokud by však došlo v buněčných strukturách k poklesu tlaku pod hodnotu tlaku vzduchu
v okolní atmosféře (což označujeme jako podtlak nebo též napětí), hodnota p pak bude
záporná a to způsobí pokles vodního potenciálu pod hodnotu danou osmotickým tlakem.
K tomu běžně dochází při transportu vody ve vodivých elementech xylému, kde se výparem z
listů vytváří podtlak snižující vodní potenciál transportovaných roztoků.
Hodnoty koncentrační (osmotické) i tlakové složky vodního potenciálu se mohou v
různých částech rostliny poměrně rychle měnit, a tudíž i jejich relativní významnost pro
výsledný vodní potenciál může být různá. Dosti užitečné je vycházet ze zjednodušené
představy buňky jako osmotického systému, odděleného od apoplastového okolí polopropustnou
plazmatickou membránou (viz obrázek na předcházející straně). V takovém
případě musí dojít v ustáleném stavu k vyrovnání chemického potenciálu vody (vodního
potenciálu) uvnitř buňky s chemickým potenciálem vody ve vnějším prostředí. Pokud tedy
mají buňky ve svém okolí dostatek „čisté“ vody (mám teď na mysli vodu s minimálním
obsahem solí, jaká obvykle bývá v apoplastu), pak i při velkém obsahu osmoticky aktivních
látek ve vakuole či v cytosolu může vodní potenciál těchto buněk dosáhnout téměř maximální
(nulové) hodnoty.
Osmotickým příjmem vody se může uvnitř buněk zvýšit hydrostatický tlak natolik, že zcela
kompenzuje negativní působení rozpuštěných látek (= osmotické složky) na snížení vodního
potenciálu (p - π = 0). Při dostatečně pevných, téměř neroztažných buněčných stěnách (které
jsou charakteristické právě jen pro rostlinné buňky), stačí k tomuto zvýšení hydrostatického
tlaku příjem velmi malého množství vody. Současně však platí, že při velmi malé ztrátě vody
rychle poklesá vodní potenciál.
TRANSPORTNÍ PROCESY 5
Další, méně významné složky vodního potenciálu
Na rozdíl od běžného stanovování chemického potenciálu látek v chemickém výzkumu,
při práci s rostlinami se jedná o systémy komplexnější a rozměrnější. Při transportu vody do
větších výšek (tedy především u stromů), je potřeba dodat jisté množství energie na
překonání gravitace. Potom tedy platí, že voda (čistá či v roztoku) ve větší výšce než je
referenční vzorek (téhož složení a za téhož tlaku) má vodní potenciál zvýšený o gravitační
složku. Při transportu vody do výšky 10 metrů nad místem jejího příjmu je hodnota vodního
potenciálu této vody zvýšena přibližně o 0,1 MPa, při transportu do 100 m pak o 1 MPa..
Kromě tlakové, osmotické a gravitační složky vodního potenciálu se někdy uvádí ještě
další, označovaná jako složka matriční, která způsobuje snížení vodního potenciálu při
interakci molekul vody s povrchy pevných látek. V běžném vodním režimu rostliny má vcelku
zanedbatelný význam. K matriční složce vodního potenciálu se například počítá snížení
vodního potenciálu vazbou molekul vody na koloidní částice v půdě, na struktury uvnitř
buňky (např. proteiny, membrány), a v buněčných stěnách (fibrily celulozy). Molekuly vody
mohou vytvářet velmi tenké hydratační obaly kolem pevných částic, ve kterých jsou poutány
silami o velikosti i několika desítek MPa. Pokud je ovšem přítomna také voda hydratačně
nevázaná (což je vždy kromě případů extrémního vyschnutí), pak její vodní potenciál určuje
celkový vodní potenciál v příslušné struktuře.
Vazba vody v buněčných stěnách, zahrnovaná též někdy do matričního potenciálu, může
být i poněkud jiného charakteru. Jde o vodu poutanou kapilárními silami (o kterých se ještě
zmíním později) v jemných pórech těchto stěn. Vlivem adheze molekul vody k pevným
stěnám pórů (tedy v podstatě kapilár), dochází ke snížení hydrostatického tlaku ve vodním
sloupečku pod úrovní menisku. Proto lze její vliv na snížení vodního potenciálu v buněčné
stěně zahrnout spíše do tlakové složky (p). Tlakový rozdíl způsobený kapilárními silami ve
vysychajících buněčných stěnách (i u mrtvých buněk, např. dřeva) může dosáhnout opět
řádově desítky MPa. Prakticky se projevuje např. při botnání dřeva a suchých semen (imbiční
síly). Jak uvidíme později, kapilární síly mají zásadní význam i pro transport vody ve xylému.
Pomocí hodnot vodního potenciálu (Ψ) můžeme poměrně jednoduchým způsobem
kvantifikovat termodynamický stav vody nejen v rostlině, ale i v jejím okolí. To má zvlášť
velký význam pro ekologickou fyziologii, která studuje interakce rostlin s prostředím. Při
studiu vodního režimu rostlin se obvykle snažíme o kvantifikaci celého toku vody z půdy přes
rostlinu do atmosféry. Voda protéká tímto směrem jen v tom případě, pokud existuje stálý
rozdíl mezi hodnotami Ψ půdní vody v okolí kořenů (kde musí být nejvyšší) a hodnotami Ψ
TRANSPORTNÍ PROCESY 6
TRANSPORTNÍ PROCESY 7
vody v orgánech rostliny (postupně klesající od kořenů k listům). Nejnižší hodnotu Ψ pak
musí mít voda (ve formě vodní páry) ve vzduchu v okolí listů (viz obrázek na str. 12).
Hodnoty Ψ půdy jsou za příznivých vlhkostních podmínek velmi vysoké (blízké nule), neboť
koncentrace solí v půdním roztoku bývá obvykle velmi malá a tlaková složka se zde
prakticky neuplatňuje - vzduch v půdních pórech má stejný tlak, jaký je v okolní atmosféře.
Naopak vodní potenciál vzduchu v okolí nadzemních částí rostlin bývá v denních hodinách
velice nízký. Jeho hodnotu lze vypočítat z naměřené relativní vlhkosti vzduchu (w, vyjádřené
desetinným zlomkem v logaritmickém tvaru) a teploty (T, v Kelvinech), protože poměr mezi
plynovou konstantou (R) a molárním objemem vody(Vv) je téměř stálý:
RT
Ψ (MPa)=
Vv
ln w = 0,4618 . T . ln w
Je-li tedy např. relativní vlhkost vzduchu 0,5 (tedy 50%, což je běžné) a teplota vzduchu
20 oC (= 293,15 K), pak Ψ = -93,8 MPa. V nočních hodinách však často bývá vzduch
nasycen vodní parou (100% relativní vlhkost) - v tom případě Ψ vzduchu se radikálně zvýší
na hodnotu blízkou nule a tok vody celým systémem se zastaví.
Příklady hodnot vodního potenciálu (vše v MPa).
1 M roztok glukózy (nedisociující látka) -2,5
1 M roztok NaCl (v roztoku disociuje) -4,4
vlhká půda -0,01 až -0,05
půda vyschlá k bodu trvalého vadnutí -1,5
kořeny -0,1 až -1,5
listy (v průběhu dne, bez plné turgescence) -0,2 až -2,0
vzduch při relativní vlhkosti 100 %
vzduch při relativní vlhkosti 98 %
vzduch při relativní vlhkosti 70%
-0,0
-2,7
-48,3
Příjem vody kořeny a radiální transport
Kořeny jsou hlavním místem vstupu vody z vnějšího prostředí do rostliny. Nejaktivnější
zóna příjmu vody u mladých kořenů leží asi 10 až 50 mm od kořenové špičky, tedy tam, kde
obvykle dochází k největší tvorbě kořenových vlásků. V této části kořene bývají již dokonale
vyvinuty vodivé elementy xylému. U starších částí kořene sorpční aktivita klesá, hlavně v
důsledku suberinizace (zkorkovatění) jejich povrchových pletiv. Avšak i u těchto kořenů je
obvykle příjem vody měřitelný a vzhledem k jejich ploše i dosti významný.
Kořenové vlásky jsou modifikované epidermální buňky, ale jejich schopnost přijímat vodu
pro vodu (vztaženo na jednotku povrchu) není o nic větší než u ostatních epidermálních
buněk. Výrazně se však podílejí na zvětšení celkového sorpčního povrchu kořenů i na
zvětšení objemu půdy, který může celá kořenová soustava využívat. Vzhledem ke svým
rozměrům pronikají i do velmi malých pórů v půdních strukturách, ve kterých se v suché
půdě nejdéle udržují zbytky vody.
Příjem vody z půdy do kořenů je možný pouze tehdy, je-li vodní potenciál půdního
roztoku vyšší než vodní potenciál vody v kořenech (v opačném případě by mohlo docházet i
k toku vody z rostliny do suché půdy!). Rychlost příjmu vody závisí jednak na velikosti
rozdílů (gradientu, spádu) vodních potenciálů, jednak na hydraulické vodivosti kořenových
pletiv v příčném (radiálním) směru, tedy od epidermis ke xylému. Obvykle se rozlišují dvě
hlavní možnosti pohybu vody v radiálním směru: apoplastová cesta, při které voda do
cytoplazmy nevstupuje, ale pohybuje se pouze buněčnými stěnami a volnými mezibuněčnými
prostory, a symplastová cesta, kdy voda vstupuje do cytoplazmy a pokračuje v dalším
pohybu pouze v symplastu:
Schema symplastové a apoplastové cesty transportu vody a rozpuštěných látek v kořenových pletivech.
Obvykle se současně využívají obě cesty. Vstup vody do symplastu (tedy z buněčných stěn
do protoplastů kořenových buněk přes jejich plasmatické membrány) je možný podél celého
apoplastového toku. Přesto odpor, který musí voda překonávat při poměrně krátkém
radiálním transportu, může být někdy vyšší než při toku vodivými elementy xylému.
Souvislý tok vody apoplastovou cestou buněčnými stěnami z epidermis až do xylému
(který je také apoplastovou strukturou), tedy bez jediného přestupu přes cytoplazmatickou
membránu, není možný. V cestě tomuto toku stojí totiž suberinem impregnované (a tudíž pro
vodu nepropustné) radiální části buněčných stěn v endodermis (Caspariho proužky). Navíc,
jak bylo nyní dokázáno, u kořenů většiny rostlin (88% druhů z dosud zkoumaných 52 čeledí)
je vyvinuta kromě endodermis ještě exodermis, což je podpokožková vrstva buněk s
obdobnou stavbou jakou má endodermis. buňky těchto vrstev nejsou samozřejmě zcela
nepropustné pro vodu - ta ovšem musí nejprve vstoupit přes plasmatickou membránu do
jejich vnitřního roztoku (cytosolu), tedy do symplastu. Další mezibuněčný transport vody a
rozpuštěných látek velmi usnadňují hojná plazmodezmata, což jsou volně propustné kanálky
v buněčné stěně nepokryté plazmatickou membránou. Vstup vody do vodivých elementů
xylému je ale opět spojen s přestupem přes plazmatickou membránu přiléhajících buněk. Na
vytvoření nezbytného gradientu (snížením vodního potenciálu v blízkosti xylému) má hlavní
podíl podtlak v xylému (zejména v denních hodinách při výparu vody z listů).
Transmembránový transport vody
Příjem vody do rostliny i vnitrobuněčné přesuny vody mezi cytosolem a organelami jsou
neodmyslitelně spojeny s transportem přes biologické membrány. Jedině díky membránám
mohou rostlinné buňky (ale i jejich součásti, zejména vakuoly) fungovat jako osmoticky
aktivní systémy. Biologické membrány ovšem nejsou propustné pouze pro vodu, ale též, i
když mnohem méně, pro rozpuštěné látky. Nemohou být propustné jen pro vodu už z toho
důvodu, že rostlina musí přijímat a transportovat ionty solí i menší organické molekuly.
Odchylky od vlastností ideálně polopropustné membrány způsobují, že buňky nemohou
nikdy dosáhnout takového turgorového (hydrostatického) tlaku, který by odpovídal teoretické
hodnotě osmotického tlaku, i kdyby byla v jejich okolí čistá voda.
Většina molekul vody proniká přes biologické membrány přes póry vytvářené speciálními
transmembránovými proteiny (akvaporíny), s vysokou transportní kapacitou a specifitou
právě jen pro molekuly vody. Jejich struktura a funkce je blíže popsána na str. 25 a 26.
Rostliny mohou jejich počet (plošnou hustotu) v membránách poměrně rychle měnit
(syntézou či rozkladem) podle aktuální potřeby, tedy zda je za daných okolností žádoucí
zrychlit či zpomalit transport. Akvaporínů je celá řada typů (= proteinů kódovaných
TRANSPORTNÍ PROCESY 8
odlišnými geny) i u téže buňky. Akvaporíny v rostlinných buňkách (na rozdíl od živočišných)
nejsou pouhé trvale otevřené kanálky (tedy pravé poríny), jak se dříve soudilo, ale mají
schopnost se v případě potřeby zavírat (např. za nedostatku vody v půdě či při zaplavení
půdy). V otevřeném stavu je však jejich transportní kapacita neobyčejně vysoká, řádově asi
jedna miliarda (109
) molekul vody za sekundu. V každém případě se jedná o transport
pasivní, který není spojen se spotřebou metabolické energie.
Hybnou silou transportu vody přes membrány je rozdíl vodních potenciálů roztoků na
obou stranách membrány (∆Ψ), který je ovšem daný rozdílem tlaků (∆p) a koncentrací
roztoků (vyjádřené rozdílem jejich osmotických tlaků, ∆π ). K tomu ještě přistupují
specifické vlastnosti membrány (např. plošná hustota a stupeň otevřenosti akvaporinů)
vyjádřené v hodnotách její hydraulické vodivosti, Lp)
Rychlost toku vody přes membránu (J, m.s-1
) je pak:
J = Lp. ∆Ψ = Lp.(∆p - ∆π )
Transport vody v xylému
Dálkový (meziorgánový) transport vody v rostlinách probíhá v daleko největší míře ve
specializovaných transportních pletivech. Vodivé elementy dřeva (xylému) bývají tvořeny
cévami (tracheje) a cévicemi (tracheidy). U evolučně starších rostlin (především
nahosemenných) nalézáme jen tracheidy.
Tok vody xylémem je v podstatě fyzikální proces, a proto jeho mechanismus je dnes již
docela dobře znám. Podle všeobecně uznávané kohezní teorie je hybnou silou transportu
vody podtlak (tlak menší než atmosférický) ve vodivých elementech xylému, způsobený
vypařováním vody v nadzemních částech, tedy na samém konci vodivých drah. Tato teorie
byla navržena již na počátku minulého století (Münch 1930), avšak bylo nutné postupně
ověřovat základní předpoklady pro fungování celého mechanismu, jako například:
- může vůbec vzniknout v zakončení xylému dostatečně velký podtlak a jakým způsobem ?
- má vodní sloupec v cévách natolik velkou soudržnost, aby při velkém snížení tlaku
nedošlo k jeho přetržení?
- jakým mechanismem je zabezpečen celý systém proti náhodným poruchám (zejména
proti ucpání cév a cévic bublinkami plynů)?
Hlavní síly, které táhnou dlouhé sloupce vody v cévách směrem vzhůru, je tedy nutno
TRANSPORTNÍ PROCESY 9
hledat v buněčných stěnách listového mezofylu. Voda v úzkých pórech mezi mikrofibrilami
celulózy má velmi ostrý úhel smáčení, daný vysokou přilnavostí (adhezí) molekul vody k
celulózovým povrchům. Vezmeme-li ještě v úvahu vysoké povrchové napětí vody, pak
negativní tlak, který se v těchto pórech (mikrokapilárách) může pod sloupečky vody vytvořit,
je značný (viz rámeček níže).
Zvláštní význam má malý průměr kapilárních pórů, neboť velikost negativního tlaku je
na něm úzce závislá. Voda může v kapilárních trubicích xylému zajisté také vzlínat do jisté
výšky, a to i bez napojení na listová pletiva. V cévách o průměru např. 100 µm se kapilaritou
sníží tlak asi o 0,003 MPa pod hodnotu tlaku atmosférického, což postačuje k vyzdvižení
sloupečku vody do výšky pouze 0,3 m. To by ovšem bylo pro transport vody u většiny
vyšších rostlin nedostatečné. Kapilární póry v buněčných stěnách jsou však mnohem tenčí mají
průměr jen asi 10 nm. V tom případě lze dosáhnou snížení tlaku až o 30 MPa, což by
čistě teoreticky mělo postačovat na transport vody až do výšky 3000 m. V dynamickém
systému se stálým tokem (při výparu z listů) však takovýchto hodnot nelze dosáhnout, neboť
je potřeba vynaložit jistou sílu i na překonání tření transportované vody o stěny vodivých
elementů. Nicméně pro transport i do korun těch nejvyšších stromů (což je asi 100 metrů) by
měl být vytvořený podtlak naprosto dostatečný.
Obecné schéma rozložení sil určujících velikost "samovolného" vzestupu sloupečku vody v kapilárách.
Velmi zjednodušené znázornění principu funkce xylémové soustavy v rostlinách, složené ze dvou typů
kapilár. Na velmi úzké a krátké kapiláry (tvořené póry v buněčných stěnách listového parenchymu) jsou
napojeny široké a dlouhé kapiláry xylému.
TRANSPORTNÍ PROCESY 10
TRANSPORTNÍ PROCESY 11
Systém tenkých kapilár v buněčných stěnách, ve kterém lze dosáhnout velkého snížení tlaku,
je ale samostatně (bez napojení na širší kapiláry v xylému) nepoužitelný pro transport vody
na delší vzdálenosti, neboť klade toku vody velký odpor (třením molekul vody o stěny). Ten
totiž vzrůstá nejen se zmenšováním průměru kapiláry, ale i s délkou transportní dráhy.
A nyní se podívejme, jaká je soudržnost vodního sloupce v cévách. Molekuly vody jsou
navzájem spojeny vodíkovými můstky. K jejich narušení by mělo teoreticky dojít až při
hodnotách podtlaku přibližně 30 MPa. V praxi ale takové hodnoty soudržnosti nelze
dosáhnout z řady důvodů. Jedním z nich je vliv rozpuštěných látek (včetně plynů), které
mohou soudržné síly molekul vody značně snižovat. Z výsledků mnoha pokusů a pozorování
vyplývá, že soudržnost vodních sloupečků v cévách je také značně závislá na jejich šířce
(průměru). V cévách velmi širokých (400 až 500 µm) může dojít k přetržení sloupce již při
podtlaku asi 2 MPa, ve velmi úzkých cévách a cévicích (o průměru 10 až 50 µm) pak při
hodnotách mnohem nižších (10 až 20 MPa). Vidíme tedy, že úzké vodivé elementy jsou
provozně bezpečnější, ovšem na druhé straně kladou toku vody velký odpor (= mají malou
hydraulickou vodivost). Vodivost totiž vzrůstá se čtvrtou mocninou poloměru kapiláry.
Je proto zřejmé, že nejčastější vnitřní šířka vodivých elementů u rostlin (50-100 µm) je
výsledkem kompromisního "řešení" dvou protichůdných požadavků (či lépe řečeno
optimalizačního procesu v průběhu evoluce), kdy je zaručena jednak dostatečná vodivost, ale
současně i dostatečná bezpečnost provozu. Často je kompromisu dosaženo také zastoupením
cév či cévic různé šířky v tomtéž cévním svazku.
Přesto se však může stát (a je to dosti častý případ), že ve vodivých elementech xylému
dojde k přetržení některých sloupečků vody a vytvoří se v nich dutiny vyplněné plyny
(kavitace, plynová embolie). K tomu může dojít jednak při extrémním suchu, kdy hodnoty
podtlaku v xylému vzrostou až za kritickou mez soudržnosti molekul vody. Častěji však
způsobují kavitaci bublinky plynů, které byly rozpuštěny ve vodě přijímané kořeny a v
xylému za velmi sníženého tlaku se z ní uvolňují. K vyloučení plynů může dojít i při zvýšení
teploty nadzemních částí (ve srovnání s kořeny), neboť rozpustnost plynů s teplotou klesá.
Další velmi častou příčinou kavitace je zamrznutí vody v xylému (spojené se zmenšením
jejího objemu) u vytrvalých rostlin v průběhu zimního období. Samozřejmě jakékoli poranění
vodivých pletiv (v extrémním případě úplné přerušení, např. u řezaných květin) vede
okamžitě ke kavitačnímu ucpání cév a cévic.
Nápravné mechanismy, které umožňují zajistit transport vody i v případě vzniklé
kavitace, jsou několikerého druhu. Většina je ale založena na strukturních adaptacích
(zvláštnostech stavby) xylému. Perforované přepážky na koncích jednotlivých článků cév či
cévic jsou účinnou ochranou proti šíření bublinek na větší vzdálenosti (při velkém podtlaku
mají původně malé bublinky tendenci rychle expandovat). Jednotlivé cévy či cévice jsou
zřídkakdy uloženy paralelně vedle sebe na delším úseku kmene, spíše se složitě proplétají.
Proto voda, která vchází do kmene z jedné části kořene, může být současně rozváděna do
mnoha větví koruny. Také kapacita vodivých cest je obvykle natolik velká, že vyřazení i
značného procenta cév z provozu ještě neohrozí život rostliny. Některé druhy řeší poškození
velkého množství cév v důsledku mrazové kavitace rychlou tvorbou nových vodivých pletiv
na jaře (jarní přírůstek dřeva).
Kromě strukturních předpokladů ještě existují i funkční mechanismy nápravy kavitačního
poškození cest pro vedeni vody. Jsou založeny v prvé řadě na vytvoření pozitivního tlaku
(přetlaku ve srovnání s okolní atmosférou). K tomu může dojít několika způsoby. Především
v nočních hodinách, kdy vzhledem k vysoké vzdušné vlhkost je zastaven výpar z rostlin
(transpirace), je zastaven i xylémový tok. Přesto však dochází k membránovému transportu
iontů (hlavně minerálních živin) do zakončení xylému v kořenech, neboť jejich transport je
řízen zcela jinými mechanismy než transport vody, jak bude ještě blíže popsáno v další části
tohoto textu. Osmoticky aktivní látky se v xylému hromadí neboť jejich pohyb pouze difusí
(bez toku celého roztoku) je velice pomalý. Následuje osmoticky podmíněný přesun vody z
okolního parenchymu do cév a tím i zvyšování tlaku v cévách, někdy až na hodnotu 0,02
MPa. Tento jev je běžný zejména u většiny bylin. Vytvořený přetlak ve vodivých elementech
xylému, označovaný také jako kořenový vztlak vede k opětovnému spojení většiny
přerušených sloupečků.
U některých druhů rostlin, zejména u většiny dřevin, nebývá kořenový vztlak v nočních
hodinách měřitelný. Přesto i u nich existuje možnost dočasného vytvoření přetlaku v xylému.
Principem je opět aktivní (metabolickou energií podmíněný) transport osmoticky aktivních
látek do poškozených cév a cévic ze sousedících parenchymových buněk spojený s pasivním
(osmotickým, tedy difusním) příjmem vody. K tomuto přestupu nedochází v kořenech, ale
přímo v nadzemních částech v blízkosti poškozeného místa. Na rozdíl od kořenového
vztlaku, ke kterému za příznivých podmínek (dostatek vody a živin v půdě) dochází bez
ohledu na potřebu odstranění kavitace, osmotické zvyšování tlaku přímo ve stoncích bývá
kavitačním poškozením části xylému vyvoláno. Celý mechanismus této indukce není dosud
dostatečně znám.
Zdaleka ne všechny mechanismy nápravy poškozených cév a cévic (včetně regulace
tlakových změn) jsou v současné době uspokojivě prozkoumány a výzkum této problematiky
je proto velmi živý. Je také potřeba upozornit, že odstraňování kavitace nemusí být ve všech
případech úspěšné. U většiny stromů bývá pozorován v průběhu vegetační sezóny postupný
úbytek plně funkčních vodivých elementů xylému, které jsou v následujícím roce
nahrazovány novými.
Ještě zbývá uvést několik údajů o maximální rychlosti transportu tekutin v xylému. Za
předpokladu, že tok vody není omezován na vstupu a výstupu, je jeho rychlost závislá na
rozdílu hydrostatického tlaku mezi začátkem a koncem vodivých cest a dále na hydraulické
vodivosti cév a cévic, která, jak již víme, je dána především jejich vnitřní šířkou (světlostí).
Maximální rychlosti toku vody, naměřené u listnatých stromů se širokými cévami (100 až
500 µm, jaké mají např. dub, jasan, jilm) dosahují až 45 metrů za hodinu. Ještě vyšší
rychlost byla naměřena u některých lian. U druhů s úzkými cévami (nejčastěji 40 až 80 µm,
např. bříza, ovocné stromy) a u všech jehličnatých stromů (tracheidy jsou zvláště úzké, jen
asi 10 až 25 µm) bývají maximální rychlosti toku vody jen 1 až 6 m.h-1
.
TRANSPORTNÍ PROCESY 12
Metody stanovení hlavních charakteristik stavu vody v rostlinách
Vodní potenciál je velmi obtížné stanovit nedestruktivně, tedy u neporušených rostlin či
jejich částí. Obvykle proto pracujeme s odříznutými vzorky různé velikosti. K vlastnímu
stanovení se nejčastěji požívají dva principiálně odlišné přístupy.
Metoda hygrometrická vychází ze vztahu mezi relativní vlhkostí vzduchu a jeho vodním
potenciálem, který byl již uveden. Uzavřeme-li vzorek rostliny (nebo půdy, roztoku či jiného
materiálu) do vhodné nádobky, pak se v ní po jisté době ustaví relativní vlhkost odpovídající
vodnímu potenciálu ve vzorku. K přesnému měření vlhkosti vzduchu v nádobce (nejméně na
0,1%, a to ještě v oblasti blízké úplnému nasycení) se používají různé speciální postupy. K
nejčastějším patří komůrky vybavené miniaturními teplotními čidly (termočlánky), jimiž se
nejprve změří psychrometrický rozdíl (= rozdíl mezi teplotou suchého a ovlhčeného čidla) a z
tohoto rozdílu se pak vypočítá či odečte v psychrometrických tabulkách hodnota relativní
vlhkosti.
Jiné (modernější) typy aparatur jsou vybaveny miniaturními čidly pro měření teploty
rosného bodu, ze které lze snadno vypočítat relativní vlhkost vzduchu. V tom případě je čidlo
(obvykle miniaturní kovové zrcátko, umístěné v komůrce nad měřeným vzorkem) elektricky
zchlazováno a při počátku orosení se odečte jeho teplota (= teplota rosného bodu vzduchu
nad vzorkem).
Při praktickém použití uvedených přístrojů se hodnoty vodního potenciálu měřených
vzorků obvykle nezjišťují výpočtem z naměřených hodnot vlhkosti vzduchu, ale odečítají se
z kalibrační křivky daného měřícího zařízení, získané měřením série vzorků o známém
vodním potenciálu (obvykle roztoků solí o různé koncentraci). Podmínkou přesného měření
jsou přísně izotermické podmínky (čidlo, vzorek a vzduch v nádobce).
Metoda tlaková je založena na měření tlaku který je nutno vynaložit, aby se
kompenzovalo snížení vodního potenciálu v pletivech rostliny. Část rostliny se uzavře do
silnostěnné kovové nádobky, ovšem tak, aby řezná plocha (obvykle řapíku listu či stonku)
procházela víkem na vnější stranu. V nádobce pak pomalu zvyšujeme tlak (z připojené
nádoby se stlačeným vzduchem) a současně pozorujeme řeznou plochu. Jakmile se na ní
objeví první kapičky vytlačené šťávy, odečteme hodnotu tlaku v nádobě se vzorkem. Tato
hodnota numericky odpovídá vodnímu potenciálu vzorku. Při přesné práci je nutno ještě od ní
odečíst hodnotu osmotického tlaku vytlačené šťávy. Ta ovšem bývá obvykle blízká nule,
neboť šťáva je z buněk vytlačována v podstatě procesem reverzní osmózy, a mělo by tudíž jít
o téměř čistou vodu. Tlaková metoda je v současné době využívána i pro stanovení řady
dalších charakteristik stavu vody v rostlině (osmotické a tlakové složky vodního potenciálu,
obsahu vody při nulovém tlakovém potenciálu, specifické vodivosti xylému pro transport
kapalné vody a k získávání vzorků xylémové tekutiny pro chemické analýzy).
Schéma aparatury pro měření vodního potenciálu tlakovou metodou.
TRANSPORTNÍ PROCESY 13
Existuje i řada starších metod, které se dnes používají zřídka. Patří k nim např. testování,
jaká koncentrace vhodného osmotika (o známém osmotickém tlaku, a tudíž i známém
vodním potenciálu) způsobí počínající plazmolýzu. Při hledání izotonického roztoku můžeme
také postupovat tak, že ponecháme série shodných vzorků ponořené ve vhodně
odstupňovaných koncentracích osmotika a po jisté době měříme změnu jejich délky či
hmotnosti, nebo též změnu koncentrace roztoků pod vlivem expozice vzorků.
Osmotický tlak (π) se dnes už neměří pomocí klasických membránových osmometrů
(zejména pro potíže s vhodnou membránou a časovou náročnost). Nejčastěji používáme
metodu kryoskopickou. Při kryoskopii měříme snížení bodu tuhnutí roztoku (b, ∆°C), tedy v
našem případě buněčných šťáv vylisovaných z rostliny. Bod tuhnutí je koligativní (= na
množství částic v roztoku závislá) vlastnost roztoků, stejně tak jako osmotický tlak (π), a
vztah mezi nimi je prakticky lineární:
π (MPa) = 1,22 b
K měření osmotické složky vodního potenciálu lze využít i hygrometrickou metodu,
zmíněnou v souvislosti s měřením celkového vodního potenciálu. Vzorek rostliny však
nejprve usmrtíme (např. krátkým zmrazením). Poškozením membrán poklesne turgor na nulu
a je tudíž vyloučena spoluúčast tlakové složky vodního potenciálu.
Turgorový tlak (= tlakovou složku vodního potenciálu, p) můžeme nepřímo stanovit z
rozdílu mezi celkovým vodním potenciálem a osmotickým tlakem. V současné domě však
nabývá na stále větším významu přímé měření hydrostatického tlaku v buňkách (turgoru)
pomocí tlakových sond. Při tomto postupu opatrně zavedeme tenkou skleněnou kapiláru
naplněnou silikonovým olejem do nitra buňky. Kapilára je napojena na přesný elektrický
tlakoměr. Při zavádění kapiláry a v průběhu vlastního měření se nesmí změnit původní objem
buňky, neboť by to vážným způsobem ovlivnilo hodnoty měřeného tlaku.
Rychlosti toku vody rostlinou lze principiálně zjišťovat měřením jejího příjmu (např. z
úbytku objemu živného roztoku, ve kterém pokusnou rostlinu pěstujeme), nebo z výdeje vody
z rostliny ve formě vodní páry (např. gazometricky ze zvýšení vlhkosti vzduchu v okolí
rostliny). To je ovšem vhodné spíše pro laboratorní pokusy s poměrně malými rostlinami
Pro terénní měření jsou metody stanovování rychlosti xylémového toku založené na
principu přenosu tepla. Jestliže bodově ohřejeme jistou část stonku, šíření tepla ve směru
toku vody bude rychlejší než v opačném směru neboť teplo bude částečně přenášeno i
konvekčně, proudící vodou). Proto také teplota stonku v jisté vzdálenosti nad místem ohřevu
bude vyšší než ve stejné vzdálenosti od místa ohřevu směrem dolů. Známe-li množství
dodávaného tepla, pak ze zjištěného teplotního rozdílu můžeme vypočítat množství
protékající vody a z rychlosti reakce po tepelném impulzu také rychlost proudění. Stonek
musí být v místě měření velmi dobře izolován proti ztrátám tepla do vzduchu.
TRANSPORTNÍ PROCESY 14
TRANSPORTNÍ PROCESY 15
Příjem a transport iontů solí
Rostliny svými kořeny přijímají nejen vodu, ale i celou řadu jiných chemických látek, ze
kterých daleko nejhojnější jsou ionty jednoduchých anorganických solí. Ty nejdůležitější z
nich, nezbytné pro metabolismus rostliny, označujeme jako minerální živiny. Představa, že
rostlina nasává kořeny půdní roztok, tedy že přijímá rozpuštěné látky do svých buněk ve
stejné koncentraci, v jaké jsou v půdním roztoku, by byla krajně nesprávná. Není to možné už
z toho důvodu, že poměrný podíl jednotlivých látek v půdním roztoku naprosto neodpovídá
jejich zastoupení v rostlinné biomase. Neregulovaný příjem by velmi rychle vedl ke vzniku
toxicky vysokých koncentrací jedněch prvků a k vážnému nedostatku jiných prvků v těle
rostliny.
Mechanismus příjmu a transportu iontů solí se tedy nutně odlišuje od procesů spojených
s příjmem a transportem vody. Musí splňovat tyto základní předpoklady:
a) Vzhledem k velmi nízké koncentraci většiny iontů minerálních živin v půdním roztoku
(často o několik řádů nižší, než nacházíme v buňkách kořenů), je nutné zajistit transport
těchto iontů z nižší koncentrace do vyšší.
b) Vzhledem k velkým rozdílům mezi koncentracemi jednotlivých iontů živin v půdním
roztoku a potřebami rostliny, musí mít kořeny schopnost regulovat příjem každého iontu
odděleně od ostatních.
Podívejme se nyní, jakým způsobem je u rostlin zajištěno, že uvedené požadavky budou
skutečně uspokojeny.
Buněčné membrány jako předpoklad řízeného příjmu iontů solí
Příjem iontů solí kořeny začíná jejich vstupem ve vodním roztoku do buněčných stěn
epidermis, odkud mohou buď přecházet přes plazmatickou membránu (plazmalemu) do
cytoplazmy, nebo pokračovat v putování apoplastem až k endodermis a přitom postupně
vstupovat do cytoplazmy korových buněk. Část iontů může být do buněk kůry vnášena i
hyfami mykorrhitických hub. Dříve nebo později však musí dojít k přestupu iontů přes
plazmalemu a často i přes další vnitrobuněčné membrány.
Jsou to právě membrány buněk, které mají hlavní podíl na řízení příjmu a transportu iontů
solí a na zmíněných odlišnostech od příjmu vody. Poznání stavby a funkce buněčných
membrán má proto klíčových význam pro pochopení celého mechanismu. Obecnými
vlastnostmi membrán se zabývají detailně jiné vědní obory, zejména buněčná biologie a
biofyzika. Připomeňme si alespoň několik nejdůležitějších údajů, které jsou pro náš další
výklad skutečně nezbytné.
Základní stavba u všech biologických membrán je podobná, i když v detailech lze nalézt
rozdíly, a to jak uvnitř téže buňky, tak i mezi orgány a druhy. Z hlediska hrubého látkového
složení jde o směs proteinů a lipidů přibližně ve stejném poměru. Na některé z nich (2 až
l0%) bývají navázány sacharidy. Kvalitativně významná je také vazba iontů vápníku (Ca2+
),
bez kterých je funkce většiny membrám vážně poškozena.
Lipidovou složku membrán rostlinných buněk tvoří zejména:
- fosfolipidy (nejčastěji to bývá fosfatidylcholin, fosfatidyletanolamin, fosfatidylinositol
a fosfatidylglycerol),
- glykolipidy (monogalaktosyldiglycerid a digalaktosyldiglycerid)
- steroly (hlavně sitosterol, stigmasterol, campesterol a jen poměrně vzácně cholesterol,
který je naopak velmi hojný v živočišných buňkách).
Základní hmota membrány je tvořena dvěma vrstvami molekul lipidů, které k sobě přisedají
hydrofobními řetězci mastných kyselin a zbylá hydrofilní část je orientována k vnějšímu
povrchu. Na délce řetězců a počtu dvojných vazeb mastných kyselin jsou značně závislé
fyzikální vlastnosti celé membrány. Lipidová dvojvrstva je pro ionty a větší polární molekuly
prakticky nepropustná, takže velmi dobře odděluje buňku od vnějšího prostředí (funkce
bariéry). Přitom je ale natolik tekutá, aby v ní mohlo docházet ke snadným výměnám,
přemísťování a konformačním změnám membránových bílkovin. Strukturní vlastnosti
lipidové dvojvrstvy zásadním způsobem ovlivňuje přítomnost sterolů. Udržují uhlíkové
řetězce fosfolipidů v uspořádaném stavu a tím snižují tekutost a propustnost membrány. Podíl
molekul sterolů velice kolísá jak u membrán různých rostlinných druhů, tak i u různých
orgánů téhož druhu. Mění se a také působením rozdílných faktorů vnějšího prostředí.
Klasická představa buněčné membrány jako fluidní mozaiky.
Membránové proteiny můžeme rozdělit z funkčního hlediska do několika skupin:
- transportní proteiny umožňují transport iontů i větších molekul organických látek přes
membránu. Patří k nim poríny, selektivní kanály a přenašeče (včetně protonových pump),
- receptory signálů a rozlišovače cizích molekul. Přenášejí signály z vnějšího prostředí
k přenosovému řetězci v buňce. Dále rozlišují, které molekuly proteinů a polysacharidů
budou odmítnuty nebo naopak přijaty pro další zpracování (obvykle jde o transport).
K této rozlišovací funkci slouží především glykoproteiny.
- strukturní proteiny, které zpevňují a stabilizují strukturu membrán,
Z hlediska lokalizace v membráně rozdělujeme proteiny na transmembránové (integrální),
prostupující celou lipidovou dvojvrstvou, a periferní, které poměrně volně přisedají na
povrch jedné strany membrány.
Vnitřní dvojitá vrstva lipidů dává biologickým membránám vlastnost elektricky
izolujícího materiálu (dielektrika). Již velmi malá odchylka od elektroneutrality v
buněčném prostředí vytváří významný rozdíl v elektrickém potenciálu roztoků na obou
stranách membrány. Tento rozdíl může dosahovat až několika set milivoltů, přičemž
cytosolová strana má negativní hodnoty elektrického potenciálu, zatímco elektrický potenciál
vnějšího prostředí bývá považován konvenčně za nulový (standardní).
TRANSPORTNÍ PROCESY 16
Význam elektrochemického gradientu pro transport iontů
Obdobně jako u transportu vody, i ionty rozpuštěných látek se mohou pohybovat jak
difuzí, tak i hromadným (konvekčním) tokem, v tom druhém případě ovšem jen ve společném
proudu s molekulami vody. Hromadný tok je mnohem rychlejší než difuze a tudíž neobyčejně
důležitý při dálkovém transportu nejen vody, ale i v ní rozpuštěných látek. Ovšem hromadný
tok se v rostlinách uplatňuje převážně jen ve vodivých elementech cévních svazků. Buněčné
membrány představují nepřekonatelnou překážku pro hromadný tok, a proto transmembránový
transport se děje buď difuzí, nebo zvláštními, energeticky dotovanými
mechanismy.
Pro "samovolný" transport iontů solí difuzí přes buněčné membrány je zásadně důležitý
rozdíl v chemickém potenciálu těchto iontů mezi místy oddělenými membránou. To ostatně
platí obecně, nejen pro ionty, jak již víme z výkladu o transportu vody. O chemickém
potenciálu iontů solí rozhoduje jejich koncentrace, ale navíc má velký význam i složka
elektrická. Chemický potenciál iontu n v roztoku (µn) můžeme tedy zjednodušeně vyjádřit:
µn = µn
o
+ RT lnCn + znFE
µn
o
= chemický potenciál iontu n za standardních podmínek,
RT = součin plynové konstanty a absolutní teploty,
Cn = koncentrace iontu n v roztoku (přesněji jeho aktivita),
zn = valence iontu n,
F = Faradayova konstanta (9,65.104
J V-1
mol-1
),
E = celkový elektrický potenciál roztoku (V).
TRANSPORTNÍ PROCESY 17
TRANSPORTNÍ PROCESY 18
Chemický potenciál, ve kterém hraje významnou úlohu elektrická složka, označujeme
také jako elektrochemický potenciál.
Uvažme nyní, za jakých podmínek může docházet k difuzi iontu n z roztoku na vnější
straně membrány, kterou si označíme jako strana a, do roztoku na vnitřní straně membrány
(strana b). Je užitečné vyjít z podmínek rovnovážného stavu, kdy k difusi nedochází. Pokud
je membrána pro daný iont prostupná, pak ve stavu rovnováhy musí být elektrochemický
potenciál iontu n na obou stranách membrány shodný:
µn
a
= µn
b
µn
o
+ RT ln Cn
a
+ znFEa
= µn
o
+ RT ln Cn
b
+ znFEb
což lze upravit na tvar Nernstovy rovnice:
RT Cn
a
Eb
-Ea
=
znF
ln
Cn
b
Rozdíl elektrických potenciálů na obou stranách membrány (Eb
-Ea
) se někdy také označuje
jako Nernstův potenciál (EN).
Pokud je dosažen na obou stranách membrány shodný elektrochemický potenciál
příslušného iontu, vůbec to neznamená, že by také musela být na obou stranách membrány
jeho stejná koncentrace. O tom se můžeme snadno přesvědčit po dosazení numerických
hodnot konstant do Nernstovy rovnice. Pro jednomocný kationt (zi= 1) a teplotu 25 ºC (=
298,15 K) platí:
Ca
EN [V] = 0,0257 ln
Cb
a po úpravě na dekadický logaritmus a pro napětí v milivoltech:
Ca
EN [mV] = 59,2 log
Cb
Je tedy zřejmé, že desetinásobný rozdíl v koncentraci jednomocného iontu mezi oběma
stranami membrány (log 10/1 = 1) je úměrný rozdílu elektrických potenciálů o velikosti
59,2 mV mezi oběma stranami membrány. Pokud tedy je například uvnitř buňky (v cytosolu)
desetkrát vyšší koncentrace iontů draslíku než ve vnějším prostředí, pak snížením
elektrického potenciálu na vnitřní straně membrány na -59,2 mV se zcela kompenzuje vliv
rozdílu v koncentracích na hodnotu celkového transmembránového elektrochemického
potenciálu (bude nulová a nebude probíhat difusní tok). Při dalším snižování elektrického
potenciálu v cytosolu pod uvedenou hodnotu dojde dokonce k difusi K+
z vnějšího prostředí
do buňky, tedy do roztoku s desetinásobně vyšší koncentrací K+
. Je zcela zřejmé, že velké
transmembránové elektrické potenciály, které vznikají např. činností protonových pump,
běžně přes 120 mV) mohou velmi podstatně napomáhat samovolnému toku (difuzi) iontů i
proti koncentračnímu gradientu, tedy z míst o malé koncentraci do míst s koncentrací až
stokrát vyšší. Při všech úvahách o ovlivňování transportu iontů (či jiných elektricky
aktivních částic) určitou hodnotou elektrického potenciálu je potřeba mít stále na zřeteli
jaká je polarita těchto částic, zda mají kladný či záporný náboj (viz spodní rámeček na
předešlé straně).
Rozdíl v elektrických potenciálech roztoků oddělených biologickou membránou vzniká
nejčastěji činností protonových pump (viz další kapitola). Může k němu ale docházet i v
důsledku rozdílů ve schopnostech difuzního pohybu různých druhů iontů v dané membráně ne
všechny ionty totiž procházejí membránami stejně snadno. Až dosud jsme uvažovali o
difuzi pouze jednoho druhu iontu (např. K+
), ale za normálních podmínek dochází v buňkách
k difuzi více různých druhů iontů současně.
TRANSPORTNÍ PROCESY 19
Představme si tedy případ, kdy na jedné straně membrány budeme mít roztoky
disociovaných solí o jiné koncentraci než na straně druhé, ale počet opačně elektricky
nabitých částic (kationtů a aniontů) bude v obou roztocích vyrovnaný. Difuze bude zpočátku
probíhat pouze pod vlivem koncentrační složky chemického potenciálu, neboť elektrická
složka nebude významná. I za situace, kdy gradient koncentrací jednotlivých druhů iontů
bude stejný, nemusí být stejná rychlost jejich difuze. Tuto rychlost totiž ovlivňuje také
velikost iontů a jejich specifické interakce se složkami membrány. Všechny faktory které
ovlivňují mobilitu iontu v membráně (kromě rozdílů v chemickém potenciálu!) shrnujeme do
hodnoty koeficientů permeability. Ty jsou specifické pro jednotlivé druhy iontů a pro daný
typ membrány.
Pokud existují rozdíly v koeficientech permeability mezi kationty a anionty v roztocích na
obou stranách membrány, vede to k rozdílné rychlosti jejich toků přes membránu, k porušení
elektroneutrality roztoků, a tím i ke vzniku transmembránového elektrického potenciálu.
Velikost tohoto potenciálu, který bývá označován jako EM, lze vypočítat pomocí
Goldmanovy rovnice. Na rozdíl od dříve uvedené Nernstovy rovnice jsou v ní koncentrace
iontů na obou stranách membrány korigovány příslušnými koeficienty permeability (P). Ve
velmi zjednodušené podobě (jeden jednomocný kationt n, jeden jednomocný aniont m na
obou stranách membrány, které jsou opět označené jako a, b), ji můžeme psát:
RT PnCn
a
+ PmCm
a
EM =
F
ln
PnCn
b
+ PmCm
b
Výpočet EM pro více různých iontů je možný rozšířením počtu členů ve zlomku na pravé
straně. Vliv vzniklého elektrického potenciálu na průběh transportních procesů i jiných iontů,
které bychom k soustavě přidali, je evidentní, ovšem detailní popis těchto složítých procesů
již přesahuje rámec našeho výkladu.
Koeficienty permeability malých jednomocných iontů pro difuzi plazmatickou
membránou mají hodnotu řádově 10-9
m s-1
. Ionty s větší molekulovou hmotností a ionty
divalentní jsou ještě mnohem méně pohyblivé.
Až dosud jsme se zabývali pouze otázkou difuzního toku iontů přes biologické
membrány. Rychlost difuze v rostlinných buňkách však ovlivňují i jiné struktury, než jsou
membrány. Jisté komplikace mohou způsobovat některé pevné látky (zejména v buněčné
stěně), které snadno vytvářejí elektricky nabité povrchy. Patří k nim například pektin a jiné
makromolekuly, z jejichž karboxylových skupin disociují ionty vodíku. Struktury v buněčné
stěně se tím stávají elektronegativní a mohou k sobě elektrostaticky vázat kationty solí.
Elektricky nabité povrchy v buňkách bývají označovány jako Donnanova fáze a elektrický
potenciál mezi touto fází a okolním roztokem jako Donnanův potenciál. Donnanova fáze se
vytváří i v cytoplazmě na povrchu velkých molekul proteinů a nukleových kyselin. Může
zajisté ovlivňovat dynamiku difuzních výměn jednotlivých iontů, ovšem pro celkovou
rychlost toku za delší časový interval nemá rozhodující význam.
Funkce transportních proteinů
A nyní se podívejme trochu podrobněji na přenosové cesty pro ionty a jiné rozpuštěné
látky v buněčných membránách. Navíc k dosud uvedeným hybným silám transportu látek
(elektrochemický potenciál u prosté difuse, tlakový rozdíl u hromadného toku) si přidáme
ještě další, vycházející z vlastní metabolické energie buněk.
Jak již víme, základní fosfolipidová vrstva (matrix) membrán je prakticky nepropustná
pro ionty a větší polární molekuly, stejně tak i pro molekuly organických látek. Jejich přestup
přes membránu je možný pouze díky specializovaným transportním bílkovinám, které si
můžeme rozdělit do několika skupin.
. Schematické znázornění nejčastějších způsobů průniku různých molekul a iontů přes buněčné membrány.
Selektivní kanály jsou integrální (transmembránové) proteiny s možností měnit svoje
prostorové uspořádání. Změna konformace není součástí transportního mechanismu, pouze
ovlivňuje prostupnost kanálu, tedy rychlost transportu. Schematicky si to lze představit jako
přivírání a otvírání regulační klapky, ovšem pravděpodobnější je představa proměnlivé šířky
celého póru (kanálku), či rychlého střídání dvou konformačních stavů s otevřenou a zavřenou
difuzní cestou, přičemž na frekvenci výskytu a souhrnné době stavu "otevřeno" závisí
prostupnost kanálu. Vlastní výkonný protein selektivního kanálu je řízen celou řadou jiných
odděleně umístěných membránových proteinů, které fungují jako selektivní příjemci signálů,
Přijaté signály jsou od nich přenášeny řetězcem druhotných mediátorů (viz obrázek na str.
25). K významným signálům pro otevírání a zavírání kanálů patří zejména:
- gradient elektrického napětí mezi oběma stranami membrány,
- vnější fyzikální podněty (záření, teplota, tlak na membránu aj.),
- chemické látky regulační povahy.
Hustota selektivních (hlavně iontových) kanálů v buněčných membránách je sice velmi malá
(řádově asi 100 na ploše 1 mm2
), ovšem jejich přenosová kapacita je neobyčejně vysoká (asi
106
až 108
iontů za sekundu). K významným a vysoce selektivním iontovým kanálům
v membránách rostlinných buněk patří kanály pro K+
a Ca+
, z aniontů pak pro Cla
malát.
Transmembránové přenašeče (transportéry) jsou značně různorodou skupinou
transportních bílkovin, které při své činnosti obvykle prodělávají vratné strukturní změny.
Způsob vazby transportovaných částic k přenašečům a charakter vratných změn v jejich
konformaci je dosud znám jen částečně. Obvykle se však nejedná o navazování
transportované látky do nějakého komplexu a přesun tohoto komplexu na druhou stranu
membrány, ale spíše přenášená látka migruje vytvořeným pórem s několika mezivazbami na
stálých vazebných místech transportního proteinu.
Víme také, že u některých přenašečů je transport spojen se spotřebou metabolické
energie (obvykle získané hydrolýzou ATP, vzácněji i z jiných, např. oxidačních reakcí).
V tom případě se jedná o aktivní transport a příslušný přenašeč lze řadit mezi enzymy.
Aktivní transport tak může probíhat zcela nezávisle na gradientu elektrochemického
potenciálu přenášené látky.
Jistá skupina přenašečů však dodání energie pro svoji funkci nevyžaduje. Jde tedy o
pasivní transport, který probíhá pouze ve shodě s gradientem elektrochemického potenciálu.
Bývá také označován jako zprostředkovaná či usnadněná difuse. Na rozdíl od prosté difuse
iontovým kanálem je tento typu transportu, byť z energetického hlediska pasivní, spojen
s přechodným navazováním přenášeného iontu na transportní protein. Proto také transportní
kapacita přenašečů je vždy podstatně menší, než u iontových kanálů (přibližně 102
až 103
iontů za sekundu).
TRANSPORTNÍ PROCESY 20
TRANSPORTNÍ PROCESY 21
Nejčastějším případem aktivního transportu je činnost přenašečů využívajích energie z
hydrolýzy ATP. Tyto transmembránové proteiny označujeme jako adenosintrifosfatázy,
zkráceně ATPázy. Jsou hojnou součástí všech biologických membrán. Z hlediska příjmu
iontů jsou zvláště důležité ATPázy cytoplazmatické membrány a tonoplastu. O zvláštnostech
ATPáz v membránách chloroplastů a mitochondrií si povíme v kapitolách o metabolismu.
V plazmatické membráně i v tonoplastu jsou asi vůbec nejhojnější ATPázy označované
jako protonové pumpy, které transportují (s využitím energie ATP) vodíkový iont z jedné
strany membrány na druhou, a to i z místa kde mají koncentraci (přesněji: elektrochemický
potenciál) malý do míst s potenciálem vyšším. Tyto "pumpy" (jako ostatně i jiné ATPázy)
netvoří jediná molekula bílkoviny, ale celý komplex se zřetelně asymetrickou stavbou: na
užší "krček" pevně uložený v membráně, přiléhá kulovitá "hlavička", která již zcela
vystupuje z roviny membrány.
Asymetrickou stavbou je dána i jednosměrnost transportu. Naprostá většina protonových
pump transportuje vodíkové ionty z cytosolu do buněčné stěny (přes plazmalemu), a z
cytosolu do vakuoly (přes tonoplast). Celý proces začíná zachycením molekuly ATP
vystupující částí ATPázy a po její hydrolýze se vytváří volná cesta pro vstup protonu. Při
rozštěpení jedné molekuly ATP je přes plazmalemu přenesen vždy jen jeden proton. ATPázy
v tonoplastu jsou nejen rozměrnější, ale ienergeticky efektivnější - na jednu molekulu ATP
transportují dva protony. Jejich činnost také není závislá na přítomnosti draslíkových iontů,
jako je tomu u ATPáz v plazmalemě, vyžadují však k aktivaci hořčík.
V membráně vakuol rostlinných buněk se nachází ještě další typ protonové pumpy, která
k přenosu vodíkových iontů nevyužívá energii uvolněnou z ATP, ale z hydrolýzy
anorganického difosfátu (= pyrofosfátu) na fosfátové ionty (H+
-difosfatáza, dříve označovaná
též jako H+
-pyrofosfatáza či zkráceně H+
-PPáza), která může po jistou dobu udržovat
gradienty na membránách i za kritického nedostatku ATP v rostlinné buňce.
Činností protonových pump dochází k těmto zásadním změnám:
a) Vytváří se velký rozdíl v koncentraci vodíkových iontů mezi buněčnou stěnou,
cytosolem a vakuolou. Hodnota pH buněčné stěny i vakuolárního roztoku obvykle klesá na
5,5 až 5, zatímco v cytosolu se zachovává přibližně neutrální reakce (pH 7,0 až 7,5), neboť
jsou tam přítomny látky se značnou ústojnou (pufrovací) schopností. Větší koncentrace
vodíkových iontů v buněčné stěně a ve vakuole současně znamená i jejich vyšší chemický
potenciál v těchto kompartmentech než v cytosolu.
b) Dochází ke zvýšení membránového elektrického potenciálu, neboť v cytosolu je méně
kationtů a je tedy negativnější než buněčná stěna a roztok ve vakuole. Proto se tento typ
ATPáz označuje jako elektrogenní.
Vytvořený rozdíl v elektrickém potenciálu a rozdíl v chemickém potenciálu vodíkových
iontů má zcela zásadní význam pro transport mnoha dalších iontů přes buněčné membrány,
jak uvidíme z následujícího výkladu.
Spřažený transport a kinetika výměn pomocí přenašečů
Vlivem rozdílů v pohyblivosti kationtů a aniontů při difuzi přes biologické membrány, ale
zejména v důsledku činnosti protonových pump je cytosol vždy negativněji nabitý než jeho
okolí (tedy roztoky v buněčné stěně a ve vakuole). Vzhledem k takto orientovanému rozdílu
elektrického potenciálu jsou vytvořeny velmi příznivé podmínky pro pasivní transport
kationtů z okolí do cytosolu, a to buď pomocí selektivních iontových kanálů (prostá difuze),
nebo pomocí přenašečů pasivního typu (usnadněná či zprostředkovaná difuze). Nikterak to
ale nevylučuje i spoluúčast aktivního transportu pomocí přenašečů.
Transport aniontů stejným směrem (z okolí do cytosolu) či kationtů opačným směrem (z
cytosolu do okolí) však pasivním způsobem obvykle není možný. Transport v tomto případě
lze uskutečnit pouze pomocí aktivních přenašečů, tedy za dodání jistého množství chemické
energie. Při transportu aniontů do buňky (či z cytosolu do vakuoly) není možné dodávat
chemickou energii přímo hydrolýzou ATP v příslušném aniontovém přenašeči, ale nejčastěji
se využívá energie pomocného, současně transportovaného iontu, jehož chemický potenciál
byl zvýšen dříve uskutečněnou metabolickou reakcí. V tom případě hovoříme o sekundárním
aktivním transportu. Jako pomocné ionty v těchto společných (spřažených) transportech
figurují nejčastěji protony. Je přitom využit jejich vyšší chemický potenciál na vnější straně
plazmalemy a ve vakuole, vytvořený transportní ("zahušťovací") činností vodíkových pump.
Vodíkové ionty za vyšší koncentrace a v „kladněji“ nabitém prostředí (= s vysokým
elektrickým potenciálem) mají vyšší chemický potenciál než ve zředěném stavu a v prostředí
se sníženým elektrickým potenciálem. Zvýšení jejich chemického potenciálu je tedy dáno jak
koncentrační, tak i elektrickou složkou. Při transportu aniontů z vnějšího prostředí přes
plazmalemu do cytosolu jsou protony transportovány stejným směrem (přičemž přenašečem
prochází současně vždy jeden aniont a jeden či několik protonů), což se označuje jako
symport. Je však možné využít přebytek energie vodíkových iontů k energetické dotaci
transportu jiného iontu současně pronikajícího tímtéž přenašečem opačným směrem
(antiport). Spřažený transport je v rostlinných buňkách neobyčejně hojně využíván pro
výměny nejen iontů minerálních živin, ale i nízkomolekulárních organických látek
(elektrolytů i neelektrolytů, např. organických kyselin, cukrů, adenylátů, aj.) mezi cytosolem
a okolím buňky či mezi cytosolem a buněčnými organelami.
TRANSPORTNÍ PROCESY 22
Studium funkce transportních proteinů – metody, nové poznatky
Studiem kinetiky příjmu jednotlivých iontů, např. měřením rychlosti příjmu za různé
koncentrace ve vnějším prostředí, můžeme podle tvaru zjištěných závislostí rozlišit transport
pomocí přenašečů (saturační typ křivky, rychlost transportu může dosáhnout jen jisté
hodnoty, kterou nelze překročit) od prosté difuse (vzestupné křivky bez zřetelného nasycení).
Tato měření se provádějí s buňkami či celými kořeny s předem navozeným nedostatkem
zkoumaného iontu. Rozlišit pasivní transport od aktivního lze na základě srovnání teoretické
hodnoty rychlosti a směru difusního toku (vypočítané z gradientu chemického potenciálu
příslušného iontu) a porovnáním této hodnoty s experimentálně zjištěnými rychlostmi toku
či s koncentracemi v ustáleném stavu.
Studium transportních procesů na buněčné úrovni je nesmírně obtížné. Nejen proto, že
studovaný iont může být současně transportován oběma směry a navíc různým mechanismem
(aktivně i pasivně), ale může být také kontinuálně odváděn do různých buněčných struktur, či
přímo v cytosolu vázán do chemických sloučenin. Velké potíže vyplývají z proměnlivosti
biologických membrán a z možnosti regulace jejich struktury a funkce, kterou buňka má.
Životnost transportních proteinů je velmi krátká (obvykle jen několik dní), jsou tedy ve stálé
obměně. Jejich počet se může rychle měnit podle okolností (naléhavost potřeby určitého
iontu pro buňku, vnější koncentrace iontů, aj.).
Velký pokrok ve výzkumu transportu iontů přes buněčné membrány byl umožněn
zavedením metody označované anglickým termínem "patch clamp". Při této metodě se ústí
velmi tenké kapiláry přisaje na studovanou membránu a za různých experimentálně
navozovaných podmínek se pak studují její vlastnosti. Je dokonce možné opatrnou
manipulací s kapilárou vytrhnout kousek přisáté membrány a v umělém prostředí zkoumat
funkce jednotlivých transportních proteinů. Ještě významnější jsou v současné době některé
aplikace metod molekulární biologie, vycházející ze znalosti genů kódujících jednotlivé
transportní proteiny a v přenosu genetické informace do buněk jiných organismů, v nichž se
tyto proteiny nevyskytují. Tedy např. cRNA zkoumaného transportního proteinu je pomocí
vhodného vektoru vpravena do vajíčka žáby Xenopus laevis, a funkce vytvořeného
transportního proteinu jsou zkoumány pomocí elektrofyziologických a izotopových metod.
Nicméně ani uvedené moderní metody nepostačovaly k detailnímu objasnění vlastního
transportního mechanismu jednotlivých transportních proteinů, zejména pak jakým způsobem
je zajištěna selektivita transportu, tedy například proč procházejí otevřeným pórem
TRANSPORTNÍ PROCESY 23
v draslíkovém kanálu jen ionty draslíku a nikoli také třeba velmi podobné (dokonce o něco
menší) ionty sodíkové. K řešení těchto problémů již nepostačují biochemické či molekulárně
biologické metody studia struktury jednotlivých transportních proteinů po jejich separaci
z membrán (i to je velmi pracné!), neboť jejich správná konformace a tím i funkčnost je
možná jen při jejich přirozeném uložení v membráně. Zde je tedy potřeba aplikovat
nedestruktivní biofyzikální metody, např. rentgenovou krystalografii.
Nové poznatky, za které vděčíme zejména pracovním skupinám amerických badatelů
(Peter Agre a Roderick MacKinnon, oba získali za svoje objevy Nobelovu cenu v roce 2003),
se týkají především vysvětlení struktury a funkce iontových kanálů a akvaporínů. Jak je
patrné z níže uvedených obrázků, ionty vstupují do kanálu v hydratovaném stavu, ovšem
v úseku transportní cesty, označovaném jako „filtr selektivity“, molekuly vody se odpojují.
Místo hydratace nastupuje dočasná elektrostatická vazba iontu k aminokyselinovým zbytkům
transportního proteinu. Iont je propuštěn kanálem jen v tom případě, že dojde k dokonalé
shodě vazebných sil mezi ním a aktivními body ve filtru selektivity, jejichž prostorové
uspořádání je specifické pro každý typ iontového kanálu:
TRANSPORTNÍ PROCESY 24
Dalším intenzivně zkoumaným problémem je mechanismus zajišťující otvírání a zavírání
iontových kanálů (angl. gating), o kterém již byla zmínka. Jde zejména o podrobné poznání
různých cest přenosu signálu od receptorových proteinů k iontovému kanálu. Jedna
z možností je naznačena na následujícím obrázku:
Způsob zajištění selektivity při transportu molekul vody akvaporíny byl také dlouho zcela
nejasný. Dnes již víme, že tyto transportní proteiny mají filtr selektivity poněkud odlišný od
filtrů v iontových kanálech. Akvaporíny propustí pouze ty molekuly, které jsou schopny se
dočasně spojit ve stísněném hydrofobním úseku póru s aminokyselinovými zbytky pomocí
vodíkových můstků, a které navíc mohou být donorem i akceptorem této vazby. Celý
mechanismus je již znám velmi podrobně, a je pochopitelně značně složitější, než jak je
schematicky znázorněno na přiloženém obrázku:
TRANSPORTNÍ PROCESY 25
Výzkumu akvaporínů je v současné době věnována mimořádná pozornost jak v rostlinné, tak
i v živočišné fyziologii, neboť se zjistilo, že jich existuje v každém organismu celá řada typů,
a že jsou jisté odlišnostmi nejen ve struktuře, ale i v regulaci jejich tvorby a funkce. Genů
kódujících tyto transportní proteiny je známo několik desítek. V membránách se obvykle
vyskytují v tetramerních shlucích, ovšem každá ze čtyř částí je samostatnou funkční
(transportní) jednotkou. V jednom shluku se nemusí vždy vyskytovat totožné proteiny. Je
také zajímavé, že zatímco v živočišných buňkách fungují akvaporíny jako pravé poríny (tedy
s trvale otevřeným transportním kanálkem), u rostlin mají schopnost se za jistých okolností
uzavírat. Dokonce jsou známy dva možné mechanismy vedoucí k jejich zavření: (1) pod
vlivem nedostatku vody v buňce či za vysoké teploty dochází k defosforylaci určitého
serinového zbytku (a v důsledku toho pak k zavření kanálku), (2) při anaerobním stresu (při
zaplavení kořenů) zprostředkovává zavírací reakci protonace jednoho histidinového zbytku.
Tetramerní struktura akvaporínů
Transmembránový transport organických látek
Uvnitř buňky i mezi buňkami panuje čilá výměna nejen vody a iontů solí, ale i větších
organických molekul, včetně proteinů. Tomu musí odpovídat i dokonale fungující transportní
systémy, které ale mohou být velmi odlišné nejen u různých vnitrobuněčných struktur, ale i u
různých typů buněk.
Transport proteinů je zvlášť významný u organel. Velké množství proteinů, které
buněčné organely obsahují ve svých vnitřních strukturách, a které ještě navíc potřebují
neustále obměňovat, není totiž syntetizováno jejich vlastním aparátem. Především do
chloroplastů a mitochondrií musí být velké množství (často více než 50%) proteinů
transportováno přes dvojitou membránu z cytosolu. Také přes tonoplast a cytoplazmatickou
membránu je transportována řada složitých organických molekul.
Transport proteinů přes specifické aktivní přenašeče v membránách je možný pouze v
nesloženém (lineárním) tvaru. K udržení nesložené struktury před vlastním transportem a
naopak k vytvoření složené funkční konformace molekuly proteinu po transmembránovém
transportu je nutná spoluúčast specifických pomocných proteinů označovaných jako
chaperony, které se dočasně navazují na transportovaný protein. Udivující je specifita vazby
(je nutné rozlišovat mezi stovkami různých proteinů) a přitom u transportních proteinů v
membránách chloroplastů a mitochondrií nebyly zjištěny žádné glykoproteiny, jejichž
polysacharidové řetězce tuto rozlišovací schopnost u jiných membrán zajišťují. Transport
proteinů (i jiných látek) mezi organelami uvnitř buňky je neobyčejně zrychlován prouděním
cytoplazmy a váčkovým přesunem na vláknech cytoskeletu.
TRANSPORTNÍ PROCESY 26
TRANSPORTNÍ PROCESY 27
Transport cukrů (zejména sacharózy) a dalších nízkomolekulárních organických látek
(aminokyselin, amidů, bezdusíkatých organických kyselin, atd.) přes biologické membrány se
děje nejčastěji spřaženým transportem s vodíkovými ionty ve specifických přenašečích.
Tento sekundárně aktivní transport může být za vysokých koncentrací příslušné látky
provázen i pasivním transportem. Zdaleka ne pro všechny metabolity ale musí být v
buněčných membránách vhodné transportní proteiny - někdy je nutný rozklad složitějších na
jednodušší, transportovatelné složky a jejich resyntéza na opačné straně membrány. V
některých případech jsou sice v membránách transportní proteiny pro daný metabolit, ale
transport je možný pouze v jednom směru, což obvykle má svoje opodstatnění.
Transmembránový transport sekundárních metabolitů, jako např. flavonoidů,
anthokyanů, rozkladných produktů asimilačních barviv, alkaloidů a mnoha dalších sloučenin,
využívá zvláštní transportní proteiny označované jako ABC přenašeče (angl. ATP - Binding
Casette transporters). Jedná se o primárně aktivní transport, přímo využívající ATP jako
zdroje energie (nikoli tedy zprostředkovaně přes tvorbu protonového gradientu). Výzkum
mechanismu přenosového procesu u transportních proteinů tohoto typu u rostlin je však
teprve v začátcích.
Radiální a xylémový transport iontů solí
Jako radiální transport iontů v kořenech označujeme jejich tok od epidermis až po xylém.
Tento tok probíhá stejně tak jako u vody souběžně symplastem i apoplastem, s výjimkou
prostupu přes endodermis a exodermis, kde se oba proudy dočasně spojují. Za nízkých
koncentrací iontů obvykle převažuje symplastový tok. Jeho rychlost je asi 10 až 60 mm za
hodinu, což je podstatně více než rychlost prosté difuze za takového koncentračního spádu,
který může v buňkách vzniknout. K rychlejšímu radiálnímu transportu přispívá proudění
cytoplazmy. Zrychlený tok vody v apoplastu či symplastu za silně výparných podmínek může
také výrazně napomáhat transportu iontů solí.
V celém úseku transportu napříč kořenem jsou zřejmě dvě klíčová místa: jednak při
vstupu iontů do symplastu (nejčastěji přes plazmatickou membránu buněk pokožky), a potom
vstupu iontů do vodivých elementů xylému z parenchymových buněk středního válce
sousedících s xylémem. Tedy, jinými slovy, jde o vstup a výstup iontů přes membrány
symplastu.
Ty ionty, které již v epidermis vstoupily přes plazmalemu do cytosolu, mohou procházet
buňkami kůry a středního válce pomocí plazmodezmat, tedy bez přestupu cytoplazmatické
membrány dalších buněk. Tento symplastový transport však nutně končí u vodivých
elementů xylému, které, jakožto mrtvé struktury, nemají spojení se sousedními buňkami
pomocí plazmodesmat. Ionty zde tedy musí podruhé být transportovány přes plazmatickou
membránu. V xylému bývá koncentrace solí velmi nízká, a proto při tomto transportu jsou
podmínky téměř opačné, než tomu bylo při příjmu z půdního roztoku. Vlastnosti plazmalemy
parenchymových buněk hraničících s xylémem musí být tudíž podstatně odlišné od vlastností
plazmalemy buněk epidermis a kůry. Existují také důkazy, že regulační signály ovlivňující
činnost iontových kanálů a přenašečů v membráně epidermis neovlivňují činnost
transportních proteinů v membránách přiléhajících ke xylému. Ty mají zřejmě svůj vlastní
regulační mechanismus.
Podélný (xylémový) transport iontů solí v cévách a cévicích je již vcelku méně zajímavý.
Ionty, stejně tak i některé organické látky transportované z kořenů do nadzemních částí
(zejména aminokyseliny), jsou unášeny proudem vody, a tudíž rychlost jejich transportu je
zcela závislá na rychlosti toku vody. Stěny cév mají sice mírně negativní náboj a tudíž zde
může docházet k elektrostatické vazbě části kationtů. Protože však tato vazba je poměrně
slabá a rychle saturovatelná, nemá z dlouhodobějšího hlediska na vedení iontů vliv.
Transport látek v lýku (floému)
Kromě rychlého dálkového rozvodu roztoků v xylému má rostlina ještě další výkonný a
na xylému nezávislý transportní systém - lýko (floém). Stavba i funkce floémové soustavy je
zcela odlišná od xylému a proto představa, že hlavní rozdíl mezi těmito dvěma soustavami je
jen ve směru proudění (xylémem vzhůru a lýkem dolů), je krajně nesprávná. Jak již víme,
xylémový tok probíhá v mrtvých strukturách na základě působení fyzikálních sil a má
prakticky vždy vzestupný směr.
Floémová transportní soustava obousměrně propojuje všechny orgány rostliny a je
proto mnohem univerzálnější než xylémový transport. Tok v lýku má rostlina pod velmi
dokonalou kontrolou, neboť je úzce vázán na metabolické procesy.
Lýko je tvořeno dlouhými řetězci živých, avšak bezjaderných buněk, sítkovic. Jsou
navzájem spojeny hustě proděravělými buněčnými stěnami, označovanými jako sítka. Délka
sítkovic je přibližně čtvrt až půl milimetru, pouze u nahosemenných bývají delší (1,5 mm).
Při vzniku dospělé sítkovice nejen degeneruje jádro, ale mizí i vakuoly a plazmatická
membrána v oblasti sítek.
K sítkovicím přiléhá jednak lýkový parenchym, a jednak zvláštní buňky průvodní, které
jsou se sítkovicemi propojeny hustou sítí plazmodezmat a tvoří s nimi vlastně jeden funkční
celek. Na rozdíl od sítkovic mají průvodní buňky vysokou metabolickou aktivitu (často vyšší
než buňky v meristémech!). U některých skupin druhů, zvláště z čeledí hvězdnicovitých
(Asteraceae) a bobovitých (Fabaceae), mají průvodní buňky zvlněný (tedy i zvětšený)
povrch plazmatické membrány, což lze považovat za důkaz jejich velkého významu pro
komunikační spojení lýka s okolními pletivy (laterální transport).
Uvnitř sítkovic, kromě nástěnné cytoplazmy, bývají nápadná vlákénka bílkoviny,
označované jako P-protein, která se obvykle shlukují v oblasti sítek. Funkce této bílkoviny je
stále velmi záhadná. Vzhledem k tomu, že má snadnou schopnost koagulace, může rychle
utěsnit otvory v sítku v případě poranění a zabránit tak výtoku cenné floémové tekutiny. Do
jaké míry může sloužit také jako regulátor průtoku, eventuálně jako součást obranného
mechanismu proti patogenům, není dosud jednoznačně dokázáno.
Stavba sítkovic a jejich těsná vazba na průvodní buňky v lýku.
Složení roztoků transportovaných ve floému je nejen druhově specifické, ale mění se i v
závislosti na rychlosti růstových a metabolických procesů. Vždy však převažují neredukující
cukry, z nichž bývá nejhojnější sacharóza. Její koncentrace může dosahovat až 150 g l-1
.
Dále bývají hojně zastoupeny aminokyseliny (až 15 g l-1
, zejména kyselina glutamová,
asparagová a serin) i jiné organické kyseliny, ale také např. ATP a fytohormony. Ve
floémové šťávě lze často zjistit i ionty anorganických solí (např. K+
, Na+
, Ca2+
, Mg2+
).
TRANSPORTNÍ PROCESY 28
TRANSPORTNÍ PROCESY 29
Sítkovice se udržují ve funkčním stavu zřídka déle než jednu vegetační sezónu, pokud
ovšem je zachována kambiální aktivita. Ve starých nefunkčních sítkovicích se hromadí
polysacharid kalóza, který slouží k jejich dokonalému utěsnění. Kalóza může být
produkována i v mladých funkčních sítkovicích, a to jednak při jejich poranění, ale i v
důsledku působení některých stresových faktorů (např. za vysoké teploty).
Popis vlastního mechanismu floémového toku lze rozdělit na tři hlavní otázky:
(1) co je hybnou silou celého toku,
(2) jakým způsobem je řízen vstup látek do sítkovic (tzv. naplňování zdrojové části lýka),
(3) jakým způsobem je řízen výstup („odběr“) látek ze sítkovic na místě jejich potřeby.
Z vysokých rychlostí floémového toku (přibližně 1 m h-1
) je zřejmé, že nemůže jít o
prostou difuzi ani o přenos zrychlený prouděním cytoplazmy, který je běžný v jiných
symplastových strukturách, neboť jeho rychlost bývá jen několik centimetrů za hodinu.
Skutečnost, že lýko je tvořeno živými buňkami, vedla k intenzivnímu zkoumání dalších
možností aktivního transportu v lýku, energeticky zásobeného především z průvodních buněk
po celé délce floémové soustavy. Vycházelo se přitom z domněnky, že transport přes otvory
v sítkách (po jejich vyplnění P-proteinem) může probíhat pouze za dodávání metabolické
energie. Tato domněnka se nepotvrdila. Bylo naopak prokázáno, že u funkčních sítkovic jsou
u většiny druhů rostlin sítka natolik volná, že umožňují hromadný tok. V neprospěch uvedené
představy aktivního transportu svědčí také skutečnost, že uměle navozená inhibice
metabolismu sítkovic a průvodních buněk (např. nízkou teplotou či chemickým blokováním
enzymů ve stonku a v řapících listů, ne však v oblasti zakončení lýka!), nemá obvykle větší
vliv na rychlost toku.
V současné době se pro vysvětlení mechanismu transportu roztoků v lýku uznává jako
nejpravděpodobnější teorie tlakového toku, která byla vypracována již ve dvacátých letech
tohoto století, a od té doby bylo nasbíráno hodně důkazů na její podporu. Podle této teorie
není nutné uvažovat o aktivním podílu všech sítkovic na transportu. Hromadný tok je dán
tlakovým rozdílem mezi začátkem a koncem celé transportní cesty. Rozdílného tlaku je
dosaženo propojením odlišných osmotických systémů. Ten první je umístěn u zdroje asimilátů
(tedy obvykle v listech) a druhý na místech jejich spotřeby (v kořenech a v jiných energeticky
nesamostatných orgánech či úložištích asimilátů). Asimiláty se hromadí ve zdrojovém
zakončení floému, což je provázeno osmotickým vtokem vody do sítkovic ze sousedních
buněčných stěn, které jsou napájeny xylémovým proudem. Vzniklý tlak (až 2,5 MPa) vede k
toku tekutin na opačnou stranu floémových drah, kde je tlak nižší. V tomto druhém
osmotickém systému dochází k výstupu rozpuštěných látek i vody. Výstup vody je dán
vyšším vodním potenciálem vody v sítkovicích ve srovnání s vodou v apoplastu, a je nutnou
podmínkou udržení stálého toku. V místech největšího odběru cukrů z floému se udržuje
jejich poměrně vysoká koncentrace v apoplastu, což vede nejen ke tlakově, ale i osmoticky
podmíněnému výstupu vody ze sítkovic. Část asimilátů je odebírána z lýka i v průběhu toku.
V lýku se tedy udržuje stálý spád koncentrace osmoticky aktivních látek i spád
hydrostatického tlaku od zdrojové části (začátek transportu) po místa spotřeby (zakončení
transportu).
Rychlost floémového toku závisí v prvé řadě na fungování osmotického systému v listech
(= u zdroje asimilátů). Výkon tohoto systému je dán rozdílem vodního potenciálu mezi
symplastem (koncentrovaný roztok na začátku floému) a apoplastem (zředěný xylémový
roztok v buněčných stěnách).
Popsaná teorie tlakem řízeného toku má i svoje slabá místa, která čekají na vysvětlení.
V prvé řadě není jasné, proč jsou vodivé elementy lýka živé buňky s komplikovanou stavbou
sítek, když pro čistě tlakový mechanismus transportu by lépe vyhovovaly mrtvé buňky, jak je
tomu u xylému.
Nejsme si také zatím jisti, zda tlakovou teorií lze vysvětlit floémový tok
u nahosemenných (Gymnospermae). U této skupiny rostlin bývají sítka v sítkovicích
pravidelně potažena membránami typu hladkého endoplazmatického retikula a není tedy
vůbec jasné, zda a do jaké míry je vůbec možný hromadný tok.
Znázornění hlavních rysů teorie tlakového toku tekutin v lýku v důsledku součinnosti dvou osmotických
systémů (blíže viz text).
Naplňování lýka (angl. phloem loading) je proces při kterém dochází k hromadění cukrů
a dalších látek ve floému v blízkosti asimilujících buněk mezofylu do koncentrace, která je
podstatně vyšší (až 40x) než v okolních buňkách zdrojového mezofylu. Tento proces zůstával
po dlouhou dobu nevysvětlen. Na první pohled bylo zřejmé, že se sotva může jednat o
transport čistě symplastovou cestou (přes plasmodesmata až do sítkovic), neboť v tom
případě by nebylo možné zachovat tok rozpuštěných látek z nižší koncentrace do vyšší. To
lze zajistit jen při energeticky dotovaném aktivním transportu přes membrány. Membránový
transport cukrů se děje symportem s H+
ionty, které jsou zpětně přenášeny protonovými
pumpami. Uvažovalo se tedy, že symplast lýka (sítkovice s průvodními buňkami) není
propojen s okolním mezofylem plně funkčními plasmodesmaty, a že ze symplastu mezofylu
přestupují cukry (převážně sacharóza) přes plazmalemu do apoplastu (do buněčné stěny a do
mezibuněčných prostor) a odtud, opět přes membránu, do průvodních buněk a sítkovic (tzv.
apoplastová cesta naplňování lýka).
Novější výzkumy dokázaly, že k tomu tak skutečně u velkého počtu druhů rostlin
dochází, ale zdaleka ne u všech. U některých taxonomických skupin rostlin (zejména
evolučně starších, včetně mnoha druhů stromů a keřů) nebyl prokázán přestup cukrů do
apoplastu, ale pouze přímý tok plasmodesmaty z mezofylových buněk až do lýka, který, jak
jsme již naznačili, by teoreticky neměl být možný. Tato čistě symplastová cesta je ovšem
podmíněna jedním zásadním požadavkem: transportovaná sacharóza se musí v průvodních
buňkách lýka přetvořit na složitější cukry s větší molekulou (např. na rafinózu či stachyózu),
jejichž transport plasmodesmaty zpět do mezofylových buněk není možný. Jedná se tedy o
jakousi „polymerační past“, která umožňuje hromadění cukrů v lýku i bez účasti aktivního
transmembránového transportu. Významnou úlohu zde ovšem také hrají strukturní a funkční
TRANSPORTNÍ PROCESY 30
vlastnosti plasmodesmat, které musí být schopny účinně zabránit zpětnému transportu
molekul rafinózy.
Stavba a funkce plasmodesmat je v současné době intenzivně studována, neboť jejich
zmíněné schopnosti selektivní regulace mezibuněčného transportu látek byly sice mnohokrát
pozorovány, ale chybělo vysvětlení možného mechanismu. Dnes již víme, že regulační
schopnosti má především oblast krčku – depolymerací aktiniových vláken se může zvýšit
průměr transportovaných částic z běžných 1,5 - 2 nm až na 10 nm (tedy pak projdou
molekuly až do velikosti 20 kDa!), ovšem na druhé straně je možné silné přivření až zavření
kanálu v oblasti krčku. Navíc právě tam byla dokázána přítomnost zvláštních proteinů, které
mohou hrát roli selekčních filtrů vylučujících z transportu některé látky.
TRANSPORTNÍ PROCESY 31
Směrování transportu a výstup látek z lýka jsou v současné době intenzivně studované
procesy, a to zejména pro jejich možné praktické využití. Pokud bychom například dokázali
vhodnými zásahy (chemickými regulátory, genovou manipulací) lépe usměrňovat toky
asimilátů do zásobních orgánů či do semen zemědělsky významných plodin, mělo by to
nepochybně velký význam pro zvýšení jejich výnosů. Bohužel tak daleko ještě nejsme,
protože naše základní poznatky o regulačních mechanismech floémového transportu jsou
stále nedostatečné.
Již dosti dlouho bylo známo, že z téhož místa (např. z určitého listu) mohou být
jednotlivé typy sloučenin, současně vstupující do lýka, transportovány do odlišných orgánů.
Tedy např. sacharóza převážně do kořenů, aminokyseliny do mladých listů, atd. Pozdější
přesná měření ale dokázala, že tento zdánlivě směrovaný transport není dán existencí
specifických transportních drah (tedy rozdílně směrovaných izolovaných sítkovic, které
spojují jen některá místa). Elementy lýka jsou obvykle dosti složitě pospojovány (nejen
podélně, ale i příčně), a na mnoha místech dochází k přestupu transportovaných látek do
apoplastu a jejich resorpci zpět do lýka. To vše umožňuje směrově velmi plastický pohyb
(svým způsobem cirkulaci) transportovaných látek po celé rostlině. Preferenční zásobení
určitého orgánu určitou sloučeninou je obvykle dáno větší schopností „odběru“ dané látky z
floémové tekutiny v daném místě.
Mechanismy řídící výstup rozpuštěných látek z lýka jsou známy dosud nedostatečně.
Principiálně jsou opět možné dvě rozdílné cesty, apoplastová a symplastová, tedy obdobně
jak u naplňování lýka. Symplastová cesta výstupu je častější a je podmíněna značnou
selektivitou a regulačními schopnostmi plasmodesmat. Přesnější údaje o regulaci rychlosti
„odběru“ látek z lýka v určitém orgánu máme jen pro některé typy sloučenin, především pro
sacharózu. Bylo zjištěno, že zcela zásadní úlohu má v tomto případě aktivita enzymu
invertázy v těsné blízkosti lýka, která štěpí sacharózu na glukózu a fruktózu. Tyto redukující
monosacharidy již nemohou být dále transportovány lýkem, ani do něho nemohou vstupovat,
neboť v membránách sítkovic a průvodních buněk nejsou pro ně transportní proteiny.
Naopak, nerozložená sacharóza vstupuje zpět do lýka velmi snadno protože sacharózových
přenašečů je v membránách dostatek. Orgán, který má v jisté fázi vývoje nároky na zásobení
sacharózou, začne pro zvýšení jejího odběru z lýka vytvářet více invertázy. Výzkumu
podnětů a procesů spojených s regulací tvorby a aktivity různých typů invertáz (existuje jich
celá početná skupina!) je nyní věnována zvláště velká pozornost.
TRANSPORTNÍ PROCESY 32
TRANSPORTNÍ PROCESY 33
Metody pro stanovení látek vedených lýkem.
Při studiu floémového transportu nás zdaleka nezajímá pouze jeho rychlost a směr (ty se
nejčastěji určují pomocí stabilních či radioaktivních izotopů, ale také chemické složení a
koncentrace transportovaných látek. K tomu však potřebujeme získat vzorky floémové
tekutiny. Po naříznutí sítkovic se floémový tok velmi rychle zastavuje, takže tímto způsobem
nelze odběry provádět.
Naštěstí máme nyní k dispozici jinou, velmi účinnou metodu odběru, využívající savého
hmyzu. Původně byla používána v entomologii k analýze potravy mšic, dnes je z ní ovšem
rutinní metoda rostlinné fyziologie. Sající mšici, která svým sosákem proniká do sítkovice,
nejprve zmrazíme (pevným CO2) a pak její tělo oddělíme tak, aby sosák zůstal v rostlině.
Díky stálému přetlaku ve floému (2 až 3 MPa) nám ze zbytku sosáku po dlouhou dobu vytéká
tekutina k analýze (asi 1 µl za hodinu).
Další neméně vtipná metoda byla vymyšlena pro práci s bobovitými rostlinami. V
mladém lusku vyřízneme okénko, abychom měli přístup k tvořícímu se semeni. U něho pak
nařízneme vnější obal a vyjmeme embryo. Místo po embryu se vyplní rozehřátým agarem.
Asimiláty z floému se do rostoucího embrya dostávají apoplastovou cestou přes endothel
(protože floém není s embryem propojen), a tudíž velmi snadno difundují i do agaru. Agar
pak ve vhodnou dobu vyjmeme a analyzujeme.
Transport plynů v rostlinách a výměny s atmosférou
Kromě transportu vody, iontů solí a organických látek jsou s životem rostliny spojeny
i důležité výměny plynů. Veškerý uhlík, který je základem pro stavbu organických látek,
přijímá rostlina ze vzduchu ve formě oxidu uhličitého. Nezbytný je i příjem kyslíku pro
uvolňování chemické energie v respiračních procesech. Podle toho, zda převažují asimilační
nebo disimilační procesy, může se směr transportu obou těchto plynů měnit. Třetí významnou
plynnou složkou, jednosměrně vystupující z rostliny je vodní pára. Denní úhrn
transportované vodní páry je obvykle více než stokrát větší než množství kyslíku a oxidu
uhličitého. Některé další plyny transportované v rostlinách (např. endogenní etylen a
amoniak) jsou z kvantitativního hlediska již mnohem méně významné.
Hlavní cesty a mechanismus transportu plynů
Plyny se mohou pohybovat v rostlině systémem vzájemně propojených mezibuněčných
dutin naplněných vzduchem (interceluláry), které se obvykle vyskytují ve všech orgánech. V
pletivech bez vzdušných intercelulár a uvnitř buněk je transport plynných látek možný pouze
po jejich rozpuštění ve vodě. Tok plynů je udržován buď samovolným pohybem molekul po
koncentračním spádu (difuze), nebo nuceným prouděním po spádu tlaku (hromadný tok).
Difuze je pro transport plynů v rostlinách mnohem významnější než pro pohyb částic v
roztocích. Jednak proto, že v intercelulárách se jen zřídka vyskytují větší rozdíly tlaku,
vedoucí k hromadnému toku, ale hlavně proto, že difuze v plynném skupenství je zhruba
desettisíckrát rychlejší než v roztocích.
Podle prvního Fickova zákona platí, že rychlost difuzního toku (Jn, počet molů látky n,
které projdou jednotkovou plochou za jednotku času) je úměrná koncentračnímu gradientu
(δCn/ δx): Jn = -Dn. δCn/δx
kde Dn je difuzní koeficient pro látku n je závislý na teplotě a některých dalších faktorech
prostředí. Difuze probíhá od vyšší koncentrace k nižší, proto je výraz (podle zavedené
konvence) záporný. Po úpravě uvedeného vztahu pro měřitelný rozdíl koncentrací (∆Cn) na
místech od sebe vzdálených o ∆x dostáváme:
∆Cn Dn
Jn = Dn
∆x
=
∆x
∆Cn
TRANSPORTNÍ PROCESY 34
Podíl Dn/∆x nazýváme difuzní vodivost pro látku n a označujeme ji zjednodušeně jako gn.
Její převrácená hodnota (1/gn) se označuje jako difuzní odpor pro látku n (rn):
Dn Jn 1
gn =
∆x
=
∆Cn
=
rn
Používané jednotky: J [mol.m-2
.s-1
], C [mol.m-3
], x [m], D [m2
.s-1
], g [m.s-1
], r [s.m-1
].
Hodnoty difusní vodivosti mohou být také vyjadřovány v jednotkách [mol.m-2
.s-1
], přičemž
platí:
8,314.T
g [m.s-1
] = g [mol.m-2
.s-1
]·
pa
kde T je absolutní teplota a pa je tlak vzduchu během měření .
Hodnoty difuzního koeficientu jsou specifické pro jednotlivé plyny, např:
CO2 D = 1,51.10-5
m2
.s-1
kyslík D = 1,95.10-5
m2
.s-1
vodní pára D = 2,42.10-5
m2
.s-1
Z uvedených příkladů je zřejmá závislost D na molekulové hmotnosti plynů - vyšší hodnota
D u menších molekul znamená jejich rychlejší tok (za stejného rozdílu koncentrací).
Nejmenší problémy bývají s transportem kyslíku. Jeho obsah ve vzduchu (přibližně 21
objemových %) je natolik velký, že i při omezených difuzních cestách (zavřené průduchy v
listech, nebo u orgánů s epidermis bez průduchů) netrpí rostliny jeho nedostatkem. Kyslík
poměrně snadno proniká kutikulou, buněčnými stěnami i membránami, mnohem pomaleji
však proniká roztoky v pletivech. Hlavním místem spotřeby jsou mitochondrie a peroxisomy.
U listů s aktivní fotosyntézou obvykle kyslík vznikající při fotolýze vody pokrývá potřeby
respiračních procesů, či dokonce bývá nadbytek odváděn do atmosféry.
Jisté potíže s transportem kyslíku mohou vzniknout pouze u rostlin, jejichž kořeny rostou
v anaerobním prostředí (mokřady, zaplavené či zhutnělé půdy). U těchto rostlin mívají
kořeny zvláště bohatě vyvinut systém intercelulár (až 70% plochy na příčném průřezu),
zajišťující dostatečně rychlou difuzi kyslíku na vzdálenost několika desítek centimetrů. U
některých vodních rostlin (např. čeledi stulíkovitých) byl objeven mechanismus vyvolávající
hromadný tok vzduchu do submerzních částí (cirkulace řapíky různě starých listů v závislosti
na změnách jejich teploty). Existují důkazy, že k hromadnému toku kyslíku do kořenů
zaplavených rostlin (např. rýže) může docházet také v souvislosti s rozpouštěním oxidu
uhličitého ve vodě. Pokud totiž není ten objem kyslíku, který se spotřebovává při dýchání,
nahrazen stejným objemem CO2 (tedy v případě úniku CO2 do vody v okolí kořenů), pak v
intercelulárách kořenů vzniká podtlak vedoucí k hromadnému toku vzduchu z nadzemních
částí spojených s atmosférou.
Transport oxidu uhličitého, který je produkován ve všech živých částech rostliny při
aerobních respiračních procesech, je možné rozdělit na dvě fáze. Tou první je transport ve
vodním prostředí (cytosol a hydratované buněčné stěny) a druhou pak difuze ve vzduchem
naplněném prostoru intercelulár. Ve vodním prostředí je CO2 nejen rozpuštěn, ale část
molekul reaguje s vodou za vzniku kyseliny uhličité, která při pH nad 4,5 rychle disociuje na
hydrogenuhličitanové ionty. I malé zvýšení pH v buňce značně snižuje poměr mezi obsahem
volně rozpuštěného CO2 a vázaného ve formě HCO3
iontů.
Transport CO2 ve vzduchu
naplňujícím interceluláry a přestup přes epidermis s kutikulou je obvykle velmi rychlý, neboť
koncentrace CO2 vytvořená v intercelulárách respirací je poměrně vysoká (řádově několik
objemových procent), zatímco ve vzduchu v okolí rostliny je velice nízká (0,036 objem. %),
a tím i koncentrační spád, na kterém je závislá rychlost difuse je příznivě vysoký.
U listů s probíhající fotosyntézou zdaleka nestačí výdej oxidu uhličitého z respiračních
procesů (ty běží stále, i na světle!) krýt jeho spotřebu v asimilačních procesech. Je tedy nutný
transport CO2 do listu, což je spojeno s řadou vážných problémů. Vzhledem ke zmíněné
nízké koncentraci CO2 ve vzduchu je rychlost difuze obvykle nedostatečná k plnému
uspokojení potřeby syntetických procesů.
Rychlost difuze CO2 do listu je vážným limitujícím faktorem celkové rychlosti
fotosyntézy a je jí proto při fyziologických výzkumech věnována velká pozornost. Čím je
vlastně omezována rychlost toku CO2 do listu? Pokud je kapacita biochemického zpracování
CO2 v buňce vysoká a koncentrace CO2 ve vzduchu okolo listu konstantní, pak rozhodující
slovo má vodivost difuzních cest, neboť koncentrační spád zůstává stejný. Naprostá většina
CO2 vstupuje do listů průduchy, které jsou nejužším místem difuzní cesty a proto také
nejvíce rozhodují o rychlosti difuze. Šířku průduchových štěrbin (a tím tedy i vodivost pro
difuzi CO2) může rostlina ve značném rozmezí aktivně řídit. Funkci průduchů si v dalším
textu podrobněji popíšeme, stejně tak jako metody, při kterých stanovení rychlosti toku CO2
využíváme k odhadu rychlosti fotosyntézy a respirace.
Transport vodní páry je prakticky vždy jednosměrný, z rostliny do atmosféry, neboť
vzduch v intercelulárách považujeme za téměř nasycený vodní parou. Teoreticky ovšem
transport vodní páry ze vzduchu do rostliny možný je - např. u silně vyschlých či
podchlazených orgánů ve vlhkém prostředí. To jsou však opravdu vzácné případy. Dráha
difuze molekul vodní páry z rostliny bývá velmi krátká a gradient koncentrací obvykle
neobyčejně velký - z toho vyplývá i velká rychlost difuzního toku.
Gradient koncentrace či parciálního tlaku vodní páry mezi vzduchem a listem je nejen
vyšší, ale i podstatně proměnlivější než tomu je u CO2. Na tomto kolísání se podílejí jak
změny parciálního tlaku vodní páry ve vzduchu, tak i v listu, a to především pro jeho silnou
závislost na teplotě. Teplota vzduchu i listů se mění v průběhu dne často nestejným
způsobem, avšak každé zvýšení teploty (jak vzduchu, tak i listů) vede obvykle k prudkému
zvýšení gradientu koncentrace vodní páry.
Transport vodní páry z rostliny je možný všemi jejími částmi, ovšem daleko
nejvýznamnější, tak jako v případě CO2, je opět u listů. Orgány ve kterých neprobíhá
fotosyntéza mohou mít povrch pokrytý souvislou kutikulární vrstvou s voskovými
impregnacemi, která velmi zpomaluje rychlost difuze vodní páry. Asimilující orgány se však
TRANSPORTNÍ PROCESY 35
takto trvale uzavírat nemohou. Pro zajištění dostatečného přísunu CO2 ke chloroplastům je
žádoucí, aby list kladl co nejmenší odpor difuznímu toku. Rostlina je tedy postavena před
dilema, jak získat co nejvíce CO2 a přitom ztratit co nejméně vody. Stavba a funkce
průduchového aparátu je příkladem velmi dokonalého optimalizačního řešení tohoto
problému.
Průduchová regulace výměny plynů
Všechny orgány vyšších rostlin, ve kterých probíhá fotosyntetická asimilace CO2 mají v
epidermis pravidelně rozmístěny zvláštní párové buňky, označované jako buňky svěrací. Ty
části buněčné stěny, kterými se obě svěrací buňky spolu stýkají, nejsou srostlé, ale vytvářejí
průduchovou štěrbinu, která v otevřeném stavu zásadním způsobem usnadňuje výměnu plynů
mezi vzduchem v intercelulárách a okolní atmosférou. Kdybychom sečetli plochu otevřených
průduchových štěrbin, zjistili bychom, že tvoří sotva jedno procento z celkové plochy listu.
Rychlost difuzního toku plynů otevřenými průduchovými štěrbinami však může být mnohem
větší, než bychom očekávali - zhruba asi taková, jako kdyby polovina plochy listu nebyla
vůbec pokryta epidermis. Navíc velikost průduchové štěrbiny může rostlina aktivně a zcela
spojitě měnit od stavu úplného uzavření až po plné otevření, průduchy jí tedy dávají možnost
velmi dokonale řídit rychlost výměny plynů s okolím.
Svěrací buňky průduchů při růstu listů sice vznikají ze stejného meristematického základu
jako ostatní epidermální buňky, avšak při diferenciaci získávají zcela jiné strukturní znaky.
Nejde jen o na první pohled zjevné tvarové rozdíly a zvláštní zesílené části buněčné stěny. Na
rozdíl od běžných buněk pokožky mají vždy dobře vyvinuté chloroplasty, které však téměř
neobsahují karboxylační enzym Rubisco. Zato v cytosolu je hojně přítomen jiný karboxylační
enzym, PEP karboxyláza. Mají velký počet mitochondrií s vysokou aktivitou citrátového
cyklu. Svěrací buňky nejsou propojeny se sousedními buňkami pomocí plasmodesmat, zato
mají s nimi velmi dokonalé spojení pomocí transportních proteinů v plasmatické membráně.
Všechny tyto zvláštní znaky stavby svěracích buněk podmiňují jejich správnou funkci.
Mechanika pohybů průduchů je známa velmi dobře. Otevírání průduchové štěrbiny je
způsobeno transportem vody z buněk listového mezofylu do svěracích buněk, tedy zvětšením
jejich objemu. Tím, že ve stěnách svěracích buněk převažuje příčná (radiální) orientace
celulózových vlákének (micel), nemají tyto buňky po příjmu vody tendenci zakulacovat svůj
tvar (a tím tedy uzavírat štěrbinu), ale spíše protahovat se do délky. Vzhledem k pevnému
ukotvení konců svěracích buněk do buněčných stěn sousedních buněk je výsledkem
protahování jisté prohnutí ("vyboulení") svěracích buněk bočním směrem. Tím se štěrbina
rozevírá. Toto základní schéma může být poněkud modifikováno u rostlin s atypickou
morfologií svěracích buněk, např. u trav dochází ke zvětšení objemu pouze v rozšířených
koncích svěracích buněk.
Přivřený a plně otevřený průduch (nahoře). Vlevo dole je znázorněno příčné uložení celulosových (micel) v
buněčných stěnách svěracích buněk, vpravo příčný řez svěracími buňkami v otevřeném a zavřeném stavu.
TRANSPORTNÍ PROCESY 36
TRANSPORTNÍ PROCESY 37
Vysvětlením mechaniky pohybů jsme však teprve na úplném začátku řetězce příčin a
následků. Čím je způsoben náhlý příjem vody do svěracích buněk při otvírací reakci? Bylo
dokázáno, že jde o příjem vyvolaný zvýšením osmotického tlaku ve svěracích buňkách,
a to v důsledku rychlého přesunu iontů draslíku. Náhlý tok draslíkových iontů do svěracích
buněk je ovšem závislý na otevření iontových kanálů pro draslík v plazmatické membráně, a
současně na stimulaci protonových pump, jejichž aktivitou dochází k přesunu vodíkových
iontů na vnější stranu plazmatické membrány. Chybějící vodíkové ionty v cytosolu svěracích
buněk jsou doplňovány disociací organických kyselin, především kyseliny jablečné a
citrónové, jejichž tvorba z rezervních sacharidů je rovněž stimulována (= biochemický pHstat
umožňující zachovat optimální pH pro enzymatické procesy v cytosolu). Vytvořený vysoký
elektrochemický potenciál nahromaděním protonů v buněčné stěně je podmínkou rychlého
difusního toku iontů K+
do cytosolu svěracích buněk. Přesun iontů draslíku bývá někdy
provázen i přesunem jistého množství chloridových iontů.
Při zavírací reakci průduchů je aktivita protonových pump inhibována, ale současně
dochází k aktivaci membránových proteinů pro export malátových aniontů ze svěracích
buněk. Tím dojde k depolarizaci plazmatické membrány a k samovolnému transportu iontů
draslíku z cytosolu svěracích buněk do buněčné stěny a do buněk vedlejších. Stejným
směrem začne osmoticky difundovat i voda, turgorový tlak se sníží a průduch se zavře.
Existence malátového přenašeče v membránách svěracích buněk a jeho klíčová významnost
pro zavírací reakci průduchů byla objevena teprve v roce 2008.
Jaký signál však spouští celý otvírací a zavírací mechanismus do pohybu? Výsledkem
mnohaletého usilovného hledání způsobu řízení pohybů průduchů je zjištění, že neexistuje
jediný signál či řídící okruh, ale u každé rostliny je jich vždy několik a na zcela odlišných
principech, ale působících často současně v koordinované souhře.
Světlo (viditelné záření) je zcela evidentně jedním z významných signálů. Za tmy jsou
průduchy u většiny rostlin uzavřeny (výjimku tvoří jen některé sukulentní rostliny
metabolickou cestou CAM, ke kterým se ještě vrátíme v kapitole o fotosyntéze). Po osvětlení
však dochází k rychlému otevírání. Vysvětlit přenos tohoto signálu však není jednoduché.
Podle dřívějších představ měl být vliv světla zprostředkován jeho absorbcí v chlorofylu a
posléze sníženou koncentrací CO2 v intercelulárách v důsledku aktivované fotosyntézy. Dnes
však víme, že kromě tohoto nepřímého mechanismu může světlo působit na pohyby
průduchů také přímo, nezávisle na fotosyntéze. Největší účinek má světlo modré (o vlnové
délce 430 až 460 nm), které aktivuje činnost protonových pump v plazmatické membráně
svěracích buněk. Tato aktivace je zprostředkována flavoproteinovým pigmentem
označovaným jako kryptochrom, který je vázán v plazmatické membráně svěracích buněk.
Koncentrace CO2 ve vzduchu v intercelulárách má neobyčejně významný vliv na pohyby
průduchů (za nízké koncentrace se otvírají, vysoká naopak vede k zavírání). Koncentrace
CO2 bývá velmi často hlavním řídícím signálem, a to především za nízkých a kolísavých
hodnot záření, kdy otvírání průduchů se může v podstatě zpětnovazebně řídit rychlostí
spotřeby CO2 ve fotosyntéze. Do jaké míry se na tomto řízení podílí i fotosyntéza přímo ve
svěracích buňkách, není ještě bezpečně prokázáno - existuje řada prací svědčících pro, ale i
proti. Nicméně změny koncentrace CO2 v intercelulárách vyvolávají pohyby průduchů i za
tmy, což je důkazem, že musí existovat řídící mechanismus nezávislý na fotosyntéze.
Nedostatek vody v listu (vodní deficit), provázený poklesem vodního potenciálu a
turgoru, způsobuje za i jinak příznivých okolností (dostatek světla, potřeba dodávat CO2 pro
fotosyntézu) zavírání průduchů, neboť ochrana listu před nadměrnou ztrátou vody má
prioritu před maximalizací toku CO2 pro fotosyntézu. Jak již víme, průduchy se udržují v
otevřeném stavu díky vysokému turgoru svěracích buněk a tak není obtížné si představit
jejich pasivní zavření v důsledku většího snížení obsahu vody, a tím i ztráty turgoru, ve všech
buňkách listu.
TRANSPORTNÍ PROCESY 38
Existuje však ještě jiný, citlivější způsob reakce na nedostatek vody, který umožňuje
rostlinám zavírat průduchy mnohem dříve, než dojde k větší ztrátě vody. Jde o reakci
zprostředkovanou kyselinou abscisovou, která je jedním z důležitých fytohormonů. Kyselina
abscisová se uvolňuje z mezofylových buněk již při velmi mírném poklesu jejich turgoru a je
vedena ke svěracím buňkám. Působením kyseliny abscisové dochází k inhibici činnosti
protonových pump, ovšem zprostředkovaně, pomocí vnitrobuněčných druhotných mediátorů,
ke který patří v prvé řadě ionty vápníku. Koncentrace iontů vápníku ovlivňuje v buňce
rychlost enzymově řízených reakcí (např. fosforylace), na nichž je závislá činnost
protonových pump v membránách, a tudíž i rychlost transportu K+
do svěracích buněk.
Je zajímavé, že ke zvýšení koncentrace kyseliny abscisové v listech (a tím i k zavírání
průduchů) může dojít i jejím transportem z jiných orgánů, zejména z kořenů. Začínající
nedostatek vody v půdě (ale i některé jiné stresové podněty, např. zasolení či nedostatek
kyslíku) indukují v kořenech syntézu kyseliny abscisové, která je xylémovým tokem rychle
transportována do listů. Signál přitom může pocházet jen z jedné části kořenového systému,
která začíná být vystavena stresovým faktorům. K zavírání průduchů tímto mechanismem
může tedy dojít i za stavu, kdy listy mají ještě vody dostatek (např. jsou zásobeny z té části
kořenů, která dosud může příjmat vodu), tedy v předstihu před hrozícím celkovým
nedostatkem.
Vysoká citlivost průduchů na vlhkost vzduchu u některých druhů byla objevena poměrně
nedávno. Velmi nízký parciální tlak vodní páry ve vzduchu okolo listu vede k zavírání
průduchů zcela nezávisle na stavu vody v listu (i při plném nasycení listových pletiv!). Jde
tedy o další velmi citlivý regulační mechanismus k včasnému zabránění ztrát vody, kromě
popsané regulace pomocí kyseliny abscisové. Pokles vlhkosti vzduchu při otevřených
průduších znamená vždy velké zvýšení výparu vody z listů a díky rychlé reakci průduchů lze
těmto ztrátám zabránit hned v samém počátku. To je zvláště důležité pro rostliny, které
mohou jen velmi obtížně a zřídka doplňovat ztracenou vodu (např. epifyty). U rostlin které
mají zajištěno trvalé zásobení vodou z vlhké půdy není přímá reakce průduchů na koncentraci
vodní páry ve vzduchu ani příliš významná, ani prospěšná. Unáhleným zavřením průduchů
by se totiž zbytečně zkracovala doba příznivá pro rychlý příjem CO2.
Závěrem tedy můžeme shrnout, že kromě přímého vlivu světla na otvírání průduchů
existují ještě nejméně dva další účinné regulační systémy se zpětnou vazbou. První je řízen
koncentrací CO2 v intercelulárách a zajišťuje tok CO2 přiměřený potřebám fotosyntézy,
druhý systém řízený stavem vody v pletivech (s přenosem signálů pomocí kyseliny
abscisové) přizpůsobuje tok vodní páry z listu možnostem příjmu vody rostlinou a chrání ji
před nadměrnou ztrátou.
Měření rychlosti výměny plynů a vodivosti průduchů
Měření rychlosti výměny plynů (O2, CO2, vodní pára) je nejčastěji založeno na stanovení
změn jejich koncentrace ve vzduchu v těsné blízkosti rostliny. Technicky nejschůdnější
řešení spočívá v uzavření rostliny (častěji však jen její části, např.listu) do průhledné
komůrky. Změny koncentrace plynů měříme buď v protékajícím vzduchu (otevřený systém,
určujeme rozdíl v koncentraci před vstupem do komůrky a po výstupu), nebo v cirkulující
smyčce (uzavřený systém, vyhodnocujeme rychlost poklesu či vzestupu koncentrace).
Komůrka musí být konstruována tak, aby bylo možno řídit podmínky prostředí uzavřeného
orgánu (teplotu, ozářenost, ventilaci). Pro analýzu plynů je k dispozici řada přesných
analyzátorů a čidel (kyslík: paramagnetické analyzátory, čidla Clarkova typu. CO2:
analyzátory infračerveného záření. Vodní pára: psychrometry, kapacitní čidla, měřiče
rosného bodu, aj.). Rychlost výdeje vodní páry z rostlin můžeme také určovat z úbytku jejich
hmotnosti krátce po odříznutí.
Zjednodušené schéma aparatury pro měření rychlosti výměny plynů u rostlin.
Pro měření difuzní vodivosti průduchů se používají přístroje označované jako difusní
porometry. Základním principem je přesné stanovení rychlosti výdeje vodní páry z uzavřené
části rostliny (z kontinuálního měření vlhkosti vzduchu v komůrce) a dále z měření teploty
vzduchu a objektu (obvykle listu) v komůrce. Pak lze vypočítat za pomoci fyzikálních vztahů
či tabulek i rozdíl mezi koncentrací vodní páry uvnitř listu (es , je považována za nasycenou
při dané teplotě listu) a v okolním vzduchu (ea). Tok vodní páry z listu (JVP) lze vypočítat z
měřené rychlosti vzestupu vlhkosti vzduchu v komůrce. Jak již bylo uvedeno na začátku této
kapitoly, obecně pro rychlost difuzního toku platí, že je přímo závislý na rozdílu koncentrací
a na difuzní vodivosti. Rychlost toku vodní páry z listu je tedy:
JVP = (es - ea) gVP
Difuzní vodivost epidermis pro vodní páru (gVP) lze tudíž vypočítat:
JVP
gVP =
es - ea
Při této metodě není stanovena pouze vodivost průduchů, ale celé epidermis, tedy i
kutikuly. Ta je ovšem ve srovnání s vodivostí otevřených průduchů zanedbatelně malá (více
než stokrát menší).
Difuzní vodivost epidermis listů pro CO2 (gCO2) můžeme odvodit z vodivosti pro vodní
páru (gVP), stanovené popsaným způsobem. Není s ní ovšem nikdy totožná. Molekuly CO2
mají totiž větší hmotnost než molekuly vodní páry, a proto i menší hodnotu difuzního
koeficientu (difuze je pomalejší). Je proto nutné hodnoty gVP snížit úměrně ke vzájemnému
poměru difuzních koeficientů:
DCO2
gCO2 = gVP
DVP
= 0,62 gVP
Ještě jeden rozdíl v rychlosti difuze musíme vzít v úvahu. Při difuzi CO2 do listu současně
difunduje vodní pára z listu, přičemž počet vystupujících molekul vodní páry je až tisíckrát
větší než počet vstupujících molekul CO2. Tím je rychlost difuze molekul CO2 poněkud
zpomalena (až o 15%). Pro přesné výpočty je tedy nutné provést vhodnou korekci.
TRANSPORTNÍ PROCESY 39
TRANSPORTNÍ PROCESY 40
Kontrolní otázky k 1. části učebního textu Fyziologie rostlin
1. Jak je definován vodní potenciál a jaké dílčí složky určují jeho celkovou hodnotu?
2. Rostlinné buňky se sice chovají jako osmotický systém, ale ne zcela dokonalý. V jakých
funkčních znacích se odchylují od ideálního osmotického systému?
3. Pokud bychom buňku s osmotickým tlakem cytosolu π = 1,2 MPa ponořili do roztoku s
hodnotou osmotického tlaku π = 0,4 MPa, jaký hydrostatický (turgorový) tlak by se v ní
vytvořil? (za předpokladu, že by se chovala jako ideální osmotický systém).
4. Jakým způsobem mohou rostlinné buňky velmi rychle měnit osmotický tlak cytosolu?
5. Z jakých důvodů je pro rostliny důležité udržovat vysoký turgorový tlak v buňkách a na
jakých buněčných parametrech závisí jeho nejvyšší dosažitelná hodnota v průběhu dne?
6. Zdůvodni, zda je, nebo naopak nikdy není možný tok vody z kořenů do půdy!
7. Může pronikat půdní roztok u některých druhů rostlin buněčnými stěnami (apoplastem) z
půdy až do xylému?
8. Na jakých okolnostech závisí rychlost toku vody do buňky přes její plazmatickou
membránu ? (vztaženo je jednotku plochy membrány).
9. Jak se obvykle mění hodnoty hydrostatického tlaku ve vodivých elementech xylému
(zvyšují - snižují) v nočních hodinách? (ve srovnání s denními hodinami).
10. Za jakých okolností může dojít k samovolnému vytékání vody z pahýlu po odříznutí
stonku (kořenový vztlak) a co je jeho příčinou?
11. Jaké jsou příčiny vzniku bublinek ve vodivých elementech xylému (kavitace, plynová
embolie) a jaké mechanismy umožňují rostlinám zajistit i v tomto případě tok vody?
12. Jaké maximální rychlosti může dosahovat transport vody u našich listnatých stromů s
širokými cévami ve srovnání s jehličnatými stromy?
13. Proč se nutně musí lišit mechanismus příjmu iontů živin z půdního roztoku do buněk
kořenů od příjmu vody? Jaké problémy pro rostlinu by nastaly, pokud by probíhal
shodně?
14. Jaké jsou rozdíly v mechanismu transportu a v přenosové kapacitě mezi selektivními
kanály a přenašeči?
15. Jaké typy protonových pump se vyskytují v membránách rostlinných buněk a jaká je
jejich efektivita (měřeno spotřebou energetických zdrojů na transport 1 molu protonů)
16. Jak probíhá sekundárně aktivní (spřažený) transport a k jakým transportům (co odkud
kam) je u rostlinných buněk nejčastěji využíván?
17. Jakými podněty (signály) je nejčastěji aktivováno otvírání selektivních kanálů v
membránách rostlinných buněk?
18. Zdůvodni, zda může nebo nikdy nemůže dojít k transportu iontů živin (např. K+
) z půdy
do kořenů prostou difuzí (přes selektivní kanály), je-li jejich koncentrace v kořenových
buňkách desetkrát vyšší než v půdním roztoku okolo kořene!
19. Jaké sloučeniny bývají v největším množství transportovány v lýku?
20. Co je hybnou silou transportu roztoků v lýku a proč může i ve stejné sítkovici dojít v
průběhu dne k obrácení směru proudění?
TRANSPORTNÍ PROCESY 41
21. Popiš hlavní principy apoplastové a symplastové cesty naplňování lýka!
22. Jakým způsobem je řízen odběr sacharózy z foémové tekutiny v místech největší potřeby?
23. Jaké jsou hlavní rozdíly v transportních výměnách rostlin s jejich okolím mezi těmito
plyny: vodní pára, oxid uhličitý a kyslík.
24. Jaké anatomické a biochemické zvláštnosti mají svěrací buňky průduchů ve srovnání s
ostatními epidermálními buňkami a jaký je funkční význam těchto zvláštností?
25. Jakým způsobem jsou pohyby průduchů vázány na mezibuněčný transport draslíkových
iontů a čím je směr tohoto transportu podmíněn?
26. Jakým mechanismem je zajištěno otvírání a zavírání průduchů v závislosti na aktivitě
fotosyntetických procesů v mezofylových buňkách?
27. Jakým mechanismem je spouštěna zavírací reakce průduchů na začínající nedostatek
vody v půdě, i když listy jsou ještě vodou zcela nasyceny?
28. Jakým způsobem bychom mohli vypočítat difuzní vodivost epidermis listů pro vodní páru
a oxid uhličitý?