voda jako universální prostředí, vlastnosti vody kapilarita, osmóza

1. Chemické a fyzikální principy transportu 4 Chemické a fyzikální principy transportu • voda jako universální prostředí, vlastnosti vody • kapilarita, osmóza • difúze, usnadněná difúze, aktivní transport • hromadný tok Voda -80-95 % hmoty rostoucích pletiv • prostředí pro chemické děje • účastní se biochemických dějů • ovlivňuje molekulární struktury • prostředí pro pohyb látek 990g tranzitní voda 1000 g přijaté vody 8-9g voda nevázaná chemicky 10g zadržená voda 1-2g vázaná chemicky Rychlá výměna – 100 % obsahu vody listu/hod

2. Chemické a fyzikální principy transportu 5  O H H 105° + + koheze(soudržnost molekul vody) povrchové napětí(rozdíl přitažlivosti na rozhraní voda-vzduch, minimalizace povrchů vody) interakce s povrchy adheze(přilnavost k pevným povrchům) Struktura a vlastnosti vody  Voda je polární molekula  interakce mezi molekulami vody koheze + povrchové napětí + adheze kapilarita

3. Chemické a fyzikální principy transportu 6 2s R r h=1,5.10-5.1/r h 2s = r Kapilarita Kapilární tlak Pks - povrchové napětí, R - poloměr menisku pk= (Při dokonalé smáčivosti R = r, kde r je poloměr kapiláry) V rovnováze: Kapilární tlak 2s  hg h= Hydrostatický tlak rg h -výška  -specifická hmotnost kapaliny g -gravitační zrychlení

4. Chemické a fyzikální principy transportu 7 Tabulka hodnot výšek vodního sloupce v závislosti na světlosti kapiláry rkapiláry h vodního sloupce [µm] [m] 1000 100 75 cévy v xylému 10 1, 0,1 0,01 menisky v listech 0,0015 0,015 0,02 0,15 1,5 15 150 Další důsledky struktury vody: • Voda je kapalina při normálním tlaku a teplotě • Voda představuje dokonalé rozpouštědlo • Vysoké hodnoty měrné tepelné kapacity (4,2 kJ.kg-1K-1) • Vysoké hodnoty skupenského výparného tepla(2,44 MJ.kg-1)

5. Chemické a fyzikální principy transportu 9 Tlak, který zabrání difúzi : Osmotický potenciál (Osmotický potenciál = tlaku molekul v plynném stavu na nádobu o objemu roztoku) Princip „osmotické“ elektrárny Př.:Roztok 1mol.l-1 má při 0°C osmotický potenciál –2,27 MPa (pro neelektrolyt) Pohyb vody, látek ve vodě, pohyb roztoku • Osmóza: spontánní pohyb látek (rozpouštědla) přes polopropustnou membránu

6. Vodní potenciál Transport xylémem Osmotický potenciál (s=-RTc) Tlakový potenciál W = s+  p+g (Pozitivní tlak hodnotu vodního potenciálu zvyšuje) Gravitační potenciál s = -0,244 MPa p = 0 MPa W = -0,244 + 0 = -0,244 MPa s = 0 MPa p = 0 MPa W = 0 + 0 = 0 MPa s = -0,732 MPa p = = 0,488 MPa W = -0,244 MPa s = - 0,732 MPa p = 0 MPa W=-0,732 + 0=-0,732 MPa s = -0,732 MPa p = -0,244 –(-0,732) = 0,488 MPa W = -0,244 MPa s = -0,732 MPa p = 0 MPa W=-0,732 + 0= -0,732 MPa s = -0,732 MPa p = 0 MPa W =-0,732 MPa s= -  (kde  je osmotický tlak)

7. Chemické a fyzikální principy transportu 10 Js= - Ds dC/dx • Difúze: spontánní pohyb látek po koncentračním gradientu až do ustavení rovnováhy Js-rychlost transportu vyjádřená jako množství látky, které překročí jednotkovou plochu za jednotku času [mol.cm-2.s-1] Ds-difúzní koeficient [cm2.s-1]– závisí na: teplotě  viskozitě prostředí  velikosti částice  náboji částice dC/dx- gradient koncentrací Chemický potenciál Transport látek může být poháněn také jinými silami: hydrostatickým tlakem, elektrickým polem, gravitací Chemický potenciál látky µj = µj* + RT lnCj + zjEF + VjP Cj- koncentrace j-té složky Zj–elektrostatický náboj iontu Vj – parciální molální objem složky Chemický potenciál Koncentrační složka Složka elektrost. náboje Tlaková složka

8. Chemické a fyzikální principy transportu 11 • Usnadněná difúze Přenos přes membránu pasivní přenos do rovnováhy  účast přenašeče  potenciálně selektivní • Aktivní transport Transport proti elektrochemickému gradientu účast transportéru  energeticky náročný přenos Elektrochemický gradient difúze kanál usnadněná difúze Aktivní transport Pasivní transport

9. Chemické a fyzikální principy transportu 12 sacharóza H+ ATP kationt Pi Aktivní transport uniport symport antiport kotransport Model aktivního transportu kationtů Model symportu sacharózy a H+ !Sacharóza může být transportována i antiportem s H+!

10. Hromadný tok Pohyb celé masy roztoku jako výsledek rozdílu v potenciální energii r4 r – poloměr potrubí - viskozita kapaliny P/x – tlakový gradient pohánějící tok . P/x Rychlost toku = 8

11. Stavba transportujících struktur Stavba struktur podílejících se na transportu • Membrány tekutá mozaika lipidická dvojvrstva proteiny sacharidy lipidická dvojvrstva fosfolipidy (40-50%) steroly glykolipidy Složení membrán se liší: u různých typů membrán u různých druhů rostlin proteiny enzymy (ATPázy) kanálky specifické (K+) méně specifické (K+, malát) přenašeče nespecifické receptory sacharidy – navázané na čnějící části proteinů – rozpoznávací funkce (patogen, blizna – pyl, chemické signály) Ca 2+ zajišťuje vazbu složek membrán – integrita struktury

12. Stavba transportujících struktur Plazmalema– hlavní bariéra buňka - okolí Tonoplast – nejsilnější- největší mechanická odolnost Tonoplast  plazmalema  Golgiho aparát  ER Všechny plní funkci selektivních membrán Co a jak proniká membránou ? H2O, rozpuštěné plyny, O2, CO2 – pasivně, rychle (hydratace CO2: HCO3-, CO32-, zastoupení závislé na pH, různá rozpustnost v tucích – lepší propustnost pro CO2 při nižších pH) Hydrofobní látky - pronikají snadno - rychlosti jsou úměrné jejich rozpustnosti v tucích Hydrofilní látky a ionty. Pokud mají stejnou rozpustnost – rychlosti nepřímo úměrné velikosti Transport je poháněn: kinetickou energií metabolickou energií

13. Stavba transportujících struktur • Plazmodezmy buněčná stěna -překážka pro přímý kontakt buněk ne/existence buněčné stěny --- živočišná/ rostlinná buňka Spojení plazmodezmy- velká část transportu touto cestou - vytvoření symplastu (membránové kontinuum) Arabidopsis ; Burch-Smith, etal., 2012 Oparka, 2011

14. plazmodezmy Amaranthus retroflexus MC- metofylové b. SC- buňky pochev VP – vaskulární parenchym CC- průvodní buňky ST- sitkovice Výskyt Výskyt: mezi téměř všemi živými buňkami Frekvence  0,01-60 µm-2, značně rozdílná, často specifická pro určité pletivo  plazmodezmogramy Struktura • Primární: • vznikají při cytokinezi, když vesikuly odvozené od Golgi obsahující komponenty buněčné stěny fúzují Burch-Smith, et al., 2012

15. Sekundární: • podst. část PD v rostlině, • vznikají: splýváním primárních, • de novo • spojení nejen příbuzných, ale i nepříbuzných buněk V průběhu diferenciace buněk --- …….větvené PD, vývoj centrální dutiny Burch-Smith et al., 2011 Oparka, 2011

16. Burch-Smith, et al., 2012 Maule et al., 2011l

17. Stavba transportujících struktur Symplastické domény ? Jak rozsáhlé jsou oblasti spojené plazmodezmy ? Př.:Egeriadensa – mapování pomocí pohybu barviv (SEL) Apex SEL: 749Da Epidermis listu 674Da Epidermis kořene, stonku 376 Da Bariéry mezi epidermis a kortexem; v nódu Pozor na přecenění plazmodezmogramů !! • Jen potenciální symplastická cesta • Různé struktury PD – různé funkce • Agregace do polí – ztráta homogenity • Specializace buněk uvnitř jinak homogenního pletiva • Rozdíly ve funkčních rozměrech • Komplikace v metodikách stanovení

18. Stavba transportujících struktur Současná představa – dynamická selektivní struktura schopná regulovaných změn Plasmodezmy • mohou být odstraněny • mohou být dočasně či trvale uzavřeny Př.: symplastická izolace: svěrací buňky stěna zárodečného vaku Př.: Diferenciace xylému – nedospělé x. elementy – spojení s parenchymem zrání x. elementů – zapečetění stěnovým materiálem Cukrová třtina, mezofyl (Robinson-Beers and Evert (1991) , úsečka - 200 nm Př.: kořen - epidermis - zrání – ztráta symplast. spojení • Mohou měnit prostupnost (SEL) Př.: Nastoupení synchronního dělení b. v apexu Silene coeli-rosa po indukci LD v korelaci se snížením SEL Př. Vliv viru - MP- napodobení rostlinných MP 0,7-1kDA —30kDa

19. Stavba transportujících struktur 27 kDa 54 kDa 81 kDa 57kDa 84kDa Př.:Změny v komunikaci mezi buňkami pomocí PD během vývoje embryí • počáteční fáze - suspenzor a embryo - jedna symplastická doména • globulární  srdčité – symplastická izolace suspenzor/embryo Barvy reprezentují symplastické domény. Izolace : vnější integumenty// vnitřní integumenty//endosperm// embryo Narušení symplastického spojení je letální! • dále subdomény s různým SEL Lucas et al., 2009

20. Př.: symlastická izolace při přechodu vegetativní/ květní meristem Arabidopsis thaliana Petioly … hydroxypyren 1,3,6,-trisulfonová kys. (HPTS) Burch-Smith et al., 2011

21. Funkční stavy plazmodezmů NCAP: non-cell-autonomous proteins –proteiny působící v buňkách, které nepřepisují jejich mRNA a nesyntetizují daný protein Lucas a Lee, 2004

22. Stavba transportujících struktur Model transportu floemového RNA-vážícího proteinu (CmPP16) u Cucurbita maxima Lucas et al., 2009 Řízení vývoje plasmodesmů a jejich funkce Snaha nalézt souvislost mezi frekvencí plazmodezmů a transportní kapacitou, SEL, transportním mechanismem PD a funkcí v určitém souboru buněk a mechanismy regulací Burch-Smith, et al., 2012