Tonoplast je termín používaný v biológii na identifikáciu vnútorných membrán vakuol v rastlinných bunkách. Tonoplast má selektívnu priepustnosť a blokuje vodu, ióny a rozpustené látky vo vakuolách.
Existujú vyčerpávajúce štúdie molekulového zloženia tonoplastov, pretože transportné proteíny nachádzajúce sa v týchto membránach regulujú rast rastlín, stres voči slanosti a vysušeniu a náchylnosť k patogénom.
Toneplast rastlinnej bunky (Zdroj: Mariana Ruiz prostredníctvom Wikimedia Commons)
Vo všeobecnosti vakuola, ktorú tvorí tonoplast, obsahuje 57,2% celkového objemu buniek v rastlinách. Toto percento sa však môže líšiť v závislosti od spôsobu života, zvyčajne sú to kaktusy a púštne rastliny s menšími alebo väčšími vakuolami.
V niektorých druhoch rastlín môže vakuola vymedzená tonoplastom zaberať až 90% vnútorného objemu všetkých rastlinných buniek.
Pretože je zapojený do nepretržitého prenosu molekúl, iónov a enzýmov medzi cytosolom a vnútrajškom vakuoly, je tonoplast bohatý na transportné proteíny, kanály a aquaporíny (póry alebo kanály, ktorými voda prechádza).
Mnohé z vnútorných vezikúl, ako sú fagozómy alebo transportné vezikuly, sa nakoniec spoja s tonoplastom, aby sa ich obsah uložil do vakuoly, kde môžu byť ich zložky degradované a recyklované.
Biotechnológovia zameriavajú svoje úsilie na techniky potrebné na včlenenie tonoplastov s charakteristikami rastlín odolných voči slanému stresu do rastlín komerčného záujmu, ako je pšenica a ryža.
vlastnosti
Tonoplast je tvorený väčšinou proteínmi a lipidmi usporiadanými vo forme lipidovej dvojvrstvy, viac-menej podobnej plazmatickej membráne buniek. Avšak v porovnaní s inými bunkovými membránami má vo svojom zložení jedinečné proteíny a lipidy.
Vákuárna membrána (tonoplast) je zložená z 18% neutrálnych lipidov a sterolov, 31% glykolipidov a 51% fosfolipidov. Normálne sú mastné kyseliny prítomné v lipidoch, ktoré tvoria dvojvrstvu, úplne nasýtené, to znamená, že nemajú dvojité väzby.
Obrovská vakuola definovaná tonoplastom začína ako súbor viacerých malých vakuolov, ktoré sa syntetizujú v endoplazmatickom retikule, do nich sa neskôr začleňujú proteíny z Golgiho aparátu.
Schéma centrálnej vakuoly rastlinnej bunky (Zdroj: Som autorom: Gevictor prostredníctvom Wikimedia Commons)
Proteíny z Golgiho aparátu sú kanály, enzýmy, transportné a štrukturálne proteíny a kotviace glykoproteíny, ktoré budú umiestnené v tonoplaste.
Všetky malé vákuoly sa fúzujú a organizujú pomaly a progresívne, až kým nevytvoria tonoplast, ktorý vedie k veľkej vakuole, ktorá je zväčša naplnená vodou a iónmi. Tento proces sa vyskytuje vo všetkých organizmoch kráľovstva Plantae, preto všetky rastlinné bunky majú tonoplast.
Tonoplast, podobne ako mitochondriálna lipidová dvojvrstva, má medzi svojou štruktúrou dva typy primárnych protónových púmp, ATPázu a pyrofosfatázu, ktoré umožňujú, aby vnútro vakuoly malo kyslé pH.
Vlastnosti
Hlavnou funkciou tonoplastu je fungovať ako semipermeabilná bariéra, ktorá vymedzuje priestor, ktorý tvorí vakuola, a oddeľuje ho od zvyšku cytosolického obsahu.
Túto „semi-permeabilitu“ používajú rastlinné bunky okrem iných funkcií na reguláciu pH, reguláciu pH, rast.
Turgor a vodný potenciál
Najštudovanejšou funkciou tonoplastov v rastlinách je regulovanie bunkového turgoru. Koncentrácia iónov a vody nájdená vo vakuole sa prostredníctvom tlakového potenciálu (Ψp) zúčastňuje na vodnom potenciáli (Ψ), takže molekuly vody vstupujú alebo opúšťajú vnútro bunky.
Vďaka prítomnosti tonoplastu sa vytvára tlakový potenciál (Ψp) vyvíjaný protoplastom (plazmatická membrána) na bunkovú stenu v bunkách. Táto sila získava pozitívne hodnoty, keď vakuola vyvíja tlak na protoplast, a to zase na bunkovú stenu.
Keď voda opúšťa vakuolu cez tonoplast a potom opúšťa rastlinnú bunku, vakuola sa začne sťahovať a stratí sa turgor bunky, pričom hodnoty potenciálu tlaku (Ψp) sú takmer nulové a dokonca záporné.
Tento proces je známy ako počiatočná plazmolýza a je to to, čo zase spôsobuje vädnutie, ktoré pozorujeme v rastlinách.
Keď rastlina vädne, jej bunkový osmotický potenciál (Ψp) stúpa, pretože keď je koncentrácia iónov draslíka (K +) vo vnútri bunky vyššia ako koncentrácia rozpustených látok von, voda sa pohybuje smerom dovnútra.
Tieto draselné ióny (K +) sa väčšinou nachádzajú vo vakuole a spolu s iónmi cytozolov sú zodpovedné za generovanie osmotického potenciálu (Ψp). Tonoplast je pre tieto draselné ióny priepustný vďaka ATPáze, ktorú má vo svojej štruktúre.
Údržba PH
ATPázy v tonoplaste udržiavajú konštantný protónový gradient medzi cytosolom a vnútrajškom vakuoly.
ATPázy membrány koreňových buniek sú aktivované prítomnosťou draslíkových iónov (K +), tieto zavádzajú draselné ióny (K +) a vylučujú protóny (H +). Naopak, ATPázy nachádzajúce sa v tonoplaste sú aktivované v prítomnosti chlóru (Cl-) v cytosóle.
Tieto regulujú koncentráciu vnútorných iónov chlóru (Cl-) a vodíka (H +). Obidve ATPázy pracujú v akejsi "hre" na reguláciu pH v cytosóle rastlinných buniek, buď zvyšovaním alebo znižovaním pH na 7 alebo vyšším v cytosóle.
Keď je v cytozole veľmi vysoká koncentrácia protónov (H +), ATPáza bunkovej membrány zavádza draselné ióny (K +); zatiaľ čo ATPáza tonoplastu nasáva ióny chlóru (Cl-) a vodíka (H +) z cytosolu do vakuoly.
kumulácia iónov
Tonoplast má niekoľko typov primárnych protónových čerpadiel. Okrem toho má transportné kanály pre ióny vápnika (Ca +), ióny vodíka (H +) a ďalšie ióny, ktoré sú špecifické pre každý druh rastlín.
ATPázy pumpujú protóny (H +) do vakuoly, čím spôsobujú, že jej lúmen získa kyslé pH s hodnotami medzi 2 a 5 a kladným čiastočným nábojom. Tieto pumpy hydrolyzujú ATP v cytozole a cez póry zavádzajú protóny (H +) do lúmenu vakuoly.
Pyrofosfatázy sú ďalším typom „pumpy“ tonoplastov, ktoré tiež zavádzajú protóny (H +) do vakuoly, ale robia to hydrolýzou pyrofosfátu (PPi). Toto čerpadlo je jedinečné pre rastliny a závisí od iónov Mg ++ a K +.
Ďalší typ ATPáz možno nájsť v tonoplaste, ktorý pumpuje protóny do cytosolu a do vápna zavedie vápenaté ióny (Ca ++). Vápnik (Ca ++) sa používa ako posol vo vnútri bunky a lúmen vakuoly sa používa ako ložisko pre tieto ióny.
Asi najrozšírenejšími proteínmi v tonoplaste sú vápnikové kanály, ktoré umožňujú výstup vápnika (Ca +) zavedený ATPázami membrány.
V súčasnosti boli tiež identifikované primárne čerpadlá alebo transportéry typu ABC (z anglického A TP-B inding C assette) schopné zavádzať veľké organické ióny do vakuoly (napríklad glutatión).
Referencie
- Blumwald, E. (1987). Vezikuly tonoplastov ako nástroj pri štúdiu transportu iónov na rastlinnej vakuole. Physiologia Plantarum, 69 (4), 731-734.
- Dean, JV, Mohammed, LA, a Fitzpatrick, T. (2005). Tvorba, vákuová lokalizácia a tonoplastový transport konjugátov glukózy s kyselinou salicylovou v kultúrach suspenzie tabakových buniek. Plant, 221 (2), 287-296.
- Gomez, L., & Chrispeels, MJ (1993). Tonoplasty a rozpustné vákuové proteíny sú cielené rôznymi mechanizmami. The Plant Cell, 5 (9), 1113-1124.
- Jauh, GY, Phillips, TE, a Rogers, JC (1999). Izoformy vnútorného proteínu tonoplastov ako markery pre vakuolárne funkcie. The Plant Celí, 11 (10), 1867-1882.
- Liu, LH, Ludewig, U., Gassert, B., Frommer, WB, a von Wirén, N. (2003). Transport močoviny dusíkmi regulovanými vnútornými proteínmi tonoplastov v Arabidopsis. Physiológia rastlín, 133 (3), 1220-1228.
- Pessarakli, M. (2014). Príručka fyziológie rastlín a rastlín. CRC Stlačte.
- Taiz, L., Zeiger, E., Møller, IM, a Murphy, A. (2015). Fyziológia a vývoj rastlín