Tonoplast je termín používaný v biologii k identifikaci vnitřních membrán vakuol v rostlinných buňkách. Tonoplast má selektivní permeabilitu a blokuje vodu, ionty a soluty uvnitř vakuol.
Existují vyčerpávající studie molekulárního složení tonoplastů, protože transportní proteiny umístěné v těchto membránách regulují růst rostlin, stres na slanost a vysoušení a náchylnost k patogenům.
Toneplast rostlinné buňky (Zdroj: Mariana Ruiz přes Wikimedia Commons)
Obecně vakuola, kterou tonoplast tvoří, obsahuje 57,2% celkového objemu buněk v rostlinách. Toto procento se však může lišit v závislosti na způsobu života, protože kaktusy a pouštní rostliny jsou obvykle ty, které mají menší nebo větší vakuoly.
U některých druhů rostlin může vakuola vymezená tonoplastem zabírat až 90% vnitřního objemu všech rostlinných buněk.
Protože se podílí na neustálém přenosu molekul, iontů a enzymů mezi cytosolem a vnitřkem vakuoly, je tonoplast bohatý na transportní proteiny, kanály a aquaporiny (póry nebo kanály, kterými voda prochází).
Mnoho z vnitřních váčků, jako jsou fagosomy nebo transportní váčky, se nakonec spojí s tonoplastem, aby se jejich obsah uložil do vakuoly, kde mohou být jejich složky degradovány a recyklovány.
Biotechnologové zaměřují své úsilí na techniky nezbytné k začlenění tonoplastů s vlastnostmi rostlin odolných vůči působení solí do rostlin komerčního zájmu, jako je pšenice a rýže.
vlastnosti
Tonoplast je tvořen většinou bílkovinami a lipidy uspořádanými ve formě lipidové dvojvrstvy, více či méně podobné plazmatické membráně buněk. Avšak ve srovnání s jinými buněčnými membránami má ve svém složení jedinečné proteiny a lipidy.
Vakuulární membrána (tonoplast) je složena z 18% neutrálních lipidů a sterolů, 31% glykolipidů a 51% fosfolipidů. Normálně jsou mastné kyseliny přítomné v lipidech, které tvoří dvojvrstvu, zcela nasycené, to znamená, že nemají dvojné vazby.
Obrovská vakuola definovaná tonoplastem začíná jako soubor několika malých vakuol, které jsou syntetizovány v endoplazmatickém retikulu, později jsou do nich začleněny proteiny z Golgiho aparátu.
Schéma centrální vakuoly rostlinné buňky (Zdroj: Jsem autor: Gevictor přes Wikimedia Commons)
Proteiny z Golgiho aparátu jsou kanály, enzymy, transportní a strukturální proteiny a kotvící glykoproteiny, které budou umístěny v tonoplastu.
Všechny malé vakuoly se spojí a organizují pomalu a postupně, dokud nevytvoří tonoplast, který dává vznik velké vakuole, hlavně naplněné vodou a ionty. K tomuto procesu dochází ve všech organismech království Plantae, proto mají všechny rostlinné buňky tonoplast.
Tonoplast, stejně jako mitochondriální lipidová dvojvrstva, má mezi svou strukturou dva typy primárních protonových pump, ATPázu a pyrofosfatázu, které umožňují, aby vnitřek vakuoly měl kyselé pH.
Funkce
Hlavní funkcí tonoplastu je fungovat jako semipermeabilní bariéra, která vymezuje prostor tvořený vakuolem a odděluje jej od zbytku cytosolického obsahu.
Tato „polopropustnost“ je využívána rostlinnými buňkami pro turgor, kontrolu pH, růst a mnoho dalších funkcí.
Turgor a vodní potenciál
Nejstudovanější funkcí tonoplastů v rostlinách je regulace buněčného turgoru. Koncentrace iontů a vody nalezená ve vakuole se prostřednictvím tlakového potenciálu (Ψp) účastní vodního potenciálu (Ψ), takže molekuly vody vstupují nebo opouštějí vnitřek buňky.
Díky přítomnosti tonoplastu se vytváří tlakový potenciál (Ψp) vyvíjený protoplastem (plazmatická membrána) na buněčnou stěnu v buňkách. Tato síla získává kladné hodnoty, když vakuola vyvíjí tlak na protoplast a to zase na buněčnou stěnu.
Když voda opouští vakuolku přes tonoplast a potom opouští rostlinnou buňku, vakuola se začne stahovat a turgor buňky se ztrácí, čímž se dosáhne hodnot potenciálu tlakového potenciálu (Ψp) blízko nuly a dokonce negativních.
Tento proces je známý jako počáteční plazmolýza a je to, co zase produkuje vadnutí, které pozorujeme v rostlinách.
Když rostlina vadne, její buněčný osmotický potenciál (Ψp) se zvyšuje, protože když je koncentrace iontů draslíku (K +) uvnitř buňky větší než koncentrace solutů venku, voda se pohybuje směrem dovnitř.
Tyto draselné ionty (K +) se většinou nacházejí uvnitř vakuoly a spolu s ionty cytosolu jsou zodpovědné za generování osmotického potenciálu (Ψp). Tonoplast je pro tyto draselné ionty propustný díky ATPáze, kterou má ve své struktuře.
Údržba PH
ATPázy v tonoplastu udržují konstantní protonový gradient mezi cytosolem a vnitřkem vakuoly.
ATPázy membrány kořenových buněk jsou aktivovány přítomností iontů draslíku (K +), tyto zavádějí ionty draslíku (K +) a vylučují protony (H +). Naopak ATPázy nalezené v tonoplastech jsou aktivovány v přítomnosti chloru (Cl-) v cytosolu.
Tyto regulují koncentraci vnitřních iontů chloru (Cl-) a vodíku (H +). Obě ATPázy pracují v jakési "hře", aby regulovaly pH v cytosolu rostlinných buněk, buď zvyšováním nebo snižováním pH na 7 nebo více v cytosolu.
Když je v cytosolu velmi vysoká koncentrace protonů (H +), zavádí ATPáza buněčné membrány draselné ionty (K +); zatímco ATPáza tonoplastu nasává ionty chloru (Cl-) a vodíku (H +) z cytosolu do vakuoly.
Kumulace iontů
Tonoplast má několik typů primárních protonových pump. Kromě toho má transportní kanály pro ionty vápníku (Ca +), ionty vodíku (H +) a další ionty, které jsou specifické pro každý rostlinný druh.
ATPázy pumpují protony (H +) do vakuoly, což způsobuje, že její lumen získá kyselé pH s hodnotami mezi 2 a 5 a kladným částečným nábojem. Tyto pumpy hydrolyzují ATP v cytosolu a přes póry zavedou protony (H +) do lumen vakuoly.
Pyrofosfatázy jsou dalším typem „bomb“ tonoplastu, které také zavádějí protony (H +) do vakuoly, ale činí to hydrolýzou pyrofosfátu (PPi). Toto čerpadlo je pro rostliny jedinečné a závisí na iontech Mg ++ a K +.
Jiný typ ATPázy lze nalézt v tonoplastu, který pumpuje protony do cytosolu a zavádí ionty vápníku (Ca ++) do vakuoly. Vápník (Ca ++) se používá jako posel uvnitř buňky a lumen vakuoly se používá jako depozit pro tyto ionty.
Snad nejhojnějšími proteiny v tonoplastech jsou vápníkové kanály, které umožňují únik vápníku (Ca +) zavedený ATPázy z membrány.
V současné době byly také identifikovány primární čerpadla nebo transportéry typu ABC (z anglického A TP-B inding C assette) schopné zavádět velké organické ionty do vakuoly (například glutathion).
Reference
- Blumwald, E. (1987). Vazule tonoplastů jako nástroj při studiu transportu iontů ve vakuole rostliny. Physiologia Plantarum, 69 (4), 731-734.
- Dean, JV, Mohammed, LA, a Fitzpatrick, T. (2005). Vznik, vakuolární lokalizace a tonoplastový transport konjugátů glukózy s kyselinou salicylovou v kulturách tabákových buněčných suspenzí. Plant, 221 (2), 287-296.
- Gomez, L., & Chrispeels, MJ (1993). Tonoplasty a rozpustné vakuolární proteiny jsou cíleny různými mechanismy. The Plant Cell, 5 (9), 1113-1124.
- Jauh, GY, Phillips, TE, & Rogers, JC (1999). Izoformy vnitřního proteinu tonoplastu jako markery pro vakuolární funkce. The Plant Cell, 11 (10), 1867-1882.
- Liu, LH, Ludewig, U., Gassert, B., Frommer, WB, & von Wirén, N. (2003). Transport močoviny dusíkem regulovanými vnitřními proteiny tonoplastů v Arabidopsis. Fyziologie rostlin, 133 (3), 1220-1228.
- Pessarakli, M. (2014). Příručka fyziologie rostlin a plodin. CRC Stiskněte.
- Taiz, L., Zeiger, E., Møller, IM a Murphy, A. (2015). Fyziologie a vývoj rostlin