Rostlinná Biochemie
• Rostliny patří mezi autotrofní organismy
• Základním procesem u rostlin je fotosyntéza
- využití energie slunečního záření k syntéze cukrů a aminokyselin
- probíhá převážně v listech
- cévní systém rozvádí produkty v rámci rostliny
• Rostliny mají velmi rozsáhlý povrch
- velmi tenké listy - maximální absorpce světla a difuze CO2 do listů
- kořenový systém - efektivní získávání živin a vody z půdy
• Rostliny musí čelit celé řadě extrémních podmínek
- sucho, záplavy, teplo, chlad, mráz, vysoká intenzita světla
- na rozdíl o živočichů nemohou utéct/změnit stanoviště
• Rostliny si vyvinuly celou řadu obraných mechanismů a látek
- ochrana před nepříznivými podmínkami (abiotické faktory)
- ochrana před „snězením“ patogeny, herbivorními organismy (biotické faktory)
Rostliny - Úvod
2
3
Rostliny - Význam
• Zemědělství je základem lidské výživy (všežravec, vegetarián, vegan)
• Narůstající světová populace
- extrémní nároky na zemědělskou produkci
- nutnost použití hnojiv, herbicidů, ochranných postřiků
- rostlinná biochemie
 nástroj pro křížení nových plodin
 nástroj pro zvýšení produkce
 nástroj pro syntézu nových přípravků pro ochranu rostlin
 nástroj pro nové přístupy v ochraně rostlin
• Rostliny jsou nenahraditelný zdroj
- výchozí průmyslový materiál (tuky, škrob, cukry, dřevo)
- základ pro výrobu a vývoj léčiv
- v budoucnu jediný obnovitelný zdroj materiálu pro průmysl
4
Rostliny - Medicína
• Použití rostlin pro medicínské účely
Mezopotámie ~ 2600 BD
Egypt ~ 1800 BD
Čína ~1100 BD
Indie ~ 1000 BD
Řecko ~ 500 BD
• Rostliny jsou nenahraditelný zdroj léčiv
- 80% lidí v rozvojových zemích (4 miliardy) používá rostliny pro svou léčbu
- Analgetika: Aspirin (salicin) - vrba (Evropa, 1899 Bayer)
Morfine, Kodein – mák setý (Irán, Irák, 1827 Merck)
- Kardiotonika: Digitalin – Náprstník červený (Evropa)
- Malárie: Chinin - chinovník (Amazonie)
Artemisinin – Pelyněk roční (Čína)
- Antihypertensiva: Reserpin - Zmijovice hadová (Indie, Raudixin, Serpasil)
- Chemoterapeutika: Paclitaxel - Tis západoamerický (Taxol)
- Anestetika: Tubocurarin – Chondrodendron (Amazonie)
aspirin
salicin
morfin
chinin
digitalin
5
Rostlinná buňka
6
Rostlinná buňka
ORGANELA OBJEM % FUNKCE
Vakuola 79 Udržování buněčného turgoru, skladování a ukládání odpadu
Chloroplasty 16 Fotosyntéza, syntéza škrobu a lipidů
Cytozol 3 Základní metabolický prostor, syntéza sacharózy
Mitochondrie 0.5 Buněčná respirace
Jádro 0.3 Obsahuje genom, replikace, transkripce
Peroxizomy Místo pro reakce se vznikem toxických meziproduktů
Endoplazmatické retikulum Zásoba Ca2+ iontů, účast na exportu proteinů z buňky a do vakuoly
Olejová tělíska Skladování triacylglycerolů
Golgiho aparát Zpracování a skládání proteinů určených pro transport ven z buňky nebo do
vakuoly
7
Buněčná stěna
• Buněčná stěna rostlin obsahuje 90% cukrů a 10% proteinů
• Mikrofibrily celulózy
– cca. 36 celulózových vláken spojených vodíkovými vazbami
Primární buněčná stěna
Plazmatická membrána
Pektin
Hemicelulóza
Mikrofibrily celulózy
mikrofibrila celulózy
vlákno celulózy
8
Buněčná stěna
• Hlavním sacharidem je celulóza (b1 4 D-glukóza, 2 – 25 tis. jednotek)
- nejvíce zastoupená organická látka na zemi, cca. ½ vázaného org. uhlíku
• Hemicelulóza – obsahuje i jiné cukry
- D-manóza, D-galaktóza, D-fukóza, D-xylóza, D-arabinóza
9
Buněčná stěna
• Pektin
- směs polymerů z kyselin cukrů spojených a1 4 glykosidickou vazbou
- část karboxylových skupin je esterifikována metylovou skupinou
- volné karboxylové skupiny jednotlivých řetězců propojeny ionty Ca2+ a Mg2+
Poly-a-1,4-D-galakturonová kyselina
10
Buněčná stěna
• Strukturální proteiny buněčné stěny jsou glykoproteiny
- cukerná složka tvoří 50-90%
• Pro růst rostlinné buňky je důležitý protein expanzin
- přítomen v rostoucích částech, ruší vodíkové vazby mezi celulózovými mikrofibrilami a dalšími polysacharidy
• Sekundární buněčná stěna
- syntetizována k primární buněčné stěně po zastavení růstu
- tvořena hlavně celulózou
- inkorporace ligninu způsobuje lignifikaci sekundární buněčné stěny
- v mrtvých buňkách plní podpůrnou funkci
11
Plasmodezmata
• Mikroskopické kanály propojující sousední buňky
- mezibuněčný transport molekul do cca. 900 Da (meziprodukty, metabolity), ale i proteinů a RNA
- buňka může mít 1-10 tis. plasmodezmat
- vzniklý společný vnitrobuněčný prostor je nazýván Symplast
- prostor mezi buňkami nazýváme Apoplast
- viry (TMV) exprimují tzv. „virus přenášející proteiny“ schopné přenášet NK přes plasmodezmata
PlasmodezmataSymplast Apoplast
Plazmatická membrána
Proteinové částice
12
Struktura listu
13
Plasmodezmata
• Důležitá role plasmodezmat v procesu vývoje a patogeneze
- transport signálních molekul do a z floému
- v procesu patogeneze rychlé uzavření depozicí kalózy (achilova pata obrany)
Brunkard et al. 2016
14
Vakuoly
• vakuola je ohraničena membránou zvanou tonoplast
• maturované buňky mají zpravidla centrální vakuolu zabírající téměř celý buněčný prostor
• mladé buňky mají větší počet malých vakuol zabírajících malou část prostoru buňky
• důležitou funkcí je udržování buněčného turgoru
- akumulace osmoticky aktivních anorganických a organických solí
• vakuoly plní několik důležitých funkcí
- lytické vakuoly - hydrolytické enzymy pro odbourání makromolekul
- odpadní vakuoly - ukládání odpadu, xenobiotik (herbicidy)
- zásobní vakuoly pro ukládání fosfátu, dusičnanu nebo malátu
• zásobní vakuoly je možno využít v genetickém inženýrství pro produkci proteinů (protilátek)
15
Peroxisomy
• malé sférické organely
• ohraničeny pouze jednou membránou
• určeny pro reakce se vznikem toxických meziproduktů
- enzymy katalyzující oxidace
- kataláza
• v rostlinách jsou dva druhy
- peroxisomy v listech (fotorespirace)
- glyoxysomy v semenech (obsahující triacyglyceroly) – enzymy pro beta-oxidaci mastných kyselin
• vznik nejasný
- vychlípení membrány endoplasmatického retikula
- dělení již existujících peroxisomů (nemají však genomovou DNA)
16
Golgiho aparát
• skládá se až z 20 zakulacených disků, tzv. Golgiho cisteren (diktyosom)
• obsahuje cis-, střední a trans-část
• častá modifikace proteinů glykosylací
• dva modely pro transport
- přenos váčků
- progresní model
• lytická vakuola – clathrinem potažené váčky