Составитель: доц. Е.В. Харитонашвили.
Лекции читает с.н.с. М.А. Брейгина
Введение.
Растительная клетка как структурно-функциональная единица растительного организма. Основные типы растительных клеток и тканей. Особенности клеточной архитектуры и клеточной химии у растений. Внутриклеточная организация клетки как отражение типа ее специализации. Тотипотентность растительной клетки.
Ядро.
Строение ядра. Ядерная оболочка. Ядерные поры. Кариокинез. Триединый геном растительной клетки. Взаимодействие ядерного, митохондриального и хлоропластного геномов. Контроль за развитием онтогенетических программ клетки.
Клеточная стенка.
Химический состав и архитектура первичной КС.
Структурные полисахариды: целлюлоза, гликаны, пектины. Связи между полисахаридами КС. Различия между однодольным и двудольными по составу гемицеллюлоз. Клеточные стенки I и II типов.
Белки КС. Гликопротеины, обогащенные гидроксипролином. Семейство экспансинов. Белки, обогащенные пролином: участие в регуляции прорастания, формирования сосудов ксилемы и образования клубеньков. Арабиногалактановые белки: их свойства и функции.
Арабиногалактановые белки как молекулярные маркеры эмбриогенеза. Белки, обогащенные глицином. Ферменты КС. Инкрустирующие и адкрустирующие вещества, минеральные вещества, вода.
Биосинтез КС. Первичная и вторичная КС. Биосинтез микрофибрилл целлюлозы и их самосборка. Роль аппарата Гольджи в биосинтезе элементов матрикса. КС и рост растяжением. Молекулярные механизмы растяжения КС. Экспансины и кислый рост.
Клеточная стенка как фаза для внеклеточного движения молекул воды, ионов, органических молекул.
Участие олигосахаридов КС в регуляции роста и развития растения, защите его от болезней.
Мембранные системы растительной клетки.
Общий принцип строения биомембран. Плазмалемма и ее функции: структурная, транспортная, осморегуляторная, трансформация энергии, рецепторно-регуляторная, синтетическая.
Эндомембранные структуры: ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи, вакуолярная система, лизосомы, пероксисомы, глиоксисомы. Идея онтогенетической непрерывности эндоплазматической сети.
Разнообразие растительных вакуолей: морфологические, биохимические и физиологические показатели. Белок запасающие и гидролитические вакуоли, мембранные белки маркеры вакуолей разных типов (α-, δ-, и γ-TIP). Биогенез растительных вакуолей: биосинтез (ранний секреторный путь, поздний секреторный путь), аутофагия, эндоцитоз.
Молекулярно-биологические подходы для изучения функционирования вакуолярной системы. Механизмы направленного транспорта белков в вакуоли путем везикулярного транспорта. Сортирующие рецепторы вакуолей. Интегральный мембранный белок BP-80. Функции центральной вакуоли в зрелых клетках вегетативных тканей.
Эдоплазматический ретикулум и Аппарат Гольджи. Роль ЭПР и аппарата Гольджи в биосинтезе белка. Топография биосинтеза белка. Сортировка синтезированных белков для целевой доставки к органеллам и роль везикулярного транспорта в этом процессе. Характеристика везикулярного транспорта. Клеточные структуры, участвующие в везикулярном транспорте: ЭПР, комплекс Гольджи, превакуолярный компартмент, вакуоль, эндосома, плазмалемма. Поверхностные белки (coat proteins) транспортных везикул, их тип в зависимости от органеллы-донора и направления перемещения. От ЭПР к цис-Гольджи: 5 белков COP II; от цис-Гольджи к ЭПР: 6 белков COP I. Клатриновые везикулы. Белки SNARE: v-SNARE и t-SNARE. Реконструкция везикулярного транспорта в бесклеточной системе in vitro. Цитозольные белки необходимые для везикулярного транспорта: G-белки (Rab-GTPase), SNAREs-белки «ловушки», NSF (N-ethylmaleimide-sensitive factor), α-SNAP (soluble NSF attachment factor).
Плазмодесмы (Пд).
Тонкая структура Пд. Транспорт веществ по плазмодесмам. Определение пропускной способности Пд (SEL). Транспортные пути по симпласту: цитоплазматический и люменальный. Транспорт крупных белковых молекул (например, факторов транскрипции) и вирусов (на примере вируса табачной мозаики) по Пд. Механизм транспорта. Движущие белки (MP – moving protein). Изменение проницаемости плазмодесм как способ регуляции транспорта по симпласту.
Цитоскелет и его функции.
Элементы структуры цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты.
Микротрубочки: состав, полимеризация и деполимеризация как основа динамики микротрубочек. Динеины и кинезины, внутриклеточная подвижность, связанная с их активностью. Микроскопия Аллена.
Актиновый цитоскелет. Состав и динамика микрофиламентов. Белки ассоциированные с микрофиламентами: Аrp – белки, белок ARPC5 и Arp2/3-комплекс и др. Роль G-белков в организации актиновой сети. Взаимодействие МАПК реакций и актинового цитоскелета: фосфорилирования актин-связывающих белков.
Функции цитоскелета в процессах митоза. Функции цитоскелета в цитокинезе растительной клетки. Ориентация плоскости деления растительной клетки (препрофазное кольцо). Реорганизация актинового цитоскелета в кончике растущего корневого волоска и растущей пыльцевой трубки. Роль цитоскелета в рецепции и передаче внеклеточных сигналов
Конфокальная лазерно-сканирующая флуоресцентная микроскопия в изучении цитоскелета. Использование зеленого флуоресцентного белка для визуализации цитоскелета.
Пластидная система.
Общая характеристика пластидной системы растений. Симбиотическая теория происхождения пластид. Основные типы пластид: пропластиды, хромопласты, лейкопласты, этиопласты, хлоропласты. Особенности строения и функционирования разных типов пластид. Взаимопревращения разных типов пластид и роль эндогенных и экзогенных факторов в этом процессе. Функции пластид.
Хлоропласты. Структура и функции хлоропластов. Два пути развития хлоропласта из пропластиды, роль света в этом процессе. Хлоропласт как элемент морфофизиологической характеристики фотосинтетического аппарата листа. Внешняя и внутренняя мембраны хлоропласта: физико-химические и структурные различия. Биохимическая характеристика стромы. Экспорт фотоассимилятов из хлоропласта (фосфатные транслокаторы)
Принципы взаимодействия ядерного и хлоропластного геномов. Два типа РНК-полимераз: ядерного и пластидного кодирования. Геном хлоропласта. Три группы хлоропластных генов, различающиеся по промоторам. Особенности реализации генетической информации в хлоропласте на уровне транскрипции, созревания пластидной РНК, трансляции. Регуляторная роль света на стадии трансляции. Белки хлоропластного и ядерного кодирования. Транспорт белков в хлоропласт: транслоказы, ферменты процессинга, шапероны и шаперонины. Биосинтез РБФК. Деление хлоропластов. Наследование пластид. Роль амилопластов в развитии гравитропической реакции корня.
Митохондрии.
Структура и функции митохондрий. Особенности митохондриального генома растений.
Характеристика внешней и внутренней мембран. Особенности фосфолипидного состава мембран растительных Мх. Биохимическая характеристика матрикса. Роль растительных Мх в анаболических процессах: НАДФ-изоцитратдегидрогеназа, НАД/НАДФ малик энзим, биосинтез фолиевой к-ты, фотодыхание (глициндекарбоксилаза – главный белок в Мх листьев), ферменты биосинтеза жирных к-т. Важные отличия растительных митохондрий от животных. Цианидрезистентное дыхание. Термогенез у растений. Митохондрии и программируемая клеточная гибель.
Транспорт белков в Мх. Система белкового импорта: транслоказы внешней (TOM) и внутренней мембран (TIM); ферменты процессинга; белки-шапероны, локализованые в цитозоле и белки-шапероны и шаперонины в матриксе митохондрий, которые подключаются к транспорту белка через мб и к последующей сборке импортируемых белков. Зависимость структуры и количества митохондрий в клетке от ее функционального состояния.
Деление и рост растительной клетки.
Особенности деления растительной клетки (кариокинез и цитокинез). Регуляция клеточного цикла. Детерминация положения плоскости деления. Формирование препрофазного кольца и фрагмопласта при цитокинезе. Белки, регулирующие рост фрагмопласта. Неравное деление растительной клетки определяет новые пути развития дочерних клеток.
Особенности роста растительной клетки: рост клетки растяжением; локальный тип роста и его регуляция.
Частная физиология растительной клетки: замыкающие клетки устьиц и корневой волосок.
Замыкающие клетки устьиц. Строение замыкающих клеток, характерное для двудольных и однодольных растений. Регуляция устьичных движений. Особенности фотосинтетических реакций в устьичных клетках. Замыкающие клетки устьиц как модель для изучения клеточного сигналинга и основных механизмов клеточной регуляции.
Корневой волосок. Функции корневого волоска. Закладка трихобластов и атрихобластов в зоне корневого апекса на примере арабидопсис. Распределение плазмодесм по поверхности трихобласта и атрихобласта. Стадии формирования волоска в зоне поглощения. Роль позиционной информации при формировании волоска. Роль корневого волоска при формировании симбиоза с бактериями рода Rhizobium. Химическое узнавание ризобиями корневого волоска своего растительного хозяина. Формирование инфекционной нити.
Метаболическая и пространственно-временная компартментация как способ регуляции жизнедеятельности растительной клетки.
Развитие представлений о компартментации клеточных процессов. Компартментация ионов в клетках корня на примере калия, нитрата, хлорида. Компартментация ионов кальция и ее роль в клеточном сигналинге. Биохимическая компартментация фосфата.
Модели компартментации клеточных процессов: усвоения нитрата; фотодыхания; гомеостатирования цитозоля.
Регуляторные системы растительной клетки.
Роль генетического аппарата в интеграции метаболизма клетки. Ядерно-цитоплазматические отношения. Системы внутриклеточных сигналов в системе мембрана-цитоплазма-ядро. Основные типы сигнальных систем в растительной клетке. Функциональные взаимодействия различных органоидов клетки, их изменения в клеточном цикле и при ее дифференциации. Функциональная взаимосвязь органелл на примере фотодыхания.
Роль мембран в восприятии внешних сигналов клеткой и регуляция метаболизма клетки. Раздражимость. Системы узнавания. Рецепторы. Лектины.
Составитель: доц. Е.В. Харитонашвили.
